2,5-双(苯胺基)对苯二甲酸闭环反应合成喹吖啶酮

马歆，王高飞，张莹，程利平，王莉贤

（上海应用技术大学化学与环境工程学院，上海201499）

喹吖啶酮是由喹啉和吖啶稠合排列的羰基化合物[1]。因其连续存在的分子间氢键和分子轨道重叠产生的π-π*相互作用，促使吸收带向长波方向移动，使其具有色彩从橙色到紫色可调的特点，因此被广泛应用在颜料行业[2-4]。同时喹吖啶酮的5个芳香环共轭形成大π键，共轭体系大，电子活动范围广，又具有平面刚性结构，故喹吖啶酮及其衍生物也被应用在有机场致晶体管、有机太阳能电池等光电功能材料领域[5-10]。近年来，随着其应用越来越广泛，对喹吖啶酮的需求不断增加，市场前景良好。但喹吖啶酮合成过程繁琐，其关键步骤是闭环反应，目前喹吖啶酮闭环反应的合成方法主要有热闭环法、多聚磷酸法及对苯二胺法[11-13]。热闭环法即无催化剂条件下将2,5-双(苯胺基)对苯二甲酸（DATA）放到高沸点的惰性溶剂（硫酸酯、联苯醚或联苯醚与联苯的混合物等）中，氮气保护并于高温（250～280℃）下进行反应，如式(1)，高沸点溶剂昂贵，投量比例大且不能回收利用，工厂生产成本投入高。多聚磷酸促进闭环反应，中间产物在83%～85%（折合P2O5含量）多聚磷酸中完成闭环氧化反应，如式(2)。该方法耗能高，后处理步骤繁琐，该酸具有腐蚀性，危险系数大且易造成环境污染严重。

对苯二胺法进行闭环反应如式 ，将中间产物用浓硫酸进行闭环得到八氢喹吖啶酮，再通过热解脱氢合成喹吖啶酮。同其他闭环方法相比，浓硫酸虽价格低廉，但其氧化性高，腐蚀性强，反应中容易生成喹吖啶酮磺化物，且具有三废排放量大等诸多局限性。

也有采用AlCl3、SiCl4、氢氟酸和微波等方法[2]来完成闭环反应，但因其产率低、副产物较多及反应条件苛刻而未能实现工业化生产。

本文以DATA为原料，利用反应条件（酸的种类、投料比、反应温度和反应时间）进行四水平四因素正交实验，以产物产率为实验指标，优选喹吖啶酮合成的最佳合成条件。

1 实验材料和方法

1.1 实验试剂与仪器

试剂：2,5-二甲氧酰基-1,4-环己二酮、苯胺均为分析纯，上海阿拉丁生化科技股份有限公司；三氯化铝、苯磺酸、对甲苯磺酸、十二烷基苯磺酸均为分析纯，上海盛众精细化工厂有限公司；乙酸，分析纯，上海申博化工有限公司；乙醇、氢氧化钾均为分析纯，天津市恒兴化学试剂制造有限公司；双氧水（30%），分析纯，天津市北辰方正试剂厂。

仪器：增力电动搅拌机，JB50-D 型，上海标本模型厂；电热恒温鼓风干燥箱，DHG-9070A型，上海申贤恒温设备厂；核磁共振仪，AVANCE Ⅲ500Hz型，瑞士布鲁克巴厄斯宾有限公司；傅里叶红外光谱仪（FTIR），Nicolet 6700型，美国尼高力公司；紫外-可见分光光度计，UV-360 型，日本岛津公司；同步热分析仪，STA 449/DSC 200 型，德国耐驰公司；X 射线衍射仪（XRD），D/max 2200PC 型，日本理学电机株式会社；扫描电子显微电镜（SEM），S-3400N 型，日立高新那珂事业所。

1.2 喹吖啶酮的合成

喹吖啶酮合成反应步骤如式(4)所示，依次经过缩合[14]、氧化水解[15]、闭环反应。

具体过程如下。

（1）缩合反应 称取13.75g丁二酸丁二酰二甲酯、12.5g苯胺、30g乙酸、4g乙醇加入到500mL三口圆底烧瓶中，通N2，80℃下反应40min，反应完毕，关闭氮气，过滤，滤饼用适量水洗涤，至滤液pH≈7为止，烘干滤饼，得2,5-双(苯胺基)对苯二羧酸甲酯21.1g，收率94%。1H NMR (500MHz,CDCl3) δ: 10.62 (s, 2H), 7.36 (t, J=7.5Hz, 4H),7.18 (t,J=7.3Hz, 2H), 7.11 (d,J=7.7Hz, 4H), 3.65 (s,6H), 3.39 (s, 4H) ；IR (KBr)：3242.88cm-1(N—H)，1655.17cm-1(C==O)， 1606.51cm-1、 1593.80cm-1、1494.60cm-1(Ar)， 1454.07cm-1(N—H)， 1239.46cm-1(C—N)，1192.75cm-1(C—O)。UV-vis λmax为17nm。

（2）氧化水解反应 称取20g 2,5-双(苯胺基)对苯二羧酸甲酯、5mL 乙醇、25mL 10%KOH 溶液加入到250mL三口圆底烧瓶中，开启搅拌并升温至回流，待搅拌均匀后，开始缓慢滴加20g 30%双氧水，滴加完毕，继续反应，直至反应液变为黄褐色溶液，将反应液降温至40～45℃，于搅拌下缓慢滴加15%的盐酸，直至反应液的pH 为3.0～3.5，再搅拌20min，反应结束。过滤，适量水洗涤。得到DATA 15.2g，收率76%。1H NMR (500MHz, DMSO-d6)

δ:13.42 (s, 2H), 8.86 (s, 2H), 7.87 (s, 2H), 7.32 (t, J=7.7Hz, 4H), 7.16 (d,J=7.7Hz, 4H), 6.97 (t, J=7.3Hz,2H)； IR (KBr)： 3368.72cm-1(N—H)， 1666.58cm-1(C==O)，1599.07cm-1、1587.13cm-1、1530.20cm-1(Ar)，1462.98cm-1(N—H)，1247.72cm-1(C—N)，1212.62cm-1(C—O)。UV-vis λmax为330nm。

（3）闭环反应 称取7g 2,5-双(苯胺基)对苯二甲酸和30g十二烷基苯磺酸于100mL三口圆底烧瓶中，130℃下搅拌7h。反应完毕后，用1.2L 水进行洗涤，过滤，洗至滤液pH≈7。将滤饼与100g 10%NaOH 溶液于250mL 三口圆底烧瓶中，80℃下搅拌15min，过滤，用适量水洗涤至滤液pH≈7。随后，将滤饼与30mL 乙醇于100mL 三口圆底烧瓶中，回流搅拌20min，过滤，得到喹吖啶酮5.8g，收率92%。1H NMR(500 MHz,DMSO-d6)δ:11.86(s,2H, N—H), 8.48 (s, 2H, Ar—H), 8.24 (d, J=8.5Hz,2H, Ar—H), 7.77-7.74 (m, 2H, Ar—H), 7.52 (d, J=8.6Hz, 2H, Ar—H), 7.25-7.21 (m, 2H, Ar—H)。UVvis λmax为519nm。

（4）溶剂处理[16]量取10mL 浓硫酸于50mL 的烧瓶中，外部用冰水浴降到5℃时加入1.0g 喹吖啶酮，之后加入氯苯3mL，快速搅拌1h，温度不超过10℃。后倒入100mL 冰水中，快速剧烈搅拌0.5h，之后转入250mL烧瓶中，加热回流1h，降温到室温过滤，用热水洗涤至滤液pH≈7，滤饼烘干得到样品0.62g。用于XRD检测。

2 实验结果与讨论

2.1 喹吖啶酮合成条件优化

2.1.1 正交实验表及分析

按照1.2节的实验步骤，在探索实验的基础上，设计正交实验考察了酸的种类、投料比、反应温度和反应时间对喹吖啶酮制备的影响，见表1、表2。

表1 合成喹吖啶酮的因素水平表

研究表明，不同的促进体系对反应的促进效果表现出巨大差异，以十二烷基苯磺酸促进该反应产率最高，氯铝酸离子液体的促进效果最差。造成这种现象的原因其一，在氯铝酸离子液体促进的反应中，当芳香族化合物含孤对电子的给电子基团时[21-23]，AlCl3更易与其络合，但DATA 中没有强供电子基，AlCl3-NaCl 不易与其络合，促进效果差；其二，反应中会生成水，AlCl3会水解掉，无法继续促进反应；其三，苯磺酸类作为一类较强的有机酸，易提供氢离子，促进反应进行。DBSA 促进效果明显强于其他苯磺酸类，是由于存在长烷基链，易与有机底物形成乳液液滴，液滴内部组装疏水有机反应物，有助于除去反应中脱水产生的水分子[18-21]。由实验现象可知，反应温度较低时，反应过程中产生的水没有排出反应体系，阻碍反应进行。升高温度在130℃时，反应生成的水受高温被迅速蒸馏出体系，促进反应正向进行。同时，反应产率随反应时间的增长而增加，反应时间为7h 时较好，再延长反应时间，对产率无明显影响。

表2 合成喹吖啶酮正交实验表L16(44)

由极差R可知，在所选数据范围内，对产物收率影响因素最大的为酸的种类，其次是反应温度和反应时间，最后是投料比。经正交分析，最佳反应条件：以十二烷基苯磺酸（DBSA）为促进剂，反应温度为130℃，投料比为m(DATA)∶m(DBSA)=1∶4.3，反应时间为7h。经实验验证，在该反应条件下合成喹吖啶酮的产率达92%。

2.2 表征

2.2.1 核磁、红外分析和紫外分析

2,5-双(苯胺基)对苯二羧酸甲酯、DATA 和喹吖啶酮的1H NMR谱图质子化学位移如图1所示。

图1 1H NMR谱图

2,5-双(苯胺基)对苯二羧酸甲酯、DATA 和喹吖啶酮的红外光谱图及紫外-可见吸收光谱图如下图2所示。

从图2(a)可以看出，喹吖啶酮的主要红外吸收特征峰： 3266.03cm-1 为N—H 伸缩振动峰，1626.91cm-1 强峰为喹吖啶酮C==O 伸缩振动峰，1603.25cm-1、1581.10cm-1、1556.77cm-1 为 苯 环 特征吸收峰，1472.36cm-1为N—H弯曲振动峰。从图2(b)可知，喹吖啶酮的最大吸收波长519nm，通过分析以上数据可确定合成了喹吖啶酮。以上数据与文献报道一致[24-26]。

2.2.2 表面形貌分析

图3是喹吖啶酮SEM图，从图中可以看出，喹吖啶酮由于分子间氢键和其他作用力出现明显团聚现象，其基本为不规则的小颗粒块状，粒径大小不一。

2.2.3 TG与DSC的热重分析

图4 为TG-DSC 图。由图4 可知，喹吖啶酮耐热性高，只有1 处明显的放热峰，且600℃左右迅速发生热分解而失重，与多聚磷酸方法制备的喹吖啶酮[27]分解温度570℃相比，热稳定性提高30℃。

2.2.4 XRD分析

图5 为产物的XRD 图。通过X 射线衍射分析，经过溶剂处理的喹吖啶酮在2θ 为5.5°、11.5°、15.7°、21.7°和27.0°左右均有衍射峰，这与文献报道的β-晶型衍射峰一致[1]。由此可知，DBSA 促进合成喹吖啶酮经过颜料化处理，可用作有机颜料。

3 结论

（1）通过正交实验得出合成喹吖啶酮的最佳反应条件，即以十二烷基苯磺酸（DBSA）为促进剂，投料比m(DATA)∶m(DBSA)=1∶4.3，反应温度130℃、反应时间7h。

图2 红外光谱图和紫外-可见吸收光谱图

图3 喹吖啶酮的SEM图

图4 喹吖啶酮的TG-DSC热重图

图5 喹吖啶酮的XRD图

（2）以十二烷基苯磺酸为促进剂，促进2,5-双(苯胺基)对苯二甲酸合成喹吖啶酮闭环效果好，可回收利用，环境污染小，产率高，生产成本低，不仅工业上适于推广使用，且是合成喹吖啶酮衍生物可采取的有效途径。

（3）经1H NMR、FTIR和UV-vis表征所得产物为喹吖啶酮；通过SEM和TG-DSC的热重分析，产物颗粒规则，热稳定性较高；经溶剂处理后，通过XRD检测确认为β-喹吖啶酮。