红系染料的高效合成方法

廖立华, 姬星星, 肖博文

(1. 邵阳学院 食品与化学工程学院,湖南 邵阳 422000;2. 南华大学附属长沙市中心医院 介入血管科, 湖南 长沙 410004)

芳基偶氮是一类重要的、含有N=N结构单元的有机分子,其分子结构的独特性使其具有鲜艳的颜色,并广泛存在于染料、超分子自组装体系以及天然产物骨架中[1-3]。芳基偶氮化合物中,偶氮是染料形成基础颜色的结构单元,其在工业中多被用于布料、服装的染色剂。现今偶氮染料种类繁多,在染料市场占据了一半以上,而且应用广泛,通常用于皮革制作与加工、服装印染以及食品着色等方面[4-7]。因而,对于芳基偶氮化合物的绿色高效合成成为了研究热点。

目前,芳基偶氮分子的合成方法报道较多,例如,芳基化合物的重氮化偶联反应,芳基肼的氧化脱氢反应,偶联苯的瓦拉赫重排反应,芳基伯胺与亚硝基化合物的米尔斯反应,叠氮化合物的热分解和偶联反应[8-13]。对于芳基双偶氮化合物,目前主要是通过2次偶联方法来合成:(1)芳基胺通过偶联形成偶氮化合物;(2)偶氮化合物再通过重氮化反应构建第2个偶氮键(图1)[14-15]。在2次偶联的方法中,主要通过与NaNO2在酸性条件形成重氮盐偶联,偶联后的芳基偶联化合物再进行重氮化反应时,收率往往不高,尤其是在二次偶联过程中,若引入活性基团,如羟基、氨基时,副反应较多,而在后续的处理当中则需要柱层析来分离纯化,因而造成了资源浪费不利于规模化生产。因此,发展一种便捷高效的双偶氮化合物的合成方法对于拓宽偶氮化合物的应用具有重要的意义。

图1 双偶氮化合物的一般合成方法Figure 1 General synthesis route for the diazo dye molecules

本文以芳基二偶氮化合物B作为此类化合物的研究对象进行了合成研究。以2-硝基-4-甲基苯胺为原料,与NaNO2在酸性条件下形成重氮盐,再加入2-甲氧基-5-甲基苯胺经过偶联形成偶氮化合物A,之后在酸性条件下与亚硝酸异戊酯经过重氮化反应形成重氮盐,最后与N,N-二羟乙基苯胺经过偶联合成目标产物B(图2)。

图2 芳基二偶氮化合物B的合成Figure 2 Synthesis route for aromatic diazo dye compound B

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

Bruker-300型核磁共振仪(CDCl3和DMSO-d6为溶剂,TMS为内标)。

所用试剂均为市售分析纯,硅胶H由青岛海洋化工有限公司生产。

1.2 偶氮化合物A的合成

在1000 mL三口烧瓶中,加入2-硝基-4-甲基苯胺(7.60 g, 0.05 mol)和1 mol/L盐酸水溶液(250 mL),室温搅拌10 min后,冷却至0 ℃。称取NaNO2(5.52 g, 0.08 mol)溶于100 mL水中,之后缓慢滴加到三口烧瓶中,1 h内滴毕,保持在0 ℃搅拌反应1 h。将2-甲氧基-5-甲基苯胺(6.85 g, 0.05mol)溶于1 mol/L酸水溶液(200 mL)中,缓慢滴加到三口烧瓶中,反应溶液逐渐变成黄色。撤去冰浴后在室温下继续反应2 h至反应完全。用饱和的醋酸钠水溶液调至pH=10,析出黄色固体,过滤,并用水洗涤多次至滤液为中性。经过真空干燥得到偶氮化合物A 13.95 g,收率93%;1H NMR(CDCl3, 300 MHz)δ: 8.33(s, 1H), 8.17(s, 1H), 7.82(s, 1H), 7.20(s, 1H), 6.70(s, 1H), 4.93(brs, 2H), 3.93(s, 3 H), 2.34(s, 3H), 2.31(s, 3H);13C NMR(CDCl3, 75 MHz)δ: 148.5, 148.2, 142.7, 142.1, 138.1, 128.5, 127.4, 122.0, 120.3, 113.4, 112.6, 106.5, 55.6, 23.5, 21.0。

1.3 芳基二偶氮化合物B的合成

将偶氮中间体A(6.00 g, 20.0 mmol)溶于无水乙醇(100 mL)中,之后加入到500 mL三口烧瓶中,搅拌冷却至0 ℃。接着,加入三氯乙酸(3.27 g, 20.0 mmol),缓慢滴加亚硝酸异戊酯(4.0 mL, 30.0 mmol)。反应液在0 ℃下搅拌6 h,反应液变成深黄色。向三口烧瓶中缓慢加入N,N-二羟乙基苯胺(3.62g, 20.0 mmol)的乙醇溶液(50 mL)。反应液在室温下搅拌12 h至反应完全。将反应液倒入饱和食盐水(500 mL)中,搅拌10 min,静置1 h,析出紫红色固体后过滤得滤饼。用水洗涤直至pH=7,干燥,重结晶(石油醚 ∶乙酸乙酯=2 ∶1 ,V∶V)2次,得到紫红色固体6.56 g,收率67%;1H NMR(DMSO-d6, 300 MHz)δ: 8.33(s, 1H), 8.00～8.06(m, 3H), 7.82(s, 1H), 7.34～7.42(m, 2H), 6.88(d,J=8.9 Hz, 2H), 4.89(s, 2H), 4.03(s, 3H), 3.93(s, 6H), 2.34(s, 3H), 2.31(s, 3H);13C NMR(DMSO-d6, 75 MHz)δ: 155.3, 151.7, 150.3, 148.4, 148.2, 142.7, 142.0, 138.1, 125.8, 125.7, 125.5, 125.1, 123.8, 123.5, 111.6, 100.6, 99.8, 58.2, 55.6, 23.5, 21.0。

1.4 红系染料D的合成

在1000 mL三口烧瓶中,加入2-硝基-4-甲基苯胺(7.60 g, 0.05 mol)和1 mol/L盐酸水溶液(250 mL),室温搅拌10 min后,冷却至0 ℃。称取NaNO2(5.52 g, 0.08 mol)溶于100 mL水中,之后缓慢滴加到三口烧瓶中,1 h内滴毕,保持在0 ℃搅拌反应1 h。将2,5-二甲氧基苯胺(7.65 g, 0.05mol)溶于1 mol/L酸水溶液(200 mL)中,缓慢滴加到三口烧瓶中,反应溶液逐渐变成黄色。撤去冰浴后在室温下继续反应2 h至反应完全。用饱和的醋酸钠水溶液调至pH=10,析出淡黄色固体,过滤,并用水洗涤多次至滤液为中性。经过真空干燥得到偶氮化合物C 14.54 g,收率92%。将偶氮中间体C(6.32 g, 20.0 mmol)溶于无水乙醇(100 mL)中,之后加入到500 mL三口烧瓶中,搅拌冷却至0 ℃。接着,加入三氯乙酸(3.27 g, 20.0 mmol),缓慢滴加亚硝酸异戊酯(4.0 mL, 30.0 mmol)。反应液在0 ℃下搅拌6 h,反应液变成深黄色。向三口烧瓶中缓慢加入N,N-二羟乙基苯胺(3.62 g, 20.0 mmol)的乙醇溶液(50 mL)。反应液在室温下搅拌12 h至反应完全。将反应液倒入饱和食盐水(500 mL)中,搅拌10 min,静置1 h,析出紫红色固体后过滤得固体。固体用水洗涤直至pH=7,干燥,重结晶(石油醚 ∶乙酸乙酯=2 ∶1,V∶V)2次,得到砖红色固体6.91 g,收率68%;1H NMR(DMSO-d6, 300 MHz)δ: 8.32(s, 1H), 8.00～8.07(m, 3H), 7.82(s, 1H), 7.30～7.41(m, 2H), 6.87(d,J=8.8 Hz, 2H), 4.88(s, 2H), 4.10(s, 3H), 4.03(s, 3H), 3.93(s, 6H), 2.34(s, 3H);13C NMR(DMSO-d6, 75 MHz)δ: 155.2, 151.7, 150.2, 148.3, 148.2, 142.6, 142.0, 138.0, 125.7, 125.6, 125.5, 125.0, 123.7, 123.5, 111.7, 100.5, 99.7, 61.6, 58.2, 55.7, 20.5。

2 结果与讨论

2.1 反应条件的优化

本文对偶氮化合物A合成芳基二偶氮化合物B的方法进行了条件筛选(表1)。考察了催化剂、溶剂和温度对产率的影响。首先,以0.1 eq三氯乙酸为催化剂,乙醇为溶剂,亚硝酸异戊酯为重氮化试剂,在反应温度为0 ℃时,以38%收率得到目标产物(Entry 1)。之后,改变催化剂,分别以三氟乙酸、硫酸和盐酸催化反应,收率都低于三氯乙酸的催化效果(Entries 2～4)。然后,以三氯乙酸为催化剂,改变反应的溶剂,当以甲醇和水为溶剂时,收率分别为35%和30%(Entries 5～6)。提高催化剂的用量,当三氯乙酸用量为1 eq时,催化效果最好,收率为67%(Entries 7～9)。最后改变反应的温度,当温度分别为-5 ℃和25 ℃时,反应的收率都低于在0 ℃时反应的效果(Entries 10～11)。因此可以得出该反应的最优条件:反应温度为0 ℃,乙醇为溶剂,三氯乙酸用量为1 eq。

表1 反应条件的优化Table 1 Optimization of the reaction conditions

2.2 底物拓展

确定了最佳反应条件后,本文对红系染料D进行了合成,结果如图3所示。考察了给电子基团甲氧基对芳香胺活性的影响,发现2-甲氧基-5-甲基苯胺上的甲基换成甲氧基时,第1次重氮化反应的收率为92%,给电子基团甲氧基对反应并无影响。偶氮化合物C在优化条件进行第2次重氮化反应时,能以68%的收率得到红系染料D。

图3 红系染料D的合成路线Figure 3 Synthesis route for red dye compound D

本文以2-硝基-4-甲基苯胺为原料,与取代苯胺经过重氮化反应合成偶氮中间体,偶氮中间体再与重氮化试剂亚硝酸异戊酯经重氮化反应,与N,N-二羟乙基苯胺偶联,合成芳基双偶氮红系染料。在后处理中加入饱和食盐水可析出产品,再用水洗涤至pH=7除去杂质,重结晶2次则能以高达67%的收率得到高纯度的芳基二偶氮染料。本文还研究了催化剂、溶剂和温度对反应收率的影响。研究表明:三氯乙酸用量为1 eq,乙醇为溶剂,反应温度为0 ℃时,反应收率为67%。在优化条件下,以68%的收率得到红系染料D。该方法相对于传统合成芳基偶氮化合物的方法,后处理操作简单高效,不需要柱层析分离纯化,收率较高。