馮筱晴,沈 力,王瑞瑞,王彥臣,宋國(guó)強(qiáng)
(1常州大學(xué)制藥與生命科學(xué)學(xué)院,江蘇 常州 213164;2常州市藥品制造與質(zhì)量控制工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 常州213164)
光聚合技術(shù)是 20世紀(jì) 60年代發(fā)展起來具有“5E”特點(diǎn):高效(efficient)、適應(yīng)性廣(enabling)、經(jīng)濟(jì)(economical)、節(jié)能(energy saving)和環(huán)境友好(environmental friendly)的一種新型材料表面加工技術(shù)。光產(chǎn)堿劑(PBG)是繼自由基光引發(fā)劑和光產(chǎn)酸劑之后發(fā)展出的一種光引發(fā)劑,屬于光固化體系中的關(guān)鍵組分,基于其良好的抗氧阻性和抗基板腐蝕性,在微電子行業(yè)和高端表漆中得到廣泛的應(yīng)用[1-4]。新型取代芐基脒類光產(chǎn)堿劑以1, 8-二氮雜雙環(huán)(5, 4, 0)-7-十一烯(DBU)這種雙脒環(huán)類化合物為結(jié)構(gòu)主體,光解后釋放強(qiáng)堿DBU,引發(fā)效率高可催化含有環(huán)氧樹脂或脂肪族異氰酸酯類配方,由此可期待此類PBG擴(kuò)展光聚合配方的應(yīng)用前景,實(shí)現(xiàn)DBU的應(yīng)用價(jià)值提升[5-7]。
目前文獻(xiàn)報(bào)道的 DBU的合成方法主要有氮丙啶-內(nèi)酰胺法、內(nèi)酰胺-丙烯腈霍夫曼反應(yīng)法、內(nèi)酯-烯化二胺法等,相對(duì)于內(nèi)酰胺-丙烯腈加氫環(huán)合法,前3種方法原料價(jià)格較高,反應(yīng)條件苛刻,總收率較低且研究報(bào)道較少[8-12]。本工作重點(diǎn)研究?jī)?nèi)酰胺-丙烯腈加氫環(huán)合制備工藝,通過對(duì)反應(yīng)溫度、催化劑用量、投料比等影響因素的考察,改進(jìn)工藝以較高收率和純度得到DBU。此工藝分為3個(gè)步驟:①由ε-己內(nèi)酰胺和丙烯腈合成N-(β-氰乙基)-ε-己內(nèi)酰胺(CEC,Ⅰa);②將CEC催化加氫合成N-(γ-氨基丙基)-ε-己內(nèi)酰胺(APC,Ⅰb);③APC脫水環(huán)化、減壓蒸餾,即可得DBU(Ⅰc)[12-13]。DBU的合成路線見圖1。
再以DBU(Ⅰc)為原料,分別和5種取代基氯化芐經(jīng)過先取代成氯鹽再還原的方法,合成5種取代芐基脒類光產(chǎn)堿劑Ⅱa、Ⅱb、Ⅱc、Ⅱd和Ⅱe。分別考察不同溶劑,不同溫度及原料投料比對(duì)兩步反應(yīng)的影響。研究表明:此合成工藝,第一步成鹽收率高,第二步采用氫化鋰鋁為還原劑還原活性強(qiáng),操作簡(jiǎn)單,可高純度高收率地得到5種取代芐基脒類光產(chǎn)堿劑,為此系列PBG的合成作為參考[14-15]。PBGs的合成路線見圖2。
圖1 DBU的合成路線
圖2 取代芐基DBU類光產(chǎn)堿劑的合成路線
Bruker DRX 500MHz核磁共振儀(德國(guó)Bruker公司),溶劑為DCCl3;GC-2010型氣相色譜儀(日本島津);Agilent 1260型液相色譜儀(美國(guó)安捷倫公司)。
ε-己內(nèi)酰胺、丙烯腈、對(duì)苯二酚、對(duì)甲苯磺酸、二甲苯、氯芐、4-氯代氯芐、4-硝基氯芐、3-甲氧基氯芐、4-甲氧基氯芐等均為分析純級(jí)試劑,鎳、甲苯、THF、二氯甲烷、甲醇、氫氧化鉀、氫化鋰鋁、無水硫酸鎂等均為工業(yè)級(jí),含量均≥99.0%。
液相色譜:Shim-pack CLC-ODS 6.0 mm× 150 mm、1.0 mL/min流速、柱溫25 ℃、流動(dòng)相90%甲醇/水、檢測(cè)波長(zhǎng)254 nm。
氣相色譜:AC-1、FID1檢測(cè)器,溫度250 ℃、SPL1溫度280 ℃、柱箱溫度210 ℃、總流量51.5 mL/min、柱流量1.21 mL/min、壓力150.0 kPa、分流比39.0、氮?dú)廨d氣。
1.3.1N-(β-氰乙基)-ε-己內(nèi)酰胺(Ⅰa)的合成
向250 mL帶機(jī)械攪拌的反應(yīng)瓶中投入22.6 g(0.20 mol)ε-己內(nèi)酰胺,120 mL甲苯為溶劑,再加入0.56 g(0.01 mol)氫氧化鉀。在恒壓漏斗中放入16.9 g(0.24 mol)丙烯腈和少量對(duì)苯二酚,待ε-己內(nèi)酰胺融化時(shí)滴加丙烯腈,20 min內(nèi)滴完,油浴控制反應(yīng)溫度在70 ℃左右,保溫反應(yīng)24 h,停止反應(yīng),有機(jī)相水洗至中性,無水MgSO4干燥,過濾,旋蒸除去溶劑,減壓蒸餾得產(chǎn)品34.0 g,收率98.1%,純度97.8%。
1.3.2N-(γ-氨基丙基)-ε-己內(nèi)酰胺(Ⅰb)的合成
取 30 g(0.18 mol)N-(β-氰乙基)-ε-己內(nèi)酰胺加入高壓釜中,250 mL無水甲醇為溶劑,再加入30 g鎳,通入氫氣,保持釜內(nèi)壓力2 MPa,攪拌機(jī)轉(zhuǎn)速450 r/min,保持溫度80~100 ℃反應(yīng)5 h。后處理:將反應(yīng)料液抽濾除去鎳,干燥,旋蒸得到產(chǎn)品27.9 g,收率91.1%,純度98.0%。
1.3.3 APC成環(huán)反應(yīng)
向250 mL帶機(jī)械攪拌的反應(yīng)瓶中投入20.0 g(0.12 mol)N-(γ-氨基丙基)-ε-己內(nèi)酰胺(APC)和1.03 g對(duì)甲基苯磺酸,120 mL二甲苯為溶劑,油浴控溫150~160 ℃反應(yīng)8 h,停止反應(yīng),向燒瓶中加入少量水停止反應(yīng),有機(jī)相水洗至中性,無水MgSO4干燥,過濾,減壓旋蒸除去溶劑得產(chǎn)品17.4 g,收率91.4%,純度大于95.4%。
Ⅰc的1HNMR(CDCl3,500MHz):δ為3.295~3.273(2H, t,—CH2);3.231~3.186(4H, m,—CH2);2.417~2.397(2H, t, —CH2);1.825~1.778(2H, m, —CH2);1.670~1.661(4H, m, —CH2);1.655~1.576(2H, m, —CH2),LC-MS MS(m/z)為 152[M]+。
1.4.1 取代合成氯鹽反應(yīng)
在帶攪拌的 100 mL四口燒瓶中,稱取 4.0 g DBU,加入50 mL甲苯,室溫下攪拌。取3.5 g氯芐,以20 mL甲苯溶解,轉(zhuǎn)移至25 mL的恒壓滴液漏斗內(nèi),約30 min滴完,升溫至 90 ℃,反應(yīng)6 h,抽濾,濾餅用新鮮甲苯洗滌,除去溶劑得白色固體季胺鹽7.2 g。
1.4.2 亞胺還原反應(yīng)
在帶攪拌的100 mL四口燒瓶中,取4.0 g白色固體季胺鹽,加入50 mL無水THF。控溫25 ℃攪拌反應(yīng),稱取0.273 g氫化鋰鋁分批加至燒瓶中,攪拌過夜,薄層層析(TLC)磷鉬酸顯色跟蹤反應(yīng)至原料反應(yīng)完全。后處理:料液溫度降至0 ℃,依次滴加1.0 mL水,1 mL 10%的NaOH水溶液,1.0 mL水,繼續(xù)反應(yīng)1 h。反應(yīng)料液抽濾,收集有機(jī)相,蒸除溶劑,剩余物用乙酸乙酯溶解,少量去離子水洗2~3遍,收集有機(jī)相干燥,過濾,旋蒸得淺黃色油狀液體 2.7 g產(chǎn)品,產(chǎn)率 76.7%,液相分析純度93.2%。
Ⅱa的1H NMR(CDCl3,500MHz):δ為7.365~7.353(1H, d,—C6H5);7.301~7.240(2H, q,—C6H5);7.234~7.221(2H, d, —C6H5);3.828~3.821(2H, d, —CH2);3.107~3.041(1H, m, —N—CH);2.981~2.831(4H, m, —CH2);2.423~2.408(3H, q, —CH2);2.254~2.217(4H, m, —CH2);2.047~1.463(5H, m, —CH2),LC-MS MS(m/z)為 245[M+1]+。
以4-氯代氯化芐和DBU為原料按照1.4節(jié)中的方法合成產(chǎn)品Ⅱb,Ⅱb的1HNMR(CDCl3,500MHz),δ為 7.289~7.249(4H, m, —C6H4);3.853~3.824(2H, d, —N—CH2);3.487~3.345(1H, m, —CH2);3.031~2.924(2H, m, —CH2);2.776~2.642(2H, m, —CH2);2.563~2.518(2H,m, —CH2);2.418~1.236(10H, m, —CH2),LC-MS MS(m/z)為 277[M+1]+。
以4-甲氧氯化芐和DBU為原料按照1.4節(jié)中的方法合成Ⅱc,Ⅱc的1HNMR(CDCl3,500 MHz),δ為 7.262~7.238(2H, t, —C6H4);6.851~6.834(2H, q, —C6H4);3.833~3.792(2H, q, —N—CH2);3.432~3.345(2H, m, —OCH2);3.036~2.921(2H,m, —CH2);2.809~2.784(2H, m, —CH2);2.689~2.635(2H, m, —CH2);2.388~1.391(10H, m,—CH2),LC-MS MS(m/z)為 275[M+1]+。
以3-甲氧氯化芐和DBU為原料按照1.4節(jié)中的方法合成Ⅱd,Ⅱd的1HNMR(CDCl3,500 MHz),δ為 7.278~7.232(1H, t, —C6H4);7.221~7.1-2(1H, t, —C6H4);6.841~6.824(2H, q,—C6H4);3.801~3.792(2H, q,—N—CH2);3.422~3.335(2H,m, —OCH2);3.028~2.897(2H, m,—CH2);2.796~2.763(2H, m,—CH2);2.673~2.583(2H, m,—CH2);2.368~1.372(10H, m,—CH2),LC-MS MS(m/z)為 275[M+1]+。
以4-硝基氯化芐和DBU為原料按照1.4中的方法合成Ⅱe,Ⅱe的1HNMR(CDCl3,500MHz),δ為 8.133~7.262(4H, m,—C6H4);3.975~3.943(2H, d,—CH2);3.238~3.207(2H, d,—CH2);3.118~3.102(2H, q,—N—CH);2.752~1.406(14H,m,—CH2), LC-MS MS(m/z)為 290[M+1]+。
(1)反應(yīng)溫度的選擇 通常情況下較高反應(yīng)溫度有利于ε-己內(nèi)酰胺和丙烯腈反應(yīng),而溫度過高丙烯腈容易發(fā)生自聚,所以反應(yīng)中加入少量對(duì)苯二酚防止發(fā)生聚合[12]??疾煲詺溲趸洖榇呋瘎?,不同反應(yīng)溫度的影響,實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1。
表1 溫度對(duì)反應(yīng)結(jié)果的影響
由表1可以看出:反應(yīng)溫度小于70℃時(shí),隨著反應(yīng)溫度的提高,縮合反應(yīng)收率逐漸提高;當(dāng)反應(yīng)溫度高于70 ℃,反應(yīng)24 h后,雖然原料轉(zhuǎn)化率依然較高,但已產(chǎn)生部分聚合產(chǎn)物,目標(biāo)產(chǎn)物收率降到了 86.1%,同樣反應(yīng)時(shí)間增長(zhǎng)也使得聚合產(chǎn)物迅速增多。綜合考慮,溫度應(yīng)控制在65~70 ℃,反應(yīng)24 h較佳。
(2)投料比的選擇 通過改變投料比,試圖提高縮合反應(yīng)的收率,由于丙烯腈的價(jià)格較便宜,在70℃條件下,通過改變丙烯腈的量來考察反應(yīng),實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2。
表2 投料比對(duì)反應(yīng)結(jié)果的影響
由表2可以看出:70 ℃條件下,隨著丙烯腈的量增加,縮合反應(yīng)收率逐漸提高;當(dāng)ε-己內(nèi)酰胺和丙烯腈的摩爾投料比達(dá)到1∶1.2時(shí),Ⅰa的反應(yīng)收率達(dá)到最高,繼續(xù)增加丙烯腈的量,收率變化幅度不明顯。根據(jù)原料經(jīng)濟(jì)學(xué)原理,最終確定反應(yīng)投料比為1∶1.2。
在高壓釜中以鎳加氫法對(duì) Ⅰa進(jìn)行還原,從而合成N-(γ-氨基丙基)-ε-己內(nèi)酰胺(Ⅰb),控制氫氣量一定情況下,考察不同溫度的影響,實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表3。
表3 溫度對(duì)反應(yīng)結(jié)果的影響
由表3可以看出:在反應(yīng)溫度小于90 ℃時(shí),隨著反應(yīng)溫度的提高,有利于反應(yīng),還原產(chǎn)物Ⅰb收率逐漸提高;當(dāng)溫度高于90 ℃后,反應(yīng)5 h,氣相分析副產(chǎn)物增多,Ⅰb收率反而下降,而當(dāng)反應(yīng)溫度控制在85~90 ℃,反應(yīng)6 h,反應(yīng)收率變化較小。綜合考慮,控制溫度在85~90 ℃反應(yīng)5 h較佳。
(1)反應(yīng)時(shí)間的選擇 以對(duì)甲基苯磺酸為催化劑,二甲苯為溶劑,在高溫下使N-(γ-氨基丙基)-ε-己內(nèi)酰胺(Ⅰb)成環(huán)生成DBU,氣相監(jiān)測(cè),考察反應(yīng)時(shí)間的影響,實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表4。
表4 反應(yīng)時(shí)間對(duì)反應(yīng)結(jié)果的影響
由表4可以看出:隨著反應(yīng)時(shí)間變長(zhǎng),DBU(Ⅰc)的收率逐漸提高,7~8 h后反應(yīng)達(dá)到平衡,綜合考慮反應(yīng)轉(zhuǎn)化率及能耗問題,確定反應(yīng)時(shí)間為7.5 h。
(2)催化劑量的選擇 在150 ℃反應(yīng)7.5 h的條件下,考察催化劑用量對(duì)反應(yīng)的影響,實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表5。
由表5可以看出:在其它條件不變的情況下,增加對(duì)甲基苯磺酸的量,可以提高 DBU的收率,當(dāng)其用量達(dá)到1.6 g時(shí),反應(yīng)收率最高達(dá)到97.3%,繼續(xù)增加時(shí),反應(yīng)趨于平衡,Ⅰc收率增加幅度不明顯,考慮到催化劑用量過多,原料和酸性廢水后處理成本增加,最終確定催化劑用量為1.6 g,相當(dāng)于反應(yīng)底物量的8%。
表5 催化劑量對(duì)反應(yīng)結(jié)果的影響
(1)取代成鹽反應(yīng)溫度的選擇 在甲苯中以等摩爾量的DBU(Ⅰc)和氯芐反應(yīng)生成8-芐基-1,8-二氮雜雙環(huán)[5.4.0]-7-十一烯氯鹽,通常情況下較高反應(yīng)溫度有利于氯鹽生成。考察反應(yīng)溫度的影響,實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表6。
表6 溫度對(duì)反應(yīng)結(jié)果的影響
由表6可以看出:隨著反應(yīng)溫度的升高,氯鹽收率明顯提高,當(dāng)溫度達(dá)到90 ℃反應(yīng)6 h,收率最高達(dá)到 96.3%;繼續(xù)升高溫度直至甲苯回流,液相跟蹤顯示氯芐已經(jīng)反應(yīng)完全,然而氯鹽收率反而下降,由此說明氯芐在較高溫度環(huán)境中不穩(wěn)定,容易分解,不參與氯鹽生成,因此綜合考慮,反應(yīng)溫度應(yīng)控制在90~95 ℃反應(yīng)6 h較佳。
(2)取代成鹽反應(yīng)投料比的選擇 在90 ℃甲苯溶劑中,通過改變投料比,提高成鹽反應(yīng)的收率,實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表7。由表7可以看出:90 ℃條件下,隨著 DBU或氯芐的量增加,成鹽反應(yīng)收率都相應(yīng)提高,當(dāng)摩爾投料比達(dá)到1∶1.05時(shí),氯鹽的反應(yīng)收率達(dá)到 98.7%,繼續(xù)增加氯芐的量,氯鹽收率變化已經(jīng)不明顯,相對(duì)于提高 DBU量得到的反應(yīng)效果較好,原料經(jīng)濟(jì)。因此,最終確定反應(yīng)投料比為1∶1.05。
表7 投料比對(duì)反應(yīng)結(jié)果的影響
(3)亞胺還原反應(yīng)投料比的選擇 以氫化鋁鋰為還原劑在THF中,室溫下將8-芐基-1, 8-二氮雜雙環(huán)[5.4.0]-7-十一烯氯鹽中的亞胺雙鍵還原,考察原料投料比對(duì)反應(yīng)收率的影響,實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表8。
表8 投料比對(duì)反應(yīng)結(jié)果的影響
由表8可以看出:氫化鋁鋰還原性強(qiáng),室溫條件下,隨著還原劑量的增加,亞胺還原反應(yīng)收率相應(yīng)提高;當(dāng)反應(yīng)摩爾投料比達(dá)到1∶0.7時(shí),Ⅱa的反應(yīng)收率達(dá)到 76.7%,繼續(xù)增加還原劑的量,收率變化已經(jīng)不明顯。因此從原料經(jīng)濟(jì)學(xué)考慮,最終確定氯鹽和氫化鋁鋰的反應(yīng)投料比為1∶0.7。
以合成出的DBU(Ⅰc)和4種帶不同取代基團(tuán)的氯化芐為原料,經(jīng)先取代成鹽再還原的方法,成功合成其它4種取代芐基DBU類光產(chǎn)堿劑,通過對(duì)溶劑,成鹽溫度,投料比及其它反應(yīng)條件的考察,得到這4種PBGs的工藝優(yōu)化結(jié)果見表9。
綜上得出結(jié)論:當(dāng)在氯化芐苯環(huán)上取代硝基時(shí)可以明顯增強(qiáng)芐基碳正離子活性,使其與DBU 反應(yīng)成鹽活性增加,反應(yīng)溫度降低,時(shí)間縮短,產(chǎn)率較高;而當(dāng)含有給電子基時(shí),芐基活性相應(yīng)降低,投料比需增加。
(1)通過單因素試驗(yàn)法,得到了目標(biāo)產(chǎn)物Ⅰa,Ⅰb和DBU(Ⅰc)的較佳合成工藝條件為:以ε-己內(nèi)酰胺和丙烯腈在甲苯中合成Ⅰa,溫度對(duì)此縮合反應(yīng)的影響較大,ε-己內(nèi)酰胺和丙烯腈按1∶1.2投料,70 ℃條件下反應(yīng)24 h,Ⅰa收率98.1%,純度大于97.8%;以Ⅰa為原料在85~90℃經(jīng)鈀碳加氫還原5 h得Ⅰb,收率91.1%,純度大于98.0%;以Ⅰb量8%的對(duì)甲苯磺酸催化,反應(yīng)7.5 h得DBU(Ⅰc),收率97.3%,純度大于95%,此工藝得到改進(jìn)。
表9 其它4種PBGs的合成工藝優(yōu)化結(jié)果
(2)以DBU(Ⅰc)和氯化芐為原料(摩爾比為1∶1.1)甲苯為溶劑在90 ℃下反應(yīng)6 h,氯鹽收率近100%,以0.7當(dāng)量的氫化鋁鋰常溫下還原氯鹽得Ⅱa,收率76.7%,純度93.2%。
(3)以DBU(Ⅰc)分別和甲氧基、氯基、硝基取代的氯化芐為原料,選用不同溶劑、投料比、溫度及還原劑量合成Ⅱb、Ⅱc、Ⅱd、Ⅱe,收率均達(dá)到70%以上,提高了DBU的產(chǎn)品附加值。結(jié)果表明:經(jīng)硝基取代的氯芐反應(yīng)活性最高,成鹽反應(yīng)溫度低;以 DBU(Ⅰc)和取代基氯芐經(jīng)先成鹽再還原的方法,可成功合成此類取代芐基 DBU類光產(chǎn)堿劑。此方法原料來源廣泛,操作簡(jiǎn)便,收率相對(duì)較高,純度較好,可為此類化合物的工業(yè)化生產(chǎn)奠定理論基礎(chǔ)。
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