5-乙酰乙酰氨基苯并咪唑酮合成工藝研究

章振宇，張 靜，申海蛟，馬建宇，曲紅梅

（天津大學(xué)化工學(xué)院，天津 300072）

苯并咪唑酮類化合物屬于高檔有機顏料，其分子中含有環(huán)狀酰胺基（-NHCONH-），能夠形成氫鍵，改善了其耐溶劑和耐遷移性能，以及耐熱、耐光穩(wěn)定性、耐氣候牢度性能等，被廣泛應(yīng)用于塑料、油墨和涂料等行業(yè)中。其中，5-乙酰乙酰氨基苯并咪唑酮（AABI）作為偶合組分能夠制備多種性能優(yōu)良的黃色和橙色苯并咪唑酮類偶氮顏料，例如顏料黃 151[1-3]、175[4]、194[5-6]、顏料橙36[5]等，這些顏料國內(nèi)外均已有公司生產(chǎn)，如膠州精細化工有限公司、郝斯特公司等。譚川江等研究了以鄰苯二胺為起始原料制備5-氨基苯并咪唑酮（BI）的合成工藝[7]。目前 BI的合成工藝有催化加氫法和鐵粉還原法，但催化加氫法存在催化劑昂貴、需高溫高壓、安全隱患大等缺點；鐵粉還原法存在環(huán)境污染嚴重、勞動強度大等缺點。BI經(jīng)乙酰乙?；罂芍频肁ABI，但是文獻報道該反應(yīng)收率較低[8-9]。AABI作為一種非常重要的有機顏料中間體，市場需求量巨大，但目前國內(nèi)實際工業(yè)生產(chǎn)收率只能達到80%左右，因此很有必要探索新的合成工藝以提高收率。

文獻報道了水合肼還原硝基化合物的方法[10-13]，本研究開發(fā)了在活性炭負載的鐵系催化劑存在下水合肼還原制備BI的新工藝，研究了不同的溶劑對BI制備AABI反應(yīng)的影響，以提高現(xiàn)有工業(yè)生產(chǎn)AABI的收率，獲得一種反應(yīng)條件溫和、更加安全和工藝操作簡單，環(huán)境友好的新工藝。

1　試驗部分

1.1　主要原料及儀器

5-硝基苯并咪唑酮、雙乙烯酮（山東東營天正化工有限公司，工業(yè)品），鐵系催化劑（自制），乙腈、二氯甲烷、乙酸乙酯等均為市售分析純試劑。

HJ-2型電動攪拌器（上海豫康科教儀器設(shè)備有限公司），GG17型旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器（上海申生科技有限公司），薄層色譜（TLC）（鞏義市予華儀器有限責(zé)任公司ZF1型紫外分析儀，上海創(chuàng)賽科學(xué)儀器有限公司GF254熒光硅膠板）。

1.2　5-氨基苯并咪唑酮（BI）的合成

在裝有攪拌、球形冷凝管的250 mL三口瓶中，加入5-硝基苯并咪唑酮，溶劑和活性炭負載的鐵系催化劑，升至一定溫度，緩慢滴加水合肼，使用TLC[展開劑為 m（乙酸）∶m（乙酸乙酯）=1.0∶5.4]監(jiān)測反應(yīng)進程，反應(yīng)結(jié)束后，過濾，旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)溶劑得BI粗品，用水作溶劑重結(jié)晶，過濾得BI純品。

1.3　5-乙酰乙酰氨基苯并咪唑酮（AABI）的合成

向三口瓶中加入20 mmol的 BI，100 mL溶劑，攪拌，并于65℃加入3 mL雙乙烯酮，升溫至回流，使用TLC[展開劑為m（乙酸）∶m（乙酸乙酯）=1.0∶2.7]監(jiān)測反應(yīng)進程，反應(yīng)結(jié)束后，過濾，濾餅洗滌并干燥，得產(chǎn)品。

1.4　分析儀器和方法

采用高效液相色譜（HPLC）和面積歸一法測定BI和AABI的純度。分析儀器為Agilent HPLC 1200液相色譜儀，其色譜柱為 Agilent C18（4.6 mm×250 mm），柱溫 30 ℃，流動相為 V（乙腈）∶V（水）=5∶95，流速為 1.0 mL/min，紫外（UV）檢測，檢測波長為225 nm。

測試方法：取產(chǎn)品1.0 mg溶于1.0 mL甲醇，進樣量5μL。在本研究條件下 BI的保留時間約為11～13 min，AABI的保留時間約為29～31 min。

2　結(jié)果與討論

2.1　5-氨基苯并咪唑酮（BI）的合成

目前文獻報道BI的合成方法包括鐵粉還原[7，9]和催化加氫還原工藝[14-18]。鐵粉還原工藝具有還原劑價格低廉，設(shè)備投資少，工藝成熟等優(yōu)點，目前國內(nèi)工業(yè)上大部分硝基化合物的還原仍然采用此種方法。但是該工藝的生產(chǎn)過程中，會產(chǎn)生大量的廢水和鐵泥，對環(huán)境污染嚴重，而且工人勞動強度大，有被國家強制淘汰的趨勢。催化加氫工藝具有環(huán)境友好、經(jīng)濟、產(chǎn)品收率高、質(zhì)量高、勞動強度小等優(yōu)點，但是一般需要高溫高壓，并且使用氫氣，易燃易爆，存在一定安全隱患，同時對生產(chǎn)設(shè)備的要求也較高。雖然水合肼有一定的毒性，但是其可用于制備醫(yī)藥、發(fā)泡劑等，在工業(yè)上得到了廣泛應(yīng)用。文獻報道水合肼還原硝基化合物的方法[10-13]，利用水合肼在催化劑作用下還原硝基，而本身轉(zhuǎn)化為氮氣和水。該工藝具有工藝操作簡單，反應(yīng)條件溫和，產(chǎn)品收率高等優(yōu)點，反應(yīng)過程中無廢渣、廢水產(chǎn)生，反應(yīng)溶劑可以回收利用，后處理簡單，適合精細化工品的生產(chǎn)。我們研究了催化劑存在下水合肼還原制備BI的工藝。

2.1.1　溶劑對反應(yīng)的影響

采用25 mmol 5-硝基苯并咪唑酮為原料，加入4當(dāng)量的水合肼，活性炭負載的鐵系催化劑，用量為5-硝基苯并咪唑酮的5.0%（質(zhì)量比），進行回流反應(yīng)，實驗結(jié)果如表1所示。

表1　溶劑對反應(yīng)的影響Table 1 Effect of solvents on reaction

由實驗結(jié)果可知，當(dāng)采用水、甲醇為溶劑時有少量原料剩余；采用乙醇作反應(yīng)溶劑時，原料5-硝基苯并咪唑酮能夠反應(yīng)比較完全，而且乙醇為溶劑收率明顯高于水和甲醇，且反應(yīng)時間更短，總體效果較好，因此選擇乙醇作為該反應(yīng)的溶劑。

2.1.2　催化劑的循環(huán)使用

采用25 mmol 5-硝基苯并咪唑酮為原料，加入乙醇50 mL和4當(dāng)量的水合肼，活性炭負載的鐵系催化劑，用量為5-硝基苯并咪唑酮的5.0%（質(zhì)量比），回流反應(yīng)。將所得3.44 g 5-氨基苯并咪唑酮粗品用68 mL水重結(jié)晶，冷卻12 h，過濾得5-氨基苯并咪唑酮白色晶體3.36 g。催化劑直接套用，實驗結(jié)果如表2所示。

表2中，序號3為反應(yīng)3 h時TLC檢測仍有部分原料，補加1.5%（質(zhì)量比）的催化劑。由實驗結(jié)果可知，回收的催化劑可直接套用，且效果相當(dāng)，連續(xù)套用5次平均收率為90.8%。相對鐵粉還原法本工藝收率更高，且不會產(chǎn)生廢水和廢渣，環(huán)境友好；與催化加氫工藝相比收率相當(dāng)，但是不需要高溫高壓，反應(yīng)條件更加溫和，對工藝設(shè)備的要求低，比較安全，催化劑便宜而且能夠多次回收套用，成本更低。因此，本研究提出的水合肼還原工藝可能成為工業(yè)化生產(chǎn)方法之一。

表2　催化劑循環(huán)套用對反應(yīng)的影響Tab le 2 Effect of reuse of catalyst on reaction

2.2　5-乙酰乙酰氨基苯并咪唑酮（AABI）的合成

當(dāng)前5-乙酰乙酰氨基苯并咪唑酮的生產(chǎn)過程中主要使用水作溶劑，但是收率不高[9]。為了提高產(chǎn)品的收率，降低生產(chǎn)成本，研究了不同溶劑對反應(yīng)收率的影響。

2.2.1　非均相反應(yīng)體系

采用20 mmol 5-氨基苯并咪唑酮為原料，加入溶劑，攪拌，升溫至一定溫度，加入3 mL?；噭╇p乙烯酮，在不同溶劑中一定溫度下進行反應(yīng)，實驗結(jié)果如表3所示。

表3　溶劑對AABI反應(yīng)的影響Tab le 3 Effect of solvents on synthesis of AABI

在表3的反應(yīng)溶劑中，即使加熱至回流，BI也不能完全溶解，因此這些反應(yīng)為非均相體系。由表3實驗結(jié)果可知，在上述非均相反應(yīng)體系中，乙腈和乙酸乙酯為較理想溶劑，BI反應(yīng)比較完全，反應(yīng)收率較高，產(chǎn)品純度可達到95.2%。在二氯甲烷、乙酰乙酸乙酯溶劑中，雙乙烯酮和BI基本上沒有發(fā)生?；磻?yīng)，檢測不到目標產(chǎn)物，都有副產(chǎn)物生成。

2.2.2　均相反應(yīng)體系

采用20 mmol 5-氨基苯并咪唑酮為原料，加入不同溶劑，65℃左右加入3 mL雙乙烯酮，升溫至一定溫度反應(yīng)，實驗結(jié)果如表4所示。

表4　不同溶劑的反應(yīng)結(jié)果Tab le 4 Experim ental resu lts with different solvents

在上述反應(yīng)溶劑中，BI可完全溶解，因此為均相反應(yīng)體系。由表4可看出，在乙醇和乙酸反應(yīng)體系中，BI能夠較好地轉(zhuǎn)化；在乙醇介質(zhì)中，加入催化劑四甲基乙二胺可以將反應(yīng)時間縮短一半，我們推測堿性催化劑四甲基乙二胺對BI氨基中質(zhì)子的親和能力較強，可以和BI中氨基上的質(zhì)子作用從而使BI氨基上的氮原子親核性增強，提高其對雙乙烯酮的親核進攻能力；在乙醇/水、DMF/水混合溶劑中，有原料剩余，反應(yīng)收率降低。

3　結(jié)論

研究了以5-硝基苯并咪唑酮為起始原料合成5-乙酰乙酰氨基苯并咪唑酮的工藝。采用水合肼還原制備BI，催化劑可直接套用5次以上，平均收率為90.8%，該工藝環(huán)境友好，幾乎無三廢排放；反應(yīng)條件溫和，操作簡單、安全。乙酰乙?；磻?yīng)中，分別對非均相和均相反應(yīng)體系進行了研究，前者乙腈和乙酸乙酯為較理想溶劑，收率分別為86.5%和89.3%；后者乙醇和乙酸為較理想溶劑，收率可以達到86.1%。在乙醇介質(zhì)中，加入催化劑四甲基乙二胺能夠縮短一半的反應(yīng)時間。在所研究的有機溶劑體系中：乙酸乙酯效果最好，BI制備AABI的收率可達到89.3%，比水體系高，質(zhì)量分數(shù)為95.2%，顏色比水體系略深。

參考文獻：

[1] 姚涌.一種高性能有機顏料PY151的制備方法：中國，101955684[P].2011-01-26

[2] XEROX Corporation.Nonpolar liquid and solid phase change ink compositions comprising nanosized particles of benzimidazolone pigments： US，8025723[P].2011-09-27

[3] 杭州榮彩實業(yè)有限公司.水處理遮蓋型苯并咪唑酮黃P.Y.151環(huán)保制備方法：中國，101602894[P].2009-12-16

[4] Paetzold J，Plueg C，A lfter F.Method of conditioning azo pigments containing carboxylic ester groups： US，20090198045[P].2009-08-06

[5] 華東理工大學(xué)，膠州市精細化工有限公司.黃、橙色苯并咪唑酮類偶氮顏料的制備方法：中國，1569968[P].2005-01-26

[6] CABOT Corporation.Inkjet inks and methods of preparing the same： US，20050081749[P].2005-04-21

[7] 譚川江.5-氨基苯并咪唑酮的合成及工藝改進[D].天津：天津大學(xué)，2007

[8] 天津大學(xué)化工系，天津市染化六廠.5-乙酰乙酰氨基苯并咪唑酮的合成[J].染料工業(yè)，1979，（2）：15-19

[9] 趙建軍.5-乙酰乙酰氨基苯并咪唑酮的生產(chǎn)工藝：中國，101307023[P].2008-11-19

[10] Smolyar N N，Pankina O Y，Bondarenko A I，et al.Synthesis of 1，3-dialkyl-5-（hetaryl-1-yl）-1，3-dihydrobenzim idazol-2-ones[J].Russian Journal of Organic Chemistry，2011，47（8）： 1 190-1 193

[11] Sharma U，Verma P K，Kumar N，et al.Phosphane-free green protocol for selective nitro reduction with an ironbased catalyst[J].Chem Eur J，2011，17： 5 903-5 907

[12] Jagadeesh R V，Wienhofer G，Westerhaus F A，et al.Efficient and highly selective iron-catalyzed reduction of nitroarenes[J].Chem Commun，2011，47 （39）：10 972-10 974

[13] 潘昌藝.C.I.顏料橙64的合成和應(yīng)用性能研究[D].上海：華東理工大學(xué)，2012

[14] 張家港市藍迪森新材料科技有限公司.5-氨基苯并咪唑的制備方法：中國，102002002[P].2011-04-06

[15] Ting P C，Aslanian R G，Caplen M A，et al.Preparation of substituted oxazolecarboxam ides as inhibitors of diacylglycerol acyltransferase： US，2010059602[P].2010-05-27

[16] 譚川江，馮亞青，高培.以骨架鎳為催化劑由5-硝基苯并咪唑酮制備5-氨基苯并咪唑酮[J].精細化工，2007，24（8）： 829-832 Tan Chuanjiang，F(xiàn)eng Yaqing，Gao Pei.Synthesis of5-aminobenzin idazolone-2 from 5-nitrobenzin idazolone-2 with catalyst raney Ni[J].Fine Chemicals，2007，24（8）： 829-832（in Chinese）

[17] Heemskerk J E，Mccall JM，Barnes K D.Preparation of isoindoline compounds for the treatment of spinalmuscular atrophy and other uses： US，2009042907[P].2009-04-02

[18] Lamatsch B.Preparation of sparingly soluble aromatic amines： CH，9936402[P].1999-07-22