1,3,2-二唑噻吩-2,2-二氧化物的合成工藝優化

王培紅，張楠，周寶強，高瑞昶（天津大學化工學院，天津 300072）

?

王培紅，張楠，周寶強，高瑞昶
（天津大學化工學院，天津 300072）

摘要：以乙二醇和二氯亞砜為原料，在多相催化劑三氯化釕和氧化劑作用下合成1,3,2-二唑噻吩-2,2-二氧化物。用1H核磁共振譜和紅外吸收光譜對1,3,2-二唑噻吩-2,2-二氧化物進行了表征。考察了氧化劑種類、原料摩爾比、反應溫度、反應時間、氧化劑用量和催化劑用量對目標產物收率的影響，得到較優的操作條件為：用高碘酸鈉作氧化劑、n(二氯亞砜)∶n(乙二醇)=1.2∶1、反應溫度40℃、反應時間60min、m(高碘酸鈉)∶m(乙二醇)=3∶1、催化劑用量為乙二醇質量的0.2%。在此條件下，收率達81.25%。該工藝在合成路線方面具有副產少、毒性小、收率高的優點，具有更好的實際應用價值。

關鍵詞：乙二醇；1,3,2-二唑噻吩-2,2-二氧化物；氧化；合成；優化

第一作者：王培紅（1989—），女，碩士研究生。聯系人：高瑞昶，副教授。E-mail pharmacy@tju.edu.cn。

目前，工業上通常在室溫下以環氧化合物和SO2為原料，在溴化四乙胺的催化下生成中間體聚合物，加熱至110～120℃，轉化為相應的1,3,2-二氧硫雜戊烷-2-氧化物，然后在催化劑和氧化劑作用下合成產品。該工藝反應溫度高，且產品采用乙醚萃取，毒性大。針對原工藝存在的問題和二氯亞砜在有機合成中的重要作用[6-9]，本工作以乙二醇和二氯亞砜為原料，以二氯甲烷作反應溶劑和萃取劑，三氯化釕作多相催化劑，高碘酸鈉作氧化劑，合成1,3,2-二唑噻吩-2,2-二氧化物。由于反應體系分層，使用多相催化劑三氯化釕可明顯提高反應速率，縮短反應時間；反應溫度為40℃，與工業上相比大大降低了能耗；期間用堿液吸收生成的氯化氫氣體；在整個反應中使用二氯甲烷一種溶劑，可回收套用，且避免使用乙醚，降低了反應成本與操作毒性。

在確定工藝的基礎上，通過單因素實驗，考察了氧化劑種類、原料摩爾比、反應溫度、反應時間、氧化劑用量和催化劑用量對目標產物收率的影響，得到了較優的操作條件。

1　實驗原理

本文首先將乙二醇與二氯亞砜反應制得1,3,2-二氧硫雜戊烷-2-氧化物，生成的1,3,2-二氧硫雜戊烷-2-氧化物以三氯化釕作催化劑、在氧化劑的作用下進行氧化反應，合成產物1,3,2-二唑噻吩-2,2-二氧化物。方程式如式(1)、式(2)。

2　實驗部分

2.1試劑與儀器

乙二醇、二氯亞砜、次氯酸鈉、二氯甲烷、氫氧化鈉，AR，天津市元立化工有限公司；三氯化釕、高錳酸鉀、高碘酸鈉，AR，天津市光復精細化工研究所。

TD6001電子天平，天津市天馬儀器廠；恒溫冷卻液循環泵，鞏義市英峪高科儀器廠；DF-101S恒溫加熱磁力攪拌器，鄭州世紀雙科實驗儀器有限公司；旋轉蒸發器，上海亞榮生化儀器廠；GC9750氣相色譜儀（TCD 檢測器），浙江福立分析儀器有限公司；X-4數字顯示顯微熔點測定儀，北京泰克儀器有限公司；TENSOR 27 傅里葉變換紅外光譜儀，德國Bruker；AVANCE Ⅲ液體核磁共振儀，瑞士Bruker。

2.2實驗步驟

向裝有溫度計、磁力攪拌器、恒壓滴液漏斗、低溫回流冷凝管和尾氣處理的四口燒瓶中加入66mL二氯甲烷和一定量的乙二醇，室溫下滴加二氯亞砜，通過控制滴速，用約1h的時間滴完。滴加完畢，在一定的溫度下反應。反應一定時間后，停止反應。將反應液冷卻至室溫，隨后加入100mL水、66mL二氯甲烷、三氯化釕、氧化劑，在常溫下攪拌1.5h。將得到的反應液用一定量的二氯甲烷多次萃取，分液得到有機相，先后用水、飽和碳酸氫鈉、飽和食鹽水洗滌，將有機相旋蒸后得粗品為白色晶體，柱層析后得終產品，即為1,3,2-二唑噻吩-2,2-二氧化物。

2.3產品檢測

終產品用氣相色譜峰面積歸一化法測得其質量分數為99.1%，氣相色譜條件為：氫火焰檢測器; 色譜柱為HP-1，柱長30m，內徑0.25mm; 載氣為氮氣; 汽化室溫度240℃，檢測器溫度240℃，柱溫210℃。并采用熔點儀、紅外、核磁對產物1,3,2-二唑噻吩-2,2-二氧化物進行了表征。

3　結果與討論

3.1氧化劑種類對產品收率的影響

固定n(二氯亞砜)∶n(乙二醇)=1∶1，在反應溫度為20℃、反應時間為40min、催化劑用量為乙二醇質量的0.1%，m(高碘酸鈉)∶m(乙二醇)=5∶1的條件下，考察不同氧化劑對目標產物收率的影響，結果見表1。

表1　不同氧化劑對產品收率的影響

由表1可以看出，使用次氯酸鈉作氧化劑時，收率最高，這是因為次氯酸鈉能同時氧化未反應完的乙二醇為乙二醛（白色固體），產品中雜質高。高錳酸鉀作氧化劑時收率低，且被還原物為二氧化錳，堵塞分液漏斗。而高碘酸鈉作氧化劑時，雖收率不是最高，但從工藝和產品純度上考慮，合適的氧化劑是高碘酸鈉。

3.2原料摩爾比對產品收率的影響

固定乙二醇的用量為0.1mol（6.21g），在反應溫度為20℃、第一步反應時間為40min、催化劑用量為乙二醇質量的0.1%，m(高碘酸鈉)∶m(乙二醇)=5∶1的條件下，考察n(二氯亞砜)∶n(乙二醇)對目標產物收率的影響，結果見圖1。

由圖1可知，n(二氯亞砜)∶n(乙二醇)的值越低，1,3,2-二唑噻吩-2,2-二氧化物的收率也越低。產品隨著二氯亞砜用量的增加而變大，但是當超過1.2∶1時，產品收率反而下降。這是因為二氯亞砜濃度增大時，副反應氯取代增強，使收率下降，故最佳原料摩爾比是1.2∶1。

圖1　原料摩爾比對產品收率的影響

3.3反應溫度對產品收率的影響

在n(二氯亞砜)∶n(乙二醇)=1.2∶1，反應時間為40min、催化劑用量為乙二醇質量的0.1%，m(高碘酸鈉)∶m(乙二醇)=5∶1的條件下，考察反應溫度對目標產物收率的影響，結果見圖2。

圖2　反應溫度對產品收率的影響

3.4反應時間對產品收率的影響

在n(二氯亞砜)∶n(乙二醇)=1.2∶1，反應溫度為40℃、催化劑用量為乙二醇質量的0.1%，m(高碘酸鈉)∶m(乙二醇)=5∶1的條件下，考察反應時間對目標產物收率的影響，結果見圖3。

圖3　反應時間對產品收率的影響

由圖3可知，反應時間太短，反應不完全，導致收率較低，產品收率隨反應時間的延長而變大，但是反應時間超過60min后，收率增加不明顯。為了降低能源消耗，最優的反應時間取60min。

3.5氧化劑用量對產品收率的影響

在n(二氯亞砜)∶n(乙二醇)=1.2∶1、反應時間為60min、反應溫度為40℃、催化劑用量為乙二醇質量的0.1%的條件下，考察氧化劑高碘酸鈉用量對目標產物收率的影響，結果見圖4。

圖4　氧化劑用量對產品收率的影響

3.6催化劑用量對產品收率的影響

在n(二氯亞砜)∶n(乙二醇)=1.2∶1、反應時間為60min、反應溫度為40℃、m(高碘酸鈉)∶m(乙二醇)=3∶1的條件下，考察催化劑三氯化釕用量對目標產物收率的影響，結果見圖5。

圖5　催化劑用量對產品收率的影響

到此本工藝的操作條件已優化完畢，較優的操作條件是：用高碘酸鈉作氧化劑、n(二氯亞砜)∶n(乙二醇)=1.2∶1、反應溫度40℃、反應時間60min、m(高碘酸鈉)∶m(乙二醇)=3∶1、催化劑用量為乙二醇質量的0.2%。在此操作條件下1,3,2-二唑噻吩-2,2-二氧化物的收率為81.25%。本工藝用堿液吸收氯化氫，簡單易行，安全環保，采用的所有原料及溶劑均為價廉易得的商品化試劑，成本較低，反應溫度溫和可控，反應更充分，同時提高了收率。

3.7產品分析鑒定

產物為白色晶體，熔程測定值為97～98℃，與文獻值[12]基本一致。

采用KBr壓片法測定產品的紅外吸收光譜，結果見圖6。

圖6　產品的紅外光譜

由圖6可知，各個吸收峰歸屬如下：650cm?1處的吸收峰對應S—O鍵的伸縮振動峰，786cm?1、874cm?1、904cm?1和1008cm?1處的吸收峰為C—O鍵的伸縮振動峰，1121cm?1處的吸收峰對應砜S=O鍵的伸縮振動峰，1203cm?1和1378cm?1處的吸收峰表明產物結構中存在R—O—SO2—O—R結構，1475cm?1處的吸收峰為芳雜環的環伸縮振動峰，2924cm?1、2999cm?1和3067cm?1處的吸收峰則為—CH2(環)中C—H鍵的伸縮振動。這與文獻[13]中具有相似結構的物質一致。

以CDCl3為溶劑，四甲基硅烷（TMS）為內標物，掃描頻率為400MHz，測定產品的核磁共振氫譜，各個質子的化學位移歸屬為：7.26（s，1H，CDCl3），4.76（s，4H）。

4　結　論

（1）以乙二醇、二氯亞砜為原料，三氯化釕為催化劑，高碘酸鈉為氧化劑合成了1,3,2-二唑噻吩-2,2-二氧化物。該工藝原料價廉易得，均為常用試劑，成本低，毒性小；生成的氯化氫氣體用堿液吸收，保護環境；反應溫和可控，反應時間短，收率高，是一項富有前景的1,3,2-二唑噻吩-2,2-二氧化物合成工藝。

（2）用紅外光譜和核磁共振譜對產物進行了表征。單因素實驗結果表明，較優的合成條件為用高碘酸鈉作氧化劑、n(二氯亞砜)∶n(乙二醇)=1.2∶1、反應溫度40℃、反應時間60min、m(高碘酸鈉)∶m(乙二醇)=3∶1、催化劑用量為乙二醇質量的0.2%，收率為81.25%。

參考文獻

[1] GUPTA P，NAIDU S V，KUMAR P. A practical enantioselective synthesis of massoialactone via hydrolytic kinetic resolution[J]. Tetrahedron Letters，2004，45：849-851.

[2] NAKAYA M，OGURI H，TAKAHASHI K，et al. Relative and absolute configuration of antitumor agent SW-163D[J]. Biosci. Biotechnol. Biochem，2007，71（12）：2969-2976.

[3] FAN Z Y，CORBET M，ZHAO Y，et al. Cyclic glyceryl sulfate：a simple and versatile bio-based synthon for the facile and convergentsynthesis of novel surface-active agents[J]. Tetrahedron Letters，2013，54：3595-3598.

[4] 姚宜穩，許杰，姚萬浩，等. 電解液添加劑硫酸亞乙酯對鋰離子電池性能的影響[J]. 應用化學，2010，27（7）：823-828.

[5] JANSSEN P，SCHMITZ R，MüLLER R，et al. 1,3,2-Dioxathiolane-2,2-dioxide as film-forming agent for propylene carbonate based electrolytes for lithiumion batteries[J]. Electrochimica Acta，2014，125：101-106.

[6] 奚強，唐杜陵. 氯化亞砜的成環反應[J]. 湖北化工，1998（1）：38-39.

[7] 劉娜，黃成軍，周后元. 氯化亞砜在有機合成中的應用[J]. 中國醫藥工業雜志，2007，38（3）：156-163.

[8] 楊運旭，季興躍，劉世香，等. 兩種鄰、間手性二醇的區域選擇性取代反應研究[J]. 有機化學，2008，28（5）：922-926.

[9] 王東，曾平莉，田宗明，等. SOCl2在有機合成及工業生產中的應用[J]. 浙江化工，2005，36（6）：25-29.

[10] BALDWIN J E，ADLINGTON R M，GOILINS D W.The stereospecific synthesis of (2S，3R) 3-carboxyproline and (2S，3R) 3-aminoproline[J]. Tetrahedron，1995，51（17）：5169-5180.

[11] 凱萊英醫藥化學（天津）有限公司. 一種噻吩-3-乙醇的合成方法：102241662A[P]. 2011-11-16.

[12] HAM G E. Reaction of ethylene oxide with sulfur trioxide[J]. Journal of Organic Chemistry，1960，25：864.

[13] BERRIDGE M S，FRANCESCHINI M P，ROSENFELD E，et al. Cyclic sulfates：useful substrates for selective nucleophilic substitution[J]. Journal of Organic Chemistry，1990，55：1211-1217.

·產品信息·

Optimization of the synthesis of 1,3,2-dioxathiolane 2,2-dioxide

WANG Peihong，ZHANG Nan，ZHOU Baoqiang，GAO Ruichang
（School of Chemical Engineering and Technology，Tianjin University，Tianjin 300072，China）

Abstract：1,3,2-dioxathiolane -2,2-dioxide was synthesized by ethylene glycol and thionyl chloride，with the heterogeneous catalyst of ruthenium(III) chloride and various oxidants. The product was characterized by1H NMR and IR spectra. The effects of different oxidants，molar ratio of raw materials，reaction temperature，reaction time，and the amount of oxidants and catalyst on the yield of target product were investigated. The optimal reaction conditions were determined as：n(thionyl chloride)∶n(ethylene glycol)=1.2∶1，m(sodium periodate)∶m(ethylene glycol)=3∶1，m(catalyst)∶m(ethylene glycol)=0.002∶1 and the reaction were carried out at 40℃ for 60 min using sodium periodate as oxidant. The yield of the product could reach 81.25% under the above optimal reaction conditions. The new process has the advantages of fewer by-products，lower toxicity and higher yield and therefore are more valuable in practical application.

Key words：ethylene glycol; 1,3,2-dioxathiolane-2,2-dioxide; oxidation; synthesis; optimization

收稿日期：2015-04-27 ；修改稿日期：2015-06-19。

DOI：10.16085/j.issn.1000-6613.2016.01.033

中圖分類號：TQ 252.9

文獻標志碼：A

文章編號：1000–6613（2016）01–0243–05