微波促進強酸性陽離子交換樹脂催化合成2-甲基苯并咪唑

錢 永 ，王建軍 ，劉 垚 ，龔 菁 ，吳 磊

（1蘇州科技大學化學與生物工程學院，江蘇 蘇州215009；2江蘇省環(huán)境功能材料重點實驗室，江蘇 蘇州215009）

苯并咪唑類化合物是一個含有兩個氮原子的雜環(huán)化合物，在醫(yī)藥、耐高溫材料、光電新材料、抗腐蝕劑等方面具有廣泛用途[1]。2-甲基苯并咪唑作為一種重要的苯并咪唑類中間體在醫(yī)藥及染料合成中具有有廣泛用途，2-甲基苯并咪唑及其衍生物的合成及應用研究從未間斷[2-4]。2-甲基苯并咪唑的傳統(tǒng)合成方法主要以鹽酸、多聚磷酸、硼酸等無機酸為催化劑通過鄰苯二胺與乙酸的液相加熱回流反應制得，雖然收率較高，但都需要較長的反應時間和較高的反應溫度，且后處理比較麻煩，無機酸催化劑液相體系對生產(chǎn)設備有腐蝕作用，產(chǎn)生的大量酸性廢液和廢水環(huán)境污染嚴重。強酸性陽離子交換樹脂作為高分子型催化劑可代替小分子酸催化劑，具有異相催化體系的諸多優(yōu)點，如樹脂可反復使用、產(chǎn)品容易分離、反應裝置不被腐蝕、環(huán)境污染效應較輕等，近年來在酯化脫水等反應中成為廣泛關注的研究熱點[5-6]。微波促進有機化學反應具有加熱快、反應時間短、能有效提高反應速率、合成收率高、后處理簡單而且環(huán)境友好等優(yōu)點而備受人們青睞。微波促進合成法在苯并咪唑系列化合物的合成方面已經(jīng)取得良好效果[7-8]。本文旨在探索能夠綜合發(fā)揮高分子酸性催化劑和微波促進反應兩方面優(yōu)勢的2-甲基苯并咪唑新型合成方法，通過考察微波功率、反應時間、原料質量配比、樹脂用量、樹脂重復使用次數(shù)對2-甲基苯并咪唑合成收率的影響，為建立2-甲基苯并咪唑及其它苯并咪唑類化合物的新型綠色合成工藝提供借鑒。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

鄰苯二胺，乙酸（含量≥99.5%，上海潤捷化學試劑有限公司），鹽酸，氨水，多聚磷酸均為國產(chǎn)分析純試劑。001×7 Na型樹脂，粒徑0.3～0.7 mm，江都樹脂廠。

LWMC-206微波化學反應器，最大輸出功率為650 W（可設定輸出功率為最大輸出功率的10%～100%），南京旋光科技有限公司；顯微熔點儀，上海予正儀器設備有限公司；PerkinElmer公司 vario EL Ⅲ型元素分析儀，德國Elementar公司；AVANCEⅢ型核磁共振波譜儀（400 MHz），瑞士Bruker公司；Spectrum BXⅡ型傅里葉變換紅外光譜儀（KBr壓片法測試）。

1.2 合成路線

微波促進強酸性陽離子交換樹脂催化合成2-甲基苯并咪唑的反應路徑如圖1。

1.3 樹脂的轉型

稱取5～6 g的001×7鈉型樹脂參考文獻[9]的方法轉型為H型001×7樹脂。

1.4 2-甲基苯并咪唑的合成方法

圖1 2-甲基苯并咪唑的合成路徑

在100 mL的圓底燒瓶中加入準確稱取的1.08 g鄰苯二胺和一定質量配比的乙酸，用電熱套預熱加速溶解。然后放入微波爐中，接上回流裝置，設定反應功率，反應到設定時間后溶液變?yōu)槟G色。稍冷卻后將反應液倒入30 mL蒸餾水中，以蒸餾水多次清洗燒瓶，合并溶液，用氨水調節(jié)pH值為9～10，抽濾，用蒸餾水多次洗滌，得到混有樹脂的粗產(chǎn)品。將固體物溶于熱水中，加熱直至粗產(chǎn)品完全溶解，趁熱抽濾，保留抽出的樹脂待用。將熱的濾液倒入100 mL的干凈小燒杯中，冷卻結晶，抽濾，干燥得到無色針狀晶體。熔點測定，稱重并計算收率。在最佳的原料質量配比和樹脂用量下，本研究也進行了無微波輔助的常規(guī)加熱回流合成方法作為對比實驗，雖然回流溫度高些有利于反應進行，但考慮到樹脂的耐熱穩(wěn)定性，本部分對比實驗反應溫度設定為(75±1) ℃（探索性實驗發(fā)現(xiàn)溫度高于80 ℃樹脂會很快變黑），反應時間8 h。

1.5 結構表征和分析測試

目標產(chǎn)物的結構表征：元素分析，F(xiàn)TIR（KBr壓片），1H NMR（DMSO，400 MHz）。樹脂使用前后的結構變化：FTIR（KBr）。

2 結果與討論

2.1 產(chǎn)物的結構表征和確定

用顯微熔點儀測得熔點為176.7～177.2 ℃（文獻值為176～177℃）；元素分析（C8H8N2理論值%/實測值）結果：N 21.21(21.21)，C 72.73(72.50)，H 6.06(6.28)。據(jù)此初步判定產(chǎn)品是2-甲基苯并咪唑。

目標產(chǎn)物紅外波譜測試結果如圖2。3176.2 cm?1左右的吸收峰是仲氨基的伸縮振動，1622.3 cm?1處的吸收峰是 N—H 的彎曲振動峰，1272.1 cm?1處的吸收峰是 C—N 的伸縮振動吸收峰，這些說明產(chǎn)物含有仲胺；3069.4 cm?1處的吸收峰是芳環(huán) C—H 的伸縮振動峰，1554.1 cm?1、1500.2 cm?1及1498.1 cm?1處的吸收峰是苯環(huán)骨架伸縮振動峰，且736.9 cm?1左右的吸收峰說明有苯環(huán)鄰二取代；2989.4 cm?1及2926.5 cm?1處的吸收峰是烷基C—H的伸縮振動峰，1387.2 cm?1處的吸收峰是C—H的彎曲振動，說明產(chǎn)物中含有烷基。在圖中未發(fā)現(xiàn)羰基、羧基和伯胺的吸收峰，說明不含反應物。上述分析說明了生成了目標產(chǎn)物2-甲基苯并咪唑。

圖2 2-甲基苯并咪唑的紅外譜圖

圖3 2-甲基苯并咪唑的核磁譜圖

產(chǎn)物的核磁測試結果見圖3。1H NMR (DMSO，400 MHz)(δ) ：其中 4.692×10－6為溶劑中雜質水中的質子峰，7.190×10－6～7.212×10－6（m，2H，Ar-H），7.468×10－6～7.489×10－6（m，2H，Ar—H），2.467(s，3H，CH3—H)，與其標準1H NMR譜圖一致，進一步確定產(chǎn)物為2-甲基苯并咪唑。

2.2 合成條件對產(chǎn)品收率的影響

微波促進合成過程中，產(chǎn)品合成收率一般受微波功率、微波反應時間、原料配比等反應條件影響。本研究除了考察微波功率、反應時間、原料質量配比等反應條件對合成收率的影響，還考察了樹脂催化劑用量及其重復使用次數(shù)對2-甲基苯并咪唑合成收率的影響。

2.2.1 反應時間對產(chǎn)品收率的影響

在微波功率455 W、鄰苯二胺用量1.08 g、加入樹脂量為 0.5 g、鄰苯二胺與乙酸質量比為1∶3的條件下，考察微波反應時間對收率的影響，結果見表1。由表1可知，反應時間為10 min時，產(chǎn)物收率最高，延長時間會有不同程度的炭化，導致收率降低。

表1 反應時間對2-甲基苯并咪唑反應收率的影響

2.2.2 微波功率對產(chǎn)品收率的影響

設定反應時間為10 min、鄰苯二胺用量為1.08 g、加入樹脂的量為0.5 g、鄰苯二胺與乙酸質量比為1∶3的條件下，考察微波功率對收率的影響，結果見表2。微波輸出功率對合成收率的影響較大，在一定范圍內提高微波功率可提高收率[10]。由表2可見，微波功率在455 W時，收率最高。在高于455 W時，反應液中可能發(fā)生鄰苯二胺的氧化、分解、炭化，且隨功率的增高這些變化會更嚴重，造成收率有所降低。而且功率過高也可能對樹脂的結構及活性造成破壞作用，從而引起收率降低。傳統(tǒng)的加熱回流對比實驗（以微波功率為0表示）表明在只有001 H型樹脂存在而無微波輻照的情況下，(75±1)℃加熱回流8 h產(chǎn)品收率仍然較低。

2.2.3 原料質量配比對產(chǎn)品收率的影響

設定反應時間為10 min，在微波功率455 W、鄰苯二胺用量1.08 g、加入樹脂量0.5 g的條件下，考察原料質量配比對收率的影響，結果見表3?？梢娻彵蕉放c乙酸的質量配比為1∶3時，目標產(chǎn)物能夠得到最大的收率；當配比小于1∶3時，根據(jù)質量作用定律，隨著底物濃度增高，反應速度增大，收率會有所提高；但當配比大于1∶3時，可能由于消耗了較高的微波能量，反應不完全，同功率下必須延長輻射時間，否則收率降低。

表2 微波功率對合成2-甲基苯并咪唑反應收率的影響

表3 原料質量配比對收率的影響

2.2.4 樹脂用量對產(chǎn)品收率的影響

設定反應時間為 10 min、鄰苯二胺用量為1.08 g、鄰苯二胺與乙酸質量比為1∶3、微波功率為455 W的條件下，考察樹脂用量對收率的影響，結果見表4。由表4可見，樹脂加入量為0.5 g時，目標產(chǎn)物得到最大的收率。這可能是由于樹脂用量小于0.5 g時樹脂的催化能力不夠，樹脂用量過高時消耗過多微波能量不利于反應，因此最佳樹脂用量為0.5 g。

2.2.5 高分子催化劑重復使用次數(shù)對收率的影響

設定反應時間為10 min、鄰苯二胺用量為1.08 g、加入樹脂的量為0.5 g、鄰苯二胺與乙酸質量比為1∶3、微波功率為455 W的條件下，考察樹脂重復使用次數(shù)對收率的影響，結果見表5。由表5可知，隨著樹脂重復使用次數(shù)的增加，合成收率逐步下降。但重復使用兩次后合成收率仍然較高，在其它因素控制在最佳條件下，重復使用兩次后合成收率仍可達到66%以上，說明該強酸性陽離子交換樹脂在2-甲基苯并咪唑的催化合成中有良好的重復使用前景。

樹脂使用前和重復使用兩次后的紅外譜圖如圖4，由紅外測試可見，樹脂使用前和重復使用兩次后的紅外譜圖基本一樣，表明重復使用兩次后樹脂在元素組成和主要官能團層次上的化學結構基本沒有發(fā)生變化，仍然可以在反應中起催化作用。而合成收率隨重復使用次數(shù)增加而逐步下降，這可能是由于在多次受熱和微波輻射的共同作用下高分子的鏈形態(tài)、織態(tài)結構、晶態(tài)結構等近遠程結構和聚集態(tài)結構受到了一定影響，從而影響了其催化活性。也有學者研究相近的課題指出，陽離子交換樹脂催化劑失活的機制主要是由于樹脂表面活性位點被金屬離子取代所致，使用后樹脂的形貌也出現(xiàn)表面突起和裂紋，這可能也是催化效率降低的一方面原因[11]。這部分工作有待進一步研究。

表4 不同樹脂加入量對收率的影響

表5 重復次數(shù)對收率的影響

圖4 樹脂使用前(a)和重復使用兩次后(b)的紅外譜圖

2.3 討論

（1）與傳統(tǒng)的無機酸催化合成 2-甲基苯并咪唑的方法相比，微波促進H型樹脂催化合成法不存在催化劑廢酸液帶來酸污染的環(huán)境問題，且反應迅速，易于分離提純產(chǎn)品，樹脂重復利用率高，對于2-甲基苯并咪唑的工業(yè)化生產(chǎn)具有良好的潛在應用前景。H型高分子發(fā)揮濃集催化效應是其比無機酸能發(fā)揮更好效果的關鍵，例如在水溶液中，由于高分子濃集效應的存在使得局部H離子濃度或者說酸強度可能達到很高，能夠在其周圍和內部孔隙發(fā)揮酸催化作用。而無機酸必須要達到較高的濃度才能發(fā)揮酸催化作用。另外，反應過程中由過量乙酸形成的乙酸廢水，可以采用萃取及吸附等方法進行回收重復利用[12-13]。

（2）由圖4樹脂的紅外譜圖可知，樹脂重復使用前后主要官能團峰位置未變，說明樹脂重復使用兩次后化學結構沒有發(fā)生改變。而催化效果有所下降，可能與樹脂受熱后體積膨脹，高分子凝聚態(tài)的三維空間結構發(fā)生了改變，從而降低了催化活性中心—SO3H在高分子上的濃集效應有關。

（3）微波能夠穿過反應容器直接對極性反應物和溶劑進行快速加熱，其對物質分子的加熱方式是內加熱，具有加熱速度快、加熱均勻、無溫度梯度、無滯后效應的優(yōu)點，能夠提高反應物的碰撞效率，從而具有顯著加快反應速率，提高反應效率的效果[14]。本研究中無微波輔助的單純樹脂催化常規(guī)回流并不能提高合成收率的可能原因是：樹脂耐受溫度較低，常規(guī)回流時間長，樹脂可能在反應過程中變性而大幅度降低催化效能；另外常規(guī)回流反應能量低，熱量很難傳遞到樹脂需要活化的催化活性位點。

3 結 論

（1）采用微波促進強酸性陽子離子樹脂催化法合成了2-甲基苯并咪唑，單因素方法研究得到的最佳合成條件為：鄰苯二胺與乙酸的質量配比為1∶3，微波功率455 W，反應時間為30 min，樹脂用量為0.5 g，該條件下產(chǎn)物收率可達84.8%。

（2）相比于2-甲基苯并咪唑的傳統(tǒng)合成方法，微波促進樹脂催化合成法具有反應迅速、樹脂催化劑可重復使用、產(chǎn)品容易分離、環(huán)境污染效應小等優(yōu)點，可為2-甲基苯并咪唑及其它苯并咪唑系列化合物的綠色合成工藝提供借鑒。

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