2,5-雙(苯胺基)對苯二甲酸閉環反應合成喹吖啶酮

馬歆，王高飛，張瑩，程利平，王莉賢

（上海應用技術大學化學與環境工程學院，上海201499）

喹吖啶酮是由喹啉和吖啶稠合排列的羰基化合物[1]。因其連續存在的分子間氫鍵和分子軌道重疊產生的π-π*相互作用，促使吸收帶向長波方向移動，使其具有色彩從橙色到紫色可調的特點，因此被廣泛應用在顏料行業[2-4]。同時喹吖啶酮的5個芳香環共軛形成大π鍵，共軛體系大，電子活動范圍廣，又具有平面剛性結構，故喹吖啶酮及其衍生物也被應用在有機場致晶體管、有機太陽能電池等光電功能材料領域[5-10]。近年來，隨著其應用越來越廣泛，對喹吖啶酮的需求不斷增加，市場前景良好。但喹吖啶酮合成過程繁瑣，其關鍵步驟是閉環反應，目前喹吖啶酮閉環反應的合成方法主要有熱閉環法、多聚磷酸法及對苯二胺法[11-13]。熱閉環法即無催化劑條件下將2,5-雙(苯胺基)對苯二甲酸（DATA）放到高沸點的惰性溶劑（硫酸酯、聯苯醚或聯苯醚與聯苯的混合物等）中，氮氣保護并于高溫（250～280℃）下進行反應，如式(1)，高沸點溶劑昂貴，投量比例大且不能回收利用，工廠生產成本投入高。多聚磷酸促進閉環反應，中間產物在83%～85%（折合P2O5含量）多聚磷酸中完成閉環氧化反應，如式(2)。該方法耗能高，后處理步驟繁瑣，該酸具有腐蝕性，危險系數大且易造成環境污染嚴重。

對苯二胺法進行閉環反應如式 ，將中間產物用濃硫酸進行閉環得到八氫喹吖啶酮，再通過熱解脫氫合成喹吖啶酮。同其他閉環方法相比，濃硫酸雖價格低廉，但其氧化性高，腐蝕性強，反應中容易生成喹吖啶酮磺化物，且具有三廢排放量大等諸多局限性。

也有采用AlCl3、SiCl4、氫氟酸和微波等方法[2]來完成閉環反應，但因其產率低、副產物較多及反應條件苛刻而未能實現工業化生產。

本文以DATA為原料，利用反應條件（酸的種類、投料比、反應溫度和反應時間）進行四水平四因素正交實驗，以產物產率為實驗指標，優選喹吖啶酮合成的最佳合成條件。

1 實驗材料和方法

1.1 實驗試劑與儀器

試劑：2,5-二甲氧酰基-1,4-環己二酮、苯胺均為分析純，上海阿拉丁生化科技股份有限公司；三氯化鋁、苯磺酸、對甲苯磺酸、十二烷基苯磺酸均為分析純，上海盛眾精細化工廠有限公司；乙酸，分析純，上海申博化工有限公司；乙醇、氫氧化鉀均為分析純，天津市恒興化學試劑制造有限公司；雙氧水（30%），分析純，天津市北辰方正試劑廠。

儀器：增力電動攪拌機，JB50-D 型，上海標本模型廠；電熱恒溫鼓風干燥箱，DHG-9070A型，上海申賢恒溫設備廠；核磁共振儀，AVANCE Ⅲ500Hz型，瑞士布魯克巴厄斯賓有限公司；傅里葉紅外光譜儀（FTIR），Nicolet 6700型，美國尼高力公司；紫外-可見分光光度計，UV-360 型，日本島津公司；同步熱分析儀，STA 449/DSC 200 型，德國耐馳公司；X 射線衍射儀（XRD），D/max 2200PC 型，日本理學電機株式會社；掃描電子顯微電鏡（SEM），S-3400N 型，日立高新那珂事業所。

1.2 喹吖啶酮的合成

喹吖啶酮合成反應步驟如式(4)所示，依次經過縮合[14]、氧化水解[15]、閉環反應。

具體過程如下。

（1）縮合反應 稱取13.75g丁二酸丁二酰二甲酯、12.5g苯胺、30g乙酸、4g乙醇加入到500mL三口圓底燒瓶中，通N2，80℃下反應40min，反應完畢，關閉氮氣，過濾，濾餅用適量水洗滌，至濾液pH≈7為止，烘干濾餅，得2,5-雙(苯胺基)對苯二羧酸甲酯21.1g，收率94%。1H NMR (500MHz,CDCl3) δ: 10.62 (s, 2H), 7.36 (t, J=7.5Hz, 4H),7.18 (t,J=7.3Hz, 2H), 7.11 (d,J=7.7Hz, 4H), 3.65 (s,6H), 3.39 (s, 4H) ；IR (KBr)：3242.88cm-1(N—H)，1655.17cm-1(C==O)， 1606.51cm-1、 1593.80cm-1、1494.60cm-1(Ar)， 1454.07cm-1(N—H)， 1239.46cm-1(C—N)，1192.75cm-1(C—O)。UV-vis λmax為17nm。

（2）氧化水解反應 稱取20g 2,5-雙(苯胺基)對苯二羧酸甲酯、5mL 乙醇、25mL 10%KOH 溶液加入到250mL三口圓底燒瓶中，開啟攪拌并升溫至回流，待攪拌均勻后，開始緩慢滴加20g 30%雙氧水，滴加完畢，繼續反應，直至反應液變為黃褐色溶液，將反應液降溫至40～45℃，于攪拌下緩慢滴加15%的鹽酸，直至反應液的pH 為3.0～3.5，再攪拌20min，反應結束。過濾，適量水洗滌。得到DATA 15.2g，收率76%。1H NMR (500MHz, DMSO-d6)

δ:13.42 (s, 2H), 8.86 (s, 2H), 7.87 (s, 2H), 7.32 (t, J=7.7Hz, 4H), 7.16 (d,J=7.7Hz, 4H), 6.97 (t, J=7.3Hz,2H)； IR (KBr)： 3368.72cm-1(N—H)， 1666.58cm-1(C==O)，1599.07cm-1、1587.13cm-1、1530.20cm-1(Ar)，1462.98cm-1(N—H)，1247.72cm-1(C—N)，1212.62cm-1(C—O)。UV-vis λmax為330nm。

（3）閉環反應 稱取7g 2,5-雙(苯胺基)對苯二甲酸和30g十二烷基苯磺酸于100mL三口圓底燒瓶中，130℃下攪拌7h。反應完畢后，用1.2L 水進行洗滌，過濾，洗至濾液pH≈7。將濾餅與100g 10%NaOH 溶液于250mL 三口圓底燒瓶中，80℃下攪拌15min，過濾，用適量水洗滌至濾液pH≈7。隨后，將濾餅與30mL 乙醇于100mL 三口圓底燒瓶中，回流攪拌20min，過濾，得到喹吖啶酮5.8g，收率92%。1H NMR(500 MHz,DMSO-d6)δ:11.86(s,2H, N—H), 8.48 (s, 2H, Ar—H), 8.24 (d, J=8.5Hz,2H, Ar—H), 7.77-7.74 (m, 2H, Ar—H), 7.52 (d, J=8.6Hz, 2H, Ar—H), 7.25-7.21 (m, 2H, Ar—H)。UVvis λmax為519nm。

（4）溶劑處理[16]量取10mL 濃硫酸于50mL 的燒瓶中，外部用冰水浴降到5℃時加入1.0g 喹吖啶酮，之后加入氯苯3mL，快速攪拌1h，溫度不超過10℃。后倒入100mL 冰水中，快速劇烈攪拌0.5h，之后轉入250mL燒瓶中，加熱回流1h，降溫到室溫過濾，用熱水洗滌至濾液pH≈7，濾餅烘干得到樣品0.62g。用于XRD檢測。

2 實驗結果與討論

2.1 喹吖啶酮合成條件優化

2.1.1 正交實驗表及分析

按照1.2節的實驗步驟，在探索實驗的基礎上，設計正交實驗考察了酸的種類、投料比、反應溫度和反應時間對喹吖啶酮制備的影響，見表1、表2。

表1 合成喹吖啶酮的因素水平表

研究表明，不同的促進體系對反應的促進效果表現出巨大差異，以十二烷基苯磺酸促進該反應產率最高，氯鋁酸離子液體的促進效果最差。造成這種現象的原因其一，在氯鋁酸離子液體促進的反應中，當芳香族化合物含孤對電子的給電子基團時[21-23]，AlCl3更易與其絡合，但DATA 中沒有強供電子基，AlCl3-NaCl 不易與其絡合，促進效果差；其二，反應中會生成水，AlCl3會水解掉，無法繼續促進反應；其三，苯磺酸類作為一類較強的有機酸，易提供氫離子，促進反應進行。DBSA 促進效果明顯強于其他苯磺酸類，是由于存在長烷基鏈，易與有機底物形成乳液液滴，液滴內部組裝疏水有機反應物，有助于除去反應中脫水產生的水分子[18-21]。由實驗現象可知，反應溫度較低時，反應過程中產生的水沒有排出反應體系，阻礙反應進行。升高溫度在130℃時，反應生成的水受高溫被迅速蒸餾出體系，促進反應正向進行。同時，反應產率隨反應時間的增長而增加，反應時間為7h 時較好，再延長反應時間，對產率無明顯影響。

表2 合成喹吖啶酮正交實驗表L16(44)

由極差R可知，在所選數據范圍內，對產物收率影響因素最大的為酸的種類，其次是反應溫度和反應時間，最后是投料比。經正交分析，最佳反應條件：以十二烷基苯磺酸（DBSA）為促進劑，反應溫度為130℃，投料比為m(DATA)∶m(DBSA)=1∶4.3，反應時間為7h。經實驗驗證，在該反應條件下合成喹吖啶酮的產率達92%。

2.2 表征

2.2.1 核磁、紅外分析和紫外分析

2,5-雙(苯胺基)對苯二羧酸甲酯、DATA 和喹吖啶酮的1H NMR譜圖質子化學位移如圖1所示。

圖1 1H NMR譜圖

2,5-雙(苯胺基)對苯二羧酸甲酯、DATA 和喹吖啶酮的紅外光譜圖及紫外-可見吸收光譜圖如下圖2所示。

從圖2(a)可以看出，喹吖啶酮的主要紅外吸收特征峰： 3266.03cm-1 為N—H 伸縮振動峰，1626.91cm-1 強峰為喹吖啶酮C==O 伸縮振動峰，1603.25cm-1、1581.10cm-1、1556.77cm-1 為 苯 環 特征吸收峰，1472.36cm-1為N—H彎曲振動峰。從圖2(b)可知，喹吖啶酮的最大吸收波長519nm，通過分析以上數據可確定合成了喹吖啶酮。以上數據與文獻報道一致[24-26]。

2.2.2 表面形貌分析

圖3是喹吖啶酮SEM圖，從圖中可以看出，喹吖啶酮由于分子間氫鍵和其他作用力出現明顯團聚現象，其基本為不規則的小顆粒塊狀，粒徑大小不一。

2.2.3 TG與DSC的熱重分析

圖4 為TG-DSC 圖。由圖4 可知，喹吖啶酮耐熱性高，只有1 處明顯的放熱峰，且600℃左右迅速發生熱分解而失重，與多聚磷酸方法制備的喹吖啶酮[27]分解溫度570℃相比，熱穩定性提高30℃。

2.2.4 XRD分析

圖5 為產物的XRD 圖。通過X 射線衍射分析，經過溶劑處理的喹吖啶酮在2θ 為5.5°、11.5°、15.7°、21.7°和27.0°左右均有衍射峰，這與文獻報道的β-晶型衍射峰一致[1]。由此可知，DBSA 促進合成喹吖啶酮經過顏料化處理，可用作有機顏料。

3 結論

（1）通過正交實驗得出合成喹吖啶酮的最佳反應條件，即以十二烷基苯磺酸（DBSA）為促進劑，投料比m(DATA)∶m(DBSA)=1∶4.3，反應溫度130℃、反應時間7h。

圖2 紅外光譜圖和紫外-可見吸收光譜圖

圖3 喹吖啶酮的SEM圖

圖4 喹吖啶酮的TG-DSC熱重圖

圖5 喹吖啶酮的XRD圖

（2）以十二烷基苯磺酸為促進劑，促進2,5-雙(苯胺基)對苯二甲酸合成喹吖啶酮閉環效果好，可回收利用，環境污染小，產率高，生產成本低，不僅工業上適于推廣使用，且是合成喹吖啶酮衍生物可采取的有效途徑。

（3）經1H NMR、FTIR和UV-vis表征所得產物為喹吖啶酮；通過SEM和TG-DSC的熱重分析，產物顆粒規則，熱穩定性較高；經溶劑處理后，通過XRD檢測確認為β-喹吖啶酮。