DABCO催化碳酸二甲酯对邻苯二甲酰亚胺N-甲基化反应研究——介绍一个本科生绿色有机化学实验

究——介绍一个本科生绿色有机化学实验

赵圣印;程少华;邵志宇

【摘 要】介绍了一个在DABCO催化条件下使用环境友好的甲基化试剂碳酸二甲酯对邻苯二甲酰亚胺进行N-甲基化制备N-甲基邻苯二甲酰亚胺,产物收率81％.可将此项目应用在本科生有机化学实验教学中,有助于提高学生参与科研的兴趣和水平.

【期刊名称】《广州化工》 【年(卷),期】2013(041)017 【总页数】3页(P228-229,244)

【关键词】邻苯二甲酰亚胺;DABCO;碳酸二甲酯;甲基化;实验教改 【作 者】赵圣印;程少华;邵志宇

【作者单位】东华大学化学化工与生物工程学院基础化学实验教学中心,上海201620;东华大学化学化工与生物工程学院基础化学实验教学中心,上海201620;东华大学化学化工与生物工程学院基础化学实验教学中心,上海201620 【正文语种】中 文 【中图分类】G2

有机化学是一门实验性学科，本科生创新能力的培养是当今高等教育所面临的一项

重要任务［1－3］。为了在本科阶段加强对学生科研能力的培养，我们结合自身的科研工作和有机化学学科发展的动向，选取了DABCO催化碳酸二甲酯对邻苯二甲酰亚胺N－甲基化反应为实例，以期让学生了解有机化合物催化的新型有机合成反应。在进行实验之前，让学生完成对文献的查阅，从理论上对相关反应进行深入细致的研究。实验中采用TLC法跟踪实验的反应进程，最终产物采用重结晶方法提纯，并通过实验探讨催化剂用量和反应温度等对反应速度和收率的影响，让学生能够有效的提高有机化学实验动手能力;使学生更多地接触和了解有机合成的新方法，进一步激发学生对有机化学知识的兴趣、探索精神和创新能力，培养学生的绿色环保意识。 1 实验目的

(1)练习查阅和跟踪文献。

(2)了解有机分子催化的碳酸二甲酯为甲基化试剂对含氮杂环的N－甲基化反应研究进展。

(3)学习用薄层层析法监测反应进程。

(4)学会利用IR和1H NMR分析进行产物结构表征。 (5)学会实验小论文的撰写。 2 实验原理

N－或O－甲基化反应在有机合成上具有重要的意义，对邻苯二甲酰亚胺等具有酰亚胺结构的化合物进行N－甲基化所获得的N－甲基邻苯二甲酰亚胺衍生物是一类重要的化工中间体，如N－甲基邻苯二甲酰亚胺可用于合成药物、农药和化学发光免疫分析试剂等重要中间体［4－5］。目前，甲基化的合成方法通常是以碘甲烷和硫酸二甲酯为甲基化试剂，碘甲烷沸点较低，价格较贵，硫酸二甲酯尽管沸点相对较高，价格低廉，但碘甲烷和硫酸二甲酯毒性均较大，在反应后经后处理所产生的废液对环境也引起严重的污染。因此，研究开发毒性低和环境污染小的绿色

合成工艺具有重要意义。

碳酸二甲酯(DMC)作为一种绿色化学试剂在有机合成中得到了广泛应用，其毒性与无水乙醇相当，1992年通过了欧洲非毒性化学品的注册登记。目前已用于对酚羟基、氨基和杂环上N－原子甲基化［6］。近年来发展了催化剂催化下的甲基化反应，催化剂的使用可以降低反应温度、缩短反应时间和提高收率，催化 剂 包 括 鎓 盐［7］、1，4 － 二 氮 杂 双 环［2.2.2］辛 烷(DABCO)［8］、1，8 － 二氮杂双环［5.4.0］十一碳 －7 － 烯(DBU)［9］和四甲基乙二胺(TMEDA)［10］等，上述催化剂已用于吲哚等杂环化合的甲基化反应。由于DABCO为固体，产物N－甲基邻苯二甲酰亚胺也为固体，便于称量。因此，我们选取了用碳酸二甲酯为甲基化试剂，在DABCO存在下，对邻苯二甲酰亚胺进行N－甲基化制备N－甲基邻苯二甲酰亚胺为实验教学内容，增强学生绿色化学意识，以及对有机小分子催化的有机反应的认识与理解。该反应反应式如下:

该反应催化机理如下:

首先，DABCO与碳酸二甲酯反应生成化合物 (5)，然后与邻苯二甲酰亚胺反应生成化合物 (6)，该化合物经两条途径分别可得到酰化产物 (7)和甲基化产物N－甲基邻苯二甲酰亚胺 (3)，在该反应中未检测到酰化产物 (7)。 3 实验仪器和试剂 3.1 仪器

磁力搅拌器，RY－1型熔点仪，旋转蒸发仪，电子天平，100 mL锥形瓶，125 mL分液漏斗，瑞士布鲁克AV 400型核磁共振仪，Nicolet Nexus 670型红外光谱仪。 3.2 试剂

邻苯二甲酰亚胺、碳酸二甲酯，1，4－二氮杂双环［2.2.2］辛烷(DABCO)、N，N－二甲基甲酰胺、乙酸乙酯、95%乙醇、无水硫酸钠和石油醚等所用试剂均为市售分析纯或化学纯，GF2高效硅胶薄层层析板由烟台市江友硅胶开发有限公司生产。 4 实验步骤

在反应瓶中，依次加入邻苯二甲酰亚胺0.74 g(5 mmol)，DABCO 0.06 g(0.5 mmol)，碳酸二甲酯10.0 mL，DMF 5.0 mL，于90～95℃搅拌回流反应，TLC跟踪反应至原料点消失。反应毕，减压蒸去碳酸二甲酯，加水15 mL，用乙酸乙酯(15 mL×3)提取，用饱和食盐水(15 mL×2)洗涤，无水硫酸镁干燥。蒸去乙酸乙酯，残留物用乙醇重结晶得白色固体。 5 产物结构表征

反应产物N－甲基邻苯二甲酰亚胺为白色固体，产率81%，m.p.132～134℃ (lit.［5］m.p.134℃)，光谱数据如下:

IR(KB， cm－1)δ:3105，2978，1716，1609，1466，1383，1292，1251，1187，1156，1088，1008 cm－1;1H NMR(CDCl3，400 MHz)δ:3.22(s，3H)，7.73～7.76(m，2H)，7.86～7.(m，2H)。 6 教学要点和注意事项

(1)本实验中催化剂DABCO的称取是微量操作，故应准确称取试剂，为使反应时间缩短，也可以使用20%mol的DABCO。

(2)利用薄层色谱法跟踪反应进程时，注意反应结束时起始原料的斑点基本消失。薄层层析展开剂为石油醚∶乙酸乙酯=5∶1，将反应液点于薄层板上后应吹干，以防止有N，N－二甲基甲酰胺存在影响Rf值。

(3)反应结束时反应液用乙酸乙酯提取，乙酸乙酯用饱和食盐水洗去N，N－二甲基甲酰胺。

(4)可引导学生做个不加DABCO的对照实验，比较在有和无催化剂的条件下反应进行的情况。 (5)本实验约需8 h。 7 思考题

(1)简述DABCO催化碳酸二甲酯对邻苯二甲酰亚胺N－甲基化反应制备N－甲基邻苯二甲酰亚胺的反应机理?

(2)如何用薄层层析法监控反应的进程? (3)如何选择薄层层析展开剂?

(4)反应后如何除去反应液中的DABCO? 8 教学效果

将有机化学的最新科研成果转化为教学实验，使教学与科研相辅相成、相互促进，有助于激发学生从事科学研究的兴趣。DABCO催化碳酸二甲酯对邻苯二甲酰亚胺N－甲基化反应制备N－甲基邻苯二甲酰亚胺，后处理简单，收率高，得到单一产物。该项目在使用水作为反应介质，增加实验安全性。该实验项目在东华大学应化专业本科生第二课堂课外实验活动以及有机化学专业硕士研究生教学中进行过2届，反应良好。同时可培养学生查阅文献，设计实验方案，促进学生实验动手能力的提高，有助于提高实验教学水平，适合在本课教学中进一步推广。 参考文献

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