一種黑色可逆熱致變色染料的合成及表征

鄧嘉倫，邱 黎，劉小成，洪 杰，蔡光威，張 剛，李自勇，李 翔

(華爍科技股份有限公司，湖北 武漢 430074)

可逆熱致變色是指一種顏色在加熱升溫時變為另一種顏色，冷卻后又變為原有顏色[1-2]，具有這類性質的染料稱為可逆熱致變色染料，通常稱之為“隱性染料”、“智能染料”。其變色機理為通過溫度不同而致使分子間電子轉移來實現顏色變化，即熱致變色材料的光譜性質發生可逆性變化[3-8]。該類化合物廣泛應用于熒光探針、分子生物學、單分子檢測、防偽、紡織等領域[9-14]。通常與電子給予體、溶劑等物質進行復配制成微膠囊作為商品銷售[15-18]。

2′-(2-氯苯氨基)-6′-二丁氨基熒烷(Ⅰ)是一種黑色可逆熱致變色染料， CAS No.82137-81-3，分子式為C34H33ClN2O3。作者以鄰氯苯胺、對苯二酚為原料，合成2-氯-4-羥基二苯胺(Ⅱ)；以間硝基苯酚為原料，經酚羥基保護、硝基還原、氨基烷基化反應、脫保護、與鄰苯二甲酸酐反應合成N,N-二正丁基-4-氨基-2-羥基-2′-甲酸二苯甲酮(Ⅲ)；化合物Ⅱ與化合物Ⅲ反應合成目標產物Ⅰ，并通過1HNMR、13CNMR對目標產物Ⅰ進行表征。合成路線見圖1。

圖1 2′-(2-氯苯氨基)-6′-二丁氨基熒烷的合成路線Fig.1 Synthetic route of 2′-(2-chloroanilino)-6′-(dibutylamino)fluoran

1 實驗

1.1 試劑與儀器

對苯二酚、鄰氯苯胺、磷酸、間硝基苯酚、乙酰氯、碳酸二丁酯、鄰苯二甲酸酐、碳酸銫、碳酸鉀、乙酸乙酯、甲苯、二甲苯、二氯苯、98%濃硫酸，分析純，國藥集團化學試劑有限公司；乙腈，美國TEDIA色譜試劑公司。

Agilent 1200型高效液相色譜分析儀;德國耐馳200 F3差示掃描量熱儀(DSC)；Agilent 400-MR DD2型核磁共振儀(400 MHz)。

1.2 2-氯-4-羥基二苯胺(Ⅱ)的合成

氮氣保護下，向500 mL干燥潔凈的四口圓底燒瓶中加入對苯二酚24.2 g(0.22 mol)、二氯苯120 g、磷酸9 mL(0.13 mol)，緩慢升溫至170 ℃，在此溫度下緩慢滴加鄰氯苯胺25.6 g(0.20 mol)，TLC監控反應完成(展開劑為乙酸乙酯-石油醚，體積比為1∶2);降溫至室溫，將反應液加入到100 g水中，分出油相，以水洗滌至中性，油相干燥，減壓脫除溶劑，以乙酸乙酯重結晶，活性炭脫色，50 ℃下真空干燥，得到化合物Ⅱ36.8 g，收率83.8%，純度99.5%(HPLC)。

1.3 N,N-二正丁基-4-氨基-2-羥基-2′-甲酸二苯甲酮(Ⅲ)的合成

1.3.1 間乙酰氧基苯胺的合成

氮氣保護下，向1 000 mL干燥潔凈的四口圓底燒瓶中加入間硝基苯酚118.2 g(0.85 mol)、甲苯400 mL，室溫下滴加乙酰氯69.1 g(0.88 mol)，反應完畢后水洗至中性；所得物料轉移至1 000 mL氫化反應器中，加入20 g鈀炭催化劑，以氮氣置換3次后再以氫氣置換3次，控制料溫30～35 ℃，通入氫氣使反應器中壓力維持在0.2～0.3 MPa，反應完成，過濾，回收溶劑得到間乙酰氧基苯胺121.1 g，收率96.6%，純度99.2%(HPLC)。

1.3.2N,N-二正丁基-4-氨基-2-羥基-2′-甲酸二苯甲酮(Ⅲ)的合成

向250 mL干燥潔凈的壓力反應器中加入間乙酰氧基苯胺15.1 g(0.10 mol)、碳酸二丁酯87.1 g(0.50 mol)、碳酸銫0.6 g，投料完畢以氮氣置換3次，開始緩慢升溫至150 ℃，控制壓力2 MPa左右，反應完畢；降溫至室溫，過濾，母液減壓回收溶劑后加入45 g水、6 g氫氧化鈉，回流反應1 h，降溫至20 ℃，以濃度為6%的鹽酸溶液調節pH值至3，靜置分出油相，以飽和食鹽水洗滌至中性，干燥；所得油相加入到干燥潔凈的250 mL圓底燒瓶中，氮氣保護，加入鄰苯二甲酸酐20.8 g(0.12 mol)、二甲苯80 mL，緩慢加熱至130 ℃，反應完畢，降溫至0 ℃過濾，濾餅以正丁醇重結晶，得到化合物Ⅲ 28.1 g，收率75.8%，純度99.0%(HPLC)。

1.4 2′-(2-氯苯氨基)-6′-二丁氨基熒烷(Ⅰ)的合成

氮氣保護下，向250 mL干燥潔凈的四口圓底燒瓶中加入98%濃硫酸23.0 g(0.45 mol)，室溫下加入化合物Ⅱ11.0 g(50.0 mmol)、化合物Ⅲ18.5 g(50.0 mmol)，升溫至60 ℃，以TLC監控反應完畢，降溫至20 ℃；將反應液緩慢倒入100 mL冰水中，劇烈攪拌，過濾，濾餅以清水洗滌至中性，加入5倍量95%乙醇重結晶，活性炭脫色，于50 ℃下真空干燥，得到白色結晶化合物Ⅰ25.3 g，收率91.5%，純度99.54%(HPLC)。

1.5 2′-(2-氯苯氨基)-6′-二丁氨基熒烷的表征

HPLC測試：Chemstation色譜工作站，VVD型紫外檢測儀，色譜柱XDB-C18(150 mm×4.6 mm，5 μm)；柱溫25 ℃；流動相100%乙腈，流速1.2 mL·min-1；紫外檢測波長254 nm；運行時間20 min。

差示掃描量熱(DSC)測試：稱取樣品5 mg，氣氛為氮氣，升溫區間40～300 ℃，升溫速率10 ℃·min-1。

核磁共振氫譜(1HNMR)和碳譜(13CNMR)測試：稱取樣品約5 mg(覆蓋滿核磁管底部)，用氘代試劑CDCl3溶解樣品，共振頻率400 MHz。

2 結果與討論

2.1 合成工藝優化

2′-(2-氯苯氨基)-6′-二丁氨基熒烷的合成分3步進行，分別對每一步反應的關鍵步驟進行優化。

2.1.1 化合物Ⅱ的合成優化

實驗發現，在合成化合物Ⅱ的過程中溶劑極性及反應溫度是影響反應進度的關鍵因素。在對苯二酚及鄰氯苯胺的投料量不變、升溫至一定溫度反應10 h條件下，考察不同溶劑對化合物Ⅱ合成的影響，結果見表1。

由表1可知，溶劑的極性及反應溫度對反應影響較大。當溶劑為甲苯、二甲苯時，反應極少或少量；當溶劑為鄰乙基甲苯、石蠟時，反應不充分，雜質多；當溶劑為氯苯時，反應一半；當溶劑為二氯苯時，反應充分，雜質少。因此，最優反應條件選擇溶劑為二氯苯、反應溫度170 ℃。

表1 溶劑對化合物Ⅱ合成的影響

2.1.2 化合物Ⅲ的合成優化

合成化合物Ⅲ時合成間乙酰氧基苯胺是關鍵步驟。以間硝基苯酚為原料，經酚羥基保護、硝基還原，在氫化反應器中得到間乙酰氧基苯胺。氫氣壓力對反應時間的影響見表2。

表2 氫氣壓力對反應時間的影響

由表2可知，當氫氣壓力增大時，反應時間縮短，但當壓力上升到一定值后對反應時間的影響較小。綜合考慮，最優氫氣壓力應控制在0.2～0.3 MPa。

化合物Ⅲ的合成中，選擇不同的堿進行單一變量實驗，結果見表3。

表3 不同堿對化合物Ⅲ收率的影響

由表3可知，碳酸銫相對于其它無機堿如碳酸鉀、氫氧化鈉或有機堿乙酸鈉、三乙胺等，表現出了非常明顯的活性。因此，最優堿選擇碳酸銫。

2.1.3 化合物Ⅰ的合成優化

目標產物2′-(2-氯苯氨基)-6′-二丁氨基熒烷的合成中濃硫酸的用量既要保證脫水環合反應順利進行，又要避免濃硫酸加入過多導致的后處理廢水量增加。以單一變量實驗研究濃硫酸用量對化合物Ⅰ收率的影響，結果見圖2。

圖2 濃硫酸用量對化合物Ⅰ收率的影響Fig.2 Effect of dosage of concentrated sulfuric acid on yield of compound Ⅰ

由圖2可知，隨著n(濃硫酸)∶n(化合物Ⅱ)的增大，化合物Ⅰ收率升高，當n(濃硫酸)∶n(化合物Ⅱ)增大至9∶1后，化合物Ⅰ收率變化不大。因此，選擇濃硫酸用量為化合物Ⅱ的9倍(物質的量)。

2.2 2′-(2-氯苯氨基)-6′-二丁氨基熒烷(Ⅰ)的表征

2.2.1 HPLC分析(圖3)

圖3 化合物Ⅰ的HPLC圖譜Fig.3 HPLC spectrum of compound Ⅰ

由圖3可知，化合物Ⅰ的出峰時間為9.988 min。HPLC積分計算可知，化合物Ⅰ的純度為99.54%。

2.2.2 DSC分析(圖4)

由圖4分析，化合物Ⅰ的熔程為180.5～182.5 ℃，性質穩定。

2.2.31HNMR分析(圖5)

由圖5可知，化合物Ⅰ的1HNMR(400 MHz，CDCl3)圖譜中的化學位移、出峰情況、氫原子數目及對應歸屬為:δ0.96～1.00(6H,t)處的三重峰、δ1.35～1.41(4H,dd)及δ1.59～1.62(4H,dd)處的二重峰分別為甲基和亞甲基質子的共振信號峰;δ3.28～

圖4 化合物Ⅰ的DSC曲線Fig.4 DSC curve of compound Ⅰ

圖5 化合物Ⅰ的核磁共振氫譜Fig.5 1HNMR spectrum of compound Ⅰ

3.32(4H,m)處的單峰為連接N原子的亞甲基信號峰，說明有兩個連接著N原子的丁基基團；δ5.95(1H,s)處的單峰為-NH的活潑質子氫的特征峰；δ6.37～6.39(1H,dd)、δ6.47(1H,d)、δ6.57～6.62(2H,dd)、δ6.71(1H,m)、δ6.91～6.93(1H,dd)、δ6.93～7.00(1H,dd)、δ7.24～7.28(4H,m)、δ7.59～7.61(1H,dd)、δ7.65～7.67(1H,dd)、δ8.00～8.01(1H,m)處均歸屬于苯環質子的系列信號峰；δ7.26處為溶劑CDCl3的信號峰。

2.2.413CNMR分析(圖6)

由圖6可知，化合物Ⅰ的13CNMR(400 MHz，CDCl3)圖譜中的化學位移，δ14.05(s)、δ20.34(s)、δ29.36(s)、δ50.83(s)處為脂肪鏈碳原子(伯碳原子、叔碳原子)的特征信號峰，且連接有一個雜原子；δ84.02(s)處為叔碳原子的信號峰；δ97.60(s)、δ104.43(s)、δ108.54(s)、δ114.15(s)、δ118.04(s)、δ119.92(s)、δ120.33(s)、δ120.59(s)、δ120.66(d)、δ127.44(s)、δ128.83(s)、δ129.63(s)、δ134.42(s)處為苯環上無取代基的碳原子信號峰；δ136.91(s)、δ140.77(s)、δ147.97(s)、δ150.10(s)、δ152.89(s)、δ153.13(s)處為苯環上有雜原子(如N、O、Cl等)取代基的碳原子信號峰；δ169.51(s)處為羰基的不飽和碳信號峰；δ77.0處的三重峰為溶劑CDCl3的信號峰。

圖6 化合物Ⅰ的核磁共振碳譜Fig.6 13CNMR spectrum of compound Ⅰ

3 結論

以鄰氯苯胺、對苯二酚為原料，合成2-氯-4-羥基二苯胺(Ⅱ)的最優反應條件：溶劑為二氯苯、反應溫度170 ℃。以間硝基苯酚為原料，經酚羥基保護、硝基還原、氨基烷基化反應、脫保護、與鄰苯二甲酸酐反應合成N,N-二正丁基-4-氨基-2-羥基-2′-甲酸二苯甲酮(Ⅲ)的最優反應條件：氫氣壓力為0.2～0.3 MPa，堿為碳酸銫?；衔铫蚺c化合物Ⅲ反應合成目標產物2′-(2-氯苯氨基)-6′-二丁氨基熒烷(Ⅰ)的最優反應條件：濃硫酸用量為化合物Ⅱ的9倍(物質的量)。以最優工藝條件進行實驗，得到黑色可逆熱致變色染料化合物Ⅰ，總收率56.2%，純度99.54%(HPLC)，其結構經1HNMR、13CNMR證實。