靳清賢, 張悅凝, 丁瑞敏, 柴　瓊

(鄭州輕工業(yè)學(xué)院 材料與化學(xué)工程學(xué)院 河南省表界面科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 鄭州　450001)

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·研究簡(jiǎn)報(bào)·

2,4-二硝基苯磺酰胺的合成工藝改進(jìn)

靳清賢*, 張悅凝, 丁瑞敏, 柴瓊

(鄭州輕工業(yè)學(xué)院 材料與化學(xué)工程學(xué)院 河南省表界面科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 鄭州450001)

摘要：以2,4-二硝基苯胺為原料，依次經(jīng)重氮化和磺化反應(yīng)制得2,4-二硝基苯磺酰氯(3)； 3與氨水反應(yīng)合成了2,4-二硝基苯磺酰胺(4)，其結(jié)構(gòu)經(jīng)1H NMR,13C NMR, EI-MS和元素分析確證。研究了反應(yīng)時(shí)間，反應(yīng)溫度，溶劑，物料比{r[n(氨水)∶n(3)]}和加料次序?qū)?收率的影響。結(jié)果表明：在最佳反應(yīng)條件[THF為溶劑，氨水75 mmol, r=1.5，于10～30 ℃反應(yīng)3 h]下合成4，收率91.3%。

關(guān)鍵詞：2,4-二硝基苯胺; 2,4-二硝基苯磺酰胺; 合成; 工藝優(yōu)化

氨基酸檢測(cè)技術(shù)是蛋白質(zhì)研究的熱點(diǎn)之一。熒光探針技術(shù)因其高靈敏度和高選擇性等優(yōu)點(diǎn)而倍受研究者關(guān)注[1]。目前，已報(bào)導(dǎo)了多種基于化學(xué)反應(yīng)的熒光探針，如Michael加成，醛環(huán)化反應(yīng)和裂解反應(yīng)[2]。其中，通過(guò)在熒光分子內(nèi)引入熒光淬滅劑——2,4-二硝基苯磺酸鹽或2,4-二硝基苯磺酰胺(4)效果較好[3]。因此，4的合成研究具有重要意義。現(xiàn)有方法是將2,4-二硝基苯磺酰氯(3)與氨水混合，冰浴反應(yīng)3 h后過(guò)濾得含有4的混合物[4]。該方法具有步驟較短和成本較低等優(yōu)點(diǎn)，但存在副產(chǎn)物較多和產(chǎn)率較低等缺點(diǎn)。

本文對(duì)文獻(xiàn)[4]方法進(jìn)行了工藝改進(jìn)，以2,4-二硝基苯胺(1)為原料，依次經(jīng)重氮化和磺化反應(yīng)制得3； 3與氨水反應(yīng)合成了4(Scheme 1)，其結(jié)構(gòu)經(jīng)1H NMR,13C NMR, EI-MS和元素分析確證。并研究了反應(yīng)時(shí)間，反應(yīng)溫度，溶劑，物料比{r[n(氨水) ∶n(3)]}和加料次序?qū)?收率的影響。結(jié)果表明：在最佳反應(yīng)條件[THF為溶劑，氨水75 mmol,r=1.5，于10～30 ℃反應(yīng)3 h]下合成4，收率91.3%。

Scheme 1

1實(shí)驗(yàn)部分

1.1儀器與試劑

UV-2550型紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)；Avance-400型核磁共振儀(DMSO-d6為溶劑，TMS為內(nèi)標(biāo))；APEX II型傅立葉變換離子回旋共振質(zhì)譜儀；FLASH EA1112型元素分析儀。

所用試劑均為分析純。

1.2合成

(1) 重氮鹽(2)的合成

在冰鹽浴冷卻的三口燒瓶中加入1 1.83 g(10 mmol)和濃鹽酸50 mL，攪拌使其完全溶解；分批加入亞硝酸鈉1 g(15 mmol)，反應(yīng)1 h得褐色液體2。

(2) 3的合成

攪拌下，在三口燒瓶中加入氯化亞銅0.34 g和醋酸150 mL，通入SO2約1 h，體系由淺藍(lán)色變?yōu)辄S綠色；滴加2，滴畢，反應(yīng)2 h。加水500 mL，分液，水相用二氯甲烷(3×450 mL)萃取，合并有機(jī)層，用水洗滌，無(wú)水硫酸鈉干燥，濃縮，殘余物用混合溶劑[V(乙酸乙酯) ∶V(石油醚)=1 ∶1]重結(jié)晶得黃色晶體3 1.54 g，收率58%;1H NMRδ: 8.91(s, 1H), 8.75(d, 1H), 8.38(d, 1H); GC-MSm/z: 265。

(3) 4的合成

在冰浴冷卻的三口燒瓶中加入3 13 g(50 mmol)和THF 230 mL，攪拌使其完全溶解；于0～5 ℃緩慢滴加25%氨水10 mL(75 mmol)，滴畢，于室溫反應(yīng)3 h(TLC監(jiān)測(cè))。減壓蒸除THF，剩余物加水300 mL，用乙酸乙酯(3×350 mL)萃取，合并有機(jī)層，用無(wú)水硫酸鈉干燥；過(guò)濾，濾液濃縮，殘余物用乙酸乙酯重結(jié)晶得白色晶體4 11 g，收率91.3%;1H NMRδ: 8.89(s, 1H), 8.72(d,J=7.5 Hz, 1H), 8.31(d,J=7.5 Hz, 1H), 8.24(br, 2H);13C NMRδ: 149, 147, 140, 130, 127, 119; EI-MSm/z: 272, 223, 183, 149, 64; Anal.calcd for C6H5N3O6S: C 29.15, H 2.04, N 17.00, S 12.97; found C 28.97, H 2.10, N 16.75, S 12.91。

3不穩(wěn)定，易發(fā)生水解反應(yīng)和SN1取代反應(yīng)，致使收率較低。

用文獻(xiàn)[4]方法合成4(Scheme 2)時(shí)，所得產(chǎn)物主要是1，而4的含量極低。其主要原因在于：以氨水為溶劑，反應(yīng)在兩相中進(jìn)行，反應(yīng)速率變慢，且氨水用量較大，1成為主產(chǎn)物。

Scheme 2

我們改用THF為溶劑，先在冰浴下溶解3，將固-液反應(yīng)轉(zhuǎn)化為液-液反應(yīng)，使反應(yīng)易于進(jìn)行；并通過(guò)控制氨水的滴加速度，減少了副反應(yīng)發(fā)生，提高了4收率。

為進(jìn)一步優(yōu)化4的合成方法，我們分別研究了反應(yīng)時(shí)間，反應(yīng)溫度，溶劑，物料比{r[n(氨水) ∶n(3)]}和加料次序?qū)?收率(Y)的影響。

(1) 反應(yīng)時(shí)間(t)

氨水75 mmol，r=1.5，其余反應(yīng)條件同1.2(3)，考察t對(duì)4收率的影響，結(jié)果見(jiàn)表1。

由表1可知，反應(yīng)時(shí)間為3 h時(shí)，4產(chǎn)率最大(91.3%)。繼續(xù)延長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間，產(chǎn)率反而降低，其可能原因是副反應(yīng)增多，4轉(zhuǎn)化為1。因此最佳反應(yīng)時(shí)間為3 h。

表1　反應(yīng)時(shí)間對(duì)4收率的影響*

*氨水75 mmol，r=1.5，其余反應(yīng)條件同1.2(3)。

(2) 反應(yīng)溫度(T)

氨水75 mmol，r=1.5，反應(yīng)時(shí)間為3 h，其余反應(yīng)條件同1.2(3)，考察T對(duì)4收率的影響，結(jié)果見(jiàn)表2。由表2可知，反應(yīng)溫度較低，4收率較高。溫度升高，4收率有所降低。主要原因在于，反應(yīng)溫度升高，部分3發(fā)生分解反應(yīng)。因此最佳反應(yīng)溫度為10～30 ℃。

表2　反應(yīng)溫度對(duì)4收率的影響*

*氨水75 mmol，r=1.5，反應(yīng)時(shí)間為3 h，其余反應(yīng)條件同表1。

(3) 溶劑

對(duì)SN1反應(yīng)而言，從反應(yīng)物到過(guò)渡態(tài)，體系的極性有所增加[5]。過(guò)渡態(tài)時(shí)，C—Cl已部分?jǐn)嗔?，碳原子帶部分正電荷，氯原子帶部分?fù)電荷，極性溶劑對(duì)過(guò)渡態(tài)的穩(wěn)定化作用要比對(duì)反應(yīng)物的穩(wěn)定化作用更強(qiáng)，故在極性溶劑中過(guò)渡態(tài)能量比在非極性溶劑中有所降低，對(duì)反應(yīng)有利[6]。因此，選擇了幾種常見(jiàn)極性溶劑作反應(yīng)溶劑，考察了溶劑對(duì)4收率的影響，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3　反應(yīng)溶劑對(duì)4收率的影響*

*氨水75 mmol，r=1.5，反應(yīng)時(shí)間為3 h，反應(yīng)溫度為10～30 ℃，其余反應(yīng)條件同表1。

由表3可知，THF為溶劑，4收率最高；水為溶劑，收率最低。其原因可能與溶劑的溶劑化能力和溶解性有關(guān)。如水對(duì)有機(jī)物溶解性較差，二氯甲烷與氨水不能互溶，導(dǎo)致分相。此外，由于DMF可與酰氯發(fā)生分解反應(yīng)，故DMF也不適合作溶劑。因此最佳溶劑為T(mén)HF。

(4)r

氨水75 mmol，反應(yīng)時(shí)間為3 h，反應(yīng)溫度為10～30 ℃，其余反應(yīng)條件同1.2(3)，考察r對(duì)4收率的影響，結(jié)果見(jiàn)表4。

表4　r對(duì)4收率的影響*

*氨水75 mmol，反應(yīng)時(shí)間為3 h，反應(yīng)溫度為10～30 ℃，其余反應(yīng)條件同1.2(3)。

該反應(yīng)為鹵代烴的親核取代反應(yīng)。反應(yīng)中，鹵代烴是反應(yīng)底物，進(jìn)攻試劑是具有未共用電子對(duì)原子的氨分子。在SN1反應(yīng)中，決速階段不涉及親核試劑，故從反應(yīng)動(dòng)力學(xué)角度來(lái)講，只要保證反應(yīng)完全進(jìn)行，氨水用量對(duì)產(chǎn)物收率影響不大。但由表4可知，若r>1.5， 4收率降低，這是由于氨水過(guò)量會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生副產(chǎn)物1。因此最佳r=1.5。

(5) 加料次序

氨水75 mmol，r=1.5，反應(yīng)時(shí)間為3 h，反應(yīng)溫度為10～30 ℃，其余反應(yīng)條件同1.2(3)，考察加料次序?qū)?收率的影響。結(jié)果表明：先加入3所得4的收率(91.3%)高于先加氨水時(shí)4的收率(74.6%)。其原因在于：緩慢加入氨水，可使反應(yīng)底物的濃度始終最大，反應(yīng)速度較快，收率增加。反之，先加入氨水則會(huì)使氨水相對(duì)過(guò)量，生成副產(chǎn)物，產(chǎn)率降低。因此應(yīng)先加入3，再緩慢滴加氨水。

合成4的最佳條件為：THF為溶劑，氨水75 mmol,r=1.5，于10～30 ℃反應(yīng)3 h， 4收率91.3%。

參考文獻(xiàn)

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Process Improvement on Synthesis of 2,4-Dinitrobenzenesulfonamide

JIN Qing-xian*,ZHANG Yue-ning,DING Rui-min,CHAI Qiong

(Henan Provincial Key Laboratory of Surface and Interface Science, School of Material and Chemical Engineering,Zhengzhou University of Light Industry, Zhengzhou 450000, China)

Abstract：2,4-Dinitrobenzene sulfonyl chloride(3) was prepared by diazotization and sulfonation, using 2,4-dinitroaniline as material. 2,4-Dinitrobenzenesulfonamide(4) was synthesized by the reaction of 3 and ammonia. The structure was confirmed by1H NMR,13C NMR, EI-MS and elemental analysis. Effects of reaction time, reaction temperature, solvent, molar ratio{r[n(ammonia)∶n(3)]} and molar sequence on yield of 4 were investigated. The results indicated that the yield of 4 was 91.3% under the optimum condition[THF as solvent, ammonia 75 mmol, r=1.5, reacted at 10～30 ℃ for 3 h].

Keywords：2,4-dinitroaniline; 2,4-dinitrobenzenesulfonamide; synthesis; process improvement

收稿日期：2015-11-01;

修訂日期：2016-03-22

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(21401169); 河南省教育廳科學(xué)技術(shù)研究重點(diǎn)項(xiàng)目基礎(chǔ)研究計(jì)劃(14B150046); 鄭州輕工業(yè)學(xué)院博士科研基金(2013BSJJ020)

作者簡(jiǎn)介：靳清賢(1979-)，男，漢族，河南封丘人，博士，特聘教授，主要從事有機(jī)合成和超分子凝膠的研究。 E-mail： jinqingxian@zzuli.edu.cn

中圖分類號(hào)：O625.61; O625.7

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.15952/j.cnki.cjsc.1005-1511.2016.05.16011