專利名稱：偶氮二甲酸二乙酯及其中間體的合成方法
技術領域：
本發明涉及一種偶氮二甲酸二乙酯及其中間體的合成方法。
背景技術：
偶氮二甲酸二酯是一類同時帶有偶氮和羧基官能團的化合物。偶氮二甲酸二酯由于具有獨特的電子和結構特性，作為一種多功能化的試劑在有機合成中得到了廣泛的應用。特別是在Mitsunobu反應、羰基化合物的氨化、不飽烴的氨化及雜環化合物的合成中有著非常重要的作用，此外偶氮二甲酸二酯還可以作為氧化劑，用于醇、胺的脫氫氧化反應。偶氮二甲酸二乙酯(DEAD)，是該類試劑的主要成員，可用于光敏劑、聚合催化劑、殺菌劑等產品的合成，另外偶氮二甲酸二乙酯是一類重要的液體發泡劑，其與塑膠溶性好，分解產物無色、無臭味、無污染，應用前景廣闊。偶氮二甲酸二乙酯可以通過Norman Rabjohn在Organic·syntheses, V(28)，58(1948)中提出的方法合成,其合成方法如下先將理論量一半的氯甲酸乙酯滴加到水合肼的乙醇溶液中攪拌一段時間，保持溫度在20°C以下，然后同時滴加剩余的氯甲酸乙酯和碳酸氫鈉溶液繼續反應半小時，經抽濾、洗滌、干燥得到白色固體氫化偶氮二甲酸二乙酯，產率為82%-85%，將上述產物在冰浴條件下與二氯甲烷中和水混合機械攪拌，緩慢以氯氣氧化，經洗滌、干燥等步驟得產物，產率為81%-83%。然而，該方法以氯甲酸乙酯為原料，該物質是易燃液體，對呼吸道眼結膜有劇烈刺激作用，對環境污染嚴重，而且價格昂貴；用氯氣氧化產生大量次氯酸鈉，三廢排放量大，對環境污染大。在Organic syntheses, v (4), 411 (1963)中 J. C. kauer 用濃硝酸代替氯氣進行氧化在0-5°C下用發煙硝酸對氫化偶氮二甲酸二甲酯進行氧化，產率為80%左右，這種方法以濃硝酸作為氧化劑，在0°C下氧化反應，有黃色煙氣放出，該方法腐蝕性強，能源消耗大，收率低，環境污染嚴重。在U. S. PatentNo. 3192196中Frederic D. Vidal等人提出了氧化亞餅基化合物的新方法將一定量的二氧化氮通入到冰醋酸溶液，加熱到85°C，此時反應液中有氣泡冒出。取少量該溶液移入三口燒瓶中，向其中滴加加入亞肼基化合物的冰醋酸溶液，低價完畢后將剩余的二氧化氮的醋酸溶液加入到反應瓶中，繼續加熱到90-95 V，保持IOmin，然后分離出偶氮二甲酸二乙酯，洗滌，干燥，最后產率在76%以上。這種方法在一定程度上節省了成本，反應的劇烈程度有所減緩，但是容易產生大量的含氮化合物，對環境有較大污染。
發明內容
本發明的目的是為克服上述現有技術的不足，提供一種偶氮二甲酸二乙酯的新型合成方法，與已有反應相比，反應原料清潔環保，反應條件溫和，氧化劑溫和，副產物少，產品收率聞等優點。為實現上述目的，本發明采用下述技術方案一種偶氮二甲酸二乙酯的合成方法，包括下列步驟
(I)在乙醇鈉的作用下，碳酸二乙酯與肼基甲酸乙酯加熱反應I 6h，將溶液調節pH=3 8，析出白色晶體，用重結晶得到氫化偶氮二甲酸二乙酯；(2)在-15°C 45°C下，加入氫化偶氮二甲酸二乙酯，在酸性溶液中，以溴或氫溴酸或溴化鈉、溴化鉀作催化劑，滴加過量雙氧水，反應I I0h，萃取，蒸餾除去有機溶劑，得到橘黃色偶氮二甲酸二乙酯。步驟(I)中所述的反應溫度為25V 220°C ;所述溫度優選為70°C _140°C，當溫度需要高于溶液的沸點時加入環丁砜作溶劑，以提高回流溫度。步驟(2)所述的反應溫度為5°C 25°C。步驟(I)中等量或過量的碳酸二乙酯與肼基甲酸乙酯反應。優選摩爾比為(1-1. 3) :1。步驟(I)中所述的pH值為5-7。·步驟(I)中乙醇鈉占肼基甲酸乙酯的摩爾百分比為10%_110%。優選乙醇鈉與肼基甲酸乙酯的摩爾比為(O. 3-1. I): I。進一步優選為(O. 7-1. I): I。步驟(I)所述調節pH的鹽酸質量濃度為5%_37%。步驟(2)中所述的雙氧水的質量百分濃度為10%_40%雙氧水。步驟(I)中，所述的重結晶的溶劑依次采用丙酮和石油醚，石油醚可選自石油醚30-60或石油醚60-90 ；步驟(2)中所述的萃取劑為乙酸乙酯、二氯甲烷或三氯甲烷。步驟(I)中，乙醇鈉為乙醇與金屬鈉在原裝反應器中制備，或者市購的乙醇鈉。所述步驟(I)中肼基甲酸乙酯是通過以下方法合成的以過量的碳酸二乙酯及水合肼原料，加熱回流反應I 5h，得粗肼基甲酸乙酯，經丙酮重結晶得到肼基甲酸乙酯。所述的反應溫度為反應液的回流溫度。目標產物為偶氮二甲酸二甲酯。它的化學結構是
O
產。人Kn 丫 0V
O本發明還提供一種中間體，它為氫化偶氮二甲酸二乙酯。化學結構是
H O
V0丫 n、n人O、
O H該中間體氫化偶氮二甲酸二乙酯合成方法，其特征在于，步驟為在乙醇鈉的作用下，碳酸二乙酯與肼基甲酸乙酯加熱反應I 6h，將溶液調節pH=3 8，析出白色晶體，用
重結晶得到氫化偶氮二甲酸二乙酯。步驟中所述的反應溫度為25°C 220°C ;所述溫度優選為70_140°C，當溫度需要高于溶液的沸點時加入環丁砜作溶劑，以提高回流溫度。步驟中等量或過量的碳酸二乙酯與肼基甲酸乙酯反應。優選摩爾比為(1-1. 3) :1。
步驟中所述的pH值為5-7。步驟中乙醇鈉占肼基甲酸乙酯的摩爾百分比為10%_110%。優選乙醇鈉與肼基甲酸乙酯的摩爾比為(O. 3-1. I): I。進一步優選為(O. 7-1. I): I。步驟中所述調節pH的鹽酸質量濃度為5%_37%。步驟中，所述的重結晶的溶劑依次采用丙酮和石油醚，石油醚可選自石油醚30-60或石油醚60-90。本發明與現有技術相比，有顯著優點( I)本發明所選用碳酸二乙酯為原料，清潔環保，無污染，符合現代綠色化學的概念；
(2)本發明中的過量的碳酸二乙酯，重結晶選用的丙酮，石油醚，氧化過程中的硫酸，及萃取劑等可以循環利用，經濟性更好；(3)本發明操作簡單，反應溫度范圍廣，反應穩定；(4)本發明所得產品不需要進一步精制，能耗低，產率高，利于工業化生產。
具體實施例方式下面通過具體實例對本發明進行進一步的闡述，應該說明的是，下述說明僅是為了解釋本發明，并不對其內容進行限定。I、肼基甲酸乙酯制備實施例I在裝有機械攪拌的500ml三口燒瓶中，加入250ml碳酸二乙酯，加入125g質量百分比80%的水合肼。油浴中加熱回流4h，蒸出其中過量的碳酸二乙酯，剩余混合液減壓旋干后，得粗品肼基甲酸乙酯。用丙酮重結晶，即得純品肼基甲酸乙酯198g (95.2%)。II、氫化偶氮二甲酸二乙酯的制備實施例2在裝有機械攪拌的250ml三口燒瓶中，加入120ml無水乙醇，氮氣保護下加入4. 8g金屬鈉，待金屬鈉全部溶解后，加入肼基甲酸乙酯31. 2g，0. 5h后，溶液變為橘紅色。緩慢滴加40g碳酸二乙酯，滴加完畢后，常溫反應6h，得到橙紅色混濁液體，常壓蒸餾回收乙醇和碳酸二乙酯。用質量濃度10%的鹽酸溶液調節pH ^ 6. 0，有白色晶體析出，用冷水洗滌，得到粗產品氫化偶氮二甲酸二乙酯，用將上述粗品依次用丙酮、石油醚重結晶得到白色固體氫化偶氮二甲酸二乙酯 6. 6g (12. 5%) mp=130-132°C。1HNMR (CDCl3, 300ΜΗζ) δ (ppm) : 8. 97 (2H, s, NH) ; 3. 99-4. 06 (4H, m, CH2) ; I. 16(6H, t, CH3) ο實施例3在裝有機械攪拌的250ml三口燒瓶中，加入120ml無水乙醇，氮氣保護下加入7. Ig金屬鈉，待金屬鈉全部溶解后，加入肼基甲酸乙酯31. 2g，0. 5h后，溶液變為橘紅色。緩慢滴加40g碳酸二乙酯，滴加完畢后，在75°C反應6h，得到橙紅色混濁液體，常壓蒸餾回收乙醇和碳酸二乙酯。用質量濃度20%的鹽酸溶液調節pH 5. 0，有白色晶體析出，用冷水洗滌，得到粗產品氫化偶氮二甲酸二乙酯，用將上述粗品依次用丙酮、石油醚重結晶得到白色固體氫化偶氮二甲酸二乙酯26. 6g (50. 7%)mp=130-132°C。
1HNMR (CDCl3, 300ΜΗζ) δ (ppm) : 8. 97 (2H, s, NH) ; 3. 99-4. 06 (4H, m, CH2) ; I. 16(6H, t, CH3) ο實施例4在裝有機械攪拌的250ml三口燒瓶中，氮氣保護下加入21. Ig乙醇鈉，加入IOOml環丁砜作溶劑，然后加入肼基甲酸乙酯31. 2g，0. 5h后，溶液變為橘紅色。緩慢滴加40g碳酸二乙酯，滴加完畢后，120°C下反應4h，得到橙紅色混濁液體。用質量濃度30%的鹽酸溶液調節PH 7.0，有白色晶體析出，用冷水洗滌，得到粗產品氫化偶氮二甲酸二乙酯，用將上述粗品依次用丙酮、石油醚重結晶得到白色固體氫化偶氮二甲酸二乙酯32. 6g (62. 1%)mp=130-132。。。1HMffi(CDCl3JOOMHz)S (ppm) : 8. 97 (2H, s, NH) ; 3. 99-4. 06 (4H, m, CH2) ；1. 16(6H, t, CH3) ο
實施例5在裝有機械攪拌的250ml三口燒瓶中，氮氣保護下加入10. 2g乙醇鈉，加入IOOml環丁砜作溶劑，然后加入肼基甲酸乙酯31. 2g，0. 5h后，溶液變為橘紅色。緩慢滴加40g碳酸二乙酯，滴加完畢后，180°C下反應4h，得到橙紅色混濁液體。用質量濃度37%的鹽酸溶液調節PH 3. 5，有白色晶體析出，用冷水洗滌，得到粗產品氫化偶氮二甲酸二乙酯，用將上述粗品依次用丙酮、石油醚重結晶得到白色固體氫化偶氮二甲酸二乙酯22. 6g (43.0%)mp=130-132。。。1HNMR (CDCl3, 300ΜΗζ) δ (ppm) : 8. 97 (2Η, s, NH) ; 3. 99-4. 06 (4Η, m, CH2) ; I. 16(6Η, t, CH3) ο實施例6在裝有機械攪拌的250ml三口燒瓶中，加入50ml無水乙醇，氮氣保護下加入7. Ig金屬鈉，待金屬鈉全部溶解后，加入肼基甲酸乙酯31. 2g，0. 5h后，溶液變為橘紅色。緩慢滴加90g碳酸二乙酯，滴加完畢后，在100°C下反應6h，得到橙紅色混濁液體，常壓蒸餾回收乙醇和碳酸二乙酯。用質量濃度10%的鹽酸溶液調節pH 6. 0，有白色晶體析出，用冷水洗滌，得到粗產品氫化偶氮二甲酸二乙酯，用將上述粗品依次用丙酮、石油醚重結晶得到白色固體氫化偶氮二甲酸二乙酯43. 8g (83. 4%) mp=130-132°C。1HMffi(CDCl3JOOMHz)S (ppm) : 8. 97 (2H, s, NH) ; 3. 99-4. 06 (4H, m, CH2) ；1. 16(6H, t, CH3) ο實施例7在裝有機械攪拌的250ml三口燒瓶中，加入50ml無水乙醇，氮氣保護下加入7. Ig金屬鈉，待金屬鈉全部溶解后，蒸出多余乙醇，加入IOOml環丁砜作溶劑，然后加入肼基甲酸乙酯31. 2g，O. 5h后，溶液變為橘紅色。緩慢滴加40g碳酸二乙酯，滴加完畢后，180°C下反應4h，得到橙紅色混濁液體。用質量濃度10%的鹽酸溶液調節pH 6. 0，有白色晶體析出，用冷水洗滌，得到粗產品氫化偶氮二甲酸二乙酯，用將上述粗品依次用丙酮、石油醚重結晶得到白色固體氫化偶氮二甲酸二乙酯44. 2g (84. 2%)mp=130-132°C。1HNMR (CDCl3, 300ΜΗζ) δ (ppm) : 8. 97 (2Η, s, NH) ; 3. 99-4. 06 (4Η, m, CH2) ; I. 16(6Η, t, CH3) οIII、偶氮二甲酸二乙酯的制備
實施例8將氫化偶氮二甲酸二乙酯17. 6g，質量濃度45%硫酸50ml，加入IOOml三口燒瓶中，攪拌溶解，滴加I. 35g氫溴酸，然后在-15°C滴加質量百分比10%雙氧水，滴加完畢反應5h，向瓶中加入一定量亞硫酸氫鈉溶液后,用二氯甲烷萃取,用無水硫酸鎂干燥、過濾，常壓蒸餾出二氯甲烷，殘余物置減壓蒸餾，收集餾分16. 5g，bp 108-110°C/2. OkPa (收率
94.8%) ο1HNMR (CDCl3, 300ΜΗζ) δ 4. 40-4. 61 (4Η, m, CH2) ; I. 44 (6Η, t, CH3)。實施例9將氫化偶氮二甲酸二乙酯17. 6g，質量濃度45%硫酸50ml，加入IOOml三口燒瓶中，攪拌溶解，滴加I. 35g氫溴酸，然后在0°C滴加質量百分比30%雙氧水，滴加完畢反 應5h，向瓶中加入一定量亞硫酸氫鈉溶液后,用二氯甲烷萃取,用無水硫酸鎂干燥、過濾，常壓蒸餾出二氯甲烷，殘余物置減壓蒸餾，收集餾分16. lg，bp 108-110°C/2. OkPa (收率92. 5%) ο1HNMR (CDCl3, 300ΜΗζ) δ 4. 40-4. 61 (4Η, m, CH2) ; I. 44 (6Η, t, CH3)。實施例10將氫化偶氮二甲酸二乙酯17. 6g，質量濃度45%硫酸50ml，加入IOOml三口燒瓶中，攪拌溶解，滴加I. 35g氫溴酸，然后在25°C滴加質量百分比30%雙氧水，滴加完畢反應5h，向瓶中加入一定量亞硫酸氫鈉溶液后,用二氯甲烷萃取,用無水硫酸鎂干燥、過濾，常壓蒸餾出二氯甲烷，殘余物置減壓蒸餾，收集餾分16. 6g，bp 108-110°C/2. OkPa (收率
95.4%) ο1HNMR (CDCl3, 300ΜΗζ) δ 4. 40-4. 61 (4Η, m, CH2) ; I. 44 (6Η, t, CH3)。實施例11將氫化偶氮二甲酸二乙酯17. 6g，質量濃度45%硫酸50ml，加入IOOml三口燒瓶中，攪拌溶解，滴加I. 33g溴，然后在25°C滴加質量百分比30%雙氧水，滴加完畢反應5h，向瓶中加入一定量亞硫酸氫鈉溶液后，用二氯甲烷萃取，用無水硫酸鎂干燥、過濾，常壓蒸餾出二氯甲烷，殘余物置減壓蒸餾，收集餾分16. 3g，bp 108-110。。/2. OkPa (收率93. 7%)。1HNMR (CDCl3, 300ΜΗζ) δ 4. 40-4. 61 (4Η, m, CH2) ; I. 44 (6H, t, CH3)。實施例12將氫化偶氮二甲酸二乙酯17. 6g，質量濃度45%硫酸50ml，加入IOOml三口燒瓶中，攪拌溶解，滴加1.98g溴化鉀，然后在25°C滴加質量百分比30%雙氧水，滴加完畢反應5h，向瓶中加入一定量亞硫酸氫鈉溶液后,用二氯甲烷萃取,用無水硫酸鎂干燥、過濾，常壓蒸餾出二氯甲烷，殘余物置減壓蒸餾，收集餾分16. 4g，bp 108-110°C/2. OkPa (收率94. 3%) ο1HNMR (CDCl3, 300ΜΗζ) δ 4. 40-4. 61 (4Η, m, CH2) ; I. 44 (6Η, t, CH3)。實施例13將氫化偶氮二甲酸二乙酯17. 6g，質量濃度45%硫酸50ml，加入IOOml三口燒瓶中，攪拌溶解，滴加約1.33g溴，然后在0°C下滴加質量百分比30%雙氧水，滴加完畢反應5h,向瓶中加入一定量亞硫酸氫鈉溶液后,用乙酸乙酯萃取,用無水硫酸鎂干燥、過濾，常壓蒸餾出乙酸乙酯，殘余物置減壓蒸餾，收集餾分16. 2g，bp 108-110°C /2. OkPa (收率93.1%)。1HNMR (CDCl3, 300ΜΗζ) δ 4. 40-4. 61 (4Η, m, CH2) ; I. 44 (6Η, t, CH3)。實施例14將氫化偶氮二甲酸二乙酯17. 6g，質量濃度45%硫酸50ml，加入IOOml三口燒瓶中，攪拌溶解，加入I. 72g溴化鈉，然后在25°C滴加質量百分比30%雙氧水，滴加完畢反應5h，向瓶中加入一定量亞硫酸氫鈉溶液后,用三氯甲烷萃取,用無水硫酸鎂干燥、過濾，常壓蒸餾出三氯甲烷，殘余物置減壓蒸餾，收集餾分16. 5g，bp 108-110°C/2. OkPa (收率
94.8%) ο1HNMR (CDCl3, 300ΜΗζ) δ 4. 40-4. 61 (4Η, m, CH2) ; I. 44 (6Η, t, CH3)。·
實施例15將氫化偶氮二甲酸二乙酯17. 6g，質量濃度45%硫酸50ml，加入IOOml三口燒瓶中，攪拌溶解，加入I. 98g溴化鈉，然后在35°C滴加質量百分比40%雙氧水，滴加完畢反應5h，向瓶中加入一定量亞硫酸氫鈉溶液后,用二氯甲烷萃取,用無水硫酸鎂干燥、過濾，常壓蒸餾出二氯甲烷，殘余物置減壓蒸餾，收集餾分16. 6g，bp 108-110°C/2. OkPa (收率
95.4%) ο1HNMR (CDCl3, 300ΜΗζ) δ 4. 40-4. 61 (4Η, m, CH2) ; I. 44 (6Η, t, CH3)。
權利要求
1.一種偶氮二甲酸二乙酯及其中間體的合成方法，其特征在于，包括下列步驟 (1)在乙醇鈉的作用下，碳酸二乙酯與肼基甲酸乙酯加熱反應I 6h，將溶液調節pH=3 8，析出白色晶體，用重結晶得到氫化偶氮二甲酸二乙酯； (2)在_15°C 45°C下，加入氫化偶氮二甲酸二乙酯，在酸性溶液中，以溴或氫溴酸或溴化鈉、溴化鉀作催化劑，滴加過量雙氧水，反應I 10h，萃取，蒸餾除去有機溶劑，得到橘黃色偶氮二甲酸二乙酯。
2.根據權利要求I所述的合成方法，其特征在于，步驟(I)中，所述的反應溫度為25。。 200。。。
3.根據權利要求I所述的合成方法，其特征在于，所述的乙醇鈉占肼基甲酸甲酯的摩爾百分比為10%-110%。
4.根據權利要求3所述的合成方法，其特征在于，所述的乙醇鈉與肼基甲酸甲酯的摩爾比為(O. 3-1. I) :1。
5.根據權利要求I所述的合成方法，其特征在于，步驟(I)中等量或過量的碳酸二乙酯與肼基甲酸乙酯反應，摩爾比例為(1-1. 3): I。
6.根據權利要求I所述的合成方法，其特征在于，步驟(2)所述的反應溫度為5°C 25。。。
7.根據權利要求I所述的合成方法，其特征在于，步驟(2)中所述的雙氧水的質量百分濃度為10%-40%雙氧水。
8.根據權利要求I所述的合成方法，其特征在于，所述步驟(I)中肼基甲酸乙酯是通過以下方法合成的以過量的碳酸二乙酯及水合肼原料，加熱回流反應I 5h，得粗肼基甲酸乙酯，經丙酮重結晶得到肼基甲酸乙酯。
9.氫化偶氮二甲酸二乙酯。
10.權利要求9所述的氫化偶氮二甲酸二乙酯的合成方法，其特征在于，方法是在乙醇鈉的作用下，碳酸二乙酯與肼基甲酸乙酯加熱反應I 6h，將溶液調節pH=3 8，析出白色晶體，用重結晶得到氫化偶氮二甲酸二乙酯。
全文摘要
本發明公開了一種偶氮二甲酸二乙酯的合成方法，包括下列步驟(1)在乙醇鈉的作用下，碳酸二乙酯與肼基甲酸乙酯加熱反應1～6h，將溶液調節pH=3～8，析出白色晶體，用重結晶得到氫化偶氮二甲酸二乙酯；(2)在-15℃～45℃下，加入氫化偶氮二甲酸二乙酯，在酸性溶液中，以溴或氫溴酸或溴化鈉、溴化鉀作催化劑，滴加過量雙氧水，反應1～10h，萃取，蒸餾除去有機溶劑，得到橘黃色偶氮二甲酸二乙酯。本發明還提供一種中間體氫化偶氮二甲酸二乙酯和它的合成方法。本發明選用碳酸二乙酯為原料，清潔環保，無污染；原料可以循環利用，經濟性更好；操作簡單，反應溫度范圍廣，反應穩定；能耗低，產率高，利于工業化生產。
文檔編號C07C245/04GK102898328SQ20121041772
公開日2013年1月30日 申請日期2012年10月26日 優先權日2012年10月26日
發明者張志德, 呂碩, 陳玉琴, 張興紅 申請人:山東師范大學