環狀氨基甲酸酯衍生物的合成及反應研究

王 靜，郭 爽，王家喜

（河北工業大學 化工學院，天津 300130）

環狀胺基甲酸酯類化合物可廣泛用作農藥、醫藥、合成樹脂改性和有機合成的中間體，其作為有機合成的中間體可用于合成異氰酸酯、雜環化合物、無毒聚氨酯、氨基樹脂等，與烯烴、醛、酮發生加成反應可生成多種用途的產品[1-2]．傳統生產工藝多采用光氣為原料[3]，由于光氣具有劇毒且該工藝中會產生大量腐蝕性氣體，存在嚴重的安全隱患，所以非光氣法的胺基甲酸酯制備引起了人們的廣泛關注[4]．

本論文以“綠色化學品”的碳酸二甲酯與醇胺的反應，合成環狀胺基甲酸酯，并探索了環狀胺基甲酸酯與胺的反應．

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

試劑：乙醇胺、碳酸二甲酯、丙烯酸甲酯、1,6-己二胺、醋酸鋅、正丁胺為分析純，碳酸鉀為化學純，天津大學科威公司．

儀器：AVANCE/400型核磁共振譜儀，瑞士布魯克公司；SP-6800A型氣相色譜儀，山東魯南瑞虹化工儀器有限公司；N2000色譜數據工作站，浙江大學智能信息工程研究所；XT4-100A熔點儀，北京科儀電光儀器廠；Vector-22型紅外光譜儀，德國BRUCK公司．

1.2 合成方法

1.2.1 2-噁唑烷酮（Ⅰ）的合成

在裝有溫度計、磁子攪拌和冷凝管的三口瓶內依次加入48.86g(0.800mol)乙醇胺、72.06g(0.800mol)DMC和2.4184g已活化的醋酸鋅，升溫到80℃回流反應4h，脫溶劑后用無水乙醇重結晶，得48.36g產物Ⅰ（收率69.5%），熔點84.0～86.0℃（文獻 [5]：86.5～88.5℃）．1HNMR（CDCl3，400 MHz， ，ppm）：6.32（br，-NH），4.46(t，J=7.2 Hz，2H，-CH2O)，3.65(t，J=7.2 Hz，2H，-CH2NH)．

1.2.2 2-（2-噁唑烷酮）丙酸甲酯（Ⅱ）的合成

在裝有溫度計、磁子攪拌和冷凝管的三口瓶內依次加入4.35 g（0.05 mol）Ⅰ、4.30 g（0.05 mol）丙烯酸甲酯和0.0865g的K2CO3，升溫到80℃反應2.5h，得到8.65g淺黃色透明溶液產物Ⅱ[6]．1HNMR（CDCl3，400MHz， ，ppm）：4.32（t，J=7.2Hz，2H，-CH2O），3.70（s，3H，-OCH3），3.63（t，J=7.2 Hz，2H，-CH2CH2），3.58（t，J=6.6 Hz，2H，-CH2N），2.63(t，J=6.6 Hz，-CH2CO)．

1.2.3 Ⅱ和1,6-己二胺的反應

在裝有溫度計、磁子攪拌和冷凝管的三口瓶內依次加入8.65 g（0.050mol）Ⅱ、2.90g（0.025 mol）1,6-己二胺和0.086 5 g的K2CO3，升溫到70℃反應5 h，蒸餾反應中生成的甲醇，減壓脫溶劑后得到9.84 g微黃色固體產物Ⅲ．1HNMR（CDCl3，400MHz， ，ppm）：6.78（br，-NH），4.32（t，J=7.2Hz，2H，-CH2O），3.65（t，J=7.2 Hz，2H，-CH2CH2），3.58（t，J=6.6 Hz，2H，-CH2N），3.22（m，2H，-CH2NH），2.50(m，2H，-CH2CO)，1.49（m，2H，-CH2CH2），1.33（m，2H，-CH2CH2）．

1.2.4 Ⅲ和1,6-己二胺的反應

在裝有溫度計、磁子攪拌和冷凝管的三口瓶內依次加入9.95 g（0.025mol）Ⅲ、2.90g（0.025 mol）1,6-己二胺、0.1285g的K2CO3和9 g無水乙醇，在100～110℃反應10h，蒸出乙醇，體系溫度逐漸升高到150℃后恒溫反應6 h，減壓濃縮，得到12.5 g黃色蓬松狀略有彈性的固體產物Ⅳ．FT-IR（，cm1）：3 301(br)，3076（w），2926（s），2854（w），1743（w），1643（s），1562（s），1461（br），1371（w），1270（w），1 121（w），1 051（w），879（w），761（w），727（w），593（w）．

1.2.5 Ⅱ和正丁胺的反應

在裝有溫度計、磁子攪拌及冷凝管的三口瓶內依次加入7.84 g（0.045 mol）Ⅱ、6.62 g（0.091 mol）正丁胺和0.1119g的K2CO3，升溫到82℃反應，由滴液漏斗緩慢滴加23.3g正丁胺，不斷蒸出副產物甲醇，GC跟蹤反應至無甲醇分出．將低沸點的餾分全部蒸出，得到10.51 g淺棕紅色溶液產物Ⅴ．1H NMR（CDCl3，400MHz， ，ppm）：6.52（s，H，-NH），4.30（t，J=7.2Hz，2H，-CH2O），3.65（m，2H，-CH2CH2），3.55（m，2H，-CH2N），3.24（m，2H，-CH2NH），2.49（t，J=6.4 Hz，2H，-CH2CO），1.48（t，J=7.6 Hz，2H，-CH2CH2），1.35（t，J=7.6 Hz，2H，-CH2CH2），0.93（m，3H，-CH2CH3）．

1.2.6 Ⅴ和1,6-己二胺的反應

在裝有溫度計、磁子攪拌及冷凝管的三口瓶內依次加入6.40 g（0.030mol）Ⅴ、1.72g（0.015 mol）1,6-己二胺、0.081 4 gK2CO3和5 g無水乙醇作溶劑，回流反應12 h，減壓濃縮，得到6.50 g棕黃色粘稠液體產物Ⅵ．FT-IR（ ，cm1）：3287（s），3078（s），2954（w），2928（s），2857（s），1745（s），1645（s），1 560（s），1 462（s），1 375（w），1 267（s），1 119（s），1 044（w），763（w），735（w）．

2 結果與討論

2.1 2-噁唑烷酮（Ⅰ）合成研究

2-噁唑烷酮（Ⅰ）的合成途徑很多，如可由乙醇胺與碳酸乙烯酯[7-8]、碳酸二乙酯[9]、尿素[10]在不同的催化劑作用下反應制備．本文使用已活化的醋酸鋅為催化劑，催化碳酸二甲酯（DMC）和乙醇胺反應生成2-噁唑烷酮，在這個反應中，胺基乙醇的胺基先進攻DMC分子中的羰基，形成線性胺基甲酸酯，進一步關環形成預期產物，該工藝后處理簡單，如方程式1所示．

2.2 2-噁唑烷酮反應性能的研究

2-噁唑烷酮是一個多官能團化合物，如胺基上活潑氫可發生氮雜-麥克爾加成及羰基上的兩種開環反應．Yang等[6]報道了2-噁唑烷酮在KF/Al2O3催化下與丙烯酸酯的反應，反應具有很強的溶劑效應．本文在80℃及K2CO3催化下本體反應2.5 h，幾乎定量反應生成Ⅱ（1H NMR見圖1）．

方程式1 化合物Ⅰ的合成途徑Equ.1 Pathway for thesynthesisof compoundⅠ

Ⅱ和1,6-己二胺發生酯的酰胺化反應生成兩端為2-噁唑烷酮的化合物Ⅲ（方程式3），1HNMR見圖2．根據核磁圖中峰面積計算可以知道，還有約10%的原料沒有反應．考慮到化合物Ⅲ的官能度為2，將其和另一個官能度為2的醇、胺反應，可以合成非異氰酸酯聚氨酯或聚脲．為此將Ⅲ繼續和1,6-己二胺進行反應，最終得到黃色蓬松狀、略有彈性的固體，反應過程中有氣體放出．遺憾的是該產物可能發生了交聯，不溶于水、二氯甲烷、氯仿、DMSO、乙醇、甲醇、甲苯、四氫呋喃、丙酮和濃硫酸等常用溶劑，無法對其進行核磁表征．

圖1 化合物Ⅱ的1H NMR Fig.1 1H NMRspectrum ofⅡ

方程式3 化合物Ⅲ的合成Equ.3 Synthesisof compoundⅢ

為了進一步搞清反應的途徑，由2-噁唑烷酮衍生物Ⅱ與丁胺反應合成單2-噁唑烷酮的酰胺產物Ⅴ（方程式4，1H NMR見圖3）．化合物Ⅴ為單官能團化合物，與1,6-己二胺反應從理論上講不會交聯，所得產物VI的1HNMR見圖3．從圖3兩個化合物氫譜的對比中可以發現，歸屬于噁唑烷酮的信號a大大減小，反應后出現了3組新峰，分別為1峰、2峰和3峰．由于產物較復雜，分離困難．利用核磁軟件模擬化合物Ⅵa、Ⅵc及Ⅵd的1HNMR發現，化合物Ⅵc特征峰的氫譜位置大部分集中在2.0～3.0ppm之間，而化合物Ⅵa和化合物Ⅵd特征峰的氫譜位置主要在3.0～4.0 ppm之間．產物核磁圖中2峰和3峰可能歸屬予化合物Ⅵc，由峰面積可以知道化合物Ⅵc為主要產物．13C NMR（圖4）中的3峰和4峰是Ⅵa分子上與羥基相連的兩個碳原子（-CH2CH2OH）的信號峰，1峰是Ⅵd五元環中羰基碳原子（-NCON-）的信號峰，2峰是Ⅵb中羧基和胺形成鹽的碳原子（-NCOO N+-）[11]的信號峰．由此可以推斷，噁唑烷酮在該反應條件下開環反應選擇性較差，可以形成帶羥乙基的脲，環狀脲基多胺化合物．可能的反應途徑見（圖5）．

圖2 化合物Ⅲ的1H NMRFig.2 1H NMRspectrum ofⅢ

方程式4 化合物Ⅴ的合成Equ.4 Synthesisof compoundⅤ

圖3 化合物V和VI的1H NMRFig.3 1H NMRspectraof V and VI

圖4 化合物Ⅵ的13CNMRFig.4 13CNMRspectrum ofⅥ

圖5 胺與噁唑烷酮的可能反應途徑Fig.5 Thepossiblepathway of aminereacted with oxazolidinone

為了考察交聯產物Ⅳ與Ⅵ結構是否相似，兩種Ⅳ及Ⅵ的紅外光譜圖見圖6．

由圖6可以看出，兩種化合物在3000cm1以上都具有較強的N-H氫鍵信號，化合物Ⅳ中氫鍵相互作用比Ⅵ強，峰較寬，化合物Ⅵ中在1 745.96 cm1有較強的羰基信號，表明環狀脲的形成[12]，其它峰基本相似，表明化合物Ⅳ可能是聚合的多胺，環狀的脲基較少．

圖6 化合物Ⅳ和Ⅵ的IR譜圖Fig.6 FT-IRspectraof compoundⅣandⅥ

3 結論

在醋酸鋅催化下乙醇胺和碳酸二甲酯反應生成噁唑烷酮，噁唑烷酮與丙烯酸甲酯發生麥克加成反應，形成3-噁唑烷酮丙酸甲酯，進一步與丁胺、1,6-己二胺發生酰胺化反應合成出了2-噁唑烷酮衍生物．通過研究發現，有機胺與環狀氨基甲酸酯的羰基反應形成羥乙基取代脲，與烷氧基反應形成開環的胺基甲酸，該化合物進一步脫水形成環狀脲，脫二氧化碳形成多胺化合物．

[1]Adams P，Baron FA．Estersof Carbamic Acid[J]．Chem Rev，1965，65（5）：567-602．

[2]Madesclaire M，Coudert P，Zaitsev V P，et al．Synthesisof 2-oxazolidinonesfrom (1S,2S)-2-amino-1-(4-nitrophenyl)-1,3-propanediol[J]．Chem Heterocycl Compd(Engl Transl)，2006，42（4）： 506-511．

[3]李立清，王曉剛，郭三霞，等．一鍋法有效合成氨基甲酸酯類化合物 [J]．有機化學，2007，27（4）：519-523．

[4]梅付名，梅慧，李光興．羰基化法合成氨基甲酸酯催化劑的研究進展 [J]．現代化工，2006，26（8）：14-18．

[5]Rajca A，Grobelny D，Witek S，et al．5-Aryl-2-oxo-1,2,4-oxathiazolesas Cyclocarbonylating Agentsfor 2-Aminoalcoholsand 1,2-Diamines[J]．Synthesis，1983，12：1032-1033．

[6]Yang L，Xu L-W，Xia CG．Highly efficient KF/Al2O3-catalyzed versatilehetero-Michael addition of nitrogen，oxygen，and sulfur nucleophilesto,-ethylenic compounds[J]．Tetrahedron Lett，2005，46（19）：3279-3282．

[7]Patil Y P，Tambade PJ，Jagtap SR，et al．Synthesis of 2-oxazolidinones/2-imidazolidinones from CO2，different epoxides and amino alcohols/alkylenediaminesusing Br Ph3+P-PE-P+Ph3Br ashomogenousrecyclablecatalyst[J]．JMol Catal A： Chem，2008，289：14-21．

[8]Jagtap SR，Patil Y P，Fujita S-I，et al．Heterogeneous base catalyzed synthesis of 2-oxazolidinones/2-imidiazolidinones via transesteri?cation of ethylenecarbonatewith b-aminoalcohols/1,2-diamines[J]．Appl Catal，A：Gen，2008，341：133-138．

[9]Gall EL，Hurvois J-P，Sinbandhit S．Regio-and diastereoselective synthesis of-cyanoamines by anodic oxidation of 6-membered -silylamines[J]．Eur JOrg Chem，1999，1999（10）：2645-2653．

[10]Bratulescu G．An excellent procedurefor thesynthesisof oxazolidin-2-ones[J]．Synthesis，2007，20：3111-3112．

[11]Hampe EM，Rudkevich D M．Exploring reversiblereactionsbetween CO2and amines[J]．Tetrahedron，2003，59（48）：9619-9625．

[12]薛燕，陸世維．硒催化的鄰硝基苯胺類化合物的羰基化反應 [J]．化學通報，2002，3：187-190．