二苯并-18-冠-6的氯甲基化及其在交联聚乙烯醇微球表面的固载化

王世伟， 高保娇

(中北大学 化学工程系，山西 太原 030051)

冠醚类大环化合物是一类人工合成的受体，对金属离子的选择结合性能使其在众多科技领域具有重要的应用价值[1，2]。近几十年来，科技工作者对于冠醚的分子设计、合成与应用进行了大量的研究[3，4]。

3

Scheme1

小分子冠醚在使用过程中存在一些明显的缺点，如不易从体系中分离出来，难以重复使用，而且冠醚化合物一般具有毒性，对环境会造成一定的危害。以聚合物为载体，实现冠醚化合物的固定化，是克服上述缺点的良好途径。近年来关于冠醚在聚合物材料表面的固载化研究备受关注[5，6]。

本文首先用无致癌毒性的氯甲基化试剂1,4-二氯甲氧基丁烷对冠醚二苯并-18-冠-6(1)进行氯甲基化使其转变成氯甲基化冠醚(2)，其结构经1H NMR，13C NMR， IR及MS表征。以亚甲基为连接臂，通过化学键合，将1固载到交联聚乙烯醇(CPVA)微球表面，制得冠醚微球(3， Scheme 1)。本研究对于冠醚的化学修饰及其固载化，具有明显的参考价值，类似的研究尚未见报道。关于冠醚固载化反应条件的研究及3在离子识别及相转移催化等领域中的应用研究将陆续报道。

1 实验部分

1．1 仪器与试剂

美国Bruker DRX300型核磁共振谱仪(TMS为内标)；瑞士Perkin-Elmer 1700型傅立叶红外光谱仪(KBr压片)；美国HP 5989B型质谱仪。

1,4-二氯甲氧基丁烷按文献[7]方法合成；1，黄岩高仕医药化工有限公司；PVA(5wt%，聚合度2 200)，试剂级,山西三维化工有限公司；戊二醛(50wt%)，分析纯，天津市百世化工有限公司；液体石蜡，化学纯，天津市巴斯夫化工有限公司；山梨醇酐单硬脂酸酯(Span 60)，化学纯，天津市东丽区天大化学试剂厂；无水四氯化锡，天津市元立化工有限公司；其余所用试剂均为市售分析纯试剂。

1．2 CPVA微球的制备

在反应瓶中加入分散剂Span 60 0.16 g和液体石蜡20 mL，搅拌均匀构成连续相油。将PVA水溶液8 mL和戊二醛溶液1 mL混溶，构成分散相水相,搅拌加入催化剂1 mol·L-1HCl 1 mL。搅拌下将水相加入油相中制得反相悬浮体系;于65 ℃反应7 h得半透明悬浮液。过滤，滤饼用乙醚与蒸馏水洗涤多次，真空干燥至恒重得CPVA微球， 按文献[14]方法测得其平均粒径为100μm～200μm。

1．3 合成

(1) 2的合成

在四口烧瓶中依次加入1，4-二氯甲氧基丁烷8 mL，氯仿6 mL和无水四氯化锡0.2 mL，搅拌形成溶液；于50 min内滴加1 0.5 g的氯仿(20 mL)溶液，滴毕，于室温反应2 h。加入1 mol·L-1HCl 20 mL，搅拌，静置分液，有机相用去离子水洗至中性后旋蒸浓缩至干得白色固体，用混合溶剂[V(丙酮) ∶V(氯仿)=1 ∶3]重结晶得白色粉末状晶体2， m.p.179 ℃～180 ℃。

(2) 3的合成

在三口烧瓶中加入CPVA微球0.2 g,用DMF 10 mL溶胀12 h；于70 ℃加入2 0.2 g的DMF(30 mL)溶液和Na2CO30.6 g，于70 ℃恒温反应9 h。过滤，滤饼用DMF和蒸馏水多次浸泡洗涤，真空干燥至恒重得白色固体3。

2 结果与讨论

2．1 2的合成与表征

在路易斯酸催化剂的存在下，1的苯环与1，4-二氯甲氧基丁烷可发生亲电取代反应[7]，从而使1得以氯甲基化。实验中发现，受冠醚结构的影响，1苯环上的取代反应比一般芳环上的氯甲基化反应更易于进行，较短时间内即可制得产物。根据取代基团的定位规律，1苯环上的2， 3， 4， 5-H均有可能被取代，即可能发生多取代反应。但质谱测定结果证实，产物为(氯甲基)四取代产物；碳谱(图1和图2)测定的结果证实，1苯环上的3， 4-H和3′，4′-H被氯甲基取代，生成了对称的氯甲基化产物，即3,3′,4,4′-四氯甲基化产物。

2： MSm/z(%)： 554[M+], 519[M+-35], 524[M+-30], 494[M+-60], 450[M+-104], 381[M+-173]。显然，2的相对分子质量为554，它对应于两个苯环上含有4个氯甲基的2，表明1 经氯甲基化反应后，形成了苯环上四氯甲基取代产物。氯甲基的取代位置由碳谱确定。

δ图 1 2的13C NMR谱图Figure 1 13C NMR spectrum of 2

δ图 2 2的1H NMR谱图Figure 2 1H NMR spectrum of 2

图1为2的13C NMR谱图。由图1可见，谱图中显示出6种碳原子的共振信号(δ=77.341的峰为溶剂峰)，表明2共有6种碳原子，而2分子中共有24个碳原子，碳原子数与碳峰数目之比为4，充分说明2分子中苯环上的4个氯甲基是高度对称的(2，5位或3，4位)。根据苯环上取代基碳原子的δ数值判断(见下面的理论分析)，2的分子只可能是Scheme 1中2所示的化学结构，即在3,4位碳原子上发生了取代，生成了3,3′,4,4′-四氯甲基化的产物。

取代基对芳环上碳原子化学位移影响的计算公式为：δ=128.5+∑Zi。根据此式进行理论计算，如果2是2，5位的取代产物，经计算，对应碳原子的δ=123.3；如果是3，4位的取代产物，对应碳原子的δ=126.6；而实测的δ=128.782，显然在苯环上发生3，4位的取代反应时，理论值和实测值更相近。所以2的13C NMR数据，不但表明了其分子中两个苯环上发生了对称的(氯甲基)二取代反应，而且还说明取代的位置在3，4位上，为3,3′,4,4′-四氯甲基化的产物2。

图2为2的1H NMR谱图，它显示了4种氢质子的共振信号(δ=7.255的峰为溶剂峰)，表明2分子只有4种氢质子，再次说明2是苯环上发生了对称的(氯甲基)二取代的产物；从谱峰面积的积分值可知，a∶b ∶c ∶d=1.00 ∶1.77 ∶1.97 ∶2.15，与2分子中氢质子的比例a ∶b ∶c ∶d=1 ∶2 ∶2 ∶2相符。

ν/cm-1图 3 1和2的IR谱图Figure 3 IR spectra of 1 and 2

1和2的IR谱图见图3。由图3可见，1苯环的特征吸收峰为：1 598 cm-1， 1 509 cm-1与1 453 cm-1(骨架振动)；2 919 cm-1和2 884 cm-1(C-H伸缩振动)； 993 cm-1和741 cm-1(C-H面外弯曲振动)； 828 cm-1(二元取代后苯环上C-H键的面外弯曲振动)，同时在1 256 cm-1处与1 132 cm-1也显示出醚键C-O-C的伸缩振动吸收，其中1 256 cm-1的峰是芳香醚键的特征吸收。在2的IR谱图中，除显示苯环的全部特征吸收峰外，在682 cm-1与1 413 cm-1处出现了氯甲基(-CH2Cl)的特征吸收，前者为C-Cl键的伸缩振动吸收峰，后者为-CH2Cl中C-H键的面内弯曲振动吸收。由此说明1已经发生了氯甲基化反应，转变成了氯甲基化冠醚2。

综上所述，通过13C NMR，1H NMR， FT-IR和MS分析， 充分证实了1与1，4-二氯甲氧基丁烷的氯甲基化反应的产物，是高度对称的3,3′,4,4′-四氯甲基化产物2。

2．2 3的合成与表征

CPVA微球表面含有大量的羟基，以Na2CO3为缚酸剂，2的氯甲基与CPVA微球表面的羟基之间可发生亲核取代反应，形成醚键，从而将1化学固载到CPVA微球表面。在固载反应过程中，2的四个氯甲基不止一个参与键合反应，这不会影响固载化冠醚在后续研究中的使用。

ν/cm-1图 4 CPVA微球和3的IR谱图Figure 4 IR spectra of CPVA microsphere and 3

CPVA微球和3的IR谱图见图4。由图4可以看到CPVA的诸特征吸收峰，以及缩醛交联成醚反应后的诸特征吸收，其中1 150 cm-1峰为醚键C-O-C的特征吸收；而在3的IR谱中，于1 597 cm-1与1 510 cm-1处出现了苯环的特征吸收峰，而冠醚结构中的醚键特征吸收则与CPVA微球谱图中的醚键吸收重叠；IR分析表明，经2与CPVA微球羟基之间的亲核取代反应，1已经以氯甲基为连接壁被化学固载在CPVA微球表面。关于冠醚固载化反应条件的研究将另文报道。

3 结论

以无致癌毒性的1,4-二氯甲氧基丁烷为氯甲基化试剂，顺利地实现了冠醚二苯并-18-冠-6的氯甲基化反应，由于其冠醚结构，使苯环上的亲电取代反应易于进行。氯甲基化的冠醚(2)为两苯环上高度对称的四取代产物，通过交联聚乙烯醇微球表面的羟基与2之间的亲核取代反应，实现了冠醚的固载化，制得固载有冠醚的功能微球。类似的研究尚未见报道。

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