氧雜環(huán)丁烷類化合物的合成及應(yīng)用研究進(jìn)展

黃嘉權(quán)，高爽，袁開宇，蔣镕旭，程曉宇，汪瑾

（合肥工業(yè)大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院，安徽合肥230009）

氧雜環(huán)丁烷是一類四元環(huán)醚化合物，包括單官能度氧雜環(huán)丁烷、雙官能度氧雜環(huán)丁烷及改性氧雜環(huán)丁烷等類型，其環(huán)張力小于三元環(huán)，但由于其堿性較強(qiáng)，即親核性強(qiáng)，因此有著高的反應(yīng)活性，易開環(huán)生成陽離子活性中心，可作為降低粘度的活性稀釋劑加入陽離子聚合體系，作為聚合單體與其他化合物進(jìn)行共聚等?；谘蹼s環(huán)丁烷的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上進(jìn)行化學(xué)修飾，使其獲得不同官能團(tuán)和官能度，從而賦予氧雜環(huán)丁烷衍生物不同的性能特點(diǎn)和用途。此外，氧雜環(huán)丁烷結(jié)構(gòu)自身固有的理化特性，使其在藥物分子設(shè)計方面展現(xiàn)出良好的潛力。本文主要綜述了具有不同官能度的氧雜環(huán)丁烷類化合物的合成方法、性能特點(diǎn)及其相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用研究。

1 氧雜環(huán)丁烷類化合物的合成方法

1.1 單官能度氧雜環(huán)丁烷的制備

工業(yè)上使用三羥甲基丙烷與氯化氫在160℃～200℃反應(yīng)，氯原子取代一到兩個羥基，之后使用氫氧化鈉脫除分子內(nèi)的一分子氯化氫，由此得到3-乙基-3-羥甲基氧雜環(huán)丁烷或3-乙基-3-氯甲基氧雜環(huán)丁烷。如圖1所示。

圖1 工業(yè)制備氧雜環(huán)丁烷化合物的常用方法[4]

目前報道的實(shí)驗(yàn)室合成氧雜環(huán)丁烷結(jié)構(gòu)的方法較少，已有的合成方法均有利弊。

由多元醇與碳酸二酯反應(yīng)制備，即采用多元醇和碳酸二酯在堿性條件下進(jìn)行酯交換反應(yīng)，再在高溫環(huán)境下裂解脫除二氧化碳得到氧雜環(huán)丁烷結(jié)構(gòu)。趙祎寧以三羥甲基丙烷和碳酸二乙酯在碳酸鉀的堿性環(huán)境下發(fā)生酯交換反應(yīng)，生成六元環(huán)內(nèi)酯結(jié)構(gòu)的中間體，然后再在180℃下裂解脫去二氧化碳，制得3-乙基-3-羥甲基氧雜環(huán)丁烷，見圖2。此方法所制得的產(chǎn)物除具有氧雜環(huán)丁烷結(jié)構(gòu)外，還帶有一個羥基，因此可作為前驅(qū)體進(jìn)行修飾，以獲得含有不同官能團(tuán)、官能度的氧雜環(huán)丁烷衍生物。此外，該反應(yīng)原料價格低廉,毒性較小，反應(yīng)條件溫和，故在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)應(yīng)用較為廣泛。

圖2 3-乙基-3-羥甲基氧雜環(huán)丁烷的制備[5]

由羰基化合物與烯烴反應(yīng)制備，該反應(yīng)稱為Paternò-Büchi反應(yīng)（簡稱PB反應(yīng)），即采用羰基化合物與烯烴在光引發(fā)下發(fā)生[2+2]環(huán)加成反應(yīng)，以此得到相對應(yīng)的含氧雜環(huán)丁烷結(jié)構(gòu)的化合物，見圖3。該反應(yīng)因其機(jī)理涉及高能自由基反應(yīng)，致使反應(yīng)位點(diǎn)和產(chǎn)物的立體異構(gòu)選擇性較差，且反應(yīng)條件偏苛刻，故應(yīng)用范圍不廣。

圖3 Paternò-Büchi反應(yīng)[6]

由重氮化合物與2-溴乙醇反應(yīng)制備，該反應(yīng)通過重氮化合物與2-溴乙醇在醋酸銠催化劑存在下反應(yīng)，生成含醚鍵的中間體，再在強(qiáng)堿催化下脫去溴化氫，得到2,2-位取代的氧雜環(huán)丁烷衍生物。通過選用不同的重氮化合物，該種方法能夠以較高產(chǎn)率合成多種帶有不同復(fù)雜取代基的氧雜環(huán)丁烷衍生物。除了改變重氮化合物種類之外，2-溴乙醇也可以帶有取代基，以獲得2、4號位點(diǎn)同時取代的衍生物，見圖4。該反應(yīng)能快速合成新型氧雜環(huán)丁烷衍生物，但催化劑成本較高，目前多用于實(shí)驗(yàn)室新型藥物研發(fā)。

圖4 重氮化合物與2-溴乙醇的反應(yīng)[9]

1.2 雙官能度氧雜環(huán)丁烷的制備

雙官能度氧雜環(huán)丁烷衍生物的合成思路較為單一，主要通過雙官能度的前驅(qū)體，在催化劑存在下與含有氧雜環(huán)丁烷結(jié)構(gòu)的化合物通過交換反應(yīng)實(shí)現(xiàn)連接，以此獲得帶有兩個氧雜環(huán)丁烷結(jié)構(gòu)的衍生物。

萬時策等將3-乙基-3-羥甲基氧雜環(huán)丁烷和1,4-二溴丁烷在氫氧化鉀和四正丁基溴化銨催化下發(fā)生取代反應(yīng)，合成了3,3’-[1,4-丁基雙(氧基亞甲基)]-雙-(3-乙基)氧雜環(huán)丁烷，見圖5。用作陽離子光固化活性單體時，其稀釋性能與多種工業(yè)中常用的稀釋劑相當(dāng)，且污染性更小。

圖5 3,3’-[1,4-丁基雙(氧基亞甲基)]-雙-(3-乙基)氧雜環(huán)丁烷的合成[10]

王士昊等將3-乙基-3-羥甲基氧雜環(huán)丁烷和二苯甲酮四羧酸二酐在四正丁基溴化銨催化下發(fā)生加成反應(yīng)，再與丙烯酸縮水甘油酯發(fā)生加成反應(yīng)，兩個反應(yīng)期間均需以對羥基苯甲醚作為雙鍵阻聚劑，合成了三種含有兩種氧雜環(huán)丁烷結(jié)構(gòu)的化合物（互為同分異構(gòu)體），見圖6。將其用作光敏聚合體系的混雜型單體，與前文單官能度的混雜型單體一樣，該化合物也擁有反應(yīng)速率快、轉(zhuǎn)化率高、產(chǎn)品機(jī)械性能良好等優(yōu)點(diǎn)。

圖6 一種陽離子/自由基雜化單體的合成[11]

Sasaki等通過簡單的制備方法合成了一系列雙官能度的氧雜環(huán)丁烷衍生物。例如，以1,4-雙(溴甲基)苯和3-乙基-3-羥甲基氧雜環(huán)丁烷為原料，在氫氧化鉀和四正丁基溴化銨催化下發(fā)生取代反應(yīng)，合成1,4-雙((3-乙基-3-氧雜環(huán)丁烷基)甲氧基甲基)苯；將1,4-雙(溴甲基)苯替換為1,10-二溴癸烷、1,1-二氯甲基乙烯等其他雙官能度化合物，可合成對應(yīng)的氧雜環(huán)丁烷衍生物，見圖7。相比于擁有相似結(jié)構(gòu)的環(huán)氧化合物，此類化合物擁有更加良好的光敏活性，能在紫外輻照下快速進(jìn)行陽離子聚合。

圖7 1,4-雙((3-乙基-3-氧雜環(huán)丁烷基)甲氧基甲基)苯的合成[12]

1.3 多官能度氧雜環(huán)丁烷的制備

氧雜環(huán)丁烷衍生物主要為開環(huán)聚合的單官能度單體，或是起到交聯(lián)作用的雙官能度化合物，而多官能度的氧雜環(huán)丁烷衍生物目前報道較少。Zhan等將3-乙基-3-溴甲基氧雜環(huán)丁烷和三羥甲基丙烷單烯丙基醚在氫氧化鉀催化下發(fā)生取代反應(yīng)，合成了一種雙官能度的衍生物，并在氯鉑酸的催化下將其用于聚二甲基硅氧烷的封端，形成了一種多官能度的聚合物，見圖8。將其作為添加劑加入陽離子光敏聚合體系，提高了材料的疏水性，降低了玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，同時在該添加劑用量適當(dāng)?shù)那闆r下，可以提高材料的熱穩(wěn)定性。

圖8 一種含硅的氧雜環(huán)丁烷添加劑的合成[13]

Hatanaka將3-乙基-3-羥甲基氧雜環(huán)丁烷和2-(3,4-環(huán)氧環(huán)己基)乙基三甲氧基硅烷混合加熱進(jìn)行取代反應(yīng)，合成了一種三官能度的衍生物，見圖9。因該化合物擁有脂環(huán)環(huán)氧結(jié)構(gòu)和多個氧雜環(huán)丁烷結(jié)構(gòu)，其在陽離子光聚合中具有協(xié)同作用，使得多種陽離子光聚合反應(yīng)活性提高，預(yù)期可應(yīng)用于涂料、粘合劑和預(yù)浸料用基體樹脂等工業(yè)領(lǐng)域中。

圖9 一種含脂環(huán)環(huán)氧的氧雜環(huán)丁烷化合物的合成[14]

1.4 改性氧雜環(huán)丁烷的制備

氧雜環(huán)丁烷的改性主要是以前驅(qū)體為基礎(chǔ)，由目標(biāo)功能作為導(dǎo)向，利用已有官能團(tuán)進(jìn)行定向設(shè)計和改造修飾，具有目標(biāo)導(dǎo)向性強(qiáng)，可操作空間寬泛，改造效果明顯等優(yōu)點(diǎn)。此外，還可以利用氧雜環(huán)丁烷的四元環(huán)結(jié)構(gòu)本身進(jìn)一步反應(yīng)修飾，如開環(huán)反應(yīng)。

楊宗鑫等通過3-乙基-3-羥甲基氧雜環(huán)丁烷和烯丙基溴在氫氧化鉀的催化下發(fā)生取代反應(yīng)，再與三乙氧基硅烷在Karstedt催化劑作用下發(fā)生加成反應(yīng)，無氧條件下合成了一種氧雜環(huán)丁烷基硅烷偶聯(lián)劑，見圖10。將其應(yīng)用于陽離子光敏聚合體系，不僅可以起到良好的偶聯(lián)作用，且能參與光聚合反應(yīng)，避免了化合物的析出，極大保證了所得材料的綜合性能不受影響。

圖10 一種氧雜環(huán)丁烷基硅烷偶聯(lián)劑的合成[16]

張娜將3-乙基-3-羥甲基氧雜環(huán)丁烷分別和不同種類的酸酐在四正丁基溴化銨的催化下發(fā)生加成反應(yīng)，再與甲基丙烯酸縮水甘油醚進(jìn)行開環(huán)加成，合成了三種氧雜環(huán)丁烷單官能度單體，見圖11。它們各自含有氧雜環(huán)丁烷結(jié)構(gòu)和甲基丙烯酸酯雙鍵，該結(jié)構(gòu)的設(shè)計使得其可同時進(jìn)行陽離子光聚合和自由基光聚合。比起將兩種各自聚合機(jī)理不同的單體簡單機(jī)械混合，該種單體可進(jìn)一步提高體系固化程度，且抗氧阻聚性能也更加優(yōu)秀。

圖11 一種陽離子/自由基雜化單體的合成[17]

Fang等將3-乙基-3-羥甲基氧雜環(huán)丁烷和全氟苯在氫化鈉的催化下發(fā)生取代反應(yīng)，再分別與數(shù)種全氟化醇進(jìn)行取代反應(yīng)，合成了一類含氟的芳香族氧雜環(huán)丁烷單官能度單體，見圖12。將其應(yīng)用于陽離子光敏聚合體系，該類單體表現(xiàn)出了低粘度和良好的熱穩(wěn)定性，同時所得的聚合物材料展現(xiàn)出優(yōu)良的疏水疏油性能及較低的表面能。

圖12 一種含氟芳香氧雜環(huán)丁烷單體的合成[18]

Matsumoto等將3-乙基-3-羥甲基氧雜環(huán)丁烷的羥基進(jìn)行氯代后，與1-乙基咪唑加熱發(fā)生取代反應(yīng)后，再和雙三氟甲烷磺酰亞胺鋰交換離子，合成了一種含有咪唑環(huán)的離子液體單體，見圖13。將其通過陽離子開環(huán)聚合后，聚合物顯示出了較優(yōu)良的熱穩(wěn)定性、較低的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度、良好的離子傳導(dǎo)性，預(yù)期可用作電化學(xué)裝置中的新型聚合物電解質(zhì)。

圖13 一種含氧雜環(huán)丁烷結(jié)構(gòu)的離子液體的合成[19]

2 氧雜環(huán)丁烷衍生物的應(yīng)用

單官能度的氧雜環(huán)丁烷衍生物主要用于開環(huán)聚合來制備新型的功能材料，或是用于材料的改性。而多官能度的氧雜環(huán)丁烷衍生物則多為單官能度氧雜環(huán)丁烷衍生物與已有的多官能度化合物反應(yīng)連接而得，除了用于改善已有材料的性質(zhì)，還常用于制備含有大量活性官能團(tuán)、支化或交聯(lián)的聚合物。

張明權(quán)等以3,3-二氯甲基氧雜環(huán)丁烷為起始原料，依次通過胺化、酯化、氟化反應(yīng)，合成了3,3-雙(二氟氨甲基)氧雜環(huán)丁烷。該化合物化學(xué)穩(wěn)定性好，燃燒熱高，可與多種其他氧雜環(huán)丁烷類單體陽離子聚合，制備出不同性能的高能固體推進(jìn)劑用粘合劑。Chen等將3,3-雙(羥甲基)氧雜環(huán)丁烷與3-乙基-3-羥甲基氧雜環(huán)丁烷進(jìn)行陽離子開環(huán)共聚，得到了不同支化程度的聚合物，3,3-雙(羥甲基)氧雜環(huán)丁烷使用的量越多，共聚物支化程度越高，由此可以通過調(diào)整反應(yīng)物的配比方便快捷地制備不同支化程度的多羥基高聚物。這對于通過調(diào)控支化程度改變高分子材料的性能提供了一種思路。Christ等在3,3-雙(羥甲基)氧雜環(huán)丁烷的一個羥基上用醚鍵連接烷基，再通過陽離子聚合形成超支化聚醚多元醇材料，隨著烷基碳原子個數(shù)的改變，可以調(diào)節(jié)材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度和溶解度。預(yù)期通過采用其他取代基替代該烷基，可快速制備具有不同功能的支化聚合物材料。Christ等將3,3-雙(羥甲基)氧雜環(huán)丁烷與縮水甘油進(jìn)行陽離子開環(huán)聚合，制備了一種含有大量伯羥基的超支化聚醚共聚物材料，其展現(xiàn)出了良好的水溶性與優(yōu)異的生物相容性，預(yù)期可以通過進(jìn)一步的修飾成為高效的藥物載體。Chen等將3,3′-(氧基雙亞甲基)雙(3-乙基)氧雜環(huán)丁烷與環(huán)氧化修飾的二甲基硅氧烷低聚物在紫外輻射下陽離子共聚，制備出一種高模量、耐沖擊、防水、防污性能優(yōu)異，且對環(huán)境友好的材料，預(yù)期可用作船舶的防海洋生物附著涂料。

3 發(fā)展前景

從合成工藝來看，應(yīng)選擇腐蝕性小的反應(yīng)物，貫徹綠色化學(xué)的環(huán)保理念，進(jìn)一步拓展氧雜環(huán)丁烷類化合物在光聚合體系的應(yīng)用，其特別符合光敏3D打印成型技術(shù)的需求，可以充分利用其體系聚合不受氧阻聚影響、附著力強(qiáng)、粘度低、材料成型體積收縮率小等優(yōu)點(diǎn)。此外，利用氧雜環(huán)丁烷的氧原子易與金屬離子生成配位鍵可改善有機(jī)藥物分子的水溶性、氧雜環(huán)丁烷的四元環(huán)結(jié)構(gòu)不易參與生化反應(yīng)，可代替藥物中部分過于活潑的羰基等理化特點(diǎn)，為藥物分子設(shè)計拓展思路。