四［（對-乙酰氨基苯氧基）甲基］甲烷的合成及表征

鄒 倩，彭永利

武漢工程大學材料科學與工程學院，湖北 武漢 430205

四［（對-乙酰氨基苯氧基）甲基］甲烷的合成及表征

鄒 倩，彭永利*

武漢工程大學材料科學與工程學院，湖北 武漢 430205

為改善環氧樹脂固化物柔韌性差的缺點，從固化劑結構設計著手，合成一種新型環氧樹脂固化劑中間體四［（對-乙酰氨基苯氧基）甲基］甲烷.該中間體以季戊四醇四苯磺酸酯和對乙酰氨基酚為原料，通過Williamson醚化反應得到.采用單因素試驗和正交實驗研究了反應時間、反應溫度以及反應物料配比對中間體四［（對-乙酰氨基苯氧基）甲基］甲烷收率的影響，結果表明：最佳反應時間為16 h，反應溫度為170℃，反應物投料比為1∶5，目標產物收率高達76.2%.用紅外、核磁等手段對中間體結構進行表征，紅外譜圖中3 297 cm-1和1 659 cm-1處出現酰胺的特征峰，核磁氫譜中δ 9.73（s，1H）表明了酰胺基團的存在，最終確認合成了純凈的四［（對-乙酰氨基苯氧基）甲基］甲烷且產率較高.

對乙酰氨基酚；四［（對-乙酰氨基苯氧基）甲基］甲烷；正交實驗；合成

季戊四醇及其衍生物是一種具有對稱結構的化合物，這種特殊的結構使此類化合物成為構建復雜分子和超分子結構化合物的起點，特別是它提供了有吸引力的分子間相互作用的多個可連接的位點，從而形成關聯復雜網絡化合物的中心［1-6］.季戊四醇四苯基醚是一種以季戊四醇為核心的四臂形化合物，得益于此類化合物的特殊結構，越來越多的研究人員從分子設計入手，引入特殊官能團，合成出一系列具有不同物理和化學性能的大分子來滿足工業應用的需要［7-9］.為解決環氧樹脂固化物韌性欠佳的缺點，本文從固化劑結構設計著手，合成出一種季戊四醇四苯醚類化合物——四［（對-氨基苯氧基）甲基］甲烷，其分子結構中含有胺基、苯環和醚鍵，理論上可以快速固化環氧樹脂并且增強固化物的韌性.Laliberte等［10］以對硝基苯酚和季戊四醇四苯磺酸酯為原料在堿性條件下反應得到四［（對-硝基苯氧基）甲基］甲烷，然后將四［（對-硝基苯氧基）甲基］甲烷催化氫化制得四［（對-氨基苯氧基）甲基］甲烷，不過從安全性、經濟性、操作簡單性方面來看，此種合成方法并不那么令人滿意.因此，本文用對乙酰氨基酚代替對硝基苯酚與季戊四醇四苯磺酸酯反應，得到四［（對-乙酰氨基苯氧基）甲基］甲烷，再將其在酸性條件下水解得到四［（對-氨基苯氧基）甲基］甲烷，此種方法較前者更為簡單安全.在四［（對-氨基苯氧基）甲基］甲烷的合成中，關鍵是中間體四［（對-乙酰氨基苯氧基）甲基］甲烷的合成.因此本文利用正交實驗研究了用季戊四醇四苯磺酸酯和對乙酰氨基酚制備四［（對-乙酰氨基苯氧基）甲基］甲烷的最佳工藝條件.

1 實驗部分

1.1 試劑和儀器

季戊四醇：國藥集團化學試劑有限公司，化學純；苯磺酰氯：天津市大茂化學試劑廠，分析純；吡啶：天津市大茂化學試劑廠，分析純；對乙酰氨基酚：上海阿拉丁有限責任公司，化學純；乙醇：天津市科密歐化學試劑有限公司，分析純；氫氧化鈉：天津博迪化工股份有限公司，分析純.

DF-101S集熱式恒溫加熱磁力攪拌器，鞏義市予華儀器有限責任公司；XT5顯微熔點測定儀，北京市科儀電光儀器廠；傅立葉變換紅外光譜儀，Perkin Elmer；核磁共振波譜儀，德國Bruker公司.

1.2 四［（對-乙酰氨基苯氧基）甲基］甲烷的合成

1.2.1 四［（對-乙酰氨基苯氧基）甲基］甲烷的合成原理 四［（對-乙酰氨基苯氧基）甲基］甲烷的合成類似Williamson醚合成反應原理，Williamson醚化反應即醇或酚分子中羥基的氫原子被烷基或芳基取代而醇醚化或酚醚化的反應.四［（對-乙酰氨基苯氧基）甲基］甲烷的合成反應中先將酚在堿性條件下和鹽反應生成酚鹽負離子，酚鹽負離子作為親核試劑再與磺酸酯發生SN2親核取代反應，總反應如圖1所示.

圖1 四［（對-乙酰氨基苯氧基）甲基］甲烷的合成反應式Fig.1 Synthesis equation of tetrakis［（p-acetamidophenoxy）methyl］methane

1.2.2 季戊四醇四苯磺酸酯的合成 稱量4.36 g季戊四醇加入到250 mL三口燒瓶中，量取20 mL吡啶倒入三口燒瓶中，量取20 mL苯磺酰氯倒入到滴液漏斗中，搭好裝置，在攪拌狀態下連續滴加苯磺酰氯，控制滴加速度，并控制反應溫度在35℃以下.滴加完畢后，將溫度升至40℃，攪拌反應3 h.反應結束后，及時將三口燒瓶中的產物倒入到盛有30 mL鹽酸、33 mL冰水和67 mL甲醇混合溶液的大燒杯中，攪拌、靜置沉淀、抽濾.然后配置V（丙酮）∶V（無水乙醇）=1∶4的混合溶液對抽濾所得晶體進行重結晶，繼續抽濾，置于70℃烘箱中干燥，得到白色粉末19.3 g，收率85.3%，熔點99 ℃～101 ℃［3］.1.2.3四［（對-乙酰氨基苯氧基）甲基］甲烷的合成 在250 mL三口燒瓶中加入一定量的對乙酰氨基酚和氫氧化鈉，量取適量干燥的乙醇做溶劑，加熱升溫至60℃攪拌反應1 h，再加入適量上述制得的季戊四醇四苯磺酸酯，升溫至150℃以上反應一定時間，反應結束后，趁熱將其倒入去離子冰水中，攪拌，靜置沉淀，抽濾，放入烘箱中干燥后用無水乙醇重結晶得到白色粉末狀固體，稱重，計算產率.

1.3 四［（對-乙酰氨基苯氧基）甲基］甲烷的分析方法

熔點測試：采用XT-5雙目顯微熔點測定儀，根據JJG 701－2008“熔點測定儀檢定規程”測定熔點.

紅外測試：采用溴化鉀壓片法，在Perkin Elmer傅立葉變換紅外光譜（Fourier transform infrared spectroscope，FT-IR）儀（美國）上進行檢測分析，掃描范圍在400 cm-1～4 000 cm-1.

核磁共振氫譜（nuclear magnetic resonance hydrogen，1H-NMR）測試：用氘代二甲基亞砜［（methyl sulfoxide）-d6，DMSO］做溶劑，四甲基硅烷（tetramethylsilance，TMS）做 內 標 ，在 Agilent 400MR核磁共振波譜儀上進行測試分析.

2 結果與討論

2.1 FT-IR表征

圖2為四［（對-乙酰氨基苯氧基）甲基］甲烷的FT-IR圖.3 297 cm-1歸屬為N-H的伸縮振動，1 659 cm-1歸屬為C=O的伸縮振動，從而說明了酰胺鍵的存在；1 609 cm-1和1 512 cm-1歸屬為苯環的骨架振動吸收峰證明了苯環的存在；2 959 cm-1、2 868 cm-1歸屬為甲基伸縮振動；2 922 cm-1和2 850 cm-1歸屬為亞甲基的伸縮振動；1 232 cm-1處為Ar－O的特征吸收峰；831 cm-1歸屬為苯環的對位取代.基本可以確定該譜圖上特征峰所表示官能團均為四［（對-乙酰氨基苯氧基）甲基］甲烷的特征官能團.

圖2 四［（對-乙酰氨基苯氧基）甲基］甲烷的FT-IR圖Fig.2 FT-IR spectra of tetrakis［（p-acetamidophenoxy）methyl］methane

2.2 1H-NMR表征

圖3為四［（對-乙酰氨基苯氧基）甲基］甲烷的1H-NMR 圖 ，且有1H NMR（400 MHz，dmso）：δ 9.73（s，1H），7.41（d，J=8.8 Hz，2H），6.87（d，J=8.9 Hz，2H），4.17（s，2H），1.96（s，3H）.將圖3中的吸收峰積分，并將得到的積分面積與分子中H的數目做對比，如表1所示.由表1可知，各個吸收峰積分面積比值與四［（對-乙酰氨基苯氧基）甲基］甲烷分子結構中相應位置上H的數目吻合，說明所得物質為四［（對-乙酰氨基苯氧基）甲基］甲烷.將該產物在XT-5雙目顯微熔點測定儀上測得熔點為270℃～272℃.

圖3 四［（對-乙酰氨基苯氧基）甲基］甲烷的1H-NMR圖Fig.3 1H-NMR spectrum of tetrakis［（p-acetamidophenoxy）methyl］methane

表1 四［（對-乙酰氨基苯氧基）甲基］甲烷的1H-NMR譜峰歸屬Tab.1 Chemical shifts of H atoms of tetrakis［（p-acetamidophenoxy）methyl］methane in1H-NMR

2.3 合成反應影響因素的討論

2.3.1 反應原料的選擇 早在1936年左右，Backer和Dijken［11］首次用季戊四溴和酚鹽加熱制備季戊四醇四苯基醚及其衍生物，只是當時此類化合物的價值并未完全被挖掘.Laliberte等人不斷改進季戊四醇四苯基醚類化合物的合成方法［10，12-13］，發現用季戊四溴和酚鹽加熱并不能得到滿意的效果，反而是與簡單易得且廉價的季戊四醇四苯磺酸酯反應能實現季戊四醇四苯基醚的批量生產，因此最終采用季戊四醇四苯磺酸酯和對乙酰酰胺基酚為原料.

2.3.2 溶劑的選擇 傳統的Williamson醚合成反應為SN2形親核取代反應，為達到對SN2形親核反應的加速效果，非質子化極性溶劑如乙腈、DMF等常使用在此反應［14-15］.因此，選擇DMF為溶劑，氫氧化鈉為堿，回流條件下制備四［（對-乙酰氨基苯氧基）甲基］甲烷，收率只有33%左右，采用乙腈、丙酮等其他溶劑仍然得不到高的收率.文獻［10］以乙醇為溶劑，在170℃高溫下制備這類化合物，反應收率能達到76%.

2.3.3 原料摩爾比的影響 通過大量查閱文獻以及不斷嘗試，確定反應的原料為季戊四醇四苯磺酸酯和對乙酰氨基酚，用乙醇做溶劑，嘗試反應溫度170℃，反應時間12 h，采用不同的原料摩爾比，做單因素實驗，結果如表2所示.

表2 原料摩爾比對反應產率的影響Tab.2 Effects of molar ratio of raw material on product yields

由表2可知，反應原料摩爾比對實驗的收率有較大影響：當反應原料摩爾比按照1∶4投料時，酚和鹽并不能完全反應而得到足夠的酚鹽負離子與季戊四醇四苯磺酸酯反應，故產率不高；對乙酰氨基酚稍微過量一點反應產率就能相應提高，而當原料摩爾比為1∶6時，反應體系中堿性增強會使季戊四醇四苯磺酸酯水解，反應收率降低［16］.

2.3.4 反應時間的影響 由表2可知，反應原料摩爾比對反應的產率有較大影響，當n（季戊四醇四苯磺酸酯）∶n（對乙酰氨基酚）為1∶5時，反應產率最高.采用不同的反應時間，合成四［（對-乙酰氨基苯氧基甲基）］甲烷，探究反應時間的影響，其結果如表3所示.

表3 反應時間對產率的影響Tab.3 Effects of reaction times on products yield

由表3可知，適當延長反應時間可以使產率提高，但當反應時間延長到20 h，產率不再升高反而降低，可能是因為隨著反應時間的延長，反應物濃度下降導致反應物之間的有效碰撞減少，產率降低，因此控制好反應時間對反應收率也很重要［17］.

2.3.5 反應溫度的影響 為探究反應溫度對反應產率的影響，分別采用不同的溫度進行實驗，實驗結果如表4所示.

表4 反應溫度對產率的影響Tab.4 Effects of reaction temperature on products yield

由表4可知：反應溫度低于170℃并不會對產率產生很大的影響；當反應溫度高于170℃，產物出現碳化現象，反而使產率降低.

2.3.6 正交設計實驗結果 根據上文對各個實驗影響因素的討論，采用正交實驗法，以四［（對-乙酰氨基苯氧基）甲基］甲烷的產率為指標，對反應時間（A）、反應溫度（B）以及反應原料摩爾比（C）3個影響因素進行優選，選用L9（33）進行正交實驗，實驗結果如表5所示.

表5 正交實驗法優化四［（對-乙酰氨基苯氧基）甲基］甲烷的制備工藝Tab.5 Preparation process of tetrakis［（p-acetamidophenoxy）methyl］methane by orthogonal design

由表5極差R的值可知，反應原料摩爾比對實驗影響最大，為主要影響因素，反應溫度為次要因素，按照平均值大小選取最優水平為A2B2C2，即反應時間為16 h，反應溫度為170℃，反應原料摩爾比為1∶5.表5中，第4組實驗反應產率最高，即反應時間為16 h，反應溫度為160℃，反應原料摩爾比為1∶5，而按照最優合成條件即反應時間為16 h，反應溫度為170℃，反應原料摩爾比為1∶5時所得產物產率為76.2%，比第4組反應產率高，因此四［（對-乙酰氨基苯氧基）甲基］甲烷合成反應的最佳工藝為反應時間16 h，反應溫度170℃，反應原料摩爾比1∶5.

3 結 語

1）采用L9（33）正交實驗法設定實驗方案，實驗表明反應配比對四［（對-乙酰氨基苯氧基）甲基］甲烷合成反應的影響最大，反應溫度為不重要因素.四［（對-乙酰氨基苯氧基）甲基］甲烷在最佳合成條件即反應溫度為170℃，原料摩爾比為1∶5，反應時間為16 h時，產率最高為76.2%.

2）目標產物的 FT-IR譜圖中3 297cm-1和1 659 cm-1處出現酰胺的特征峰，1 609 cm-1和1 512 cm-1出現苯環的特征峰.從產物的1H-NMR圖可知各個吸收峰積分面積比值與四［（對-乙酰氨基苯氧基）甲基］甲烷分子結構中相應位置上H的數目吻合，驗證了最終產物為四［（對-乙酰氨基苯氧基）甲基］甲烷，說明此物質的合成工藝路線是可行的.

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Synthesis and Characterization of Tetrakis［（p-Acetamidophenoxy）Methyl］Methane

ZOU Qian，PENG Yongli*
School of Materials Science and Engineering，Wuhan Institute of Technology，Wuhan 430205，China

To improve the poor flexibility of cured epoxy resin，a new curing agent intermediates of tetrakis［（p-acetamidophenoxy） methyl］ methane were synthesized based on curing agent structure design.The intermediates were prepared by etherification reaction method using pentaerythritol tetrabenzenesulfonate and acetaminophen as raw materials.The effects of reaction time，reaction temperature and the ratio of reaction materials on the yield of tetrakis［（p-acetamidophenoxy） methyl］ methane were explored by single factor experiment and orthogonal experiment.The results show that the yield of the tetrakis［（p-acetamidophenoxy）methyl］methane reaches 76.2%at the optimum reaction time of 16 h，reaction temperature of 170 ℃，reactant ratio of 1∶5.The structure of the intermediates was characterized by Fourier transform infrared spectroscopy and nuclear magnetic resonance hydrogen spectroscopy.Infrared spectrum shows the characteristic peaks of amide appears at 3 297 cm-1and 1 659 cm-1，nuclear magnetic resonance hydrogen spectroscopy shows the presence of amide at δ 9.73（s，1H）.Both of test methods above confirm the synthesis of pure tetrakis［（p-acetamidophenoxy）methyl］methane with high yield.

acetaminophen； tetrakis［（p-acetamidophenoxy） methyl］ methane； orthogonalexperiment；synthesis

2016-12-28

國家自然科學基金（21376182）

鄒 倩，碩士研究生.E-mail：854167473@qq.com

*通訊作者：彭永利，博士，教授.E-mail：13114351136@163.com

鄒倩，彭永利.四［（對-乙酰氨基苯氧基）甲基］甲烷的合成及表征［J］.武漢工程大學學報，2017，39（5）：438-442.

ZOU Q，PENG Y L.Synthesis and characterization of tetrakis［（p-acetamidophenoxy）methyl］methane［J］.Journal of Wuhan Institute of Technology，2017，39（5）：438-442.

O625.6

A

10.3969/j.issn.1674-2869.2017.05.006

1674-2869（2017）05-0438-05

苗 變