羥基改性聚對亞苯基苯并二唑單體3,3′-二氨基-4,4′-二羥基聯(lián)苯鹽酸鹽的合成

吳純鑫，常雨淅，陳迪超，張建庭，金寧人，趙德明

（浙江工業(yè)大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，浙江杭州310014）

關(guān)于DADHBP·2HCl 的合成，現(xiàn)有文獻(xiàn)以4,4′-二羥基聯(lián)苯為原料經(jīng)硝化后，以水合肼為還原劑，鈀碳為催化劑進(jìn)行催化還原制得目標(biāo)產(chǎn)物，但該路線存在反應(yīng)時(shí)間長，成本高等缺點(diǎn)[9]。因此，本文以縮短合成時(shí)間和減少生產(chǎn)成本為目標(biāo)，以4,4′-二羥基聯(lián)苯為原料，經(jīng)硝化，七水合硫酸亞鐵為助劑還原合成DADHBP·2HCl。路線中采用水合肼，七水合硫酸亞鐵還原方法較水合肼鈀碳還原方法的優(yōu)勢為價(jià)格更為便宜，其對硝基還原的選擇性好，對比鈀碳還原降低成本，且還原效果顯著。其工藝路線如圖1所示[14]。經(jīng)實(shí)驗(yàn)優(yōu)化后，得到高純度中間體3,3′-二硝基-4,4′-二羥基聯(lián)苯（DNDHBP）和單體3,3′-二氨基-4,4′-二羥基聯(lián)苯鹽酸鹽（DADHBP·2HCl），中間體和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)經(jīng)紅外光譜、核磁氫譜和電噴霧質(zhì)譜表征確認(rèn)。

圖1 單體3，3′-二氨基-4，4′-二羥基聯(lián)苯鹽酸鹽的合成路線

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要試劑與儀器

4,4′-二羥基聯(lián)苯（DHBP）、氯化亞錫、乙醇，均為分析純，上海麥克林生化科技有限公司；甲苯，分析純，華東醫(yī)藥股份有限公司；冰乙酸、甲醇，均為分析純，永華化學(xué)科技（江蘇）有限公司；N,N-二甲基甲酰胺、濃鹽酸，均為分析純，西隴科學(xué)股份有限公司；濃硝酸，分析純，浙江中星化工試劑有限公司；活性炭、水合肼，均為分析純，上海阿拉丁生化科技股份有限公司；七水合硫酸亞鐵，分析純，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

Avance-2型核磁共振儀（1H NMR），瑞士布魯克公司； Jasco FT/IR-460plus 型紅外光譜儀（FTIR），美國Thermo Scientific 公司；ITQ 1100TM直接進(jìn)樣桿離子阱質(zhì)譜儀（ESI-MS），美國Thermo Scientific 公司；高效液相色譜LC-20A型液相色譜儀（HPLC，面積歸一法，室溫流動相40%乙腈-水緩沖溶液，流速1.0mL/min，檢測波長254nm），島津（中國）有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)過程及方法

1.2.1 DNDHBP的合成

在裝有溫度計(jì)及球形冷凝管的250mL 四口燒瓶中，依次加入5.00g 4,4′-二羥基聯(lián)苯、25mL 甲苯、35mL 冰乙酸，攪拌，5℃下加入3.8mL 硝酸（質(zhì)量分?jǐn)?shù)為65%），然后反應(yīng)2.5h，冷卻至室溫，抽濾，用水、甲醇分別洗滌濾餅，濾餅烘干得到黃色產(chǎn)物3,3′-二硝基-4,4′-二羥基聯(lián)苯，HPLC 分析得質(zhì)量分?jǐn)?shù)92.43%，以4,4′-二羥基聯(lián)苯計(jì)收率81.39%，重結(jié)晶后備用。

分析反應(yīng)機(jī)理以及DNDHBP 的質(zhì)譜圖可推知，該步硝化反應(yīng)的副產(chǎn)物為3-硝基-4,4′-二羥基聯(lián)苯，表征結(jié)果如下。

FTIR（KBr，cm-1）：3224（s）、3090（s）、1520（s）、1310（s）、1239（s）。

1H NMR（二甲基亞砜DMSO，化學(xué)位移δ）：11.13(s,2H,OH)，8.14(2H,s，ArH)，7.86(2H，s，ArH)，7.20(2H，s，ArH)。

C12H8N2O6ESI-MS：[M H]+=275.0。與DNDHBP理論相對分子質(zhì)量相同

1.2.2 DADHBP·2HCl的合成

在裝有溫度計(jì)及球形冷凝管的250mL 四口燒瓶中，依次加入2g DNDHBP、0.60g活性炭、0.20g七水合硫酸亞鐵和20mL 無水乙醇，回流攪拌，緩慢滴加1mL 水合肼，反應(yīng)9h 后停止，熱過濾，將濾餅溶于12mL 5%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）稀鹽酸，過濾除去雜質(zhì)，鹽析，抽濾，濾餅真空干燥，得到白色固體產(chǎn)物3,3′-二氨基-4,4′-二羥基聯(lián)苯鹽酸鹽，HPLC分析質(zhì)量分?jǐn)?shù)98.20%，以DADHBP計(jì)收率為67.16%，表征結(jié)果如下。

FTIR（KBr，cm-1）：3371（s）、3291（s）、2954（s）、1600.3（s）、1219（s）。

1H NMR（DMSO，δ）：10.96（2H，s，OH）,10.13（3H，s，NH2·HCl），7.57（2H，s，ArH），7.40（2H，s，ArH），7.18（2H，s，ArH）。

C12H12N2O2ESI-MS：[M+H]+=217.1。與3,3′-二氨基-4,4′-二羥基聯(lián)苯（DADHBP）理論相對分子質(zhì)量相同。

2 結(jié)果與討論

2.1 DNDHBP的合成

2.1.1 反應(yīng)溶劑種類對DNDHBP合成的影響

反應(yīng)溶劑種類對硝化反應(yīng)的選擇性和反應(yīng)速率影響較大，為提高硝化反應(yīng)收率和產(chǎn)物純度，在反應(yīng)溫度、物料配比和反應(yīng)時(shí)間一定的條件下，考察反應(yīng)溶劑種類對硝化反應(yīng)的影響，結(jié)果見表1。

表1 反應(yīng)溶劑種類對DNDHBP合成的影響

2.1.2 混合溶劑配比對DNDHBP合成的影響

混合溶劑配比對硝化反應(yīng)有一定影響，選擇合適的配比可以提高硝化反應(yīng)的純度和收率，結(jié)果見表2。

表2 混合溶劑配比對DNDHBP合成的影響

當(dāng)甲苯與冰乙酸體積比為3∶2 時(shí)，硝化反應(yīng)的收率較低，且后處理過程中有較多產(chǎn)品附著在杯壁上，乙酸有脫水劑的作用，一定程度上影響反應(yīng)進(jìn)行，乙酸含量過高時(shí)硝化反應(yīng)不易控制，容易產(chǎn)生副產(chǎn)物導(dǎo)致產(chǎn)物和收率較低，乙酸含量較低時(shí)反應(yīng)不完全，生成較多單硝化化合物。根據(jù)表2選擇甲苯與冰乙酸體積比5∶7 為較佳溶劑配比進(jìn)行硝化反應(yīng)。

2.1.3 硝酸與DHBP 原料配比對DNDHBP 合成的影響

理論的硝酸與DHBP原料摩爾比為2∶1，在工業(yè)生產(chǎn)中硝酸用量常常高于理論量，以促進(jìn)反應(yīng)進(jìn)行完全，但過量的硝酸又會產(chǎn)生多硝化副產(chǎn)物及污染環(huán)境，提高生產(chǎn)成本。探討硝酸用量對硝化反產(chǎn)物純度以及收率的影響，結(jié)果見表3。

表3 硝酸與DHBP原料配比對DNDHBP合成的影響

由表3可知，當(dāng)硝酸配比低于2∶1時(shí)，硝化產(chǎn)物收率較低，而硝酸濃度較高時(shí)又會得到較多的副產(chǎn)物，且重結(jié)晶的方法無法去除這些雜質(zhì)，故較佳的配比為理論配比，并且在此硝酸比條件下，4,4′-二羥基聯(lián)苯與硝酸反應(yīng)較充分，體現(xiàn)出較好的原子經(jīng)濟(jì)性。

2.1.4 反應(yīng)溫度對DNDHBP合成的影響

硝化反應(yīng)是一個(gè)強(qiáng)放熱反應(yīng)，如果不及時(shí)移除熱量，會使反應(yīng)溫度迅速上升，引起多硝化副產(chǎn)物的產(chǎn)生，因此探討合適的反應(yīng)溫度，減少副產(chǎn)物的生成至關(guān)重要。探討反應(yīng)溫度對硝化反應(yīng)純度及收率的影響，結(jié)果見表4。

表4 反應(yīng)溫度對DNDHBP合成的影響

由表4 可知，溫度為0℃的條件下反應(yīng)已經(jīng)發(fā)生，溫度過低反應(yīng)不完全導(dǎo)致純度和收率都不夠高，隨著反應(yīng)溫度升高，產(chǎn)物收率逐漸提高，當(dāng)反應(yīng)溫度高于5℃時(shí)，繼續(xù)升高溫度會引發(fā)其他副反應(yīng)，導(dǎo)致反應(yīng)的選擇性下降。因此較佳反應(yīng)溫度為5℃左右。

2.1.5 反應(yīng)時(shí)間對DNDHBP合成的影響

硝化反應(yīng)時(shí)間的控制也很重要，反應(yīng)時(shí)間較短會導(dǎo)致硝化反應(yīng)不完全，而硝化時(shí)間過長又會發(fā)生副反應(yīng)，生成多硝基產(chǎn)物，導(dǎo)致產(chǎn)率降低，且難以除去。故考察反應(yīng)時(shí)間對硝化產(chǎn)物純度以及收率的影響，結(jié)果見表5。

表5 反應(yīng)時(shí)間對DNDHBP合成的影響

由表5可知，隨著反應(yīng)時(shí)間延長，產(chǎn)物收率逐漸增加，當(dāng)反應(yīng)時(shí)間為2.5h時(shí)，收率較高，繼續(xù)延長反應(yīng)時(shí)間收率下降，質(zhì)譜檢測有三硝化及四硝化等副產(chǎn)物生成。因此較佳反應(yīng)時(shí)間為2.5h。

2.2 DADHBP·2HCl的合成

2.2.1 DADHBP還原方法對比

硝基還原的方法有很多，通常使用的方法有水合肼還原法、催化加氫、金屬單質(zhì)、SnCl2-HCl 法和保險(xiǎn)粉還原等。各個(gè)還原反應(yīng)各有優(yōu)缺點(diǎn)，本文選擇5種還原方法對DADHBP分別進(jìn)行硝基還原實(shí)驗(yàn)，結(jié)果見表6。

表6結(jié)果表明，使用鐵粉、保險(xiǎn)粉和氯化亞錫作為還原劑的實(shí)驗(yàn)編號為1、2和3中還原硝基效果不好，主要原因是反應(yīng)物溶解性較差，反應(yīng)在非均相中進(jìn)行，二硝基不能完全還原。而實(shí)驗(yàn)4中水合肼鈀碳還原的效果不好是因?yàn)榉磻?yīng)過程中產(chǎn)生的未知副產(chǎn)物難以除去。綜合考慮，采用乙醇為溶劑水合肼七水合硫酸亞鐵的還原方法。

表6 不同還原方法對產(chǎn)物的影響

2.2.2 七水合硫酸亞鐵用量對DADHBP·2HCl合成的影響

考察七水合硫酸亞鐵用量對DADHBP·2HCl合成的影響，結(jié)果見表7。

表7 七水合硫酸亞鐵用量對DADHBP·2HCl合成的影響

七水合硫酸亞鐵的用量對還原反應(yīng)有一定的影響，由表7 可知，當(dāng)n(FeSO4·7H2O)∶n(DNDHBP)=5∶1時(shí)，反應(yīng)速度很慢，無法得到較多還原產(chǎn)物，隨著七水合硫酸亞鐵用量增加，在n(FeSO4·7H2O)∶n(DNDHBP)=9∶1時(shí)收率和純度達(dá)到最高，其后再增加七水合硫酸亞鐵用量，反應(yīng)產(chǎn)品的純度和收率變化不大，因此采用n(FeSO4·7H2O)∶n(DNDHBP)=9∶1為適宜的用量。

2.2.3 水合肼用量對DADHBP·2HCl合成的影響

還原反應(yīng)一般不易進(jìn)行且產(chǎn)物易氧化，還原硝基過程與大多數(shù)硝基還原成氨基相同，首先產(chǎn)生亞硝基或羥胺中間體，中間體繼續(xù)被還原為氨基，還原反應(yīng)需保證擁有足夠的氫供體。水合肼在回流溫度和助劑影響下完全轉(zhuǎn)化一部分產(chǎn)生的活性氫參與反應(yīng)，一部分沒有參與反應(yīng)直接逸出，需使用過量的水合肼才能達(dá)到較高的純度和收率。因此探討水合肼用量對DADHBP·2HCl 合成的影響，結(jié)果見表8。

表8 水合肼用量對DADHBP·2HCl合成的影響

硝基還原為氨基需足量的水合肼，由表8 可知，當(dāng)物料摩爾比采用理論用量1∶4 時(shí)還原不完全，隨著水合肼與DNDHBP 摩爾比的增大，產(chǎn)物的收率也隨之增加，當(dāng)二者的摩爾比達(dá)到1∶5.5時(shí)，純度與收率較優(yōu)。再繼續(xù)增加水合肼的用量，收率沒有提高。因此DNDHBP 與水合肼的較佳物料配比應(yīng)以1∶5.5為宜。

2.2.4 反應(yīng)時(shí)間對DADHBP·2HCl合成的影響

反應(yīng)時(shí)間對產(chǎn)物制備的純度及收率的影響尤其重要，反應(yīng)時(shí)間過長會導(dǎo)致產(chǎn)物中雜質(zhì)增加，反應(yīng)時(shí)間過短還原反應(yīng)不完全。探討反應(yīng)時(shí)間對DADHBP·2HCl合成的影響，結(jié)果見表9。

表9 反應(yīng)時(shí)間對DADHBP·2HCl合成的影響

由表9可知，隨著反應(yīng)時(shí)間的延長，產(chǎn)物的收率也逐漸增大，反應(yīng)時(shí)間9h 時(shí)產(chǎn)物的純度及收率較佳，還原較完全，繼續(xù)延長反應(yīng)時(shí)間，收率略有降低。因此還原反應(yīng)較佳的反應(yīng)時(shí)間為9h。還原產(chǎn)物經(jīng)質(zhì)譜檢測含有小于2%的單還原雜質(zhì)3-硝基-3′-氨 基-4,4′-二 羥 基 聯(lián) 苯，目 標(biāo) 產(chǎn) 物DADHBP·2HCl 的純度大于98%，達(dá)到聚合要求，可進(jìn)行后續(xù)聚合反應(yīng)。

3 結(jié)論

本文成功地以4,4′-二羥基聯(lián)苯為原料制得了中間體DNDHBP、DADHBP·2HCl，并對其合成工藝條件進(jìn)行了優(yōu)化，產(chǎn)物用FTIR、1H NMR 和MS等方法定性表征，均符合其分子結(jié)構(gòu)[15]。結(jié)果如下。

（1）DNDHBP 的合成 以4,4′-二羥基聯(lián)苯為原料，甲苯冰乙酸為反應(yīng)溶劑，反應(yīng)溫度5℃，反應(yīng)時(shí)間2.5h，n(DHBP)∶n(HNO3)=1∶2，反應(yīng)中緩慢滴加硝酸，防止溫度升高，便于控制反應(yīng)，得到3,3′-二硝基-4,4′-二羥基聯(lián)苯，HPLC 分析得質(zhì)量分?jǐn)?shù)92.43%，收率81.39%。

（2）DNDHBP·2HCl 的合成 以DNDHBP 為原料，乙醇為反應(yīng)溶劑，七水合硫酸亞鐵為助劑，n(DNDHBP)∶n(N2H4·H2O)=1∶5.5，反應(yīng)溫度78℃，反應(yīng)9h后，經(jīng)熱過濾和鹽析，得到DADHBP·2HCl，收率67.16%，HPLC分析得質(zhì)量分?jǐn)?shù)為98.20%。