CN113480505B - 一种催化偶联制备及分离提纯联苯衍生物的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种催化偶联制备及分离提纯联苯衍生物的方法，主要内容包括以镍盐催化剂，以锌为还原剂，在非质子溶剂体系，采用3‑卤代酞酰亚胺和4‑卤联苯二甲酸二甲酯混合物为原料，在超声辅助催化下进行交叉偶联生成3,4’‑联苯二酐衍生物的同时，还包含自偶联产物3,3’‑和4,4’‑联苯衍生物，本发明利用所生成的三种联苯衍生物溶解性不同进行分离，分别获得了3,4’‑、3,3’‑和4,4’‑联苯衍生物，其经水解，脱水后分别获得三种联苯二酐异构体纯品。

Description

一种催化偶联制备及分离提纯联苯衍生物的方法
技术领域
本发明涉及一种催化偶联制备及分离提纯联苯衍生物的方法，属于合成化学的范畴。
背景技术
联苯四酸二酐简称BPDA，是合成聚酰亚胺材料标志性二酐单体之一，价格昂贵。目前工业上制备联苯四甲酸二酐，主要采用贵金属钯催化偶联的方法制备，相关的研究报道如专利JP7352749、US5243067、CN201310049837等，其成本高昂，而具有低粘度加工特性所需的不对称联苯二酐3,4’-BPDA更是常规产品4,4’-BPDA10倍以上的价格，其主要是因为不对称联苯二酐3,4’-BPDA的分离提纯困难，导致该种联苯型聚酰亚胺材料的应用市场受到极大的限制，因此开发廉价的催化偶联反应体系制备联苯二酐异构体具有重要的意义。
用Ni(0)催化还原偶联反应相关的研究报道较多，如专利US 5081281、CN1436780A等。专利US 5081281仅用于制备4,4’-BPDA，而CN1436780A使用混合的3-和4-氯代邻苯二甲酸二甲酯或混合的3-和4-氯代酞酰亚胺为原料制备异构联苯二酐，其生成的中间体混合物性质相似，无法实现分离，最终获得是混合联苯二酐，难以获得纯品异构二酐单体，因此至今都无法实现工业生产应用。
3,4-BPDA必须由3位和4位的苯基取代物经交叉偶联制备。不对称结构的联苯化合物制备途径是通过交叉偶联来实现，主要包括方向有机锌试剂为反应原料，但有机锌试剂需要通过格氏试剂为原料，而制备格氏试剂的反应要求反应底物不能含有羰基等活性基团，因此含有羰基的卤代酰亚胺或二甲酯不能通过格氏反应制备有机锌试剂的制备，因此无法通过该方法实现交叉偶联制备3,4’-联苯二酐。而虽然芳香有机硼可以与另一分子卤代芳烃交叉偶联制备3,4’-联苯二酐的中间体。众所周知，有机硼制备一般采用的原料碘代芳香化合物，价格及其昂贵，用其制备聚酰亚胺的成本难以接受。众所周知，三种异构联苯四甲酸中，3,3’,4,4’-联苯四酸难溶于水中，而2,3’,3,4’-联苯四酸和2,2’,3,3’-联苯四酸在热水中溶解度较好，且具有相似的溶解性，难以分离，而脱水后三种异构联苯二酐具有相似的溶解性，更加难以分离提纯。因此3位和4位的苯基取代物经交叉偶联制备3,4-BPDA纯品，必须在形成在其生成2,3’,3,4’-联苯四酸和前与其异构体2,2’,3,3’-联苯四酸实现分离。否则难以降低3,4-BPDA的制备成本。
传统镍催化偶联体系中的副产物ZnCl2，极易吸附于活性锌粉的表面，进而影响反应进程，这也是现有专利方法使用过量(高达4倍理论量)。本发明采利用超声波震动的方式，可以有效提高ZnCl2在锌表面解析的速度，提高Ni催化剂与锌粉接触的机会，从而提高锌粉还原剂的使用效率，提高反应速度和产率。
发明内容
为了克服现有异构联苯二酐制备方法中的不足，本发明提供本发明提供了一种制备及分离联苯二酐异构体的新方案，对比发现，苯胺或甲胺保护的联苯双亚胺具有比联苯四甲基酯在特定的有机溶剂中，溶解度差异极大。例如式1中生成的4,4’-联苯双亚胺(a)、3,4’-联苯双亚胺(b)和3,3’-联苯双亚胺(c)三种中间体混合物，a和b含酯联苯衍生物溶解于醇，而所生成的单端和双端含有苯胺保护的联苯双亚胺a和b难溶于醇，本发明通过分子设计，采用两种不同的卤代邻苯二甲苯的衍生物，制备并实现了联苯二酐三种中间体中的分离；最终获得三种联苯二酐异构体，纯度达98％以上。
为了实现上述发明任务，本发明采用如下技术方案：
一种催化偶联制备及分离提纯联苯衍生物的方法，按下式步骤实施：
Figure BDA0003193299520000021
其中，采用的反应原料如下式2和3：
Figure BDA0003193299520000031
上述两种反应原料2和3的摩尔比例0.1～1:0.5～1，取代基卤原子(X)是氯或溴，R是甲基或苯基；
催化剂为镍盐；
还原剂为金属锌；
添加剂为下式4～6中的一种：
Figure BDA0003193299520000032
其中R1-R4是碳数为0～4的烷基，R5～R7是碳数为6～8的芳基；
其制备及分离过程如下：在氮气保护下，将卤代酞酰亚胺单体2和和卤代邻苯二甲酸二甲酯混合物，镍盐催化剂，非质子性溶剂，添加剂、还原剂，在50～100℃，80～500w在超声辅助搅拌进行偶联反应1-4小时，过滤除去不溶物，减压回收溶剂如溶剂，得粘稠状固体；
1)向粘稠状固体中加入反应原料4倍以上质量的醇，加热回流30分钟，趁热过滤，收集不溶物为联苯双亚胺c，母液待处理，联苯双亚胺c以过量10～20％的NaOH水溶液(浓度～20％)回流水解2-24小时，过滤不溶物，以浓盐酸酸化，调节至pH＝1，冷却生成2,2’,3,3’-联苯四酸沉淀，过滤收集2,2’,3,3’-联苯四酸，在200℃下脱水4小时，得2,2’,3,3’-联苯二酐(3,3’-BPDA)；
2)将醇母液浓缩蒸干，回收醇，所得混合物为a和b，向混合物a和b中加入过量10～20％的NaOH水溶液(浓度～20％)回流水解2-24小时，过滤不溶物，冷却后以浓盐酸酸化，调节至pH＝1，加热沸腾，过滤收集不溶于沸水的3,3’,4,4’-联苯四酸(d)，浓缩冷却滤液，析出2,3’,3,4’-联苯四酸(e)，过滤收集2,3’,3,4’-联苯四酸。分别将所得的3,3’,4,4’-联苯四酸和2,3’,3,4’-联苯四酸在200℃脱水4小时，得3,3’,4,4’-联苯二酐(4,4’-BPDA)和2,3’,3,4’-联苯二酐(3,4’-BPDA)。
进一步地，所述的镍盐是氯化镍，溴化镍，镍盐与反应物卤代邻苯二甲酸衍生物原料的摩尔比为0.005～0.02：1；所用的还原剂为金属锌，还原剂与卤代邻苯二甲酸衍生物反应原料的摩尔比为0.5～1：1；镍盐与添加剂的摩尔比为1：1～7。
进一步地，偶联反应所用的溶剂包括N，N-二甲基乙酰胺(DMAc)、N-甲基吡咯烷酮(NMP)、N，N-二甲基乙酰胺(DMF)中的一种或几种的混合物，溶剂使用量为反应单体质量的3～6倍；所述的醇是甲醇、乙醇或异丙醇。
本发明的优点是：
本发明的特点通过分子设计，制备了具有不同溶解性质的联苯二酐中间体，从而实现了三种联苯二酐中间体的分离，进而实现了联苯二酐异构体简易方法提纯，特别是解决了不对称的3,4’-BPDA纯品因分离提纯的困难，降低其成本50％以上，适合于工业化应用生产，本发明提供了一种催化偶联制备及分离提纯联苯衍生物的方法，所获得的三种异构体的总产率在85％～95％。
具体实施例
下面结合实施例对本发明做具体说明，但本发明不仅限于实施例范围。
实施例1
取500mL的三口瓶，将4-氯代邻苯二甲酸二甲酯(22.8g，0.1moL)、N-苯基-3-氯代邻苯酞酰亚胺(25.7g，0.1moL)、锌粉(6.5g，0.1moL)、无水NiCl2(255mg，2mmoL)及三苯基膦(0.5g，2mmoL)，在氮气气氛混合，加入145mL无水DMAc，50℃超声辅助搅拌反应4小时，过滤不溶物，所得滤液在圆底烧瓶中减压回收溶剂DMAc 125mL，得粘稠固体。
1)向体系中加入150g乙醇回流30分钟，趁热滤出不溶物N-苯基-N’-苯基-2,2’,3,3’-联苯双亚胺(统称：3,3’-联苯双亚胺)，100℃干燥10小时，得3,3’-联苯双亚胺10g，向200mL反应瓶中加入20％的氢氧化钠水溶液24g，加热回流24小时，滤去不溶物，冷却，以浓盐酸调节pH＝1，冷却得2,2’,3,3’-联苯四甲酸沉淀，过滤沉淀，冷水洗涤三次后，在200℃脱水4小时，获得白色2,2’,3,3’-联苯二酐(3,3’-BPDA)7.20g，占理论联苯二酐异构体总收率22％，熔点268-270℃。
2)将醇母液浓缩蒸干，回收醇，所得混合物为4,4’-联苯四甲酯和N-苯基-34’-联苯亚胺二甲酯混合物19.8g，加入20％的氢氧化钠水溶液45g，加热回流12小时，滤去不溶物，冷却，以浓盐酸调节pH＝1，得3,3’,4,4’-联苯四甲酸及2,3’,3,4’-联苯四甲酸，加入至水沸腾，过滤收集不溶的3,3’,4,4’-联苯四甲酸，水洗三次，在200℃脱水4小时，获得白色3,3’,4,4’-联苯二酐(4,4’-BPDA)
6.7g，占联苯二酐异构体总收率23％，熔点298-300℃；含有2,3’,3,4’-联苯四甲酸的滤液冷却，过滤沉淀，冷水洗涤三次后，在200℃脱水4小时，获得白色2,3’,3,4’-联苯二酐(3,4’-BPDA)13.5g，占理论联苯二酐异构体总收率45.5％，熔点194-196℃。
实施例2
取500mL的三口瓶，将4-氯代邻苯二甲酸二甲酯(22.8g，0.1moL)、N-甲基-3-氯代邻苯酞酰亚胺(9.8g，0.05moL)、锌粉(5.2g，0.08moL)、无水NiCl2(255mg，2mmoL)及三苯基膦(3.5g，14mmoL)，在氮气气氛混合，加入160mL无水DMAc，500w超声辅助100℃搅拌反应1小时，过滤不溶物，所得滤液在圆底烧瓶中减压回收溶剂DMAc 140mL。
1)向体系中加入100g乙醇回流30分钟，全部溶解，无2,2’,3,3’-联苯双亚胺生成。体系中全部为所得混合物为4,4’-联苯四甲酯和N-甲基-34’-联苯亚胺二甲酯混合物，蒸除回收乙醇，同时相体系中加入20％的氢氧化钠水溶液64g，加热回流12小时，滤去不溶物，冷却，以浓盐酸调节pH＝1，得3,3’,4,4’-联苯四甲酸及2,3’,3,4’-联苯四甲酸，加入至水沸腾，过滤收集不溶的3,3’,4,4’-联苯四甲酸，水洗三次，在200℃脱水4小时，获得白色3,3’,4,4’-联苯二酐(4,4’-BPDA)7.1g，占联苯二酐异构体总收率32.1％，熔点298-300℃；含有2,3’,3,4’-联苯四甲酸的滤液冷却，过滤沉淀，冷水洗涤三次后，在200℃脱水4小时，获得白色2,3’,3,4’-联苯二酐(3,4’-BPDA)14.0g，占联苯二酐异构体总收率63.3％，熔点194-196℃。
实施例3
取500mL的三口瓶，将4-氯代邻苯二甲酸二甲酯(22.8g，0.1moL)、N-甲基-3-氯代邻苯酞酰亚胺(19.5g，0.1moL)、锌粉(13g，0.2moL)、无水NiCl2(510mg，4mmoL)及2,2-联吡啶(2.18g，14mmoL)，在氮气气氛混合，然后加入140mL无水NMP，400w超声辅助90℃搅拌反应2小时，过滤不溶物，所得滤液在圆底烧瓶中减压回收溶剂NMP 120mL，得粘稠固体。
1)向得粘稠固体中加入120g乙醇，回流30分钟，趁热滤出不溶物获得N-甲基-N’-甲基-2,2’,3,3’-联苯双亚胺(统称：3,3’-联苯双亚胺)7.5g，醇母液备用。3,3’-联苯双亚胺加入20％的氢氧化钠水溶液20g，加热回流24小时，滤去不溶物，冷却，以浓盐酸调节pH＝1，冷却得2,2’,3,3’-联苯四甲酸沉淀，过滤沉淀，冷水洗涤三次后，在200℃脱水4小时，获得白色2,2’,3,3’-联苯二酐(3,3’-BPDA)6.9g，占理论联苯二酐异构体总收率23.3％，熔点268-270℃。
2)醇母液浓缩蒸干，加入20％的氢氧化钠水溶液60g，加热回流4小时，滤去不溶物，冷却，以浓盐酸调节pH＝1，得3,3’,4,4’-联苯四甲酸及2,3’,3,4’-联苯四甲酸，加入至水沸腾，过滤收集不溶的3,3’,4,4’-联苯四甲酸，水洗三次，在200℃脱水4小时，获得白色3,3’,4,4’-联苯二酐(4,4’-BPDA)6.9g，占联苯二酐异构体总收率23.3％，熔点298-300℃；含有2,3’,3,4’-联苯四甲酸的滤液冷却，过滤沉淀，冷水洗涤三次后，在200℃脱水4小时，获得白色2,3’,3,4’-联苯二酐(3,4’-BPDA)13.9g，占理论联苯二酐异构体总收率46.7％，熔点194-196℃。
以上对本发明提供的一种联苯二酐异构体的制备及分离方法进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想，应指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也属于本发明全力保护的范围。

Claims (3)

1.一种催化偶联制备及分离提纯联苯衍生物的方法，制备过程如下式1：
Figure FDA0004226965140000011
采用的反应原料如下式2和3：
Figure FDA0004226965140000012
上述两种反应原料2和3的摩尔比例0.1～1:0.5～1，取代基X是氯或溴，R是甲基或苯基；
催化剂为氯化镍，溴化镍；
还原剂为金属锌；
添加剂为下式4～6中的一种：
Figure FDA0004226965140000013
其中R1-R4是碳数为0～4的烷基，R5～R7是碳数为6～8的芳基；
非质子性溶剂为N，N-二甲基乙酰胺(DMAc)、N-甲基吡咯烷酮(NMP)、N，N-二甲基甲酰胺(DMF)中的一种或几种的混合物；
醇为甲醇、乙醇或异丙醇；
其制备及分离过程如下：在氮气保护下，将反应原料2和反应原料3混合物，镍盐催化剂，非质子性溶剂，添加剂、还原剂，在50～100℃，80～500w在超声辅助搅拌进行偶联反应1-4小时，过滤除去不溶物，减压回收溶剂，得粘稠状固体；
1)向上述所得粘稠状固体中加入反应原料3质量4倍以上质量的醇，加热回流30分钟，趁热过滤，收集不溶物为联苯双亚胺c，收集含醇母液待处理；联苯双亚胺c以过量10～20％、浓度为～20％NaOH水溶液回流水解2-24小时，过滤不溶物，以浓盐酸酸化，调节至pH＝1，冷却生成2,2’,3,3’-联苯四酸沉淀，过滤收集2,2’,3,3’-联苯四酸，在200℃下脱水4小时，得2,2’,3,3’-联苯二酐(3,3’-BPDA)；
2)上述步骤1)中收集的含醇母液浓缩蒸干，回收醇，所得混合物为a和b，向混合物a和b中加入过量10～20％、浓度为～20％NaOH水溶液回流水解2-24小时，过滤不溶物，冷却后以浓盐酸酸化，调节至pH＝1，加热沸腾，过滤收集不溶于沸水的3,3’,4,4’-联苯四酸；浓缩冷却滤液，析出2,3’,3,4’-联苯四酸，过滤收集2,3’,3,4’-联苯四酸，分别将所得的3,3’,4,4’-联苯四酸和2,3’,3,4’-联苯四酸在200℃脱水4小时，得3,3’,4,4’-联苯二酐(4,4’-BPDA)和2,3’,3,4’-联苯二酐(3,4’-BPDA)。
2.根据权利要求1一种催化偶联制备及分离提纯联苯衍生物的方法，其特征在于，所述的催化剂镍盐与反应原料3的摩尔比为0.005～0.02：1；所用的还原剂锌与反应原料3的摩尔比为0.5～1：1；镍盐与添加剂的摩尔比为1：1～7。
3.根据权利要求1一种催化偶联制备及分离提纯联苯衍生物的方法，其特征在于，偶联反应所用的非质子性溶剂使用量为反应原料3质量的3～6倍。
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