2苯基-4,5-二(4′-氨基苯基)咪唑的合成*

吳 偉, 張曉云, 高艷敏

[中國石油大學(華東) 化學化工學院,山東 青島 266555]

二氨基取代的芳香族化合物是合成聚酰亞胺的重要單體，廣泛用于材料合成、粘合劑、耐高溫基體樹脂等工業領域[1,2]。2-苯基-4,5-二(4′-氨基苯基)咪唑(6)可用于可溶性聚酰亞胺的制備[3]。咪唑類化合物合成一般采用苯偶酰環化的方法, 由于從苯偶酰直接硝化再還原的方法只能得到 3,3′-二取代物[4]。4,4′-二硝基苯偶酰(4)的合成一般通過金屬鹽催化的苯甲酰氰的偶合反應,其原料的制備和反應過程中使用或產生劇毒的氰化物,另外一種合成苯偶酰的方法是經過片哪醇衍生物的氧化，需使用昂貴的金屬錸或銠催化劑進行。作者曾利用對氨基苯甲醛經4合成二氨基取代的洛粉(2,4,5-三苯基咪唑)衍生物[5]，但仍存在對氨基苯甲醛不穩定易自身縮合，原料來源受限，且過程中也須使用氰化鉀(鈉)為催化劑等不足之處。

本文以安息香為原料,經過乙酸酐酯化、乙酸銨噁唑環化、混酸硝化、液溴氧化開環合成了4; 4在乙酸銨/冰乙酸體系中環化生成2-苯基-4,5-二(4′-硝基苯基)咪唑酰(5); 5在三氯化鐵存在下經水合肼還原制得6(Scheme 1)。此方法原料來源方便、合成操作簡單。

Scheme 1

1 實驗部分

1．1 儀器與試劑

廈門大學教學儀器廠顯微熔點儀(溫度未校正)；Bruker DMX 300型核磁共振儀(DMSO-d6為溶劑，TMS為內標)；Shimadzu-400型紅外光譜儀(KBr壓片)；Perkin Elmer 2400型元素分析儀。

層析硅膠,試劑級，200目～300目，青島海洋化工廠分廠;安息香,江蘇常州市武進雪堰萬壽化工有限公司;其余所用試劑均為國藥集團上海化學試劑公司產品或天津化學試劑有限公司產品，使用前未經純化處理。

1．2 合成

(1) 安息香乙酸酯(1)的合成

將KHSO42 g溶于20 mL水中，加入層析硅膠20 g,攪拌均勻,在烘箱中于120 ℃烘24 h得固體酸酯化催化劑KHSO4/SiO2。

在燒瓶中將安息香42.4 g(200 mmol)溶于二氯甲烷(300 mL)中,加入乙酸酐19 mL(200 mmol) 和KHSO4/SiO220 g,攪拌下于室溫反應30 min。過濾,濾餅用甲醇重結晶得無色晶體149.4 g，收率98 %, m.p.81 ℃～83 ℃(81 ℃～82 ℃[6]);1H NMRδ: 7.6～7.2(m, 10H), 6.80(s, 1H), 2.20(s, 3H)。

(2) 2-甲基-4,5-二苯基噁唑(2)的合成

在反應瓶中加入138 g(150 mmol),乙酸銨15 g(200 mmol),冰乙酸40 mL,攪拌下回流反應約1 h(TLC監測)。冷卻后倒入碎冰中，用乙醚(4×50 mL)萃取,合并萃取液,用無水硫酸鎂干燥過夜,旋除溶劑得無色油狀液體235 g，收率99%, b.p.(210～215) ℃/2.6 kPa;1H NMR(CDCl3)δ: 7.65～7.25(m, 10H ), 2.59(s, 3H)。2未經純化直接用于下一步反應。

(3) 2-甲基-4,5-二(4′-硝基苯基)噁唑(3)的合成

在冰水冷卻和充分攪拌下將濃硫酸(28 mL)與濃硝酸(36 mL)混合制得混酸，加熱至50 ℃;加入234 g(144 mmol),劇烈攪拌下于50 ℃反應15 min。傾入碎冰中析出黃色固體，過濾，濾餅經空氣干燥后用冰乙酸重結晶得亮黃色針狀晶體340.7 g,收率 87.0%, m.p.242 ℃～244 ℃;1H NMR(CDCl3)δ: 8.30(d,J=8.5 Hz, 2H), 8.28(d,J=9.0 Hz, 2H), 7.83(d,J=8.5 Hz, 2H), 7.76(d,J=9.0 Hz, 2H), 2.62(s, 3H)。

(4)4的合成

在反應瓶中依次加入液溴20 mL,冰乙酸100 mL,339 g(120 mmol),攪拌下回流反應1 h。傾入碎冰中,析出黃色固體,過濾，濾餅用50%乙酸重結晶得黃色針狀晶體432.1 g,收率89%, m.p.212 ℃～214 ℃(212 ℃～213 ℃[7]);1H NMR(CDCl3)δ: 8.40(d,J=9.0 Hz, 2H), 8.22(d,J=9.0 Hz, 2H)。

(5)5的合成

在反應瓶中依次加入冰乙酸250 mL,430 g(100 mmol),乙酸銨100 g(1.3 mol),新蒸苯甲醛21.2 g(200 mmol),攪拌下回流反應2 h。蒸除大部分乙酸，殘余物傾入約1 kg碎冰中,析出沉淀,過濾，濾餅水洗、干燥得橙色固體537.4 g，收率97%(經TLC檢測未見其它雜質),m.p.>300 ℃;1H NMRδ: 8.45～8.20(m, 8H), 7.35～7.50(m, 5H); IRν: 3 371, 1 602, 1 521, 1 345, 1 200, 1 100, 840, 760 cm-1; Anal.calcd for C21H14N4O4: C 65.28, H 3.65, N 14.50; found C 65.74, H 3.81, N 14.17(元素分析樣品經乙酸重結晶 )。

(6)6的合成

在三口燒瓶中依次加入無水乙醇150 mL,515.44 g(40 mmol),活性炭2 g,六水合三氯化鐵1 g,攪拌下加熱至接近回流，在30 min內滴加80%水合肼15 mL,滴畢，回流反應6 h。趁熱過濾，濾液旋轉蒸發至干，殘余物經混合溶劑[V(甲醇) ∶V(甲苯)=1 ∶5]重結晶得淡黃色固體611.3 g，收率86.7%, m.p.>300 ℃;1HNMRδ: 12.89(s, 1H), 7.48～7.23(m, 5H), 7.22(d,J=9.0 Hz, 4H), 6.60(d,J=9.0 Hz, 4H), 5.05(s, 4H);13C NMRδ: 148.0, 144.6, 130.5, 129.3, 128.2, 127.6, 126.4, 127.3, 125.5, 116.4; IRν: 3 368, 3 210, 1 652, 1 599, 1 515, 1 342, 1 278, 1 181, 1 110, 967, 855 cm-1; Anal.calcd for C21H18N4: C 77.28, H 5.56, N 17.17; found C 77.64, H 5.82, N 16.47。

2 結果與討論

乙酸酐與安息香的酯化反應傳統上主要使用H2SO4作催化劑，副反應較多；近來也有報道使用路易斯酸[如BiNO3， ZrCl4, Zn(ClO4)等]作催化劑。但這些催化劑都存在如反應時間長、轉化率較低需使用過量的乙酸酐或試劑來源少等缺點。本文利用固相負載的強酸性鹽KHSO4作催化劑，該催化劑易于制備并且避免了使用液體酸需要中和、水洗等后處理過程。結果表明以二氯甲烷或氯仿為溶劑，于室溫反應30 min安息香已經完全酯化。反應后只需將溶劑和產生的乙酸蒸除即可得到2。

文獻[8]方法合成2使用甲酰胺法或硫脲法，前者試劑較少見而后者使用高沸點的二甲基甲酰胺作為溶劑，后處理較復雜。本文利用乙酸銨作為氨的供體，在冰乙酸中回流使1關環。實驗發現增加乙酸銨的用量可以提高收率，縮短反應時間，反應幾乎可以定量地完成。

2的硝化反應之關鍵是反應溫度和反應時間(表1)。由于在硝化反應主要階段反應放熱劇烈，因此必須注意充分攪拌使反應物盡可能穩定在一定溫度范圍內。在50 ℃下利用混酸進行硝化，反應的誘導期很短(數秒)。在反應時間小于10 min時，通過TLC檢測在反應混合物中明顯見到有部分一硝基產物，但很快進一步被硝化成二硝基產物，該反應在15 min內完成。延長反應時間或提反應高溫度均可導致原料的深度硝化，結果得到不溶于乙酸的多硝基產物。

表 1 硝化反應條件對3收率的影響*Table 1 Effect of nitration conditions on the yield of 3

*23.4 g,混酸(H2SO42.8 mL+HNO33.6 mL),其余反應條件同1.2(3)

借助噁唑環將硝基引入苯環的對位后，以溴為氧化劑將噁唑環氧化開環形成苯偶酰結構。此類反應報道較少，本文借鑒了文獻[9]的噁唑開環方法。以冰乙酸為溶劑，回流反應約1 h，反應進行順利，TLC檢測未發現有溴代產物。

苯偶酰類化合物在乙酸銨/冰乙酸體系中反應是合成咪唑類衍生物常用的方法。本文未采用乙酸銨和醛大大過量的方法，也能順利合成5。以水合肼為還原劑，在鐵離子催化下，可將5的硝基高效還原為氨基，且操作過程相對簡單，單步反應收率達86.7 %。

3結論

(1) 固相負載的酯化催化劑KHSO4/SiO2可高效催化安息香與乙酸酐的酯化反應，反應以二氯甲烷為溶劑在室溫下進行完全。得到的安息香乙酸酯在乙酸銨/冰乙酸中回流，以99%收率得到2-甲基-4,5-二苯基噁唑。

(2) 2-甲基-4,5-二苯基噁唑經硝化反應合成2-甲基-4,5-二(4′-硝基苯基)噁唑的適宜條件是：反應溫度50 ℃，反應時間15 min。2-甲基-4,5-二(4′-硝基苯基)噁唑可被液溴在冰乙酸中氧化成4,4′-二硝基苯偶酰。

(3) 4,4′-二硝基苯偶酰與苯甲醛在乙酸銨/冰乙酸體系中回流反應生成2-苯基-4,5-二(4′-硝基苯基)咪唑，然后經水合肼還原得到2-苯基-4,5-二(4′-氨基苯基)咪唑，其適宜的還原條件是：催化劑FeCl3·6H2O/活性炭，乙醇為溶劑，回流反應6 h， 2-苯基-4,5-二(4′-氨基苯基)咪唑的總收率63.2%(以安息香計)。

[1] Ishii J, Sunaga T, Nomura M. Organo-soluble polyimides and their applications to photosensitive cover layer materials in flexible printed circuit boards[J].Journal of Photopolymer Science and Technology,2008,21(1):107-112.

[2] Mousa G, Raouf A, Hossein B. Synthesis of soluble and thermally stable polyimide from new diamine bearingN-[4-(9H-carbazol-9-yl)phenyl]formamide pendent group[J].European Polymer Journal,2009,45(11):3108-3115.

[3] 田野,王麗華,丁懷宇,等. 可溶性聚酰亞胺規整多孔膜的形成與控制[J].膜科學與技術,2009,29(4):19-24.

[4] 高妍,張志強,周襲非,等. 間二氨基苯偶酰的合成[J].化學試劑,2005,27(10):627-628.

[5] Wu W, Wang D, Ye C. Synthesis and characterization of addition-type polyimides functionlized with diamine chromophore[J].Polym Bull,1998,41:401-408.

[6] Jeyakumar K, Chand D. Copper perchlorate:Efficient acetylation catalyst under solvent free conditions[J].Journal of Molecular Catalysis A:Chemical,2006,255(1-2):275-282.

[7] Cremlyn R, Swinbourne F, Shode O. Cyclization of benzils[J].Journal of Heterocyclic Chemistry,1987,24(1):117-21.

[8] Asadolah K, Heravi M. Bismuth(Ⅲ) nitrate supported on silica gel,a new catalyst for acetylation of alcohols and phenols under microwave irradiation[J].Phosphorus, Sulfur and Silicon and the Related Elements,2004,179(11):2335-2339.

[9] Hassner A, Fischer B. Synthetic methods.The 4,5- and 2,5-additions to oxazoles[J].Tetrahedron,1989,45(19):6249-6262.