2种含三嗪环单体的合成与表征
2013-10-09武永刚刘楠马波
武永刚，刘楠，马波
（1.河北大学生命科学学院，河北保定 071002；2.河北大学生物技术研究中心，河北保定 071002）
三聚氯氰是一种重要的有机化工中间体，是目前国际上少数几种年产量10×104t以上的杂环化合物，在农药［1－2］、生物医药［3－10］、活性染料、荧光增白剂［11－15］、反应催化［16－19］以及高分子合成等多个领域有广泛的应用［20－21］.
三嗪环上的3个氯原子受碳氮不饱和键的影响活性增强，极其容易被－OH，－NH，－SH等亲核性基团逐步取代，所以很容易将其引入聚合物的链段中，以提高聚合物的耐热、阻燃和介电等性能，因此三聚氯氰的研究引起高分子科学领域学者们的重视.
本文制备的2种单体具有相当于ABB′单体，其中A代表单体中的氨基或羟基，B和B′分别代表2个活性不同的Cl原子，并且B可以在较低的温度被亲核基团取代，而B′只能在较高的温度下被取代，因此，可以通过对温度的控制，实现A官能团对B和B′官能团的逐步取代，进而生成线性聚合物和支化度可控的超支化聚合物.本文详细地探讨了2－（4，6－二氯－1，3，5－三嗪）－氧乙基三氟乙酸铵及2，4－二氯－6－羟乙氨基－1，3，5－三嗪2种单体的合成路线和条件，截至目前该单体未见相关报道.
1 实验部分
1.1 仪器与试剂
美国Thermo公司Nicolet－380型傅里叶红外光谱仪；美国Agilent公司TrapXCT型液相色谱与质谱联用仪；德国Bruker公司Avance－400型核磁共振仪.三聚氯氰（石油醚（60～90℃）中重结晶2次），天津海洋化工厂；乙醇胺，天津市华东试剂厂；三氟乙酸（TFA），天津市科密欧化学试剂有限公司；二氯甲烷，天津市科密欧化学试剂有限公司（均为AR）.
1.2 实验步骤
1.2.1 2－（4，6－二氯－1，3，5－三嗪）－氧乙基三氟乙酸铵的合成
根据文献制得1.54g即2－（4，6－二氯－1，3，5三嗪－2－氧）乙基－氨基甲酸叔丁酯［19］，将其放入到100mL单口瓶中，加入15mL精制的二氯甲烷，电磁搅拌，冰水浴降温至4℃.待体系稳定后加入3mL三氟乙酸，撤去冰水浴，用TLC跟踪检测.反应3.5h完毕后，将溶液旋蒸，留有少量溶剂在乙醚中沉降得白色固体，过滤留下固体，并用50mL乙醚冲洗，将其放入真空干燥箱于40℃干燥6h，得到白色固体2.33g，产率98%.合成路线如图1所示.
图1 2－（4，6－二氯－1，3，5－三嗪）－氧乙基三氟乙酸铵的合成路线Fig.1 Synthesis route of 2－（4，6－dichloro－1，3，5－triazin）－oxygen ammonium trifluoroacetate
1.2.2 2，4－二氯－6－羟乙氨基－1，3，5－三嗪的合成
在100mL圆底烧瓶中加入无水碳酸钾（1.500g，10.8mmol）、精制乙醇胺（0.663g，10.8mmol）和40mL精制四氢呋喃，然后放入低温恒温反应浴，电磁搅拌，待体系温度稳定在－20℃时，向其中缓慢滴加三聚氯氰（2.000g，10.8mmol）的四氢呋喃（20mL）溶液，30min滴加完毕，用TLC监测反应进行程度.反应进行3h有大量新产物生成，升温至－5℃反应2h结束.反应溶液经过滤除去固体物质，在滤液中加入少量硅胶，并在30℃蒸干溶剂，用V（石油醚）∶V（乙酸乙酯）＝11∶5的混合溶剂作为淋洗液过硅胶柱，得纯净产物，并在30℃条件下真空干燥10h，得白色晶体（mp：103.5～104.5℃）1.7g，产率90%.合成路线如图2所示.
图2 2，4－二氯－6－羟乙氨基－1，3，5－三嗪的合成路线Fig.2 Synthesis route of 2，4－dichloro－6－hydroxyethylamino－1，3，5－triazine
2 结果与讨论
2.1 2－（4，6－二氯－1，3，5－三嗪）－氧乙基三氟乙酸铵的合成
2.1.1 反应体系的讨论
表1是制备2－（4，6－二氯－1，3，5－三嗪）－氧乙基三氟乙酸铵时所使用的3种反应体系，其中浓HCl／THF反应体系产率很低，主要是因为目标产物在水中有很大的溶解度，因此反应的后处理会造成产物大量流失.干燥HCl／THF和TFA／CH2Cl2反应体系产率很高，但是干燥HCl／THF体系反应时间过长，制备干燥的HCl比较繁琐.因此TFA／CH2Cl2反应体系比较适合作为反应条件.
表1 制备2－（4，6－二氯－1，3，5－三嗪）－氧乙基三氟乙酸铵的反应时间、产率与反应体系的关系Tab.1 Relationship of reaction time and yield with reaction system in the preparation of 2－（4，6－dichloro－1，3，5－triazin）－oxygen ammonium trifluoro acetate
2.1.2 溶解性
表2是2－（4，6－二氯－1，3，5－三嗪）－氧乙基三氟乙酸铵在常用溶剂中的溶解性对比.
表2 2－（4，6－二氯－1，3，5－三嗪）－氧乙基三氟乙酸铵的溶解性Tab.2 Solubilities of 2－（4，6－dichloro－1，3，5－triazin）－oxygen ammonium trifluoro acetate
2.2 2，4－二氯－6－羟乙氨基－1，3，5－三嗪的合成
2.2.1 缚酸剂对产率的影响
如表3所示，实验采用四氢呋喃作溶剂时，比较了K2CO3，NaOH，NaHCO3，TEA作为缚酸剂对反应产率的影响.实验结果表明采用TEA作为缚酸剂时，在反应过程中生成黏稠的不溶的盐，影响电磁搅拌的速度，并且后处理比较繁琐，致使产物的产率很低.而NaOH的碱性过强，反应过程中生成的副产物也过多，因此也不适合作为此反应的缚酸剂.实验结果表明K2CO3与NaHCO3催化效果较好，生成的副产物较少，产物收率很高.
表3 THF溶液中碱的种类对反应时间和产率的影响Tab.3 Effect of various types of base dependence of reaction time and yield in THF solution
2.2.2 温度和滴加速度对产率的影响
在实验过程中，发现温度和滴加速度对产物产率的影响非常显著.由于三聚氯氰与乙醇胺的反应是放热反应，因此低温有利于反应进行，同时缓慢的滴加速度也可有效提高产率.实验过程中通过TLC监测反应，结果表明当反应开始的时候，温度控制在－20℃时，生成的一取代的产物产率很高.反应末期由于反应物浓度减小，适当的升高温度有利于提高产物产率.
2.2.3 溶解性
如表4所示，2，4－二氯－6－羟乙氨基－1，3，5－三嗪在大多数溶剂中都能溶解.
表4 2，4－二氯－6－羟乙氨基－1，3，5－三嗪在室温条件下的溶解性Tab.4 Solubilities of 2，4－dichloro－6－hydroxyethylamino－1，3，5－triazine
2.3 结构表征
2.3.1 2－（4，6－二氯－1，3，5－三嗪）－氧乙基三氟乙酸铵的红外表征结果
如图3所示，3 441cm－1和1 700cm－1附近是氨基的特征吸收峰，3 000cm－1附近是亚甲基的伸缩振动吸收峰，1 700cm－1附近是羰基吸收峰，而1 600，1 500，1 300cm－1附近是1，3，5－三嗪环骨架振动峰，1 184cm－1应为C－F特征吸收峰，790cm－1附近是C－Cl的特征吸收峰.
图3 2－（4，6－二氯－1，3，5－三嗪）－氧乙基三氟乙酸铵的红外谱Fig.3 FTIR spectrum of 2－（4，6－dichloro－1，3，5－triazin）－oxygen ammonium trifluoroacetate
2.3.2 2，4－二氯－6－羟乙氨基－1，3，5－三嗪的红外表征结果
如图4所示，3 390cm－1附近是－OH的吸收峰，说明有大量羟基存在；3 289cm－1附近和1 615cm－1附近是－NH的伸缩振动吸收峰，2 950cm－1附近是亚甲基的吸收峰，1 500cm－1附近和1 380cm－1是1，3，5－三嗪环骨架的特征吸收峰，614cm－1附近是C—Cl特征吸收峰.
图4 2，4－二氯－6－羟乙氨基－1，3，5－三嗪的红外谱图Fig.4 FTIR spectrum of 2，4－dichloro－6－hydroxyethylamino－1，3，5－triazine
2.3.3 2－（4，6－二氯－1，3，5－三嗪）－氧乙基三氟乙酸铵的1H－NMR谱图表征结果
化学位移2.50处是DMSO溶剂质子峰，3.17处为与－NH3＋相连的亚甲基的质子峰，4.53处为与氧原子相连的亚甲基质子峰，8.20处为－NH3＋上3个H的质子峰.
2.3.4 2，4－二氯－6－羟乙氨基－1，3，5－三嗪的1H－NMR谱图表征结果
化学位移2.50处是DMSO溶剂的质子峰，3.34～3.36处为与－NH相连的亚甲基的质子峰和DMSO溶剂中H2O的质子峰，3.49处是与－OH相连的亚甲基的质子峰，4.76处是氨基的质子峰.由于羟基与氯原子的氢键作用致使羟基质子峰向低场移动，所以图中的9.09处即为羟基的质子峰.
2.3.5 2，4－二氯－6－羟乙氨基－1，3，5－三嗪的13C－NMR谱图表征结果
化学位移39.89～41.14是DMSO溶剂峰，44.40处为与－NH相连的亚甲基的C峰，59.66处是与－OH相连的亚甲基的C峰，166.35处是与－NH相连的三嗪环上的C峰，169.30和170.26处是三嗪环上另外2个C峰.
2.3.6 2，4－二氯－6－羟乙氨基－1，3，5－三嗪的LC－MS谱图表征结果
其模拟相对分子质量为207.99，在液相中3.8min时出峰.由于Cl原子具有35Cl和37Cl 2种同位素，所以实际测得相对分子质量为206.7～211.6.
3 结论
以三聚氯氰和乙醇胺为原料制备了2种新型含三嗪环ABB′活性单体，即2－（4，6－二氯－1，3，5－三嗪）－氧乙基三氟乙酸铵和2，4－二氯－6－羟乙氨基－1，3，5－三嗪，对于2－（4，6－二氯－1，3，5－三嗪）－氧乙基三氟乙酸铵，当采用TFA／CH2Cl2反应体系时，3.6h产率高达98%.对于2，4－二氯－6－羟乙氨基－1，3，5－三嗪，反应温度为－20℃，反应时间为5.5h，K2CO3与NaHCO3催化效果较好，生成的副产物较少，产物收率高达90%.傅里叶变换红外光谱仪（FTIR）、液相色谱－质谱联用仪（LC－MS）和核磁共振光谱仪（NMR）等仪器表征结果证实合成的样品为目标产物，结构正确.
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