CN105272885A

CN105272885A - 一种新型金刚烷衍生物的制备方法

Info

Publication number: CN105272885A
Application number: CN201410341527.0A
Authority: CN
Inventors: 李鹏; 高斯; 杨小平
Original assignee: Beijing University of Chemical Technology
Current assignee: Beijing University of Chemical Technology
Priority date: 2014-07-18
Filing date: 2014-07-18
Publication date: 2016-01-27

Abstract

本发明提供了下述通式（Ⅰ）所示的一类金刚烷衍生物，主要包括含金刚烷结构的胺类衍生物。由于该类金刚烷胺类衍生物结构中含有大量活泼氢，因此该含金刚烷结构的胺类衍生物既能作为普通树脂固化剂使用，并且由于活泼氢的存在还可成为部分树脂体系中的促进剂，同时能作为单体参与到其它聚合物的合成。使用该结构固化剂制得的产品具有优异的耐湿热性能、介电性能、耐化学腐蚀性能及耐老化性能，完全可以满足电子、复合材料以及某些特殊邻域的应用要求。

Description

一种新型金刚烷衍生物的制备方法

技术领域

本发明涉及含金刚烷结构的胺类衍生物的合成工艺方法以及最优工艺参数的设计。

背景技术

金刚烷是一种高度对称的笼状烃，其基本碳素骨架是由三个具有椅式构像特征的环己烷构成的环状四面体，类似于金刚石的一个晶格单元；由于金刚烷具有结构高度对称性，使其能够在晶格中紧密堆积，因此金刚烷的结构具有相当的稳定性，其熔点达205～210℃，同时金刚烷分子中只含有两种碳原子，即叔碳与仲碳，金刚烷的化学性质就是主要通过与该碳上的氢反应而体现出来。其中，金刚烷的四个桥头叔碳原子（1,3,5,7）上的氢原子具有较强的活泼性，很容易与亲核试剂发生反应，生成各种取代基的衍生物，新形成的化合物同时具有金刚烷和引进基团的双重性能。金刚烷分子中的氢原子可以同时或分别被取代，而且允许引进相同或不同的基团，使得分子的可设计性很强，是一种合成精化产品的极佳原料。

由于金刚烷具有以上优异的特性，使其在功能材料邻域展现出广阔的应用前景，如将金刚烷骨架引入聚酯、聚氨酯、聚酰胺、聚酰亚胺、聚醚、聚砜、聚乙烯等聚合物的主链或侧链，可明显改善聚合物的透光性、耐湿热性能、介电性能、耐候性能、耐光性能、热稳定性性能、抗氧化性能、耐化学药品和有机溶剂腐蚀性能等。因此如何在设计含有特定反应基团的金刚烷衍生物成为了对树脂体系进行改性的关键。

发明内容

本发明旨在提供一种含大量活泼氢结构的金刚烷衍生物的制备方法，并通过控制变量法来选取最佳的反应条件：反应温度、反应时间、反应配比、加料顺序。该结构的金刚烷衍生物主要应用于树脂的固化，从而提高树脂的热力学性能、耐湿热老化性、介电性能、力学性能等。

本发明将提供该金刚烷衍生物的制备合成方法以及结构表征结果。其特征如下：

1、原材料二溴金刚烷和尿素以及盐酸、NaOH廉价且易制备，本发明成本较低。

2、本发明通过设计不同的反应案例来探讨该制备过程的最佳反应条件，其反应条件包括：反应时间、反应温度、原料配比、加料顺序。

3、本发明制备的多活泼氢结构的金刚烷单体能够应用到常用树脂固化体系中，从而提高树脂的热力学性能、耐湿热老化性、介电性能、力学性能等

案例1：

步骤1：

取30g淡黄色的二溴金刚烷单体融入75ml的N,N--二甲基甲酰胺并放置于单口烧瓶中，将油浴锅升温到50℃后将单口烧瓶放入油浴锅中加热溶解。待二溴金刚烷完全溶解后后取出烧瓶，并将溶液转移到250ml烧杯中，放置于冰箱中冷却结晶。24h后待二溴金刚烷结晶完全，对溶液进行抽滤处理，并用乙醇清洗掉晶体上残留的棕黄色DMF溶液。晶体完全洗白以后放入鼓风烘箱加热10h，目的是通过加热使晶体上残留的乙醇蒸发。

步骤2：

打开油浴并加热到160℃，取第一步脱色后的二溴金刚烷5g放入250ml三口烧瓶中，然后再称取40g尿素放入烧瓶中并加入磁力转子。将装好原料的三口烧瓶放置于加热好的油浴锅中，并在插上的冷凝管上方放置气球以用来收集反应中所产生的尾气（CO₂、N₂）。待反应物熔化成液态后开始计时，反应持续2h，反应完成以后放置于空气中冷却10min后，把烧瓶中的溶液加入提前配好的5mol/L的浓盐酸中，加入盐酸是为了将反应生成的二二脲金刚烷酸化成盐溶于水层便于下一步进行提纯。溶液加入盐酸后放置12h后，烧杯中中出现一定量白色晶体沉淀（大部分为缩三脲、小部分为未反应的二溴金刚烷）。

步骤3：

取第二步反应后的溶液进行抽滤，并用二氯甲烷对滤渣冲洗三遍，目的是溶解未反应的二溴金刚烷。抽滤完成后，将抽滤瓶内的溶液转移到分液漏斗中放置1h，待完全分层后，取出下层溶液进行旋蒸，旋蒸出来的二溴金刚烷还可以下次实验再次利用从而提高原料的利用率。取出上层水溶液，加入30gNaOH（目的是将酸化后的二二脲金刚烷中和，使其不溶于水层从而在水中析出结晶）。反应完成后将溶液放置于冰箱中冷却结晶，12h后取出烧杯，，烧杯中析出大量淡黄色晶体，对溶液进行抽滤，并用去离子水清洗产物2遍、乙醇清洗产物2遍。抽滤完成后取出产物放入培养皿中，然后将培养皿放入100℃鼓风烘箱中加热12h（除去产物中残留的溶剂）。取出培养皿，对产物进行称重并计算产率为8%。

案例2：

步骤1：

步骤2：

打开油浴并加热到170℃，取第一步脱色后的二溴金刚烷5g放入250ml三口烧瓶中，然后再称取40g尿素放入烧瓶中并加入磁力转子。将装好原料的三口烧瓶放置于加热好的油浴锅中，并在插上的冷凝管上方放置气球以用来收集反应中所产生的尾气（CO₂、N₂）。待反应物熔化成液态后开始计时，反应持续2h，反应完成以后放置于空气中冷却10min后，把烧瓶中的溶液加入提前配好的5mol/L的浓盐酸中，加入盐酸是为了将反应生成的二二脲金刚烷酸化成盐溶于水层便于下一步进行提纯。溶液加入盐酸后放置12h后，烧杯中中出现一定量白色晶体沉淀（大部分为缩三脲、小部分为未反应的二溴金刚烷）。

步骤3：

取第二步反应后的溶液进行抽滤，并用二氯甲烷对滤渣冲洗三遍，目的是溶解未反应的二溴金刚烷。抽滤完成后，将抽滤瓶内的溶液转移到分液漏斗中放置1h，待完全分层后，取出下层溶液进行旋蒸，旋蒸出来的二溴金刚烷还可以下次实验再次利用从而提高原料的利用率。取出上层水溶液，加入30gNaOH（目的是将酸化后的二二脲金刚烷中和，使其不溶于水层从而在水中析出结晶）。反应完成后将溶液放置于冰箱中冷却结晶，12h后取出烧杯，，烧杯中析出大量淡黄色晶体，对溶液进行抽滤，并用去离子水清洗产物2遍、乙醇清洗产物2遍。抽滤完成后取出产物放入培养皿中，然后将培养皿放入100℃鼓风烘箱中加热12h（除去产物中残留的溶剂）。取出培养皿，对产物进行称重并计算产率为14%。

案例3：

步骤1：

步骤2：

打开油浴并加热到180℃，取第一步脱色后的二溴金刚烷5g放入250ml三口烧瓶中，然后再称取40g尿素放入烧瓶中并加入磁力转子。将装好原料的三口烧瓶放置于加热好的油浴锅中，并在插上的冷凝管上方放置气球以用来收集反应中所产生的尾气（CO₂、N₂）。待反应物熔化成液态后开始计时，反应持续2h，反应完成以后放置于空气中冷却10min后，把烧瓶中的溶液加入提前配好的5mol/L的浓盐酸中，加入盐酸是为了将反应生成的二二脲金刚烷酸化成盐溶于水层便于下一步进行提纯。溶液加入盐酸后放置12h后，烧杯中中出现一定量白色晶体沉淀（大部分为缩三脲、小部分为未反应的二溴金刚烷）。

步骤3：

取第二步反应后的溶液进行抽滤，并用二氯甲烷对滤渣冲洗三遍，目的是溶解未反应的二溴金刚烷。抽滤完成后，将抽滤瓶内的溶液转移到分液漏斗中放置1h，待完全分层后，取出下层溶液进行旋蒸，旋蒸出来的二溴金刚烷还可以下次实验再次利用从而提高原料的利用率。取出上层水溶液，加入30gNaOH（目的是将酸化后的二二脲金刚烷中和，使其不溶于水层从而在水中析出结晶）。反应完成后将溶液放置于冰箱中冷却结晶，12h后取出烧杯，，烧杯中析出大量淡黄色晶体，对溶液进行抽滤，并用去离子水清洗产物2遍、乙醇清洗产物2遍。抽滤完成后取出产物放入培养皿中，然后将培养皿放入100℃鼓风烘箱中加热12h（除去产物中残留的溶剂）。取出培养皿，对产物进行称重并计算产率为26%。

案例4：

步骤1：

步骤2：

打开油浴并加热到180℃，取第一步脱色后的二溴金刚烷5g放入250ml三口烧瓶中，然后再称取40g尿素放入烧瓶中并加入磁力转子。将装好原料的三口烧瓶放置于加热好的油浴锅中，并在插上的冷凝管上方放置气球以用来收集反应中所产生的尾气（CO₂、N₂）。待反应物熔化成液态后开始计时，并在反应2h后将反应温度设置为190℃继续反应一个小时，反应完成以后放置于空气中冷却10min后，把烧瓶中的溶液加入提前配好的5mol/L的浓盐酸中，加入盐酸是为了将反应生成的二二脲金刚烷酸化成盐溶于水层便于下一步进行提纯。溶液加入盐酸后放置12h后，烧杯中中出现一定量白色晶体沉淀（大部分为缩三脲、小部分为未反应的二溴金刚烷）。

步骤3：

取第二步反应后的溶液进行抽滤，并用二氯甲烷对滤渣冲洗三遍，目的是溶解未反应的二溴金刚烷。抽滤完成后，将抽滤瓶内的溶液转移到分液漏斗中放置1h，待完全分层后，取出下层溶液进行旋蒸，旋蒸出来的二溴金刚烷还可以下次实验再次利用从而提高原料的利用率。取出上层水溶液，加入30gNaOH（目的是将酸化后的二二脲金刚烷中和，使其不溶于水层从而在水中析出结晶）。反应完成后将溶液放置于冰箱中冷却结晶，12h后取出烧杯，，烧杯中析出大量淡黄色晶体，对溶液进行抽滤，并用去离子水清洗产物2遍、乙醇清洗产物2遍。抽滤完成后取出产物放入培养皿中，然后将培养皿放入100℃鼓风烘箱中加热12h（除去产物中残留的溶剂）。取出培养皿，对产物进行称重并计算产率为30%。

案例5：

步骤1：

步骤2：

打开油浴并加热到180℃，取第一步脱色后的二溴金刚烷5g放入250ml三口烧瓶中，然后再称取40g尿素放入烧瓶中并加入磁力转子。将装好原料的三口烧瓶放置于加热好的油浴锅中，并在插上的冷凝管上方放置气球以用来收集反应中所产生的尾气（CO₂、N₂）。待反应物熔化成液态后开始计时，并在反应2h后将反应温度设置为190℃继续反应2h，反应完成以后放置于空气中冷却10min后，把烧瓶中的溶液加入提前配好的5mol/L的浓盐酸中，加入盐酸是为了将反应生成的二二脲金刚烷酸化成盐溶于水层便于下一步进行提纯。溶液加入盐酸后放置12h后，烧杯中中出现一定量白色晶体沉淀（大部分为缩三脲、小部分为未反应的二溴金刚烷）。

步骤3：

取第二步反应后的溶液进行抽滤，并用二氯甲烷对滤渣冲洗三遍，目的是溶解未反应的二溴金刚烷。抽滤完成后，将抽滤瓶内的溶液转移到分液漏斗中放置1h，待完全分层后，取出下层溶液进行旋蒸，旋蒸出来的二溴金刚烷还可以下次实验再次利用从而提高原料的利用率。取出上层水溶液，加入30gNaOH（目的是将酸化后的二二脲金刚烷中和，使其不溶于水层从而在水中析出结晶）。反应完成后将溶液放置于冰箱中冷却结晶，12h后取出烧杯，，烧杯中析出大量淡黄色晶体，对溶液进行抽滤，并用去离子水清洗产物2遍、乙醇清洗产物2遍。抽滤完成后取出产物放入培养皿中，然后将培养皿放入100℃鼓风烘箱中加热12h（除去产物中残留的溶剂）。取出培养皿，对产物进行称重并计算产率为20%。

案例6：

步骤1：

步骤2：

打开油浴并加热到180℃，取第一步脱色后的二溴金刚烷5g放入250ml三口烧瓶中，然后再称取40g尿素放入烧瓶中并加入磁力转子。将装好原料的三口烧瓶放置于加热好的油浴锅中，并在插上的冷凝管上方放置气球以用来收集反应中所产生的尾气（CO₂、N₂）。待反应物熔化成液态后开始计时，并在反应3h后将反应温度设置为190℃继续反应1h，反应完成以后放置于空气中冷却10min后，把烧瓶中的溶液加入提前配好的5mol/L的浓盐酸中，加入盐酸是为了将反应生成的二二脲金刚烷酸化成盐溶于水层便于下一步进行提纯。溶液加入盐酸后放置12h后，烧杯中中出现一定量白色晶体沉淀（大部分为缩三脲、小部分为未反应的二溴金刚烷）。

步骤3：

取第二步反应后的溶液进行抽滤，并用二氯甲烷对滤渣冲洗三遍，目的是溶解未反应的二溴金刚烷。抽滤完成后，将抽滤瓶内的溶液转移到分液漏斗中放置1h，待完全分层后，取出下层溶液进行旋蒸，旋蒸出来的二溴金刚烷还可以下次实验再次利用从而提高原料的利用率。取出上层水溶液，加入30gNaOH（目的是将酸化后的二二脲金刚烷中和，使其不溶于水层从而在水中析出结晶）。反应完成后将溶液放置于冰箱中冷却结晶，12h后取出烧杯，，烧杯中析出大量淡黄色晶体，对溶液进行抽滤，并用去离子水清洗产物2遍、乙醇清洗产物2遍。抽滤完成后取出产物放入培养皿中，然后将培养皿放入100℃鼓风烘箱中加热12h（除去产物中残留的溶剂）。取出培养皿，对产物进行称重并计算产率为24%。

通过反应前后的物质的傅立叶红外谱图（图1）中我们可以明显的看到，反应完成后，原料的693.94cm^-1左右的C-Br峰消失，并且在3300～3450cm^-1处出现了氨基双峰，1657cm^-1左右出现了酰胺基团的羰基峰，2800-2950cm^-1为金刚烷中的亚甲基震动峰。通过红外谱图中我们可以知道反应产物结构中含有金刚烷的碳碳骨架并且通过反应溴基通过取代反应被氨基和酰胺基取代，但是通过红外我们并不能对基团进行定量分析，因此我们通过核磁共振检测其结构中各类型基团的数量。

见图1

用核磁共振谱（¹H-NMR）对1,3-二脲金刚烷进行鉴定.用氘代二甲基亚砜为溶剂（DMSO），AV400测得谱图数据如下式所示：

¹H-NMR(400MHz):

δ(ppm)8.45-8.49(H₃,2H),7.45-7.60(H₂,2H),6.72-6.78(d,H₁,4H),1.5-2.1(m,H_Ad,14H)。

附图说明

图1二脲金刚烷与二溴金刚烷的红外谱图对比。

Claims

1.通式（Ⅰ）表示的金刚烷衍生物，

[化1]

上式可表示金刚烷基与胺基直接连接，或金刚烷基与带有双胺基的化合物连接，其中R₁、R₂表示-CO-，CH₃，CH₂CH₃，C₆H₆或上述通式表示的任何一个带双胺基结构的基团等；金刚烷上连接的两个基团R₁、R₂可以是相同结构，也可以是不同结构，优选为相同结构，通式（Ⅰ）表示的金刚烷衍生物的制造方法，其特征在于，使金刚烷卤代物、金刚烷醇、金刚烷羧酸或金刚烷酰氯与酚类物质反应得到。

2.本文提出了含多元胺类结构的金刚烷衍生物的制备方法应包括如权利要求1中所述的原料种类、反应工艺流程、提纯过程；

其反应工艺流程和提纯过程分别为：

步骤1：

取30g淡黄色的二溴金刚烷单体融入75ml的N,N--二甲基甲酰胺并放置于单口烧瓶中，将油浴锅升温到50℃后将单口烧瓶放入油浴锅中加热溶解，待二溴金刚烷完全溶解后后取出烧瓶，并将溶液转移到250ml烧杯中，放置于冰箱中冷却结晶，24h后待二溴金刚烷结晶完全，对溶液进行抽滤处理，并用乙醇清洗掉晶体上残留的棕黄色DMF溶液，晶体完全洗白以后放入鼓风烘箱加热10h，目的是通过加热使晶体上残留的乙醇蒸发；

步骤2：

打开油浴并加热到180℃，取第一步脱色后的二溴金刚烷5g放入250ml三口烧瓶中，然后再称取40g尿素放入烧瓶中并加入磁力转子，将装好原料的三口烧瓶放置于加热好的油浴锅中，并在插上的冷凝管上方放置气球以用来收集反应中所产生的尾气（CO₂、N₂），待反应物熔化成液态后开始计时，并在反应2h后将反应温度设置为190℃继续反应一个小时，反应完成以后放置于空气中冷却10min后，把烧瓶中的溶液加入提前配好的5mol/L的浓盐酸中，加入盐酸是为了将反应生成的二二脲金刚烷酸化成盐溶于水层便于下一步进行提纯，溶液加入盐酸后放置12h后，烧杯中中出现一定量白色晶体沉淀（大部分为缩三脲、小部分为未反应的二溴金刚烷）；

步骤3：

取第二步反应后的溶液进行抽滤，并用二氯甲烷对滤渣冲洗三遍，目的是溶解未反应的二溴金刚烷，抽滤完成后，将抽滤瓶内的溶液转移到分液漏斗中放置1h，待完全分层后，取出下层溶液进行旋蒸，旋蒸出来的二溴金刚烷还可以下次实验再次利用从而提高原料的利用率，

取出上层水溶液，加入30gNaOH（目的是将酸化后的二二脲金刚烷中和，使其不溶于水层从而在水中析出结晶），反应完成后将溶液放置于冰箱中冷却结晶，12h后取出烧杯，，烧杯中析出大量淡黄色晶体，对溶液进行抽滤，并用去离子水清洗产物2遍、乙醇清洗产物2遍，抽滤完成后取出产物放入培养皿中，然后将培养皿放入100℃鼓风烘箱中加热12h（除去产物中残留的溶剂），取出培养皿，对产物进行称重并计算产率为30%。

3.本文提出的该结构金刚烷衍生物的用途应该包括：树脂固化剂、树脂固化促进剂、改性树脂原料以及改性树脂体系添加剂。

4.如权利要求2所述，该结构金刚烷衍生物可用于树脂固化剂，其中树脂可以为：环氧树脂、双马来酰亚胺树脂、氰酸酯、酚醛树脂、聚酯树脂、聚酰胺树脂、多官能缩水甘油醚树脂等。