2-亞甲基-1，3-二氧環(huán)庚烷的合成工藝研究

孔亞芬，范和良，蔣福麗

(1. 欽州學(xué)院，理學(xué)院，廣西欽州 535000；2. 欽州學(xué)院，食品工程學(xué)院，廣西 欽州 535000)

2-亞甲基-1，3-二氧環(huán)庚烷的合成工藝研究

孔亞芬1*，范和良2，蔣福麗2

(1. 欽州學(xué)院，理學(xué)院，廣西欽州 535000；2. 欽州學(xué)院，食品工程學(xué)院，廣西 欽州 535000)

以溴乙醛縮二乙醇和1，4-丁二醇為初始原料，經(jīng)過取代、消除反應(yīng)合成重要的有機(jī)和藥物合成中間體2-亞甲基-1，3-二氧環(huán)庚烷，并探索了反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間和催化劑等因素對(duì)中間產(chǎn)物收率的影響，探索了堿、后處理方式對(duì)終產(chǎn)物收率的影響，確定了最佳合成工藝條件。目標(biāo)化合物結(jié)構(gòu)經(jīng)由1HNMR進(jìn)行表征確認(rèn)。

合成工藝；取代；消除；表征

2-亞甲基-1，3-二氧環(huán)庚烷[MDO]是一種無色、無毒、有刺激性氣味、易燃、吸潮的熱穩(wěn)定的液體；MDO的分子中有一個(gè)含兩個(gè)氧原子的七元雜環(huán)和一個(gè)亞甲基組成，是一種典型的富電子的環(huán)乙烯酮縮二乙醇類化合物，MDO特殊的化學(xué)結(jié)構(gòu)使其成為非常重要的有機(jī)合成和藥物中間體，被廣泛的應(yīng)用在生物可降解材料和醫(yī)藥領(lǐng)域。在酸性或某些陽離子存在條件下，MDO則可以自身發(fā)生自由基開環(huán)聚合生成聚酯，或通過乙烯基參與聚合生成含有七元環(huán)的聚合物。目前，MDO被用來和其他含有乙烯基的功能性的單體進(jìn)行自由基開環(huán)共聚來制備主鏈含有酯基、側(cè)鏈含有功能基的可生物降解的高分子材料，或者被用來合成一些在藥物傳遞上應(yīng)用的可降解的藥物載體材料。研究發(fā)現(xiàn)，采用MDO及其衍生物和其他含有乙稀基的單體進(jìn)行自由基開環(huán)共聚可得到高分子材料可被生物降解，原因是這類材料的主鏈上含有酯基結(jié)構(gòu)，容易被微生物作為食物分解，進(jìn)而可以達(dá)到完全降解效果，可有效替代現(xiàn)有合成高分子聚合材料，降低環(huán)境污染。因而，MDO及其衍生物的研究得到了業(yè)界廣泛的關(guān)注，具有很高的應(yīng)用價(jià)值和市場(chǎng)前景。

目前，國際上已有不少文獻(xiàn)報(bào)道了有關(guān)MDO及其衍生物開環(huán)自聚生成聚酯的反應(yīng)或者M(jìn)DO成環(huán)的反應(yīng)，并探索了聚合反應(yīng)機(jī)理。Baily[1]等人采用自由基引發(fā)劑使幵環(huán)聚合，率先提出了自由基引發(fā)聚合機(jī)理。S. Jin[2]借用H1NMR 和C13NMR 光譜研究，揭示了MDO自由基開環(huán)聚合機(jī)理。Peter C[3], Zhi Wu[4]等先后揭示了酸性陽離子和路易斯酸引發(fā)開環(huán)聚合機(jī)理。Quinn Smith[5]等提出了原子轉(zhuǎn)移開環(huán)聚合機(jī)理。陽離子引發(fā)聚合有利于合成髙分子量的共聚物，而自由基引發(fā)聚合則有利于合成低分子量的共聚物。Seema Agarwal[6]等利用2,3,4,5,6-五氟苯乙烯和BMDO開環(huán)制備了新型聚合物材料 ( BMDO-co-PFS )。Yen Wei[7]等報(bào)道了MDO在TEMPO (四甲基哌啶氮氧化物) 的存在下生成聚酯PMDP。2011年，Robertson[8]等報(bào)道了利用MDO一步合成(E)- 3 -(二甲基氨基)甲基丙烯酸酯，反應(yīng)立體選擇性非常高，收率達(dá)：49 %。Maurin[9],Mariet[10]課題組報(bào)道了一系列利用MDO與溴代芳雜環(huán)化合物發(fā)生[2+2]環(huán)加成反應(yīng)制備芳雜環(huán)丁酮。Kitagawa[11-12]課題組先后報(bào)道了利用MDO與N-甲磺?；h(huán)丙胺衍生物發(fā)生[3+2]環(huán)加成反應(yīng)制備功能性環(huán)戊烷衍生生物大分子。Wu[13]課題組報(bào)道了和乙酸發(fā)生反應(yīng)制備非對(duì)稱性的1，4-丁二醇二酯。Diaz-Ortiz[14]等報(bào)道了利用MDO 通過Hetro-Diels-Alder反應(yīng)制備惡唑啉酮和二氫吡喃-2-酮衍生物等重要的醫(yī)藥中間體。

本文改進(jìn)了2-亞甲基-1，3-二氧環(huán)庚烷的合成工藝，大大提高了2-亞甲基二氧雜環(huán)庚燒的回收率，減少了分離造成的損失。具體的方法：以1，4-丁二醇和溴乙醛縮二乙醇為初始原料，強(qiáng)酸性陽離子交換樹脂作Dowex(50W×2 H+)為催化劑，經(jīng)環(huán)化反應(yīng)生成 2-溴甲基-1，3-二氧環(huán)庚烷，然后用四氫呋喃和叔丁醇混合作為溶劑，與叔丁醇鉀發(fā)生消除脫溴反應(yīng)，反應(yīng)完成之后直接在反應(yīng)容器上搭建減壓蒸餾裝置進(jìn)行減壓蒸餾，初次蒸餾之后，往反應(yīng)容器中加入大量的正戊烷，再進(jìn)行第二、三次減壓蒸餾，合并收集的蒸餾液進(jìn)行再此減壓蒸餾，可得商品級(jí)別的2-亞甲基-1，3-二氧環(huán)庚烷，收率達(dá)63.1 %。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要儀器與試劑

AM 400 MHz 核磁共振儀( TMS 為內(nèi)標(biāo)，德國Bruker 公司)；1，4-丁二醇，四氫呋喃，環(huán)戊烷，叔丁醇，叔丁醇鉀(分析純，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司)Dowex (50W×2 H+)(上海甄準(zhǔn)生物科技有限公司)， 溴乙醛縮二乙醇( 分析純，阿拉丁試劑公司)。

1.2 合成路線

1.3 2-溴甲基-1，3-二氧環(huán)庚烷(1)的合成

1500 mL單口瓶中依次加入溴乙醛縮二乙醇20.6 g ( 100 mmol )，1,4-丁二醇 9.9 g ( 110 mmol ), Dowex(50W×2 H+)0.5 g, 120 ℃氮?dú)獗Ｗo(hù)下反應(yīng)4h，反應(yīng)降至室溫，用水泵進(jìn)行減壓蒸餾，逐漸升溫至130 ℃，收集95～115 ℃下的餾分，然后將收集的餾分再次減壓蒸餾收集105～110 ℃餾分，得到無色液體2-溴甲基-1，3-二氧環(huán)庚烷 14.5 g (yield ：71 %)，1H NMR (400 MHz, CDCl3):4.90 (t, 1H，J1=2.4, J2=4.8), 3.61-3.80 ( m, 4H ), 3.30 ( d, 2H, J=3.2 ), 1.69 ( m, 4H )。

1.4 2-亞甲基-1，3-二氧環(huán)庚烷 ( 2 ) 的合成

1000 mL三口瓶中依次加入100 mL叔丁醇，100 mL 四氫呋喃，叔丁醇鉀12.0 g ，氮?dú)獗Ｗo(hù)下降溫至0℃，磁力攪拌條件下，逐滴滴加2-溴甲基-1，3-二氧環(huán)庚烷(14.5 g, 74.7 mmol)的四氫呋喃溶液，保持溫度上升范圍不超過5℃, 滴加完畢之后，逐漸升溫至室溫，反應(yīng)過夜，在三口瓶上直接搭建減壓蒸餾裝置，真空水泵作為減壓裝置，室溫下減壓蒸除部分四氫呋喃，然后緩慢升溫，收集45-70℃餾分，待很少餾分蒸出之時(shí)，停止減壓蒸餾，往三口瓶中添加正戊烷和四氫呋喃，充分?jǐn)嚢韬罄^續(xù)減壓蒸餾，同樣收集45-70℃餾分，重復(fù)操作兩次之后，合并收集的餾分進(jìn)行再次減壓蒸餾，收集60～65℃餾分得到商品級(jí)別2-亞甲基-1，3-二氧環(huán)庚烷 ( 2 ) 5.4 g, yeild : 63.1 %。1H NMR (400 MHz, CDCl3): 3.83～3.96 (m, 4 H), 3.44 (s, 2H), 1.66～1.74 (m, 4H)。

2 結(jié)果與討論

2.1 2-溴甲基-1，3-二氧環(huán)庚烷(1)的合成

2-溴甲基-1，3-二氧環(huán)庚烷的合成過程中，本文對(duì)反應(yīng)溫度對(duì)反應(yīng)產(chǎn)率的影響做了研究，如表1所示，反應(yīng)時(shí)間統(tǒng)一為6h，隨著溫度的升高反應(yīng)產(chǎn)率逐漸升高，溫度升到130℃以后，反應(yīng)產(chǎn)率開始降低，主要原因可能是副反應(yīng)增多。催化劑對(duì)此反應(yīng)的影響也非常明顯，本文對(duì)4種常用催化劑進(jìn)行了篩選，如表2所示，陽離子樹脂型催化劑的催化效果比較好，其中Dowex (50W×2 H+)的效果最好。反應(yīng)時(shí)間對(duì)此反應(yīng)也有一定的影響，如表3所示，反應(yīng)4小時(shí)為最佳，時(shí)間長(zhǎng)了副產(chǎn)物就會(huì)增加。綜上所述，反應(yīng)的最佳條件為溫度120℃下反應(yīng)4h，以作為Dowex (50W×2 H+)催化劑。另外，反應(yīng)后處理減壓蒸餾的時(shí)候，控制溫度上升的速度緩慢些，并將蒸餾液分批收集，純度較高的可以直接進(jìn)行下一步反應(yīng)，對(duì)純度不高的部分進(jìn)行第二次蒸餾，然后合并，這樣可以得到較高的產(chǎn)率。

表1 溫度對(duì)反應(yīng)收率的影響

表2 催化劑對(duì)反應(yīng)收率的影響

表3 反應(yīng)時(shí)間對(duì)反應(yīng)收率的影響

2.2 2-亞甲基-1，3-二氧環(huán)庚烷 ( 2 ) 的合成

2-亞甲基-1，3-二氧環(huán)庚烷的合成過程中，不同的堿對(duì)反應(yīng)的收率影響比較明顯，如表4所示，對(duì)比氫氧化鈉、氫氧化鉀、叔丁醇鈉、叔丁醇鉀的反應(yīng)可以看出，隨著堿性增強(qiáng)反應(yīng)產(chǎn)率增加，堿性越弱生成醚的可能性就越大，叔丁醇鈉、叔丁醇鉀在四氫呋喃和叔丁醇中有一定的溶解性，使得反應(yīng)向著生成產(chǎn)物的方向進(jìn)行。反應(yīng)完成之后，本文采用直接在原裝置上搭建減壓蒸餾裝置將反應(yīng)產(chǎn)物蒸出，可以有效防止產(chǎn)物在空氣中暴漏揮發(fā)分解造成的損失，對(duì)比轉(zhuǎn)移抽濾之后再減壓蒸餾這種后處理方式，產(chǎn)率可以提高10 %，原因是反應(yīng)生成的溴化鉀和叔丁醇鉀在反應(yīng)液中呈現(xiàn)黏膠狀，比較難抽濾，產(chǎn)物長(zhǎng)時(shí)間在空氣中暴漏，吸水、揮發(fā)會(huì)造成一定的損失。綜上所述，反應(yīng)選用叔丁醇鉀作堿，后處理不經(jīng)過轉(zhuǎn)移直接減壓蒸餾可以得到較高收率的商品級(jí)別的產(chǎn)物。

表4 堿對(duì)反應(yīng)收率的影響

3 結(jié)論

以溴乙醛縮二乙醇和1，4-丁二醇為初始原料制得 2-亞甲基-1，3-二氧環(huán)庚烷。研究中產(chǎn)物的合成條件發(fā)現(xiàn)反應(yīng)120℃下反應(yīng)4h，以作為Dowex (50W×2 H+)催化劑為最佳，研究堿、后處理方式對(duì)終產(chǎn)物收率的影響發(fā)現(xiàn)以叔丁醇鉀作堿、后處理不經(jīng)過轉(zhuǎn)移直接減壓蒸餾為最佳工藝條件。

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(本文文獻(xiàn)格式：孔亞芬，范和良，蔣福麗.2-亞甲基-1，3-二氧環(huán)庚烷的合成工藝研究[J].山東化工，2017，46(10)：22-24.)

Study on the Synthesis Technology of 2-Methylene-1,3-dioxepane

KongYafen1*,FanHeliang2,JiangFuli2

(1, College of Science, Qinzhou University, Qinzhou 535000,China;2, College of food engineering Qinzhou University, Qinzhou 535000,China)

An important organic and pharmaceutical intermediate 2-methylene-1,3-dioxepane was synthesized by the reaction of substitution,elimination from Bromoacetaldehyde diethyl acetal and 1,4-butanediol . Effect of temperture,time and catalyst on the yield of intermediate compound and effect of base,processing mode on the yield of target compound were studied. The optimization of synthesis technology conditions was established. The structure of target compound was confirmed by1HNMR.

synthesis technology;substitution;elimination;characterization

2017-03-23

廣西高校中青年教師基礎(chǔ)能力提升項(xiàng)目(KY2016LY428 ),廣西高?；瘜W(xué)工藝重點(diǎn)學(xué)科基金(2015KLOG13)

孔亞芬(1983—)，女，山東曲阜人，碩士，欽州學(xué)院教師，主要從事有機(jī)合成方面的研究。

O63；TB324

A

1008-021X(2017)10-0022-03