張新玉,湯紅英,張中標
(天津師范大學 天津市水資源與水環(huán)境重點實驗室,天津 300387)
4,4’-二羥基-2,2’-聯(lián)吡啶的高效合成方法
張新玉,湯紅英,張中標
(天津師范大學 天津市水資源與水環(huán)境重點實驗室,天津 300387)
以2,2’-聯(lián)吡啶為原料,經(jīng)過氧化、硝化、甲氧基化、脫氧和去甲基五步反應,系統(tǒng)高效地合成了4,4’-二羥基-2,2’-聯(lián)吡啶,并采用核磁共振、熔點、紅外光譜等實驗方法對產(chǎn)物的結構進行了表征.
氧化;硝化;甲氧基化;脫氧;去甲氧基;4,4’-二羥基-2,2’-聯(lián)吡啶;系統(tǒng)高效
2,2’-聯(lián)吡啶及其衍生物是化工合成的重要中間體,能與各種金屬離子發(fā)生反應生成配合物,在分析化學[1]、藥物化學[2]、新能源研究[3]等領域得到廣泛應用.4,4’-二羥基-2,2’-聯(lián)吡啶是2,2’-聯(lián)吡啶類衍生物中最重要的一種,廣泛應用于各類催化反應中[4-5].另外,其端羥基還可以和各種鹵化物反應,生成新的化合物,用在超分子組裝[6]領域;或直接聚合生成具有螯合作用的樹枝狀聚合物[7-8]等功能性材料.
對于4,4’-二羥基-2,2’-聯(lián)吡啶的合成,文獻報道的比較少[9-10],Hong等[10]以4,4’-二甲氧基-2,2’-聯(lián)吡啶4為原料合成了該化合物,但是原料昂貴、氫溴酸醚解反應時間過長、收率較低.本文以廉價易得的2,2-聯(lián)吡啶為原料,經(jīng)過氧化、硝化、甲氧基化、脫氧、氫碘酸脫甲基5步反應,系統(tǒng)方便地得到了4,4’-二羥基-2,2’-聯(lián)吡啶化合物5,合成路線如下:
儀器:Varian 400型核磁共振儀(DDCl3,D2O或DMSO-d6為溶劑,TMS為內標,美國Varian公司),WRR型數(shù)字顯示顯微熔點測定儀(溫度計未校正,上海物光科技開發(fā)有限公司),日本島津IR-435型紅外光譜儀(KBr壓片法),元素分析用Yanaco C H N corder MT-3型元素分析儀測定.
試劑:實驗所用試劑均為AR級,2,2’-聯(lián)吡啶(張家港博邁化學有限公司),冰醋酸、體積分數(shù)30%雙氧水、發(fā)煙硝酸、濃硫酸、金屬鈉、甲醇、三氯化磷、氯仿、濃氫碘酸(天津北方天醫(yī)化學試劑廠),甲醇、三氯化磷、氯仿都經(jīng)過無水處理.
化合物1(2,2’-聯(lián)吡啶-N,N’-氧化物):將6.00 g(38.5 mmol)2,2’-聯(lián)吡啶和40.0 m L冰醋酸依次加入反應瓶中,攪拌,加熱至70~80℃后,緩慢滴加15 m L)體積分數(shù)30%雙氧水,滴加完畢后,在75℃反應8 h,自然冷卻至室溫,一次性傾入到500 m L丙酮中,有大量白色固體生成,抽濾,得白色固體6.80 g,Y=94%(Y=94%[11]),M.p.>250 ℃(312~315 ℃[12],decomposition).
化合物2(4,4’-二硝基-2,2’-聯(lián)吡啶-N,N’-氧化物):將2.5 m L發(fā)煙硝酸在0℃以下緩慢滴入到7.2 m L濃硫酸中,攪拌下加入1.50 g(8.0 mmol)化合物1.然后將反應也加熱到95℃,回流反應20 h后,冷卻至0℃以下,再將反應液緩慢地滴加到混有干冰的-20℃碎冰中,生成黃色固體,抽濾,收集濾餅,去離子水洗至中性,50℃真空干燥,得黃色固體1.91 g,Y=85%(Y=86%[13]),M.p.271~272℃(272~275℃[12]).
化合物3(4,4’-二甲氧基-2,2’-聯(lián)吡啶-N,N’-氧化物):將60.0 m L無水甲醇和0.46 g(20.0 mmol)金屬鈉依次加入到反應瓶中,金屬鈉反應完后再加入1.50 g(5.4 mmol)化合物2,加熱到34~40℃反應3 h,然后冰水浴冷卻至3℃,用飽和碳酸氫鈉溶液調p H至10,濾除固體,在濾液中加入適量硅膠,真空去溶劑,柱層析(洗脫液,VCH3OH/VCH2Cl2=1∶3),得黃色固體0.98 g,Y=73%(Y=74%[14]),M.p.224~225℃(223~226℃[13]).
化合物4(4,4’-二甲氧基-2,2’-聯(lián)吡啶):將1.20 g(48.3 mmol)化合物3溶于150.0 m L氯仿中,冷卻至0~5℃,滴加入24 m L PCl3,滴加完畢,回流反應5 h后冷卻至5℃,將反應液傾入到100.00 g冰中,用質量分數(shù)為40%氫氧化鈉溶液調p H至12,分液,水層用60.0 m L×3氯仿萃取,合并有機相,飽和食鹽水洗滌,無水硫酸鈉干燥過夜,過濾,真空去溶劑,得黃色固體0.82 g,Y=63%(Y=51%[15]),M.p.169~171 ℃(170~171 ℃[14]).
化合物5(4,4’-二羥基-2,2’-聯(lián)吡啶):將1.32 g(6.1 mmol)化合物4和1.80 g(14.0 mmol)濃氫碘酸加入到反應瓶中,加熱回流反應9 h,自然冷卻至室溫,蒸除溶劑,殘余物用水溶解,氨水調p H至13,有白色固體生成,抽濾,收集濾餅,真空干燥得白色固體0.94 g,Y=71%(Y=67%[10]),M.p.257.8~260.0℃,1H NMR(400 MHz,DMSO-d6),δ8.58(d,J=6.4 Hz,2H)7.85(d,J=2.0 Hz,2 H)7.27(dd,J=1.6 and 5.6 Hz,2 H);13C NMR(400 MHz,DMSO-d6),δ169.1,147.9,146.8,113.9,111.1;IR(KBr),u:3 412(-OH),1 626(-C=N-)cm-1.Anal.Calcd for C10H8O2N2:C 63.50,H 4.15,N 14.97;found C 63.82,H 4.28,N 14.89.
對于化合物1的合成,文獻[11-12,14]報道以2,2’-聯(lián)吡啶和雙氧水為起始原料,冰醋酸為溶劑.當反應溫度為35℃時Brink等[14]獲得了97%的產(chǎn)率,但反應時間長達66 h;當反應溫度為70~80℃時,Zhang等[11]和 Laura B等[12]都獲得了90%~94%的產(chǎn)率,但二者方法有所不同,Laura B等采用了分批加入雙氧水,操作過程相對繁瑣.實驗中參考Zhang等合成方法,對反應溫度和時間進行了優(yōu)化(表1).
表1 反應條件對產(chǎn)率的影響Table 1 Effect of the reaction conditions on the yield
從表1可以看出,當反應的溫度為75℃,反應時間為8 h時,反應可以獲得最高94%的產(chǎn)率(Entry 2).當溫度降低到60℃時,反應不完全,產(chǎn)率大幅度下降(Entry 1);而當溫度升高到90℃時,產(chǎn)率更低,這是由于H2O2在高溫容易發(fā)生分解所致.從表1中還可以看出,隨著反應時間的延長,產(chǎn)率先上升后降低,通過TLC并沒有監(jiān)測到新的生成點,這里可能存在如下可逆反應:
對于化合物2的合成,文獻[10-12,14]一般使用發(fā)煙硝酸為硝化試劑,滴加至溶有化合物1的濃硫酸溶液中,加熱回流反應4~8 h,產(chǎn)率45%~49%.Paul K等[13]通過調整濃硫酸和發(fā)煙硝酸的摩爾比例(2.25∶1)和延長反應時間(20 h),獲得了86%的產(chǎn)率.實驗中與文獻[13]采用相同的條件,只獲得了50%的產(chǎn)率,這可能是因為發(fā)煙硝酸的強氧化作用引發(fā)了副反應.考慮到硝化反應的實質是硝基正離子進攻中間體碳正離子,硝酸中含有的硝基正離子濃度低,濃硫酸有助于硝酸生成硝基正離子,因此調整了加酸方式,先將發(fā)煙硝酸和濃硫酸在低溫下混合,再加入化合物1;在后處理中,用-20℃冰鹽浴代替液氮冷卻析出產(chǎn)品,產(chǎn)率達到了85%.
對于化合物3的合成,Brink等[14]以2為原料,甲醇鈉為親核試劑,在甲醇中30~35℃反應3 h,氯仿萃取,產(chǎn)率為74%.實驗中發(fā)現(xiàn),化合物3在氯仿中的溶解度很小,用大量氯仿,也只獲得了30%的產(chǎn)率.Henri等[15]也遇到了類似的問題,用大量的二氯甲烷萃取,產(chǎn)率只能達到50%.為了提高產(chǎn)率,采用柱層析分離產(chǎn)品,從而獲得了較高的產(chǎn)率73%.
吡啶類氮氧化物一般用三價磷化合物如PCl3,PBr3,PPh3等[9,14-16]去氧.本實驗采用 PCl3作為脫氧劑,氯仿為溶劑,回流反應5 h,結果發(fā)現(xiàn)溶劑的絕對無水對PCl3的還原能力影響很大,氯仿未做無水處理時,產(chǎn)率僅為31%;無水處理后,可獲得63%的產(chǎn)率,與文獻比較有了較大幅度的提高.
Gerhard等[9]用質量分數(shù)48%氫溴酸作為去甲基試劑和溶劑,從4出發(fā),回流反應4 h,得到最終產(chǎn)物5.Hong等[10]用質量分數(shù)48%氫溴酸作為去甲基試劑,冰醋酸為溶劑,回流反應過夜,獲得了67%的產(chǎn)率,但是沒有對產(chǎn)物進行表征.參照Hong等的合成方法,濃的氫碘酸作為去甲基試劑,TLC檢測9 h內反應完全,并獲得了較佳的產(chǎn)率71%,通過紅外、核磁共振和元素分析對產(chǎn)物的結構進行了表征.
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High-effective synthesis of 2,2'-bipyridinyl-4,4'-diol
ZHANGXinyu,TANGHongying,ZHANGZhongbiao
(Tianjin Key Laboratory of Water Resources and Environment,Tianjin Normal University,Tianjin 300387,China)
2,2'-bipyridinyl-4,4'-diol was synthesized from 2,2'-bipyridine through five steps:oxidation,nitration,methoxylation,deoxidation and demethylation.This method was proved to be systemic and high-effective.2,2'-bipyridinyl-4,4'-diol was characterized by NMR,melting point measurement and FT-IR.
oxidation;nitration;methoxylation;deoxidation;demethylation;2,2'-bipyridinyl-4,4'-diol;systemic and high-effective
O626.4
A
1671-1114(2011)04-0092-03
2011-05-10
天津師范大學青年博士基金資助項目(52LX29);天津師范大學人才引進基金資助項目(5RLO63)
張新玉(1986—),男,碩士研究生.
湯紅英(1981—),助理研究員,主要從事有機高分子材料合成方面的研究.
(責任編校 紀翠榮)