2,4- 二 （4- 甲羧基苯基） -6- 苯基 -1,3,5- 三嗪及其衍生物 和制备方法 【技术领域】
本发明属于有机合成领域， 具体涉及 2， 4- 二 (4- 甲羧基苯基 )-6- 苯基 -1， 3， 5- 三 嗪及其衍生物和它们的制备方法。背景技术
芳基 -1， 3， 5- 三嗪及其衍生物是重要的有机和医药中间体。其中， 含双官能团的 芳基 -1， 3， 5- 三嗪， 还可用作抗肿瘤药物或紫外稳定剂。此外， 航空航天、 军事、 机械、 电子 电器等领域的飞速发展， 对高性能聚合物材料的需求日趋迫切。而含 1， 3， 5- 三嗪结构聚合 物由于具有耐高温、 高强度、 良好阻燃性以及独特的光学和电化学性能等优异综合性能， 因 此可用作高性能工程塑料、 电子传输材料和分离功能材料而在上述领域具有广阔的应用前 景。 其中， 用于制备这类聚合物的一种重要原料就是含双官能团的芳基 -1， 3， 5- 三嗪单体。 含双官能团芳基 -1， 3， 5- 三嗪的合成， 往往是由官能团取代芳腈和相应的酰氯 在 Friedel-Crafts 条件下来制备的。如 2， 4- 二 (4- 氯苯基 )-6- 苯基 -1， 3， 5- 三嗪和 2， 4- 二 (4- 硝基苯基 )-6- 苯基 -1， 3， 5- 三嗪的合成， 就是分别以对氯苯腈和对硝基苯腈为原 料， 与苯甲酰氯一步反应而得的。但这类反应的特点就是 ： 路易斯催化剂使用量要求过量、 产率较低、 和副产物如单官能团产物和三官能团产物含量高， 例如见 (Cook A.Journal of the American Society 1941， 72， 278-282 ； Spencer R.Analytical chemistry 1963， 35， 1633-1636)。 该方法中， 过量的路易斯催化剂的排放和处理， 也可能会带来生产安全和环境 污染等方面的问题。另外一种合成方法是 ： 官能团取代芳腈和相应的芳醛， 在苯胺、 乙醇和 苯等存在下， 经四步法制得含双官能团芳基 -1， 3， 5- 三嗪。 由如 2， 4- 二 (4- 氟苯基 )-6- 苯 基 -1， 3， 5- 三嗪的制备是以对氟苯腈、 苯甲醛、 苯胺、 乙醇和苯为原料。首先， 苯甲醛与苯胺 在氯仿中反应生成席夫碱。对氟苯腈与乙醇在苯中通入干燥氯化氢气体发生反应生成 4氟苯甲脒乙基醚盐酸盐， 在氨水作用下得到 4- 氟苯甲脒盐酸盐。 然后 4- 氟苯甲脒盐酸盐再 与制得的希夫碱反应得到最终产物 (Fink R.Macromolecules 1997， 30， 8177-81 ； WO.P.NO 9,811,150to RolfW)。虽然有效避免了单官能团产物和三官能团产物的产生， 但这种方法 的缺陷是产率极低 ( 理论产量的 10％左右 )、 反应步骤多。且各步骤的产品均需精制后进 入下一步反应， 因而生产周期较长， 这使得其难以应用于工业规模的生产中。第三种合成 双官能团芳基 -1， 3， 5- 三嗪的方法是， 2， 4， 6- 三氯 -1， 3， 5- 三嗪在适宜格利雅试剂的存在 下， 分阶段反应， 例如见 2， 4- 二 (4- 羟基苯基 )-6- 苯基 --1， 3， 5- 三嗪的合成 (Tigelaar D.Macromolecules 2009， 42， 1888-1896)。 这类反应的特点是 ： 反应活性高、 周期短、 产率较 高， 且可有效避免单官能团芳基 -1， 3， 5- 三嗪和三官能团芳基 -1， 3， 5- 三嗪等副产物的生 成。
迄今为止， 制备 2， 4- 二 (4- 甲羧基苯基 )-6- 苯基 -1， 3， 5- 三嗪及其衍生物的方 法， 尚未见任何公开出版物报道。
发明内容 本发明制备 2， 4- 二 (4- 甲羧基苯基 )-6- 苯基 -1， 3， 5- 三嗪或其衍生物是由相应 的具有式 4- 烷基苯基卤化物和苯基卤化物或它们衍生物， 分别与足量金属镁制得相应格 利雅试剂。 在同一反应体系中， 2， 4， 6- 三氯 -1， 3， 5- 三嗪分别依次与 4- 烷基苯基卤化镁和 苯基卤化镁或它们衍生物制得相应格利雅试剂， 进行反应， 得中间产物式 V ； 最后， 中间产 物式 V 经催化剂作用氧化水解制得最终产物。 该方法中， 没有出现单官能团芳基 -1， 3， 5- 三 嗪和三官能团芳基 -1， 3， 5- 三嗪等副产物。此外， 该方法周期短、 产率高、 且简单易行、 操作 方便， 易应用于工业规模的生产中。
因此， 本发明提供一种制备全新结构的双取代芳基 -1， 3， 5- 三嗪， 即 2， 4- 二 (4- 甲羧基苯基 )-6- 苯基 -1， 3， 5- 三嗪及其衍生物可行的制备方法， 而避免传统方法中的 技术问题 ( 产率低、 步骤多、 周期长等 )， 以及安全问题和环境问题 ( 过量的催化剂 )。
本发明的目的之一是在于提供一类全新结构的 2， 4- 二 (4- 甲羧基苯基 )-6- 苯 基 -1， 3， 5- 三嗪及其衍生物。
本发明的目的之二是提供一种简便、 易于控制、 高产率下制备上述 2， 4- 二 (4- 甲 羧基苯基 )-6- 苯基 -1， 3， 5- 三嗪及其衍生物的方法。
本发明的技术方案如下 ：
本发明的合成的 2， 4- 二 (4- 甲羧基苯基 )-6- 苯基 -1， 3， 5- 三嗪及其衍生物， 其 化学结构如通式 I 所示 ：
式I
其中 ： R 是氢， 苯基、 萘基或者含有 1 至 10 个碳原子的直链或带支链的烷氧基。
本发明的 2， 4- 二 (4- 甲羧基苯基 )-6- 苯基 -1， 3， 5- 三嗪及其衍生物的合成方法， 其反应式如式 II 所示 ：
反应式 II 其中 ： X 是氯、 溴或碘 ； THF 是四氢呋喃 ； R 是氢， 苯基、 萘基或者含有 1 至 10 个碳原子的直链或带支链的烷氧基 ； R’ 是含有 1 至 7 个碳原子的直链烷基 ；
本发明的 2， 4- 二 (4- 甲羧基苯基 )-6- 苯基 -1， 3， 5- 三嗪及其衍生物的制备方法， 包括以下步骤 ：
第一步反应 ： 用通式 III 和 IV 所示的 4- 烷基苯基卤化物和苯基卤化物或其衍生 物：
其中 ： X 是氯、 溴或碘 ； R 是氢， 苯基、 萘基或者含有 1 至 10 个碳原子的直链 或带支 链的烷氧基 ； R’ 是含有 1 至 7 个碳原子的直链烷基 ；
分别与足量金属镁在 0-80℃反应 4-20 小时， 反应中以醚类如四氢呋喃等为溶剂， 采用惰性气体保护， 制得相应的格利雅试剂 ；
第二步反应 ： 2， 4， 6- 三氯 -1， 3， 5- 三嗪与由通式 III 制得 4- 烷基苯基卤化镁， 按 摩尔比 1 ∶ 1.5 ～ 2.5( 优选为 1 ∶ 2) 进行反应。反应以醚类如四氢呋喃等为溶剂， 控制 温度在 -20-40℃， 历时 0.5-48 小时， 并采用惰性气体保护 ；
第三步反应 ： 在上述反应体系中， 加入足量或过量由通式 IV 与金属镁制得苯基卤 化镁或其衍生物， 按摩尔比 1 ∶ 1-1 ∶ 1.5 进行反应。反应以醚类如四氢呋喃等为溶剂， 控 制温度在 45-80℃， 历时 0.5-48 小时， 采用惰性气体保护， 得如式 V 所示的中间产物。中间 产物经沉降、 过滤、 洗涤、 干燥和重结晶， 得褐色粉末 ；
式V
其中 ： R 是氢， 苯基、 萘基或者含有 1 至 10 个碳原子的直链或带支链的烷氧基 ； R’ 是含有 1 至 7 个碳原子的直链烷基。
第四步反应 ： 将上述如式 V 所示的中间产物、 催化剂和水、 或同时加入与水等体积 的醇溶剂， 混合均匀， 反应以水、 醇或醇水混合物为溶剂， 控制温度在 50-100℃， 历时 2-48 小时， 得初产物。初产物经冷却、 过滤、 碱溶、 酸析， 得到淡黄色粉末。
其中， 第四步反应中使用的催化剂为钴盐或锰盐等， 优选为锰盐如高锰酸钾。第 一、 二和三步反应中使用的惰性气体为氮气、 氖气或氩气。
附图说明
图 1 是 2， 4- 二 (4- 甲羧基苯基 )-6- 苯基 -1， 3， 5- 三嗪的红外光谱图 ； 图 2 是 2， 4- 二 (4- 甲羧基苯基 )-6- 苯基 -1， 3， 5- 三嗪的 1H NMR 谱图。具体实施方式
本发明提供的如通式 I 所示之 2， 4- 二 (4- 甲羧基苯基 )-6- 苯基 -1， 3， 5- 三嗪及 其衍生物， 其合成方法具体包含如下阶段 ：
(1) 格利雅试剂的制备 ： 在惰性气体保护下， 如通式 III 和 IV 所示的 4- 烷基苯基 卤化物和苯基卤化物或其衍生物， 分别与足量金属镁在 0-80℃反应历时 4-20 小时， 采用醚 类为溶剂， 得深褐色溶液， 制得相应的格利雅试剂 4- 烷基苯基卤化镁和苯基卤化镁。其中， 使用的惰性气体为氮气、 氩气等 ；
(2)2， 4 二 (4- 烷基苯基 )-6- 氯 -1， 3， 5- 三嗪的制备 ： 2， 4， 6- 三氯 -1， 3， 5- 三嗪 的醚溶液， 分批次滴加到上述 4- 烷基苯基卤化镁的醚溶液中， 设计反应物摩尔比为 1 ∶ 2 进行反应。反应过程中进行搅拌， 并采用惰性气体保护， 控制温度在 -20-40℃， 历时 0.5-48 小时。其中， 使用的惰性气体为氮气、 氩气等 ； (3)2， 4- 二 (4- 烷基苯基 )-6- 苯基 -1， 3， 5- 三嗪或其衍生物的制备 ： 在上述反应 体系中， 分批次滴加足量或过量由通式 IV 与金属镁制得苯基卤化镁或其衍生物的醚溶液， 按反应物摩尔比 1 ∶ 1-1 ∶ 1.2 进行反应。反应控制温度在 45-80℃， 历时 0.5-48 小时， 采用惰性气体保护， 得中间产物。 中间产物经沉降、 过滤、 洗涤、 干燥和重结晶， 得褐色粉末。 其中， 使用的惰性气体为氮气、 氩气等 ；
(4)2， 4- 二 (4- 甲羧基苯基 )-6- 苯基 -1， 3， 5- 三嗪及其衍生物的制备 ： 将上述 中间产物、 催化剂以及溶剂， 混合均匀。反应以水、 醇或醇水混合物为溶剂， 控制温度在 50-100℃， 历时 2-48 小时， 得初产物。 初产物经冷却、 过滤、 碱溶、 酸析， 得到淡黄色粉末。 其 中， 使用的催化剂为钴盐、 锰盐等， 优选为锰盐如高锰酸钾。
在此情况下， 产物经干燥后， 具有非常高的纯度和显著更高的产率 ( 纯度＞ 99％， 总产率＞ 50％ )。
本发明合成的如通式 I 所示之 2， 4- 二 (4- 甲羧基苯基 )-6- 苯基 -1， 3， 5- 三嗪及 1 其衍生物的结构， 由熔点测试、 FT-IR、 H NMR、 元素分析和高分辨色谱 / 质谱联用等分析方 法得到证实。
与现有技术中已知的方法相比， 本发明提供的制备如通式 I 所示之 2， 4- 二 (4- 甲 羧基苯基 )-6- 苯基 -1， 3， 5- 三嗪及其衍生物的方法， 反应步骤简单， 只有一个中间产物的 分离纯化过程。 与现有技术相比， 本方法不使用强酸或者强腐蚀性原料， 并且反应中使用化 学计量的试剂， 几乎都反应完全。残余的试剂均易回收处理后， 并可反复使用。此外， 起始 原料镁、 2， 4， 6- 三氯 -1， 3， 5- 三嗪、 以及如通式 III 和 IV 所示的 4- 烷基苯基卤化物和苯基 卤化物或其衍生物等都已经商品化， 采用的催化剂如钴盐、 锰盐等均为市售产品， 因而适用 于工业生产。
下面通过实施例对本发明进行具体描述， 有必要在此指出的是实施例只用于对本 发明进行进一步说明， 不能理解为对本发明保护范围的限制， 该领域的技术人员可以根据 本发明作出一些非本质的改进和调整。
在以下的实施例中， 除特别说明外， 所述份数均为摩尔份数， 所述原料组分为有效 原料组分。本发明具体实施方式中 2， 4- 二 (4- 甲羧基苯基 )-6- 苯基 -1， 3， 5- 三嗪及其衍 生物， 及反应中间产物结构测试在下列仪器上进行 ： 在 Nicolet-20DXB 型红外光谱仪上进 行 FT-IR 测试， 用 KBr 压片法制样 ； 熔点测试在 WRS-1A 熔点仪上进行 ( 升温速率 2℃ /min， 测试范围 50 ～ 300℃ ) ； 基质解离飞行质谱 (MALDI-TOF/MS) 在 GC-TOF CA 156MALDI-TOF/ MS 上进行 ； 元素分析 (Elemental analysis) 在 Vario EL III CHNOS Elementaranalysator 上进行 ； 核磁共振分析 (NMR) 在 Brucker spectrometer 400 上进行， TMS 为内标， 测试温度 25℃。
典型实施例
下面的实施例是对本发明的进一步说明， 而不是限制本发明的范围。
例1： 2， 4- 二 (4- 甲羧基苯基 )-6- 苯基 -1， 3， 5- 三嗪的制备
于带有电磁搅拌、 温度计、 回流冷凝管和干燥管的 500mL 三口烧瓶中， 依次加入三 聚氰氯 5.1g(27.1mmo1)、 15mL 的四氢呋喃 (THF)。 冰浴保护下， 分批次滴加预先制好并冷却 的 Grignard 试剂 4- 甲基苯基溴化镁 10.6g(54.2mmo1)。加毕， 搅拌反应 20min 后， 升温到 25℃反应历时 12h。 再升温到 50℃反应历时 12h。 冷却， 并用冰浴保护， 再滴加预先制好并冷 却的 Grignard 试剂苯基溴化镁 4.9g(27.2mmo1)。 搅拌反应 30min， 然后将体系升温至 85℃ 反应历时 12h， 得到棕褐色油状液体。反应产物经旋蒸、 萃取、 过滤、 再旋蒸和干燥后，得到 白色粉末 2， 4- 二 (4- 甲基苯基 )-6- 苯基 -1， 3， 5- 三嗪 (Yield ＝ 86.3 ％ ； m.p.150.5 ～ 150.9℃元素分析计算值 ： (C23H19N3)， 计算值 ： C， 81.87 ； H， 5.68 ； N， 12.46 ； 实验值 ： C， 82.06 ； H， 5.57 ； N， 12.33％。高分辨色谱 / 质谱联用结果表明其分子离子峰为 337.4167， 与其分子 量计算值 337.4172( 分子式 C23H19N3) 相符。
将制得的 2， 4- 二 (4- 甲基苯基 )-6- 苯基 -1， 3， 5- 三嗪 8.1g(23.4mmo1)， 高锰酸 钾 3.644g(23.057mmo1)， 四丁基溴化铵 0.002g， 蒸馏水 50mL， 加入到 250mL 圆底烧瓶， 连接 球形冷凝管， 剧烈搅拌， 加热至沸腾， 于 90℃下反应 7h， 保持溶液平稳回流， 得到棕黄色液 体。过滤得到黄色澄清液体， 用盐酸调节 pH 至 pH 值为 1， 使晶体析出， 经过滤、 干燥得淡黄 色粉末。Yield ＝ 80.2％ (7.6g)， 熔点 m.p. ＞ 300℃， 纯度 99.8％。高分辨色谱 / 质谱联 用结果表明其分子离子峰为 397.3817， 与其分子量计算值 397.3830( 分子式 C23H15N3O4) 相 符。元素分析计算值 ： (C23H15N3O4)， 计算值 ： C， 69.52 ； H， 3.78 ； N， 10.58％； 实验值 ： C， 69.44 ； H， 3.59 ； N， 10.71％。
产物 2， 4- 二 (4- 甲羧基苯基 )-6- 苯基 -1， 3， 5- 三嗪的红外谱图见图 1， 从中可以 观察到下述特征吸收谱带 ：
3071cm-1 芳环上 C-H 伸缩振动吸收带 ；
2240cm-1 氰基 C ≡ N 特征伸缩振动吸收带
1597cm-1 芳环 C ＝ C 伸缩振动吸收带 ；
1485cm-1 芳环 C ＝ C 伸缩振动吸收带 ；
1310cm-1 芳环 SO2 伸缩振动对称吸收带 ；
1230cm-1 芳醚 C-O 伸缩振动吸收带 ；
1180cm-1 芳环 SO2 伸缩振动反对称吸收带
920cm-1 环氧基团伸缩振动吸收带产物 2， 4- 二 (4- 甲羧基苯基 )-6- 苯基 -1， 3， 5- 三嗪的氢核磁谱图见图 2， 从中可 以观察到下述特征质子信号 ：
由于 1， 3， 5- 三嗪环和羧酸基团的强吸电子作用， H2、 H3 的化学位移几乎重合， 相 应的羧基上的 H1 质子信号出现在 10.56ppm 处。此外， 各质子信号吸收峰面积比例， 与目标 产物氢质子比例完全相符， 进一步证明了目标产物结构。
产物的溶解性能测试结果表明， 该化合物室温下可溶解于 NMP(N- 甲基吡咯烷 酮 )、 DMAc(N， N- 二甲基乙酰胺 )、 DMF(N， N- 二甲基甲酰胺 )、 DMSO、 等常用极性溶剂， 说明 其具有良好溶解性， 因此可方便地作为溶液缩合聚合的反应单体。
参考以下实验例说明本发明化合物作为制备含 1， 3， 5- 三嗪高性能聚合物的重要 单体的效果。
实验例 1 ： 含 1， 3， 5- 三嗪聚芳酰胺的制备
在 配 有 机 械 搅 拌 器、 冷 凝 管 和 氮 气 导 管 的 三 口 瓶 中， 氮气保护下依次加入 20.0mmol(7.938g)2， 4- 二 (4- 甲羧基苯基 )-6- 苯基 -1， 3， 5- 三嗪， 18.0mmol(3.604g)4， 4- 二氨基二苯醚， 86.0mmol(9.546g) 无水氯化钙， 40.0mmol(12.411g) 亚磷酸三苯酯， 20mL 吡啶和 60mL N- 甲基吡咯烷酮 (NMP)。在 110℃下反应约 6h 后， 冷却至室温。将反应液倒 入乙醇和水混合液 (1 ∶ 1， V/V) 中沉降， 在倒入的过程中不断地搅拌去离子水， 最后得到白 色纤维状聚合物。产物经过滤、 水洗、 醇洗。聚合物以 NMP 为溶剂溶解， 真空过滤。将滤液 沉降到乙醇和水 (1 ∶ 1， V/V) 混和液中， 真空过滤， 在 100℃真空干燥箱内真空干燥 24 小 时， 得白色细丝状产物， 收率为 95.4％。采用溶液铺膜法可制备聚合物薄膜。
聚合物热稳定性能经热失重测试分析 (TGA) 进行了表征。TGA 测试采用 NETZSCH TGA209 型热重分析仪， 氮气氛围下， 升温速度 20℃ /min， 测试范围 100 ～ 800℃。测试结果 表明， 此聚合物具有优异的热稳定性能， 氮气氛围下聚合物的 5％和 10％时对应的热失重 温度分别为 484℃和 521℃。