含二茂铁二醇及其制备方法与流程

本发明涉及一种二茂铁二醇及其制备方法，属于精细化学品技术领域。

背景技术：

二醇一般分为脂肪二醇、环二醇和苯基取代的脂肪二醇三大类，其中脂肪二醇类化合物的应用最为广泛。脂肪二醇一般无毒、无刺激性，沸点高、冰点低，普遍具有良好的水溶性，并与诸多有机物组分具有良好的相容性，常被用于高沸点溶剂和防冻剂等工业助剂，或者直接或间接的作为溶剂或乳化剂应用于化妆品和食品中。同时，部分脂肪二醇小分子具有手性结构等，常见于有机催化体系中。1997年，阿姆斯特丹大学kamer小组以2,4-戊二醇为手性源合成了苯环和萘环的c2对称的有机膦配体，用于催化苯乙烯氢化立体选择性反应(参见文献：buisman,g.j.h.；vanderveen,l.a.eta1.[j].organometallics,1997,16,2929-2939.)。有关于抗菌药物方面的应用也是数不胜数，比如：robertson发现15％的1,3-丁二醇可有效抑制金黄色葡萄球菌的生长；frankenfeld等报道了一系列碳原子数在7～9之间的线性的脂肪二醇化合物可以作为谷物和动物饲料等安全、有效的防腐剂。

脂肪二醇类化合物还可用于高分子聚合物的合成原料。一方面，它们是制备和改性聚酯树脂的重要成分之一。乙二醇和二元酸反应生成醇酸型树脂，用于粘合剂、表面涂层或改性合成橡胶等；经带亲阳离子基团的单体改性的乙二醇，可以用于制备易于阳离子染料染色的聚酯纤维；添加环己烷二甲醇的共聚酯具有良好的透明性和着色性，同时也是制备热收缩膜的理想材料。另一方面，在聚氨酯的合成工艺中，小分子二醇是不可缺少的成分之一，选用不同种类的小分子二醇，对于聚氨酯材料的柔韧性、耐低温性、热稳定性以及加工性能都具有重要的影响。比如，双(2-羟基乙基)对苯二甲酸酯(cas:959-26-2)扩链的聚氨酯弹性体，拉伸强度和耐热性有所提高，只是透明度降低，加工性能较差。

此外，也可以用于生物医用材料的制备与开发。例如，文献报道了将2,3-丁二醇和几种可再生的生物基单体合成了一系列环境友好型的线型可交联的生物弹性体(参见文献：胡潇然,耿漪婷,李炎,张立群.[c].2015年中国化工学会年会论文集,2015.)；通过将1,8-辛二醇和柠檬酸等化合物一步熔融缩聚，制备得到了可降解的生物弹性体，该弹性体的亲水性好、体外降解速度快，且表现出一定的温敏特征，是一种具有极好血液相容性的医用高分子材料(参见文献：王辛,吉亚丽.[j].东华大学学报(自然科学版),2016,42(5),641-646.)。

含二茂铁二醇衍生物，一方面由于二茂铁的存在，表现出优异的热稳定性、明显的紫外-可见光的吸收特征、一定的抗氧化性以及良好的电化学性能；另一方面，它们由于羟基的存在，不仅可以通过取代反应结合各种带官能团(羧基、酯基、异氰酸酯基、酰氯、酸酐)的分子，而且可以参与聚合反应，制备新型的含二茂铁的聚酯、聚氨酯等功能材料，因此在工业、医药、传感、航空等领域中备受关注。

对于含二茂铁的脂肪二醇衍生物，面临的两大难题就是，种类匮乏和制备工艺繁琐。1,1'-二羟基二茂铁(cas：109890-02-0)，由于α位羟基与二茂铁上cp环的共轭作用强烈，极其不稳定。目前已经商品化的1,1'-二甲醇二茂铁(cas：1291-48-1)，化学性质较为稳定，但并不适合于高分子材料的制备。massachusetts大学rausch等在此基础上制备了1,1'-二乙醇二茂铁(cas：1272-08-8)，以两个亚甲基连接cp环和功能基团，避免了由于羟基和cp环的共轭带来的不稳定性(参见文献：gonsalves,k.；lin,z.；rausch,m.d.[j].journaloftheamericanchemicalsociety,2002,106(13),3862-3863.)，并为含羟基的多碳二茂铁的合成奠定了基础，合成路线示意图参见附图1。尽管通过多次重复上述步骤，可以继续制备一系列多碳的含二茂铁二醇，但是很显然该方法操作繁琐，污染严重，并且随着引入的碳原子数目增加，双取代产率会急剧降低，仅适合实验室小量制备。为了缩减合成工艺，2009年，barry等采用一种新工艺催化制得中间体1,1'-双烯烃二茂铁，开环水解获得1,1'-二乙醇二茂铁(cas：1272-08-8)，虽然减少了操作步骤，但是其产率很低，仅有22％，且原料来源有限，制取条件更为苛刻(参见文献：barry,k.p.；nataro,c.[j].inorganicachimicaacta,2009,362(6),2068-2070.)，其合成路线示意图参见附图2。简便、高效的制备含二茂铁的多碳二醇一直是科研工作者探索的重要课题。最近，swarts等采用两种方法分别成功制备了含三个和四个碳连接的二茂铁二醇。方法一，采用friedel-crafts酰化二茂铁，pto2催化去羰基，得到含酯基的三羰基二茂铁，并进一步alcl3/lialh4还原，得到含二茂铁的四碳二醇(cas:171022-31-4)；方法二，典型的witting-horner反应合成一种二茂铁三羰酯，经还原得到含二茂铁的三碳二醇(cas:220007-38-5)(参见文献：claus,r.；lewtak,j.p.；muller,t.j.；swarts，j.c.[j].journaloforganometallicchemistry,2013,740,61-69.)，其合成路线示意图参见附图3。虽然上述方案操作工艺已经大幅度简化，且产率也较为乐观，但是这两条合成路线仍然存在原料来源不足或价格昂贵的问题，并且反应过程涉及重金属催化，污染严重。因此，开发简单易行，经济环保的合成路线显得尤为重要。

含双羟基的二茂铁具备参与聚合反应的能力。一方面，含双羟基官能团的二茂铁化合物，与异氰酸酯反应是制备主链含二茂铁聚氨酯的重要原料。例如20世纪80年代，rausch等人就采用1,1'-二羟乙基二茂铁作为聚氨酯的扩链剂，成功制备了硬段含二茂铁的聚氨酯(gonsalves,k.e.；rausch,m.d.[j].journalofpolymerscienceparta-polymerchemistry,1986,24(7),1599-1607.)，并发现该聚氨酯材料的耐热性有所提高，其合成路线示意图参见附图4。内蒙古大学的张伟等人，采用双核二茂铁基的二元仲醇，以无水氯代苯作为溶剂，与甲苯二异氰酸酯逐步聚合，得到新型主链含二茂铁的聚氨酯(张伟,温国华,吴春灵,王晓莉,杜青慧,目仁更.[j].内蒙古师范大学学报,2011,40(1),58-61.)，并研究了其薄膜和溶液的热稳定性和电化学性能，其合成路线示意图参见附图5。另一方面，可以通过溶液缩聚或界面缩聚，直接用于聚酯的制备，例如中国科学家林展如，将1,1'-双(β-羟乙基)二茂铁和对苯二甲酰氯进行界面缩聚，于1988年进一步合成了特性粘度[η]为0.16dl/g的二茂铁聚酯(参见文献：林展如.gonsalves,k.[j].高等学校化学学报,1988,9(7),755-757.)，其合成路线示意图参见附图6，开创国内二茂铁聚酯研究先河。

此外，含羟基的二茂铁单体，由于具有良好的可逆氧化还原性能，不仅在超支化聚合物中普遍作为封端基团，具有较强的电子转移速率，同时在树枝状聚合物中也有广泛运用。例如peerlings等以双羟基二茂铁为中心，逐次扩链，可以一种简易快捷的方式获得一系列电化学性能优异的树枝状金属聚合物(peerlings,h.w.i.；vanbenthem,r.a.t.m.；meijer,e.w.[j].journalofpolymerscience,2001,39(18),3112-3120.)，其合成路线示意图参见附图7。

虽然含二茂铁的脂肪二醇衍生物发展迅速，种类较多，但是多碳的、适用于参与聚合的二茂铁二醇衍生物却并不多，并且普遍存在化合物结构单一、热稳定性较差，制备工艺复杂、条件苛刻或缺乏原料、产率低、污染严重等问题。

综上所述，性能稳定、结构更为优异的新型含二茂铁二醇产品还尚待开发，进一步探索操作简易，可量化生产的合成技术也尤为迫切。

技术实现要素：

本发明针对现有可供聚合的含二茂铁二醇的制备技术存在的原料匮乏、工艺繁琐、污染严重、产率低等缺陷，提供一种原料安全易得、制备工艺简单、绿色环保，且具有优异的可聚合(缩聚和加聚)能力的新型结构含二茂铁二醇及其制备方法，所得的产物热稳定性优异。

为达到上述发明目的，本发明的技术方案是提供含二茂铁二醇，它的化学结构式为：

其中，-r-为中的一种；

-r′oh为中的一种。

本发明技术方案还包括制备如上所述的含二茂铁二醇的方法，步骤如下：

1、在惰性气体保护下，按摩尔比1.0：(2.0～10.0)，将双三羰酯二茂铁与脂肪二醇搅拌溶解，再加入催化剂；按质量比，双三羰酯二茂铁：催化剂为1.0:(0.5％～10.0％)；

所述的双三羰酯二茂铁为1,1'-双(1-甲氧羰基-1,1-二甲基-乙基)二茂铁或6,6'-双[1-(1-甲氧羰基-1-甲基-乙基)-1-甲基]双核二茂铁丙烷中的一种；结构式分别为：

所述的脂肪二醇为如下结构式中的一种：

所述的催化剂为锡类、钛类或有机碱性催化剂中的一种；

2、在温度为100～190℃的条件下回流反应3～5h，自然冷却至室温，得到一种含二茂铁二醇。

本发明所述的锡类催化剂包括二月硅酸二丁基锡、二丁基氧化锡、二氯二丁基锡、三丁基氯化锡、三丁基乙酸锡、三甲基氯化锡、氧化锡、氧化亚锡中的一种。所述的钛类催化剂包括钛酸四甲酯、钛酸四丁酯、钛酸四异丁酯、钛酸四异丙酯中的一种。所述的有机碱性催化剂包括1,8-二氮杂双环[5.4.0]十一碳-7-烯、1,5,7-三氮杂双环[4.4.0]十二碳-5-烯、1,4-二氮杂二环辛烷、n-杂环卡宾中的一种。

本发明制备含二茂铁二醇的一个优选方案是：步骤2的反应温度为110～170℃。

还可以对步骤2得到的含二茂铁二醇进行提纯处理，先加入二氯甲烷稀释，再经过滤，去离子水反复洗涤，干燥，得到橙黄色粘稠液体，即为含二茂铁二醇。

参见附图8。它是本发明技术方案制备含二茂铁二醇的合成路线示意图。

在本发明技术方案中，以两种双三羰酯基二茂铁为原料：1,1'-双(1-甲氧羰基-1,1-二甲基-乙基)二茂铁和6,6'-双[1-(1-甲氧羰基-1-甲基-乙基)-1-甲基]双核二茂铁丙烷，它们的制备可分别参见文献(guo,y.-f.；wang,j.-j.；xu,w.-j.；sun,d.-h.；gao,q.[j].internationalunionofcrystallography(sectione),2016.温国永.[d].内蒙古大学硕士学位论文,2004.)和中国发明专利(cn103665053a,一种双烯丙基三羰酯二茂铁单体及其制备方法)，它们的化学结构式分别为：

本发明以双三羰酯基二茂铁和脂肪二醇为主要原料，在无溶剂条件下，催化加热制得一种新型二茂铁二醇；对称的羟基赋予其较高的反应活性，既可以作为一种新型的有机合成中间体，也可以通过聚合反应制备含二茂铁的新型高分子材料，如聚酯树脂、聚氨酯树脂、醇酸树脂等。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1、本发明合成工艺简单，效率高；原料价格便宜，生产成本较低，经济效益好。

2、本发明反应过程无溶剂，后处理简单，可实现商业化大规模生产；采用有机碱催化剂，可回收利用，且对环境污染极小，绿色环保。

3、本发明提供的含二茂铁二醇结构新颖，具有制备产率高、热稳定性优异等特性。

4、本发明提供的化合物可作为有机合成中间体或聚合单体；可以通过缩聚制备主链含二茂铁的聚酯材料；也可以直接或间接用于制备主链含二茂铁的聚氨酯材料等，是一种重要的工业原料。

附图说明

图1～3分别为现有技术中制备含二茂铁二醇的合成路线示意图；

图4～7分别为现有技术中应用含二茂铁二醇制备高分子材料的合成路线示意图；

图8是本发明制备含二茂铁二醇的合成路线示意图；

图9和10分别是本发明实施例1制备的1,1'-双[2-(β-羟乙基)甲酸酯-2-甲基-丙基)]二茂铁在cdcl3中的¹h和¹³c核磁共振谱图；

图11和12分别是本发明实施例1制备的1,1'-双[2-(β-羟乙基)甲酸酯-2-甲基-丙基)]二茂铁在氮气氛围下的热重曲线和dtg曲线图；

图13和14分别是本发明实施例2制备的6,6'-双[1-甲基-2-(β-羟乙基)甲酸酯-2-甲基-丙基)]双核二茂铁丙烷在cdcl3中的¹h和¹³c核磁共振谱图；

图15和16分别是本发明实施例2制备的6,6'-双[1-甲基-2-(β-羟乙基)甲酸酯-2-甲基-丙基)]双核二茂铁丙烷在氮气氛围下的热重曲线和dtg曲线图。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

实施例1

1、原料1,1'-双(1-甲氧羰基-1,1-二甲基-乙基)二茂铁的制备

甲醚化反应：在250ml的干燥单口圆底烧瓶中，加入4.200g(17.1mmol)1,1'-双(羟甲基)二茂铁，再加入120.0ml混合溶剂(甲醇和冰醋酸体积比4:1)，搅拌溶解，升温至75℃搅拌回流反应12h，减压除去挥发性溶剂，重新用二氯甲烷溶解，经饱和nahco3和去离子水洗涤，真空干燥，得到1,1'-双(1-甲氧基-甲基)二茂铁4.612g，产率为98.4％(相对于原料1,1'-双(羟甲基)二茂铁)，其化学结构式为：

催化加成反应：在500ml的干燥schlenk瓶中，加入4.612g(16.8mmol)1,1'-双(1-甲氧基-甲基)二茂铁和20.8ml(100.8mmol)1-甲氧基-1-(三甲基硅氧烷)-2-甲基-1-丙烯，再加入240.0ml无水二氯甲烷搅拌溶解；在干燥氮气的保护下，冷却反应体系至-72～-78℃，滴加4.6ml三氟化硼乙醚保温15min，撤去低温浴搅拌至室温，先用饱和nahco3淬灭，分离得到底部有机层，除去挥发性溶剂并真空干燥，进一步以200目～300目硅胶为载体，石油醚/乙酸乙酯淋洗第一馏分，得到1,1'-双(1-甲氧羰基-1,1-二甲基-乙基)二茂铁6.554g，产率为94.2％(相对于原料1,1'-双(1-甲氧基-甲基)二茂铁计)，其化学结构为：

2、酯交换制备1,1'-双[2-(β-羟乙基)甲酸酯-2-甲基-丙基)]二茂铁

在250ml的两口圆底烧瓶中，加入6.554g(15.8mmol)1,1'-双(1-甲氧羰基-1,1-二甲基-乙基)二茂铁，再加入5.3ml(94.8mmol)乙二醇和0.03ml(0.16mmol)1,8-二氮杂双环[5.4.0]十一碳-7-烯，氮气流动下加热搅拌，升温至170℃反应3.0h后，自然冷却至室温，加入二氯甲烷稀释，过滤，去离子水洗涤三次，硫酸镁干燥，得到1,1'-双[2-(β-羟乙基)甲酸酯-2-甲基-丙基)]二茂铁7.450g，产率为99.4％(相对于原料1,1'-双(1-甲氧羰基-1,1-二甲基-乙基)二茂铁计)，其化学结构为：

参见附图9和图10，它们分别是本实施例制备的化合物1,1'-双[2-(β-羟乙基)甲酸酯-2-甲基-丙基)]二茂铁的¹h核磁共振图谱(400mhz，cdcl3，ppm)和¹³c核磁共振图谱(600mhz，cdcl3，ppm)。图9中，化学位移δ＝4.07(α)，对应于-ch2-oh；δ＝4.00(β)，对应于-ch2-oh；δ＝3.88～3.84(γ+δ)，对应于c5h5fec5h4-；δ＝3.61(ε)，对应于-ch2-ch2-oh；δ＝2.48～2.47(ζ)，对应于c5h5fec5h4-ch2-；δ＝1.00～0.93(η)，对应于-c(ch3)2-。图10中，化学位移δ＝177.78(α)，对应于-c(＝o)-o-；δ＝83.61(β)和δ＝70.36～68.22(γ+δ)，对应于c5h5fec5h4-；δ＝65.74～60.46(ε+ζ)，对应于-ch2-ch2-oh；δ＝43.64(η)，对应于c5h5fec5h4-ch2-；δ＝40.87(θ)，对应于-c(ch3)2-；δ＝24.64(ι)，对应于-c(ch3)2-。由此可见，通过本发明技术方案的实施，成功制得1,1'-双[2-(β-羟乙基)甲酸酯-2-甲基-丙基)]二茂铁。

参见附图11和图12，进一步对1,1'-双[2-(β-羟乙基)甲酸酯-2-甲基-丙基)]二茂铁单体进行氮气氛围下的热重分析，测试表明单体起始分解温度(t5％)为255℃，约265℃分解速度最快，说明该单体具有较好的热稳定性。

实施例2

1、原料6,6'-双[1-(1-甲氧羰基-1-甲基-乙基)-1-甲基]双核二茂铁丙烷的制备

乙酰化反应：惰性气体保护下，将6.594g(16.0mmol)双核二茂铁丙烷和40ml无水二氯甲烷溶解于250ml的两口圆底烧瓶中，加热至38～40℃，轻微回流；向反应体系中，缓慢滴加乙酸酐4.5ml(48.0mmol)、三氟化硼乙醚6.7ml(52.8mmol)和20ml无水二氯甲烷的混合溶液，5～6h滴加完毕；继续加热回流30min，自然冷却至室温，直接用15％的乙酸钾水溶液进行水解，萃取有机相，经饱和nahco3和去离子水反复洗涤，真空干燥，得到暗红色粘稠液体2,2-(6,6'-二乙酰基)双核二茂铁丙烷7.495g，其结构式为：

还原反应：惰性气体保护下，将7.495g(15.1mmol)2,2-(6,6'-二乙酰基)双核二茂铁丙烷和60ml无水乙醚均匀混合，缓慢滴加至装有1.616g(42.6mmol)lialh4和20ml无水乙醚混合溶液的250ml圆底烧瓶中，室温反应5h，反应结束；冰水浴冷却下，滴加水分解残余的lialh4，过滤，分出乙醚溶液，用乙醚萃取水溶液至无色，合并有机相，除去挥发性溶剂并真空干燥，得到6,6'-双(1-羟基-乙基)双核二茂铁丙烷6.959g，其结构式为：

甲醚化反应：在250ml的干燥单口圆底烧瓶中，加入6.959g(13.9mmol)6,6'-双(1-羟基-乙基)双核二茂铁丙烷，随后加入150.0ml混合溶剂(甲醇和冰醋酸体积比4:1)，搅拌溶解，升温至75℃搅拌回流反应12h，减压除去挥发性溶剂，重新用二氯甲烷溶解，经饱和nahco3和去离子水反复洗涤，真空干燥，得到6,6'-双(1-甲氧基-乙基)双核二茂铁丙烷7.069g，产率为96.3％(相对于原料6,6'-双(1-羟基-乙基)双核二茂铁丙烷计)，化学结构式为：

催化加成反应：在250ml的干燥schlenk瓶中，加入7.069g(13.4mmol)6,6'-双(1-甲氧基-乙基)双核二茂铁丙烷和11.1ml(53.6mmol)1-甲氧基-1-(三甲基硅氧烷)-2-甲基-1-丙烯，再加入200.0ml无水二氯甲烷搅拌溶解；在干燥氮气的保护下，冷却反应体系至-72～-78℃，滴加3.7ml三氟化硼乙醚保温15min，撤去低温浴搅拌至室温，先用饱和nahco3淬灭，分离得到底部有机层，除去挥发性溶剂并真空干燥，进一步以200目～300目硅胶为载体，石油醚/乙酸乙酯淋洗第一馏分，得到6,6'-双[1-(1-甲氧羰基-1-甲基-乙基)-1-甲基]双核二茂铁丙烷8.551g，产率为95.5％(相对于原料6,6'-双(1-甲氧基-乙基)双核二茂铁丙烷计)，其化学结构为：

2、酯交换制备6,6'-双[1-甲基-2-(β-羟乙基)甲酸酯-2-甲基-丙基)]双核二茂铁丙烷

在250ml的两口圆底烧瓶中，加入8.551g(12.8mmol)6,6'-双[1-(1-甲氧羰基-1-甲基-乙基)-1-甲基]双核二茂铁丙烷，随后加入7.12ml(128.0mmol)乙二醇和0.167g(1.2mmol)1,5,7-三氮杂双环[4.4.0]十二碳-5-烯，氮气流动下加热搅拌，升温至120℃搅拌回流反应4.5h后，自然冷却至室温，加入二氯甲烷稀释，过滤，去离子水洗涤三次，硫酸镁干燥，得到6,6'-双[1-甲基-2-(β-羟乙基)甲酸酯-2-甲基-丙基)]双核二茂铁丙烷9.307g，产率为99.8％(相对于原料6,6'-双[1-(1-甲氧羰基-1-甲基-乙基)-1-甲基]双核二茂铁丙烷计)，其化学结构为：

参见附图13和14，它们分别是本实施例制备的化合物6,6'-双[1-甲基-2-(β-羟乙基)甲酸酯-2-甲基-丙基)]双核二茂铁丙烷的¹h核磁共振图谱(400mhz，cdcl3，ppm)和¹³c核磁共振图谱(600mhz，cdcl3，ppm)。图13中，化学位移δ＝4.15(α)，对应于-ch2-oh；δ＝4.06(β)，对应于-ch2-oh；δ＝3.98～3.78(γ+δ+ε+ζ)，对应于-c5h4fec5h4-；δ＝3.65(η)，对应于-ch2-ch2-oh；δ＝2.86(θ)，对应于-c5h4fec5h4-ch(ch3)-；δ＝1.59～1.53(ι)，对应于-c5h4fec5h4-c(ch3)2-c5h4fec5h4-；δ＝1.23(κ)，对应于-c5h4fec5h4-ch(ch3)-c(ch3)2-；δ＝0.96(λ)，对应于-c5h4fec5h4-ch(ch3)-。图14中，化学位移δ＝178.55(α)，对应于-c(＝o)-o-；δ＝90.29(β)、δ＝89.22(γ)和δ＝70.03～67.74(δ+ε+ζ+η)，对应于-c5h4fec5h4-；δ＝66.09～61.28(θ+ι)，对应于-ch2-ch2-oh；δ＝46.80(κ)，对应于-c5h4fec5h4-ch(ch3)-；δ＝40.45(λ)，对应于-c5h4fec5h4-ch(ch3)-c(ch3)2-；δ＝33.40～30.18(μ+ν)，对应于-c5h4fec5h4-c(ch3)2-c5h4fec5h4-；δ＝22.93～21.00(ξ)，对应于-c5h4fec5h4-ch(ch3)-c(ch3)2-；δ＝22.93～21.00(o)，对应于-c5h4fec5h4-ch(ch3)-。由此可见，通过本发明技术方案的实施，成功制得6,6'-双[1-甲基-2-(β-羟乙基)甲酸酯-2-甲基-丙基)]双核二茂铁丙烷。

参见附图15和16，进一步对6,6'-双[1-甲基-2-(β-羟乙基)甲酸酯-2-甲基-丙基)]双核二茂铁丙烷单体进行氮气氛围下的热重分析，测试表明单体起始失重阶段约300℃分解速度最快，说明该单体具有更为优异的热稳定性。