5-異氰酸酯-異肽酰氯的合成

劉立芬，徐德志，陳歡林，高從堦,3

（1浙江工業(yè)大學(xué)綠色化學(xué)合成技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，浙江 杭州 310014；2浙江大學(xué)化學(xué)工程與生物工程學(xué)系，浙江 杭州 310027； 3杭州水處理技術(shù)研究開(kāi)發(fā)中心有限公司，浙江 杭州 310012）

5-異氰酸酯-異酞酰氯（5-isocyanato- isophthaloyl chloride）簡(jiǎn)稱ICIC，也稱為3，5-二酰氯基-苯異氰酸酯或3，5-二甲酰氯基-異氰酸酯。ICIC是新型的三官能團(tuán)交聯(lián)劑，它含有酰氯基（—COCl）和異氰酸酯基（—N=C=O）兩種功能基團(tuán)，與間苯二胺（MPD）界面聚合時(shí)形成酰胺鍵（amide）、脲鍵（urea）和氨基（—NH2），由此而生成的聚酰胺-脲型復(fù)合反滲透膜與常規(guī)的聚酰胺膜相比具有更高的通量和更好的耐污染性能[1-7]。

關(guān)于ICIC的合成，DuPont公司[1-5]最早以光氣為酰氯化劑，在催化劑咪唑作用下于溶劑氯苯中經(jīng)高溫、密閉自發(fā)升壓反應(yīng)較長(zhǎng)時(shí)間進(jìn)行制備。但光氣是氣體，有劇毒，易散發(fā)，操作難度大，使得該法應(yīng)用受到限制。之后，俞三傳等[8-9]以草酰氯為酰氯化劑，在催化劑N-甲基咪唑作用下于溶劑氯苯中反應(yīng)較長(zhǎng)時(shí)間進(jìn)行制備。由于草酰氯是液體，沸點(diǎn)低，揮發(fā)性高，在高溫回流時(shí)容易損失，因而在反應(yīng)過(guò)程中需大大過(guò)量。并且，草酰氯具有高毒性和高腐蝕性，對(duì)人體的毒性與光氣相當(dāng)，操作難度也很大。因此選擇另一種活性好且安全的化合物——三光氣作為反應(yīng)的酰氯化劑，它與光氣、草酰氯相比具有以下優(yōu)勢(shì)：毒性低，室溫下穩(wěn)定，可準(zhǔn)確計(jì)量，操作安全且反應(yīng)條件溫和[10-13]。

本文以三光氣為酰氯化劑合成ICIC的反應(yīng)式如圖1所示。由于反應(yīng)底物上的—NH2很容易與反應(yīng)中間體的—NHCOCl和—COCl反應(yīng)形成副產(chǎn)物而使后續(xù)反應(yīng)終止，由此嚴(yán)重影響產(chǎn)品收率，因此選擇合適的加料方式是保證該反應(yīng)順利進(jìn)行的首要條件。為此探討了加料方式對(duì)反應(yīng)的作用機(jī)理，并研究了催化劑的反應(yīng)機(jī)理，同時(shí)考察了溶劑對(duì)反應(yīng)的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

Bruker公司 AVANCE-500MHz型核磁共振波普儀（CDCl3為溶劑，TMS為內(nèi)標(biāo)）；Waters公司GCT Premier型氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用儀（四氫呋喃為溶劑）；美國(guó)熱電尼高力公司Nicolet 6700傅里葉變換紅外光譜儀。所用試劑見(jiàn)表1。

1.2 合成方法

在裝有機(jī)械攪拌、溫度計(jì)、回流冷凝管和 N2保護(hù)的四口燒瓶中加入BTC和溶劑，然后在冰浴下（＜5℃）用蠕動(dòng)泵緩慢將5-氨基異酞酸反滴入燒瓶中，同時(shí)用恒壓分液漏斗緩慢加入適量的催化劑。滴畢，在冰浴下（5～10 ℃）反應(yīng)1 h，再升溫至40 ℃反應(yīng)一定時(shí)間，靜置過(guò)濾，旋蒸回收溶劑并得到中間體 5-氯甲酰胺基-異酞酰氯。

表1 原料和試劑來(lái)源

在裝有機(jī)械攪拌、溫度計(jì)、回流冷凝管和 N2保護(hù)的四口燒瓶中加入所得中間體、適量催化劑和溶劑，在冰浴下（＜5 ℃）用恒壓分液漏斗緩慢補(bǔ)加少量的BTC。滴畢，升溫至 70 ℃反應(yīng)一定時(shí)間，再升溫至110 ℃回流?；亓魍戤?，冷卻靜置，旋蒸回收溶劑并得到淺棕色透明黏稠液體，加入溶劑重結(jié)晶（三次）得白色晶體，經(jīng)減壓蒸餾得產(chǎn)品ICIC，氣相分析其純度大于99%。

反應(yīng)過(guò)程中釋放的氣體用裝有飽和NaOH水溶液的尾氣洗瓶吸收。

2 結(jié)果與討論

2.1 加料方式對(duì)產(chǎn)品收率的影響

圖1 ICIC合成路線

反應(yīng)的加料方式有兩種：一種是正向加料，即直接將原料5-氨基異酞酸與三光氣的非均相混合液置于反應(yīng)燒瓶中，再于冰浴下緩慢滴加催化劑。另一種是反向加料，即先將三光氣的均相溶液置于反應(yīng)燒瓶中，再于冰浴下將原料的非均相混合液用蠕動(dòng)泵反向滴加至三光氣中，同時(shí)用恒壓分液漏斗緩慢滴加催化劑。表2為兩種加料方式對(duì)產(chǎn)品收率的作用結(jié)果，顯然正向加料方式的產(chǎn)品收率遠(yuǎn)低于反向加料方式的產(chǎn)品收率。注意到，在冰浴下正向加料的過(guò)程中有大量的白色固體生成，將其過(guò)濾干燥，采用紅外分析發(fā)現(xiàn)（圖2）：在 1635（ν C=O，酰胺 I吸收帶）、1549（δN—H，酰胺Ⅱ吸收帶）和1239 cm?1（νC—N，酰胺Ⅲ吸收帶）處有較強(qiáng)的仲酰胺特征吸收峰，說(shuō)明白色固體中有酰胺鍵（—CONH—）生成。而1604（νC=O，芳香脲C=O伸縮振動(dòng)）[14]和1336 cm?1（νC—N，芳香脲 C—N 伸縮振動(dòng)）、1794（νC=O，酰氯上C=O伸縮振動(dòng)）、1715和1674（νC=O，羧基上C=O伸縮振動(dòng)）處的強(qiáng)吸收分別為—NHCONH—、—COCl和—COOH的特征吸收峰，表明該固體中又有脲和酰氯生成，同時(shí)也有羧基存在。顯然，這是反應(yīng)中間體 5-氯甲酰胺基-異酞酰氯在原料 5-氨基-異酞酸大大過(guò)量的情況下優(yōu)先與原料反應(yīng)生成副產(chǎn)物（即白色固體）酰胺-脲的結(jié)果（圖3）[15]。副產(chǎn)物酰胺-脲的生成將直接導(dǎo)致參與反應(yīng)的有效原料的量大大降低，從而顯著降低產(chǎn)品收率。

2.2 催化劑對(duì)產(chǎn)品收率的影響

三光氣的使用視具體反應(yīng)體系而定，當(dāng)體系中含有引發(fā)其分解的物質(zhì)如有機(jī)胺或有機(jī)堿時(shí)，無(wú)需外加任何引發(fā)劑，反應(yīng)即可順利進(jìn)行。原料 5-氨基-異酞酸的苯環(huán)上帶有一個(gè)氨基（—NH2），但它在兩個(gè)間位羧基（—COOH）的吸電子誘導(dǎo)作用下，堿性被大大減弱，因此不足以充當(dāng)BTC的引發(fā)劑，需外加一定量的有機(jī)堿如N,N-二甲基甲酰胺（DMF）、三乙胺（TEA）、吡啶或咪唑等以促使三光氣分解。有機(jī)堿實(shí)際是一種輔助親核試劑，在三光氣親核取代反應(yīng)過(guò)程中發(fā)揮雙重作用[16-17]：既促使三光氣分解，又與分解生成的光氣形成活性中間體，而這種活性中間體是一種很好的?；瘎▓D4）。

圖3 副產(chǎn)物酰胺-脲的形成機(jī)理

圖4 催化劑在BTC與5-氨基異肽酸反應(yīng)中的作用機(jī)理

表2 反應(yīng)底物加料方式對(duì)ICIC收率的影響

圖2 副產(chǎn)物酰胺-脲的紅外圖譜

有機(jī)堿的親核性能與其化學(xué)結(jié)構(gòu)及堿性密切相關(guān)。當(dāng)親核體的親核原子同為N原子時(shí)，其親核能力與堿性相一致。DMF、吡啶堿性較弱，相應(yīng)地其親核能力較差，與體系中的光氣形成的活性中間體不夠穩(wěn)定，因此不利于反應(yīng)的進(jìn)行。TEA堿性最強(qiáng)，其親核能力也最強(qiáng)，可使三光氣迅速分解，但很容易與體系中反應(yīng)釋放的 HCl氣體相結(jié)合形成季胺鹽，使其有效催化能力降低。咪唑堿性適中，相對(duì)而言其親核性也比較適中，對(duì)于體系中三光氣分解釋放的光氣與HCl氣體，更易與前者結(jié)合形成活性中間體——?；瘎?，因此可被用來(lái)與 TEA組合成復(fù)合催化劑，使催化體系的催化效果大大提升（見(jiàn)表3）。

2.3 溶劑對(duì)產(chǎn)品收率的影響

溶劑對(duì)反應(yīng)的作用主要表現(xiàn)在它對(duì)三光氣的溶解性[18]。當(dāng)溶劑極性較好時(shí)，可促使三光氣的分解，并能溶解較多的光氣，使反應(yīng)維持在光氣過(guò)量的氛圍，從而有利于非均相反應(yīng)的進(jìn)行。如表4所示，THF的極性最好，但沸點(diǎn)較低，達(dá)不到第二步反應(yīng)中中間體 5-氯甲酰胺基-異酞酰氯回流所需的溫度，因此只能用于第一步的中間體制備。甲苯和氯苯的沸點(diǎn)均較高，但極性較差，相應(yīng)地對(duì)光氣的溶解性也較差，因此可作為第二步中間體回流的溶劑。實(shí)際上，在反應(yīng)的第二步中需補(bǔ)加少量的三光氣及相應(yīng)量的催化劑，以確保中間體酰氯化充分，而氯苯的極性優(yōu)于甲苯，顯然與THF組合可得到更佳的反應(yīng)效果。

表3 催化劑對(duì)ICIC收率的影響

表4 溶劑對(duì)ICIC收率的影響

表5 ICIC的IR、1HNMR和MS分析數(shù)據(jù)

2.4 化合物結(jié)構(gòu)解析

產(chǎn)品ICIC的化學(xué)結(jié)構(gòu)采用紅外光譜（IR）、氫核磁共振譜（1H NMR）及質(zhì)譜（MS）進(jìn)行確證（表5）。2273.2為異氰酸酯基（N=C=O）的強(qiáng)吸收峰，酰氯的羰基（C=O）吸收峰出現(xiàn)在1768.1、1746.2 cm－1處。1,3,5-三取代苯環(huán)的吸收峰相對(duì)較弱，3080.6 cm－1為苯環(huán)上的碳?xì)渖炜s振動(dòng)峰，1602.4 cm－1、1510.1 cm－1、1404.1 cm－1為苯環(huán)骨架上的碳碳雙鍵伸縮振動(dòng)峰，而928.6 cm－1、899.3 cm－1則均為苯環(huán)上的碳?xì)涿嫱鈴澢駝?dòng)峰。ICIC上只有3個(gè)氫（圖 5），因而其核磁共振譜很簡(jiǎn)單。δ=8.673（1H）處三裂分（峰面積為 1.00），是苯環(huán)上兩個(gè)酰氯基團(tuán)間的氫，受到異氰酸酯兩側(cè)氫的遠(yuǎn)程偶合。δ=8.117（2H）處二裂分（峰面積為2.19），是異氰酸酯兩側(cè)的氫，只受兩個(gè)酰氯基團(tuán)間的氫的遠(yuǎn)程偶合。243為ICIC的分子離子峰，其豐度為3.84%。

圖5 ICIC化學(xué)結(jié)構(gòu)

3 結(jié) 論

以 5-氨基-異酞酸為基本原料，采用反加料方式，在復(fù)合催化劑作用下與酰氯化劑三光氣（BTC）反應(yīng)得到中間體 5-氯甲酰胺基-異酞酰氯，再經(jīng)回流、提純得產(chǎn)品5-異氰酸酯基-異酞酰氯，收率最高達(dá) 61.8%。較理想的合成條件為：n(三乙胺)/n(咪唑)=101∶，m(TEA/imidazole)∶m(BTC)=0.065，以四氫呋喃/氯苯為組合溶劑。

[1]Samuel D A.Multilayer reverse osmosis membrane of polyamide-urea：US, 5019264[P].1991-5-28.

[2]Samuel D A.Method for manufacturing of multilayer reverse osmosis membrane of polyamide-urea：US, 5084182[P].1992-1-28

[3]Samuel D A.Multilayer reverse osmosis membrane of polyamide-urea：US, RE34058[P].1992-9-8.

[4]Samuel D A.Method for producing multilayer reverse osmosis membrane of polyamide-urea：US, 5173335[P].1992-12-22.

[5]Samuel D A.Manufacture of isocyanate- substituted isophtholayl chloride：US, 5191111[P].1993-3-2.

[6]Liu L F, Yu S C, Zhou Y, et al.Study on a novel polyamide-urea reverse osmosis composite membrane (ICIC-MPD）Ⅰ.Preparation and characterization of ICIC-MPD membrane[J].Journal of Membrane Science, 2006, 281：88-94.

[7]Liu L F, Yu S C, Wu L G, et al.Study on a novel polyamide-urea reverse osmosis composite membrane (ICIC-MPD）Ⅱ Analysis of membrane antifouling performance[J].Journal of Membrane Science,2006, 283：133-146.

[8]俞三傳,周勇, 高從堦.5-異氰酸酯-異肽酰氯制備新工藝：中國(guó),200410016957.1[P].2004-3-12.

[9]周勇.高性能反滲透復(fù)合膜的制備及成膜機(jī)理[D].杭州：浙江大學(xué)，2006.

[10]徐子成, 毛福華, 張慧文, 等.三氯甲基碳酸酯（三光氣）的合成及其應(yīng)用[J].上?；?1994,19（4）：4-6.

[11]尹四一, 王天桃, 張正.碳酸雙（三氯甲酯）的合成與應(yīng)用[J].化學(xué)試劑, 1998, 20（5）：270-276,299.

[12]成俊然, 文佳, 邵瑞鏈.雙（三氯甲基）碳酸酯的制備和應(yīng)用[J].化學(xué)通報(bào),1999（4）：20-25.

[13]王正平, 劉天才.三光氣的合成及應(yīng)用[J].化工進(jìn)展，2002, 21（3）：172-174, 217.

[14]Grdadolnik J, Maréchal.Urea and urea-water solutions-an infrared study [J].Journal of Molecular Structure, 2002, 615：177-189.

[15]王向輝, 賀永寧, 盤(pán)茂東, 等.三光氣法合成取代苯異氰酸酯[J].應(yīng)用化工, 2008, 37（9）：1019-1021.

[16]Cotarca L, Delogu P, Nardelli A, et al.Bis(trichloromethyl) carbonate in organic synthesis [J].Synthesis, 1996（5）：553-576.

[17]李俊波.三光氣在酰氯化反應(yīng)中的應(yīng)用[J].化工中間體，2009（1）：23-25.

[18]劉立芬，俞三傳，周勇, 等.5-氯甲酰氧基異肽酰氯的制備[J].精細(xì)化工，2005，22（3）：227-230.