紅系染料的高效合成方法

廖立華, 姬星星, 肖博文

(1. 邵陽(yáng)學(xué)院 食品與化學(xué)工程學(xué)院,湖南 邵陽(yáng) 422000;2. 南華大學(xué)附屬長(zhǎng)沙市中心醫(yī)院 介入血管科, 湖南 長(zhǎng)沙 410004)

芳基偶氮是一類重要的、含有N=N結(jié)構(gòu)單元的有機(jī)分子,其分子結(jié)構(gòu)的獨(dú)特性使其具有鮮艷的顏色,并廣泛存在于染料、超分子自組裝體系以及天然產(chǎn)物骨架中[1-3]。芳基偶氮化合物中,偶氮是染料形成基礎(chǔ)顏色的結(jié)構(gòu)單元,其在工業(yè)中多被用于布料、服裝的染色劑。現(xiàn)今偶氮染料種類繁多,在染料市場(chǎng)占據(jù)了一半以上,而且應(yīng)用廣泛,通常用于皮革制作與加工、服裝印染以及食品著色等方面[4-7]。因而,對(duì)于芳基偶氮化合物的綠色高效合成成為了研究熱點(diǎn)。

目前,芳基偶氮分子的合成方法報(bào)道較多,例如,芳基化合物的重氮化偶聯(lián)反應(yīng),芳基肼的氧化脫氫反應(yīng),偶聯(lián)苯的瓦拉赫重排反應(yīng),芳基伯胺與亞硝基化合物的米爾斯反應(yīng),疊氮化合物的熱分解和偶聯(lián)反應(yīng)[8-13]。對(duì)于芳基雙偶氮化合物,目前主要是通過(guò)2次偶聯(lián)方法來(lái)合成:(1)芳基胺通過(guò)偶聯(lián)形成偶氮化合物;(2)偶氮化合物再通過(guò)重氮化反應(yīng)構(gòu)建第2個(gè)偶氮鍵(圖1)[14-15]。在2次偶聯(lián)的方法中,主要通過(guò)與NaNO2在酸性條件形成重氮鹽偶聯(lián),偶聯(lián)后的芳基偶聯(lián)化合物再進(jìn)行重氮化反應(yīng)時(shí),收率往往不高,尤其是在二次偶聯(lián)過(guò)程中,若引入活性基團(tuán),如羥基、氨基時(shí),副反應(yīng)較多,而在后續(xù)的處理當(dāng)中則需要柱層析來(lái)分離純化,因而造成了資源浪費(fèi)不利于規(guī)模化生產(chǎn)。因此,發(fā)展一種便捷高效的雙偶氮化合物的合成方法對(duì)于拓寬偶氮化合物的應(yīng)用具有重要的意義。

圖1 雙偶氮化合物的一般合成方法Figure 1 General synthesis route for the diazo dye molecules

本文以芳基二偶氮化合物B作為此類化合物的研究對(duì)象進(jìn)行了合成研究。以2-硝基-4-甲基苯胺為原料,與NaNO2在酸性條件下形成重氮鹽,再加入2-甲氧基-5-甲基苯胺經(jīng)過(guò)偶聯(lián)形成偶氮化合物A,之后在酸性條件下與亞硝酸異戊酯經(jīng)過(guò)重氮化反應(yīng)形成重氮鹽,最后與N,N-二羥乙基苯胺經(jīng)過(guò)偶聯(lián)合成目標(biāo)產(chǎn)物B(圖2)。

圖2 芳基二偶氮化合物B的合成Figure 2 Synthesis route for aromatic diazo dye compound B

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

Bruker-300型核磁共振儀(CDCl3和DMSO-d6為溶劑,TMS為內(nèi)標(biāo))。

所用試劑均為市售分析純,硅膠H由青島海洋化工有限公司生產(chǎn)。

1.2 偶氮化合物A的合成

在1000 mL三口燒瓶中,加入2-硝基-4-甲基苯胺(7.60 g, 0.05 mol)和1 mol/L鹽酸水溶液(250 mL),室溫?cái)嚢?0 min后,冷卻至0 ℃。稱取NaNO2(5.52 g, 0.08 mol)溶于100 mL水中,之后緩慢滴加到三口燒瓶中,1 h內(nèi)滴畢,保持在0 ℃攪拌反應(yīng)1 h。將2-甲氧基-5-甲基苯胺(6.85 g, 0.05mol)溶于1 mol/L酸水溶液(200 mL)中,緩慢滴加到三口燒瓶中,反應(yīng)溶液逐漸變成黃色。撤去冰浴后在室溫下繼續(xù)反應(yīng)2 h至反應(yīng)完全。用飽和的醋酸鈉水溶液調(diào)至pH=10,析出黃色固體,過(guò)濾,并用水洗滌多次至濾液為中性。經(jīng)過(guò)真空干燥得到偶氮化合物A 13.95 g,收率93%;1H NMR(CDCl3, 300 MHz)δ: 8.33(s, 1H), 8.17(s, 1H), 7.82(s, 1H), 7.20(s, 1H), 6.70(s, 1H), 4.93(brs, 2H), 3.93(s, 3 H), 2.34(s, 3H), 2.31(s, 3H);13C NMR(CDCl3, 75 MHz)δ: 148.5, 148.2, 142.7, 142.1, 138.1, 128.5, 127.4, 122.0, 120.3, 113.4, 112.6, 106.5, 55.6, 23.5, 21.0。

1.3 芳基二偶氮化合物B的合成

將偶氮中間體A(6.00 g, 20.0 mmol)溶于無(wú)水乙醇(100 mL)中,之后加入到500 mL三口燒瓶中,攪拌冷卻至0 ℃。接著,加入三氯乙酸(3.27 g, 20.0 mmol),緩慢滴加亞硝酸異戊酯(4.0 mL, 30.0 mmol)。反應(yīng)液在0 ℃下攪拌6 h,反應(yīng)液變成深黃色。向三口燒瓶中緩慢加入N,N-二羥乙基苯胺(3.62g, 20.0 mmol)的乙醇溶液(50 mL)。反應(yīng)液在室溫下攪拌12 h至反應(yīng)完全。將反應(yīng)液倒入飽和食鹽水(500 mL)中,攪拌10 min,靜置1 h,析出紫紅色固體后過(guò)濾得濾餅。用水洗滌直至pH=7,干燥,重結(jié)晶(石油醚 ∶乙酸乙酯=2 ∶1 ,V∶V)2次,得到紫紅色固體6.56 g,收率67%;1H NMR(DMSO-d6, 300 MHz)δ: 8.33(s, 1H), 8.00～8.06(m, 3H), 7.82(s, 1H), 7.34～7.42(m, 2H), 6.88(d,J=8.9 Hz, 2H), 4.89(s, 2H), 4.03(s, 3H), 3.93(s, 6H), 2.34(s, 3H), 2.31(s, 3H);13C NMR(DMSO-d6, 75 MHz)δ: 155.3, 151.7, 150.3, 148.4, 148.2, 142.7, 142.0, 138.1, 125.8, 125.7, 125.5, 125.1, 123.8, 123.5, 111.6, 100.6, 99.8, 58.2, 55.6, 23.5, 21.0。

1.4 紅系染料D的合成

在1000 mL三口燒瓶中,加入2-硝基-4-甲基苯胺(7.60 g, 0.05 mol)和1 mol/L鹽酸水溶液(250 mL),室溫?cái)嚢?0 min后,冷卻至0 ℃。稱取NaNO2(5.52 g, 0.08 mol)溶于100 mL水中,之后緩慢滴加到三口燒瓶中,1 h內(nèi)滴畢,保持在0 ℃攪拌反應(yīng)1 h。將2,5-二甲氧基苯胺(7.65 g, 0.05mol)溶于1 mol/L酸水溶液(200 mL)中,緩慢滴加到三口燒瓶中,反應(yīng)溶液逐漸變成黃色。撤去冰浴后在室溫下繼續(xù)反應(yīng)2 h至反應(yīng)完全。用飽和的醋酸鈉水溶液調(diào)至pH=10,析出淡黃色固體,過(guò)濾,并用水洗滌多次至濾液為中性。經(jīng)過(guò)真空干燥得到偶氮化合物C 14.54 g,收率92%。將偶氮中間體C(6.32 g, 20.0 mmol)溶于無(wú)水乙醇(100 mL)中,之后加入到500 mL三口燒瓶中,攪拌冷卻至0 ℃。接著,加入三氯乙酸(3.27 g, 20.0 mmol),緩慢滴加亞硝酸異戊酯(4.0 mL, 30.0 mmol)。反應(yīng)液在0 ℃下攪拌6 h,反應(yīng)液變成深黃色。向三口燒瓶中緩慢加入N,N-二羥乙基苯胺(3.62 g, 20.0 mmol)的乙醇溶液(50 mL)。反應(yīng)液在室溫下攪拌12 h至反應(yīng)完全。將反應(yīng)液倒入飽和食鹽水(500 mL)中,攪拌10 min,靜置1 h,析出紫紅色固體后過(guò)濾得固體。固體用水洗滌直至pH=7,干燥,重結(jié)晶(石油醚 ∶乙酸乙酯=2 ∶1,V∶V)2次,得到磚紅色固體6.91 g,收率68%;1H NMR(DMSO-d6, 300 MHz)δ: 8.32(s, 1H), 8.00～8.07(m, 3H), 7.82(s, 1H), 7.30～7.41(m, 2H), 6.87(d,J=8.8 Hz, 2H), 4.88(s, 2H), 4.10(s, 3H), 4.03(s, 3H), 3.93(s, 6H), 2.34(s, 3H);13C NMR(DMSO-d6, 75 MHz)δ: 155.2, 151.7, 150.2, 148.3, 148.2, 142.6, 142.0, 138.0, 125.7, 125.6, 125.5, 125.0, 123.7, 123.5, 111.7, 100.5, 99.7, 61.6, 58.2, 55.7, 20.5。

2 結(jié)果與討論

2.1 反應(yīng)條件的優(yōu)化

本文對(duì)偶氮化合物A合成芳基二偶氮化合物B的方法進(jìn)行了條件篩選(表1)。考察了催化劑、溶劑和溫度對(duì)產(chǎn)率的影響。首先,以0.1 eq三氯乙酸為催化劑,乙醇為溶劑,亞硝酸異戊酯為重氮化試劑,在反應(yīng)溫度為0 ℃時(shí),以38%收率得到目標(biāo)產(chǎn)物(Entry 1)。之后,改變催化劑,分別以三氟乙酸、硫酸和鹽酸催化反應(yīng),收率都低于三氯乙酸的催化效果(Entries 2～4)。然后,以三氯乙酸為催化劑,改變反應(yīng)的溶劑,當(dāng)以甲醇和水為溶劑時(shí),收率分別為35%和30%(Entries 5～6)。提高催化劑的用量,當(dāng)三氯乙酸用量為1 eq時(shí),催化效果最好,收率為67%(Entries 7～9)。最后改變反應(yīng)的溫度,當(dāng)溫度分別為-5 ℃和25 ℃時(shí),反應(yīng)的收率都低于在0 ℃時(shí)反應(yīng)的效果(Entries 10～11)。因此可以得出該反應(yīng)的最優(yōu)條件:反應(yīng)溫度為0 ℃,乙醇為溶劑,三氯乙酸用量為1 eq。

表1 反應(yīng)條件的優(yōu)化Table 1 Optimization of the reaction conditions

2.2 底物拓展

確定了最佳反應(yīng)條件后,本文對(duì)紅系染料D進(jìn)行了合成,結(jié)果如圖3所示。考察了給電子基團(tuán)甲氧基對(duì)芳香胺活性的影響,發(fā)現(xiàn)2-甲氧基-5-甲基苯胺上的甲基換成甲氧基時(shí),第1次重氮化反應(yīng)的收率為92%,給電子基團(tuán)甲氧基對(duì)反應(yīng)并無(wú)影響。偶氮化合物C在優(yōu)化條件進(jìn)行第2次重氮化反應(yīng)時(shí),能以68%的收率得到紅系染料D。

圖3 紅系染料D的合成路線Figure 3 Synthesis route for red dye compound D

本文以2-硝基-4-甲基苯胺為原料,與取代苯胺經(jīng)過(guò)重氮化反應(yīng)合成偶氮中間體,偶氮中間體再與重氮化試劑亞硝酸異戊酯經(jīng)重氮化反應(yīng),與N,N-二羥乙基苯胺偶聯(lián),合成芳基雙偶氮紅系染料。在后處理中加入飽和食鹽水可析出產(chǎn)品,再用水洗滌至pH=7除去雜質(zhì),重結(jié)晶2次則能以高達(dá)67%的收率得到高純度的芳基二偶氮染料。本文還研究了催化劑、溶劑和溫度對(duì)反應(yīng)收率的影響。研究表明:三氯乙酸用量為1 eq,乙醇為溶劑,反應(yīng)溫度為0 ℃時(shí),反應(yīng)收率為67%。在優(yōu)化條件下,以68%的收率得到紅系染料D。該方法相對(duì)于傳統(tǒng)合成芳基偶氮化合物的方法,后處理操作簡(jiǎn)單高效,不需要柱層析分離純化,收率較高。