CN113045389A - 一种9,9-双(甲氧基甲基)芴的合成方法 - Google Patents

一种9,9-双(甲氧基甲基)芴的合成方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于有机合成技术领域，公开了一种9,9‑双(甲氧基甲基)芴的合成方法，其包括以下步骤：(1)芴与甲酸酯类化合物在碱的存在下反应得到9,9‑双(甲酰基)芴；(2)9,9‑双(甲酰基)芴经还原反应得到9,9‑芴二甲醇；(3)9,9‑芴二甲醇与甲基化试剂反应得到9,9‑双(甲氧基甲基)芴。本发明的合成方法采用低毒的磷酸三甲酯作为甲基化试剂，反应条件温和，收率高，工艺流程简单，易于工业化。

Description

一种9,9-双(甲氧基甲基)芴的合成方法
技术领域
本发明属于有机合成技术领域，具体涉及一种9,9-双(甲氧基甲基)芴的合成方法。
背景技术
9,9-双(甲氧基甲基)芴被证明是非均相齐格勒-纳塔(Ziegler-Natta)催化剂性能最优的给电子体之一。其独特的电子效应和位阻效应，能够使催化剂的活性中心具有良好的选择性和较高的立体定向性。用9,9-双(甲氧基甲基)芴作为Ziegler-Natta催化剂的内给电子体可以制得相对分子质量分布较窄、等规度较高、具有良好机械性能的聚丙烯。另外，该化合物还可以作为中间体，通过聚合反应或者官能团化，应用于材料或药物分子等领域。因此该化合物具有较为广泛的用途。
近年来，许多国内外的专家、学者在合成9,9-双(甲氧基甲基)芴方面做出了巨大的贡献。目前该化合物的合成所采用的方法有两类：第一类是以芴和氯甲基甲醚为原料，芴在强碱的作用下拔去9位的质子，经过两步的亲核取代反应，最后生成9,9-双(甲氧基甲基)芴。第二类是采用芴为原料，经过两步反应得到9,9-双(甲氧基甲基)芴。两类方法的合成路线如下：
(1)
Figure BDA0002342070340000011
(2)
Figure BDA0002342070340000021
以上两类方法都能够较好地实现9,9-双(甲氧基甲基)芴的制备，但依然存在不足。对于第一类方法：一方面反应条件较为苛刻，反应通常需要在较低的温度(-78℃)下进行；另一方面是该方法的收率较低，不适合工业化生产。第二类方法是目前最常见的芴二醚制备方法。该方法第一步采用多聚甲醛作为原料对芴进行羟甲基化反应，由于多聚甲醛的溶解性较差，严重影响到该反应的产率(一般低于60％)。第二步采用硫酸二甲酯、碘甲烷等试剂进行甲基化反应，该步反应的收率虽然较高，但是硫酸二甲酯和碘甲烷均为剧毒品，对人体及环境的危害较大。
发明内容
为改善上述技术问题中的至少一个，本发明提供一种以芴为原料合成9,9-双(甲氧基甲基)芴的方法，包括以下步骤：
(1)芴与甲酸酯类化合物在碱的存在下反应得到9,9-双(甲酰基)芴：
Figure BDA0002342070340000022
(2)9,9-双(甲酰基)芴经还原反应得到9,9-芴二甲醇：
Figure BDA0002342070340000023
(3)9,9-芴二甲醇与甲基化试剂反应得到9,9-双(甲氧基甲基)芴：
Figure BDA0002342070340000031
根据本发明的实施方案，步骤(1)中，甲酸酯类化合物选自甲酸与C1-6直链或支链烷基醇的酯，例如选自甲酸甲酯、甲酸乙酯、甲酸丁酯和甲酸异丙酯中的一种、两种或更多种。
根据本发明的实施方案，步骤(1)中，采用的碱可以为无机碱或有机碱，所述无机碱可以为碱金属或碱土金属的氢氧化物、碳酸盐、碳酸氢盐等，所述有机碱可以为碱金属的醇盐、烷基金属锂化合物等。例如，所述碱可以选自氢氧化钠、氢氧化钾、甲醇钠、甲醇钾、乙醇钠、乙醇钾、叔丁醇钠和叔丁醇钾中的一种、两种或更多种。
根据本发明的实施方案，步骤(1)中，芴与甲酸酯类化合物的摩尔比可以为1:(1～10)，例如1:(2～9)，如1:(3～8)、1:(4～7)、1:(5～6)。
根据本发明的实施方案，步骤(1)中，反应温度可以为0～30℃，例如10-30℃，如室温。
根据本发明的实施方案，步骤(1)中，芴与碱的摩尔比可以为1:(1～10)，例如1:(2～9)，如1:(3～8)、1:(4～7)、1:(5～6)。例如，芴与氢氧化钠、氢氧化钾、甲醇钠、甲醇钾、乙醇钠、乙醇钾、叔丁醇钠和叔丁醇钾中之一种的摩尔比可以为1:(1～10)，例如1:(2～9)，如1:(3～8)、1:(4～7)、1:(5～6)。
根据本发明的实施方案，步骤(2)中，还原反应使用的还原试剂可以为硼氢化钠、氢化铝锂和二异丁基氢化铝中的一种、两种或更多种。
根据本发明的实施方案，步骤(2)中，反应温度可以为0～30℃，例如10-30℃，如室温。
根据本发明的实施方案，步骤(2)还任选地包括反应完成后使用甲苯对产物进行重结晶的步骤。
根据本发明的实施方案，步骤(3)中，采用的甲基化试剂可以为磷酸三甲酯、磷酸二甲酯或二者的混合物。
根据本发明的实施方案，步骤(3)中的反应可以在催化剂的存在下进行，所述催化剂可以为硫酸、甲磺酸、对甲苯磺酸、三氟甲磺酸及其盐中的一种、两种或更多种。
根据本发明的实施方案，所述三氟甲磺酸的盐可以是三氟甲磺酸镧、三氟甲磺酸钇、三氟甲磺酸亚铁、三氟甲磺酸钪或三氟甲磺酸铁。
根据本发明的实施方案，步骤(3)中，所述甲基化试剂与9,9-芴二甲醇的摩尔比可以为1:1～50:1，例如1:1～40:1、1:1～30:1、2:1～20:1、2:1～15:1、2:1～10:1，例如可以为15:1、14:1、13:1、12:1、11:1、10:1、9:1、8:1、7:1、6:1、5:1、4:1、3:1或2:1。
根据本发明的一个实施方案，步骤(3)中，所述催化剂与9,9-芴二甲醇的摩尔比可以为(0.001～0.5):1，例如(0.002～0.4):1、(0.002～0.3):1、(0.003～0.2):1、(0.004～0.15):1、(0.005～0.1):1、(0.01～0.1):1、(0.02～0.09):1或(0.03～0.08):1，例如可以为0.4:1、0.3:1、0.2:1、0.1:1、0.08:1、0.06:1、0.04:1、0.02:1、0.01:1、0.008:1、0.006:1、0.004:1、0.002:1或0.001:1。
根据本发明的一个实施方案，步骤(3)中，所述甲基化试剂、催化剂与9,9-芴二甲醇三者的摩尔比可以为(1～50):(0.001～0.5):1，例如，(1～40):(0.002～0.4):1、(1～30):(0.002～0.3):1、(2～20):(0.003～0.2):1、(2～15):(0.004～0.15):1、(2～10):(0.005～0.1):1、(2～10):(0.01～0.1):1、(2～10):(0.02～0.09):1、(2～10):(0.03～0.08):1，例如可以为2:0.2:1、2:0.1:1、2:0.08:1、2:0.04:1、2:0.02:1、2:0.005:1、3:0.2:1、3:0.1:1、3:0.08:1、3:0.04:1、3:0.02:1、3:0.005:1、4:0.2:1、4:0.1:1、4:0.08:1、4:0.04:1、4:0.02:1、4:0.005:1、5:0.2:1、5:0.1:1、5:0.08:1、5:0.04:1、5:0.02:1、5:0.005:1、6:0.2:1、6:0.1:1、6:0.08:1、6:0.04:1、6:0.02:1、6:0.005:1、7:0.2:1、7:0.1:1、7:0.08:1、7:0.04:1、7:0.02:1、7:0.005:1、8:0.2:1、8:0.1:1、8:0.08:1、8:0.04:1、8:0.02:1、8:0.005:1、9:0.2:1、9:0.1:1、9:0.08:1、9:0.04:1、9:0.02:1、9:0.005:1、10:0.2:1、10:0.1:1、10:0.08:1、10:0.04:1、10:0.02:1或10:0.005:1。
根据本发明的一个实施方案，步骤(3)的反应可以在加热的条件下进行，反应温度可以为60～140℃，例如80～120℃，90～110℃，例如100℃。
根据本发明的一个实施方案，步骤(3)的反应时间可以为1～48h，例如18～36h。
根据本发明的一个实施方案，步骤(3)的反应可以在存在或不存在溶剂的情况下进行。当不存在溶剂时，甲基化试剂可充当溶剂。
根据本发明的一个实施方案，步骤(3)还任选地包括反应完成后使用甲醇对产物进行重结晶的步骤。
根据本发明的一个具体实施方案中，步骤(3)包括以下步骤：
3.1)取封管反应瓶，加入9,9-芴二甲醇、甲基化试剂磷酸三甲酯和路易斯酸催化剂；
3.2)封管、搅拌并加热到60～140℃，反应18～36小时。
根据本发明的一个具体实施方案，步骤(3)还包括以下步骤：
3.3)将反应液冷却至室温，加入甲醇，过滤得到目标产物；
3.4)回收滤液中的甲醇；例如通过常压蒸馏回收甲醇；
3.5)回收滤液中的磷酸三甲酯；例如通过减压蒸馏回收磷酸三甲酯；
3.6)向残留液体中加入甲醇，过滤，再次得到部分目标产物。
本发明还提供一种用于催化含羟甲基的化合物使所述羟基甲氧基化的组合物，其包括甲基化试剂和催化剂。
根据本发明的实施方案，所述甲基化试剂可以为磷酸三甲酯、磷酸二甲酯或二者的混合物。
根据本发明的一个实施方案，所述催化剂选自硫酸、甲磺酸、对甲苯磺酸、三氟甲磺酸及其盐中的一种或者两种或更多种的混合物。所述三氟甲磺酸的盐可以是三氟甲磺酸镧、三氟甲磺酸钇、三氟甲磺酸亚铁、三氟甲磺酸钪或三氟甲磺酸铁。
根据本发明的一个实施方案，所述甲基化试剂、催化剂与含羟甲基的化合物的摩尔比为(1～50):(0.001～0.5):1，例如，(1～40):(0.002～0.4):1、(1～30):(0.002～0.3):1、(2～20):(0.003～0.2):1、(2～15):(0.004～0.15):1、(2～10):(0.005～0.1):1、(2～10):(0.01～0.1):1、(2～10):(0.02～0.09):1或(2～10):(0.03～0.08):1。
本发明的有益效果是：
1.本发明采用先制备9,9-双(甲酰基)芴，再经过还原反应制备9,9-芴二甲醇的反应路径，避免了多聚甲醛的使用，能够有效地提高9,9-芴二甲醇的收率。
2.本发明采用磷酸三甲酯或磷酸二甲酯作为甲基化试剂，实现了高反应收率的同时避免了剧毒品的使用，具有较广的应用前景。
3.本发明的方法在制备9,9-双(甲酰基)芴过程中采用过量的碱和甲酸酯类化合物可以极大地提高产物9,9-芴二甲醇的收率。
具体实施方式
下文将结合具体实施例对本发明的技术方案做更进一步的详细说明。应当理解，下列实施例仅为示例性地说明和解释本发明，而不应被解释为对本发明保护范围的限制。凡基于本发明上述内容所实现的技术均涵盖在本发明旨在保护的范围内。
除非另有说明，以下实施例中使用的原料和试剂均为市售商品，或者可以通过已知方法制备。
实施例1
取500mL三口烧瓶，在氮气保护下加入乙醇钾(45.4g,0.54mol)和乙醚(150mL)，将烧瓶转移到冰水浴中；然后开始滴加芴(15g,0.09mol)的乙醚(100mL)溶液；滴加完成后，再反应1小时，然后滴加甲酸乙酯(40g,0.54mol)；最后缓慢升温到室温，继续反应直到TLC显示原料完全转化。然后，加水淬灭反应，采用乙酸乙酯萃取，有机相用饱和食盐水洗涤，干燥，蒸除溶剂，得到粗产品，不做纯化处理，直接用于下一步反应。
取500mL三口烧瓶加入上一步的粗产品和200mL甲醇，搅拌溶解，然后分批加入硼氢化钠(6.8g,0.18mol)，室温下反应直到TLC显示原料完全转化。然后，过滤，收集滤液，蒸干溶剂，剩余固体通过甲苯重结晶纯化得到9,9-芴二甲醇18.3g(两步反应的总收率为90％，9,9-芴二甲醇的纯度为98％)。
取干燥好的配有磁子的100mL封管反应瓶，加入9,9-芴二甲醇(8.5g,0.04mol)、磷酸三甲酯(14mL,0.12mol)和三氟甲磺酸亚铁(0.56g,1.6mmol)，封管并加热到100℃反应24小时。反应结束后，冷却至室温，向反应液中加入甲醇，目标产物析出，过滤得到目标产物。对滤液依次进行常压蒸馏和减压蒸馏，回收甲醇和磷酸三甲酯后，再次使用甲醇进行重结晶，可以再次获得部分产物。最终获得目标产物9,9-双(甲氧基甲基)芴9.3g，反应收率为92％(经过气相色谱检测，9,9-双(甲氧基甲基)芴的纯度为98％)。
以上，对本发明的实施方式进行了说明。但是，本发明不限定于上述实施方式。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种合成9,9-双(甲氧基甲基)芴的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)芴与甲酸酯类化合物在碱的存在下反应得到9,9-双(甲酰基)芴：
Figure FDA0002342070330000011
(2)9,9-双(甲酰基)芴经还原反应得到9,9-芴二甲醇：
Figure FDA0002342070330000012
(3)9,9-芴二甲醇与甲基化试剂反应得到9,9-双(甲氧基甲基)芴：
Figure FDA0002342070330000013
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)中，甲酸酯类化合物选自甲酸与C1-6直链或支链烷基醇的酯；例如选自甲酸甲酯、甲酸乙酯、甲酸丁酯和甲酸异丙酯中的一种、两种或更多种；
优选地，步骤(1)中，采用的碱为无机碱或有机碱，所述无机碱为碱金属或碱土金属的氢氧化物、碳酸盐、碳酸氢盐等，所述有机碱为碱金属的醇盐或烷基金属锂化合物等；例如，所述碱可以选自氢氧化钠、氢氧化钾、甲醇钠、甲醇钾、乙醇钠、乙醇钾、叔丁醇钠和叔丁醇钾中的一种、两种或更多种；
优选地，步骤(1)中，芴与甲酸酯类化合物的摩尔比为1:(1～10)；
优选地，步骤(1)中，芴与碱的摩尔比为1:(1～10)，例如1:(2～9)，如1:(3～8)、1:(4～7)、1:(5～6)。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，步骤(2)中，还原反应使用的还原试剂为硼氢化钠、氢化铝锂和二异丁基氢化铝中的一种、两种或更多种。
4.根据权利要求1-3任一项所述的方法，其特征在于，步骤(3)中，采用的甲基化试剂为磷酸三甲酯、磷酸二甲酯或二者的混合物；
优选地，所述甲基化试剂与9,9-芴二甲醇的摩尔比为1:1～50:1，例如1:1～40:1、1:1～30:1、2:1～20:1、2:1～15:1、2:1～10:1。
5.根据权利要求1-4任一项所述的方法，其特征在于，步骤(3)中的反应在催化剂的存在下进行，所述催化剂为硫酸、甲磺酸、对甲苯磺酸、三氟甲磺酸及其盐中的一种、两种或更多种；
优选地，所述三氟甲磺酸的盐是三氟甲磺酸镧、三氟甲磺酸钇、三氟甲磺酸亚铁、三氟甲磺酸钪或三氟甲磺酸铁；
优选地，所述催化剂与9,9-芴二甲醇的摩尔比为(0.001～0.5):1。
6.根据权利要求1-5任一项所述的方法，其特征在于，步骤(1)和(2)的反应温度为0～30℃，步骤(3)的反应在加热的条件下进行，反应温度为60～140℃。
7.根据权利要求1-6任一项所述的方法，其特征在于，步骤(2)还任选地包括反应完成后使用甲苯对产物进行重结晶的步骤；或者
步骤(3)还任选地包括反应完成后使用甲醇对产物进行重结晶的步骤。
8.一种用于催化含羟甲基的化合物使所述羟基甲氧基化的组合物，其特征在于，包括甲基化试剂和催化剂。
9.根据权利要求8所述的组合物，其特征在于，所述甲基化试剂为磷酸三甲酯、磷酸二甲酯或二者的混合物；
优选地，所述催化剂选自硫酸、甲磺酸、对甲苯磺酸、三氟甲磺酸及其盐中的一种或者两种或更多种的混合物；
优选地，所述三氟甲磺酸的盐是三氟甲磺酸镧、三氟甲磺酸钇、三氟甲磺酸亚铁、三氟甲磺酸钪或三氟甲磺酸铁。
10.根据权利要求8或9所述的组合物，其特征在于，所述甲基化试剂、催化剂与含羟甲基的化合物的摩尔比为(1～50):(0.001～0.5):1。
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