CN117105892A - 一种3,4,3″,4″-对三联苯四羧酸二酐的合成方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种3,4,3″,4″‑对三联苯四羧酸二酐的合成方法。包括如下步骤：步骤1：以对苯醌为原料，与4‑卤代二甲苯的格氏试剂或锂试剂进行加成反应，生成中间体(I)2，5‑环己二烯‑1，4‑二醇衍生物；步骤2：步骤1得到的中间体(I)还原芳香化得到中间体(Ⅱ)3,4,3″,4″‑四甲基对三联苯；步骤3：步骤2得到的中间体(Ⅱ)氧化得到中间体(Ⅲ)3,4,3″,4″‑四甲酸对三联苯；步骤4：步骤3得到的中间体(Ⅲ)脱水成酐得到成品3,4,3″,4″‑对三联苯四羧酸二酐。同现有技术相比，该合成方法原料成本低，收率高，操作简便、条件温和，且对环境友好。

Description

一种3,4,3″,4″-对三联苯四羧酸二酐的合成方法

技术领域

本发明涉及材料中间体的制备方法，特别涉及一种3,4,3″,4″-对三联苯四羧酸二酐的合成方法，属于有机合成领域。

背景技术

3,4,3″,4″-对三联苯四羧酸二酐，白色固体，分子式：C₂₂H₁₀O₆，相对分子量：370.32，CAS号：106070-55-7，结构式如下：

聚酰亚胺由于其优越的综合性能，如热稳定性、机械强度、低介电常数等，而广泛应用于航空航天，国防军工，电子信息等领域。其中，联苯型聚酰亚胺是最重要品种之一。相比传统的均苯型聚酰亚胺(Kapton)，联苯型聚酰亚胺(Upilex)可将抗张强度从170Mpa提升至400Mpa。由联苯二酐和对苯二胺合成的聚酰亚胺，热分解温度达到600℃，是迄今聚合物中热稳定性最高的品种之一。目前，广泛使用的联苯型聚酰亚胺基本以二联苯为主要单体骨架，即联苯四酸二酐，而以三联苯为骨架的聚酰亚胺虽然有更优异的热稳定性等优点，但使用较少，国内外可提供此类单体的厂家更是几乎没有，这主要是由于关于合成含三联苯的单体的报道方法极少且成本较高造成的。因此，开发新的、低成本的合成三联苯单体的方法是十分必要的。本发明聚焦于3,4,3″,4″-对三联苯四羧酸二酐的合成方法的开发。

目前，报道合成3,4,3″,4″-对三联苯四羧酸二酐的方法仅有两例：1)日本日立化学报道以4-溴邻二甲苯为原料，首先与镁反应生成3,4-二甲基苯基溴化镁，然后与对二溴苯在镍催化下通过Kumada偶联生成3,4,3″,4″-四甲基对三联苯，然后经高锰酸钾氧化、高温脱水两步得到产品(EP0247731A1)；2)日本JEF化学报道以4-溴邻苯二甲酸为原料与1,4-苯二硼酸在钯催化下Suzuki偶联生成3,4,3″,4″-对三联苯四甲酸，然后加醋酸酐脱水得到产品(JP2021042153A)。

由于上述两种方法都需要使用价格昂贵的过渡金属催化剂做偶联反应来构建三联苯结构，导致产品价格偏高。另外，上述方法还存在以下问题：

1、催化偶联反应对反应体系要求较高，须在绝对无氧条件下进行，且需要对原材料、反应设备等严格把控，否则将导致催化剂中毒问题。

2、方法1)使用对二溴苯为原料，双溴原子在对二溴苯分子中占比较大，而反应实质为脱卤反应，不符合原子经济原则。

3、方法2)虽然看似缩短了反应步骤，但实际上原料1,4-苯二硼酸是从对二溴(或氯)苯的格氏试剂与硼酸三甲酯反应制备而来，4-溴邻苯二甲酸为4-溴邻二甲苯氧化制得，因此总反应步骤和成本并不比方法1)更有优势，甚至价格更高。

发明内容

本发明的目的是提供一种3,4,3″,4″-对三联苯四羧酸二酐的合成方法，通过构建三联苯骨架，进而合成3,4,3″,4″-对三联苯四羧酸二酐，该合成方法成本低廉，操作简便、条件温和，且对环境友好。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种3,4,3″,4″-对三联苯四羧酸二酐的制备方法，包括如下步骤：

步骤1：以对苯醌为原料，与4-卤代二甲苯的格氏试剂进行加成反应，生成中间体(I)2，5-环己二烯-1，4-二醇衍生物，所述的中间体(I)如式(1)所示：

步骤2：步骤1得到的中间体(I)还原芳香化得到中间体(Ⅱ)3,4,3″,4″-四甲基对三联苯，所述的中间体(Ⅱ)如式(2)所示：

步骤3：步骤2得到的中间体(Ⅱ)氧化得到中间体(Ⅲ)3,4,3″,4″-四甲酸对三联苯，所述的中间体(Ⅲ)如式(3)所示：

步骤4：步骤3得到的中间体(Ⅲ)脱水成酐得到最终成品3,4,3″,4″-对三联苯四羧酸二酐，如式(4)所示：

上述技术方案中，进一步地，步骤1中，所用的原料为对苯醌和4-卤代邻二甲苯的格氏试剂或锂试剂，其中，4-卤代邻二甲苯的格氏试剂由4-氯代邻二甲苯、4-溴代邻二甲苯或4-碘代邻二甲苯与金属镁按本领域常规方法制备而成，现制现用；4-卤代邻二甲苯的锂试剂由4-氯代邻二甲苯、4-溴代邻二甲苯或4-碘代邻二甲苯与丁基锂按本领域常规方法制备而成，现制现用。

上述技术方案中，进一步地，步骤1中，对苯醌与格氏试剂或锂试剂的摩尔比为1：2～1：3。

上述技术方案中，进一步地，步骤1中，加成反应所用溶剂为四氢呋喃、甲基四氢呋喃、苯、甲苯、二甲苯、正己烷和正庚烷中一种或两种混合溶剂，优选为四氢呋喃；加成反应的温度为-10～60℃。

上述技术方案中，进一步地，步骤2中，还原剂为二氯化锡、四氯化钛、磷酸二氢钠、萘基钠等还原剂中的一种，优选为二氯化锡；中间体(I)与还原剂的摩尔比为1：2～1：5。

上述技术方案中，进一步地，步骤3中，氧化甲基的方法为本领域常规方法，例如高锰酸钾氧化、硝酸氧化或使用空气氧化。

上述技术方案中，进一步地，步骤4中，脱水成酐为本领域常规方法，例如乙酸酐加热脱水成酐、无溶剂高温脱水成酐或二甲苯回流脱水成酐。

本发明采用新的合成方法来合成3,4,3″,4″-对三联苯四羧酸二酐。该方法首先利用格氏试剂与对苯醌亲核加成生成2，5-环己二烯-1，4-二醇衍生物，然后还原芳香化构建三联苯骨架，之后经氧化、脱水成酐两步得到产品。

反应式如下：

同现有技术相比，本发明的有益效果体现在：

(1)本发明无需昂贵的过渡金属催化剂，节约成本；

(2)以亲核加成反应-还原芳香化反应两步构建三联苯骨架，相比过渡金属催化偶联反应，对原料，设备要求较低，且反应温度较低，条件温和；

(3)采用对苯醌为原料，相比现有技术的消除一分子卤素，本发明仅消除两分子水，更符合原子经济，也更加环保；

(4)本发明通过四步反应实现转化，总摩尔收率可达79.5％。

附图说明

图1为实施例1制得的中间体(Ⅰ)2，5-环己二烯-1，4-二醇衍生物的ESI-MS谱图；

图2为实施例1制得的中间体(Ⅱ)3,4,3″,4″-四甲基对三联苯的ESI-MS谱图；

图3为实施例1制得的中间体(Ⅲ)3,4,3″,4″-四甲酸对三联苯的ESI-MS谱图；

图4为实施例1制得的成品3,4,3″,4″-对三联苯四羧酸二酐经甲醇衍生化后的ESI-MS谱图。

具体实施方式

以下实施例可以使本领域的普通技术人员更全面地理解本发明，但不以任何方式限制本发明。

如无特别说明，本发明的实施例中所用的材料均可通过商业途径得到或按照本领域技术人员熟知的常规方法制备即可。

实施例1

步骤(1)：将镁屑(13.4g，0.550mol)，无水四氢呋喃(550mL)和4-氯邻二甲苯(73.8g，0.525mol)依次加入到1000mL三口瓶中，加入约100mg碘粒，氮气置换3次，升温至回流，搅拌8小时，溶液呈灰色，中控HPLC显示原料基本反应完全，降至室温备用；

另准备2000mL三口瓶，加入对苯醌(27.0g，0.250mol)及120mL无水四氢呋喃，氮气置换3次，冰浴降温至0～3℃，边搅拌边缓慢滴加前述制备的格氏试剂，控制温度不超过8℃，约1.5小时滴完，撤去冰浴，室温下搅拌6小时，中控HPLC显示原料对苯醌反应完全，缓慢加入300mL氯化铵饱和溶液淬灭反应，加入380mL乙酸乙酯萃取3次，合并有机相，水洗，50℃下将有机相减压蒸馏至约200mL，大量白色固体析出，降至室温，过滤，滤饼真空干燥得白色中间体(Ⅰ)2，5-环己二烯-1，4-二醇衍生物78.3g，纯度98.9％(HPLC)，步骤(1)摩尔收率：97.8％；

该中间体的ESI-MS谱图见图1，由图1可以看出，其分子量为320(M+H)；

步骤(2)：将步骤(1)得到的中间体(I)(45.0g，0.140mol)，240mL四氢呋喃加入到500mL三口瓶中，氮气保护下，加入二氯化锡二水合物(66.5g，0.295mol)及37％浓盐酸(58.1g，0.590mol)，室温下搅拌2小时，中控HPLC显示反应完全，加入200mL去离子水淬灭，用180mL甲苯萃取三遍，合并有机相，水洗，60℃减压蒸馏至约80mL，大量固体析出，冷却过滤，滤饼真空干燥得白色固体中间体(Ⅱ)3,4,3″,4″-四甲基对三联苯36.9g，纯度99.5％(HPLC)，熔点168.7℃～169.8℃，步骤(2)摩尔收率：91.7％；

该中间体的ESI-MS谱图见图2，由图2可以看出，其分子量为286(M-H)；

步骤(3)：将步骤(2)得到的中间体(Ⅱ)(35.0g，0.122mol)和浓度为32％的稀硝酸(288.8g，1.47mol)加入到500mL高压反应釜中，升温至160℃，搅拌3小时，期间控制压力不超过2.0MPa，反应结束后，降至室温，泄压，反应液中有淡黄色固体析出，过滤，滤饼加70mL去离子水打浆，过滤，60℃真空干燥12小时，得46.3g白色固体中间体(Ⅲ)3,4,3″,4″-四甲酸对三联苯，纯度99.0％(HPLC)，熔点312.3～313.8℃，步骤(3)摩尔收率：93.2％；

该中间体的ESI-MS谱图见图3，由图3可以看出，其分子量为406(M-H)。

步骤(4)：将步骤(3)得到的中间体(Ⅲ)(35.0g，86.1mmol)和乙酸酐(105.5g，1.03mol)加入到250mL三口瓶中，升温至110℃搅拌反应3小时，中控HPLC反应完全，降至室温，过滤，60℃真空干燥12小时，得到30.3g白色固体最终产品3,4,3″,4″-对三联苯四羧酸二酐，纯度99.4％(HPLC)，熔点312.1～313.5℃，步骤(4)摩尔收率：95.0％；四步总摩尔收率为：79.5％。

该最终成品经甲醇酯化后的ESI-MS谱图见图4，由图4可以看出，其二甲酯分子量为434(M+H)，证明其二酐结构无误。

实施例2

步骤(1)：将镁屑(12.4g，0.509mol)，无水四氢呋喃(600mL)和4-溴邻二甲苯(8.99g，48.6mmol)依次加入到1000mL三口瓶中，加入约100mg碘粒，氮气置换3次，升温至50℃，搅拌20min，反应引发，缓慢滴加4-溴邻二甲苯(80.9g，0.437mol)，控制温度不超过60℃，约2小时滴完，保持同样温度下，搅拌3小时，至大部分镁屑消失，溶液呈灰色，中控HPLC显示原料基本反应完全，降至室温备用；

另备2000mL三口瓶，加入对苯醌(25.0g，0.231mol)及100mL无水四氢呋喃，氮气置换3次，冰浴降温至0～3℃，边搅拌边缓慢滴加前述制备的格氏试剂，控制温度不超过10℃，约1小时滴完，撤去冰浴，室温下搅拌5小时，中控HPLC显示原料对苯醌反应完全，缓慢加入280mL氯化铵饱和溶液淬灭反应，加入350mL乙酸乙酯萃取3次，合并有机相，水洗，50℃下将有机相减压蒸馏至约300mL，期间大量白色固体析出，降至室温，过滤，滤饼真空干燥得白色中间体(Ⅰ)2，5-环己二烯-1，4-二醇衍生物72.1g，纯度99.0％(HPLC)，步骤(1)摩尔收率97.3％；

步骤(2)：将步骤(1)得到的中间体(I)(60.0g，0.187mol)，碘化钠(112.3g，0.749mol)，磷酸二氢钠(179.7g，1.5mol)和850mL冰醋酸加入到2000mL三口瓶中，氮气保护下回流4小时，HPLC中控显示反应完全，降至室温，白色固体析出，过滤，滤饼先后加入300mL去离子和250mL甲醇打浆过滤后，真空干燥得白色固体中间体(Ⅱ)3,4,3″,4″-四甲基对三联苯47.8g，纯度99.4％(HPLC)，步骤(2)摩尔收率：89.1％；

步骤(3)：将步骤(2)得到的中间体(Ⅱ)(34.0g，0.119mol)，去离子水250mL和吡啶500mL加入到2000mL三口瓶中，升温至80℃，分批加入高锰酸钾(150.1g，0.950mol)，约2小时加完，升温至110℃，回流搅拌8小时，降温，滤液60℃减压蒸馏除去大部分吡啶，蒸馏剩余物加入500mL去离子水，氢氧化钠(38.0g，0.950mol)和高锰酸钾(150.1g，0.950mol)，升温至100℃，回流搅拌8小时，中控HPLC显示反应完全，过滤除去锰盐，滤液缓慢加入37％盐酸调节pH值至1左右，大量白色固体析出，过滤，滤饼用去离子水漂洗后真空干燥得39.8g白色固体中间体(Ⅲ)3,4,3″,4″-四甲酸对三联苯，纯度98.2％(HPLC)，步骤(3)摩尔收率：82.5％；

步骤(4)：将步骤(3)得到的中间体(Ⅲ)(35.0g，86.1mmol)，乙酸酐(52.8g g，0.517mol)和100mL甲苯加入到500mL三口瓶中，升温至110℃搅拌反应6小时，中控HPLC反应完全，降至室温，过滤，60℃真空干燥12小时，得到30.6g白色固体最终产品3,4,3″,4″-对三联苯四羧酸二酐，纯度99.0％(HPLC)，步骤(4)摩尔收率：95.9％；四步总摩尔收率为：68.6％。

实施例3

步骤(1)：将4-溴邻二甲苯(71.9g，0.389mol)和无水四氢呋喃(380mL)加入到1000mL三口瓶中，氮气置换3次，降至-78℃，缓慢滴加1.6M丁基锂的正己烷溶液(242.8mL，0.389mol)，控制温度不超过-60℃，约2小时滴完，保持温度搅拌1小时，中控HPLC显示原料基本反应完全；

另准备2000mL三口瓶，加入对苯醌(20.0g，0.185mol)及120mL无水四氢呋喃，氮气置换3次，降温至-78℃，边搅拌边缓慢滴加前述制备的锂试剂，控制温度不超过-50℃，约2.5小时滴完，保持温度继续搅拌1小时，升至室温，搅拌3小时，中控HPLC显示原料对苯醌反应完全，缓慢加入250mL氯化铵饱和溶液淬灭反应，加入200mL乙酸乙酯萃取3次，合并有机相，水洗，50℃下将有机相减压蒸馏至约300mL，期间大量白色固体析出，降至室温，过滤，滤饼真空干燥得白色中间体(Ⅰ)2，5-环己二烯-1，4-二醇衍生物55.9g，纯度98.5％(HPLC)，步骤(1)摩尔收率94.3％；

步骤(2)：将步骤(1)得到的中间体(I)(55.9g，0.174mol)，490mL二氯甲烷加入到1000mL三口瓶中，氮气置换3次，冰浴降至0℃，缓慢滴加四氯化钛(69.5g，0.366mol)和二氯甲烷(60mL)混合液，控制温度不超过10℃，约1小时滴完，升至室温，搅拌1小时，中控HPLC显示反应完全，加入180mL氯化铵饱和溶液淬灭，分出有机相，水相加入80mL二氯甲烷萃取两遍，合并有机相，饱和食盐水洗，30℃减压蒸馏除去溶剂，蒸馏残余物加入140mL甲苯重结晶得白色固体中间体(Ⅱ)3,4,3″,4″-四甲基对三联苯44.2g，纯度99.6％(HPLC)，步骤(2)摩尔收率：88.5％；

步骤(3)：将步骤(2)得到的中间体(Ⅱ)(44.0g，0.154mol)和浓度为48％的稀硝酸(242.0g，1.84mol)加入到500mL高压反应釜中，升温至140℃的温度，搅拌6小时，期间控制压力不超过2.0MPa，反应结束后，降至室温，泄压，反应液中有淡黄色固体析出，过滤，滤饼加120mL去离子水打浆两次，过滤，60℃真空干燥12小时，得55.9g白色固体中间体(Ⅲ)3,4,3″,4″-四甲酸对三联苯，纯度98.9％(HPLC)，步骤(3)摩尔收率：89.6％；

步骤(4)：将步骤(3)得到的中间体(Ⅲ)(35.0g，86.1mmol)，乙酸酐(44.0g，0.431mol)和乙酸(51.8g，0.862mol)加入到250mL三口瓶中，升温至110℃搅拌反应3小时，中控HPLC反应完全，降至室温，过滤，60℃真空干燥12小时，得到29.9g白色固体最终产品3,4,3″,4″-对三联苯四羧酸二酐，纯度99.6％(HPLC)，步骤(4)摩尔收率：93.7％；四步总摩尔收率为：70.0％。

以上实施例仅仅是本发明的优选施例，并非对于实施方式的限定。本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (7)

1.一种3,4,3″,4″-对三联苯四羧酸二酐的合成方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：以对苯醌为原料，与4-卤代二甲苯的格氏试剂或锂试剂进行加成反应，生成中间体(I)2，5-环己二烯-1，4-二醇衍生物，所述的中间体(I)如式(1)所示；

步骤2：步骤1得到的中间体(I)还原芳香化得到中间体(Ⅱ)3,4,3″,4″-四甲基对三联苯，所述的中间体(Ⅱ)如式(2)所示；

步骤3：步骤2得到的中间体(Ⅱ)氧化得到中间体(Ⅲ)3,4,3″,4″-四甲酸对三联苯，所述的中间体(Ⅲ)如式(3)所示；

步骤4：步骤3得到的中间体(Ⅲ)脱水成酐得到成品3,4,3″,4″-对三联苯四羧酸二酐，所述3,4,3″,4″-对三联苯四羧酸二酐如式(4)所示。

2.根据权利要求1所述的3,4,3″,4″-对三联苯四羧酸二酐的合成方法，其特征在于，步骤1中，4-卤代二甲苯的格氏试剂由4-氯代邻二甲苯、4-溴代邻二甲苯或4-碘代邻二甲苯与金属镁制备得到；4-卤代二甲苯的锂试剂由4-氯代邻二甲苯、4-溴代邻二甲苯或4-碘代邻二甲苯与正丁基锂制备得到。

3.根据权利要求1所述的3,4,3″,4″-对三联苯四羧酸二酐的合成方法，其特征在于，步骤1中，对苯醌与格氏试剂或锂试剂的摩尔比为1：2～1：3。

4.根据权利要求1所述的3,4,3″,4″-对三联苯四羧酸二酐的合成方法，其特征在于，步骤1中，加成反应所用溶剂为四氢呋喃、甲基四氢呋喃、乙醚、苯、甲苯、二甲苯、正己烷和正庚烷中一种或两种混合溶剂；加成反应的温度为-10～60℃。

5.根据权利要求1所述的3,4,3″,4″-对三联苯四羧酸二酐的合成方法，其特征在于，步骤2中，还原剂为二氯化锡、四氯化钛、磷酸二氢钠、萘基钠中的任意一种；中间体(I)与还原剂的摩尔比为1：2～1：12。

6.根据权利要求1所述的3,4,3″,4″-对三联苯四羧酸二酐的合成方法，其特征在于，步骤3中，氧化方法为高锰酸钾氧化、硝酸氧化、使用空气氧化中的任意一种。

7.根据权利要求1所述的3,4,3″,4″-对三联苯四羧酸二酐的合成方法，其特征在于，步骤4中，脱水成酐的方法为乙酸酐加热脱水成酐、无溶剂高温脱水成酐、二甲苯回流脱水成酐中的任意一种。