1,3,2-二唑噻吩-2,2-二氧化物的合成工藝優(yōu)化

王培紅，張楠，周寶強(qiáng)，高瑞昶（天津大學(xué)化工學(xué)院，天津 300072）

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王培紅，張楠，周寶強(qiáng)，高瑞昶
（天津大學(xué)化工學(xué)院，天津 300072）

摘要：以乙二醇和二氯亞砜為原料，在多相催化劑三氯化釕和氧化劑作用下合成1,3,2-二唑噻吩-2,2-二氧化物。用1H核磁共振譜和紅外吸收光譜對(duì)1,3,2-二唑噻吩-2,2-二氧化物進(jìn)行了表征?？疾炝搜趸瘎┓N類、原料摩爾比、反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間、氧化劑用量和催化劑用量對(duì)目標(biāo)產(chǎn)物收率的影響，得到較優(yōu)的操作條件為：用高碘酸鈉作氧化劑、n(二氯亞砜)∶n(乙二醇)=1.2∶1、反應(yīng)溫度40℃、反應(yīng)時(shí)間60min、m(高碘酸鈉)∶m(乙二醇)=3∶1、催化劑用量為乙二醇質(zhì)量的0.2%。在此條件下，收率達(dá)81.25%。該工藝在合成路線方面具有副產(chǎn)少、毒性小、收率高的優(yōu)點(diǎn)，具有更好的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：乙二醇；1,3,2-二唑噻吩-2,2-二氧化物；氧化；合成；優(yōu)化

第一作者：王培紅（1989—），女，碩士研究生。聯(lián)系人：高瑞昶，副教授。E-mail pharmacy@tju.edu.cn。

目前，工業(yè)上通常在室溫下以環(huán)氧化合物和SO2為原料，在溴化四乙胺的催化下生成中間體聚合物，加熱至110～120℃，轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的1,3,2-二氧硫雜戊烷-2-氧化物，然后在催化劑和氧化劑作用下合成產(chǎn)品。該工藝反應(yīng)溫度高，且產(chǎn)品采用乙醚萃取，毒性大。針對(duì)原工藝存在的問題和二氯亞砜在有機(jī)合成中的重要作用[6-9]，本工作以乙二醇和二氯亞砜為原料，以二氯甲烷作反應(yīng)溶劑和萃取劑，三氯化釕作多相催化劑，高碘酸鈉作氧化劑，合成1,3,2-二唑噻吩-2,2-二氧化物。由于反應(yīng)體系分層，使用多相催化劑三氯化釕可明顯提高反應(yīng)速率，縮短反應(yīng)時(shí)間；反應(yīng)溫度為40℃，與工業(yè)上相比大大降低了能耗；期間用堿液吸收生成的氯化氫氣體；在整個(gè)反應(yīng)中使用二氯甲烷一種溶劑，可回收套用，且避免使用乙醚，降低了反應(yīng)成本與操作毒性。

在確定工藝的基礎(chǔ)上，通過單因素實(shí)驗(yàn)，考察了氧化劑種類、原料摩爾比、反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間、氧化劑用量和催化劑用量對(duì)目標(biāo)產(chǎn)物收率的影響，得到了較優(yōu)的操作條件。

1　實(shí)驗(yàn)原理

本文首先將乙二醇與二氯亞砜反應(yīng)制得1,3,2-二氧硫雜戊烷-2-氧化物，生成的1,3,2-二氧硫雜戊烷-2-氧化物以三氯化釕作催化劑、在氧化劑的作用下進(jìn)行氧化反應(yīng)，合成產(chǎn)物1,3,2-二唑噻吩-2,2-二氧化物。方程式如式(1)、式(2)。

2　實(shí)驗(yàn)部分

2.1試劑與儀器

乙二醇、二氯亞砜、次氯酸鈉、二氯甲烷、氫氧化鈉，AR，天津市元立化工有限公司；三氯化釕、高錳酸鉀、高碘酸鈉，AR，天津市光復(fù)精細(xì)化工研究所。

TD6001電子天平，天津市天馬儀器廠；恒溫冷卻液循環(huán)泵，鞏義市英峪高科儀器廠；DF-101S恒溫加熱磁力攪拌器，鄭州世紀(jì)雙科實(shí)驗(yàn)儀器有限公司；旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器，上海亞榮生化儀器廠；GC9750氣相色譜儀（TCD 檢測(cè)器），浙江福立分析儀器有限公司；X-4數(shù)字顯示顯微熔點(diǎn)測(cè)定儀，北京泰克儀器有限公司；TENSOR 27 傅里葉變換紅外光譜儀，德國(guó)Bruker；AVANCE Ⅲ液體核磁共振儀，瑞士Bruker。

2.2實(shí)驗(yàn)步驟

向裝有溫度計(jì)、磁力攪拌器、恒壓滴液漏斗、低溫回流冷凝管和尾氣處理的四口燒瓶中加入66mL二氯甲烷和一定量的乙二醇，室溫下滴加二氯亞砜，通過控制滴速，用約1h的時(shí)間滴完。滴加完畢，在一定的溫度下反應(yīng)。反應(yīng)一定時(shí)間后，停止反應(yīng)。將反應(yīng)液冷卻至室溫，隨后加入100mL水、66mL二氯甲烷、三氯化釕、氧化劑，在常溫下攪拌1.5h。將得到的反應(yīng)液用一定量的二氯甲烷多次萃取，分液得到有機(jī)相，先后用水、飽和碳酸氫鈉、飽和食鹽水洗滌，將有機(jī)相旋蒸后得粗品為白色晶體，柱層析后得終產(chǎn)品，即為1,3,2-二唑噻吩-2,2-二氧化物。

2.3產(chǎn)品檢測(cè)

終產(chǎn)品用氣相色譜峰面積歸一化法測(cè)得其質(zhì)量分?jǐn)?shù)為99.1%，氣相色譜條件為：氫火焰檢測(cè)器; 色譜柱為HP-1，柱長(zhǎng)30m，內(nèi)徑0.25mm; 載氣為氮?dú)? 汽化室溫度240℃，檢測(cè)器溫度240℃，柱溫210℃。并采用熔點(diǎn)儀、紅外、核磁對(duì)產(chǎn)物1,3,2-二唑噻吩-2,2-二氧化物進(jìn)行了表征。

3　結(jié)果與討論

3.1氧化劑種類對(duì)產(chǎn)品收率的影響

固定n(二氯亞砜)∶n(乙二醇)=1∶1，在反應(yīng)溫度為20℃、反應(yīng)時(shí)間為40min、催化劑用量為乙二醇質(zhì)量的0.1%，m(高碘酸鈉)∶m(乙二醇)=5∶1的條件下，考察不同氧化劑對(duì)目標(biāo)產(chǎn)物收率的影響，結(jié)果見表1。

表1　不同氧化劑對(duì)產(chǎn)品收率的影響

由表1可以看出，使用次氯酸鈉作氧化劑時(shí)，收率最高，這是因?yàn)榇温人徕c能同時(shí)氧化未反應(yīng)完的乙二醇為乙二醛（白色固體），產(chǎn)品中雜質(zhì)高。高錳酸鉀作氧化劑時(shí)收率低，且被還原物為二氧化錳，堵塞分液漏斗。而高碘酸鈉作氧化劑時(shí)，雖收率不是最高，但從工藝和產(chǎn)品純度上考慮，合適的氧化劑是高碘酸鈉。

3.2原料摩爾比對(duì)產(chǎn)品收率的影響

固定乙二醇的用量為0.1mol（6.21g），在反應(yīng)溫度為20℃、第一步反應(yīng)時(shí)間為40min、催化劑用量為乙二醇質(zhì)量的0.1%，m(高碘酸鈉)∶m(乙二醇)=5∶1的條件下，考察n(二氯亞砜)∶n(乙二醇)對(duì)目標(biāo)產(chǎn)物收率的影響，結(jié)果見圖1。

由圖1可知，n(二氯亞砜)∶n(乙二醇)的值越低，1,3,2-二唑噻吩-2,2-二氧化物的收率也越低。產(chǎn)品隨著二氯亞砜用量的增加而變大，但是當(dāng)超過1.2∶1時(shí)，產(chǎn)品收率反而下降。這是因?yàn)槎葋嗧繚舛仍龃髸r(shí)，副反應(yīng)氯取代增強(qiáng)，使收率下降，故最佳原料摩爾比是1.2∶1。

圖1　原料摩爾比對(duì)產(chǎn)品收率的影響

3.3反應(yīng)溫度對(duì)產(chǎn)品收率的影響

在n(二氯亞砜)∶n(乙二醇)=1.2∶1，反應(yīng)時(shí)間為40min、催化劑用量為乙二醇質(zhì)量的0.1%，m(高碘酸鈉)∶m(乙二醇)=5∶1的條件下，考察反應(yīng)溫度對(duì)目標(biāo)產(chǎn)物收率的影響，結(jié)果見圖2。

圖2　反應(yīng)溫度對(duì)產(chǎn)品收率的影響

3.4反應(yīng)時(shí)間對(duì)產(chǎn)品收率的影響

在n(二氯亞砜)∶n(乙二醇)=1.2∶1，反應(yīng)溫度為40℃、催化劑用量為乙二醇質(zhì)量的0.1%，m(高碘酸鈉)∶m(乙二醇)=5∶1的條件下，考察反應(yīng)時(shí)間對(duì)目標(biāo)產(chǎn)物收率的影響，結(jié)果見圖3。

圖3　反應(yīng)時(shí)間對(duì)產(chǎn)品收率的影響

由圖3可知，反應(yīng)時(shí)間太短，反應(yīng)不完全，導(dǎo)致收率較低，產(chǎn)品收率隨反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)而變大，但是反應(yīng)時(shí)間超過60min后，收率增加不明顯。為了降低能源消耗，最優(yōu)的反應(yīng)時(shí)間取60min。

3.5氧化劑用量對(duì)產(chǎn)品收率的影響

在n(二氯亞砜)∶n(乙二醇)=1.2∶1、反應(yīng)時(shí)間為60min、反應(yīng)溫度為40℃、催化劑用量為乙二醇質(zhì)量的0.1%的條件下，考察氧化劑高碘酸鈉用量對(duì)目標(biāo)產(chǎn)物收率的影響，結(jié)果見圖4。

圖4　氧化劑用量對(duì)產(chǎn)品收率的影響

3.6催化劑用量對(duì)產(chǎn)品收率的影響

在n(二氯亞砜)∶n(乙二醇)=1.2∶1、反應(yīng)時(shí)間為60min、反應(yīng)溫度為40℃、m(高碘酸鈉)∶m(乙二醇)=3∶1的條件下，考察催化劑三氯化釕用量對(duì)目標(biāo)產(chǎn)物收率的影響，結(jié)果見圖5。

圖5　催化劑用量對(duì)產(chǎn)品收率的影響

到此本工藝的操作條件已優(yōu)化完畢，較優(yōu)的操作條件是：用高碘酸鈉作氧化劑、n(二氯亞砜)∶n(乙二醇)=1.2∶1、反應(yīng)溫度40℃、反應(yīng)時(shí)間60min、m(高碘酸鈉)∶m(乙二醇)=3∶1、催化劑用量為乙二醇質(zhì)量的0.2%。在此操作條件下1,3,2-二唑噻吩-2,2-二氧化物的收率為81.25%。本工藝用堿液吸收氯化氫，簡(jiǎn)單易行，安全環(huán)保，采用的所有原料及溶劑均為價(jià)廉易得的商品化試劑，成本較低，反應(yīng)溫度溫和可控，反應(yīng)更充分，同時(shí)提高了收率。

3.7產(chǎn)品分析鑒定

產(chǎn)物為白色晶體，熔程測(cè)定值為97～98℃，與文獻(xiàn)值[12]基本一致。

采用KBr壓片法測(cè)定產(chǎn)品的紅外吸收光譜，結(jié)果見圖6。

圖6　產(chǎn)品的紅外光譜

由圖6可知，各個(gè)吸收峰歸屬如下：650cm?1處的吸收峰對(duì)應(yīng)S—O鍵的伸縮振動(dòng)峰，786cm?1、874cm?1、904cm?1和1008cm?1處的吸收峰為C—O鍵的伸縮振動(dòng)峰，1121cm?1處的吸收峰對(duì)應(yīng)砜S=O鍵的伸縮振動(dòng)峰，1203cm?1和1378cm?1處的吸收峰表明產(chǎn)物結(jié)構(gòu)中存在R—O—SO2—O—R結(jié)構(gòu)，1475cm?1處的吸收峰為芳雜環(huán)的環(huán)伸縮振動(dòng)峰，2924cm?1、2999cm?1和3067cm?1處的吸收峰則為—CH2(環(huán))中C—H鍵的伸縮振動(dòng)。這與文獻(xiàn)[13]中具有相似結(jié)構(gòu)的物質(zhì)一致。

以CDCl3為溶劑，四甲基硅烷（TMS）為內(nèi)標(biāo)物，掃描頻率為400MHz，測(cè)定產(chǎn)品的核磁共振氫譜，各個(gè)質(zhì)子的化學(xué)位移歸屬為：7.26（s，1H，CDCl3），4.76（s，4H）。

4　結(jié)　論

（1）以乙二醇、二氯亞砜為原料，三氯化釕為催化劑，高碘酸鈉為氧化劑合成了1,3,2-二唑噻吩-2,2-二氧化物。該工藝原料價(jià)廉易得，均為常用試劑，成本低，毒性?。簧傻穆然瘹錃怏w用堿液吸收，保護(hù)環(huán)境；反應(yīng)溫和可控，反應(yīng)時(shí)間短，收率高，是一項(xiàng)富有前景的1,3,2-二唑噻吩-2,2-二氧化物合成工藝。

（2）用紅外光譜和核磁共振譜對(duì)產(chǎn)物進(jìn)行了表征。單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，較優(yōu)的合成條件為用高碘酸鈉作氧化劑、n(二氯亞砜)∶n(乙二醇)=1.2∶1、反應(yīng)溫度40℃、反應(yīng)時(shí)間60min、m(高碘酸鈉)∶m(乙二醇)=3∶1、催化劑用量為乙二醇質(zhì)量的0.2%，收率為81.25%。

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·產(chǎn)品信息·

Optimization of the synthesis of 1,3,2-dioxathiolane 2,2-dioxide

WANG Peihong，ZHANG Nan，ZHOU Baoqiang，GAO Ruichang
（School of Chemical Engineering and Technology，Tianjin University，Tianjin 300072，China）

Abstract：1,3,2-dioxathiolane -2,2-dioxide was synthesized by ethylene glycol and thionyl chloride，with the heterogeneous catalyst of ruthenium(III) chloride and various oxidants. The product was characterized by1H NMR and IR spectra. The effects of different oxidants，molar ratio of raw materials，reaction temperature，reaction time，and the amount of oxidants and catalyst on the yield of target product were investigated. The optimal reaction conditions were determined as：n(thionyl chloride)∶n(ethylene glycol)=1.2∶1，m(sodium periodate)∶m(ethylene glycol)=3∶1，m(catalyst)∶m(ethylene glycol)=0.002∶1 and the reaction were carried out at 40℃ for 60 min using sodium periodate as oxidant. The yield of the product could reach 81.25% under the above optimal reaction conditions. The new process has the advantages of fewer by-products，lower toxicity and higher yield and therefore are more valuable in practical application.

Key words：ethylene glycol; 1,3,2-dioxathiolane-2,2-dioxide; oxidation; synthesis; optimization

收稿日期：2015-04-27 ；修改稿日期：2015-06-19。

DOI：10.16085/j.issn.1000-6613.2016.01.033

中圖分類號(hào)：TQ 252.9

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1000–6613（2016）01–0243–05