1,3-二溴-5,5-二甲基海因的綠色合成

韓冰冰，何在明，吳新虎，鄭祖彪

（黃山學(xué)院 化學(xué)化工學(xué)院，安徽 黃山245041）

1 引 言

1,3-二溴-5,5-二甲基海因[1-2]，又名1,3-二溴-5,5-二甲基乙內(nèi)酰脲、1,3-二溴-5,5-二甲基-2,4-咪唑 烷 二酮、二溴海因、DBDMH，分子式為C5H6Br2N2O2，CAS 號(hào)[77-48-5]，分子量283.96，白色結(jié)晶或淡黃色結(jié)晶粉末（工業(yè)品為顆粒狀或片狀），密度2.1838g/cm3，熔點(diǎn)192-199℃（分解），理論活性溴含量約為56%。1,3-二溴-5,5-二甲基海因是重要的含有N-Br 鍵的溴代酰胺類(lèi)化合物[3]，其在水體中可緩慢產(chǎn)生次溴酸并進(jìn)一步分解為活性氧和自由的活化溴[4]，與含氮化合物（蛋白質(zhì)、DNA 等）發(fā)生作用干擾細(xì)菌的代謝[5]，殺滅細(xì)菌，從而被廣泛應(yīng)用于游泳池、飲用水消毒，漁業(yè)、水產(chǎn)[6]、工業(yè)用水處理[7]，食品、餐具消毒以及植物花卉和種子消毒殺菌，水果保鮮等領(lǐng)域[8]；其釋放出活性溴后,剩余的5,5-二甲基海因，可在自然條件下被光、氧、微生物較短時(shí)間內(nèi)分解為氨和二氧化碳, 不會(huì)因?yàn)闅埩舳廴经h(huán)境[4]。因此，1,3-二溴-5,5-二甲基海因是目前國(guó)際公認(rèn)的，性能特別優(yōu)異的新一代綠色環(huán)保廣譜消毒殺菌劑[9]。

1,3-二溴-5,5-二甲基海因作為一種重要的化工原料，由于N-Br 鍵的活潑性[4]，可以代替毒性大的液溴或價(jià)格較為昂貴的N-溴代丁二酰亞胺（NBS）作為溴代試劑和氧化劑，應(yīng)用于有機(jī)合成和制藥行業(yè)，如在有機(jī)合成中常用于苯環(huán)的溴代[10]、烯丙基/芐基化合物的α-位溴代[11]、羰基化合物的α-位溴代[12]，也常用于醇類(lèi)化合物的氧化[13-14]等，具有活性溴含量高、貯存穩(wěn)定性好、溴化高選擇性、使用經(jīng)濟(jì)等特點(diǎn)。

1,3-二溴-5,5-二甲基海因是由5,5-二甲基海因通過(guò)溴化法合成，目前，采用的方法主要有以下兩種[15]：

1.二甲基海因的水溶液溴化法。將二甲基海因溶于水中，滴加適量溴進(jìn)行反應(yīng)，乙醇結(jié)晶，過(guò)濾，干燥后得到白色或淡黃色產(chǎn)品，收率約為80%。

2.二甲基海因溴堿法。將二甲基海因與堿性物質(zhì)(氫氧化鈉、碳酸鈉等)按一定比例溶于水中，滴加溴反應(yīng)，過(guò)濾獲得粗品，丙酮脫色，濾液倒入水中析出白色結(jié)晶，過(guò)濾干燥得產(chǎn)品，收率約為90%。

上述兩種方法都是以5,5-二甲基海因?yàn)樵?，液溴為溴化試劑，具有原料易得，收率高等?yōu)點(diǎn)，然而，液溴揮發(fā)性強(qiáng)，毒性大，操作不便，且會(huì)同時(shí)產(chǎn)生一分子的HBr 或溴鹽的副產(chǎn)物，因此溴源利用率低，生產(chǎn)成本增高。溴酸鉀是一個(gè)無(wú)機(jī)鹽，主要用作分析試劑、氧化劑和食品添加劑。本文對(duì)溴酸鉀在酸性條件下氧化溴化氫原位產(chǎn)生溴，對(duì)5,5-二甲基海因進(jìn)行溴化反應(yīng)合成1,3-二溴-5,5-二甲基海因的條件進(jìn)行研究（圖1），簡(jiǎn)化操作，提高操作安全性，并從源頭上解決溴源利用率低的問(wèn)題，提高經(jīng)濟(jì)效益，并為二溴海因的工業(yè)生產(chǎn)提供參考。

圖1 5，5-二甲基海因溴代反應(yīng)的原理

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 材料和儀器

溴酸鉀，濃硫酸（分析純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司）；氫溴酸（40%，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司）；5,5-二甲基海因（分析純，上海達(dá)瑞精細(xì)化學(xué)品有限公司）；Nicoli380 傅立葉變換紅外光譜儀（美國(guó)Nicoli 公司生產(chǎn)）；熔點(diǎn)測(cè)定儀（溫度計(jì)未經(jīng)校正，上海精密科學(xué)儀器有限公司生產(chǎn)）。

2.2 合成路線(xiàn)

2.3 1,3-二溴-5,5-二甲基海因的合成步驟

在室溫條件下，將1.7g (13mmol)5,5-二甲基海因，1.7g(10mmol)溴酸鉀和20mmol 氫溴酸，攪拌至完全溶解后，滴加0.6g(6mmol)硫酸，反應(yīng)1 小時(shí)后，冰水浴，有大量固體析出，抽濾并用少量冰水洗滌產(chǎn)品，鼓風(fēng)干燥箱中干燥，得到3.4g 產(chǎn)品，收率92%，m.p.∶190-196℃（文獻(xiàn)值∶192-199℃）。

2.4 結(jié)構(gòu)表征

IR(KBr 壓片法)，v(cm-1)：2854-2944(C-H 伸縮振動(dòng))，1726-1742(C=O 伸縮振動(dòng))，1466，1384(C-H彎曲振動(dòng))，856，736(N-Br 彎曲振動(dòng))。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

根據(jù)二溴海因的合成路線(xiàn)，利用溴酸鉀和氫溴酸為復(fù)合溴化試劑。其中，溴酸鉀作為氧化劑，在酸性條件下原位氧化Br-生成溴，溴化二甲基海因中的N-H 為N-Br，合成1,3-二溴-5,5-二甲基海因（圖1）。根據(jù)反應(yīng)原理，其理論量n(DMH):n(KBrO3):n(HBr):n(H2SO4)=3:2:4:1，首先，確定5,5-二甲基海因用量為15mmol，溴酸鉀為10mmol，氫溴酸為20mmol，硫酸用量為6mmol，水30mL。在此基礎(chǔ)上，討論溴酸鉀與溴化氫的比例對(duì)反應(yīng)的影響。

3.1 溴酸鉀與溴化氫的配比對(duì)反應(yīng)的影響

在此反應(yīng)中，溴酸鉀不僅作為氧化劑，還是溴源，由表1 可以看出，當(dāng)溴酸鉀與氫溴酸配比低于理論比例為9∶20 時(shí)，導(dǎo)致溴源不足，1,3-二溴-5,5-二甲基海因的產(chǎn)率僅為76%；溴酸鉀與HBr 為理論配比為10∶20 時(shí)，產(chǎn)品的收率升高為81%；溴酸鉀過(guò)多時(shí)，收率稍有上升，然而產(chǎn)品的顏色加深，可能是由于過(guò)量的溴酸鉀氧化了產(chǎn)品。

表1 溴酸鉀與溴化氫的配比對(duì)反應(yīng)的影響

3.2 DMH 的用量對(duì)反應(yīng)的影響

從表2 可以看出，1,3-二溴-5,5-二甲基海因的收率隨5,5-二甲基海因用量的減少而使得的溴源的相對(duì)過(guò)量而升高。當(dāng)5,5-二甲基海因的用量為其理論量15mmol 時(shí)，產(chǎn)品的收率為81%；減少其用量為13mmol 時(shí)，收率增加到87%；繼續(xù)降低5，5-二甲基海因的用量為10mmol，收率增加到95%，然而，隨著5，5-二甲基海因用量的減少，1，3-二溴-5,5-二甲基海因的實(shí)際產(chǎn)量也逐漸減少，并由此而導(dǎo)致溴源的極大浪費(fèi)。因此，綜合選擇5,5-二甲基海因的用量為13mmol(0.87equiv)。

表2 DMH 的用量對(duì)反應(yīng)的影響

3.3 硫酸的用量對(duì)反應(yīng)的影響

根據(jù)反應(yīng)的原理，本反應(yīng)須在酸性條件下進(jìn)行，以保證溴酸鉀與溴離子原位的反應(yīng)生成溴。因此，當(dāng)硫酸量過(guò)少為4mmol 時(shí)，反應(yīng)不能順利進(jìn)行，收率僅為70%；增加硫酸的用量至6mmol 時(shí)，產(chǎn)品的收率上升為87%；然而，繼續(xù)增加硫酸的用量時(shí)，收率反而有所下降，可能是由于過(guò)量的酸的存在，會(huì)增加產(chǎn)品在體系中的溶解度，從而降低收率。因此，較優(yōu)為硫酸的為6mmol。

表3 硫酸的用量對(duì)反應(yīng)的影響

3.4 水的用量對(duì)反應(yīng)的影響

從表4 可以看出，1,3-二溴-5,5-二甲基海因的收率隨水的用量的增加而降低。20℃時(shí)，1,3-二溴-5,5-二甲基海因在水中的溶解度為0.22g，在酸性溶液中溶解度會(huì)進(jìn)一步增大，所以增加水的用量會(huì)增大其在水中的溶解量，從而導(dǎo)致收率降低；但是若水量不足，原料在體系中不能充分溶解，使反應(yīng)不均勻，也會(huì)影響產(chǎn)品的純度和顏色，從而降低產(chǎn)品的品質(zhì)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，水的用量為30mL 時(shí)，恰好能夠完全溶解原料，收率達(dá)到了最高值86%。因1,3-二溴-5,5-二甲基海因在水中的溶解度隨溫度降低而降低，因此，后處理析出階段，使用冰水浴，可使產(chǎn)品更加充分析出，其收率達(dá)到了得92%。

表4 水的用量對(duì)反應(yīng)的影響

4 結(jié) 論

1,3-二溴-5,5-二甲基海因是一種綠色的消毒殺菌劑和良好的溴代試劑，市場(chǎng)前景十分廣闊，然而傳統(tǒng)的合成方法毒性大、操作不便、污染大，且溴資源利用率較低。因此，本文以溴酸鉀與氫溴酸原位反應(yīng)產(chǎn)生溴源，溴代5,5-二甲基海因制備1,3-二溴-5,5-二甲基海因，并通過(guò)單因素法獲得了較優(yōu)的工藝條件：n(溴酸鉀)∶n(氫溴酸)∶n(硫酸)∶n(DMH)=1∶2∶0.6∶1.3，水30mL，反應(yīng)溫度為室溫，反應(yīng)時(shí)間為1 h，析出溫度為冰水浴。在該條件下，1,3-二溴-5,5-二甲基海因收率可達(dá)到92%。

[1]北京化學(xué)試劑公司．精細(xì)化學(xué)品手冊(cè)[M]．北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2002:379.

[2]Lide D R，Milne G W A，Handbook of Data on Common-Organic Compounds (Volume II) [M].Boca Raton; Ann Arbor; London; Tokyo: CRC Press,1995: 1359.

[3]張紅梅，常宏宏，魏文瓏.新型殺菌消毒劑二溴海因[J].精細(xì)與專(zhuān)用化學(xué)品，2003，(14):13-14.

[4]朱偉.試述二溴海因的應(yīng)用技術(shù)和發(fā)展趨勢(shì)[J].中國(guó)新技術(shù)新產(chǎn)品，2011，2:150.

[5]陳常森，李西標(biāo)，邵柏，等.二溴海因消毒劑的殺菌原理與應(yīng)用[J].中國(guó)國(guó)境衛(wèi)生檢疫雜志，2007，(2):122-124.

[6]張群利，崔琳琳，王恩恩.水產(chǎn)用海因消毒劑的性能及應(yīng)用研究[J].中國(guó)水產(chǎn)，2011，(12):61-62.

[7]王荷生，馬玉林，沈元.二溴海因廢液應(yīng)用于醫(yī)療污水消毒研究[J].中國(guó)公共衛(wèi)生，2008，(4):502-503.

[8]陳常森，李西標(biāo)，邵柏，等.二溴海因消毒劑的殺菌原理與應(yīng)用[J].中國(guó)國(guó)境衛(wèi)生檢疫雜志，2007，(2):122-124.

[9]陸燕海，廖全堂，謝培軒.環(huán)境友好型消毒抗菌劑—二溴海因[J].化學(xué)教育，2008，29(11):4-6．

[10]胡艾希，董先明，曹聲春，等.1,3-二溴-5,5-二甲基海因選擇性溴化反應(yīng)研究[J].中國(guó)藥物化學(xué)雜志，2001，11:102-103.

[11]Srinivas K, Srinivasan N, Krishna M R, Reddy C R,Arunagiri M, A novel and efficient route to zafirlukast[J].Org.Process Res.Dev., 2004, 8: 952-954.

[12]朱偉，李忠洲，姚璐璐，等.使用DBDMH 和Et3N·3HF 的苯乙酮一鍋法α-親核氟代[J].有機(jī)化學(xué)，2012，32:1146-1149.

[13]李焰，黃錦霞，田娟，等.N，N-1，3-二溴-5，5-二甲基乙內(nèi)酰脲對(duì)醇及α-羥基酯的氧化作用[J].湖北大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2002，24(2):152-154.

[14]Khazaei A, Abbasi F, Kianiborazjani M, Saednia S.Solventfree Oxidation of secondary alcohols to carbonyl compounds by 1,3-dibromo-5, 5-dimethylhydantoin (DBDMH) and 1, 3-dichloro-5, 5-dimethylhydantoin (DCDMH)[J].J.Braz.Chem.Soc., 2014，25: 361-364．

[15]張亨.二溴二甲基海因的生產(chǎn)和應(yīng)用[J].鹽業(yè)與化工，2013，42(3):6-9.