2,6-二甲基二苯并噻吩加氢脱硫中间体的合成

徐晓颖， 李 翔a,b， 王安杰a,b， 王 瑶b， PRINS Roel

[1. 大连理工大学 a. 精细化工国家重点实验室; b. 辽宁省高校石油化工技术与装备重点实验室，辽宁 大连 116024； 2. 瑞士联邦工学院(苏黎世) 化工与生物工程研究所，瑞士 苏黎世8093]

燃料油中含硫化合物燃烧后产生的SOx是大气主要污染源之一。在炼油厂中，有机含硫化合物的脱除仍主要通过加氢脱硫(HDS)工艺实现。随着可加工原油的劣质化和燃油标准的不断提高，燃料油的深度HDS已成为清洁燃料生产的重要课题，而深入研究含硫化合物HDS反应机理则是实现深度脱硫的前提条件之一。

石油中二苯并噻吩(Ⅰ)及其烷基取代物的HDS反应活性最低。其中Ⅰ， 4,6-二甲基二苯并噻吩(Ⅱ)及2,6-二甲基二苯并噻吩(Ⅲ)是三种重要的模型化合物[1～3]。系统地研究它们在HDS中的反应过程，对揭示芳香杂环含硫化合物HDS反应机理及烷基取代基空间位阻作用和电子效应有重要意义。

Scheme1

Ⅰ类含硫化合物的HDS反应网络复杂，除包括联苯类、环己烷基苯类及联环己烷类脱硫产物外，还包括四氢和六氢等部分加氢的含硫中间体。合成这些部分加氢的中间体是研究含硫化合物HDS反应机理的前提条件。文献[4～6]和本课题组[7]已经系统研究了Ⅰ和Ⅱ的四氢和六氢加氢脱硫中间体的合成。在此基础上，本文结合Ⅲ[5]和1,2,3,4-四氢-4,6-二甲基二苯并噻吩(Ⅳ)[6]的制备方法，合成了Ⅲ的两种重要的HDS反应中间体——1,2,3,4-四氢-2,6-二甲基二苯并噻吩(3b)和1,2,3,4,4a,9b-六氢-2,6-二甲基二苯并噻吩(4b)。合成路线如Scheme 1所示:3-甲基环己酮与溴素反应制得2-溴-3-甲基环己酮(1a)和2-溴-5-甲基环己酮(1b)；1与2-甲基苯硫酚通过Tilak反应[8,9]制备3-甲基-2-(邻甲苯硫基)环己酮(2a)和5-甲基-2-(邻甲苯硫基)环己酮(2b)；2在多聚磷酸(PPA)的作用下经脱氧环化制得1，2，3，4-四氢-4，6-二甲基二苯并噻吩(3a)和1，2，3，4-四氢-2,6-二甲基二苯并噻吩(3b);3经柱层析分离和重结晶得到3b；3b在三氟乙酸(TFA)存在下,经锌粉还原合成了4b，其结构经经1H NMR，13C NMR和GC-MS确证。

1 实验部分

1．1 仪器与试剂

Varian INVA 400 MHz型核磁共振仪(CDCl3为溶剂，TMS为内标TMS)； HP6890 GC/5973MSD型色谱/质谱联用仪；Agilent 6890N型气相色谱(检测器为FID， HP-5或DB-WAX毛细色谱柱)。

3-甲基环己酮，上海梯希爱化成工业发展有限公司；2-甲基苯硫酚，济南乐奇化工有限公司；锌粉，天津科密欧化学试剂有限公司；PPA，国药集团化学试剂有限公司；TFA，国药集团化学试剂有限公司。所用试剂均为分析纯。

1.2 合成

(1) 1的合成[10]

在三口烧瓶中加入3-甲基环己酮10.6 g(90 mmol)，水38 mL和乙酸1 mL，搅拌下于0 ℃～5 ℃缓慢滴加溴素15.1 g(90 mmol)，滴毕，缓慢升至室温反应约4 h。加入氯化钠使其饱和，分液，水相用乙醚(3×50 mL)萃取,合并有机相，依次用饱和NaHCO3溶液(3×50 mL)，饱和NaCl溶液洗涤，无水MgSO4干燥，浓缩得淡黄色液体混合物A(1a+1b)17.4 g，GC分析1a和1b的含量分别为30.3%和58.9%，折纯收率为87%。1a： EI-MSm/z(%): 192(M++2, 14), 190(M+, 13), 148(21), 147(26), 146(20), 111(62), 83(14), 69(52), 55(100), 41(36)；1b： EI-MSm/z(%): 192(M++2, 13), 190(M+, 14), 148(7), 146(7), 111(30), 84(7), 69(100), 55(21), 41(23)。

(2) 2的合成[4]

在反应瓶中依次加入2-甲基苯硫酚6.3 g(50 mmol)，乙醇15 mL， NaOH 2.0 g(50 mmol)和水15 mL,搅拌下缓慢升温至回流;滴加混合物A 9.7 g(50 mmol)的乙醇(15 mL)溶液,滴毕,回流反应2.5 h。加水100 mL，用乙醚(3×50 mL)萃取，合并有机相，依次用水，5%NaHCO3(2×50 mL)及饱和NaCl溶液洗涤，无水MgSO4干燥，浓缩得淡黄色油状液体，经硅胶柱层析{梯度洗脱剂：A=V[石油醚(60 ℃～90 ℃)] ∶V(乙酸乙酯)=10 ∶1～6 ∶1}纯化得混合物B(2a+2b)7.7 g，总收率65%； EI-MSm/z(%): 234(M+, 100), 190(8), 163(5), 149(5), 124(78), 110(7), 91(25), 77(8), 55(29), 41(12)。

(3)3b的合成

在反应瓶中加入混合物B 7.7 g(30 mmol)和PPA 70 g，搅拌下于150 ℃反应3 h。自然降至室温，搅拌下倒入冰块中得土黄色浊液；用乙酸乙酯(3×50 mL)萃取，合并有机相，依次用水，5%NaHCO3溶液(2×50 mL)及饱和NaCl溶液洗涤，无水NaSO4干燥，浓缩得红棕色液体，经硅胶柱层析[洗脱剂：石油醚(60 ℃～90 ℃)]纯化得淡黄色混合物C(3a+3b)。将其置冰箱(0 ℃～4 ℃)中过夜，3b粗品以固体形式析出。过滤，滤饼用石油醚(30 ℃～60 ℃)洗涤，乙酸乙酯重结晶得白色针状晶体3b2.3 g，纯度96%，收率32%；1H NMRδ: 7.41(d,J=8．0 Hz, 1H), 7.24(m,J=8.0 Hz, 4.0 Hz, 1H), 7.06(d,J=8．0 Hz, 1H), 2.86～2.91(m, 3H), 2.50(s, 3H), 2.24～2.29(m, 1H), 1.96～2.01(m, 2H), 1.51～1.59(m, 1H), 1.14(d,J=8．0 Hz， 3H);13C NMRδ: 139.5, 138.8, 136.3, 131.7, 130.2, 124.2, 123.9, 118.1, 32.3, 31.9, 28.7, 25.5, 21.7, 20.3； EI-MSm/z(%): 216(M+, 66), 201(14), 174(100)。

(4) 4b的合成

在反应瓶中加入3b1 g(4.6 mmol)， TFA 20 mL和锌粉5 g(76 mmol)，搅拌下于室温反应4 d。过滤，滤液加入乙酸乙酯50 mL，依次用水，5%NaHCO3溶液(2×50 mL)及饱和NaCl溶液洗涤，无水NaSO4干燥，浓缩得黄色油状液体，经硅胶柱层析(洗脱剂：A=6 ∶1)纯化得淡黄色液体4b0.8 g[GC显示4个峰，GC-MS证实为其异构体(Chart 1)]，收率80%,纯度95%;1H NMRδ： 7.02～7.06(m,J=8．0 Hz, 1H), 6.97～7.01(m,J=8．0 Hz, 1H), 6.94～6.96(m,J=4．0 Hz, 1H), 3.46～3.57(m,J=8．0 Hz, 4.0 Hz, 2H), 2.29～2.37(m, 1H), 2.26(s, 3H), 1.77～1.91(m,J=4．0 Hz, 1H), 1.53～1.57(m,J=8.0 Hz, 4.0 Hz, 2H), 1.31～1.47(m,J=8.0 Hz, 4.0 Hz, 2H), 0.96～1.05(m,J=4.0 Hz, 1H), 0.93(d,J=8.0 Hz, 3H);13C NMRδ: 141.4, 140.5, 132.7, 127.7, 124.4, 120.9, 50.4, 48.5, 34.8, 33.7, 31.4, 26.8, 22.2, 20.5(1H NMR分析表明，存在约10%的异构体)； EI-MSm/z(%): 218(M+, 100), 175(23), 162(56), 161(87), 149(30), 147(26), 128(9), 115(9)。

2 结果与讨论

在溴化反应中，由于3-甲基环己酮的2-位和6-位均有α活性氢，均会发生溴代反应。GC显示为四个分立但是保留时间相近的峰，在薄层色谱中它们的Rf值相等，且这四种异构体其他物性相近，很难分离得，只能直接进行下步反应。

1与2-甲基苯硫酚经Tilak反应得到的是多种异构体的混合物B。这些异构体物性相近，很难分离提纯得到单一产物。混合物B进一步在PPA中进行环化反应，得到3a和3b两种化合物的混合物C。在较低温度下，3a为液体，3b为固体，容易分离；3b粗品在乙酸乙酯中重结晶得纯化的白色针状晶体3b。

Chart1

Sun等[6]将3a在TFA和锌粉中反应可还原得到1,2,3,4,4a,9b-六氢-4,6-二甲基二苯并噻吩(Ⅴ)；杜学梅等[7]则将四氢二苯并噻吩在TFA和锌粉中还原，合成了六氢二苯并噻吩。本文实验结果表明，将3b在TFA和锌粉中反应可还原得到4b。 Kukula等[11]用HDS方法得到Ⅴ的三种异构体，由于3b与Ⅴ一样含有三个手性碳，因此产物4b中可能会出现少量的构型异构体(4b可能的异构体见Chart 1)，因其含量较低无法分离。以上结果表明，TFA和锌粉的还原方法具有一定普遍性，可以将其应用到其他烷基取代的二苯并噻吩衍生物的部分加氢中间体的还原过程。

3 结论

以2-溴代-3-甲基环己酮和2-溴代-5-甲基环己酮混合物与2-甲基苯硫酚为原料，经耦合和环化反应后纯化得到1,2,3,4-四氢-2,6-二甲基二苯并噻吩(3，收率32%，纯度96%)；3在三氟乙酸中经锌粉还原合成了1,2,3,4,4a,9b-六氢-2,6-二甲基二苯并噻吩(4，收率80%，纯度95%)。该方法操作简便，原料易得，对反应器和操作条件无苛刻要求，具有较好的应用前景。

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