一種黑色可逆熱致變色染料的合成及表征

鄧嘉倫，邱 黎，劉小成，洪 杰，蔡光威，張 剛，李自勇，李 翔

(華爍科技股份有限公司，湖北 武漢 430074)

可逆熱致變色是指一種顏色在加熱升溫時(shí)變?yōu)榱硪环N顏色，冷卻后又變?yōu)樵蓄伾玔1-2]，具有這類性質(zhì)的染料稱為可逆熱致變色染料，通常稱之為“隱性染料”、“智能染料”。其變色機(jī)理為通過(guò)溫度不同而致使分子間電子轉(zhuǎn)移來(lái)實(shí)現(xiàn)顏色變化，即熱致變色材料的光譜性質(zhì)發(fā)生可逆性變化[3-8]。該類化合物廣泛應(yīng)用于熒光探針、分子生物學(xué)、單分子檢測(cè)、防偽、紡織等領(lǐng)域[9-14]。通常與電子給予體、溶劑等物質(zhì)進(jìn)行復(fù)配制成微膠囊作為商品銷售[15-18]。

2′-(2-氯苯氨基)-6′-二丁氨基熒烷(Ⅰ)是一種黑色可逆熱致變色染料， CAS No.82137-81-3，分子式為C34H33ClN2O3。作者以鄰氯苯胺、對(duì)苯二酚為原料，合成2-氯-4-羥基二苯胺(Ⅱ)；以間硝基苯酚為原料，經(jīng)酚羥基保護(hù)、硝基還原、氨基烷基化反應(yīng)、脫保護(hù)、與鄰苯二甲酸酐反應(yīng)合成N,N-二正丁基-4-氨基-2-羥基-2′-甲酸二苯甲酮(Ⅲ)；化合物Ⅱ與化合物Ⅲ反應(yīng)合成目標(biāo)產(chǎn)物Ⅰ，并通過(guò)1HNMR、13CNMR對(duì)目標(biāo)產(chǎn)物Ⅰ進(jìn)行表征。合成路線見(jiàn)圖1。

圖1 2′-(2-氯苯氨基)-6′-二丁氨基熒烷的合成路線Fig.1 Synthetic route of 2′-(2-chloroanilino)-6′-(dibutylamino)fluoran

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 試劑與儀器

對(duì)苯二酚、鄰氯苯胺、磷酸、間硝基苯酚、乙酰氯、碳酸二丁酯、鄰苯二甲酸酐、碳酸銫、碳酸鉀、乙酸乙酯、甲苯、二甲苯、二氯苯、98%濃硫酸，分析純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；乙腈，美國(guó)TEDIA色譜試劑公司。

Agilent 1200型高效液相色譜分析儀;德國(guó)耐馳200 F3差示掃描量熱儀(DSC)；Agilent 400-MR DD2型核磁共振儀(400 MHz)。

1.2 2-氯-4-羥基二苯胺(Ⅱ)的合成

氮?dú)獗Ｗo(hù)下，向500 mL干燥潔凈的四口圓底燒瓶中加入對(duì)苯二酚24.2 g(0.22 mol)、二氯苯120 g、磷酸9 mL(0.13 mol)，緩慢升溫至170 ℃，在此溫度下緩慢滴加鄰氯苯胺25.6 g(0.20 mol)，TLC監(jiān)控反應(yīng)完成(展開(kāi)劑為乙酸乙酯-石油醚，體積比為1∶2);降溫至室溫，將反應(yīng)液加入到100 g水中，分出油相，以水洗滌至中性，油相干燥，減壓脫除溶劑，以乙酸乙酯重結(jié)晶，活性炭脫色，50 ℃下真空干燥，得到化合物Ⅱ36.8 g，收率83.8%，純度99.5%(HPLC)。

1.3 N,N-二正丁基-4-氨基-2-羥基-2′-甲酸二苯甲酮(Ⅲ)的合成

1.3.1 間乙酰氧基苯胺的合成

氮?dú)獗Ｗo(hù)下，向1 000 mL干燥潔凈的四口圓底燒瓶中加入間硝基苯酚118.2 g(0.85 mol)、甲苯400 mL，室溫下滴加乙酰氯69.1 g(0.88 mol)，反應(yīng)完畢后水洗至中性；所得物料轉(zhuǎn)移至1 000 mL氫化反應(yīng)器中，加入20 g鈀炭催化劑，以氮?dú)庵脫Q3次后再以氫氣置換3次，控制料溫30～35 ℃，通入氫氣使反應(yīng)器中壓力維持在0.2～0.3 MPa，反應(yīng)完成，過(guò)濾，回收溶劑得到間乙酰氧基苯胺121.1 g，收率96.6%，純度99.2%(HPLC)。

1.3.2N,N-二正丁基-4-氨基-2-羥基-2′-甲酸二苯甲酮(Ⅲ)的合成

向250 mL干燥潔凈的壓力反應(yīng)器中加入間乙酰氧基苯胺15.1 g(0.10 mol)、碳酸二丁酯87.1 g(0.50 mol)、碳酸銫0.6 g，投料完畢以氮?dú)庵脫Q3次，開(kāi)始緩慢升溫至150 ℃，控制壓力2 MPa左右，反應(yīng)完畢；降溫至室溫，過(guò)濾，母液減壓回收溶劑后加入45 g水、6 g氫氧化鈉，回流反應(yīng)1 h，降溫至20 ℃，以濃度為6%的鹽酸溶液調(diào)節(jié)pH值至3，靜置分出油相，以飽和食鹽水洗滌至中性，干燥；所得油相加入到干燥潔凈的250 mL圓底燒瓶中，氮?dú)獗Ｗo(hù)，加入鄰苯二甲酸酐20.8 g(0.12 mol)、二甲苯80 mL，緩慢加熱至130 ℃，反應(yīng)完畢，降溫至0 ℃過(guò)濾，濾餅以正丁醇重結(jié)晶，得到化合物Ⅲ 28.1 g，收率75.8%，純度99.0%(HPLC)。

1.4 2′-(2-氯苯氨基)-6′-二丁氨基熒烷(Ⅰ)的合成

氮?dú)獗Ｗo(hù)下，向250 mL干燥潔凈的四口圓底燒瓶中加入98%濃硫酸23.0 g(0.45 mol)，室溫下加入化合物Ⅱ11.0 g(50.0 mmol)、化合物Ⅲ18.5 g(50.0 mmol)，升溫至60 ℃，以TLC監(jiān)控反應(yīng)完畢，降溫至20 ℃；將反應(yīng)液緩慢倒入100 mL冰水中，劇烈攪拌，過(guò)濾，濾餅以清水洗滌至中性，加入5倍量95%乙醇重結(jié)晶，活性炭脫色，于50 ℃下真空干燥，得到白色結(jié)晶化合物Ⅰ25.3 g，收率91.5%，純度99.54%(HPLC)。

1.5 2′-(2-氯苯氨基)-6′-二丁氨基熒烷的表征

HPLC測(cè)試：Chemstation色譜工作站，VVD型紫外檢測(cè)儀，色譜柱XDB-C18(150 mm×4.6 mm，5 μm)；柱溫25 ℃；流動(dòng)相100%乙腈，流速1.2 mL·min-1；紫外檢測(cè)波長(zhǎng)254 nm；運(yùn)行時(shí)間20 min。

差示掃描量熱(DSC)測(cè)試：稱取樣品5 mg，氣氛為氮?dú)?，升溫區(qū)間40～300 ℃，升溫速率10 ℃·min-1。

核磁共振氫譜(1HNMR)和碳譜(13CNMR)測(cè)試：稱取樣品約5 mg(覆蓋滿核磁管底部)，用氘代試劑CDCl3溶解樣品，共振頻率400 MHz。

2 結(jié)果與討論

2.1 合成工藝優(yōu)化

2′-(2-氯苯氨基)-6′-二丁氨基熒烷的合成分3步進(jìn)行，分別對(duì)每一步反應(yīng)的關(guān)鍵步驟進(jìn)行優(yōu)化。

2.1.1 化合物Ⅱ的合成優(yōu)化

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在合成化合物Ⅱ的過(guò)程中溶劑極性及反應(yīng)溫度是影響反應(yīng)進(jìn)度的關(guān)鍵因素。在對(duì)苯二酚及鄰氯苯胺的投料量不變、升溫至一定溫度反應(yīng)10 h條件下，考察不同溶劑對(duì)化合物Ⅱ合成的影響，結(jié)果見(jiàn)表1。

由表1可知，溶劑的極性及反應(yīng)溫度對(duì)反應(yīng)影響較大。當(dāng)溶劑為甲苯、二甲苯時(shí)，反應(yīng)極少或少量；當(dāng)溶劑為鄰乙基甲苯、石蠟時(shí)，反應(yīng)不充分，雜質(zhì)多；當(dāng)溶劑為氯苯時(shí)，反應(yīng)一半；當(dāng)溶劑為二氯苯時(shí)，反應(yīng)充分，雜質(zhì)少。因此，最優(yōu)反應(yīng)條件選擇溶劑為二氯苯、反應(yīng)溫度170 ℃。

表1 溶劑對(duì)化合物Ⅱ合成的影響

2.1.2 化合物Ⅲ的合成優(yōu)化

合成化合物Ⅲ時(shí)合成間乙酰氧基苯胺是關(guān)鍵步驟。以間硝基苯酚為原料，經(jīng)酚羥基保護(hù)、硝基還原，在氫化反應(yīng)器中得到間乙酰氧基苯胺。氫氣壓力對(duì)反應(yīng)時(shí)間的影響見(jiàn)表2。

表2 氫氣壓力對(duì)反應(yīng)時(shí)間的影響

由表2可知，當(dāng)氫氣壓力增大時(shí)，反應(yīng)時(shí)間縮短，但當(dāng)壓力上升到一定值后對(duì)反應(yīng)時(shí)間的影響較小。綜合考慮，最優(yōu)氫氣壓力應(yīng)控制在0.2～0.3 MPa。

化合物Ⅲ的合成中，選擇不同的堿進(jìn)行單一變量實(shí)驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 不同堿對(duì)化合物Ⅲ收率的影響

由表3可知，碳酸銫相對(duì)于其它無(wú)機(jī)堿如碳酸鉀、氫氧化鈉或有機(jī)堿乙酸鈉、三乙胺等，表現(xiàn)出了非常明顯的活性。因此，最優(yōu)堿選擇碳酸銫。

2.1.3 化合物Ⅰ的合成優(yōu)化

目標(biāo)產(chǎn)物2′-(2-氯苯氨基)-6′-二丁氨基熒烷的合成中濃硫酸的用量既要保證脫水環(huán)合反應(yīng)順利進(jìn)行，又要避免濃硫酸加入過(guò)多導(dǎo)致的后處理廢水量增加。以單一變量實(shí)驗(yàn)研究濃硫酸用量對(duì)化合物Ⅰ收率的影響，結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 濃硫酸用量對(duì)化合物Ⅰ收率的影響Fig.2 Effect of dosage of concentrated sulfuric acid on yield of compound Ⅰ

由圖2可知，隨著n(濃硫酸)∶n(化合物Ⅱ)的增大，化合物Ⅰ收率升高，當(dāng)n(濃硫酸)∶n(化合物Ⅱ)增大至9∶1后，化合物Ⅰ收率變化不大。因此，選擇濃硫酸用量為化合物Ⅱ的9倍(物質(zhì)的量)。

2.2 2′-(2-氯苯氨基)-6′-二丁氨基熒烷(Ⅰ)的表征

2.2.1 HPLC分析(圖3)

圖3 化合物Ⅰ的HPLC圖譜Fig.3 HPLC spectrum of compound Ⅰ

由圖3可知，化合物Ⅰ的出峰時(shí)間為9.988 min。HPLC積分計(jì)算可知，化合物Ⅰ的純度為99.54%。

2.2.2 DSC分析(圖4)

由圖4分析，化合物Ⅰ的熔程為180.5～182.5 ℃，性質(zhì)穩(wěn)定。

2.2.31HNMR分析(圖5)

由圖5可知，化合物Ⅰ的1HNMR(400 MHz，CDCl3)圖譜中的化學(xué)位移、出峰情況、氫原子數(shù)目及對(duì)應(yīng)歸屬為:δ0.96～1.00(6H,t)處的三重峰、δ1.35～1.41(4H,dd)及δ1.59～1.62(4H,dd)處的二重峰分別為甲基和亞甲基質(zhì)子的共振信號(hào)峰;δ3.28～

圖4 化合物Ⅰ的DSC曲線Fig.4 DSC curve of compound Ⅰ

圖5 化合物Ⅰ的核磁共振氫譜Fig.5 1HNMR spectrum of compound Ⅰ

3.32(4H,m)處的單峰為連接N原子的亞甲基信號(hào)峰，說(shuō)明有兩個(gè)連接著N原子的丁基基團(tuán)；δ5.95(1H,s)處的單峰為-NH的活潑質(zhì)子氫的特征峰；δ6.37～6.39(1H,dd)、δ6.47(1H,d)、δ6.57～6.62(2H,dd)、δ6.71(1H,m)、δ6.91～6.93(1H,dd)、δ6.93～7.00(1H,dd)、δ7.24～7.28(4H,m)、δ7.59～7.61(1H,dd)、δ7.65～7.67(1H,dd)、δ8.00～8.01(1H,m)處均歸屬于苯環(huán)質(zhì)子的系列信號(hào)峰；δ7.26處為溶劑CDCl3的信號(hào)峰。

2.2.413CNMR分析(圖6)

由圖6可知，化合物Ⅰ的13CNMR(400 MHz，CDCl3)圖譜中的化學(xué)位移，δ14.05(s)、δ20.34(s)、δ29.36(s)、δ50.83(s)處為脂肪鏈碳原子(伯碳原子、叔碳原子)的特征信號(hào)峰，且連接有一個(gè)雜原子；δ84.02(s)處為叔碳原子的信號(hào)峰；δ97.60(s)、δ104.43(s)、δ108.54(s)、δ114.15(s)、δ118.04(s)、δ119.92(s)、δ120.33(s)、δ120.59(s)、δ120.66(d)、δ127.44(s)、δ128.83(s)、δ129.63(s)、δ134.42(s)處為苯環(huán)上無(wú)取代基的碳原子信號(hào)峰；δ136.91(s)、δ140.77(s)、δ147.97(s)、δ150.10(s)、δ152.89(s)、δ153.13(s)處為苯環(huán)上有雜原子(如N、O、Cl等)取代基的碳原子信號(hào)峰；δ169.51(s)處為羰基的不飽和碳信號(hào)峰；δ77.0處的三重峰為溶劑CDCl3的信號(hào)峰。

圖6 化合物Ⅰ的核磁共振碳譜Fig.6 13CNMR spectrum of compound Ⅰ

3 結(jié)論

以鄰氯苯胺、對(duì)苯二酚為原料，合成2-氯-4-羥基二苯胺(Ⅱ)的最優(yōu)反應(yīng)條件：溶劑為二氯苯、反應(yīng)溫度170 ℃。以間硝基苯酚為原料，經(jīng)酚羥基保護(hù)、硝基還原、氨基烷基化反應(yīng)、脫保護(hù)、與鄰苯二甲酸酐反應(yīng)合成N,N-二正丁基-4-氨基-2-羥基-2′-甲酸二苯甲酮(Ⅲ)的最優(yōu)反應(yīng)條件：氫氣壓力為0.2～0.3 MPa，堿為碳酸銫?；衔铫蚺c化合物Ⅲ反應(yīng)合成目標(biāo)產(chǎn)物2′-(2-氯苯氨基)-6′-二丁氨基熒烷(Ⅰ)的最優(yōu)反應(yīng)條件：濃硫酸用量為化合物Ⅱ的9倍(物質(zhì)的量)。以最優(yōu)工藝條件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，得到黑色可逆熱致變色染料化合物Ⅰ，總收率56.2%，純度99.54%(HPLC)，其結(jié)構(gòu)經(jīng)1HNMR、13CNMR證實(shí)。