光引发剂9-PA的合成实验研究

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论文摘要

  吖啶类化合物是大环共轭体系,具有刚性平面结构,荧光性能极强,是一类良好的荧光试剂,具有良好的生物活性,广泛应用于化学分析及抗菌、抗疟、驱虫、抗癌等药物领域.9-苯基吖啶( 简称 9-PA) 目前主要应用于光聚合领域,可作为光聚合体系中的光引发剂使用,也可以作为增感剂引发光引发剂进行光聚合。9-苯基吖啶作为光引发剂,是 UV 光固化体系的重要组成部分,它使配方体系在光源照射下,低聚物和活性稀释剂迅速发生交联固化反应,是光固化速率和光固化程度的重要决定因素之一.其作为增感剂,在吸收光能后能发生光物理过程至它的某一激发态后,发生分子内或分子间能量转移,传递至另一分子( 单体或引发剂) 产生初级活性种( 一般是自由基).在这类能量转移机理中,增感剂本身并不消耗或者改变结构,因此,增感剂可以看作是光化学反应的催化剂,其作用在于提高光化学反应的量子效应.

  9-苯基吖啶传统合成路线是伯恩特森法,根据文献[7]方法,以二苯胺为原料,在氯化锌和85% 磷酸组成的复合催化剂的催化作用下,直接与苯甲酸或取代苯甲酸反应,生产 9-苯基吖啶及某些吖啶类化合物。该法由于在高温以及多聚磷酸条件下反应,对反应釜有很大的腐蚀作用,并且产生大量的锌盐固体废渣,对环境有一定的污染。

  根据文献[8]方法,微波法是以二苯胺和苯甲酸为原料,研磨后与催化剂氯化锌混合置于微波炉中高火加热,反应结束用乙酸乙酯将反应物溶解,静置分层后将有机层冷冻析晶,可得到9-苯基吖啶。该方法利用微波辐射进行反应,合成 9-苯基吖啶,并对后处理方式进行了改进。但微波反应在反应过程中存在微波造成原料升华、碳化; 氯化锌作为催化剂有很强的吸水性,容易影响催化效果等缺陷,很难实现工业化生产。

  本课题提供了一条新的制备方法,以 N-苯基邻氨基苯甲酸为起始原料,在酸性条件下生成吖啶酮,同时使用溴苯与镁反应生成格氏试剂,再将吖啶酮与格氏试剂反应生成 9-苯基-9-羟基吖啶,最后经还原得到 9-苯基吖啶。由于在第二步反应中需使用格氏试剂,导致反应条件较为严格,但避免了高温反应,以及金属催化剂的使用。通过对影响产品合成的主要因素的考察,以期为 9-苯基吖啶的合成提供帮助和参考。

  1 实验部分
  
  1. 1 主要仪器与试剂
  DRX 500 型核磁共振仪( 德国 Bruker 公司) ;GC-2010 型气相色谱仪、LC-10ATVP 液相色谱仪、LCMS-2020 液质联用仪( 日本岛津公司) .

  浓硫酸、甲苯、发烟硫酸、乙醇( 工业级,含量均≥99. 0%) ; N-苯基邻氨基苯甲酸、多聚磷酸、溴苯、镁条、四氢呋喃、乙醚、乙酸、醋酐、碘化钾、次亚磷酸钠均为分析纯。

  1. 2 产物分析色谱条件
  实验采用液相分析,均通过面积归一法得出各物质的纯度。

  液相色谱: Shim-pack CLC-ODS 6. 0 mm ×150mm 5 μm、1. 0 mL / min 流速、柱温 25 ℃ 、流动相:90% 甲醇,检测波长 254 nm.

  1. 3 合成方法
  1. 3. 1 吖啶酮的制备【1】
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  将 15 g N-苯基邻氨基苯甲酸加入 250 mL 四口烧瓶中,缓慢加入60 mL 已在60 ℃加热15 min的多聚磷酸作为溶剂,油浴加热至 95 ℃ 开始搅拌,反应 3 h 后停止搅拌,静置冷却。待反应液冷却完全后倒入热水中,再缓慢滴加 10% NaHCO3溶液,调节反应液至中性,抽滤后水洗干燥得淡黄色 产 品,收 率 89. 2%.1HNMR ( DMSO,400MHz) ,δ: 7. 23 ~ 7. 27 ( t,2H,ArH) ; 7. 53 ~ 7. 55( d,2H,ArH) ; 7. 71 ~ 7. 73( d,2H,ArH) ; 8. 22 ~8. 24( t,2H,ArH) ; 11. 73 ( s,1H,-NH-) .MS,m / z: 196[M + 1]+.

  1. 3. 2 9-羟基-9-苯基吖啶( 1) 的制备【2】
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  将镁带打磨光亮,除去表面氧化膜,剪成屑状,向反应器中通入氩气,赶走空气后投入 5. 3 g镁屑,加入40 mL 四氢呋喃和一粒碘,氩气保护下缓慢滴加 12 g 溴苯与 20 mL 四氢呋喃混合溶液,微微振荡或适当加热反应液引发反应,反应采用冰水浴,温度控制在 0 ~5 ℃。搅拌 10 min 左右,碘的颜色逐渐消失,待镁屑反应完全,将生成的格氏试剂用滴管吸出置入滴液漏斗密封冷藏备用。将 10 g 吖啶酮和 50 mL 四氢呋喃加入四口烧瓶,升温至 60 ℃,搅拌至吖啶酮大部分溶于四氢呋喃,降温至 30 ℃ 再缓慢滴加格氏试剂,反应 1 h后停止搅拌。反应结束加大量的水除去四氢呋喃,再用二氯甲烷萃取,静置分液后将有机相旋蒸,所得固体用石油醚重洗涤后抽真空烘干,收率65% .1HNMR ( CDCl3,400 MHz) ,δ: 1. 72 ( s,1H,-OH) ; 6. 59 ~ 7. 41 ( m,13H,ArH ) . MS,m / z: 274[M + 1]+.
  
  1. 3. 3 9-苯基吖啶的制备【3】
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  将 10 g 化合物 1 加入反应瓶中,加入 80 mL乙醇为溶剂,升温至 75 ~ 80 ℃开始搅拌,分批加入 10 g 碘化钾和 20 g 次亚磷酸钠,加完后继续反应 4 h.反 应 结 束 后 将 产 品 滤 出,加 入 5%NaHCO3溶液水洗,调节 pH 至中性,过滤出产品后烘干,产品用甲苯重结晶后抽真空烘干,收率91. 5% .1HNMR ( DMSO,400 MHz ) ,δ: 7. 49 ~7. 68 ( m,9H,ArH ) ; 7. 84 ~ 7. 86 ( t,2H,ArH ) ;8. 21 ~ 8. 24 ( d,2H,ArH ) . MS,m / z: 256[M +1]+.

  2 结果与讨论
  
  2. 1 吖啶酮的制备
  2. 1. 1 溶剂的选择
  在吖啶酮制备过程中,以强酸作为催化剂,原料 N-苯基邻氨基苯甲酸的羧基在酸性条件下与邻位的苯环发生亲电加成、脱水反应。考虑到反应温度较高,使用氯苯、硝基苯等具有苯环结构的溶剂有可能同羧基反应,直接选择高沸点强酸作为溶剂。因此考察了不同溶剂对 N-苯基邻氨基苯甲酸环合反应的影响,15. 0 g 原料、50 mL 溶剂,95 ℃反应 3 h,实验结果见表 1.【表1】
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  从表 1 中的数据可以看出: 不同强酸催化效果有明显差距,以多聚磷酸为溶剂时收率较高。使用浓硫酸为溶剂时反应液粘稠,浓硫酸容易与未反应的原料成盐导致搅拌困难,少量原料反应不完全。使用发烟硫酸因有反应水生成而剧烈放热,导致温度不易控制,产品发生磺化反应,副产物增加,产品纯度降低,同时后处理消耗更多NaHCO3.综合考虑产品纯度及收率,选多聚磷酸为最佳溶剂。

  2. 1. 2 溶剂用量的选择
  由于多聚磷酸在室温下为无色透明的黏稠状液体,需在60 ℃左右加热至有一定流动性才能作为溶剂。因此考察了以多聚磷酸为催化剂,15. 0 g 原料,95 ℃ 反应 3 h,溶剂用量对反应的影响,实验结果见表 2.【表2】
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  从表 2 中的数据可以看出: 在溶剂用量为60、70、80 mL 时,收率和纯度基本一致。溶剂用量为50 mL 时,虽然原料反应完全,但产品颜色较深。随着溶剂用量增加,收率与纯度并无明显变化,后处理时反而会增加 NaHCO3用量。综合考虑,选 60 mL 多聚磷酸为最佳溶剂用量。

  2. 2 化合物 1 的制备
  2. 2. 1 投料比对反应的影响
  在格氏试剂制备过程中,通常首选乙醚为溶剂,由于其易挥发,在反应液上层形成蒸汽保护层,隔绝易与格氏试剂反应的水蒸气、二氧化碳等。但在本反应中吖啶酮在四氢呋喃的溶解度高于乙醚,因此选择四氢呋喃为溶剂。10 g 原料吖啶酮、12 g 溴苯、5. 3 g 镁屑,30 ℃反应 1 h,不同投料比对反应的影响见表 3.【表3】
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  从表 3 中的数据可以看出: 随着投料比增加,收率有所提高,纯度变化并不显着,在溴苯、镁、吖啶酮的物质的量比为 2. 0∶ 2. 0∶ 1. 0 时收率及纯度最高。由于反应过程中有少量水蒸气以及吖啶酮氨基的活泼氢的存在,因此格氏试剂用量需大于吖啶酮用量,避免副反应消耗较多的格氏试剂导致吖啶酮反应不完全。反应结束有部分原料残留可通过有机溶剂萃取,抽真空烘干除去。综合考虑原料用量、产品收率及纯度,选择 1. 5∶ 1. 5∶ 1. 0为最佳投料比。

  2. 3 9-苯基吖啶的制备
  2. 3. 1 溶剂的选择
  在还原体系中,通常使用极性质子性溶剂,有利于还原反应进行。因此考察了甲苯、醋酐、乙酸、乙醇 4 种溶剂,次亚磷酸钠为还原剂,碘化钾为催化剂,10 g 原料,反应温度 75 ~ 80 ℃,反应4 h,不同溶剂对反应的影响见表 4.【表4】
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  从表 4 中的数据可以看出: 质子性溶剂的还原效果优于非质子性溶剂,以乙酸及乙醇为溶剂的收率及纯度均高于以醋酐及甲苯为溶剂的反应。以甲苯为溶剂时反应不完全,有部分原料残留,后处理时需多次重结晶。乙酸由于其酸性较强,易与 9-苯基吖啶生成季铵盐,需使用碱猝灭,增加后处理难度。综合对比,选择乙醇为最佳溶剂。

  3 结论
  
  3. 1 以 N-苯基邻氨基苯甲酸为原料,多聚磷酸为溶剂合成吖啶酮。实验结果表明: 反应溶剂对反应影响较大,在高温条件下,多聚磷酸作为溶剂有利于吖啶酮的合成。

  3. 2 化合物 1 的合成需在氩气保护条件下进行,溴苯、镁、吖啶酮物质的量比为 1. 5∶ 1. 5∶ 1. 0,30 ℃ 反应 1 h,收率 65% ,纯度 > 98% .

  3. 3 次亚磷酸钠为还原剂,乙醇为溶剂,回流反应 4 h 合 成 9-苯 基 吖 啶,收 率 91. 5%,纯 度> 98% .

  参考文献:
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