張可青，任蕊，楊俊偉，李程碑

(陜西省石油化工研究設計院，陜西 西安 710054)

異噻唑啉酮是一類重要的工業(yè)殺菌劑，具有抗菌能力強、應用劑量小、相容性好、藥效持續(xù)時間長、對環(huán)境安全以及抗菌譜寬廣等優(yōu)良性能［1］，在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)藥等行業(yè)得到了廣泛應用。在諸多異噻唑啉酮化合物中，1，2-苯并異噻唑啉-3-酮(BIT)因具有優(yōu)異的耐溫性和耐酸堿能力，在防腐殺菌領域受到越來越多的關注［2］，已經(jīng)在諸多常規(guī)防腐產(chǎn)品難以發(fā)揮效果的特殊工業(yè)領域中顯示出了獨特的優(yōu)勢。

長期以來，BIT 的合成方法多采用鹵素氧化法［3］，該法需使用氯氣/液溴等劇毒、強腐蝕原料，使用極其不便，且過量的鹵素吸收不完全，極易造成二次污染，已經(jīng)難以達到目前的環(huán)保要求。如何在不使用鹵素的前提下尋找產(chǎn)率高、價格低廉且工藝簡單的BIT 新型生產(chǎn)工藝，成為了防腐劑生產(chǎn)領域的熱門問題。

本文提出了一種簡便環(huán)保的合成BIT 的方法，即以二硫化二苯甲酸為起始原料，通過酰氯化、酰胺化反應，然后采用雙氧水氧化法制備得到BIT;產(chǎn)物結構通過紅外光譜加以確認，反應總收率67.7%。該法以雙氧水氧化過程代替?zhèn)鹘y(tǒng)工藝中鹵素的氧化過程，合成過程清潔環(huán)保，成本低廉，且產(chǎn)率更高，產(chǎn)品純度更好，對于BIT 的大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)具有很大的意義。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

二硫化二苯甲酸、氫氧化鈉、氯化亞砜、吡啶、丙酮、甲苯、氨水(25%)、雙氧水(30%)、乙醇均為化學純;濃鹽酸，工業(yè)品。

WRS-2 型熔點測定儀;VX-70 型紅外吸收光譜儀。

1.2 實驗方法

合成過程按照如下反應方程式分步進行:

1.2.1 2，2-二硫化二苯甲酰氯的合成( Ⅰ) 在帶有回流和尾氣吸收裝置的500 mL 四口燒瓶中，加入30.6 g(0.1 mol)二硫化二苯甲酸、100 mL 甲苯和8 mL吡啶，開動攪拌，在室溫下緩慢滴加47. 6 g(0.4 mol)氯化亞砜，滴完后將反應溫度升至60 ～70 ℃，保溫反應1 h，停止加熱，減壓蒸餾回收過量的氯化亞砜(溫度35 ～40 ℃)，得棕黃色懸浮液。抽濾，用丙酮洗滌，在50 ℃真空烘箱中干燥8 h，即得黃色2，2-二硫化二苯甲酰氯粉末，熔點154 ～157 ℃(文獻值155 ～159 ℃)，反應收率93.3%。

1.2.2 2，2-二硫化二苯甲酰胺的合成( Ⅱ) 在500 mL 三口燒瓶中加入100 mL(約1.5 mol)氨水和50 mL 甲苯，開動攪拌，控制溫度在30 ℃以下，分次加入34.3 g(0.1 mol)(Ⅰ)，在室溫下反應1 h。抽濾，以水洗滌數(shù)次，在50 ℃真空干燥8 h，即得淡黃色2，2-二硫化二苯甲酰胺固體，熔點197 ～202 ℃，與文獻相符，反應收率95.4%。

1.2. 3 BIT 的合成( Ⅲ)在帶有回流裝置的500 mL四口瓶中加入15.2 g(0.05 mol)(Ⅱ)和約100 mL 氫氧化鈉水溶液(含氫氧化鈉8. 0 g/0.2 mol)，升溫至60 ℃，保持該溫度，攪拌下在2 h內(nèi)緩慢滴加20.4 g 10% 雙氧水溶液(0. 06 mol H2O2)，滴加完后降溫至50 ℃，繼續(xù)反應1 h。冷卻至室溫，用稀鹽酸調(diào)節(jié)pH 為4 ～5，放入冰箱冷凍10 min。過濾，用水洗滌至中性，再用少量乙醇洗滌，即得白色BIT 固體，熔點156 ～158 ℃，與文獻報道相符合，反應收率76. 1%。IR(γ/cm－1):3 056(Ar—H)，2 909，2 665(—CH3，—CH2—)，1 638( C O )，1 443，1 461(苯環(huán)骨架)，1 316(N—S)，1 147(C—N)，742(苯環(huán)上鄰二取代)，606(C—S)。

2 結果與討論

由于本文合成過程的前兩步，即羧酸酰氯化和酰胺化過程均屬經(jīng)典反應，在這里不作探討。本文重點對雙氧水氧化成環(huán)的關鍵一步進行討論。

2.1 氧化反應及成環(huán)機理

異噻唑啉酮雜環(huán)的閉合是通過—S—S— 鍵的斷裂和—N—S— 鍵的形成來完成的，—S—S— 鍵的斷裂為自由基取代歷程［4］，而—N—S— 鍵的形成為親核取代歷程［5］，總反應歷程推測為:雙氧水在堿性條件下生成HO·自由基，進攻—S—S— 鍵使其斷裂，生成RS—OH 和RS·自由基，RS·自由基與雙氧水反應，再次生成RS—OH 和HO·自由基，從而使得自由基取代反應持續(xù)進行。在堿性條件下，酰胺基氮原子上的孤對電子進攻帶有微量正電荷的RS—OH，OH－離去，與氮原子上脫去的H+結合生成H2O，同時N—S 鍵形成，從而形成較為穩(wěn)定的苯并異噻唑啉酮五元環(huán)。

—S—S— 鍵斷裂反應:

—N—S— 鍵生成反應:

2.2 雙氧水滴加時間對反應的影響

本反應中雙氧水分解所得的HO·自由基可將—S—S— 鍵氧化斷裂，但如果體系中雙氧水濃度過高，自由基產(chǎn)生的速度快于環(huán)合反應，則多余的自由基易于將斷鍵生產(chǎn)的RS— 進一步氧化為硫醇的氧化副產(chǎn)物和磺酰化合物［6］。為避免單位時間內(nèi)反應體系中氧化劑濃度太大而導致產(chǎn)物過氧化，雙氧水需在整個氧化過程內(nèi)緩慢加入。在不同反應時間下進行了氧化反應，實驗結果列于表1。

表1 雙氧水滴加時間對反應的影響Table 1 Effect of drop time of hydrogen peroxide on the reaction

由表1 可知，雙氧水在2 h 內(nèi)滴加完時，產(chǎn)率最高，且熔程僅為2 ℃，表明產(chǎn)物純度很好。滴加時間縮短為1 h 時，產(chǎn)率降低，熔程延長，其中一部分產(chǎn)物的熔點在170 ℃以上，表明反應沒有進行完全。滴加時間延長為3 h 后，產(chǎn)率低于滴加時間2 h 所得產(chǎn)物，且產(chǎn)物純度較低，表明反應時間延長導致過氧化反應的發(fā)生。上述現(xiàn)象均說明雙氧水滴加時間對于氧化反應的影響很大，時間太短，反應不能進行完全，而時間太長，反應易于發(fā)生過氧化副反應。因此雙氧水滴加時間以2 h 為最佳。

2.3 氧化劑用量對反應的影響

由于氧化劑過量可引起產(chǎn)物過氧化，因此氧化劑與酰胺的摩爾比不宜過高。表2 為不同氧化劑用量所得反應產(chǎn)率。

表2 氧化劑用量對反應的影響Table 2 Effect of amount of oxidant on the reaction

由表2 可知，氧化劑雙氧水與酰胺的摩爾比為1∶1.1 和1∶1.2 時，反應產(chǎn)率最高;此后，隨著雙氧水與酰胺的摩爾比逐漸增大，反應產(chǎn)率逐漸降低，當雙氧水與酰胺的摩爾比為1∶2 和1∶3 時，氧化劑大幅過量，產(chǎn)物大量過氧化，反應產(chǎn)率急劇下降。考慮到雙氧水在反應前可能出現(xiàn)少量分解的情況，雙氧水與酰胺的最佳摩爾比應為1∶1.2。

2.4 堿性強弱對氧化反應的影響

為研究反應體系堿性強弱對反應產(chǎn)率的影響，在pH 為8 ～14 的條件下進行了合成反應。實驗表明，當反應體系pH 低于9 后，二硫化二苯甲酰胺在反應過程中未能完全溶解，而反應產(chǎn)率也明顯降低，這可能是因為未溶解的酰胺難以發(fā)生氧化反應。熔點測定表明，大部分產(chǎn)物在標準熔點157 ℃左右熔解，但少量產(chǎn)物在180 ℃以上仍不熔，表明產(chǎn)物中有未反應的酰胺，證實了上述推論。當反應體系pH值在9 ～14 時，酰胺均可完全溶解，反應產(chǎn)率較高。

2.5 質(zhì)子催化劑對氧化反應的催化作用

在傳統(tǒng)的鹵素氧化法合成BIT 的過程中，常使用堿性催化劑來催化閉環(huán)反應［7］，包括氫氧化鈉、氫氧化鉀等無機堿和吡啶、三乙胺等有機堿。另據(jù)報道［8］，在雙硫鍵的氧化斷裂反應中，含N、P、S 的質(zhì)子親核試劑可催化氧化斷鍵反應，使雙硫鍵斷裂反應的時間明顯縮短，使用較多的此類親核試劑包括三乙胺、氨水、酰胺、硫脲等。為研究上述催化劑對本反應的影響，選擇三乙胺為催化劑進行了合成反應，為避免氧化時間過長導致過氧化發(fā)生，加入催化劑后氧化反應時間縮短為2 h，反應結果見表3。

表3 質(zhì)子催化劑對反應的影響Table 3 Effect of catalyst on the reaction

由表3 可知，在堿性強弱和反應溫度等條件相同的前提下，加入催化劑三乙胺，使反應時間明顯縮短，收率提高。在加入與酰胺摩爾比分別為2 ∶1，3∶1和5 ∶1 的三乙胺后，反應2 h 的收率分別為78.6%，79.2%和79.0%，均高于未加催化劑反應3 h 后收率，表明三乙胺對該反應具有較好的催化作用。三乙胺對于雙氧水氧化制備BIT 反應的催化作用分為兩步，分別為催化雙硫鍵斷裂的自由基反應和催化閉環(huán)親核反應，由于自由基反應為慢反應，而親核反應為快反應，因此三乙胺對雙硫鍵斷裂過程的催化作用為反應加快的主要因素。

此外，由于含有N、P、S 的堿性化合物均可以作為雙氧水氧化反應的催化劑，本文還嘗試了以氨水作為催化劑進行反應。當反應體系加入與酰胺摩爾比1∶3 的氨水并反應2 h 后，產(chǎn)率達到78.9%，表明氨水對雙氧水氧化反應具有較好的催化作用。由于氨水是合成酰胺的原料，且用量大幅過量，因此可考慮將1.2.2 節(jié)中未加提純的酰胺反應產(chǎn)物直接與雙氧水進行氧化反應，既可簡化合成步驟，又可將過量氨水直接作為催化劑，對于工業(yè)生產(chǎn)具有一定意義。

3 結論

(1)以二硫化二苯甲酸為起始原料，通過酰氯化、酰胺化制備得到二硫化二苯甲酰胺，然后在堿性條件下與雙氧水進行氧化反應，經(jīng)鹽酸中和，即得1，2-苯并異噻唑啉-3-酮。產(chǎn)品結構經(jīng)熔點測定和紅外光譜得到確認。

(2)雙氧水氧化成環(huán)反應由雙硫鍵斷裂的自由基反應和環(huán)合親核反應兩步組成，氧化反應受雙氧水滴加時間、用量、體系pH 值以及催化劑的影響。在酰胺與雙氧水摩爾比1∶1.2，pH 值9 ～14，加入與酰胺摩爾比3∶1 的三乙胺為催化劑的條件下，氧化時間2 h 所得產(chǎn)率最高，總收率為67.7%。

［1］ 李淑璉，李志勇.高效工業(yè)殺菌防霉劑異噻唑啉酮類化合物［J］.廣州化工，1994(3):10-13.

［2］ 張瀚，張書成，陳愉江，等.殺菌防腐劑1，2-苯并異噻唑啉-3-酮的合成及應用［J］. 精細化工，1990，7(2):61-64.

［3］ 倪越，嚴萬春，耿金懿，等.新工業(yè)防霉殺菌劑1，2-苯并異噻唑啉-3-酮的研制［J］. 精細與專用化學品，2004，12(20):21-22.

［4］ 密爾頓.有機反應機理的基本原理［M］.王建華，譯.上海:上?？茖W技術出版社，1984.

［5］ 方永勤，張雁. N-甲基-1，2-苯并異噻唑啉-3-酮的合成研究［J］.化學世界，2009，50(6):361-363.

［6］ B.G.科克斯，T.格雷.制備苯并異噻唑啉-3-酮的方法:CN，1246114A［P］.2000-03-01.

［7］ 李育麟，李淑璉，李志勇.N-正辛基-1，2-苯并異噻唑啉-3-酮的合成研究［J］.華南師范大學學報:自然科學版，1997(4):53-58.

［8］ Tonne Peter，Jaedicke Hagen. Preparation of 1，2-Benzisothiazolinone:Canadian，P3500577.7，［P］.1985-01-10.