微波促进强酸性阳离子交换树脂催化合成2-甲基苯并咪唑

钱 永 ，王建军 ，刘 垚 ，龚 菁 ，吴 磊

（1苏州科技大学化学与生物工程学院，江苏 苏州215009；2江苏省环境功能材料重点实验室，江苏 苏州215009）

苯并咪唑类化合物是一个含有两个氮原子的杂环化合物，在医药、耐高温材料、光电新材料、抗腐蚀剂等方面具有广泛用途[1]。2-甲基苯并咪唑作为一种重要的苯并咪唑类中间体在医药及染料合成中具有有广泛用途，2-甲基苯并咪唑及其衍生物的合成及应用研究从未间断[2-4]。2-甲基苯并咪唑的传统合成方法主要以盐酸、多聚磷酸、硼酸等无机酸为催化剂通过邻苯二胺与乙酸的液相加热回流反应制得，虽然收率较高，但都需要较长的反应时间和较高的反应温度，且后处理比较麻烦，无机酸催化剂液相体系对生产设备有腐蚀作用，产生的大量酸性废液和废水环境污染严重。强酸性阳离子交换树脂作为高分子型催化剂可代替小分子酸催化剂，具有异相催化体系的诸多优点，如树脂可反复使用、产品容易分离、反应装置不被腐蚀、环境污染效应较轻等，近年来在酯化脱水等反应中成为广泛关注的研究热点[5-6]。微波促进有机化学反应具有加热快、反应时间短、能有效提高反应速率、合成收率高、后处理简单而且环境友好等优点而备受人们青睐。微波促进合成法在苯并咪唑系列化合物的合成方面已经取得良好效果[7-8]。本文旨在探索能够综合发挥高分子酸性催化剂和微波促进反应两方面优势的2-甲基苯并咪唑新型合成方法，通过考察微波功率、反应时间、原料质量配比、树脂用量、树脂重复使用次数对2-甲基苯并咪唑合成收率的影响，为建立2-甲基苯并咪唑及其它苯并咪唑类化合物的新型绿色合成工艺提供借鉴。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

邻苯二胺，乙酸（含量≥99.5%，上海润捷化学试剂有限公司），盐酸，氨水，多聚磷酸均为国产分析纯试剂。001×7 Na型树脂，粒径0.3～0.7 mm，江都树脂厂。

LWMC-206微波化学反应器，最大输出功率为650 W（可设定输出功率为最大输出功率的10%～100%），南京旋光科技有限公司；显微熔点仪，上海予正仪器设备有限公司；PerkinElmer公司 vario EL Ⅲ型元素分析仪，德国Elementar公司；AVANCEⅢ型核磁共振波谱仪（400 MHz），瑞士Bruker公司；Spectrum BXⅡ型傅里叶变换红外光谱仪（KBr压片法测试）。

1.2 合成路线

微波促进强酸性阳离子交换树脂催化合成2-甲基苯并咪唑的反应路径如图1。

1.3 树脂的转型

称取5～6 g的001×7钠型树脂参考文献[9]的方法转型为H型001×7树脂。

1.4 2-甲基苯并咪唑的合成方法

图1 2-甲基苯并咪唑的合成路径

在100 mL的圆底烧瓶中加入准确称取的1.08 g邻苯二胺和一定质量配比的乙酸，用电热套预热加速溶解。然后放入微波炉中，接上回流装置，设定反应功率，反应到设定时间后溶液变为墨绿色。稍冷却后将反应液倒入30 mL蒸馏水中，以蒸馏水多次清洗烧瓶，合并溶液，用氨水调节pH值为9～10，抽滤，用蒸馏水多次洗涤，得到混有树脂的粗产品。将固体物溶于热水中，加热直至粗产品完全溶解，趁热抽滤，保留抽出的树脂待用。将热的滤液倒入100 mL的干净小烧杯中，冷却结晶，抽滤，干燥得到无色针状晶体。熔点测定，称重并计算收率。在最佳的原料质量配比和树脂用量下，本研究也进行了无微波辅助的常规加热回流合成方法作为对比实验，虽然回流温度高些有利于反应进行，但考虑到树脂的耐热稳定性，本部分对比实验反应温度设定为(75±1) ℃（探索性实验发现温度高于80 ℃树脂会很快变黑），反应时间8 h。

1.5 结构表征和分析测试

目标产物的结构表征：元素分析，FTIR（KBr压片），1H NMR（DMSO，400 MHz）。树脂使用前后的结构变化：FTIR（KBr）。

2 结果与讨论

2.1 产物的结构表征和确定

用显微熔点仪测得熔点为176.7～177.2 ℃（文献值为176～177℃）；元素分析（C8H8N2理论值%/实测值）结果：N 21.21(21.21)，C 72.73(72.50)，H 6.06(6.28)。据此初步判定产品是2-甲基苯并咪唑。

目标产物红外波谱测试结果如图2。3176.2 cm−1左右的吸收峰是仲氨基的伸缩振动，1622.3 cm−1处的吸收峰是 N—H 的弯曲振动峰，1272.1 cm−1处的吸收峰是 C—N 的伸缩振动吸收峰，这些说明产物含有仲胺；3069.4 cm−1处的吸收峰是芳环 C—H 的伸缩振动峰，1554.1 cm−1、1500.2 cm−1及1498.1 cm−1处的吸收峰是苯环骨架伸缩振动峰，且736.9 cm−1左右的吸收峰说明有苯环邻二取代；2989.4 cm−1及2926.5 cm−1处的吸收峰是烷基C—H的伸缩振动峰，1387.2 cm−1处的吸收峰是C—H的弯曲振动，说明产物中含有烷基。在图中未发现羰基、羧基和伯胺的吸收峰，说明不含反应物。上述分析说明了生成了目标产物2-甲基苯并咪唑。

图2 2-甲基苯并咪唑的红外谱图

图3 2-甲基苯并咪唑的核磁谱图

产物的核磁测试结果见图3。1H NMR (DMSO，400 MHz)(δ) ：其中 4.692×10－6为溶剂中杂质水中的质子峰，7.190×10－6～7.212×10－6（m，2H，Ar-H），7.468×10－6～7.489×10－6（m，2H，Ar—H），2.467(s，3H，CH3—H)，与其标准1H NMR谱图一致，进一步确定产物为2-甲基苯并咪唑。

2.2 合成条件对产品收率的影响

微波促进合成过程中，产品合成收率一般受微波功率、微波反应时间、原料配比等反应条件影响。本研究除了考察微波功率、反应时间、原料质量配比等反应条件对合成收率的影响，还考察了树脂催化剂用量及其重复使用次数对2-甲基苯并咪唑合成收率的影响。

2.2.1 反应时间对产品收率的影响

在微波功率455 W、邻苯二胺用量1.08 g、加入树脂量为 0.5 g、邻苯二胺与乙酸质量比为1∶3的条件下，考察微波反应时间对收率的影响，结果见表1。由表1可知，反应时间为10 min时，产物收率最高，延长时间会有不同程度的炭化，导致收率降低。

表1 反应时间对2-甲基苯并咪唑反应收率的影响

2.2.2 微波功率对产品收率的影响

设定反应时间为10 min、邻苯二胺用量为1.08 g、加入树脂的量为0.5 g、邻苯二胺与乙酸质量比为1∶3的条件下，考察微波功率对收率的影响，结果见表2。微波输出功率对合成收率的影响较大，在一定范围内提高微波功率可提高收率[10]。由表2可见，微波功率在455 W时，收率最高。在高于455 W时，反应液中可能发生邻苯二胺的氧化、分解、炭化，且随功率的增高这些变化会更严重，造成收率有所降低。而且功率过高也可能对树脂的结构及活性造成破坏作用，从而引起收率降低。传统的加热回流对比实验（以微波功率为0表示）表明在只有001 H型树脂存在而无微波辐照的情况下，(75±1)℃加热回流8 h产品收率仍然较低。

2.2.3 原料质量配比对产品收率的影响

设定反应时间为10 min，在微波功率455 W、邻苯二胺用量1.08 g、加入树脂量0.5 g的条件下，考察原料质量配比对收率的影响，结果见表3。可见邻苯二胺与乙酸的质量配比为1∶3时，目标产物能够得到最大的收率；当配比小于1∶3时，根据质量作用定律，随着底物浓度增高，反应速度增大，收率会有所提高；但当配比大于1∶3时，可能由于消耗了较高的微波能量，反应不完全，同功率下必须延长辐射时间，否则收率降低。

表2 微波功率对合成2-甲基苯并咪唑反应收率的影响

表3 原料质量配比对收率的影响

2.2.4 树脂用量对产品收率的影响

设定反应时间为 10 min、邻苯二胺用量为1.08 g、邻苯二胺与乙酸质量比为1∶3、微波功率为455 W的条件下，考察树脂用量对收率的影响，结果见表4。由表4可见，树脂加入量为0.5 g时，目标产物得到最大的收率。这可能是由于树脂用量小于0.5 g时树脂的催化能力不够，树脂用量过高时消耗过多微波能量不利于反应，因此最佳树脂用量为0.5 g。

2.2.5 高分子催化剂重复使用次数对收率的影响

设定反应时间为10 min、邻苯二胺用量为1.08 g、加入树脂的量为0.5 g、邻苯二胺与乙酸质量比为1∶3、微波功率为455 W的条件下，考察树脂重复使用次数对收率的影响，结果见表5。由表5可知，随着树脂重复使用次数的增加，合成收率逐步下降。但重复使用两次后合成收率仍然较高，在其它因素控制在最佳条件下，重复使用两次后合成收率仍可达到66%以上，说明该强酸性阳离子交换树脂在2-甲基苯并咪唑的催化合成中有良好的重复使用前景。

树脂使用前和重复使用两次后的红外谱图如图4，由红外测试可见，树脂使用前和重复使用两次后的红外谱图基本一样，表明重复使用两次后树脂在元素组成和主要官能团层次上的化学结构基本没有发生变化，仍然可以在反应中起催化作用。而合成收率随重复使用次数增加而逐步下降，这可能是由于在多次受热和微波辐射的共同作用下高分子的链形态、织态结构、晶态结构等近远程结构和聚集态结构受到了一定影响，从而影响了其催化活性。也有学者研究相近的课题指出，阳离子交换树脂催化剂失活的机制主要是由于树脂表面活性位点被金属离子取代所致，使用后树脂的形貌也出现表面突起和裂纹，这可能也是催化效率降低的一方面原因[11]。这部分工作有待进一步研究。

表4 不同树脂加入量对收率的影响

表5 重复次数对收率的影响

图4 树脂使用前(a)和重复使用两次后(b)的红外谱图

2.3 讨论

（1）与传统的无机酸催化合成 2-甲基苯并咪唑的方法相比，微波促进H型树脂催化合成法不存在催化剂废酸液带来酸污染的环境问题，且反应迅速，易于分离提纯产品，树脂重复利用率高，对于2-甲基苯并咪唑的工业化生产具有良好的潜在应用前景。H型高分子发挥浓集催化效应是其比无机酸能发挥更好效果的关键，例如在水溶液中，由于高分子浓集效应的存在使得局部H离子浓度或者说酸强度可能达到很高，能够在其周围和内部孔隙发挥酸催化作用。而无机酸必须要达到较高的浓度才能发挥酸催化作用。另外，反应过程中由过量乙酸形成的乙酸废水，可以采用萃取及吸附等方法进行回收重复利用[12-13]。

（2）由图4树脂的红外谱图可知，树脂重复使用前后主要官能团峰位置未变，说明树脂重复使用两次后化学结构没有发生改变。而催化效果有所下降，可能与树脂受热后体积膨胀，高分子凝聚态的三维空间结构发生了改变，从而降低了催化活性中心—SO3H在高分子上的浓集效应有关。

（3）微波能够穿过反应容器直接对极性反应物和溶剂进行快速加热，其对物质分子的加热方式是内加热，具有加热速度快、加热均匀、无温度梯度、无滞后效应的优点，能够提高反应物的碰撞效率，从而具有显著加快反应速率，提高反应效率的效果[14]。本研究中无微波辅助的单纯树脂催化常规回流并不能提高合成收率的可能原因是：树脂耐受温度较低，常规回流时间长，树脂可能在反应过程中变性而大幅度降低催化效能；另外常规回流反应能量低，热量很难传递到树脂需要活化的催化活性位点。

3 结 论

（1）采用微波促进强酸性阳子离子树脂催化法合成了2-甲基苯并咪唑，单因素方法研究得到的最佳合成条件为：邻苯二胺与乙酸的质量配比为1∶3，微波功率455 W，反应时间为30 min，树脂用量为0.5 g，该条件下产物收率可达84.8%。

（2）相比于2-甲基苯并咪唑的传统合成方法，微波促进树脂催化合成法具有反应迅速、树脂催化剂可重复使用、产品容易分离、环境污染效应小等优点，可为2-甲基苯并咪唑及其它苯并咪唑系列化合物的绿色合成工艺提供借鉴。

[1] 李炎，马会强，王玉炉. 苯并咪唑及其衍生物合成与应用研究进展[J]. 有机化学，2008，28（2）：210-217.

[2] 陈战国，王传宁，赵朋飞，等. 2-甲基苯并咪唑基异黄酮衍生物的合成及抗氧化活性[J]. 化学学报，2010，22：2347-2355.

[3] Gao Rui，Wang Liduo，Geng Yi，et al. Effects of an intercalation nanocomposite at the photoanode/electrolyte interface in quasi-solid dye-sensitized solar cells[J].The Journal of Physical Chemistry C，2011，115：17986-17992．

[4] 高继红，杨天林，吴根亮.N,N,N-三(2-甲基苯并咪唑)胺及其稀土配合物的合成与荧光性质研究[J]. 宁夏大学学报：自然科学版，2006，27（4）：344-347．

[5] 郭鑫，张敏卿. 大孔强酸性阳离子交换树脂催化合成柠檬酸三丁酯[J]. 化工进展，2010，29（4）：673-676，693.

[6] 赵志刚，邵太丽，秦国正，等. H-732阳离子交换树脂催化酯化反应[J]. 化工进展，2012，31（7）：1592-1596.

[7] 崔永涛，王建强，殷俊，等. 以水作溶剂微波法合成 1,4-二氢苯并咪唑并〔1,2-a〕嘧啶类衍生物[J]. 应用化学，2010，27（1）：54-57.

[8] 李倩倩，邱静，朱俊，等. 苯并咪唑衍生物的微波辅助合成研究[J]. 化学研究与应用，2012，24（6）：932-935.

[9] 赵志刚，邵太丽，秦国正. 微波辐射下阳离子交换树脂催化合成对硝基苯甲酸乙酯[J]. 应用化工，2012，41（6）：968-971.

[10] 胡俊，王济奎，周桃玉，等. 苯并咪唑亚胺系列衍生物的微波合成[J]. 南京工业大学学报，2012，34（3）：41-44.

[11] 熊婷，朱志华，张景靓，等. 酯化反应用阳离子交换树脂催化剂的失活机理研究[J]. 工业催化，2012，20（5）：36-40.

[12] 张春燕，郭文革，刘亚玲. 采用萃取-反萃取技术回收废水中的醋酸[J]. 石油化工环境保护，2004，27（3）：30-33.

[13] 侯宝军，乐清华，周 全，等. 吸附热再生法回收废水中醋酸的研究[J]. 高校化学工程学报，2008，22（4）：580-584.

[14] Gedye Richard，Smith Frank，Westaway Kenneth，et a1. The use of microwave ovens for rapid organic synthesis [J].Tetrahedron Letters，1986，27(3)：279-282.