5-异氰酸酯-异肽酰氯的合成

刘立芬，徐德志，陈欢林，高从堦,3

（1浙江工业大学绿色化学合成技术国家重点实验室培育基地，浙江 杭州 310014；2浙江大学化学工程与生物工程学系，浙江 杭州 310027； 3杭州水处理技术研究开发中心有限公司，浙江 杭州 310012）

5-异氰酸酯-异酞酰氯（5-isocyanato- isophthaloyl chloride）简称ICIC，也称为3，5-二酰氯基-苯异氰酸酯或3，5-二甲酰氯基-异氰酸酯。ICIC是新型的三官能团交联剂，它含有酰氯基（—COCl）和异氰酸酯基（—N=C=O）两种功能基团，与间苯二胺（MPD）界面聚合时形成酰胺键（amide）、脲键（urea）和氨基（—NH2），由此而生成的聚酰胺-脲型复合反渗透膜与常规的聚酰胺膜相比具有更高的通量和更好的耐污染性能[1-7]。

关于ICIC的合成，DuPont公司[1-5]最早以光气为酰氯化剂，在催化剂咪唑作用下于溶剂氯苯中经高温、密闭自发升压反应较长时间进行制备。但光气是气体，有剧毒，易散发，操作难度大，使得该法应用受到限制。之后，俞三传等[8-9]以草酰氯为酰氯化剂，在催化剂N-甲基咪唑作用下于溶剂氯苯中反应较长时间进行制备。由于草酰氯是液体，沸点低，挥发性高，在高温回流时容易损失，因而在反应过程中需大大过量。并且，草酰氯具有高毒性和高腐蚀性，对人体的毒性与光气相当，操作难度也很大。因此选择另一种活性好且安全的化合物——三光气作为反应的酰氯化剂，它与光气、草酰氯相比具有以下优势：毒性低，室温下稳定，可准确计量，操作安全且反应条件温和[10-13]。

本文以三光气为酰氯化剂合成ICIC的反应式如图1所示。由于反应底物上的—NH2很容易与反应中间体的—NHCOCl和—COCl反应形成副产物而使后续反应终止，由此严重影响产品收率，因此选择合适的加料方式是保证该反应顺利进行的首要条件。为此探讨了加料方式对反应的作用机理，并研究了催化剂的反应机理，同时考察了溶剂对反应的影响。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

Bruker公司 AVANCE-500MHz型核磁共振波普仪（CDCl3为溶剂，TMS为内标）；Waters公司GCT Premier型气相色谱质谱联用仪（四氢呋喃为溶剂）；美国热电尼高力公司Nicolet 6700傅里叶变换红外光谱仪。所用试剂见表1。

1.2 合成方法

在装有机械搅拌、温度计、回流冷凝管和 N2保护的四口烧瓶中加入BTC和溶剂，然后在冰浴下（＜5℃）用蠕动泵缓慢将5-氨基异酞酸反滴入烧瓶中，同时用恒压分液漏斗缓慢加入适量的催化剂。滴毕，在冰浴下（5～10 ℃）反应1 h，再升温至40 ℃反应一定时间，静置过滤，旋蒸回收溶剂并得到中间体 5-氯甲酰胺基-异酞酰氯。

表1 原料和试剂来源

在装有机械搅拌、温度计、回流冷凝管和 N2保护的四口烧瓶中加入所得中间体、适量催化剂和溶剂，在冰浴下（＜5 ℃）用恒压分液漏斗缓慢补加少量的BTC。滴毕，升温至 70 ℃反应一定时间，再升温至110 ℃回流。回流完毕，冷却静置，旋蒸回收溶剂并得到浅棕色透明黏稠液体，加入溶剂重结晶（三次）得白色晶体，经减压蒸馏得产品ICIC，气相分析其纯度大于99%。

反应过程中释放的气体用装有饱和NaOH水溶液的尾气洗瓶吸收。

2 结果与讨论

2.1 加料方式对产品收率的影响

图1 ICIC合成路线

反应的加料方式有两种：一种是正向加料，即直接将原料5-氨基异酞酸与三光气的非均相混合液置于反应烧瓶中，再于冰浴下缓慢滴加催化剂。另一种是反向加料，即先将三光气的均相溶液置于反应烧瓶中，再于冰浴下将原料的非均相混合液用蠕动泵反向滴加至三光气中，同时用恒压分液漏斗缓慢滴加催化剂。表2为两种加料方式对产品收率的作用结果，显然正向加料方式的产品收率远低于反向加料方式的产品收率。注意到，在冰浴下正向加料的过程中有大量的白色固体生成，将其过滤干燥，采用红外分析发现（图2）：在 1635（ν C=O，酰胺 I吸收带）、1549（δN—H，酰胺Ⅱ吸收带）和1239 cm−1（νC—N，酰胺Ⅲ吸收带）处有较强的仲酰胺特征吸收峰，说明白色固体中有酰胺键（—CONH—）生成。而1604（νC=O，芳香脲C=O伸缩振动）[14]和1336 cm−1（νC—N，芳香脲 C—N 伸缩振动）、1794（νC=O，酰氯上C=O伸缩振动）、1715和1674（νC=O，羧基上C=O伸缩振动）处的强吸收分别为—NHCONH—、—COCl和—COOH的特征吸收峰，表明该固体中又有脲和酰氯生成，同时也有羧基存在。显然，这是反应中间体 5-氯甲酰胺基-异酞酰氯在原料 5-氨基-异酞酸大大过量的情况下优先与原料反应生成副产物（即白色固体）酰胺-脲的结果（图3）[15]。副产物酰胺-脲的生成将直接导致参与反应的有效原料的量大大降低，从而显著降低产品收率。

2.2 催化剂对产品收率的影响

三光气的使用视具体反应体系而定，当体系中含有引发其分解的物质如有机胺或有机碱时，无需外加任何引发剂，反应即可顺利进行。原料 5-氨基-异酞酸的苯环上带有一个氨基（—NH2），但它在两个间位羧基（—COOH）的吸电子诱导作用下，碱性被大大减弱，因此不足以充当BTC的引发剂，需外加一定量的有机碱如N,N-二甲基甲酰胺（DMF）、三乙胺（TEA）、吡啶或咪唑等以促使三光气分解。有机碱实际是一种辅助亲核试剂，在三光气亲核取代反应过程中发挥双重作用[16-17]：既促使三光气分解，又与分解生成的光气形成活性中间体，而这种活性中间体是一种很好的酰化剂（图4）。

图3 副产物酰胺-脲的形成机理

图4 催化剂在BTC与5-氨基异肽酸反应中的作用机理

表2 反应底物加料方式对ICIC收率的影响

图2 副产物酰胺-脲的红外图谱

有机碱的亲核性能与其化学结构及碱性密切相关。当亲核体的亲核原子同为N原子时，其亲核能力与碱性相一致。DMF、吡啶碱性较弱，相应地其亲核能力较差，与体系中的光气形成的活性中间体不够稳定，因此不利于反应的进行。TEA碱性最强，其亲核能力也最强，可使三光气迅速分解，但很容易与体系中反应释放的 HCl气体相结合形成季胺盐，使其有效催化能力降低。咪唑碱性适中，相对而言其亲核性也比较适中，对于体系中三光气分解释放的光气与HCl气体，更易与前者结合形成活性中间体——酰化剂，因此可被用来与 TEA组合成复合催化剂，使催化体系的催化效果大大提升（见表3）。

2.3 溶剂对产品收率的影响

溶剂对反应的作用主要表现在它对三光气的溶解性[18]。当溶剂极性较好时，可促使三光气的分解，并能溶解较多的光气，使反应维持在光气过量的氛围，从而有利于非均相反应的进行。如表4所示，THF的极性最好，但沸点较低，达不到第二步反应中中间体 5-氯甲酰胺基-异酞酰氯回流所需的温度，因此只能用于第一步的中间体制备。甲苯和氯苯的沸点均较高，但极性较差，相应地对光气的溶解性也较差，因此可作为第二步中间体回流的溶剂。实际上，在反应的第二步中需补加少量的三光气及相应量的催化剂，以确保中间体酰氯化充分，而氯苯的极性优于甲苯，显然与THF组合可得到更佳的反应效果。

表3 催化剂对ICIC收率的影响

表4 溶剂对ICIC收率的影响

表5 ICIC的IR、1HNMR和MS分析数据

2.4 化合物结构解析

产品ICIC的化学结构采用红外光谱（IR）、氢核磁共振谱（1H NMR）及质谱（MS）进行确证（表5）。2273.2为异氰酸酯基（N=C=O）的强吸收峰，酰氯的羰基（C=O）吸收峰出现在1768.1、1746.2 cm－1处。1,3,5-三取代苯环的吸收峰相对较弱，3080.6 cm－1为苯环上的碳氢伸缩振动峰，1602.4 cm－1、1510.1 cm－1、1404.1 cm－1为苯环骨架上的碳碳双键伸缩振动峰，而928.6 cm－1、899.3 cm－1则均为苯环上的碳氢面外弯曲振动峰。ICIC上只有3个氢（图 5），因而其核磁共振谱很简单。δ=8.673（1H）处三裂分（峰面积为 1.00），是苯环上两个酰氯基团间的氢，受到异氰酸酯两侧氢的远程偶合。δ=8.117（2H）处二裂分（峰面积为2.19），是异氰酸酯两侧的氢，只受两个酰氯基团间的氢的远程偶合。243为ICIC的分子离子峰，其丰度为3.84%。

图5 ICIC化学结构

3 结 论

以 5-氨基-异酞酸为基本原料，采用反加料方式，在复合催化剂作用下与酰氯化剂三光气（BTC）反应得到中间体 5-氯甲酰胺基-异酞酰氯，再经回流、提纯得产品5-异氰酸酯基-异酞酰氯，收率最高达 61.8%。较理想的合成条件为：n(三乙胺)/n(咪唑)=101∶，m(TEA/imidazole)∶m(BTC)=0.065，以四氢呋喃/氯苯为组合溶剂。

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