N,N′-二環(huán)己基二氮烯-N,N′-二氧化物的合成

張珍明, 夏 天, 黃文靜, 彭曉含, 陳 達(dá), 李樹安

(江蘇海洋大學(xué) 化學(xué)工程學(xué)院, 江蘇 連云港 222005)

亞硝基烷烴在各種生物的代謝中起重要作用,如一些含氨藥物可能被代謝為亞硝基化合物[1].N,N′-二環(huán)己基二氮烯-N,N′-二氧化物,是亞硝基環(huán)己基二聚體,用X-ray單晶衍射測定出其分子中兩個(gè)O原子位于—N==N—的異側(cè),故又稱為(E)-偶氮二氧環(huán)己烷；光照下二聚體易于轉(zhuǎn)化為環(huán)己酮肟,經(jīng)Beckmann重排得到的已內(nèi)酰胺是合成尼龍-6的單體[2-3]；與活性高分子反應(yīng)生成功能化聚合物[4]；也可作為齊格勒-納特反應(yīng)的助催化劑[5].

N,N′-二環(huán)己基二氮烯-N,N′-二氧化物制備方法主要有3種：

1) 以環(huán)己烷為原料,用亞硝基叔丁酯為亞硝化劑,在7～10 ℃、405 nm光催化下反應(yīng)48 h,收率81.5%(含8%環(huán)己酮肟)[1,6],改用N-羥基鄰苯二甲酰亞胺(NHPI)為催化劑以替代光催化,在80 ℃、氬氣保護(hù)下的醋酸中反應(yīng),收率51%[7]；2) 以1-二環(huán)己基亞硝酸酯為原料,在1～100 mmHg、250～400 ℃及惰性氣體保護(hù)下,熱分解得N,N′-二環(huán)己基二氮烯-N,N′-二氧化物(收率44.3%)及環(huán)乙酮[8],此法設(shè)備要求較高、收率低且難以提純;3) 以環(huán)己胺為原料,采用90%(ω/ω)過氧化氫和乙酸酐先制備過氧乙酸以氧化環(huán)己胺,收率44%,由于高濃度過氧化氫存在安全隱患,改用10倍量固體SPC(過碳酸鈉,過氧化氫來源)與TAED(四乙?；叶??；w)為氧化劑,在548倍水與101倍乙酸乙酯(或155倍二氯甲烷)的混合溶劑中,氧化環(huán)己胺2～3 h,收率為100%[1,9].方法3)收率高,操作簡便,但過氧化物和溶劑用量過大,為了克服該法不足,本文用SPC-50%H2O2-TAED為組合氧化劑,減少溶劑和SPC用量,利用50%過氧化氫中的水溶解部分SPC,不降低過氧化氫濃度,使反應(yīng)能夠在水和乙酸乙酯兩相中進(jìn)行,制備出N,N′-二環(huán)己基二氮烯-N,N′-二氧化物,收率為98.3%.反應(yīng)方程式如下：

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

環(huán)己胺(CP,北京百順化工有限公司)；過氧化氫(質(zhì)量分?jǐn)?shù)50%)、乙酸乙酯、氫氧化鉀(AR,上海達(dá)瑞化工有限公司)；過碳酸鈉(Na2CO3·1.5H2O2,

純度>97%,上海麥克林有限公司)、四乙酰乙二胺(工業(yè)級,湖北信康醫(yī)藥化工有限公司).

Bruker-Vector22傅立葉紅外光譜儀( KBr壓片,布魯克科技有限公司).Bruker-400 MHz ARX400核磁共振儀(TMS為內(nèi)標(biāo),德國布魯克公司)；Agilent Technologies 6230 TOF LC-MC液質(zhì)聯(lián)用儀(美國安捷倫公司)；SGW X-4型熔點(diǎn)儀(上海儀電光學(xué)有限公司).

1.2 實(shí)驗(yàn)

取10.0 g(0.10 mol)環(huán)己胺、298.0 mL(3.0 mol)乙酸乙酯、288.0 mL(16.0 mol)蒸餾水,電動(dòng)攪拌速度為180轉(zhuǎn)/min,一定量的TAED(四乙酰乙二胺)、SPC(過碳酸鈉)及50%(ω/ω)過氧化氫依次加入反應(yīng)瓶,用KOH調(diào)節(jié)pH,室溫(25 ℃)下攪拌2.0 h,并室溫陳化12.0 h,分離有機(jī)層,水層用3×20.0 mL的乙酸乙酯萃取,合并有機(jī)層,依次用100.0 mL 水、100.0 mL 10%的稀鹽酸洗滌,無水MgSO4干燥4 h,過濾、減壓旋蒸,殘余物用乙醇重結(jié)晶得產(chǎn)物.

2 結(jié)果與討論

N,N′-二環(huán)己基二氮烯-N,N′-二氧化物與亞硝基環(huán)己烷(單體)之間存在化學(xué)平衡[3],最初采用顏色變化進(jìn)行定性觀察：二聚體的無色溶液加熱時(shí)可逆生成單體的藍(lán)色或綠色溶液,冷卻時(shí)回到無色二聚體；發(fā)現(xiàn)極性介質(zhì)、0～20 ℃主要以反-二聚體存在,測定25 ℃時(shí)從二聚體到單體的解離常數(shù)為10-2～10-10.因此,在本文條件下,合成的亞硝基環(huán)己烷幾乎全部二聚為N,N′-二環(huán)己基二氮烯-N,N′-二氧化物.環(huán)己胺用組合氧化劑氧化為N,N′-二環(huán)己基二氮烯-N,N′-二氧化物為自由基氧化消除反應(yīng)機(jī)理：使用四乙酰基乙二胺替代乙酸的優(yōu)點(diǎn)是和過氧化氫反應(yīng)生成過氧乙酸同時(shí)產(chǎn)生堿性的有機(jī)胺,與酸性的過氧乙酸混合在反應(yīng)體系內(nèi)保持反應(yīng)有較高的pH,不會(huì)造成目標(biāo)產(chǎn)物重排為己內(nèi)酰胺.過氧乙酸與環(huán)己胺發(fā)生自由基取代反應(yīng),生成環(huán)己基羥胺,接著轉(zhuǎn)化為亞硝基環(huán)己烷,然后二聚為N,N′-二環(huán)己基二氮烯-N,N′-二氧化物.如圖1所示.實(shí)驗(yàn)固定環(huán)己胺和混合溶劑用量,即n(環(huán)己胺)∶n(乙酸乙酯)∶n(水)=1∶30∶160,以考察氧化劑各成分投料比、物料是否陳化及陳化時(shí)間、反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間和pH對目標(biāo)產(chǎn)物收率的影響.

圖1 推測的反應(yīng)機(jī)理Fig.1 Speculated reaction mechanism

2.1 氧化劑各成分投料比及物料陳化對產(chǎn)物收率的影響

本反應(yīng)涉及物料較多,若用單因素考察對收率影響,實(shí)驗(yàn)次數(shù)多.所以采用L8(27)正交實(shí)驗(yàn),在25±1 ℃、pH=10,用SPC-50%H2O2-TAED氧化,考察SPC、50%H2O2、TAED投料量及反應(yīng)后混合液是否陳化(12 h)對產(chǎn)物收率的影響,因素水平表見表1所列.考慮交互作用的L8(27) 正交實(shí)驗(yàn)表頭設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)分析見表2所列.

表1 L8(27)正交實(shí)驗(yàn)因素水平表Tab.1 Factor level table of L8(27) orthogonal experiment

從表2數(shù)據(jù)分析可知：1) 比較因素水平實(shí)驗(yàn)結(jié)果的平均值k1、k2可得未計(jì)入交互作用時(shí),優(yōu)選反應(yīng)條件為A2B2C1D1；2) 極差絕對值大小確定四個(gè)影響因素主次順序?yàn)锳→B→C→D；3) B和C的交互作用較小(0.4),A與B的交互作用小于A與B單獨(dú)的影響(2.8),均略去,A與C之間的交互作用(2.0)大于C(1.6)單獨(dú)的影響,須予以研究,因此,將表2中A與C之間四種搭配的收率平均值列于表3,發(fā)現(xiàn)A2C2搭配時(shí)收率最高,故計(jì)入交互作用時(shí),優(yōu)選反應(yīng)條件為A2B2C2D1,即最優(yōu)的氧化劑配比為n(環(huán)己胺)∶n(SPC)∶n(50%H2O2) ∶n(TAED)=1∶3∶3∶1.75,反應(yīng)后靜置陳化12 h收率更高.

表2 L8(27) 正交實(shí)驗(yàn)表頭設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)分析Tab.2 Design and data analysis for L8(27) orthogonal experiments

表3 因素A與因素C之間四種搭配的收率平均值Tab.3 The average yield of four combinations between factor A and Factor C

2.2 陳化時(shí)間對產(chǎn)物收率的影響

以優(yōu)化的氧化劑投料比,在25±1 ℃、pH=10,反應(yīng)2 h后的反應(yīng)液,分別陳化6、12、18及24 h,以考察陳化時(shí)間對產(chǎn)物收率的影響,如圖2所示,陳化12 h比6 h產(chǎn)物收率增加1.2%,陳化時(shí)間繼續(xù)增加,產(chǎn)物收率增加緩慢,從經(jīng)濟(jì)成本等綜合考慮,確定陳化時(shí)間為12 h.

圖2 陳化時(shí)間對產(chǎn)物收率的影響Fig.2 The effect of aging time on yield of desired product

2.3 反應(yīng)溫度和pH對產(chǎn)物收率的影響

優(yōu)化的氧化劑投料比,反應(yīng)時(shí)間2 h后室溫陳化12 h,pH=10,考察反應(yīng)溫度從22～43 ℃對產(chǎn)物收率的影響如圖3所示,當(dāng)反應(yīng)溫度為33 ℃時(shí),反應(yīng)收率最高,表明33 ℃前反應(yīng)為熱力學(xué)控制；溫度高于33 ℃,收率下降,原因可能是當(dāng)反應(yīng)溫度高時(shí)單體轉(zhuǎn)化為環(huán)己酮肟,使化學(xué)平衡從N,N′-二環(huán)己基二氮烯-N,N′-二氧化物向生成單體方向移動(dòng)而使產(chǎn)物收率降低.

圖3 反應(yīng)溫度對產(chǎn)物收率的影響Fig.3 The effect of reaction temperature on yield of desired product

優(yōu)化的氧化劑投料比,溫度為33 ℃,反應(yīng)時(shí)間2 h及室溫陳化12 h,考察溶液pH 在7.5～10范圍對產(chǎn)物收率的影響如圖4所示.pH=9時(shí)收率最優(yōu),當(dāng)pH大于9.5時(shí)收率降低,溶液pH小于8.5時(shí),收率不高.因?yàn)檫^氧化氫在水中可逆電離HOO-和H+,增加反應(yīng)體系堿性有利于持續(xù)提供高濃度HOO-以氧化環(huán)己胺生成亞硝基環(huán)己烷,同時(shí),環(huán)己基與—NO相連的仲碳原子含不穩(wěn)定的α-H,在酸、堿介質(zhì)中均易互變異構(gòu)成肟.

圖4 pH對產(chǎn)物收率的影響Fig.4 The effect of pH on yield of desired product

2.4 反應(yīng)時(shí)間對產(chǎn)物收率的影響

優(yōu)化的氧化劑投料比,溶液pH=9,反應(yīng)溫度為33 ℃,考察反應(yīng)時(shí)間1～5 h(反應(yīng)后均室溫陳化)對產(chǎn)物收率的影響如圖5所示.從圖可見,反應(yīng)時(shí)間從1 h到3 h增加很快,反應(yīng)時(shí)間3 h產(chǎn)物的收率最高(98.3%),繼續(xù)增加反應(yīng)時(shí)間,產(chǎn)物收率提高不明顯,從成本考慮,選擇反應(yīng)時(shí)間為3 h,室溫陳化12 h.

圖5 反應(yīng)時(shí)間對產(chǎn)物收率的影響Fig.5 The effect of reaction time on yield of desired product

2.5 結(jié)構(gòu)表征

白色晶體,mp：118.5～119.3 ℃(文獻(xiàn)[9]值118～119 ℃),IR,σ/cm-1：2 920、2 850 cm-1(環(huán)烷基νC—H),1 450、1 390 cm-1(νC—H,與N原子相連的次甲基),1 200 cm-1(痕量亞硝基環(huán)己胺單體νN==O),894 cm-1(νN→O),690(νC—NO,面外),對稱反式偶氮化合物紅外無吸收,反應(yīng)原料環(huán)己胺N—H的特征吸收帶在產(chǎn)物中消失,如圖6所示；EISMSm/z：理論值C12H22N2O2{[M+H+]}= 227.0,實(shí)驗(yàn)值{[M+H+]}=226.9(豐度100%),如圖7所示；13C NMR(126 MHz,CDCl3),δ：65.67(環(huán)己基上α-C,2C), 28.24(環(huán)己基上β-C,4C)、25.02(環(huán)己基上δ-C,2C)、24.59(環(huán)己基上γ-C,4C),如圖8所示,1H NMR(500 MHz, CDCl3),δ5.07(tt,J=11.5,3.8 Hz,2H),1.96(m,J=13.0,2.1 Hz,4H),1.90～1.82(m,4H),1.72～1.62(m,6H),1.42～1.17(m,6H) ,如圖9所示.IR、質(zhì)譜和NMR表征的結(jié)構(gòu)與預(yù)期產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)一致.

圖6 產(chǎn)物的IR譜Fig.6 IR spectrum of desired product

圖7 產(chǎn)物的MS譜Fig.7 MS spectrum of desired product

圖8 亞硝基環(huán)己基二聚體的13C NMR譜Fig.8 13C NMR spectrum of desired product

圖9 亞硝基環(huán)己基二聚體的1H NMR譜Fig.9 1H NMR spectrum of desired product

3 結(jié)論

以SPC-50%H2O2-TAED為氧化劑將環(huán)己胺氧化為N,N′-二環(huán)己基二氮烯-N,N′-二氧化物,收率為98.3%.與文獻(xiàn)報(bào)道的方法相比,本文方法具有以下優(yōu)勢：

1) 避免使用有安全隱患的90%H2O2；

2) 用SPC-50%H2O2-TAED作為組合氧化劑,固體SPC、水、乙酸乙酯用量均減少2/3；

3) 50%H2O2可以少量補(bǔ)充反應(yīng)體系溶解固體SPC需要的水量,同時(shí),因外加過氧化氫和溶劑水量減少,使體系過氧化氫濃度增加了2/3,更利于與TAED生成作為兩相氧化劑過氧乙酸；

4) 因H2O2濃度增加使得TAED的投入量減少了2/5.該法原料易得,工藝條件溫和、收率高.

致謝：本文得到江蘇海洋大學(xué)博士啟動(dòng)基金(KQ16001)項(xiàng)目的資助，在此表示感謝.