3，4－乙撑二氧噻吩的合成工艺研究进展

许晓俊，鲁华胜，杭颖，付玉军，殷恒波，王爱丽

（1丹阳市环境监测站，江苏 丹阳212300；2江苏大学化学化工学院，江苏 镇江212013）

自从发现聚乙炔具有高电导率以来，导电聚合物这个领域就引起了科学家们的广泛关注［1－2］。20世纪80年代，德国拜尔公司成功地开发了聚乙撑二氧噻吩（PEDOT）［3］。研究发现PEDOT的掺杂态具有电导率高［4］、环境热稳定性好［5，6］、不易被氧化、成膜性好［7］等特点。PEDOT在抗静电涂层、固体电解电容器、通孔线路板电镀以及光伏电池等领域具有良好的应用前景［7－17］。PEDOT是由单体3，4－乙撑二氧噻吩（EDOT）采用化学氧化聚合 或电化 学 聚 合 制 得［6，17－21］。随 着PEDOT在 工 业领域的应用不断深入，极大的促进了低成本、高收率新的EDOT合成工艺研究开发。

本文总结近期合成EDOT的研究成果，分析了以价廉、易得的氯乙酸乙酯为原料合成EDOT的新“五步法”合成路线。通过对新“五步法”中各步骤技术路线进行总结评述，提出了各步最佳合成路线与条件，为EDOT研究开发提供借鉴。

1 EDOT合成方法

1.1 硫代二甘酸为原料EDOT传统“五步合成法”

目前，合成EDOT的方法主要有三种。第一种是Stenger－Smith［2］在1998年提出来的以硫代二甘酸为起始原料的传统“五步法”合成方法。该方法经酯化、酯缩合、烷基化、水解与脱羧合成3，4－乙撑二氧噻吩。该方法主要合成路线如图1。

图1 五步法合成EDOT的工艺路线

传统“五步法”合成EDOT的工艺反应路线较长，制备中间体的o－烷基化反应和脱羧反应的收率不高，导致EDOT总收率太低，约为18%。由于收率低的原因，目前该法仅用于实验室合成少量EDOT，未形成规模化工业生产。

Caras－Quintero等［22］采用2，5－二羧酸二乙酯－3，4－二羟基噻吩和乙二醇反应，在含有三丁基膦和偶氮二异丙基二羧酸的四氢呋喃溶剂体系中于40℃下进行40～48h可直接合成EDOT，收率高达80%。该方法将传统五步合成法中的后三步合为一步，但是，该反应使用沸点低、毒性大、易燃易爆的四氢呋喃为溶剂，且使用毒性大、遇空气易燃的三丁基膦为催化剂，给工业生产带来了困难。

1.2 噻吩为原料EDOT“四步合成法”

第二种是“四步法”［21，23］。以噻吩为原料，通过溴代、选择性脱溴、甲氧基取代溴和醚交换等过程合成EDOT。合成路线如图2。

图2 四步法合成EDOT的工艺路线

该方法的优点是工艺路线较短，但是在实际操作中存在很大的困难。首先，1mol噻吩和2mol溴进行溴化反应，然后又要将2、5位的溴脱掉，同时释放有毒的溴化氢气体，造成了原料浪费。其次，反应后的产物中可能存在多种化合物，分离提纯困难。因此，难以按照该路线进行工业规模生产。

1.3 2，3－二甲氧基－1，3－丁二烯为原料EDOT“二步合成法”

第三种方法是瑞典科学家Fredrik等［24］于2004年提出的一种制备EDOT的方法，称为“二步法”。合成路线如图3。

图3 二步法合成EDOT的工艺路线

该合成路线与传统工艺有很大不同，原料和反应步骤都有很大改变，具有路线短、反应收率较高（两步总收率可达39%）等优点。但是，此法起始原料2，3－二甲氧基－1，3－丁二烯，合成难度大、收率低。另外，中间产物3，4－二甲氧基噻吩是一个十分不稳定化合物，必须在低温、惰性气体的条件下保存，这些问题给工业规模生产带来了困难。

1.4 氯乙酸乙酯为原料EDOT新“五步合成法”

在传统“五步法”的基础上，研究人员［25－27］近期提出以价廉、易得的氯乙酸乙酯为原料，经亲核取代、酯缩合、烷基化、水解与脱羧等反应合成EDOT的新“五步法”合成路线（如图4所示）。

研究人员对EDOT新“五步法”中各反应步骤的最优条件进行了详细研究，各步采用了价廉易得的原料，反应条件温和，具有高的产物收率，且各步反应对环境危害性小。现将EDOT新“五步法”研究成果总结如下。

图4 以氯乙酸乙酯为原料五步法合成EDOT的工艺路线

2 氯乙酸乙酯为原料EDOT新“五步合成法”研究进展

2.1 硫代二甘酸二乙酯的合成

Singh等［28］采用硫代酰胺和氯乙酸乙酯进行反应制备硫代二甘酸二乙酯，该方法使用醇钠作为催化剂，成本较高。文献［29－30］以氯乙酸乙酯与硫化钠反应合成硫代二甘酸二乙酯，反应时间短，收率可达62%，反应机理如图5所示。该反应是一个双分子亲核取代反应，即SN2反应［31］。

图5 硫代二甘酸二乙酯合成机理

廖喜慧等［32］对氯乙酸乙酯与硫化钠反应合成硫代二甘酸二乙酯进行了详细研究，提出最优合成条件如下：向带有电动搅拌、回流冷凝管及温度计的三口烧瓶中依次加0.75mol Na2S·3H2O和250mL环己烷。将三口烧瓶置于冰水浴中，缓慢滴加1mol氯乙酸乙酯，约30min滴完，加热升温至回流温度，反应4h。将滤液减压蒸馏，收集160℃以上的馏分。硫代二甘酸二乙酯产品质量为83.7g，收率达81.3%，GC分析产品纯度大于99%。

反应条件对硫代二甘酸二乙酯收率的影响总结如下［25，32］。①溶剂要选用非水溶剂，如甲苯、环己烷或环戊烷等。若使用水为溶剂，碱性条件下会导致氯乙酸乙酯水解，硫代二甘酸二乙酯收率降至65%以下。考虑成本与分离问题，可使用环己烷为溶剂。②硫化钠分为无水硫化钠、工业硫碱（Na2S·3H2O）与九水硫化钠，硫化钠原料含水量低有利于硫代二甘酸二乙酯生成。使用九水硫化钠为原料，硫代二甘酸二乙酯收率降至70%以下。③当氯乙酸乙酯完全反应后，继续加热则会导致硫代二甘酸二乙酯发生水解，并伴有副反应发生，生成一硫代产物，降低产物收率。④氯乙酸乙酯与硫化钠反应剧烈，低温加料（5～15℃）并反应一段时间再升温可防止发生剧烈反应。

2.2 2，5－二羧酸二乙酯－3，4－二羟基钠噻吩的合成

2，5－二羧酸二乙酯－3，4－二羟基钠噻吩是合成EDOT单体的重要中间体，它本身及其衍生物还是一种有效的抗癌药物［33－34］，在医药领域有着广泛的应用。乙醇钠催化作用下，草酸二乙酯同硫代二甘酸二乙酯发生成环反应，2，5－二羧酸二乙酯－3，4－二羟基钠噻吩收率高于90%［35－36］。硫代二甘酸二乙酯、草酸二乙酯与乙醇钠反应合成2，5－二羧酸二乙酯－3，4－二羟基钠噻吩的反应机理如图6所示。

硫代二甘酸二乙酯、草酸二乙酯与乙醇钠反应合成2，5－二羧酸二乙酯－3，4－二羟基钠噻吩的最优合成条件如下［25，37］。在装电动有搅拌、回流冷凝管和温度计的三口烧瓶中，将0.6mol乙醇钠溶于无水乙醇。然后将0.24mol硫代二甘酸二乙酯、0.3mol草酸二乙酯和60mL无水乙醇混合液缓慢滴入烧瓶中，约60min滴加完毕。升温至回流，继续反应4h后停止加热。过滤收集滤饼，真空干燥，得黄色固体即为2，5－二羧酸二乙酯－3，4－二羟基钠噻吩。收率高达98.4%，HPLC分析产品纯度大于99.5%。

图6 2，5－二甲酸二乙酯－3，4－二羟基钠噻吩的合成机理

反应条件对2，5－二羧酸二乙酯－3，4－二羟基钠噻吩合成影响总结如下［25，35－37］。①乙醇钠含量高有利于2，5－二甲酸二乙酯－3，4－二羟基钠噻吩生成。这是因为硫代二甘酸二乙酯在乙醇钠提供的碱性环境下失去α氢，易与草酸二乙酯反应。乙醇钠略微过量时，可使反应环境始终为碱性，保证最后产物为钠盐。②反应温度高有利于反应的进行。③反应中有乙醇生成，乙醇为溶剂较经济。

2.3 2，5－二甲酸二乙酯－3，4－乙撑二氧噻吩的合成

2，5－二甲酸二乙酯－3，4－乙撑二氧噻吩可分别以2，5－二甲酸二乙酯－3，4－二羟基噻吩或2，5－二甲酸二乙酯－3，4－二羟基钠噻吩为原料与1，2－二氯乙烷经烷 基化反应生 成［25，26，38－41］。钠 盐 为 原 料 避 免 了 酸 化处理导致的原料损失。2，5－二甲酸二乙酯－3，4－二羟基钠噻吩为原料，相转移催化剂与KI催化合成2，5－二甲酸二乙酯－3，4－乙撑二氧噻吩的反应机理如图7所示［41］。

图7 2，5－二甲酸二乙酯－3，4－乙撑二氧噻吩的合成机理

2，5－二甲酸二乙酯－3，4－二羟基噻吩为原料合成2，5－二甲酸二乙酯－3，4－乙撑二氧噻吩的典型方法如下［26］：0.02mol四正丁基溴化铵，0.20mol 2，5－二甲酸二乙酯－3，4－二羟基噻吩，600mL 1，2－二氯乙烷，0.50mol无水碳酸钾，0.02mol碘化钾，反应温度84℃（回流温度），反应时间7h时。2，5－二甲酸二乙酯－3，4－二羟基噻吩转化率为98.3%，2，5－二甲酸二乙酯－3，4－乙撑二氧噻吩收率为97.1%。

以2，5－二甲酸二乙酯－3，4－二羟基钠噻吩为原料合成2，5－二甲酸二乙酯－3，4－乙撑二氧噻吩的最优合成条件如下［41］：在装有电动搅拌、回流冷凝管和温度计的烧瓶中，加入0.02mol 2，5－二羧酸二乙酯－3，4－二羟基钠噻吩，0.003mol四丁基溴化铵，0.002mol碘化钾和60mL 1，2－二氯乙烷。搅拌并升温到回流温度，反应8h。经过滤、减压蒸馏、真空干燥即得产物。该步反应钠盐转化率高于97%，产物选择性大于98%。

反应条件对合成2，5－二甲酸二乙酯－3，4－乙撑二氧噻吩的影响总结如下［25－26，38－41］。①以2，5－二甲酸二乙酯－3，4－二羟基噻吩为原料时，需要加入一定量的K2CO3，中和生成的HCl。2，5－二甲酸二乙酯－3，4－二羟基噻吩的生成需要将其钠盐进行酸化，过程繁杂。②以2，5－二甲酸二乙酯－3，4－二羟基钠噻吩为原料时，采用有机胺如四丁基溴化铵为相转移催化剂，KI为助催化剂可以获得较高的产物收率，避免了原料酸化过程。③2，5－二甲酸二乙酯－3，4－二羟基钠噻吩为原料合成2，5－二甲酸二乙酯－3，4－乙撑二氧噻吩是一条经济的合成路线。

2.4 2，5－二甲酸－3，4－乙撑二氧噻吩的合成

2，5－二甲酸－3，4－乙撑二氧噻吩合成路线如图8所示。

图8 2，5－二甲酸－3，4－乙撑二氧噻吩合成路线

2，5－二甲酸二乙酯－3，4－乙撑二氧噻吩在碱催化剂作用下水解合成2，5－二甲酸－3，4－乙撑二氧噻吩钠盐，钠盐酸化后生成2，5－二甲酸－3，4－乙撑二氧噻吩，反应比较彻底［27］。例如，0.01mol 2，5－二羧酸二乙酯－3，4－乙撑二氧噻吩，0.05mol NaOH和20mL蒸馏水，回流反应3h。反应完毕后用稀硫酸进行酸化调节pH＝1～2，析出灰色产物。经过滤、水洗、干燥后得2，5－二甲酸－3，4－乙撑二氧噻吩，产率高达92%，HPLC分析，产品纯度大于99%。

2.5 3，4－乙撑二氧噻吩（EDOT）的合成

2，5－二甲酸－3，4－乙撑二氧噻吩脱羧合成EDOT路线如图9所示。

图9 3，4－乙撑二氧噻吩合成路线

由2，5－二甲酸－3，4－乙撑二氧噻吩合成EDOT是个典型的脱羧反应。以二甲基亚砜为溶剂，传统热裂解高温脱羧合成EDOT收率仅为38.5%［25］。尽管报道［25］称熔融NaCl／AlCl3为溶剂时EDOT收率高于57.2%。但是，该方法条件控制相对苛刻，易于出现结焦现象。

脱羧过程中采用铜催化剂明显提高EDOT的收率。Baik等［42］发现以二甲亚砜或乙二醇为溶剂，铜粉为催化剂，460g 2，5－二羧酸－3，4－乙撑二氧噻吩在120～140℃反应6～8h，可制备纯度98%以上 的EDOT约280g。石贞香［27］研 究 发 现，0.005mol 2，5－二甲酸－3，4－乙撑二氧噻吩为原料，5mL二甲基甲酰胺为溶剂，0.1g铜粉与氧化铜混合物（铜粉∶氧化铜＝1∶1）为催化剂，在氮气保护下，120℃反应12h，EDOT产率高达77%。经HPLC分析，产品纯度大于99%。Cu／CuO催化法是相对高效的2，5－二甲酸－3，4－乙撑二氧噻吩脱羧合成EDOT方法。

3 结 论

由于PEDOT及其衍生物的特殊结构和性质，以及随着物理改性技术和化学修饰的不断改进，带来了导电聚合物的迅速发展，其应用领域也不断得到拓宽和更新，然而合成PEDOT需要大量的单体EDOT，这就导致单体EDOT的需求越来越大。本文总结评述了多位研究者的最新研究成果，提出了合成EDOT新“五步法”中各步反应的最优路线与条件。

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