1,3,2-二唑噻吩-2,2-二氧化物的合成工艺优化

王培红，张楠，周宝强，高瑞昶（天津大学化工学院，天津 300072）



王培红，张楠，周宝强，高瑞昶
（天津大学化工学院，天津 300072）

摘要：以乙二醇和二氯亚砜为原料，在多相催化剂三氯化钌和氧化剂作用下合成1,3,2-二唑噻吩-2,2-二氧化物。用1H核磁共振谱和红外吸收光谱对1,3,2-二唑噻吩-2,2-二氧化物进行了表征。考察了氧化剂种类、原料摩尔比、反应温度、反应时间、氧化剂用量和催化剂用量对目标产物收率的影响，得到较优的操作条件为：用高碘酸钠作氧化剂、n(二氯亚砜)∶n(乙二醇)=1.2∶1、反应温度40℃、反应时间60min、m(高碘酸钠)∶m(乙二醇)=3∶1、催化剂用量为乙二醇质量的0.2%。在此条件下，收率达81.25%。该工艺在合成路线方面具有副产少、毒性小、收率高的优点，具有更好的实际应用价值。

关键词：乙二醇；1,3,2-二唑噻吩-2,2-二氧化物；氧化；合成；优化

第一作者：王培红（1989—），女，硕士研究生。联系人：高瑞昶，副教授。E-mail pharmacy@tju.edu.cn。

目前，工业上通常在室温下以环氧化合物和SO2为原料，在溴化四乙胺的催化下生成中间体聚合物，加热至110～120℃，转化为相应的1,3,2-二氧硫杂戊烷-2-氧化物，然后在催化剂和氧化剂作用下合成产品。该工艺反应温度高，且产品采用乙醚萃取，毒性大。针对原工艺存在的问题和二氯亚砜在有机合成中的重要作用[6-9]，本工作以乙二醇和二氯亚砜为原料，以二氯甲烷作反应溶剂和萃取剂，三氯化钌作多相催化剂，高碘酸钠作氧化剂，合成1,3,2-二唑噻吩-2,2-二氧化物。由于反应体系分层，使用多相催化剂三氯化钌可明显提高反应速率，缩短反应时间；反应温度为40℃，与工业上相比大大降低了能耗；期间用碱液吸收生成的氯化氢气体；在整个反应中使用二氯甲烷一种溶剂，可回收套用，且避免使用乙醚，降低了反应成本与操作毒性。

在确定工艺的基础上，通过单因素实验，考察了氧化剂种类、原料摩尔比、反应温度、反应时间、氧化剂用量和催化剂用量对目标产物收率的影响，得到了较优的操作条件。

1　实验原理

本文首先将乙二醇与二氯亚砜反应制得1,3,2-二氧硫杂戊烷-2-氧化物，生成的1,3,2-二氧硫杂戊烷-2-氧化物以三氯化钌作催化剂、在氧化剂的作用下进行氧化反应，合成产物1,3,2-二唑噻吩-2,2-二氧化物。方程式如式(1)、式(2)。

2　实验部分

2.1试剂与仪器

乙二醇、二氯亚砜、次氯酸钠、二氯甲烷、氢氧化钠，AR，天津市元立化工有限公司；三氯化钌、高锰酸钾、高碘酸钠，AR，天津市光复精细化工研究所。

TD6001电子天平，天津市天马仪器厂；恒温冷却液循环泵，巩义市英峪高科仪器厂；DF-101S恒温加热磁力搅拌器，郑州世纪双科实验仪器有限公司；旋转蒸发器，上海亚荣生化仪器厂；GC9750气相色谱仪（TCD 检测器），浙江福立分析仪器有限公司；X-4数字显示显微熔点测定仪，北京泰克仪器有限公司；TENSOR 27 傅里叶变换红外光谱仪，德国Bruker；AVANCE Ⅲ液体核磁共振仪，瑞士Bruker。

2.2实验步骤

向装有温度计、磁力搅拌器、恒压滴液漏斗、低温回流冷凝管和尾气处理的四口烧瓶中加入66mL二氯甲烷和一定量的乙二醇，室温下滴加二氯亚砜，通过控制滴速，用约1h的时间滴完。滴加完毕，在一定的温度下反应。反应一定时间后，停止反应。将反应液冷却至室温，随后加入100mL水、66mL二氯甲烷、三氯化钌、氧化剂，在常温下搅拌1.5h。将得到的反应液用一定量的二氯甲烷多次萃取，分液得到有机相，先后用水、饱和碳酸氢钠、饱和食盐水洗涤，将有机相旋蒸后得粗品为白色晶体，柱层析后得终产品，即为1,3,2-二唑噻吩-2,2-二氧化物。

2.3产品检测

终产品用气相色谱峰面积归一化法测得其质量分数为99.1%，气相色谱条件为：氢火焰检测器; 色谱柱为HP-1，柱长30m，内径0.25mm; 载气为氮气; 汽化室温度240℃，检测器温度240℃，柱温210℃。并采用熔点仪、红外、核磁对产物1,3,2-二唑噻吩-2,2-二氧化物进行了表征。

3　结果与讨论

3.1氧化剂种类对产品收率的影响

固定n(二氯亚砜)∶n(乙二醇)=1∶1，在反应温度为20℃、反应时间为40min、催化剂用量为乙二醇质量的0.1%，m(高碘酸钠)∶m(乙二醇)=5∶1的条件下，考察不同氧化剂对目标产物收率的影响，结果见表1。

表1　不同氧化剂对产品收率的影响

由表1可以看出，使用次氯酸钠作氧化剂时，收率最高，这是因为次氯酸钠能同时氧化未反应完的乙二醇为乙二醛（白色固体），产品中杂质高。高锰酸钾作氧化剂时收率低，且被还原物为二氧化锰，堵塞分液漏斗。而高碘酸钠作氧化剂时，虽收率不是最高，但从工艺和产品纯度上考虑，合适的氧化剂是高碘酸钠。

3.2原料摩尔比对产品收率的影响

固定乙二醇的用量为0.1mol（6.21g），在反应温度为20℃、第一步反应时间为40min、催化剂用量为乙二醇质量的0.1%，m(高碘酸钠)∶m(乙二醇)=5∶1的条件下，考察n(二氯亚砜)∶n(乙二醇)对目标产物收率的影响，结果见图1。

由图1可知，n(二氯亚砜)∶n(乙二醇)的值越低，1,3,2-二唑噻吩-2,2-二氧化物的收率也越低。产品随着二氯亚砜用量的增加而变大，但是当超过1.2∶1时，产品收率反而下降。这是因为二氯亚砜浓度增大时，副反应氯取代增强，使收率下降，故最佳原料摩尔比是1.2∶1。

图1　原料摩尔比对产品收率的影响

3.3反应温度对产品收率的影响

在n(二氯亚砜)∶n(乙二醇)=1.2∶1，反应时间为40min、催化剂用量为乙二醇质量的0.1%，m(高碘酸钠)∶m(乙二醇)=5∶1的条件下，考察反应温度对目标产物收率的影响，结果见图2。

图2　反应温度对产品收率的影响

3.4反应时间对产品收率的影响

在n(二氯亚砜)∶n(乙二醇)=1.2∶1，反应温度为40℃、催化剂用量为乙二醇质量的0.1%，m(高碘酸钠)∶m(乙二醇)=5∶1的条件下，考察反应时间对目标产物收率的影响，结果见图3。

图3　反应时间对产品收率的影响

由图3可知，反应时间太短，反应不完全，导致收率较低，产品收率随反应时间的延长而变大，但是反应时间超过60min后，收率增加不明显。为了降低能源消耗，最优的反应时间取60min。

3.5氧化剂用量对产品收率的影响

在n(二氯亚砜)∶n(乙二醇)=1.2∶1、反应时间为60min、反应温度为40℃、催化剂用量为乙二醇质量的0.1%的条件下，考察氧化剂高碘酸钠用量对目标产物收率的影响，结果见图4。

图4　氧化剂用量对产品收率的影响

3.6催化剂用量对产品收率的影响

在n(二氯亚砜)∶n(乙二醇)=1.2∶1、反应时间为60min、反应温度为40℃、m(高碘酸钠)∶m(乙二醇)=3∶1的条件下，考察催化剂三氯化钌用量对目标产物收率的影响，结果见图5。

图5　催化剂用量对产品收率的影响

到此本工艺的操作条件已优化完毕，较优的操作条件是：用高碘酸钠作氧化剂、n(二氯亚砜)∶n(乙二醇)=1.2∶1、反应温度40℃、反应时间60min、m(高碘酸钠)∶m(乙二醇)=3∶1、催化剂用量为乙二醇质量的0.2%。在此操作条件下1,3,2-二唑噻吩-2,2-二氧化物的收率为81.25%。本工艺用碱液吸收氯化氢，简单易行，安全环保，采用的所有原料及溶剂均为价廉易得的商品化试剂，成本较低，反应温度温和可控，反应更充分，同时提高了收率。

3.7产品分析鉴定

产物为白色晶体，熔程测定值为97～98℃，与文献值[12]基本一致。

采用KBr压片法测定产品的红外吸收光谱，结果见图6。

图6　产品的红外光谱

由图6可知，各个吸收峰归属如下：650cm−1处的吸收峰对应S—O键的伸缩振动峰，786cm−1、874cm−1、904cm−1和1008cm−1处的吸收峰为C—O键的伸缩振动峰，1121cm−1处的吸收峰对应砜S=O键的伸缩振动峰，1203cm−1和1378cm−1处的吸收峰表明产物结构中存在R—O—SO2—O—R结构，1475cm−1处的吸收峰为芳杂环的环伸缩振动峰，2924cm−1、2999cm−1和3067cm−1处的吸收峰则为—CH2(环)中C—H键的伸缩振动。这与文献[13]中具有相似结构的物质一致。

以CDCl3为溶剂，四甲基硅烷（TMS）为内标物，扫描频率为400MHz，测定产品的核磁共振氢谱，各个质子的化学位移归属为：7.26（s，1H，CDCl3），4.76（s，4H）。

4　结　论

（1）以乙二醇、二氯亚砜为原料，三氯化钌为催化剂，高碘酸钠为氧化剂合成了1,3,2-二唑噻吩-2,2-二氧化物。该工艺原料价廉易得，均为常用试剂，成本低，毒性小；生成的氯化氢气体用碱液吸收，保护环境；反应温和可控，反应时间短，收率高，是一项富有前景的1,3,2-二唑噻吩-2,2-二氧化物合成工艺。

（2）用红外光谱和核磁共振谱对产物进行了表征。单因素实验结果表明，较优的合成条件为用高碘酸钠作氧化剂、n(二氯亚砜)∶n(乙二醇)=1.2∶1、反应温度40℃、反应时间60min、m(高碘酸钠)∶m(乙二醇)=3∶1、催化剂用量为乙二醇质量的0.2%，收率为81.25%。

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·产品信息·

Optimization of the synthesis of 1,3,2-dioxathiolane 2,2-dioxide

WANG Peihong，ZHANG Nan，ZHOU Baoqiang，GAO Ruichang
（School of Chemical Engineering and Technology，Tianjin University，Tianjin 300072，China）

Abstract：1,3,2-dioxathiolane -2,2-dioxide was synthesized by ethylene glycol and thionyl chloride，with the heterogeneous catalyst of ruthenium(III) chloride and various oxidants. The product was characterized by1H NMR and IR spectra. The effects of different oxidants，molar ratio of raw materials，reaction temperature，reaction time，and the amount of oxidants and catalyst on the yield of target product were investigated. The optimal reaction conditions were determined as：n(thionyl chloride)∶n(ethylene glycol)=1.2∶1，m(sodium periodate)∶m(ethylene glycol)=3∶1，m(catalyst)∶m(ethylene glycol)=0.002∶1 and the reaction were carried out at 40℃ for 60 min using sodium periodate as oxidant. The yield of the product could reach 81.25% under the above optimal reaction conditions. The new process has the advantages of fewer by-products，lower toxicity and higher yield and therefore are more valuable in practical application.

Key words：ethylene glycol; 1,3,2-dioxathiolane-2,2-dioxide; oxidation; synthesis; optimization

收稿日期：2015-04-27 ；修改稿日期：2015-06-19。

DOI：10.16085/j.issn.1000-6613.2016.01.033

中图分类号：TQ 252.9

文献标志码：A

文章编号：1000–6613（2016）01–0243–05