胡泉源,付方,张雄志,涂娇娇

(湖北大学化学化工学院,湖北 武汉 430062)

0 引言

在含氮杂环配体系列中,三联吡啶及其衍生物具有独特的σ给电子能力及π受电子能力,能够与多种过渡金属离子形成稳定的配合物,其配位聚合物具有独特的物理和化学性质,在材料及催化方面有较好的应用前景,从而使得三联吡啶成为现代配位化学中应用广泛的螯合配体之一[1-2].在众多的功能化三联吡啶中,对中心吡啶环的对位进行功能化,即在4′位置上接一个取代基,具有重要的潜在应用价值.4′-羟基-2,2′:6′,2″-三联吡啶就是一种重要的功能化三联吡啶,其羟基很容易进一步官能化,得到其它衍生物,因此也具有重要意义.

在过去几十年里,三联吡啶的合成方法基本有两种:成环法与偶合法[3-9].4′-羟基-2,2′:6′,2″-三联吡啶的合成一般是采用吡啶-2-甲酸乙酯与丙酮为主要原料[10-11],首先是在以氢化钠为强碱合成中间体1,3,5-三酮,继而在酸性条件下与乙酸铵发生关环反应.由于中间体三酮既溶于酸性水溶液,也溶于碱性水溶液,所以在实际操作中,处理步骤繁琐,三酮收率不高.我们对该方法进行了改进,采用2-乙酰吡啶与碳酸二甲酯为主要原料,以乙醇钠为碱,忽略中间体的分离提纯步骤,一锅法合成最终目标产物.在此基础上,

本实验还着重研究了不同溶剂、不同反应温度、不同反应时间对产品收率的影响,探讨该产物合成的最佳实验条件.产品合成的反应过程如图1所示.

1 实验部分

图1 4′-羟基-2,2′:6′,2″-三联吡啶的合成

图2 4′-羟基-2,2′:6′,2″-三联吡啶分子共振式

1.1仪器与主要试剂核磁共振谱用INOVA(400 MHz)核磁共振仪测定,CDCl3为溶剂,TMS(0.05%)为内标.碳酸二甲酯、乙酸铵、氨水均为分析纯,直接使用.2-乙酰吡啶经蒸馏后使用,四氢呋喃、乙醇、叔丁醇、乙二醇二甲醚、二氧六环按标准方法干燥除水后使用.

1.24′-羟基-2,2′:6′,2″-三联吡啶的制备

100 mL无水乙醇和0.6 g金属钠室温反应30 min,加入2-乙酰吡啶(10.0 g,82 mmol)和碳酸二甲酯(3.7 g,41 mmol),在氮气保护下,35 ℃左右反应24 h.冷却至室温,缓慢滴加氨水15 mL(过量),反应2 h,然后升温至40 ℃反应24 h.反应结束后,浓缩液体到一半的体积,冷却,析出产品.抽滤,粗产品用无水乙醇重结晶,得白色固体5.12 g,产率50.0%.1H NMR(400 MHz,CDCl3),δ=6.44(s,2H,Ha),7.35(t,2H,J=4 Hz,Hd),7.81(m,2H,Hc),8.10(d,2H,J=4 Hz,Hb),8.63(d,2H,J=8 Hz,He),10.27(s,1H,Hf).

1.3核磁共振氢谱分析4′-羟基-2,2′:6′,2″-三联吡啶分子共振式如图2,其核磁共振氢谱(图3)中吸收峰位置与文献[12]报道的基本一致.

2 结果与讨论

图3 4′-羟基-2,2′:6′,2″-三联吡啶的核磁共振氢谱

2.1反应温度和反应时间对中间体生成的影响中间体1,3,5-三酮的合成是基于碳酸二甲酯的亲核加成-取代反应,反应温度低,反应速度较慢,反应不完全,主要得到单酯,三酮收率低.如反应温度过高,生成的中间体单酯和三酮的亚甲基反应活性增加,容易得到大量白色高分子副产物.为了减少各种副反应的发生,反应温度和时间的选择至关重要.实验结果显示,在35 ℃充分搅拌反应24 h,最有利于后续关环反应产品收率的提高(见表1).

表1反应条件对4′-羟基-2,2′:6′,2″-三联吡啶收率的影响

实验序号反应条件(第十步)投料比(摩尔比)收率/%1234567891011121314150 ℃,24 h20 ℃,24 h35 ℃,24 h60 ℃,24 h78 ℃,24 h2.0∶12.2∶12.5∶12.0∶12.2∶12.5∶12.0∶12.2∶12.5∶12.0∶12.2∶12.5∶12.0∶12.2∶12.5∶1000.814.920.125.026.034.450.024.533.441.415.820.328.0

2.2溶剂和碱性条件对中间体生成的影响分别用氢化钠、乙醇钠和叔丁醇钾做碱性物质,探索了无溶剂法和溶剂法合成方式.前者由于在研磨过程中碱极易吸潮,效果不佳.后者依次使用了四氢呋喃、乙二醇二甲醚、二氧六环、无水乙醇等溶剂,实验发现,使用无水乙醇-乙醇钠体系操作方便,副产物少.使用其它体系时,反应容易生成黑色油状物,后续纯化过程复杂,产品收率较低.

2.3投料比对中间体生成的影响由于2-乙酰吡啶在碱性条件下发生自身或与单酯、三酮缩合等副反应不可避免,实验中2-乙酰吡啶与碳酸二甲酯的投料比按(2.0～2.5)∶1进行了比较研究,结果显示,在同等条件下,按2.5∶1投料反应,可达到最高收率.

2.4关环反应根据文献[10-11]方法,1,3,5-三酮与乙酸铵在酸性介质(如丙酸)中回流可发生关环反应,经过浓缩、中和等过程处理可得到粗产品.实验证明1,3,5-三酮不经分离,直接与浓氨水反应,可以达到相同或更高的收率.理论上中间体的三个酮基均易与氨反应生成羟基胺,温度较高时脱水成亚胺,不利于关环,故用氨水作为关环试剂时,一定要在温度较低的情况下滴加,经充分反应,可直接关环或经过脱氨关环.

3 结论

以2-乙酰吡啶、碳酸二甲酯与浓氨水为主要原料,一锅法合成了4′-羟基-2,2′:6′,2″-三联吡啶,收率50%.此方法未见报道.与文献相比,该方法反应条件温和,中间体不需分离提纯,步骤简单,产品易于纯化,收率较高,对其它三联吡啶类物质的合成具有参考价值.

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