一种黑色可逆热致变色染料的合成及表征

邓嘉伦，邱 黎，刘小成，洪 杰，蔡光威，张 刚，李自勇，李 翔

(华烁科技股份有限公司，湖北 武汉 430074)

可逆热致变色是指一种颜色在加热升温时变为另一种颜色，冷却后又变为原有颜色[1-2]，具有这类性质的染料称为可逆热致变色染料，通常称之为“隐性染料”、“智能染料”。其变色机理为通过温度不同而致使分子间电子转移来实现颜色变化，即热致变色材料的光谱性质发生可逆性变化[3-8]。该类化合物广泛应用于荧光探针、分子生物学、单分子检测、防伪、纺织等领域[9-14]。通常与电子给予体、溶剂等物质进行复配制成微胶囊作为商品销售[15-18]。

2′-(2-氯苯氨基)-6′-二丁氨基荧烷(Ⅰ)是一种黑色可逆热致变色染料， CAS No.82137-81-3，分子式为C34H33ClN2O3。作者以邻氯苯胺、对苯二酚为原料，合成2-氯-4-羟基二苯胺(Ⅱ)；以间硝基苯酚为原料，经酚羟基保护、硝基还原、氨基烷基化反应、脱保护、与邻苯二甲酸酐反应合成N,N-二正丁基-4-氨基-2-羟基-2′-甲酸二苯甲酮(Ⅲ)；化合物Ⅱ与化合物Ⅲ反应合成目标产物Ⅰ，并通过1HNMR、13CNMR对目标产物Ⅰ进行表征。合成路线见图1。

图1 2′-(2-氯苯氨基)-6′-二丁氨基荧烷的合成路线Fig.1 Synthetic route of 2′-(2-chloroanilino)-6′-(dibutylamino)fluoran

1 实验

1.1 试剂与仪器

对苯二酚、邻氯苯胺、磷酸、间硝基苯酚、乙酰氯、碳酸二丁酯、邻苯二甲酸酐、碳酸铯、碳酸钾、乙酸乙酯、甲苯、二甲苯、二氯苯、98%浓硫酸，分析纯，国药集团化学试剂有限公司；乙腈，美国TEDIA色谱试剂公司。

Agilent 1200型高效液相色谱分析仪;德国耐驰200 F3差示扫描量热仪(DSC)；Agilent 400-MR DD2型核磁共振仪(400 MHz)。

1.2 2-氯-4-羟基二苯胺(Ⅱ)的合成

氮气保护下，向500 mL干燥洁净的四口圆底烧瓶中加入对苯二酚24.2 g(0.22 mol)、二氯苯120 g、磷酸9 mL(0.13 mol)，缓慢升温至170 ℃，在此温度下缓慢滴加邻氯苯胺25.6 g(0.20 mol)，TLC监控反应完成(展开剂为乙酸乙酯-石油醚，体积比为1∶2);降温至室温，将反应液加入到100 g水中，分出油相，以水洗涤至中性，油相干燥，减压脱除溶剂，以乙酸乙酯重结晶，活性炭脱色，50 ℃下真空干燥，得到化合物Ⅱ36.8 g，收率83.8%，纯度99.5%(HPLC)。

1.3 N,N-二正丁基-4-氨基-2-羟基-2′-甲酸二苯甲酮(Ⅲ)的合成

1.3.1 间乙酰氧基苯胺的合成

氮气保护下，向1 000 mL干燥洁净的四口圆底烧瓶中加入间硝基苯酚118.2 g(0.85 mol)、甲苯400 mL，室温下滴加乙酰氯69.1 g(0.88 mol)，反应完毕后水洗至中性；所得物料转移至1 000 mL氢化反应器中，加入20 g钯炭催化剂，以氮气置换3次后再以氢气置换3次，控制料温30～35 ℃，通入氢气使反应器中压力维持在0.2～0.3 MPa，反应完成，过滤，回收溶剂得到间乙酰氧基苯胺121.1 g，收率96.6%，纯度99.2%(HPLC)。

1.3.2N,N-二正丁基-4-氨基-2-羟基-2′-甲酸二苯甲酮(Ⅲ)的合成

向250 mL干燥洁净的压力反应器中加入间乙酰氧基苯胺15.1 g(0.10 mol)、碳酸二丁酯87.1 g(0.50 mol)、碳酸铯0.6 g，投料完毕以氮气置换3次，开始缓慢升温至150 ℃，控制压力2 MPa左右，反应完毕；降温至室温，过滤，母液减压回收溶剂后加入45 g水、6 g氢氧化钠，回流反应1 h，降温至20 ℃，以浓度为6%的盐酸溶液调节pH值至3，静置分出油相，以饱和食盐水洗涤至中性，干燥；所得油相加入到干燥洁净的250 mL圆底烧瓶中，氮气保护，加入邻苯二甲酸酐20.8 g(0.12 mol)、二甲苯80 mL，缓慢加热至130 ℃，反应完毕，降温至0 ℃过滤，滤饼以正丁醇重结晶，得到化合物Ⅲ 28.1 g，收率75.8%，纯度99.0%(HPLC)。

1.4 2′-(2-氯苯氨基)-6′-二丁氨基荧烷(Ⅰ)的合成

氮气保护下，向250 mL干燥洁净的四口圆底烧瓶中加入98%浓硫酸23.0 g(0.45 mol)，室温下加入化合物Ⅱ11.0 g(50.0 mmol)、化合物Ⅲ18.5 g(50.0 mmol)，升温至60 ℃，以TLC监控反应完毕，降温至20 ℃；将反应液缓慢倒入100 mL冰水中，剧烈搅拌，过滤，滤饼以清水洗涤至中性，加入5倍量95%乙醇重结晶，活性炭脱色，于50 ℃下真空干燥，得到白色结晶化合物Ⅰ25.3 g，收率91.5%，纯度99.54%(HPLC)。

1.5 2′-(2-氯苯氨基)-6′-二丁氨基荧烷的表征

HPLC测试：Chemstation色谱工作站，VVD型紫外检测仪，色谱柱XDB-C18(150 mm×4.6 mm，5 μm)；柱温25 ℃；流动相100%乙腈，流速1.2 mL·min-1；紫外检测波长254 nm；运行时间20 min。

差示扫描量热(DSC)测试：称取样品5 mg，气氛为氮气，升温区间40～300 ℃，升温速率10 ℃·min-1。

核磁共振氢谱(1HNMR)和碳谱(13CNMR)测试：称取样品约5 mg(覆盖满核磁管底部)，用氘代试剂CDCl3溶解样品，共振频率400 MHz。

2 结果与讨论

2.1 合成工艺优化

2′-(2-氯苯氨基)-6′-二丁氨基荧烷的合成分3步进行，分别对每一步反应的关键步骤进行优化。

2.1.1 化合物Ⅱ的合成优化

实验发现，在合成化合物Ⅱ的过程中溶剂极性及反应温度是影响反应进度的关键因素。在对苯二酚及邻氯苯胺的投料量不变、升温至一定温度反应10 h条件下，考察不同溶剂对化合物Ⅱ合成的影响，结果见表1。

由表1可知，溶剂的极性及反应温度对反应影响较大。当溶剂为甲苯、二甲苯时，反应极少或少量；当溶剂为邻乙基甲苯、石蜡时，反应不充分，杂质多；当溶剂为氯苯时，反应一半；当溶剂为二氯苯时，反应充分，杂质少。因此，最优反应条件选择溶剂为二氯苯、反应温度170 ℃。

表1 溶剂对化合物Ⅱ合成的影响

2.1.2 化合物Ⅲ的合成优化

合成化合物Ⅲ时合成间乙酰氧基苯胺是关键步骤。以间硝基苯酚为原料，经酚羟基保护、硝基还原，在氢化反应器中得到间乙酰氧基苯胺。氢气压力对反应时间的影响见表2。

表2 氢气压力对反应时间的影响

由表2可知，当氢气压力增大时，反应时间缩短，但当压力上升到一定值后对反应时间的影响较小。综合考虑，最优氢气压力应控制在0.2～0.3 MPa。

化合物Ⅲ的合成中，选择不同的碱进行单一变量实验，结果见表3。

表3 不同碱对化合物Ⅲ收率的影响

由表3可知，碳酸铯相对于其它无机碱如碳酸钾、氢氧化钠或有机碱乙酸钠、三乙胺等，表现出了非常明显的活性。因此，最优碱选择碳酸铯。

2.1.3 化合物Ⅰ的合成优化

目标产物2′-(2-氯苯氨基)-6′-二丁氨基荧烷的合成中浓硫酸的用量既要保证脱水环合反应顺利进行，又要避免浓硫酸加入过多导致的后处理废水量增加。以单一变量实验研究浓硫酸用量对化合物Ⅰ收率的影响，结果见图2。

图2 浓硫酸用量对化合物Ⅰ收率的影响Fig.2 Effect of dosage of concentrated sulfuric acid on yield of compound Ⅰ

由图2可知，随着n(浓硫酸)∶n(化合物Ⅱ)的增大，化合物Ⅰ收率升高，当n(浓硫酸)∶n(化合物Ⅱ)增大至9∶1后，化合物Ⅰ收率变化不大。因此，选择浓硫酸用量为化合物Ⅱ的9倍(物质的量)。

2.2 2′-(2-氯苯氨基)-6′-二丁氨基荧烷(Ⅰ)的表征

2.2.1 HPLC分析(图3)

图3 化合物Ⅰ的HPLC图谱Fig.3 HPLC spectrum of compound Ⅰ

由图3可知，化合物Ⅰ的出峰时间为9.988 min。HPLC积分计算可知，化合物Ⅰ的纯度为99.54%。

2.2.2 DSC分析(图4)

由图4分析，化合物Ⅰ的熔程为180.5～182.5 ℃，性质稳定。

2.2.31HNMR分析(图5)

由图5可知，化合物Ⅰ的1HNMR(400 MHz，CDCl3)图谱中的化学位移、出峰情况、氢原子数目及对应归属为:δ0.96～1.00(6H,t)处的三重峰、δ1.35～1.41(4H,dd)及δ1.59～1.62(4H,dd)处的二重峰分别为甲基和亚甲基质子的共振信号峰;δ3.28～

图4 化合物Ⅰ的DSC曲线Fig.4 DSC curve of compound Ⅰ

图5 化合物Ⅰ的核磁共振氢谱Fig.5 1HNMR spectrum of compound Ⅰ

3.32(4H,m)处的单峰为连接N原子的亚甲基信号峰，说明有两个连接着N原子的丁基基团；δ5.95(1H,s)处的单峰为-NH的活泼质子氢的特征峰；δ6.37～6.39(1H,dd)、δ6.47(1H,d)、δ6.57～6.62(2H,dd)、δ6.71(1H,m)、δ6.91～6.93(1H,dd)、δ6.93～7.00(1H,dd)、δ7.24～7.28(4H,m)、δ7.59～7.61(1H,dd)、δ7.65～7.67(1H,dd)、δ8.00～8.01(1H,m)处均归属于苯环质子的系列信号峰；δ7.26处为溶剂CDCl3的信号峰。

2.2.413CNMR分析(图6)

由图6可知，化合物Ⅰ的13CNMR(400 MHz，CDCl3)图谱中的化学位移，δ14.05(s)、δ20.34(s)、δ29.36(s)、δ50.83(s)处为脂肪链碳原子(伯碳原子、叔碳原子)的特征信号峰，且连接有一个杂原子；δ84.02(s)处为叔碳原子的信号峰；δ97.60(s)、δ104.43(s)、δ108.54(s)、δ114.15(s)、δ118.04(s)、δ119.92(s)、δ120.33(s)、δ120.59(s)、δ120.66(d)、δ127.44(s)、δ128.83(s)、δ129.63(s)、δ134.42(s)处为苯环上无取代基的碳原子信号峰；δ136.91(s)、δ140.77(s)、δ147.97(s)、δ150.10(s)、δ152.89(s)、δ153.13(s)处为苯环上有杂原子(如N、O、Cl等)取代基的碳原子信号峰；δ169.51(s)处为羰基的不饱和碳信号峰；δ77.0处的三重峰为溶剂CDCl3的信号峰。

图6 化合物Ⅰ的核磁共振碳谱Fig.6 13CNMR spectrum of compound Ⅰ

3 结论

以邻氯苯胺、对苯二酚为原料，合成2-氯-4-羟基二苯胺(Ⅱ)的最优反应条件：溶剂为二氯苯、反应温度170 ℃。以间硝基苯酚为原料，经酚羟基保护、硝基还原、氨基烷基化反应、脱保护、与邻苯二甲酸酐反应合成N,N-二正丁基-4-氨基-2-羟基-2′-甲酸二苯甲酮(Ⅲ)的最优反应条件：氢气压力为0.2～0.3 MPa，碱为碳酸铯。化合物Ⅱ与化合物Ⅲ反应合成目标产物2′-(2-氯苯氨基)-6′-二丁氨基荧烷(Ⅰ)的最优反应条件：浓硫酸用量为化合物Ⅱ的9倍(物质的量)。以最优工艺条件进行实验，得到黑色可逆热致变色染料化合物Ⅰ，总收率56.2%，纯度99.54%(HPLC)，其结构经1HNMR、13CNMR证实。