紫外吸收劑UV-1164的工藝開發

姬金嶺 孫立嬌 黃姍珊 趙 慧 史成陽 王運良

(佳木斯大學 藥學院, 黑龍江 佳木斯 154007)

紫外吸收劑UV-1164具有三嗪結構母核,通過官能團的取代使其結構中含有一個鄰羥基取代基團[1],結構式如圖1。紫外吸收劑UV-1164具有非常低的揮發性,與聚合物及其它添加劑相容性好,是目前市面上吸收能力最強、吸收范圍最寬的一類產品,適用于聚甲醛、聚酰胺、聚碳酸酯、聚乙烯、聚醚胺、ABS樹脂和聚甲基丙烯酸甲酯等,特別適用于尼龍和工程塑料。具有無毒、不易燃、不易爆、不腐蝕、貯存穩定性好的特點[2]。

圖1 紫外吸收劑UV-1164結構

目前,國內對UV-1164的需求量約為1 000 t·a-1,并以每年20%的增長率持續增長。國內生產廠家的供應量為300 t左右,其余以中間體或成品進口,市場需求量大。紫外吸收劑UV-1164市場供應價每噸約為30萬元,有較大的利潤空間[3]。

文獻中紫外吸收劑UV-1164合成工藝的區別主要在于關鍵中間體2-(2,4-二羥基苯基)-1,3,5-均三嗪(TM Ⅱ)的合成。TM Ⅱ主要有4種合成途徑:直接烷基化法,當芳香基團選用間二甲苯時,其產物和收率理想,此方法不足之處在于反應時間長,生成副產物[4];間接烷基化法,此方法步驟繁瑣,不易操作且耗時長[5];整合成環法,此方法只能用于合成對稱性好的化合物,應用范圍狹小[6];格氏偶聯法,此法易于把控投料比例,但溫度不易把控,制備過程中自身偶聯副產物多且難以除去。

本研究采用直接烷基化法合成關鍵中間體TMⅡ,并對合成工藝進行優化。

1 實驗部分

1.1 試劑

間二甲苯、三聚氯氰,濟南普萊華化工有限公司;間苯二酚、無水三氯化鋁、氯代苯、乙酸乙酯,山東巨和生物技術有限公司;濃鹽酸,石油醚,天津市凱通化學試劑有限公司;二氯甲烷,天津博迪化工股份有限公司。以上原料均為分析純。

1.2 實驗室小試

將無水三氯化鋁12.31 g(66.75 mmol)與氯代苯(30 mL)于冰浴下攪拌溶解,加入濃鹽酸0.44 g(11.92 mmol),攪拌10 min。依次加入三聚氯氰5.60 g(30.36 mmol)、間二甲苯6.16 g(58 mmol),維持溫度在0～5 ℃,反應3 h。薄層色譜(TLC)監測反應進程,反應結束后,所得TM Ⅰ不經分離,直接進行下一步反應。

將溫度升高至50 ℃,加入間苯二酚3.68 g(33.40 mmol),升溫至85 ℃,反應5 h,TLC監測反應結束,將反應液冷卻至室溫,向反應液中加入碎冰79 g、水75 g、濃鹽酸3.10 g。攪拌2 h后,靜置、沉析、抽濾、干燥,得到粗品。粗品用乙酸乙酯-石油醚重結晶,得純品TM Ⅱ,產率為83%,具體合成路線如圖2。

圖2 紫外吸收劑UV-1164合成路線

將干燥的TM Ⅱ 10 g加入到100 mL N1N-二甲基甲酰胺(DMF)中,室溫攪拌下加入無水碳酸鉀11.31 g,體系升溫至70 ℃,用恒壓滴液漏斗滴加溴辛烷14.36 g,滴加完畢后,反應2 h,經TLC監測,反應結束后,加水200 mL,用10%HCl中和至中性,然后用乙酸乙酯萃取,飽和食鹽水洗滌,無水硫酸鈉干燥,減壓濃縮得到深黃色油狀液體,用20 g硅膠吸附脫色后得到淺黃色油狀液體,慢慢析出固體,經異丙醇重結晶后得到淺黃色固體純品紫外吸收劑UV-1164。

在紫外吸收劑UV-1164合成過程中,反應物物質的量比n溴辛烷∶nTM Ⅱ、反應時間、反應溫度對產物產率產生較大影響,通過正交實驗對其進行研究優化。每個因素取3個水平,因素與水平如表1所示。

表1 紫外吸收劑UB-1164合成正交實驗因素水平表

1.3 正交實驗

以產率為評價標準,進行正交實驗設計,結果如表2所示。

表2 正交實驗優化結果

由表2可以看出:(1)以紫外吸收劑UV-1164產率為指標,影響反應產率因素的主次關系為:A(反應物物質的量比n溴辛烷∶nTM Ⅱ)>B(反應時間)>C(反應溫度);(2)反應物物質的量比n溴辛烷∶nTM Ⅱ對目標產物的產率影響較大,但所選定的工藝條件處于水平上限值,無法判斷在A3水平時是否為最優條件;(3)B存在水平上限值B2,即2 h為合成的最優反應時間;(4)C存在水平上限值C2,即70 ℃為合成的最優反應溫度。

為了進一步探討因素A對產率的影響。對因素A的水平數進行增設,在B2C2工藝下進行考察,其結果如表3所示。

表3 因素A增設實驗結果

由表3可知,隨著反應物物質的量比逐漸增大,產物產率變化不明顯,綜合考量,選擇反應物物質的量比小、產率相對較高的反應物物質的量比為最優,選擇1∶1.2為最優反應物物質的量比。

2 中試放大試驗

中試放大試驗的主要目的是優化紫外吸收劑UV-1164的生產工藝,根據實驗室正交實驗所得最優方案開展產品的中試生產,中試放大工藝流程見圖3。

圖3 中試放大工藝流程

向反應釜中投入無水三氯化鋁2 kg、氯代苯5.50 L,夾層中通入冷凍鹽水,攪拌溶解后加入濃鹽酸0.059 kg、三聚氯氰0.92 kg、間二甲苯1.01 kg,溫度控制在0～5 ℃,持續攪拌反應3 h。溫度升至50 ℃,加入間苯二酚0.17 kg后,升溫至85 ℃,反應5 h,將反應釜冷卻至室溫,將物料轉移至酸析釜,加入碎冰3.64 kg和水3.70 kg、濃鹽酸0.14 kg,攪拌2 h,靜置、沉析、離心、干燥,得到粗品。粗品在結晶釜中用乙酸乙酯-石油醚重結晶,得純品TM Ⅱ。

將干燥的TM Ⅱ 1.85 kg、DMF 18.49 L加入反應釜中,室溫攪拌下加入2.09 kg無水碳酸鉀,加熱至70 ℃,加入2.65 kg溴辛烷,升溫至110 ℃,回流反應2 h。反應結束后,放出粗品,加入37 L水,用10% HCl中和至中性,乙酸乙酯萃取,飽和食鹽水洗滌,無水硫酸鈉干燥,減壓濃縮得到深黃色油狀液體,用3.70 kg硅膠吸附脫色后得到淺黃色油狀液體,慢慢析出固體,經異丙醇重結晶后得到淺黃色固體純品,產率為88%。

3 討論

通過對紫外吸收劑UV-1164合成制備的研究,實驗中后處理避免了目標產物的二次提純,減少了反應產物的損失;避免了兩步反應進行后期的萃取過程中對萃取劑的回收,及對反應溶劑的回收;避免了因實驗操作不當,導致化學藥品污染,造成的藥品浪費。在放大試驗中,產率沒有明顯的變化,說明此方法適用于大批量生產。

4 結論

作者通過正交實驗對紫外吸收劑UV-1164的合成工藝進行優化,所得優化結果:反應物物質的量比n溴辛烷∶nTM Ⅱ為1∶1.2,反應時間為2 h,反應溫度為70 ℃,平均產率達90%,是適合于放大生產的合成方法。與以前的工藝相比,一鍋法減少了反應的操作步驟,減小了反應操作帶來的誤差,可大批量生產,有較好的工業化應用價值。