专利名称：偶氮二甲酸二乙酯及其中间体的合成方法
技术领域：
本发明涉及一种偶氮二甲酸二乙酯及其中间体的合成方法。
背景技术：
偶氮二甲酸二酯是一类同时带有偶氮和羧基官能团的化合物。偶氮二甲酸二酯由于具有独特的电子和结构特性，作为一种多功能化的试剂在有机合成中得到了广泛的应用。特别是在Mitsunobu反应、羰基化合物的氨化、不饱烃的氨化及杂环化合物的合成中有着非常重要的作用，此外偶氮二甲酸二酯还可以作为氧化剂，用于醇、胺的脱氢氧化反应。偶氮二甲酸二乙酯(DEAD)，是该类试剂的主要成员，可用于光敏剂、聚合催化剂、杀菌剂等产品的合成，另外偶氮二甲酸二乙酯是一类重要的液体发泡剂，其与塑胶溶性好，分解产物无色、无臭味、无污染，应用前景广阔。偶氮二甲酸二乙酯可以通过Norman Rabjohn在Organic·syntheses, V(28)，58(1948)中提出的方法合成,其合成方法如下先将理论量一半的氯甲酸乙酯滴加到水合肼的乙醇溶液中搅拌一段时间，保持温度在20°C以下，然后同时滴加剩余的氯甲酸乙酯和碳酸氢钠溶液继续反应半小时，经抽滤、洗涤、干燥得到白色固体氢化偶氮二甲酸二乙酯，产率为82%-85%，将上述产物在冰浴条件下与二氯甲烷中和水混合机械搅拌，缓慢以氯气氧化，经洗涤、干燥等步骤得产物，产率为81%-83%。然而，该方法以氯甲酸乙酯为原料，该物质是易燃液体，对呼吸道眼结膜有剧烈刺激作用，对环境污染严重，而且价格昂贵；用氯气氧化产生大量次氯酸钠，三废排放量大，对环境污染大。在Organic syntheses, v (4), 411 (1963)中 J. C. kauer 用浓硝酸代替氯气进行氧化在0-5°C下用发烟硝酸对氢化偶氮二甲酸二甲酯进行氧化，产率为80%左右，这种方法以浓硝酸作为氧化剂，在0°C下氧化反应，有黄色烟气放出，该方法腐蚀性强，能源消耗大，收率低，环境污染严重。在U. S. PatentNo. 3192196中Frederic D. Vidal等人提出了氧化亚餅基化合物的新方法将一定量的二氧化氮通入到冰醋酸溶液，加热到85°C，此时反应液中有气泡冒出。取少量该溶液移入三口烧瓶中，向其中滴加加入亚肼基化合物的冰醋酸溶液，低价完毕后将剩余的二氧化氮的醋酸溶液加入到反应瓶中，继续加热到90-95 V，保持IOmin，然后分离出偶氮二甲酸二乙酯，洗涤，干燥，最后产率在76%以上。这种方法在一定程度上节省了成本，反应的剧烈程度有所减缓，但是容易产生大量的含氮化合物，对环境有较大污染。
发明内容
本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种偶氮二甲酸二乙酯的新型合成方法，与已有反应相比，反应原料清洁环保，反应条件温和，氧化剂温和，副产物少，产品收率闻等优点。为实现上述目的，本发明采用下述技术方案一种偶氮二甲酸二乙酯的合成方法，包括下列步骤
(I)在乙醇钠的作用下，碳酸二乙酯与肼基甲酸乙酯加热反应I 6h，将溶液调节pH=3 8，析出白色晶体，用重结晶得到氢化偶氮二甲酸二乙酯；(2)在-15°C 45°C下，加入氢化偶氮二甲酸二乙酯，在酸性溶液中，以溴或氢溴酸或溴化钠、溴化钾作催化剂，滴加过量双氧水，反应I I0h，萃取，蒸馏除去有机溶剂，得到橘黄色偶氮二甲酸二乙酯。步骤(I)中所述的反应温度为25V 220°C ;所述温度优选为70°C _140°C，当温度需要高于溶液的沸点时加入环丁砜作溶剂，以提高回流温度。步骤(2)所述的反应温度为5°C 25°C。步骤(I)中等量或过量的碳酸二乙酯与肼基甲酸乙酯反应。优选摩尔比为(1-1. 3) :1。步骤(I)中所述的pH值为5-7。·步骤(I)中乙醇钠占肼基甲酸乙酯的摩尔百分比为10%_110%。优选乙醇钠与肼基甲酸乙酯的摩尔比为(O. 3-1. I): I。进一步优选为(O. 7-1. I): I。步骤(I)所述调节pH的盐酸质量浓度为5%_37%。步骤(2)中所述的双氧水的质量百分浓度为10%_40%双氧水。步骤(I)中，所述的重结晶的溶剂依次采用丙酮和石油醚，石油醚可选自石油醚30-60或石油醚60-90 ；步骤(2)中所述的萃取剂为乙酸乙酯、二氯甲烷或三氯甲烷。步骤(I)中，乙醇钠为乙醇与金属钠在原装反应器中制备，或者市购的乙醇钠。所述步骤(I)中肼基甲酸乙酯是通过以下方法合成的以过量的碳酸二乙酯及水合肼原料，加热回流反应I 5h，得粗肼基甲酸乙酯，经丙酮重结晶得到肼基甲酸乙酯。所述的反应温度为反应液的回流温度。目标产物为偶氮二甲酸二甲酯。它的化学结构是
O
产。人Kn 丫 0V
O本发明还提供一种中间体，它为氢化偶氮二甲酸二乙酯。化学结构是
H O
V0丫 n、n人O、
O H该中间体氢化偶氮二甲酸二乙酯合成方法，其特征在于，步骤为在乙醇钠的作用下，碳酸二乙酯与肼基甲酸乙酯加热反应I 6h，将溶液调节pH=3 8，析出白色晶体，用
重结晶得到氢化偶氮二甲酸二乙酯。步骤中所述的反应温度为25°C 220°C ;所述温度优选为70_140°C，当温度需要高于溶液的沸点时加入环丁砜作溶剂，以提高回流温度。步骤中等量或过量的碳酸二乙酯与肼基甲酸乙酯反应。优选摩尔比为(1-1. 3) :1。
步骤中所述的pH值为5-7。步骤中乙醇钠占肼基甲酸乙酯的摩尔百分比为10%_110%。优选乙醇钠与肼基甲酸乙酯的摩尔比为(O. 3-1. I): I。进一步优选为(O. 7-1. I): I。步骤中所述调节pH的盐酸质量浓度为5%_37%。步骤中，所述的重结晶的溶剂依次采用丙酮和石油醚，石油醚可选自石油醚30-60或石油醚60-90。本发明与现有技术相比，有显著优点( I)本发明所选用碳酸二乙酯为原料，清洁环保，无污染，符合现代绿色化学的概念；
(2)本发明中的过量的碳酸二乙酯，重结晶选用的丙酮，石油醚，氧化过程中的硫酸，及萃取剂等可以循环利用，经济性更好；(3)本发明操作简单，反应温度范围广，反应稳定；(4)本发明所得产品不需要进一步精制，能耗低，产率高，利于工业化生产。
具体实施例方式下面通过具体实例对本发明进行进一步的阐述，应该说明的是，下述说明仅是为了解释本发明，并不对其内容进行限定。I、肼基甲酸乙酯制备实施例I在装有机械搅拌的500ml三口烧瓶中，加入250ml碳酸二乙酯，加入125g质量百分比80%的水合肼。油浴中加热回流4h，蒸出其中过量的碳酸二乙酯，剩余混合液减压旋干后，得粗品肼基甲酸乙酯。用丙酮重结晶，即得纯品肼基甲酸乙酯198g (95.2%)。II、氢化偶氮二甲酸二乙酯的制备实施例2在装有机械搅拌的250ml三口烧瓶中，加入120ml无水乙醇，氮气保护下加入4. 8g金属钠，待金属钠全部溶解后，加入肼基甲酸乙酯31. 2g，0. 5h后，溶液变为橘红色。缓慢滴加40g碳酸二乙酯，滴加完毕后，常温反应6h，得到橙红色混浊液体，常压蒸馏回收乙醇和碳酸二乙酯。用质量浓度10%的盐酸溶液调节pH ^ 6. 0，有白色晶体析出，用冷水洗涤，得到粗产品氢化偶氮二甲酸二乙酯，用将上述粗品依次用丙酮、石油醚重结晶得到白色固体氢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实施例3在装有机械搅拌的250ml三口烧瓶中，加入120ml无水乙醇，氮气保护下加入7. Ig金属钠，待金属钠全部溶解后，加入肼基甲酸乙酯31. 2g，0. 5h后，溶液变为橘红色。缓慢滴加40g碳酸二乙酯，滴加完毕后，在75°C反应6h，得到橙红色混浊液体，常压蒸馏回收乙醇和碳酸二乙酯。用质量浓度20%的盐酸溶液调节pH 5. 0，有白色晶体析出，用冷水洗涤，得到粗产品氢化偶氮二甲酸二乙酯，用将上述粗品依次用丙酮、石油醚重结晶得到白色固体氢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实施例4在装有机械搅拌的250ml三口烧瓶中，氮气保护下加入21. Ig乙醇钠，加入IOOml环丁砜作溶剂，然后加入肼基甲酸乙酯31. 2g，0. 5h后，溶液变为橘红色。缓慢滴加40g碳酸二乙酯，滴加完毕后，120°C下反应4h，得到橙红色混浊液体。用质量浓度30%的盐酸溶液调节PH 7.0，有白色晶体析出，用冷水洗涤，得到粗产品氢化偶氮二甲酸二乙酯，用将上述粗品依次用丙酮、石油醚重结晶得到白色固体氢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
实施例5在装有机械搅拌的250ml三口烧瓶中，氮气保护下加入10. 2g乙醇钠，加入IOOml环丁砜作溶剂，然后加入肼基甲酸乙酯31. 2g，0. 5h后，溶液变为橘红色。缓慢滴加40g碳酸二乙酯，滴加完毕后，180°C下反应4h，得到橙红色混浊液体。用质量浓度37%的盐酸溶液调节PH 3. 5，有白色晶体析出，用冷水洗涤，得到粗产品氢化偶氮二甲酸二乙酯，用将上述粗品依次用丙酮、石油醚重结晶得到白色固体氢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实施例6在装有机械搅拌的250ml三口烧瓶中，加入50ml无水乙醇，氮气保护下加入7. Ig金属钠，待金属钠全部溶解后，加入肼基甲酸乙酯31. 2g，0. 5h后，溶液变为橘红色。缓慢滴加90g碳酸二乙酯，滴加完毕后，在100°C下反应6h，得到橙红色混浊液体，常压蒸馏回收乙醇和碳酸二乙酯。用质量浓度10%的盐酸溶液调节pH 6. 0，有白色晶体析出，用冷水洗涤，得到粗产品氢化偶氮二甲酸二乙酯，用将上述粗品依次用丙酮、石油醚重结晶得到白色固体氢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实施例7在装有机械搅拌的250ml三口烧瓶中，加入50ml无水乙醇，氮气保护下加入7. Ig金属钠，待金属钠全部溶解后，蒸出多余乙醇，加入IOOml环丁砜作溶剂，然后加入肼基甲酸乙酯31. 2g，O. 5h后，溶液变为橘红色。缓慢滴加40g碳酸二乙酯，滴加完毕后，180°C下反应4h，得到橙红色混浊液体。用质量浓度10%的盐酸溶液调节pH 6. 0，有白色晶体析出，用冷水洗涤，得到粗产品氢化偶氮二甲酸二乙酯，用将上述粗品依次用丙酮、石油醚重结晶得到白色固体氢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备
实施例8将氢化偶氮二甲酸二乙酯17. 6g，质量浓度45%硫酸50ml，加入IOOml三口烧瓶中，搅拌溶解，滴加I. 35g氢溴酸，然后在-15°C滴加质量百分比10%双氧水，滴加完毕反应5h，向瓶中加入一定量亚硫酸氢钠溶液后,用二氯甲烷萃取,用无水硫酸镁干燥、过滤，常压蒸馏出二氯甲烷，残余物置减压蒸馏，收集馏分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)。实施例9将氢化偶氮二甲酸二乙酯17. 6g，质量浓度45%硫酸50ml，加入IOOml三口烧瓶中，搅拌溶解，滴加I. 35g氢溴酸，然后在0°C滴加质量百分比30%双氧水，滴加完毕反 应5h，向瓶中加入一定量亚硫酸氢钠溶液后,用二氯甲烷萃取,用无水硫酸镁干燥、过滤，常压蒸馏出二氯甲烷，残余物置减压蒸馏，收集馏分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)。实施例10将氢化偶氮二甲酸二乙酯17. 6g，质量浓度45%硫酸50ml，加入IOOml三口烧瓶中，搅拌溶解，滴加I. 35g氢溴酸，然后在25°C滴加质量百分比30%双氧水，滴加完毕反应5h，向瓶中加入一定量亚硫酸氢钠溶液后,用二氯甲烷萃取,用无水硫酸镁干燥、过滤，常压蒸馏出二氯甲烷，残余物置减压蒸馏，收集馏分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)。实施例11将氢化偶氮二甲酸二乙酯17. 6g，质量浓度45%硫酸50ml，加入IOOml三口烧瓶中，搅拌溶解，滴加I. 33g溴，然后在25°C滴加质量百分比30%双氧水，滴加完毕反应5h，向瓶中加入一定量亚硫酸氢钠溶液后，用二氯甲烷萃取，用无水硫酸镁干燥、过滤，常压蒸馏出二氯甲烷，残余物置减压蒸馏，收集馏分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)。实施例12将氢化偶氮二甲酸二乙酯17. 6g，质量浓度45%硫酸50ml，加入IOOml三口烧瓶中，搅拌溶解，滴加1.98g溴化钾，然后在25°C滴加质量百分比30%双氧水，滴加完毕反应5h，向瓶中加入一定量亚硫酸氢钠溶液后,用二氯甲烷萃取,用无水硫酸镁干燥、过滤，常压蒸馏出二氯甲烷，残余物置减压蒸馏，收集馏分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)。实施例13将氢化偶氮二甲酸二乙酯17. 6g，质量浓度45%硫酸50ml，加入IOOml三口烧瓶中，搅拌溶解，滴加约1.33g溴，然后在0°C下滴加质量百分比30%双氧水，滴加完毕反应5h,向瓶中加入一定量亚硫酸氢钠溶液后,用乙酸乙酯萃取,用无水硫酸镁干燥、过滤，常压蒸馏出乙酸乙酯，残余物置减压蒸馏，收集馏分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)。实施例14将氢化偶氮二甲酸二乙酯17. 6g，质量浓度45%硫酸50ml，加入IOOml三口烧瓶中，搅拌溶解，加入I. 72g溴化钠，然后在25°C滴加质量百分比30%双氧水，滴加完毕反应5h，向瓶中加入一定量亚硫酸氢钠溶液后,用三氯甲烷萃取,用无水硫酸镁干燥、过滤，常压蒸馏出三氯甲烷，残余物置减压蒸馏，收集馏分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)。·
实施例15将氢化偶氮二甲酸二乙酯17. 6g，质量浓度45%硫酸50ml，加入IOOml三口烧瓶中，搅拌溶解，加入I. 98g溴化钠，然后在35°C滴加质量百分比40%双氧水，滴加完毕反应5h，向瓶中加入一定量亚硫酸氢钠溶液后,用二氯甲烷萃取,用无水硫酸镁干燥、过滤，常压蒸馏出二氯甲烷，残余物置减压蒸馏，收集馏分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)。
权利要求
1.一种偶氮二甲酸二乙酯及其中间体的合成方法，其特征在于，包括下列步骤 (1)在乙醇钠的作用下，碳酸二乙酯与肼基甲酸乙酯加热反应I 6h，将溶液调节pH=3 8，析出白色晶体，用重结晶得到氢化偶氮二甲酸二乙酯； (2)在_15°C 45°C下，加入氢化偶氮二甲酸二乙酯，在酸性溶液中，以溴或氢溴酸或溴化钠、溴化钾作催化剂，滴加过量双氧水，反应I 10h，萃取，蒸馏除去有机溶剂，得到橘黄色偶氮二甲酸二乙酯。
2.根据权利要求I所述的合成方法，其特征在于，步骤(I)中，所述的反应温度为25。。 200。。。
3.根据权利要求I所述的合成方法，其特征在于，所述的乙醇钠占肼基甲酸甲酯的摩尔百分比为10%-110%。
4.根据权利要求3所述的合成方法，其特征在于，所述的乙醇钠与肼基甲酸甲酯的摩尔比为(O. 3-1. I) :1。
5.根据权利要求I所述的合成方法，其特征在于，步骤(I)中等量或过量的碳酸二乙酯与肼基甲酸乙酯反应，摩尔比例为(1-1. 3): I。
6.根据权利要求I所述的合成方法，其特征在于，步骤(2)所述的反应温度为5°C 25。。。
7.根据权利要求I所述的合成方法，其特征在于，步骤(2)中所述的双氧水的质量百分浓度为10%-40%双氧水。
8.根据权利要求I所述的合成方法，其特征在于，所述步骤(I)中肼基甲酸乙酯是通过以下方法合成的以过量的碳酸二乙酯及水合肼原料，加热回流反应I 5h，得粗肼基甲酸乙酯，经丙酮重结晶得到肼基甲酸乙酯。
9.氢化偶氮二甲酸二乙酯。
10.权利要求9所述的氢化偶氮二甲酸二乙酯的合成方法，其特征在于，方法是在乙醇钠的作用下，碳酸二乙酯与肼基甲酸乙酯加热反应I 6h，将溶液调节pH=3 8，析出白色晶体，用重结晶得到氢化偶氮二甲酸二乙酯。
全文摘要
本发明公开了一种偶氮二甲酸二乙酯的合成方法，包括下列步骤(1)在乙醇钠的作用下，碳酸二乙酯与肼基甲酸乙酯加热反应1～6h，将溶液调节pH=3～8，析出白色晶体，用重结晶得到氢化偶氮二甲酸二乙酯；(2)在-15℃～45℃下，加入氢化偶氮二甲酸二乙酯，在酸性溶液中，以溴或氢溴酸或溴化钠、溴化钾作催化剂，滴加过量双氧水，反应1～10h，萃取，蒸馏除去有机溶剂，得到橘黄色偶氮二甲酸二乙酯。本发明还提供一种中间体氢化偶氮二甲酸二乙酯和它的合成方法。本发明选用碳酸二乙酯为原料，清洁环保，无污染；原料可以循环利用，经济性更好；操作简单，反应温度范围广，反应稳定；能耗低，产率高，利于工业化生产。
文档编号C07C245/04GK102898328SQ20121041772
公开日2013年1月30日 申请日期2012年10月26日 优先权日2012年10月26日
发明者张志德, 吕硕, 陈玉琴, 张兴红 申请人:山东师范大学