N,N-二(2-氨乙基)-1,2-乙二胺的制备

叶明富, 王苗苗, 夏国威, 许立信,, 宋丰发, 孔祥荣

(1. 安徽工业大学 化学与化工学院, 安徽 马鞍山 243002; 2. 中国地质大学 纳米矿物材料及应用教育部工程研究中心, 湖北 武汉 430074;3. 安徽工大化工科技有限公司, 安徽 马鞍山 243002;4. 北京建筑材料科学研究总院有限公司, 北京 100141)

N,N-二(2-氨乙基)-1,2-乙二胺,亦称之为三(2-氨基乙基)胺、三(2-氨乙基)胺等,英文名tris(2-aminoethyl)amine(简称TREN),分子式为C6H18N4,是易溶于水的黄色透明液体,沸点为114 ℃(1.995 kPa).其突出的结构特点是分子结构为支链型对称结构,分子中含有4个氮原子,配位能力强,可以用作金属螯合剂[1]、树脂固化剂[2]、催化剂[3]等,且还可作为穴状配体的结构单元和有机非离子超强碱的前体,是一种重要的有机胺及化工中间体[4-6].

近年来,对公众健康和环境有害的微量元素的毒性和作用引起了环保和营养领域的更多关注,因此要求能够快速灵敏地测定它们.传统的金属离子分离法通常需要大量高纯度有机溶剂,其中一些溶剂对人体健康有害并会造成环境问题[7-8].树状配体是一种具有三维结构的新型有机配体,具有2个或多个摆臂,基于臂的官能团,它可以与不同半径的金属离子配位,对金属离子具有高选择性.TREN是具有4个氮原子的树状配体的实例,已经被证实对金属离子具有很好的吸附性能[9];Hakim等[2]在实验中合成了用TREN部分官能团的交联壳聚糖(CCTS),以改善壳聚糖从水溶液中吸附汞等重金属离子的选择性,还证明了合成树脂用于汞金属含量测定的潜力;Raytchev等[3]通过TREN合成了含磷原子二环有机非离子超强碱(Proazaphosphatrane),又称Verkade Base.该物质是由Verkade等人首次提出,具有催化作用且适用于多种反应,其催化的有机反应通常产品纯度都高,副产物少,因此在有机合成反应中作用显著[4].

关于TREN的合成方法,文献报道主要有3种:1)首先通过邻苯二甲酰胺制备得到邻苯二甲酰亚胺钾,然后与原料1,2-二溴乙醚通过在高温下与氨气反应制得含三邻苯二甲酰亚胺基的中间体,最后通过酸解制得TREN[10];2)用三乙醇胺与二氯亚砜在氯仿中反应制备三(2-氯乙基)胺盐酸盐,然后与邻苯二甲酰亚胺钾在二甲基甲酰胺中反应得到TREN的盐酸盐,最后在甲醇中用氢氧化钾中和得到TREN[11];3)以三乙醇胺与氯化亚砜为原料,在氯仿溶液中,经氯代反应,得三(2-氯乙基)胺盐酸盐,然后与六次甲基四胺经德尔宾反应(Delépine reaction),得TREN[12].另外,工业级三乙烯四胺中含有少量TREN,可分离提取得到[13].以上合成方法存在反应路线长,操作条件要求较高,选取药品价格高,反应速率慢或产品产率较低等问题,有待优化.针对这一问题[10-12],本文遴选出了一种新的简单的合成方法,改进了中间体三(2-氯乙基)胺盐酸盐的合成过程,并探索了体系的反应时间、反应温度、反应溶剂和氨水用量对反应的影响[14-15],且对反应中间体三(2-氯乙基)胺盐酸盐和目标产物TREN进行了核磁、质谱、气相色谱表征.合成的有机物产率的计算方法如式(1)所示,合成路线如图1所示.

产率

图1 TREN合成路线Fig.1 Synthesis route of TREN

1 实 验

1.1 主要仪器与试剂

3200Q TRAP型液相色谱-串联质谱联用仪(上海ABSCIEX公司)(仪器只单独用质谱部分做检测);DRX300型核磁共振光谱仪(瑞士Bruker公司);GC99型气相色谱仪(杭州浩海科技有限公司); RE-52A型旋转蒸发仪(上海亚荣生化仪器厂).

三乙醇胺、氯化亚砜、N,N-二甲基甲酰胺(英文N,N-dimethylformamide,简称DMF)、乙醇、甲醇、乙二醇、三氯甲烷、氨水(质量分数25%～28%)(以上试剂均为分析纯,国药集团化学制剂有限公司生产),使用前未作处理.

1.2 步 骤

1.2.1 中间体三(2-氯乙基)胺盐酸盐的合成

取160 g(1.345 mol)氯化亚砜试剂于1 L圆底烧瓶中,将63 g(0.42 mol)三乙醇胺和50 mL DMF溶剂混合后置于漏斗中,然后配制氢氧化钠溶液作为尾气处理液,用导管依次连接冷凝管,防倒吸装置以及尾气吸收装置.常温搅拌下,缓慢滴加混合液于圆底烧瓶中与氯化亚砜反应,滴加速度控制在1滴/s,滴加过程中有大量气体产生,滴加结束后,升温至65 ℃继续搅拌反应5 h,反应液变成深褐色,将反应液倒入装有等体积无水乙醇的烧杯中,低温下冷却静置24 h,有中间体白色晶体析出.对反应液进行抽滤处理后用无水乙醇洗涤3次,滤液继续冷藏使析出固体,收集这些固体中间体在60 ℃下干燥10 h,实际得到81.5 g产品,按图1中第1步的化学方程式计算理论值为101.8 g,根据式(1)计算,产率为80.05%.

合成的中间体三(2-氯乙基)胺盐酸盐进行了核磁共振表征,核磁共振氢谱为:1H NMR(400 MHz,DMSO-d6).

1.2.2 产物TREN的合成

取100 g(0.4 mol)中间体三(2-氯乙基)胺盐酸盐与360 g(5.2 mol)氨水于1 L圆底烧瓶中,加入200 mL无水乙醇,60 ℃下搅拌反应24 h,反应液逐渐变为橙黄色.35 ℃左右对反应液减压旋蒸处理,去除多余的氨水,加入100 mL无水乙醇低温下(约-18 ℃)冷却析出NH4Cl固体,抽滤后用无水乙醇洗涤3次并收集滤液,40 ℃减压旋蒸滤液除去无水乙醇,得N,N-二(2-氨乙基)-1,2-乙二胺盐酸盐,加入适量去离子水溶解后,加入氢氧化钠固体,调节pH值至约为11,取200 mL异丙醇萃取溶液3次,收集上层液体,40 ℃下减压旋蒸上层液回收异丙醇,实际得到44.5 g产品,按图1中第2步和第3步的化学方程式计算理论值为59.3 g,根据式(1)计算,产率为75.04%.加热回流反应装置如图2所示.

图2 反应装置Fig.2 Reaction device

合成的产品TREN分别进行了核磁共振光谱表征,核磁共振氢谱为:1H NMR(400 MHz,DMSO-d6);质谱表征;气相色谱表征.气相色谱测试条件:检测器为FID检测器,检测器温度为250 ℃;进样口温度为260 ℃;柱箱温度为210 ℃.升温程序:初始温度60 ℃,停留1 min,30 ℃·min-1升到250 ℃,15 min结束分析.实验取一定量的产物TREN于离心管中,后用乙醇稀释,将1 μL进样器用乙醇洗涤5次后用待测组分洗涤3次,取0.1 μL样品进样.

2 结果与讨论

实验主要以TREN产率(根据式(1)计算得到)为考核指标, 分别考查氨水用量、 反应温度、 反应时间、 反应溶剂4个因素对反应的影响.

2.1 氨水用量对产物TREN产率的影响

当该反应使用氨水作为氨解剂时,理论上n(氨水)∶n(三(2-氯乙基)胺盐酸盐)=5,但实际比例一般在10～40.过量的氨解剂不仅可以提高原料中间体和反应产物的溶解度,而且可以减少副产物的产生.为探索氨水用量对TREN产率的影响,实验过程中以TREN产率为考核指标,令三(2-氯乙基)胺盐酸盐为1 mol,分别取原料氨水与三(2-氯乙基)胺盐酸盐摩尔比为5、10、15、20、25、30、35、40,以无水乙醇为溶剂,60 ℃下搅拌反应1 d,氨水用量对产物TREN产率的影响结果如图3所示.

图3 氨水用量对TREN产率的影响Fig.3 The effect of ammonia dosage on TREN yield

由图3可知,氨水用量在5～30 mol时,TREN的产率随着氨水用量的增加而提高,当氨水的用量为理论用量5 mol时,反应并未得到产物,当氨水的用量达到30 mol时,TREN的产率达到最高值,但当氨水的用量高于30 mol时,产物产率开始下降,分析原因可能为氨水用量过高,导致后期提纯处理时操作难度提高,产物损失增大,从而降低了产物产率.因此该TREN合成实验原料氨水与中间体三(2-氯乙基)胺盐酸盐的最佳摩尔比为30.

2.2 反应温度对产物TREN产率的影响

反应温度对氨基化反应有很大的影响,通常随着反应温度的升高,反应速率会加快,产物产率增加,但是随着反应温度升高,氨水中NH3的溶解度会降低,从而影响产物产率.实验以n(氨水)∶n(三(2-氯乙基)胺盐酸盐)=30为反应模板,溶剂为无水乙醇,在不同反应温度下搅拌反应1 d,考察反应温度对TREN产率的影响,结果如图4所示.

由图4可知,在温度为25～65 ℃时,TREN的产率随着反应温度的增加而缓慢提高,当反应温度达到65 ℃时,TREN的产率最高,但当反应温度高于65 ℃时,产物的产率开始下降,推测原因可能为当反应温度过高时,氨水中NH3溶解度降低影响反应速率,同时,温度升高也增大了副反应的反应速率,增加了副产物的生成.因此实验的最佳温度为65 ℃.

2.3 反应时间对产物TREN产率的影响

实验取n(氨水)∶n(三(2-氯乙基)胺盐酸盐)=30为反应模板,溶剂为无水乙醇,在65 ℃下搅拌反应.不同时间下取样,使用气相色谱仪检测TREN的含量,所得反应时间对TREN产率的影响结果如图5所示.

图5 反应时间对TREN产率的影响Fig.5 Effect of reaction time on TREN yield

由图5可知,反应时间在4～12 h时,TREN的产率随反应时间的增加逐渐提高.在4～10 h的过程中,TREN的产率随时间的增加增大较快,当反应时间达到12 h时,TREN的产率达到最高,但当反应时间大于12 h时,TREN的产率随时间的变化很小.因此实验的最佳反应时间为12 h.

2.4 溶剂的选择及其质量分数对TREN产率的影响

溶剂作为反应介质,其种类与用量的选择对产物产率会带来一定程度的影响.因此,除了上述氨水用量、反应温度以及反应时间3种因素外,实验还考察了乙醇、甲醇、乙二醇、三氯甲烷4种溶剂对反应产物TREN产率的影响,实验数据见表1,由表可知不同溶剂在上述最佳反应条件下反应得到的产品TREN产率不同,以乙醇作为溶剂,TREN的产率高于其他几种溶剂下反应TREN的产率.因此选择乙醇为最佳反应溶剂.

在反应过程中,以乙醇为溶剂,其他条件不变,加入不同质量乙醇调节其在总反应体系(包含氨水、三(2-氯乙基)胺盐酸盐、乙醇3种成分)中所占质量分数,实验结果如图6所示,当乙醇质量分数在10%～30%时TREN的产率逐步升高,当乙醇质量分数为30%时,TREN的产率达到最高点,但乙醇在总反应体系中的质量分数超过30%后,产物产率反而呈下降趋势.分析原因可能是溶剂量太大,导致反应物间碰撞减少,产率降低,但溶剂量太小,又会导致反应体系散热困难,副产物增加,产率偏低,所以,溶剂的质量分数选取30%较合适.

表1 不同溶剂及其质量分数对TREN产率的影响Table 1 Effect of different solvents and their mass fractions on TREN yield

图6 溶剂在总反应体系中质量分数对TREN产率的影响

2.5 中间体三(2-氯乙基)胺盐酸盐的结构表征

对实验合成的中间体三(2-氯乙基)胺盐酸盐的结构进行了1H NMR检测,如图7所示.

由图7可知,核磁图谱中有3组峰,图中化学位移δ在2.5左右的出峰为溶剂峰,其他2组峰对应三(2-氯乙基)胺盐酸盐结构中2种不同化学环境的氢原子.三(2-氯乙基)胺盐酸盐的结构是对称的(见图8),结合核磁数据分析,出峰位置在3.43时为1号亚甲基位上共6个氢原子的共振峰,出峰位置在3.94时为2号亚甲基位上共6个氢原子的共振峰,根据上述分析可得,该实验检测产物为三(2-氯乙基)胺盐酸盐.

图7 三(2-氯乙基)胺盐酸盐的1H-NMRFig.7 1H-NMR spectrum chart of tris(2-chloroethyl)amine

图8 三(2-氯乙基)胺盐酸盐的结构Fig.8 Schematic diagram of tris(2-chloroethyl)amine

2.6 产物TREN的结构表征

对实验合成的产物TREN的结构分别进行了1H NMR和质谱检测.其1H NMR如图9所示.

由图9可知,图中3组强度较大的峰,分别对应产物分子结构中3种不同化学环境的氢原子.TREN的结构是对称的(见图10),化学位移在2.25和2.73的共振峰分别为1号亚甲基位和2号亚甲基位上的氢原子的吸收峰.3号氢原子为氨基上的活泼氢,检测过程中易移动且不易显示,分析认定化学位移在2.59的共振峰为3号氢原子的核磁峰.

图9 TREN的1H-NMRFig.9 1H-NMR spectrum chart of TREN

图10TREN的结构示意图
Fig.10SchematicdiagramofTREN

产物TREN质谱检测结果如图11所示.根据图11可知,产物的主要离子峰有M1(146.8),M2(130.7),M3(116.7),M4(102.7),M5(90.7).其中M1为产物TREN分子与氢结合形成的离子峰,M2为M1断去一个NH2形成的离子峰,M3为M2断去一个CH2形成的离子峰,M4为M3断去一个CH2形成的离子峰,M5为M4断去12个氢离子形成的离子峰.以上数据与纯品TREN数据一致,可证实产物为TREN.

图11TREN的质谱图
Fig.11MassspectrumofTREN

2.7 产物TREN的气相色谱分析

产物TREN气相色谱检测结果见图12,数据分析见表2.

结合图12和表2可知气相色谱图中有2组峰,时间分别为4.669和7.366 min.其中乙醇峰的保留时间为4.669 min,TREN的保留时间为7.366 min,产物峰与纯品TREN的出峰时间一致.计算得出该产物中TREN的含量大于98%.

图12 TREN的气相色谱图Fig.12 Gas chromatogram of TREN

3 结 论

本文通过改进中间体三(2-氯乙基)胺盐酸盐的合成过程,使用溶剂DMF稀释原料三乙醇胺,在常温下缓慢滴加至装有氯化亚砜的烧瓶中,滴加完毕后可直接升温反应.使用氨水与中间体三(2-氯乙基)胺盐酸盐反应得到N,N-二(2-氨乙基)-1,2-乙二胺盐酸盐.该方法与传统方法制备TREN相比较,反应液只需要经过简单的旋蒸处理就可以得到纯度较高的N,N-二(2-氨乙基)-1,2-乙二胺盐酸盐,实验原料易得,成本低,操作简便,合成路线简短,反应温和,产物产率高.实验得到产物TREN最优合成条件:n(氨水)∶n(三(2-氯乙基)胺盐酸盐)=30,反应温度为65 ℃;反应溶剂为乙醇,其在总反应体系中质量分数为30%;反应时间不低于12 h.