引言
蒽醌及其衍生物可应用于OLEDs材料的合成;生物基因检测时可利用其荧光性定位DNA片段中的特征基团;反恐行动中利用其荧光猝灭对爆炸物TNT进行化学探测;此外蒽醌及其衍生物也应用于医药中间体，其中蒽环抗生素是一类研究较多的抗癌抗生素[1,2,3,4]。Dines Chandra Santra小组利用溴代蒽醌与连二亚硫酸钠、碱水溶液、卤代烷制备所需9,10-二取代蒽醌产物，该工艺收率最高76%，反应时间12h[4]。Youhee Lim小组采用蒽醌与锌粉、碱水溶液、卤代烷反应也得到9,10-二取代蒽醌产物，但此工艺收率极低仅为18%[5]。在此基础上我们对9,10-二取代蒽醌的合成工艺进行了优化，得到喜人结果，产品收率可达80%以上，反应时间缩短至2h以内。
1.实验
(1)主要试剂与仪器
蒽醌(国药集团,含量98%)、锌粉(石家庄恒源锌业有限公司,含量98%)、氯丁烷/溴丁烷(天津大茂化学试剂厂,含量99%)。主要仪器:Agilent1260高效液相色谱仪 (美国安捷伦科技有限公司);WRS-2A型微机熔点仪(上海圣科仪器设备有限公司)。
(2)合成方法
9,10-二丁氧基蒽醌制备过程如图1所示:
蒽醌与金属粉末、TBAB、水、卤代丁烷混合升温至55-60℃搅拌均匀后滴加碱水溶液,滴毕升温至60-65℃反应至HPLC检测蒽醌含量<0.5%,加入适量甲苯过滤、分液、脱溶后结晶得到亮黄绿色固体即为9,10-二丁氧基蒽醌,含量>98.5%,熔点112.5-113.5℃。
2.结果与讨论
(1)工艺路线优化及改进
化合物9,10-二丁氧基蒽醌合成路线主要有两条:其一,蒽醌与连二亚硫酸钠、TBAB、NaOH水溶液、卤代丁烷反应制得,该工艺收率一般,反应时间较长需12h以上;其二,蒽醌与锌粉、NaOH水溶液、卤代丁烷混合反应制得,该工艺反应收率低,但反应时间较短可控制在6h以内。考虑到时间效益因素影响我们对第二条合成工艺进行了深入研究及探索。
①碱、卤代丁烷种类及反应时间对工艺影响
K2CO3、Na2CO3因碱性较弱蒽醌转化率低优先排除;NaOH碱性适中,蒽醌转化率高,性价比高,优选NaOH。溴丁烷、氯丁烷在相同反应条件下蒽醌残余量相差不大,从节约成本角度氯丁烷更优。延长反应时间对蒽醌残余量影响不大(蒽醌结晶去除困难,含量>1%则需先柱层析粗品后结晶提纯),故通过调节碱用量、反应温度及金属粉末用量来优化工艺。
②碱用量对反应的影响
随着碱用量的减少蒽醌残余量逐渐降低产品收率逐渐升高,但当碱用量为3.2e.q时,副产物会变多产品收率下降,故碱用量为3.4e.q为宜。实验结果如下:
注:蒽醌:氯丁烷:锌粉=1:5:2(e.q),反应时间4.0h。
③温度对反应的影响
反应温度高于75℃时反应剧烈副产物较多产品收率下降;反应温度低于50℃时反应进行较慢,随着时间延长副产物逐渐变多也影响了产品收率;反应温度控制在60-65℃之间时反应时间适中,副产物含量较少。实验结果如下:
注:蒽醌:氯丁烷:锌粉:氢氧化钠=1:5:2:3.4(e.q)。
④金属粉末对反应的影响
锌粉用量对蒽醌的残余量有显著影响,当锌粉用量为1.5e.q时,蒽醌残余10%,当锌粉用量为1.8e.q时,蒽醌残余2.7%,当锌粉用量为2.0e.q时,蒽醌残余0.1%,当锌粉用量为2.2e.q时,蒽醌残余0.05%,成本考虑锌粉用量为2.0e.q时最优。研究过程中发现,添加一定比例白钢粉或铁粉可代替部分锌粉,同时此方法可加快蒽醌转化率;但添加量过大时蒽醌转化率过快难以控制,副产物会急速增多(白钢粉比例15%时蒽醌30min即可转化完全,HPLC检测副产物可达30%以上),因此放大生产时禁止使用白钢反应釜。从成本角度考虑我们对锌粉回收再利用及金属粉末组成进行了研究探索。锌粉随着回收反应次数的增加逐渐变细,后处理时过滤难度逐渐加大,故仅研究两次锌粉回收套用对产品收率影响。结果如下:
注:蒽醌:氯丁烷:氢氧化钠=1:5:3.4(e.q),反应时间0.5～6h。
图2为9,10-二丁氧基蒽醌核磁共振图谱,因产物是对称结构解析单边即可,数据如下:1.08(t,6H)为甲基d上H的化学位移;1.70(q,4H)为亚甲基c上H的化学位移;2.05(m,4H)为亚甲基b上H的化学位移;4.17(t,4H)为亚甲基a上H的化学位移;7.51(d,4H)为苯环上e位置H的化学位移;8.3(m,4H)为苯环上f位置H的化学位移,由此证明目标产物结构正确。
3.结论
我们优化了蒽醌合成9,10-二丁氧基蒽醌的工艺,对碱种类、卤代烷种类、反应时间、碱用量、温度、金属粉末组成及用量进行了深入研究与探索;同时为了生产需要我们对锌粉回收也进行了研究和探索。结果表明,蒽醌:氯丁烷:锌粉:碱用量=1:5:2:3.4(e.q),反应温度60-65℃时产品收率最佳,可达80%以上;锌粉和白钢粉按一定比例投料时可以降低反应成本,缩短反应时间,在2h以内可完成此类反应。锌粉回收利用两次对产品收率影响不大,当二次回收锌粉加入少量白钢粉时可使产品收率提高至85%以上。
摘要：在氮气保护下蒽醌、金属粉末、相转移催化剂、水、卤代丁烷、碱溶液“一锅法”合成最终产物9,10-二丁氧基蒽醌,利用HPLC检测确定各步中间体转化率,考察反应温度,反应时间,碱浓度,金属粉末组成对最终产物的影响。结果表明:在合适的反应温度,碱用量,反应时间和金属粉末组成下,蒽醌反应转化率可达到99.5%以上。
关键词：9,10-二丁氧基蒽醌,HPLC,合成
参考文献
[1] Moorth J N,Venkatakrishnan P,et al.De Novo Design for Functional Amorphous Materials:Synthesis and Thermal and Light-Emitting Properties of Twisted Anthracene-Functionalized Bimesitylenens[J]J.Am.Chem.Soc,2008,130:17320-17333.
[2] Reham A.I.Abou-Elkhair,Dabney W.Dixon,*and ThomasL.Netzel.Synthesis and Electrochemical Evaluation of Conju-gates between 2'-Deoxyadenosine and Modified Anthraquinone:Probes for Hole-Transfer Studies in DNA.J.Org.Chem.2009,74,4712–4719.
[3] Brestin D.T.Schuster G.B.J.Am.chem.soc.1996,118:231.
[4] Dines Chandra Santra,Manas Kumar Bera,Pradip Kumar Sukul,and Sudip Malik.Charge-Transfer-Induced Fluorescence Quenching of Anthracene Derivatives and Selective Detection of Picric Acid.Chem.Eur.J.2016,22,2012-2019.
[5] Y.Lim,S.Ihn.Controlling band gap and hole mobility of photovoltaic donor polymers with terpolymer system.Pol-ymer,53(2012),5275-5284.