羥基改性聚對亞苯基苯并二唑單體3,3′-二氨基-4,4′-二羥基聯苯鹽酸鹽的合成

吳純鑫，常雨淅，陳迪超，張建庭，金寧人，趙德明

（浙江工業大學化學工程學院，浙江杭州310014）

關于DADHBP·2HCl 的合成，現有文獻以4,4′-二羥基聯苯為原料經硝化后，以水合肼為還原劑，鈀碳為催化劑進行催化還原制得目標產物，但該路線存在反應時間長，成本高等缺點[9]。因此，本文以縮短合成時間和減少生產成本為目標，以4,4′-二羥基聯苯為原料，經硝化，七水合硫酸亞鐵為助劑還原合成DADHBP·2HCl。路線中采用水合肼，七水合硫酸亞鐵還原方法較水合肼鈀碳還原方法的優勢為價格更為便宜，其對硝基還原的選擇性好，對比鈀碳還原降低成本，且還原效果顯著。其工藝路線如圖1所示[14]。經實驗優化后，得到高純度中間體3,3′-二硝基-4,4′-二羥基聯苯（DNDHBP）和單體3,3′-二氨基-4,4′-二羥基聯苯鹽酸鹽（DADHBP·2HCl），中間體和產品結構經紅外光譜、核磁氫譜和電噴霧質譜表征確認。

圖1 單體3，3′-二氨基-4，4′-二羥基聯苯鹽酸鹽的合成路線

1 實驗部分

1.1 主要試劑與儀器

4,4′-二羥基聯苯（DHBP）、氯化亞錫、乙醇，均為分析純，上海麥克林生化科技有限公司；甲苯，分析純，華東醫藥股份有限公司；冰乙酸、甲醇，均為分析純，永華化學科技（江蘇）有限公司；N,N-二甲基甲酰胺、濃鹽酸，均為分析純，西隴科學股份有限公司；濃硝酸，分析純，浙江中星化工試劑有限公司；活性炭、水合肼，均為分析純，上海阿拉丁生化科技股份有限公司；七水合硫酸亞鐵，分析純，國藥集團化學試劑有限公司。

Avance-2型核磁共振儀（1H NMR），瑞士布魯克公司； Jasco FT/IR-460plus 型紅外光譜儀（FTIR），美國Thermo Scientific 公司；ITQ 1100TM直接進樣桿離子阱質譜儀（ESI-MS），美國Thermo Scientific 公司；高效液相色譜LC-20A型液相色譜儀（HPLC，面積歸一法，室溫流動相40%乙腈-水緩沖溶液，流速1.0mL/min，檢測波長254nm），島津（中國）有限公司。

1.2 實驗過程及方法

1.2.1 DNDHBP的合成

在裝有溫度計及球形冷凝管的250mL 四口燒瓶中，依次加入5.00g 4,4′-二羥基聯苯、25mL 甲苯、35mL 冰乙酸，攪拌，5℃下加入3.8mL 硝酸（質量分數為65%），然后反應2.5h，冷卻至室溫，抽濾，用水、甲醇分別洗滌濾餅，濾餅烘干得到黃色產物3,3′-二硝基-4,4′-二羥基聯苯，HPLC 分析得質量分數92.43%，以4,4′-二羥基聯苯計收率81.39%，重結晶后備用。

分析反應機理以及DNDHBP 的質譜圖可推知，該步硝化反應的副產物為3-硝基-4,4′-二羥基聯苯，表征結果如下。

FTIR（KBr，cm-1）：3224（s）、3090（s）、1520（s）、1310（s）、1239（s）。

1H NMR（二甲基亞砜DMSO，化學位移δ）：11.13(s,2H,OH)，8.14(2H,s，ArH)，7.86(2H，s，ArH)，7.20(2H，s，ArH)。

C12H8N2O6ESI-MS：[M H]+=275.0。與DNDHBP理論相對分子質量相同

1.2.2 DADHBP·2HCl的合成

在裝有溫度計及球形冷凝管的250mL 四口燒瓶中，依次加入2g DNDHBP、0.60g活性炭、0.20g七水合硫酸亞鐵和20mL 無水乙醇，回流攪拌，緩慢滴加1mL 水合肼，反應9h 后停止，熱過濾，將濾餅溶于12mL 5%（質量分數）稀鹽酸，過濾除去雜質，鹽析，抽濾，濾餅真空干燥，得到白色固體產物3,3′-二氨基-4,4′-二羥基聯苯鹽酸鹽，HPLC分析質量分數98.20%，以DADHBP計收率為67.16%，表征結果如下。

FTIR（KBr，cm-1）：3371（s）、3291（s）、2954（s）、1600.3（s）、1219（s）。

1H NMR（DMSO，δ）：10.96（2H，s，OH）,10.13（3H，s，NH2·HCl），7.57（2H，s，ArH），7.40（2H，s，ArH），7.18（2H，s，ArH）。

C12H12N2O2ESI-MS：[M+H]+=217.1。與3,3′-二氨基-4,4′-二羥基聯苯（DADHBP）理論相對分子質量相同。

2 結果與討論

2.1 DNDHBP的合成

2.1.1 反應溶劑種類對DNDHBP合成的影響

反應溶劑種類對硝化反應的選擇性和反應速率影響較大，為提高硝化反應收率和產物純度，在反應溫度、物料配比和反應時間一定的條件下，考察反應溶劑種類對硝化反應的影響，結果見表1。

表1 反應溶劑種類對DNDHBP合成的影響

2.1.2 混合溶劑配比對DNDHBP合成的影響

混合溶劑配比對硝化反應有一定影響，選擇合適的配比可以提高硝化反應的純度和收率，結果見表2。

表2 混合溶劑配比對DNDHBP合成的影響

當甲苯與冰乙酸體積比為3∶2 時，硝化反應的收率較低，且后處理過程中有較多產品附著在杯壁上，乙酸有脫水劑的作用，一定程度上影響反應進行，乙酸含量過高時硝化反應不易控制，容易產生副產物導致產物和收率較低，乙酸含量較低時反應不完全，生成較多單硝化化合物。根據表2選擇甲苯與冰乙酸體積比5∶7 為較佳溶劑配比進行硝化反應。

2.1.3 硝酸與DHBP 原料配比對DNDHBP 合成的影響

理論的硝酸與DHBP原料摩爾比為2∶1，在工業生產中硝酸用量常常高于理論量，以促進反應進行完全，但過量的硝酸又會產生多硝化副產物及污染環境，提高生產成本。探討硝酸用量對硝化反產物純度以及收率的影響，結果見表3。

表3 硝酸與DHBP原料配比對DNDHBP合成的影響

由表3可知，當硝酸配比低于2∶1時，硝化產物收率較低，而硝酸濃度較高時又會得到較多的副產物，且重結晶的方法無法去除這些雜質，故較佳的配比為理論配比，并且在此硝酸比條件下，4,4′-二羥基聯苯與硝酸反應較充分，體現出較好的原子經濟性。

2.1.4 反應溫度對DNDHBP合成的影響

硝化反應是一個強放熱反應，如果不及時移除熱量，會使反應溫度迅速上升，引起多硝化副產物的產生，因此探討合適的反應溫度，減少副產物的生成至關重要。探討反應溫度對硝化反應純度及收率的影響，結果見表4。

表4 反應溫度對DNDHBP合成的影響

由表4 可知，溫度為0℃的條件下反應已經發生，溫度過低反應不完全導致純度和收率都不夠高，隨著反應溫度升高，產物收率逐漸提高，當反應溫度高于5℃時，繼續升高溫度會引發其他副反應，導致反應的選擇性下降。因此較佳反應溫度為5℃左右。

2.1.5 反應時間對DNDHBP合成的影響

硝化反應時間的控制也很重要，反應時間較短會導致硝化反應不完全，而硝化時間過長又會發生副反應，生成多硝基產物，導致產率降低，且難以除去。故考察反應時間對硝化產物純度以及收率的影響，結果見表5。

表5 反應時間對DNDHBP合成的影響

由表5可知，隨著反應時間延長，產物收率逐漸增加，當反應時間為2.5h時，收率較高，繼續延長反應時間收率下降，質譜檢測有三硝化及四硝化等副產物生成。因此較佳反應時間為2.5h。

2.2 DADHBP·2HCl的合成

2.2.1 DADHBP還原方法對比

硝基還原的方法有很多，通常使用的方法有水合肼還原法、催化加氫、金屬單質、SnCl2-HCl 法和保險粉還原等。各個還原反應各有優缺點，本文選擇5種還原方法對DADHBP分別進行硝基還原實驗，結果見表6。

表6結果表明，使用鐵粉、保險粉和氯化亞錫作為還原劑的實驗編號為1、2和3中還原硝基效果不好，主要原因是反應物溶解性較差，反應在非均相中進行，二硝基不能完全還原。而實驗4中水合肼鈀碳還原的效果不好是因為反應過程中產生的未知副產物難以除去。綜合考慮，采用乙醇為溶劑水合肼七水合硫酸亞鐵的還原方法。

表6 不同還原方法對產物的影響

2.2.2 七水合硫酸亞鐵用量對DADHBP·2HCl合成的影響

考察七水合硫酸亞鐵用量對DADHBP·2HCl合成的影響，結果見表7。

表7 七水合硫酸亞鐵用量對DADHBP·2HCl合成的影響

七水合硫酸亞鐵的用量對還原反應有一定的影響，由表7 可知，當n(FeSO4·7H2O)∶n(DNDHBP)=5∶1時，反應速度很慢，無法得到較多還原產物，隨著七水合硫酸亞鐵用量增加，在n(FeSO4·7H2O)∶n(DNDHBP)=9∶1時收率和純度達到最高，其后再增加七水合硫酸亞鐵用量，反應產品的純度和收率變化不大，因此采用n(FeSO4·7H2O)∶n(DNDHBP)=9∶1為適宜的用量。

2.2.3 水合肼用量對DADHBP·2HCl合成的影響

還原反應一般不易進行且產物易氧化，還原硝基過程與大多數硝基還原成氨基相同，首先產生亞硝基或羥胺中間體，中間體繼續被還原為氨基，還原反應需保證擁有足夠的氫供體。水合肼在回流溫度和助劑影響下完全轉化一部分產生的活性氫參與反應，一部分沒有參與反應直接逸出，需使用過量的水合肼才能達到較高的純度和收率。因此探討水合肼用量對DADHBP·2HCl 合成的影響，結果見表8。

表8 水合肼用量對DADHBP·2HCl合成的影響

硝基還原為氨基需足量的水合肼，由表8 可知，當物料摩爾比采用理論用量1∶4 時還原不完全，隨著水合肼與DNDHBP 摩爾比的增大，產物的收率也隨之增加，當二者的摩爾比達到1∶5.5時，純度與收率較優。再繼續增加水合肼的用量，收率沒有提高。因此DNDHBP 與水合肼的較佳物料配比應以1∶5.5為宜。

2.2.4 反應時間對DADHBP·2HCl合成的影響

反應時間對產物制備的純度及收率的影響尤其重要，反應時間過長會導致產物中雜質增加，反應時間過短還原反應不完全。探討反應時間對DADHBP·2HCl合成的影響，結果見表9。

表9 反應時間對DADHBP·2HCl合成的影響

由表9可知，隨著反應時間的延長，產物的收率也逐漸增大，反應時間9h 時產物的純度及收率較佳，還原較完全，繼續延長反應時間，收率略有降低。因此還原反應較佳的反應時間為9h。還原產物經質譜檢測含有小于2%的單還原雜質3-硝基-3′-氨 基-4,4′-二 羥 基 聯 苯，目 標 產 物DADHBP·2HCl 的純度大于98%，達到聚合要求，可進行后續聚合反應。

3 結論

本文成功地以4,4′-二羥基聯苯為原料制得了中間體DNDHBP、DADHBP·2HCl，并對其合成工藝條件進行了優化，產物用FTIR、1H NMR 和MS等方法定性表征，均符合其分子結構[15]。結果如下。

（1）DNDHBP 的合成 以4,4′-二羥基聯苯為原料，甲苯冰乙酸為反應溶劑，反應溫度5℃，反應時間2.5h，n(DHBP)∶n(HNO3)=1∶2，反應中緩慢滴加硝酸，防止溫度升高，便于控制反應，得到3,3′-二硝基-4,4′-二羥基聯苯，HPLC 分析得質量分數92.43%，收率81.39%。

（2）DNDHBP·2HCl 的合成 以DNDHBP 為原料，乙醇為反應溶劑，七水合硫酸亞鐵為助劑，n(DNDHBP)∶n(N2H4·H2O)=1∶5.5，反應溫度78℃，反應9h后，經熱過濾和鹽析，得到DADHBP·2HCl，收率67.16%，HPLC分析得質量分數為98.20%。