1_2_二甲基咪唑啉的合成及表征[1]

Synthesis and Charaterization of 1,2-Dimethylimidazoline
Xu, Wenqinga Nie, Wanli*,a Borzov Maxim V.a,b Ma, Bingfenga
(a Department of Chemistry, Northwest University, Xi’an 710069) (b Department of Chemistry, Moscow State University, Moscow 119992)
Scheme 1
1 结果与讨论
1.1 合成条件 在 N-甲基-N,N′-二乙酰基乙二胺(3)的合成中, 冰乙
酸的用量和反应时间是决定产率的主要因素. 冰乙酸与 N-甲基乙二胺的物质的量之比为 2∶1 时, 产物的产率 只有 44%. 反应时间越长, 产率也越高. 另外, 在反应 过程中应不断地除去体系中产生的水, 而其蒸馏时体系 温度不能太高, 以免未反应完的冰乙酸被同时蒸出, 影 响产率. 通过多次实验, 我们认为当冰乙酸与 N-甲基乙 二胺的物质的量之比为 3∶1, 反应时间为 3 h 时为最佳 反应条件. 表 1 为反应时间和冰乙酸的用量对反应的产 率影响.
产率/% 44 60 63 65 68
盐. 咪唑啉环的合成中, 最值得注意的一个问题就是咪 唑啉环的水解[13]; 咪唑啉在碱性条件下是不稳定的, 非 常容易发生水解开环, 生成仲酰胺和叔酰胺的混合物. 咪唑啉的水解反应是碱催化而酸抑制的, 在酸性水溶液 中, 咪唑啉环是稳定的. 水解过程中, 首先是氢氧负离 子进攻咪唑啉环的 2 位碳原子, 接着水解开环(水解机 理见 Scheme 2). 通常情况下, 只要有水存在, 总会发生 一定程度的水解, 这也是在有咪唑啉参加的反应要在惰 气保护下进行的原因.
Abstract Here a convenient and comparatively cheap route to DMI was provided, which includes that (a) N-methyl ethylenediamine (2) was prepared from aqueous methylamine solution and 1-amino-2-bromoethane hydrobromide (1) (molar ratio 5∶1) under gentle reflux during 12 h, (b) N-methyl-N,N′-diacetylethylenediamine (3) was obtained via direct acetulation of 2 with acetic acid, and (c) the target molecule 1,2-dimethylimidazoline (4) was prepared by CaO catalyzed cyclization of 3 at elevated temperature. All compounds were characterized by elemental analysis, 1H NMR, IR and GC-MS techniques. Keywords N-methyl-N,N′-diacetylethylenediamine; cyclization; 1,2-dimethylimidazoline; hydrolysis
2009 年第 29 卷 第 5 期, 802～805
·研究简报·
有机化学
Chinese Journal of Organic Chemistry
Vol. 29, 2009 No. 5, 802～805
1,2-二甲基咪唑啉的合成及表征
徐文清 a
聂万丽*,a Borzov Maxiቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ V.a,b
(a 西北大学化学系 西安 710069) (b 国立莫斯科大学化学系 莫斯科 119992)
体而正在受到广泛的研究[4]. 正是由于 2-咪唑啉在化学 和生物化学研究领域所具有的重要性, 因此有关 2-咪唑 啉的合成方法的研究也一直是有机化学家所关注的内 容之一. 传统的合成方法有通过 1,2-二胺关环来实现的, 但这种方法的局限性较大[5]. 另外还有很多的合成方法 的报道[6], 近年来文献所报道的多组分合成法(MCRs)被 认为是一种很有效的制备 2-咪唑啉的合成路线[7]. 但是, 由于咪唑啉环的非芳香性, 使得咪唑啉环极易水解, 尤 其在碱性条件下更加严重[8]. 因此, 咪唑啉的合成条件 较为苛刻, 需要无水无氧等特殊操作要求[9], 尤其是 1,2-二取代类咪唑啉的合成更为困难. 到目前为止, 还
N-甲基-N,N′-二乙酰基乙二胺的 IR 谱图显示, 由于 氮原子上未共用电子对与羰基的 p-π共轭, 1628 和 1711 cm－1 处为酰胺羰基的的强收峰(即酰胺 I 带), 2930 cm－1 处为 NH 的伸缩振动吸收峰; 1407 和 1298 cm－1 处为 C—N 伸缩振动和 NH 弯曲振动的偶合形成的. N-甲基N,N′-二乙酰基乙二胺的 1H NMR 图谱显示, 化学位移 δ 12.35 处的二重峰为产物中氮原子上的氢和产物中混有 少量的冰乙酸的活泼氢产生的; 氮上的甲基由于受氮原 子和乙酰基的双重吸电子诱导效应, 化学位移为 δ 2.98; 乙酰基的甲基出峰的化学位移为 δ 1.93, 单峰; 化学位 移 δ 3.78 和 3.81 处出现两组三重峰, 为产物中 CH2CH2 裂分形成的, 两裂分峰相互靠近, 峰形不规整.
表 1 反应时间和冰乙酸的用量对反应的影响 Table 1 Effect of reaction time and the amount of acitic acid on the reaction
n(冰乙酸)∶n(N-甲基乙二胺) 2∶1 3∶1 4∶1 3∶1 3∶1
反应时间/h 2 2 2 3 4
1,2-二甲基咪唑啉的 IR 图谱显示, 1616 cm－1 处的吸 收峰是 C＝N 伸缩振动吸收, 是咪唑啉环的特征吸收峰,
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有机化学
Vol. 29, 2009
1409 和 1307 cm－1 为 C—N 的伸缩振动吸收; 1H NMR 图 谱分析, 由于咪唑啉环的形成, CH2CH2 的化学位移向低 场移动(与二酰胺相比)至 δ 3.25 和 3.82, 为两个三重峰, 偶合常数 3J＝9.77 Hz.
* E-mail: niew1126@126.com Received July 2, 2008; revised October 23, 2008; accepted December 29, 2008. 国家自然科学基金(No. 2070241)和陕西省外国专家局引进国外技术管理人才(No. 20076100068)资助项目.
2 实验部分
2.1 仪器和试剂
日 本 岛 津 IR-440 型 红 外 光 谱 仪 , KBr 压 片 ; INOVA-400 型核磁共振仪(TMS 为内标, CDCl3 作溶剂); GC agilent 6890 MS Hp 5973 型气相色谱质谱联用仪; PE-2400 元素分析仪(美国 PE 公司);
2-咪唑啉的重要性不仅体现在它们所具有的多样 生物活性[1], 更重要的是由于 2-咪唑啉的杂环特征具有 较强的碱性, 使它形成的配合物具有多个反应中心, 通 过改变 2-咪唑啉 N(1)上的取代基来调节其碱性、亲核性 和给电子能力. 作为有机合成的中间体 2-咪唑啉的杂环 结构, 在催化和药物合成化学中被广泛用于制备相应的 配体[2]; 在不对称合成中也被用于手性配体的合成[3]; 在配位化学和金属有机化学催化中, 2-咪唑啉含有两个 氮原子的杂环结构, 可作为温和的电子给体, 在过渡金 属(包括 IVB 族过渡金属)有机化学中, 是常用的配体之 一, 如 2-咪唑啉被用作合成 N-杂环卡宾(NHC)配体的前
马兵锋 a
摘要 对 1,2-二甲基咪唑啉的合成进行了详细研究. 以甲胺水溶液和 2-溴乙胺氢溴酸盐(1)为原料进行反应, 在两种原 料物质的量之比为 5∶1, 缓缓回流 12 h 的条件下, 得到 N-甲基乙二胺(2), N-甲基乙二胺经过乙酸化得到 N-甲基-N,N′二乙酰基乙二胺(3), 然后, N-甲基-N,N′-二乙酰基乙二胺和氧化钙在高温下关环得到 1,2-二甲基咪唑啉(4). 并对所得到 的产物 1,2-二甲基咪唑啉经元素分析, 1H NMR, IR 和 GC-MS 得到了表征. 关键词 N-甲基-N,N′-二乙酰基乙二胺; 成环反应; 1,2-二甲基咪唑啉; 水解
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徐文清等：1,2-二甲基咪唑啉的合成及表征
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没有有效地合成 1,2-二甲基咪唑啉的报道. 由于我们研究工作的需要, 我们对 1,2-二甲基咪唑
啉的合成文献进行了跟踪. 早在 1894 年, Ladenburg[10] 曾 报 道 过 1,2- 二 甲 基 咪 唑 啉 的 合 成 , 但 产 率 较 低 . Ladenburg 认为 1,2-二甲基咪唑啉室温下应是固体; 但 是, 1964 年 John 等[11]对 1,2-二甲基咪唑啉的合成进行了 研究, 对 Ladenburg 的合成方法及产物的性态提出了质 疑, 认为 2-甲基咪唑啉和碘甲烷在苯为溶剂的条件下, 不能得到 1,2-二甲基咪唑啉, 得到的产物只是 1,2-二甲 基咪唑啉碘化物的季胺盐, 产率为 34%, 并且还认为 1,2-二甲基咪唑啉室温下应该为液体. 1969 年 McFarland 等[12]对 1,2-二甲基咪唑啉合成的研究证实了 John 的质 疑, 认为产物 1,2-二甲基咪唑啉还会和体系中存在的甲 基化试剂碘甲烷继续反应, 生成其季胺盐. 到目前为止, 我们还没有发现其它有关 1,2-二甲基咪唑啉合成的报 道. 经过不断摸索和尝试, 我们发现采用 N-甲基-N,N′χ二乙酰乙二胺为原料在氧化钙的作用下, 可直接关环得 到 1,2-二取代咪唑啉. 该方法的独特之处是原料易得、 实验条件温和、反应时间短、产率高, 本文将在此对该 化合物的合成过程进行详细的介绍和讨论, 其合成路线 见 Scheme 1.
在 1,2-二甲基咪唑啉(4)的合成中, 关环是反应成功 的关键, 我们采用氧化钙作为脱酸剂, 生成醋酸钙沉淀, 使得反应向产物方向进行, 防止生成副产物咪唑啉醋酸
Scheme 2
1.2 波谱分析
我们对所得到的化合物 N-甲基- N,N′-二乙酰基乙 二胺和产物 1,2-二甲基咪唑啉分别做了元素分析、核磁 和 IR 分析, 证明了化合物结构.
甲胺水溶液、2-溴乙胺氢溴酸盐、冰醋酸和氧化钙 均为分析纯试剂
2.2 合成 2.2.1 N-甲基乙二胺(2)的合成
N-甲基乙二胺的制备参照文献[14]的方法, 得无色 液体, 产率 78.0%. 2.2.2 N-甲基-N,N′-二乙酰基乙二胺(3)的合成
在装有温度计、球形冷凝管和恒压滴液漏斗的 250 mL 三颈圆底烧瓶中加入 99 mL (1.72 mol)的冰醋酸, 缓 慢滴加 58 g (0.78 mol) N-甲基乙二胺, 反应液变为浅褐 色. 滴加完毕, 改为蒸馏装置, 蒸除反应生成的水和过 量的冰醋酸. 然后, 减压蒸馏得 66.86 g 无色粘稠液体 3, 产率 54%, b.p. 184～86 ℃/1.87 kPa; 1H NMR (CDCl3, 400 MHz) δ: 2.01 (s, 6H, COCH3), 3.06 (s, 3H, NCH3), 3.84 (t, J＝4.27 Hz, 2H, CH2), 3.89 (t, J＝4.27 Hz, 2H, CH2), 12.43 (s, 1H, NH); IR (KBr) v: 3405 (w, NH), 2930 (w, CH3), 1711 (s, C＝O), 1628 (s, C＝O), 1298, 1047 cm－1. Anal. calcd for C7H14N2O2: C 53.15, H 8.92, N 17.71; found C 53.06, H 8.98, N 17.80. 2.2.3 1,2-二甲基咪唑啉(4)的合成