彭永利，魏 夢

武漢工程大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢 430074

0 引 言

酰氯是一類非常重要羧酸衍生物，在有機(jī)合成、醫(yī)藥、資源環(huán)境等方面有著廣泛的應(yīng)用.主要可以發(fā)生水解、醇解、氨(胺)解、與有機(jī)金屬試劑反應(yīng)、還原反應(yīng)、α氫鹵化等多種反應(yīng).并且酰氯常?？梢杂脕硖鎿Q羧酸參與反應(yīng)，使原本不能發(fā)生或進(jìn)行相當(dāng)緩慢的反應(yīng)，其產(chǎn)率與活性都大大提高，是最活潑的酰基化試劑.其極限結(jié)構(gòu)的共振雜化體[1]如下式：

酰氯分子正是由于上面所示的共振效應(yīng)，加強(qiáng)了去離子基團(tuán)的離去能力，受到的穩(wěn)定作用很小，很容易與其他物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，從而導(dǎo)致酰氯性質(zhì)活潑，成為較活潑的酰化試劑[2].

制備酰氯最常用的方法有用SOCl2，三氯化磷，三光氣等.其中，氯化亞砜法在實(shí)驗(yàn)室最為常見.早期應(yīng)用最多的也是氯化亞砜來制得酰氯化合物[3],其具有反應(yīng)條件溫和、副產(chǎn)物為氣體無需去雜質(zhì)、產(chǎn)物純度與產(chǎn)率高等多處優(yōu)勢，使得其在科研和工業(yè)上應(yīng)用廣泛，被國內(nèi)外皆沿用至今.

偏苯三酸酐酰氯，一種白色晶體，熔點(diǎn)為64～67 ℃，沸點(diǎn)128～132 ℃，易水解醇解，存放于干燥密封環(huán)境下，略有刺激性酸味.它是眾多酰氯化合物中很重要且常用的一種，也是有機(jī)合成中常用的化學(xué)工業(yè)品和很好的合成中間體，其生產(chǎn)的難易、質(zhì)量的優(yōu)劣直接影響到產(chǎn)物的品質(zhì).國內(nèi)外有關(guān)偏苯三酸酐酰氯的合成方法雖然已有較多的相關(guān)報(bào)道，但大多收率較低，耗時長和反應(yīng)條件較為苛刻，而且存在安全性和環(huán)境問題.所以，選擇一種既高效又進(jìn)步的合成方法及工藝尤為重要.

本研究以上述SOCl2的?；頌槔碚摶A(chǔ)，從藥品價格、反應(yīng)條件、副產(chǎn)物的生成、收率、環(huán)境污染程度等多方面考慮選擇使用氯化亞砜作?；瘎﹣砗铣蒚MAC，運(yùn)用多組正交實(shí)驗(yàn)進(jìn)行研究探討，得到一種較優(yōu)的合成工藝.

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

偏苯三酸酐(TMA)，黃山市泰達(dá)化工有限公司生產(chǎn)，工業(yè)品；氯化亞礬SOCl2溶液，天津市富晨化學(xué)試劑廠生產(chǎn)，分析純，標(biāo)準(zhǔn)品，質(zhì)量分?jǐn)?shù)99.9%，直接使用；二甲基甲酰胺(DMF)，天津市富宇精細(xì)化工有限公司生產(chǎn)，分析純，質(zhì)量分?jǐn)?shù)99%，標(biāo)準(zhǔn)品，直接使用；吡啶，天津博迪化工有限公司生產(chǎn)，分析純，質(zhì)量分?jǐn)?shù)99.5%.Nicolet6700傅里葉紅外光譜儀(美國賽默飛世爾科技公司)；Bruker 400 MHz核磁共振波譜儀(瑞士)；XT-4雙目顯微熔點(diǎn)測定儀.

1.2 TMAC的合成

1.2.1 合成原理 本研究中二甲基甲酰胺(DMF)用作催化劑，吡啶用作縛酸劑.體系中，少量DMF會先與氯化試劑(SOCl2)形成中間體，進(jìn)而被羧酸進(jìn)攻生成酰氯，同時放出DMF，如此循環(huán)催化反應(yīng)；如若加入的DMF太多，則有可能跟產(chǎn)品酰氯結(jié)合，反而影響了后續(xù)反應(yīng)，所以DMF用量必須得控制.吡啶作縛酸劑，一是結(jié)合副產(chǎn)物生成N-?；拎ゆf鹽，加速?；磻?yīng)的進(jìn)行；二是其本身的結(jié)構(gòu)較穩(wěn)定，不會對反應(yīng)物與反應(yīng)液造成不良影響.所以，根據(jù)平衡移動原理，縛酸劑的加入對整個反應(yīng)的進(jìn)行是有利且有必要的.

合成原理圖及反應(yīng)方程式、實(shí)驗(yàn)步驟示意圖分別如圖1～3所示.

圖1 DMF和吡啶的催化機(jī)理

圖2 TMAC合成反應(yīng)原理方程式

如圖2所示，過量吡啶與SOCl2在低溫下成鹽，繼而再與羧酸反應(yīng)生成酰氯.同時，過量吡啶與生成的HCl、SO2酸性產(chǎn)物反應(yīng)生成鹽，起到縛酸劑的作用.

圖3 TMAC合成總反應(yīng)方程式

圖4 反應(yīng)步驟示意圖

1.2.2 合成步驟 將9.6 g TMA(約為0.05 mol)、一定量溶劑苯、29.8 g(約0.25 mol)氯化亞砜投入浸于冷水的裝有冷凝裝置和尾氣吸收裝置的三口燒瓶中，通入冷凝水，開啟磁力攪拌器勻速攪拌，往里滴入1～2滴DMF，此時保證體系溫度在較低溫0～15 ℃；開始緩慢加熱，升至室溫過程中，緩慢滴加4.0 g(約0.05 mol)的吡啶于燒瓶里，約半小時滴加完畢；繼續(xù)升溫至70 ℃并保持，約20 min后開始回流，合成過稱中有煙霧產(chǎn)生、氣泡冒出，混合液中不溶固體原料逐漸溶解，約3.5 h后，混合液中固體物質(zhì)完全溶解，燒瓶中混合液由稠轉(zhuǎn)逐變?yōu)辄S色清液，煙霧、氣泡不再產(chǎn)生；接著繼續(xù)回流2 h，結(jié)束反應(yīng).倒出反應(yīng)所得黃色清液，在約60 ℃左右做減壓旋蒸，蒸出過量溶劑，收集餾分.收集液冷卻后得白色結(jié)晶狀固體，所得固體產(chǎn)物在真空下干燥12 h后即為合成產(chǎn)物：偏苯三酸酐酰氯.

1.3 TMAC的相關(guān)測試與表征

a. 熔點(diǎn)測定.參照J(rèn)JG701-2008“熔點(diǎn)測定儀規(guī)程”，XT-4雙目顯微熔點(diǎn)儀進(jìn)行測定.

b. FT-IR表征.KBr壓片法，于4 000～400 cm-1的掃描范圍內(nèi)，在Impact420型-傅立葉紅外分光光度計(jì)(美國)上進(jìn)行分析.

c. 核磁表征(1HNMR).溶劑DMSO，Bruker 400 MHz固體核磁儀(瑞士).

2 結(jié)果與討論

2.1 各合成工藝條件的討論

在探索最佳實(shí)驗(yàn)工藝條件的過程中，全面試驗(yàn)所需的實(shí)驗(yàn)次數(shù)多，耗時、耗力，其工作量研究者往往很難承受；由于正交試驗(yàn)[5]方法相對更高效，科學(xué)，其布點(diǎn)均衡，試驗(yàn)次數(shù)較少，結(jié)果直觀；且其正交性，使得能更容易分析出各因素的主次效應(yīng).本文中運(yùn)用該法，將反應(yīng)溫度Temp，反應(yīng)時間Time，SOCl2用量Dosage三個因素，以三個水平進(jìn)行優(yōu)劣篩選，以最終產(chǎn)率作為評選指標(biāo)，進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn).影響因素水平如表1所示.

表1 酰氯合成反應(yīng)的水平及影響因素列表

表中“eq”是“當(dāng)量”，指與特定或俗成的數(shù)值相當(dāng)?shù)牧浚疚募粗福号c反應(yīng)物TMA的質(zhì)量比值.

由以上水平因素表所列，設(shè)計(jì)出合適的正交實(shí)驗(yàn)組合，并測得各組產(chǎn)物的產(chǎn)率[6]及熔點(diǎn)，得表2.

表2 TMAC的合成正交試驗(yàn)表

反應(yīng)影響因素的主次程度，能依據(jù)極差大小來判斷確定.極差越大者，則該因素的水平波動對實(shí)驗(yàn)的影響作用越大，因素也就越重要；反之則作用相對次之.從而得到因素的影響程度由大到小為：Temp→Time→SOCl2用量.其中，最大為反應(yīng)溫度Temp，所以其為主要因素，而SOCl2用量影響程度最小，故該因素為不重要因素.

根據(jù)以上兩個表格，做出各個因素在反應(yīng)中，對結(jié)果影響大小的趨勢圖,如圖5所示.

圖5 TMAC合成實(shí)驗(yàn)中各因素對反應(yīng)的影響趨勢

圖5為TMAC合成實(shí)驗(yàn)中各影響因素趨勢圖，由圖可知反應(yīng)溫度和反應(yīng)時間主要因素按照平均值k的大小選取最優(yōu)水平為A2B2，即當(dāng)溫度和時間參數(shù)為70 ℃，7 h的組合時，反應(yīng)條件最優(yōu)；而SOCl2作為次要因素，其量選取在4～6 eq范圍內(nèi)即可.又由以上表可以看到，第4組實(shí)驗(yàn)中，即反應(yīng)三個參數(shù)分別為70 ℃、6 h、和5 eq溶劑用量時，產(chǎn)率最優(yōu)；而按理論最優(yōu)合成條件即反應(yīng)溫度70 ℃、反應(yīng)時間7 h、SOCl2用量5 eq時得到的產(chǎn)率是96.47%，兩者對比，理論條件下結(jié)果的顯然高些.因此得知，溫度為70 ℃、反應(yīng)時長為7 h、SOCl2用量為5 eq時，TMAC的合成反應(yīng)達(dá)到最佳，該組合才是本合成實(shí)驗(yàn)的最優(yōu)組合.

2.2 TMAC的FT-IR分析

圖6為合成工藝反應(yīng)時間7 h、反應(yīng)溫度70 ℃、SOCl2用量5 eq所得TMAC與TMA的FT-IR圖，1 743 cm-1處為—COCl中羰基的伸縮振動峰[9]，1 845 cm-1和1 776 cm-1為酸酐的兩個羰基振動耦合產(chǎn)生的雙峰[3]；1 200～1 300 cm-1處對應(yīng)的酸酐鍵C—O鍵的伸縮振動峰；1 496 cm-1，3 036 cm-1為苯環(huán)的吸收峰；而反應(yīng)原料TMA的FT-IR圖中，1 253.5 cm-1處為C—O—C的伸縮振動峰，917.9 cm-1處強(qiáng)吸收峰為五環(huán)酐的特征峰[11]，在3 200～2 500 cm-1處一個寬而散的峰，且2 500～2 700 cm-1有些許小峰，這是羧酸的特征峰[10]；這些峰在TMAC的圖譜上完全消失.上下兩圖譜的對比：—OH的特征峰完全消失；—COCl的特征峰出現(xiàn)均說明了產(chǎn)物的生成. 由上圖所示的1H NMR圖譜中，很明顯化學(xué)位移為10～12處及其附近是平滑的，沒有出現(xiàn)質(zhì)子峰，而通常，羧酸的羥基氫質(zhì)子峰就出現(xiàn)在這個區(qū)域.所以，原料偏苯三酸酐中的羧基已發(fā)生反應(yīng)從而消失；在σ=7.3～8.5有明顯的三處質(zhì)子峰分別在：7.76、8.13、8.29，這正與TMAC分子結(jié)構(gòu)中的苯環(huán)上三種不同質(zhì)子氫的化學(xué)位移值對應(yīng)吻合.由此可見，被測試的樣品確實(shí)發(fā)生了取代羧酸羥基的反應(yīng).再結(jié)合之前的紅外測試圖譜，進(jìn)一步確實(shí)生成了預(yù)期產(chǎn)物：偏苯三酸酐酰氯的生成(見圖7).

圖6 TMAC和TMA的紅外光譜圖

2.3 與已有方法工藝的比較

與已有文獻(xiàn)中方法比較，有較高產(chǎn)率的同時，此方法合成速率、產(chǎn)品純度明顯提高.分析原因有如下幾點(diǎn)：第一，原文獻(xiàn)中的反應(yīng)溫度用100 ℃是不合理的.氯化亞砜作反應(yīng)物，同時也作溶劑，加熱至60～70 ℃，反應(yīng)不斷產(chǎn)生氣體，待無氣體溢出時反應(yīng)基本完成，再旋蒸除去氯化亞砜即可.溫度無需再升高，若到80 ℃SOCl2沸騰，會干擾反應(yīng)終點(diǎn)的判斷，而且溫度過高，反應(yīng)顏色會變黑；第二，添加藥品時的溫度控制.一般在室溫或低于室溫時加入氯化亞砜，因?yàn)榉磻?yīng)在低溫下并不進(jìn)行，當(dāng)溫度慢慢升至室溫，反應(yīng)開始.若一開始溫度就較高，氯化亞砜此時濃度較大，而較大濃度的SOCl2一并反應(yīng)對反應(yīng)并不利；第三，在催化劑的使用上面，我們將催化劑和縛酸劑同時使用.在已有研究中通常單獨(dú)使用吡啶催化，雖然亦有效可行，但仍存在著一些弊端：①耗時長，反應(yīng)需至少12 h以上；而用DMF做催化劑，吡啶作縛酸劑，不僅加快了反應(yīng)速率，縛酸劑的配合齊用讓反應(yīng)更為徹底，縮短了反應(yīng)時間，得到產(chǎn)品純度更高，后處理時雜質(zhì)處理更方便；②單獨(dú)加吡啶量大，作為雜質(zhì)多余難處理，還會因用量多導(dǎo)致催化速率太快，反應(yīng)放熱不可控；第四，反應(yīng)過程中除過量SOCl2的液體環(huán)境外，再另加溶劑，提高了體系的溶解度參數(shù)，從而大大提高了反應(yīng)效率.

圖7 TMAC的核磁譜圖

3 結(jié) 語

a. 通過正交實(shí)驗(yàn)設(shè)定實(shí)驗(yàn)方案得到了TMAC的最佳合成工藝條件，即反應(yīng)時間7 h、反應(yīng)溫度70 ℃、SOCl2用量5 eq；合成時間大大縮短，效率提高，溶劑和SOCl2的回收操作簡便，而且清除方便徹底；TMAC的平均收率在96.47%.

b. 將原料TMA和所得TMAC固體兩者的FT-IR圖譜作分析比較，確實(shí)了產(chǎn)物就是預(yù)期的偏苯三酸酐酰氯(TMAC)，本實(shí)驗(yàn)的合成工藝條件設(shè)計(jì)是可行的.

致 謝

感謝武漢工程大學(xué)測試中心提供的紅外檢測技術(shù)以及南京工業(yè)大學(xué)提供的核磁測試儀器！

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