氧化法制備1，2-苯并異噻唑啉-3-酮

張可青，任蕊，楊俊偉，李程碑

(陜西省石油化工研究設(shè)計(jì)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(qiáng)、應(yīng)用劑量小、相容性好、藥效持續(xù)時(shí)間長、對(duì)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(yīng)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(lǐng)域受到越來越多的關(guān)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(lǐng)域中顯示出了獨(dú)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(qiáng)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(dá)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(jià)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(lǐng)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(yīng)，然后采用雙氧水氧化法制備得到BIT;產(chǎn)物結(jié)構(gòu)通過紅外光譜加以確認(rèn)，反應(yīng)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(duì)于BIT 的大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)具有很大的意義。

1 實(shí)驗(yàn)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(xué)純;濃鹽酸，工業(yè)品。

WRS-2 型熔點(diǎn)測定儀;VX-70 型紅外吸收光譜儀。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

合成過程按照如下反應(yīng)方程式分步進(jìn)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(dòng)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(yīng)溫度升至60 ～70 ℃，保溫反應(yīng)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(diǎn)154 ～157 ℃(文獻(xiàn)值155 ～159 ℃)，反應(yīng)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(dòng)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(yīng)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(diǎn)197 ～202 ℃，與文獻(xiàn)相符，反應(yīng)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(yīng)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(diǎn)156 ～158 ℃，與文獻(xiàn)報(bào)道相符合，反應(yīng)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(jié)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(yīng)，在這里不作探討。本文重點(diǎn)對(duì)雙氧水氧化成環(huán)的關(guān)鍵一步進(jìn)行討論。

2.1 氧化反應(yīng)及成環(huán)機(jī)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(yīng)歷程推測為:雙氧水在堿性條件下生成HO·自由基，進(jìn)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(yīng)，再次生成RS—OH 和HO·自由基，從而使得自由基取代反應(yīng)持續(xù)進(jìn)行。在堿性條件下，酰胺基氮原子上的孤對(duì)電子進(jìn)攻帶有微量正電荷的RS—OH，OH－離去，與氮原子上脫去的H+結(jié)合生成H2O，同時(shí)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(yīng):

—N—S— 鍵生成反應(yīng):

2.2 雙氧水滴加時(shí)間對(duì)反應(yīng)的影響

本反應(yīng)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(yīng)，則多余的自由基易于將斷鍵生產(chǎn)的RS— 進(jìn)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(shí)間內(nèi)反應(yīng)體系中氧化劑濃度太大而導(dǎo)致產(chǎn)物過氧化，雙氧水需在整個(gè)氧化過程內(nèi)緩慢加入。在不同反應(yīng)時(shí)間下進(jìn)行了氧化反應(yīng)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果列于表1。

表1 雙氧水滴加時(shí)間對(duì)反應(yīng)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(shí)，產(chǎn)率最高，且熔程僅為2 ℃，表明產(chǎn)物純度很好。滴加時(shí)間縮短為1 h 時(shí)，產(chǎn)率降低，熔程延長，其中一部分產(chǎn)物的熔點(diǎn)在170 ℃以上，表明反應(yīng)沒有進(jìn)行完全。滴加時(shí)間延長為3 h 后，產(chǎn)率低于滴加時(shí)間2 h 所得產(chǎn)物，且產(chǎn)物純度較低，表明反應(yīng)時(shí)間延長導(dǎo)致過氧化反應(yīng)的發(fā)生。上述現(xiàn)象均說明雙氧水滴加時(shí)間對(duì)于氧化反應(yīng)的影響很大，時(shí)間太短，反應(yīng)不能進(jìn)行完全，而時(shí)間太長，反應(yīng)易于發(fā)生過氧化副反應(yīng)。因此雙氧水滴加時(shí)間以2 h 為最佳。

2.3 氧化劑用量對(duì)反應(yīng)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(yīng)產(chǎn)率。

表2 氧化劑用量對(duì)反應(yīng)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(shí)，反應(yīng)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(yīng)產(chǎn)率逐漸降低，當(dāng)雙氧水與酰胺的摩爾比為1∶2 和1∶3 時(shí)，氧化劑大幅過量，產(chǎn)物大量過氧化，反應(yīng)產(chǎn)率急劇下降。考慮到雙氧水在反應(yīng)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(yīng)為1∶1.2。

2.4 堿性強(qiáng)弱對(duì)氧化反應(yīng)的影響

為研究反應(yīng)體系堿性強(qiáng)弱對(duì)反應(yīng)產(chǎn)率的影響，在pH 為8 ～14 的條件下進(jìn)行了合成反應(yīng)。實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)反應(yīng)體系pH 低于9 后，二硫化二苯甲酰胺在反應(yīng)過程中未能完全溶解，而反應(yīng)產(chǎn)率也明顯降低，這可能是因?yàn)槲慈芙獾孽０冯y以發(fā)生氧化反應(yīng)。熔點(diǎn)測定表明，大部分產(chǎn)物在標(biāo)準(zhǔn)熔點(diǎn)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(yīng)的酰胺，證實(shí)了上述推論。當(dāng)反應(yīng)體系pH值在9 ～14 時(shí)，酰胺均可完全溶解，反應(yīng)產(chǎn)率較高。

2.5 質(zhì)子催化劑對(duì)氧化反應(yīng)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(yīng)［7］，包括氫氧化鈉、氫氧化鉀等無機(jī)堿和吡啶、三乙胺等有機(jī)堿。另據(jù)報(bào)道［8］，在雙硫鍵的氧化斷裂反應(yīng)中，含N、P、S 的質(zhì)子親核試劑可催化氧化斷鍵反應(yīng)，使雙硫鍵斷裂反應(yīng)的時(shí)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(duì)本反應(yīng)的影響，選擇三乙胺為催化劑進(jìn)行了合成反應(yīng)，為避免氧化時(shí)間過長導(dǎo)致過氧化發(fā)生，加入催化劑后氧化反應(yīng)時(shí)間縮短為2 h，反應(yīng)結(jié)果見表3。

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

由表3 可知，在堿性強(qiáng)弱和反應(yīng)溫度等條件相同的前提下，加入催化劑三乙胺，使反應(yīng)時(shí)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(yīng)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(yīng)3 h 后收率，表明三乙胺對(duì)該反應(yīng)具有較好的催化作用。三乙胺對(duì)于雙氧水氧化制備BIT 反應(yīng)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(yīng)和催化閉環(huán)親核反應(yīng)，由于自由基反應(yīng)為慢反應(yīng)，而親核反應(yīng)為快反應(yīng)，因此三乙胺對(duì)雙硫鍵斷裂過程的催化作用為反應(yīng)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(yīng)的催化劑，本文還嘗試了以氨水作為催化劑進(jìn)行反應(yīng)。當(dāng)反應(yīng)體系加入與酰胺摩爾比1∶3 的氨水并反應(yīng)2 h 后，產(chǎn)率達(dá)到78.9%，表明氨水對(duì)雙氧水氧化反應(yīng)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(yīng)產(chǎn)物直接與雙氧水進(jìn)行氧化反應(yīng)，既可簡化合成步驟，又可將過量氨水直接作為催化劑，對(duì)于工業(yè)生產(chǎn)具有一定意義。

3 結(jié)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(jìn)行氧化反應(yīng)，經(jīng)鹽酸中和，即得1，2-苯并異噻唑啉-3-酮。產(chǎn)品結(jié)構(gòu)經(jīng)熔點(diǎn)測定和紅外光譜得到確認(rèn)。

(2)雙氧水氧化成環(huán)反應(yīng)由雙硫鍵斷裂的自由基反應(yīng)和環(huán)合親核反應(yīng)兩步組成，氧化反應(yīng)受雙氧水滴加時(shí)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(shí)間2 h 所得產(chǎn)率最高，總收率為67.7%。

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