CN113121458B

CN113121458B - 一种超声波辐射催化快速合成2,3-二氨基吩嗪的方法

Info

Publication number: CN113121458B
Application number: CN202110411488.7A
Authority: CN
Inventors: 刘娥; 建方方; 靳泽森; 刘小婧
Original assignee: Henan University of Science and Technology
Current assignee: Henan University of Science and Technology
Priority date: 2021-04-16
Filing date: 2021-04-16
Publication date: 2022-08-23
Anticipated expiration: 2041-04-16
Also published as: CN113121458A

Abstract

一种超声波辐射催化快速合成2,3‑二氨基吩嗪的方法，具体包括配制邻苯二胺原料溶液的步骤，配制催化剂过渡金属盐溶液的步骤，将原料溶液与过渡金属盐溶液混合后于超声波反应器中进行超声波辐射辅助反应的步骤，以及对反应产物进行洗涤纯化的步骤。本发明的合成工艺采用超声波辐射辅助反应的方式，以常见低价化学试剂邻苯二铵为原料，快速、高效地合成目标化合物2,3‑氨基吩嗪，整个工艺过程环保、安全，且反应产率较高，从而大大降低了2,3‑氨基吩嗪的合成生产成本，扩大了其应用范围。

Description

一种超声波辐射催化快速合成2,3-二氨基吩嗪的方法

技术领域

本发明涉及化合物的合成制备技术领域，具体的说是一种超声波辅助法以邻苯二铵为原料合成2,3-二氨基吩嗪的方法。

背景技术

吩嗪（也叫二苯并吡嗪），结构与蒽很相似，其结构与蒽的不同之处在于中间环上的两个次碳原子被氮原子所代替。吩嗪通常为亮黄色针状晶体，易升华，熔点为 171℃，沸点为360℃，难溶于水，易溶于苯、乙醇及乙醚等有机溶剂中，能随水蒸气而蒸发。

2,3-二氨基吩嗪的分子式为C₁₂H₁₀N₄，分子量：210.26，密度1.414g/cm³，沸点497.8°C，at 760 mmHg，闪点287.1°C，可用作有机合成试剂、药物、染料的中间体，2,3-二氨基吩嗪目前的市场价格约为16921元/Kg。

对于吩嗪衍生物自它首次被合成至今，人们对该领域的研究从未间断，至今仍十分活跃。无论是其合成方法，还是设计、合成吩嗪衍生物的化学传感器都是许多化学研究者的热点研究内容，可以说该类化合物的研究涉及到生物、医药、农药、材料等诸多领域。（1）由于2,3-二氨基吩嗪染料的氧化态具有良好的对光和热的稳定性，因此，可用于细胞着色和纤维的染色。例如：中性红可作为生物染色剂和棉纤维染色剂。（2）2,3-二氨基吩嗪化合物具有近红外区域的吸收带，可以作为优良还原性染料隐色体，可作为记录材料，广泛应用于压敏纸、热敏纸。（3）2,3-二氨基吩嗪是细菌产生的小型氧化还原活性分子，具有很高的抗微生物活性，吩嗪类含氮杂环抗生素可用于治疗微生物感染引起的多种疾病；可制备抗疟疾药、驱肠虫药和抗血小板药物。（4）2,3-二氨基吩嗪还是多腺苷二磷酸-核糖聚合酶的双重抑制剂，可预防和治疗因坏死、脑局部缺血等细胞损伤或死亡引起的神经组织损伤以及死亡等疾病。（5）吩嗪基因通过DNA 嵌段手段植入细胞内相应的位点可以改变细胞衰老的基因表达，延长细胞寿命和细胞增殖的能力，可用于治疗放射致敏缺氧性肿瘤细胞；（6）吩嗪类化合物对肌肉营养不良、皮肤老化、动脉粥样硬化、抑制血小板聚集、骨骼肌肉变坏、骨质疏松、关节炎等疾病有疗效；氯苯吩嗪是治疗麻风病的药物，对于瘤型麻风和其它型的麻风均有一定的疗效，对耐枫类药物麻风杆菌感染也有治疗效果，可用于因用其它药物而引起急性麻风反应的病人。（7）吩嗪类物质也可以用作合成杀虫、除草剂，近年来吩嗪在农药领域应用的越来越广泛。（8）由于吩嗪类衍生物具有大的共扼结构且分子刚性结构好，通常具有强烈的荧光，能够作为荧光探针的发光基团。（9）在阴离子识别中，具有吩嗪单元结构的主体可以选择性的识别Hg²⁺Pb²⁺等金属阳离子。

目前，现有技术中已经有约一百多种生物合成的吩嗪类化合物被报道。几乎所有这些由生物合成的吩嗪类化合物都对细菌和真菌具有广谱性。在医学和农药等方面有着普遍的应用。吩嗪合成初期，人们将二苯醚硝化后和苯胺作为原料，在NaOH 的条件下合成吩嗪，但是该反应过程很不好控制，硝化反应也比较危险，并且得到的产物只有很少量的氧化吩嗪。

对于2,3-二氨基吩嗪的合成和制备，现有技术中除了生物代谢法外，现有的化学合成方法还主要有以下几种：第一、在1893年费歇尔和希莱使用2-氨基二苯胺在 PbO催化，并进行干馏的条件下制备吩嗪，但是该反应的产率非常低，仅仅只有5%左右。第二、邻氨基二苯基胺在 PbO 的催化氧化下得到吩嗪前驱体—邻硝基二苯基胺，然后再通过0价或低价金属氧化物的催化还原合成吩嗪。虽然该方法反应产率明显提高，但是该方法会用到大量危险性的、含有硝基的芳烃化合物，而且会产生大量的含有Cr₂O₃和 Pb₂O重金属的废料，对环境造成重金属污染，所以这种方法无法广泛使用。第三、在密封的容器中和一定压力下将茶儿酚和邻二胺基苯加热至200-210℃，反应 35-40 h，得到的粗产品经过分离纯化后产率约为60%；该方法最大的缺点是反应时间长，并且有相当大量的无法分离检测的副产物生成，增加了生产操作的费用，且反应条件苛刻，收率也不是很高，因此很少采用此方法合成吩嗪。第四、2-硝基苯二胺或其含取代基的化合物在 DMSO溶液中于强碱（醇金属）作用下环合生成2,3-二氨基吩嗪。但是二甲基亚砜是相对比较贵而且后处理较复杂的溶剂，其作为溶剂得到的产物通常不容易纯化，需要使用柱层析分离法，这一点增加了合成吩嗪的生产成本。第五、天然吩嗪化合物主要由假单胞菌、链霉菌、海洋或者土壤生物以及放线菌次生代谢产生，另外，莽草酸代谢过程、莽草酸代谢替代途径和吩嗪修饰途径也为普遍公认的吩嗪生物合成途径，但是该途径周期时间长，微生物代谢过程比较苛刻，产量低，难以大规模生产等原因，这才导致2,3-二氨基吩嗪价格居高不下。

因此，如何研究并设计一种2,3-二氨基吩嗪的合成方法，使其能够快速、方便、高效、环保、且高收率的合成2,3-二氨基吩嗪，对于降低2,3-氨基吩嗪的生产成本，扩大其应用范围来说实为必要。

发明内容

本发明的技术目的为：采用超声波辐射辅助反应工艺，以常见低价化学试剂邻苯二铵为原料，快速、高效地合成目标化合物2,3-氨基吩嗪，整个工艺过程环保、安全，且反应产率较高，从而大大降低了2,3-氨基吩嗪的合成生产成本，扩大了其应用范围。

本发明为解决上述技术问题，所采用的技术方案是：一种超声波辐射催化快速合成2,3-二氨基吩嗪的方法，具体包括以下步骤：

步骤一、按照邻苯二胺与 HCl的摩尔比为1:2的比例，取邻苯二胺添加至HCl溶液中，充分搅拌溶解后，配制成原料溶液，备用；

步骤二、按照过渡金属盐与步骤一中所取邻苯二胺的摩尔比为（2-4）: 1的比例，称取过渡金属盐溶解于水中，配制成过渡金属盐溶液，备用；

步骤三、采用滴液漏斗将步骤二制得的过渡金属盐溶液滴加至步骤一制得的原料溶液中，滴加完毕后，将所得混配物料置于超声波反应器中，设置超声波辐射的频率为60-65kHZ，功率为400W，进行超声波辐射辅助反应2.5-3.5 h，制得反应产物，备用；

步骤四、对步骤三制得的反应产物进行抽滤，之后，采用HCl溶液对所得滤渣进行洗涤2-3次，然后，再采用NaOH溶液对滤渣进行二次洗涤2-3次，之后，采用蒸馏水对滤渣进行多次洗涤，直至最后一次洗涤后的滤出液pH值呈中性，收集所得黄色固体，干燥后即得成品2,3-二氨基吩嗪。

进一步的，在步骤一中，所述HCl溶液的浓度为0.3-0.5mol/L，且该HCl溶液由浓盐酸加水稀释制成。

进一步的，在步骤二中，所述的过渡金属盐为氯化铁、氯化铜和氯化镍中的任意一种。

进一步的，在步骤二中，所述过渡金属盐溶液的浓度为2-4 mol/L。

进一步的，在步骤三中，所述的混配物料于圆底烧瓶中盛装后，再置于超声波反应器中进行超声波辐射辅助反应。

进一步的，在步骤四中，所述HCl溶液的浓度为2.5-3.5 mol/L，NaOH溶液的浓度为1.5-2.5mol/L，且每次洗涤时，HCl溶液或NaOH溶液的使用量为滤渣体积的3-5倍。

进一步的，在步骤四中，采用蒸馏水洗涤时，每次蒸馏水的使用量为滤渣体积的2-3倍。

本发明的有益效果：

1、本发明的一种2,3-二氨基吩嗪的快速合成工艺，与现有技术中的化学合成和生物合成法相比，具有原料来源广泛，价格低廉，催化剂成本低，工艺过程简单，环保、安全，可操作性强，目标产物产率高等显著优势。更为重要的是：本申请在合成工艺中采用了超声波辐射辅助催化的方式，利用超声波的振荡匀化和机械波催化功用，可从分子维度显著提高过渡金属盐催化剂的催化作用，并加快反应的进程，使原料之间的反应更为彻底、充分，目标产物的转化率更高。经试验测定，本申请工艺的反应速率比传统方法快10倍左右，而目标化合物2,3-氨基吩嗪的产率可达85%以上。

2、本发明的一种2,3-二氨基吩嗪的快速合成工艺，工艺步骤简单、操作方便，其以常见、价廉的化学试剂邻苯二铵为原料，能够快速、高效的合成2,3-氨基吩嗪。反应过程不仅反应速率较快，反应产率较高，制备得到的成品化合物2,3-氨基吩嗪，还具有纯度高，品质稳定的优点，无需进行后续繁琐加工，即可直接进行应用，从而大大降低了2,3-氨基吩嗪的生产成本和市场价格，扩大其工业应用范围。

附图说明

图1为本发明实施例1所制备成品化合物的红外谱图；

图2为本发明实施例1所制备成品化合物的紫外吸收图；

图3为本发明实施例1所制备成品化合物的单晶XRD图。

具体实施方式

为了使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步说明，但所列举实施例不作为对本发明的限定。

下述各实施例中所述实验方法和检测方法，如无特殊说明，均为常规方法；所述的实验过程若未加指明均是在常温常压条件下进行；所述试剂和材料，如无特殊说明，均可在市场上购买得到。

一种超声波辐射催化快速合成2,3-二氨基吩嗪的方法，该方法以邻苯二胺为主原料，辅以盐酸和过渡金属盐作为反应的催化剂，借助于超声波的声波辐射催化作用以及振荡混匀作用，实现了2,3-二氨基吩嗪的快速、高效制备。工艺方法的重点在于原料物质的物料配比、催化剂的选择，以及超声波辐射频率参数的设定和反应产物的分离提纯方式等。具体的合成工艺步骤为：

步骤一、取邻苯二胺置于圆底烧瓶中，之后，采用蒸馏水对浓 HCl进行稀释，制得浓度为0.3-0.5mol/L的稀HCl溶液，将该稀HCl溶液加入到圆底烧瓶中，磁力搅拌使邻苯二胺完全溶解，制得邻苯二胺与HCl的摩尔比为1:2的原料溶液，备用；

步骤二、按照过渡金属盐与邻苯二胺的摩尔比为（2-4）: 1的比例，称取过渡金属盐溶解于水中，配制成浓度为2-4 mol/L的过渡金属盐溶液，所述的过渡金属盐为氯化铁、氯化铜和氯化镍中的任意一种；

步骤三、采用滴液漏斗将步骤二制得的过渡金属盐溶液缓慢滴加至步骤一制得的原料溶液中，滴加完毕后，将所得混配物料置于超声波反应器中，设置超声波辐射的频率为60-65kHZ，功率为400W，开启超声波进行超声波辐射辅助反应2.5-3.5 h，制得反应产物，备用；

该步骤的反应方程式为：

步骤四、对反应产物进行抽滤，之后，采用浓度为2.5-3.5 mol/L的HCl溶液对所得滤渣进行洗涤2-3次，洗去滤渣中残存的FeCl₃和未反应的邻苯二胺，每次HCl溶液的使用量为滤渣体积的3-5倍；然后，再采用浓度为1.5-2.5mol/L的NaOH溶液对滤渣进行二次洗涤2-3次，NaOH溶液的洗涤是为了中和滤渣中含有的盐酸，每次NaOH溶液的使用量也为滤渣体积的3-5倍；之后，采用蒸馏水对滤渣进行多次洗涤，每次蒸馏水的使用量为滤渣体积的2-3倍，直至最后一次洗涤后的滤出液pH值呈中性，收集所得黄色固体，干燥后即得成品2,3-二氨基吩嗪。

实施例1

一种超声波辐射催化快速合成2,3-二氨基吩嗪的方法，包括以下步骤：

步骤一、称取5.4 g邻苯二胺(50 mmol)加入到容积为500 mL的圆底烧瓶中，然后，用蒸馏水将8.35 ml的浓HCl（浓度为12mol/L）稀释至250mL，再将此稀释后的稀HCl溶液加入到圆底烧瓶中，磁力搅拌使邻苯二胺完全溶解，制得原料溶液，备用；

步骤二、将60g FeCl₃•6H₂O溶解于75 mL的蒸馏水中，然后，用滴液漏斗缓慢滴加至上述原料溶液中(有红色沉淀生成)，滴加完毕后，将圆底烧瓶放入超声波反应器中，设置超声波频率60kHZ，在额定功率400W作用下，开启超声波，于室温下进行反应3 h，制得反应产物，备用；

步骤三、对反应产物进行抽滤，之后，采用浓度为3mol/L的HCl溶液对所得滤渣进行洗涤3次，每次HCl溶液的使用量为滤渣体积的3倍；然后，再采用浓度为2mol/L的NaOH溶液对滤渣进行二次洗涤3次，每次NaOH溶液的使用量为滤渣体积的4倍；之后，采用蒸馏水对滤渣进行多次洗涤，每次蒸馏水的使用量为滤渣体积的2倍，直至最后一次洗涤后的滤出液pH值呈中性，收集所得黄色固体，干燥后即得4.644g成品2,3-二氨基吩嗪。

经计算可知，本实施例以原料邻苯二胺来计算质量比收率，目标化合物2,3-二氨基吩嗪的产率为86%。

对本实施例制得的目标化合物进行红外测定，显示其红外谱图如附图1所示：

由附图1中数据可知，目标化合物在3300-3000cm^-1不饱和碳（双键和苯环）上的C-H伸缩振动；3750~3000cm^-1 O-H,N-H伸缩振动；3100~3000cm^-1-C=C-H伸缩振动；1680~1620cm^-1 -C=C-伸缩振动；1690~1640cm^-1和1630~1575cm^-1-C=N双键伸缩振动；1620~1450 cm^-1苯环骨架；910~650 cm^-1 苯环取代（其中1000~650 cm^-1/770~735 cm^-1 苯环邻二取代）。从该红外图谱数据可知，本实施例制备得到的目标化合物为2,3-二氨基吩嗪。

对本实施例制得的目标化合物进行紫外吸收光谱检测，结果如附图2所示，对其进行单晶X射线衍射分析检测，得到单晶XRD图谱如附图3所示。

实施例2

步骤一、称取5.4 g邻苯二胺(50 mmol)加入到容积为500 mL的圆底烧瓶中，然后，用蒸馏水将8.3 ml的浓HCl（浓度为12mol/L）稀释至190mL，再将此稀释后的稀HCl溶液加入到圆底烧瓶中，磁力搅拌使邻苯二胺完全溶解，制得原料溶液，备用；

步骤二、将30g CuCl₂•2H₂O溶解于50 mL的蒸馏水中，然后，用滴液漏斗缓慢滴加至上述原料溶液中(有红色沉淀生成)，滴加完毕后，将圆底烧瓶放入超声波反应器中，设置超声波频率65kHZ，在额定功率400W作用下，开启超声波，于室温下进行反应3.5 h，制得反应产物，备用；

步骤三、对反应产物进行抽滤，之后，采用浓度为2.5mol/L的HCl溶液对所得滤渣进行洗涤3次，每次HCl溶液的使用量为滤渣体积的4倍；然后，再采用浓度为2.5mol/L的NaOH溶液对滤渣进行二次洗涤3次，每次NaOH溶液的使用量为滤渣体积的3倍；之后，采用蒸馏水对滤渣进行多次洗涤，每次蒸馏水的使用量为滤渣体积的2倍，直至最后一次洗涤后的滤出液pH值呈中性，收集所得黄色固体，干燥后即得4.968g成品2,3-二氨基吩嗪。

经计算可知，本实施例以原料邻苯二胺来计算质量比收率，目标化合物2,3-二氨基吩嗪的质量比产率为92%。

实施例3

步骤一、称取5.4 g邻苯二胺(50 mmol)加入到容积为500 mL的圆底烧瓶中，然后，用蒸馏水将8.35 ml的浓HCl（浓度为12mol/L）稀释至320mL，再将此稀释后的稀HCl溶液加入到圆底烧瓶中，磁力搅拌使邻苯二胺完全溶解，制得原料溶液，备用；

步骤二、将23.7g NiCl₂•6H₂O溶解于60 mL的蒸馏水中，然后，用滴液漏斗缓慢滴加至上述原料溶液中(有红色沉淀生成)，滴加完毕后，将圆底烧瓶放入超声波反应器中，设置超声波频率65kHZ，在额定功率400W作用下，开启超声波，于室温下进行反应2.5 h，制得反应产物，备用；

步骤三、对反应产物进行抽滤，之后，采用浓度为3.5mol/L的HCl溶液对所得滤渣进行洗涤2次，每次HCl溶液的使用量为滤渣体积的5倍；然后，再采用浓度为1.5mol/L的NaOH溶液对滤渣进行二次洗涤2次，每次NaOH溶液的使用量为滤渣体积的5倍；之后，采用蒸馏水对滤渣进行多次洗涤，每次蒸馏水的使用量为滤渣体积的2倍，直至最后一次洗涤后的滤出液pH值呈中性，收集所得黄色固体，干燥后即得4.698g成品2,3-二氨基吩嗪。

经计算可知，本实施例以原料邻苯二胺来计算质量比产率，目标化合物2,3-二氨基吩嗪的质量比产率为87%。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims

1.一种超声波辐射催化快速合成2,3-二氨基吩嗪的方法，其特征在于，包括以下步骤：

所述的过渡金属盐为氯化铁、氯化铜和氯化镍中的任意一种；

2.根据权利要求1所述的一种超声波辐射催化快速合成2,3-二氨基吩嗪的方法，其特征在于：在步骤一中，所述HCl溶液的浓度为0.3-0.5mol/L，且该HCl溶液由浓盐酸加水稀释制成。

3.根据权利要求1所述的一种超声波辐射催化快速合成2,3-二氨基吩嗪的方法，其特征在于：在步骤二中，所述过渡金属盐溶液的浓度为2-4 mol/L。

4.根据权利要求1所述的一种超声波辐射催化快速合成2,3-二氨基吩嗪的方法，其特征在于：在步骤三中，所述的混配物料于圆底烧瓶中盛装后，再置于超声波反应器中进行超声波辐射辅助反应。

5.根据权利要求1所述的一种超声波辐射催化快速合成2,3-二氨基吩嗪的方法，其特征在于：在步骤四中，所述HCl溶液的浓度为2.5-3.5 mol/L，NaOH溶液的浓度为1.5-2.5mol/L，且每次洗涤时，HCl溶液或NaOH溶液的使用量为滤渣体积的3-5倍。

6.根据权利要求1所述的一种超声波辐射催化快速合成2,3-二氨基吩嗪的方法，其特征在于：在步骤四中，采用蒸馏水洗涤时，每次蒸馏水的使用量为滤渣体积的2-3倍。