氧杂环丁烷类化合物的合成及应用研究进展

黄嘉权，高爽，袁开宇，蒋镕旭，程晓宇，汪瑾

（合肥工业大学化学与化工学院，安徽合肥230009）

氧杂环丁烷是一类四元环醚化合物，包括单官能度氧杂环丁烷、双官能度氧杂环丁烷及改性氧杂环丁烷等类型，其环张力小于三元环，但由于其碱性较强，即亲核性强，因此有着高的反应活性，易开环生成阳离子活性中心，可作为降低粘度的活性稀释剂加入阳离子聚合体系，作为聚合单体与其他化合物进行共聚等。基于氧杂环丁烷的结构基础上进行化学修饰，使其获得不同官能团和官能度，从而赋予氧杂环丁烷衍生物不同的性能特点和用途。此外，氧杂环丁烷结构自身固有的理化特性，使其在药物分子设计方面展现出良好的潜力。本文主要综述了具有不同官能度的氧杂环丁烷类化合物的合成方法、性能特点及其相关领域的应用研究。

1 氧杂环丁烷类化合物的合成方法

1.1 单官能度氧杂环丁烷的制备

工业上使用三羟甲基丙烷与氯化氢在160℃～200℃反应，氯原子取代一到两个羟基，之后使用氢氧化钠脱除分子内的一分子氯化氢，由此得到3-乙基-3-羟甲基氧杂环丁烷或3-乙基-3-氯甲基氧杂环丁烷。如图1所示。

图1 工业制备氧杂环丁烷化合物的常用方法[4]

目前报道的实验室合成氧杂环丁烷结构的方法较少，已有的合成方法均有利弊。

由多元醇与碳酸二酯反应制备，即采用多元醇和碳酸二酯在碱性条件下进行酯交换反应，再在高温环境下裂解脱除二氧化碳得到氧杂环丁烷结构。赵祎宁以三羟甲基丙烷和碳酸二乙酯在碳酸钾的碱性环境下发生酯交换反应，生成六元环内酯结构的中间体，然后再在180℃下裂解脱去二氧化碳，制得3-乙基-3-羟甲基氧杂环丁烷，见图2。此方法所制得的产物除具有氧杂环丁烷结构外，还带有一个羟基，因此可作为前驱体进行修饰，以获得含有不同官能团、官能度的氧杂环丁烷衍生物。此外，该反应原料价格低廉,毒性较小，反应条件温和，故在实验室内应用较为广泛。

图2 3-乙基-3-羟甲基氧杂环丁烷的制备[5]

由羰基化合物与烯烃反应制备，该反应称为Paternò-Büchi反应（简称PB反应），即采用羰基化合物与烯烃在光引发下发生[2+2]环加成反应，以此得到相对应的含氧杂环丁烷结构的化合物，见图3。该反应因其机理涉及高能自由基反应，致使反应位点和产物的立体异构选择性较差，且反应条件偏苛刻，故应用范围不广。

图3 Paternò-Büchi反应[6]

由重氮化合物与2-溴乙醇反应制备，该反应通过重氮化合物与2-溴乙醇在醋酸铑催化剂存在下反应，生成含醚键的中间体，再在强碱催化下脱去溴化氢，得到2,2-位取代的氧杂环丁烷衍生物。通过选用不同的重氮化合物，该种方法能够以较高产率合成多种带有不同复杂取代基的氧杂环丁烷衍生物。除了改变重氮化合物种类之外，2-溴乙醇也可以带有取代基，以获得2、4号位点同时取代的衍生物，见图4。该反应能快速合成新型氧杂环丁烷衍生物，但催化剂成本较高，目前多用于实验室新型药物研发。

图4 重氮化合物与2-溴乙醇的反应[9]

1.2 双官能度氧杂环丁烷的制备

双官能度氧杂环丁烷衍生物的合成思路较为单一，主要通过双官能度的前驱体，在催化剂存在下与含有氧杂环丁烷结构的化合物通过交换反应实现连接，以此获得带有两个氧杂环丁烷结构的衍生物。

万时策等将3-乙基-3-羟甲基氧杂环丁烷和1,4-二溴丁烷在氢氧化钾和四正丁基溴化铵催化下发生取代反应，合成了3,3’-[1,4-丁基双(氧基亚甲基)]-双-(3-乙基)氧杂环丁烷，见图5。用作阳离子光固化活性单体时，其稀释性能与多种工业中常用的稀释剂相当，且污染性更小。

图5 3,3’-[1,4-丁基双(氧基亚甲基)]-双-(3-乙基)氧杂环丁烷的合成[10]

王士昊等将3-乙基-3-羟甲基氧杂环丁烷和二苯甲酮四羧酸二酐在四正丁基溴化铵催化下发生加成反应，再与丙烯酸缩水甘油酯发生加成反应，两个反应期间均需以对羟基苯甲醚作为双键阻聚剂，合成了三种含有两种氧杂环丁烷结构的化合物（互为同分异构体），见图6。将其用作光敏聚合体系的混杂型单体，与前文单官能度的混杂型单体一样，该化合物也拥有反应速率快、转化率高、产品机械性能良好等优点。

图6 一种阳离子/自由基杂化单体的合成[11]

Sasaki等通过简单的制备方法合成了一系列双官能度的氧杂环丁烷衍生物。例如，以1,4-双(溴甲基)苯和3-乙基-3-羟甲基氧杂环丁烷为原料，在氢氧化钾和四正丁基溴化铵催化下发生取代反应，合成1,4-双((3-乙基-3-氧杂环丁烷基)甲氧基甲基)苯；将1,4-双(溴甲基)苯替换为1,10-二溴癸烷、1,1-二氯甲基乙烯等其他双官能度化合物，可合成对应的氧杂环丁烷衍生物，见图7。相比于拥有相似结构的环氧化合物，此类化合物拥有更加良好的光敏活性，能在紫外辐照下快速进行阳离子聚合。

图7 1,4-双((3-乙基-3-氧杂环丁烷基)甲氧基甲基)苯的合成[12]

1.3 多官能度氧杂环丁烷的制备

氧杂环丁烷衍生物主要为开环聚合的单官能度单体，或是起到交联作用的双官能度化合物，而多官能度的氧杂环丁烷衍生物目前报道较少。Zhan等将3-乙基-3-溴甲基氧杂环丁烷和三羟甲基丙烷单烯丙基醚在氢氧化钾催化下发生取代反应，合成了一种双官能度的衍生物，并在氯铂酸的催化下将其用于聚二甲基硅氧烷的封端，形成了一种多官能度的聚合物，见图8。将其作为添加剂加入阳离子光敏聚合体系，提高了材料的疏水性，降低了玻璃化转变温度，同时在该添加剂用量适当的情况下，可以提高材料的热稳定性。

图8 一种含硅的氧杂环丁烷添加剂的合成[13]

Hatanaka将3-乙基-3-羟甲基氧杂环丁烷和2-(3,4-环氧环己基)乙基三甲氧基硅烷混合加热进行取代反应，合成了一种三官能度的衍生物，见图9。因该化合物拥有脂环环氧结构和多个氧杂环丁烷结构，其在阳离子光聚合中具有协同作用，使得多种阳离子光聚合反应活性提高，预期可应用于涂料、粘合剂和预浸料用基体树脂等工业领域中。

图9 一种含脂环环氧的氧杂环丁烷化合物的合成[14]

1.4 改性氧杂环丁烷的制备

氧杂环丁烷的改性主要是以前驱体为基础，由目标功能作为导向，利用已有官能团进行定向设计和改造修饰，具有目标导向性强，可操作空间宽泛，改造效果明显等优点。此外，还可以利用氧杂环丁烷的四元环结构本身进一步反应修饰，如开环反应。

杨宗鑫等通过3-乙基-3-羟甲基氧杂环丁烷和烯丙基溴在氢氧化钾的催化下发生取代反应，再与三乙氧基硅烷在Karstedt催化剂作用下发生加成反应，无氧条件下合成了一种氧杂环丁烷基硅烷偶联剂，见图10。将其应用于阳离子光敏聚合体系，不仅可以起到良好的偶联作用，且能参与光聚合反应，避免了化合物的析出，极大保证了所得材料的综合性能不受影响。

图10 一种氧杂环丁烷基硅烷偶联剂的合成[16]

张娜将3-乙基-3-羟甲基氧杂环丁烷分别和不同种类的酸酐在四正丁基溴化铵的催化下发生加成反应，再与甲基丙烯酸缩水甘油醚进行开环加成，合成了三种氧杂环丁烷单官能度单体，见图11。它们各自含有氧杂环丁烷结构和甲基丙烯酸酯双键，该结构的设计使得其可同时进行阳离子光聚合和自由基光聚合。比起将两种各自聚合机理不同的单体简单机械混合，该种单体可进一步提高体系固化程度，且抗氧阻聚性能也更加优秀。

图11 一种阳离子/自由基杂化单体的合成[17]

Fang等将3-乙基-3-羟甲基氧杂环丁烷和全氟苯在氢化钠的催化下发生取代反应，再分别与数种全氟化醇进行取代反应，合成了一类含氟的芳香族氧杂环丁烷单官能度单体，见图12。将其应用于阳离子光敏聚合体系，该类单体表现出了低粘度和良好的热稳定性，同时所得的聚合物材料展现出优良的疏水疏油性能及较低的表面能。

图12 一种含氟芳香氧杂环丁烷单体的合成[18]

Matsumoto等将3-乙基-3-羟甲基氧杂环丁烷的羟基进行氯代后，与1-乙基咪唑加热发生取代反应后，再和双三氟甲烷磺酰亚胺锂交换离子，合成了一种含有咪唑环的离子液体单体，见图13。将其通过阳离子开环聚合后，聚合物显示出了较优良的热稳定性、较低的玻璃化转变温度、良好的离子传导性，预期可用作电化学装置中的新型聚合物电解质。

图13 一种含氧杂环丁烷结构的离子液体的合成[19]

2 氧杂环丁烷衍生物的应用

单官能度的氧杂环丁烷衍生物主要用于开环聚合来制备新型的功能材料，或是用于材料的改性。而多官能度的氧杂环丁烷衍生物则多为单官能度氧杂环丁烷衍生物与已有的多官能度化合物反应连接而得，除了用于改善已有材料的性质，还常用于制备含有大量活性官能团、支化或交联的聚合物。

张明权等以3,3-二氯甲基氧杂环丁烷为起始原料，依次通过胺化、酯化、氟化反应，合成了3,3-双(二氟氨甲基)氧杂环丁烷。该化合物化学稳定性好，燃烧热高，可与多种其他氧杂环丁烷类单体阳离子聚合，制备出不同性能的高能固体推进剂用粘合剂。Chen等将3,3-双(羟甲基)氧杂环丁烷与3-乙基-3-羟甲基氧杂环丁烷进行阳离子开环共聚，得到了不同支化程度的聚合物，3,3-双(羟甲基)氧杂环丁烷使用的量越多，共聚物支化程度越高，由此可以通过调整反应物的配比方便快捷地制备不同支化程度的多羟基高聚物。这对于通过调控支化程度改变高分子材料的性能提供了一种思路。Christ等在3,3-双(羟甲基)氧杂环丁烷的一个羟基上用醚键连接烷基，再通过阳离子聚合形成超支化聚醚多元醇材料，随着烷基碳原子个数的改变，可以调节材料的玻璃化转变温度和溶解度。预期通过采用其他取代基替代该烷基，可快速制备具有不同功能的支化聚合物材料。Christ等将3,3-双(羟甲基)氧杂环丁烷与缩水甘油进行阳离子开环聚合，制备了一种含有大量伯羟基的超支化聚醚共聚物材料，其展现出了良好的水溶性与优异的生物相容性，预期可以通过进一步的修饰成为高效的药物载体。Chen等将3,3′-(氧基双亚甲基)双(3-乙基)氧杂环丁烷与环氧化修饰的二甲基硅氧烷低聚物在紫外辐射下阳离子共聚，制备出一种高模量、耐冲击、防水、防污性能优异，且对环境友好的材料，预期可用作船舶的防海洋生物附着涂料。

3 发展前景

从合成工艺来看，应选择腐蚀性小的反应物，贯彻绿色化学的环保理念，进一步拓展氧杂环丁烷类化合物在光聚合体系的应用，其特别符合光敏3D打印成型技术的需求，可以充分利用其体系聚合不受氧阻聚影响、附着力强、粘度低、材料成型体积收缩率小等优点。此外，利用氧杂环丁烷的氧原子易与金属离子生成配位键可改善有机药物分子的水溶性、氧杂环丁烷的四元环结构不易参与生化反应，可代替药物中部分过于活泼的羰基等理化特点，为药物分子设计拓展思路。