可定位聚合的聚噻吩单体的前体及其合成方法 【技术领域】
本发明属精细化工有机合成领域，涉及一种二氧噻吩衍生物的合成方法，特别是涉及3，4位基团取代的噻吩二羧酸的合成方法，尤其是3，4-烷基二氧噻吩及3，4-烷撑基二氧基噻吩-2，5-二羧酸两类化合物的合成方法。此外，本发明所涉及的化合物为制备噻吩聚合物单体的前体。
技术背景
自20世纪70年代后，噻吩衍生物的合成与开发一直受学术界的广泛关注。尤其导电聚合物这一新型材料科学分支开始形成之后，由于导电噻吩及其衍生物在现代光电子、微电子领域及现代医学等领域中诱人的应用前景而倍受学术界及产业界的重视，为弄清取代基与聚噻吩衍生物物性之间的关系，前人做了大量的工作。合成优质聚合物的前提是合成出高纯度、高产率的单体。由于微观电子云的分布规律，噻吩环3，4位上氢原子的反应活性相对于2，5位上氢原子的反应活性低，而对聚噻吩的功能化和分子修饰又需要活化3，4位，且保持2，5位的反应活性，以便进一步的聚合反应。所以获得高产率的3，4位取代噻吩衍生物一直是相关领域科技工作者地实际工作需要。而聚合物中3，4位烷基及烷撑基链的长短及类型不同，导电聚合物的应用范围也有相应的变化。如，可直接在电极表面得到导电的聚噻吩薄膜、或是用作传感器中与VOC接触的活性材料，亦可用于生产电容器或者电致发光显示屏以及其他光电器件，用作光电器件的涂层，以及用于金属涂层的助剂、制备胶体电解液中或是离子交换膜中用于分散靜电荷的薄膜层等用途。因而合成出高纯度、高产率的噻吩聚合衍生物的单体3，4-烷撑二氧噻吩及3，4-烷基二氧噻吩则具有重要的应用前景。
目前，合成3，4-烷基二氧噻吩及3，4-烷撑基二氧噻吩的方法很多，大都由其相应的二羧酸化合物脱羧而成，而相应的二羧酸化合物则由其相对应的酯水解而生成。但是长期以来与其相对应的酯类或是相应的碱金属、碱土金属酚盐的烷基化很难得到理想的收率或是工艺过程太复杂，从而导致产业化转变很难实现。3，4-烷氧基噻吩二羧酸的合成工艺复杂，合成较困难，最主要的是最终产品化合物的收率不高，反应周期长。
【发明内容】
本发明的目的是提供可定位聚合的聚噻吩单体的前体及其合成方法。本发明方法得到的前体化合物可以进一步反应生成噻吩衍生聚合物的单体，并通过聚合反应得到聚噻吩衍生物。本发明所述方法易操作，且反应周期短、化合物收率高。
本发明提出的可定位聚合的聚噻吩单体的前体化合物是一种3，4-烷氧基噻吩二羧酸酯。其合成路线为：以硫代二甘酸二酯类为原料，在碱性缩合剂的存在下与草酸烷基酯缩合生成中间产物3，4位的二醇噻吩或酚盐噻吩，产率可达至90％，反应时间短，首步生成的中间产物与所选端基卤代烃或端羟基烷基化剂反应生成3，4-烷氧基噻吩二羧酸酯或是酸化后的3，4-烷氧基噻吩二羧酸，产率可高达95％，反应时间大为缩短。
上述酯缩合反应中，原料可优先选择初始化合物硫代二甘酸酯，其结构式如(1)所示：
式中R1，R2为C0-C8的直链或支链烷基，优先选择C1-C6的直链或支链烷基，如甲基、乙基、正丙基、异丙基、正丁基、异丁基、叔丁基、2-甲基丁基及2-乙基丁基，其中更优选为甲基、乙基、正丙基、异丙基。R1，R2也可以为C6-C10与烷基相连的芳基结构。R1，R2两者可相同，也可以不同。
上述酯缩合反应中，另一初始化合物优先选择草酸酯，其结构式如(2)所示：
其中R3，R4为C1-C8的直链或支链烷基，优先选择C1-C6的直链或支链烷基，如甲基、乙基、正丙基、异丙基、正丁基、异丁基、叔丁基、2-甲基丁基及2-乙基丁基，其中最优选为甲基、乙基、正丙基、异丙基。R3，R4也可以为C7-C10与烷基相连的芳基结构。R3，R4两者可相同，也可以不同。
本发明中所用的碱性缩合剂结构如(3)所示：
R5Ox-M1 (3)
当x＝1时，R5为C1-C4的直链或支链烷基，M1为碱金属，如锂、钠、钾、铷，銫，或碱土金属，如钙、锶、钡、镁等；当x＝0时，R5为氢、三苯甲基，或是二异丙氨基，M1的定义同前。
反应所用的溶剂优选为极性有机溶剂，如醇类，醚类，酮，酯，氨基化合物，亚砜及砜，四氢呋喃，可以单独使用也可以是几种极性有机的溶剂组合，还可以是极性溶剂与非极性溶剂的混合。优选为小分子醇类溶剂。
本发明所述的反应中，两种酯类初始反应物的物质量比应高于化学计量比，两种酯类物质量比(即结构式(1)与结构式(2)的材料之比)介于1.5-5∶1，优选2.0-3.5∶1。且反应初始物中含水量应小于0.01％。本发明中采用块状内置干燥剂，干燥剂可选用中性脱水剂、酸性脱水剂或碱性脱水剂，如无水硫酸钠、无水硫酸镁、氧化钙、电石、分子筛、无水硫酸铜等，其中优选为碱性干燥剂，如氧化钙等。
上述酯缩合反应步骤为：在反应器a中加入相应的溶剂，并按1.5-5∶1的质量比例加入如分子结构(1)及(2)所示初始酯类化合物，混合均匀，然后将高于化学剂量比1.5-5倍的如分子结构式(3)所示的碱性缩合剂，与相应溶剂混合后放入内置有块状干燥剂的另一反应器b中，在-5～20℃下，将反应器a中的混合液滴加入反应器b中，滴加完毕后，加热至溶剂的回流温度，反应1.5～5小时后得到中间产物3，4位的二醇噻吩或酚盐噻吩。
上述酯缩合反应中，反应物滴加温度介于-5～20℃，优选为0～10℃，滴加完毕后，将反应液温度升至50～100℃，优选为80～90℃；反应时间为1.5～5h，优选为2.0～3.0h。
酯类缩合反应产物其分子结构如(4)所示(为2，5-二羧酸酯-3，4-二醇噻吩或2，5-二羧酸酯-3，4-二酚钠噻吩)：
其中A1，A2来源于分子结构(3)中的M1，可以为碱金属，如锂、钠、钾、铷，銫，也可以为或碱土金属，如钙、锶、钡、镁等，两者也可同时为氢；A1，A2可以同时相同也可以分别为其中的一种。如相同则优选锂、钠、钾、铷中的一种，如不同则优选A1为钠，A2为钾。
其中R1、R2定义来源于分子结构(1)。R1、R2两者可同时相同也可以不同，工艺优选为同时相同为甲基或是乙基。
上述烷基化反应所用的烷基化剂为典型烷基化反应常用的烷基化试剂，优选为一元、二元卤代烃或是一元、二元醇。如果烷基化试剂为带有一个可离去基团的，与分子结构式(4)反应后，则生成如(5)所示的分子结构(为3，4-二烷氧基噻吩-2，5-二羧酸酯)：
其中，R6、R7来源于烷基化试剂，为不包括离去官能基的主体结构，优选为C1-C8的直链或是支链烷基，也可为C7-C20的多烷基苯。R6、R7可以相同也可以不同，相同时优选为甲基、乙基或多烷基基团，R1、R2定义同前。
如果反应中烷基化试剂包含两个烷基化官能团，优选为邻位二元卤代烃或是邻位二元醇，与分子结构式(4)反应则生成如分子结构式(6)所示的化合物(为3，4-烷撑基二氧噻吩-2，5-二羧酸酯)：
其中，R8、R9为来源于二元烷基化试剂的主体结构，代表C0-C8的直链或是支链烷基，也可以为C7-C20的多苯烷基，其中优选为R8、R9同时为氢。
烷基化试剂的量与酯缩合反应产物的比应高于反应的化学计量比，一般应高于化学计量比的1.5-8倍，优选是2-5倍。
本发明所述烷基化反应所用的溶剂为极性有机溶剂，可以单独使用也可以为几种极性有机的溶剂组合，还可以是极性溶剂与非极性溶剂的混合。一般所选的极性溶剂为对质子惰性的极性溶剂，如：醚类，酮，酯，氨基化合物，亚砜及砜，四氢呋喃，优选的是四氢呋喃，二甘醇二甲醚，二氧杂环乙烷，丙酮，环己酮，乙酰丁基乙酸酯，N，N-二甲基酰胺，N-甲基吡咯烷酮，六甲基磷酰胺，二甲基亚砜，四亚甲基砜。可以是其中的一种也可以为几种溶剂的混合。
本发明中所述烷基化反应中添加和四个碳原子相连的络合阳离子盐，分子结构如(7)所示，
其中，Y为阴离子，包含氯、溴、碘离子，氢氧根、硫酸氢根、硫酸根、甲基硫酸根、甲苯硫酸根及三氟醋酸根，优选氯离子、溴离子。
R10-R13可以为C1-C16的直链或支链烷烃，可以为C6-C10芳环基团，或是C7-C11芳烷基，其中优选为正丁基。X为第五主族元素，包括氮、磷、砷、锑、鉍，其中优选为氮及磷。
本发明所述烷基化反应需在与四个碳原子相连的络合阳离子盐中进行，此种络合阳离子可以单独使用，或是以几种络合阳离子溶液混合的形式。还可以使用该种阳离子络合物的前驱物，在反应工艺条件下可以转变为与四个碳原子相联的络合阳离子化合物。优先使用四烷基铵盐，四烷基磷酸盐。如：四丁基铵氯、四丁基铵溴及焦磷酸四丁酯。
本发明中所用的络合阳离子化合物的量应低于化学计量，一般以如结构(4)所示反应物的初始量为准，应占初始反应物量的1-30％，优选为初始反应物量的2-15％，更优选为5-10％。
本发明所述烷基化反应中还应添加如分子结构式(8)所示的化合物助剂：
其中，R14-R16代表C4-C8的直链或支链烷基，或是C6-C12的芳香基或苯烷基，优选为正丁基及苯基。Z表示为第三主族及第五主族的部分元素，包括有磷，砷，硼，铝等，优选为磷，砷。
化合物(8)的加入量应高于初始反应物(4)的量，与初始反应物量的比为1.5-5∶1，优选为2.0-3.5∶1。
本发明所述烷基化反应工艺中同时需加入如分子结构(9)所示化合物(为偶氮二羧酸酯)：
其中R17、R18为C1-C5的直链或是支链烷基，优选为甲基和乙基。化合物(9)的加入量与初始反应物量的比为2.0-8.0∶1，优选为2.3-4.0∶1。
另外，发明所述烷基化反应应在碱性物质的存在下进行，一般来说优选为在碱金属或碱土金属的碳酸盐、氢氧化物、氧化物或醇盐的存下进行，更优选为碱金属的碳酸盐，尤其为碳酸钠或是碳酸钾。碱性化合物加量一般低于化学计量，应为化合物(4)物质量的5-100％，优选为10-80％，更优选为25-50％。
本发明所述的烷基化反应步骤为：在反应容器中加入相应的溶剂，加入N mol酯缩合反应产物如分子结构式(4)所示的化合物，同时加入1～30％N mol的如分子式(7)所示与四个碳原子相联的化合物的络合阳离子盐，及加入量为1.5～5N mol的如分子式(8)所示的化合物助剂，在惰性气体的保护下，加入(5～100％)N mol的碱性物质，使体系呈碱性；升温至预定反应温度50-200℃，缓慢滴加(1.5～8)N mol的烷基化试剂，同时滴加(2.0～8.0)N mol的如分子结构式(9)所示化合物，反应5.0-18.0小时，得到所需如分子结构式(5)或(6)所示的产物化合物。加入水进行过滤、重结晶来分离、纯化。N为初始反应物即酯缩合反应产物的量。
烷基化反应温度介于50-200℃，如果烷基化试剂带有一个离去基团的反应温度介于50-120℃；烷基化试剂带有两个离去基团的，则反应温度介于60-200℃。
烷基化反应时间介于5.0-18.0h，优选为6.0-12.0h。
烷基化反应可在加压下进行，压力范围介于300KPa-3000Kpa，加压下操作时，溶剂应使用高沸点溶剂，包括：酯类，氨基化合物，亚砜及砜类等。优先选择N，N-二甲基酰胺，N-甲基吡咯烷酮，六甲基磷酰胺，二甲基亚砜，四亚甲基砜，环丁砜。
生成的产物也可以不直接分离提纯出来，先蒸馏出至少部分或是全部的溶剂，利用传统的方法使产物水解为相应的酸，可以利用过滤或是离心的方法将酸化后的反应混合物分离，得到烷基类二氧噻吩-2，5二羧酸。
【具体实施方式】
下面将结合实例进一步说明本发明，但实施实例并不限制本发明的保护范围。
实施例1
将5.0g(0.028mol)的硫代二甘酸二甲酯，与8g(0.055mol)草酸二乙酯，1.5g碳酸钾，一起加入到装有50ml无水甲醇的反应器1中，混合均匀。将7.5g(0.14mol)甲醇钠与65ml的无水甲醇，混合后倒入内置有块状无水硫酸铜的三口烧瓶2中，降温使反应液为0-2℃，将反应器1中的酯类混合物缓慢滴加入烧瓶2中，滴加完毕后，加热至回流，反应时间1.5h。抽滤，无水甲醇反复(3-5次)洗涤后，真空干燥得反应产物2，5-二羧酸二甲酯-3，4-二酚钠噻吩6.95g，收率为90％，HPLC：92.0％。
产物元素分析值：C，35.3％；H，2.40％。
红外光谱吸收峰值：的吸收峰为1725cm-1，的吸收峰为1532cm-1，2955cm-1为碳氧基的吸收峰，3440cm-1为O-Na的吸收峰。由此可证实产物结构为：
实施例2
将6.4g(0.031mol)硫代二甘酸二乙酯，与15克(0.103mol)草酸二乙酯，1.6g碳酸钾一起加入到装有50ml无水乙醇的玻璃反应瓶a中，将20g(0.082mol)的三苯甲基钠与20ml乙醇混合后加入到内置有块状CaO的干燥剂的另一反应瓶b中，控制温度为-2℃-0℃。将酯类混合液缓慢滴加入反应瓶a中，滴加完毕后，升温至80℃，反应时间为1.5-2.0h。抽滤，三次水洗后，真空干燥后得产物2，5-二羧酸乙酯-3，4-二醇噻吩7.4g，收率为89％。HPLC：纯度93.0％。
元素分析结果：C，46.1％；H，4.7％；O，37.0％；S，12.4％
产物的红外光谱分析结果如下：
的吸收峰为1728cm-1，碳氧基的吸收峰为2960cm-1，3442cm-1为酚O-H的吸收峰。由此可证实产物结构为：
对比实例2(无内置干燥剂)
将6.4g(0.031mol)硫代二甘酸二乙酯，与15克(0.103mol)草酸二乙酯，1.6g碳酸钾一起加入到装有50ml无水乙醇的玻璃反应瓶a中，将20g(0.082mol)的三苯甲基钠与20ml乙醇混合后加入到的另一反应瓶b中，控制温度为-2℃-0℃。将酯类混合液缓慢滴加入反应瓶a中，滴加完毕后，升温至80℃，反应时间为1.5-2.0h。抽滤，三次水洗后，真空干燥后得产物2，5-二羧酸乙酯-3，4-二醇噻吩4.6g，收率为56％。
元素分析结果：C，46.0％；H，4.65％；O，37.0％；S，12.3％。
产物的红外光谱分析结果如下：
的吸收峰为1728cm-1，碳氧基的吸收峰为2960cm-1，3442cm-1为酚O-H的吸收峰。产物结构确认为：
实施例3(混合溶剂)
将8.0g硫代二甘酸二乙酯，与15克(0.103mol)草酸二乙酯，2.0g碳酸钠一起加入到装有50ml无水甲醇的玻璃反应瓶a中，将20g的乙醇钠与75ml无水乙醇混合后加入到内置有块状无水CaSO4的干燥剂的另一反应瓶b中，控制温度为0℃-2℃。将酯类混合液缓慢滴加入反应瓶b中，滴加完毕后，升温至70℃，反应时间为2.5-3.0h。抽滤，三次水洗后，真空干燥后得产物2，5-二羧酸乙酯-3，4-二醇噻吩，收率为88.5％。HPLC：93.5％。
实施例4
将75g的N，N-二甲基酰胺加入安装有回流冷凝装置的250mL烧瓶中，搅拌。随后加入5.5g(0.02mol)的实例1中的产物，1.1g碳酸钾及0.34g四丁胺溴，三丁基磷8.24g(0.04mol)，偶氮二羧酸二乙酯8.36g(0.048mol)，搅拌1.0h。在氮气的保护下，将反应液升至回流温度。即缓慢滴加1，2-二氯乙烷3.9g(0.04mol)，滴加时间为15min。滴加结束后，反应液继续搅拌反应8.0h。减压下蒸出90％溶剂。
加入70ml水，4.0g 2-丙醇及4.3g的氢氧化钠(45％的强碱水溶液)至上述反应液中，升温至80℃，搅拌2.0h。滴加10-15mlHCl至反应液中使其酸化，产物沉淀。抽滤得到产品，分三次对其洗涤，每次50ml蒸馏水。得到产品真空干燥(20KPa，50℃)，得到白色粉末状产物2.56g，HPLC：95.9％，收率，94.3％。
产物核磁共振分析数据结果：1HNMR(300Hz，CDCl3)δ4.58(双峰，j＝12.0，2.0Hz，1H)，4.53(多峰，J＝7.0Hz，4H)，4.38(单峰，1H)，2.02(单峰，2H)，1.55(多峰，3H)。元素分析数据测试值：C，51.98％；H，5.34％；S，10.69％。
分析数据验证产物为目标产物3，4-乙撑二氧噻吩-2，5-二羧酸，产物结构确认如下：
实施例5
在装有回流冷凝装置的反应烧瓶中加入600ml的丙酮，搅拌并加入248.5g(0.9mol)的2，5-二羧酸甲酯-3，4-二氧噻吩二钠盐及10g四丁胺溴，加入480g三苯基磷及偶氮二羧酸二甲酯170g。升温至反应液沸腾，同时滴加入600g无水甲醇，滴加时间为4.0h，滴加结束后，继续搅拌2.0h。随后倾倒入3L水，固体物质经抽滤获得，并对滤饼多次洗涤，真空(10KPa-20KPa)50到60℃干燥得到产物，得到247g产物3，4-二甲氧基噻吩-2，5-二羧酸甲酯。收率为90％，HPLC：98.5％。元素分析数据：C，52.66％；H，5.25％；O，42.07％；S，14.03％。
验证产物结构如下：
实施例6
将50g的四氢呋喃加入250mL装有回流冷凝装置的烧瓶中，搅拌。随后加入0.177mol的2，5-二羧酸甲酯-3，4-二酚钠，2，5-二羧酸甲乙酯-3，4-二酚钠，2，5-二羧酸甲丁酯-3，4-二酚钠的混合物(重量比10∶1∶14)，1.5g碳酸钾及0.34g四丁胺溴，三丁基磷8.24g(0.04mol)，偶氮二羧酸二乙酯8.36g(0.048mol)，搅拌1.0h。在氮气的保护下，将反应液升温至回流温度(66℃)。立即缓慢滴加乙二醇3.9g(0.04mol)，滴加时间为30min。滴加过程结束后，反应液继续搅拌8.0h，减压下蒸馏出90％溶剂。
加入70ml水，4.0g 2-丙醇及4.3g的氢氧化钠(45％的强水溶液)至上述反应液中，升温至80℃，搅拌2.0h。滴加10-15mlHCl至反应液中使其酸化，产物沉淀。抽滤得到产品，分三次对其洗涤，每次50ml蒸馏水。得到产品真空干燥(20KPa，50℃)，得到白色粉末状物质3，4-乙撑二氧噻吩-2，5-二羧酸，收率为93.5％。HPLC：纯度98.5％。
产物核磁共振分析数据结果：1HNMR(300Hz，CDCl3)δ(TMS)4.58(双峰，j＝12.0，2.0Hz，1H)，4.53(多峰，J＝7.0Hz，4H)，4.38(单峰，1H)，2.10(单峰，2H)，1.55(多峰，3H)。13CNMR(25MHz，CDCl3)δ(TMS)141.2(2C，噻吩环上3位)，101.2(2C，噻吩环上2位)，64.0(2C，乙烯碳)。
元素分析数据测试值：C，52.01％；H，5.32％；S，10.67％。
分析数据验证产物为目标产物3，4-乙撑二氧噻吩-2，5-二羧酸，产物结构确认如下：
实施例7
在装有回流冷凝装置的烧瓶中加入455ml的四氢呋喃，加入186g(0.569mol)的如实例3所述的酯类混合物及22g四丁胺溴及35g碳酸钾，三丁基磷234g(1.138mol)，偶氮二羧酸二乙酯250g，搅拌1.0h在氮气保护下升温至125℃，滴加121g一氯乙烷。滴加完毕后，保持温度继续混合搅拌2.0h，升温到135℃后，在此温度下搅拌1.0h，60℃减压(2000Pa)蒸出90％溶剂。
在剩余反应液中加入500ml蒸馏水、120g丙醇及120g氢氧化钠的混合液，升温至80-85℃，搅拌0.5h。另加入500ml蒸馏水后，反应液继续搅拌0.5h。滴加入234ml的HCl及234ml蒸馏水的混合液，同时反应液升温至50℃，持续搅拌，滴加时间为4.0h。同时使得反应物生成沉淀，滴加液pH＝1.0，产物最终被酸析出，降温至30℃抽滤，将滤饼用1000ml的蒸馏水多次洗涤，50-60℃下真空(10-20KPa)干燥。得到3，4-乙撑二氧噻吩-2，5-二羧酸，产率为80％，HPLC：92.5％。
实施例8
如实验3所述方法制取3，4-乙撑二氧噻吩-2，5-二羧酸，与其不同的是对其进行纯化处理。方法具体阐述如下：将产物溶于50％的NaOH溶液中，用活性碳进行处理，时间为3.0h，过滤后，滴加pH＝1.0的盐酸，进行盐析，产物以沉淀的形式出现，抽滤，真空干燥后，得到产品3，4-乙撑二氧噻吩-2，5-二羧酸。
元素分析结果如下： 测试项目 测试值，％ C H S 38.6 3.16 13.0
实施例9
反应条件同实例4，在高压反应釜中进行，压力为3MPa下：
将75g的N，N-二甲基酰胺加入250mL装有回流冷凝装置的烧瓶中，搅拌。随后加入5.5g(0.02mol)的实例1中的产物，1.1g碳酸钾及0.34g四丁胺溴，三丁基磷8.24g(0.04mol)，偶氮二羧酸二乙酯8.36g(0.048mol)，搅拌1.0h。在氮气的保护下，将反应液升至回流温度。即缓慢滴加1，2-二氯乙烷3.9g(0.04mol)，滴加时间为15min。滴加结束后，反应液移入高压反应釜中氮气加压至3MPa继续搅拌反应8.0h。
反应结束后在上述反应液中加入70ml水，4.0g 2-丙醇及4.3g的氢氧化钠(45％的强碱水溶液)，升温至80℃，搅拌2.0h。滴加10-15mlHCl至反应液中使其酸化，产物沉淀。抽滤得到产品，分三次对其洗涤，每次50ml蒸馏水。白色粉末状物质真空干燥(20KPa，50℃)，得到白色粉末状目标产物3，4-乙撑二氧噻吩-2，5-二羧酸2.60g，HPLC：95.9％，收率，95.5％。