The Reactions of Three Amines and Formylica Acid

Xue Song, Lu Shiwei
(National Engineering Rescarch Center for Catalysis,
DICP, The Chinses Academy of Sciences, Dalian 116023)

Key words ethylenediamine, hydrazine, 1,2-phenylene diamine, formylating
关键词 乙二胺、肼、邻苯二胺、甲酰化

含有两个NH2的三种物质与甲酸的反应

薛松 陆世维**
(中国科学院大连化学物理研究所国家催化工程技术研究中心 大连 116023)

    N-甲酰基化合物是有用的精细化工产品和中间体，其中许多可用作药物，如一些抗惊厥、镇痛、调节人体内分泌的药品，还可用在农业上做杀虫剂、除草剂等。液态的酰胺类物质本身还是优良的溶剂。在较温和的条件下可以合成得到一些有用的、高纯度的甲酰基化合物。在合成一系列的甲酰基化合物时，发现了含有两个NH2的三种物质乙二胺、肼、邻苯二胺与甲酸的反应情况有所不同。
1 实验部分
1.1合成方法
    以甲酸为酰化试剂，在无其它溶剂的情况下，合成出一系列的甲酰化物质[1]。
1.2 分析方法
    NMR测试在Bruker DRX-400NMR波谱仪上进行。内标是TMS(氘代水为溶剂时，内标是DSS)，温度为22°C。所用熔点仪为X-4数字显示显微熔点测定仪。
2 结果与讨论
    许多胺类化合物容易与甲酸反应，形成N-甲酰基化合物，控制此反应的一个重要因素是胺的pKb要与甲酸的pKa相匹配。当胺中有多个NH2官能团时，其反应行为就有很大的不同。选择乙二胺、肼和邻苯二胺三种物质为例，与甲酸的反应结果示于表1。
  表1 二胺及肼与甲酸反应的结果

Substrate

   

Product
  

Yield(%)

m.p.(°C)

m.p. (°C)#(文献值)

NH2CH2CH2NH2

(CH2NHCHO)2

86.5

106-110

  

 

58

179-180

170-173

NH2 NH2
甲酸/肼1:1
       2:1


混合物
(NHCHO)2



73.8


70-80
150-152



155-157
反应条件: 在温和条件下先进行成盐反应，再在70～140°C下采用共沸脱水的方法得到甲酰基物质
   
  表2相关物质的13CNMR的化学位移δ(ppm)

CHO

1

2

3

4

 5 6 7

OHCNH1CH22CH2NHCHO▲

167.0

39.8

39.8

137.6

115.4

122.9

122.9

115.4

137.6

141.6

OHCNHNHCHO

158.7,
161.4,
166.6
注：▲表中所列的OHCNH1CH22CH2NHCHO的13C NMR的化学位移δ为其主要的一组峰，它还存在一些异构体，已在另一篇论文[2]中详细讨论。

    实验结果表明：乙二胺与甲酸反应时，不管摩尔比是1∶1还是1∶2都会得到二甲酰化的产物。乙二胺的pKb1(6.85)可以与甲酸的pKa(3.77)相匹配，能够进行成盐、脱水，生成单甲酰化产物。虽然乙二胺的pKb2(9.93)较高，但是当生成单甲酰化产物后，由于甲酰基中的O可以与乙二胺中另一个NH2中的H成氢键，这种作用可以提高另一个N原子的亲核性，继续进行反应，由于第II步反应比第I步反应快，因而最终得到的是二甲酰化产物。见反应1。
   
                            反应1
    肼(NH2 NH2)与甲酸的反应，投料比甲酸:肼为2:1会得到很好的双酰化的结果[3]，如果是1:1则得到混合物。提出反应2的反应历程可解释这一现象。NH2 NH2与甲酸的反应可以认为是一个肼分子与一个甲酸分子第I步成盐，第II步脱水成甲酰肼，或者第I步进行完，进行第II’步，再结合一个HCOOH分子，接着再脱2分子的水得到二甲酰基肼。甲酸与肼的投料比是2∶1的是双酰化结果，投料比是1∶1的会是混合物。我们把1∶1的肼与甲酸室温反应得到固体物质盐通过核磁共振的检测，在13CNMR谱图中，δCO值为172.58，与HCOO-Li的δCO值接近(172.1)，可以初步证明该羰基是以羧酸负离子的形式存在，同样的，把1∶2的肼与甲酸室温反应得到固体物质盐进行核磁共振的检测，在1HNMR谱图中7.67，7.19中有2个峰，比例为3:1，是HCOO-NH3+NH3+HCOO-中氨基上的氢和与羰基碳相连的氢的比例。通过以上两个实验可以初步证明存在I反应的产物、II’反应的产物。
   
                                    反应2
    肼与甲酸的反应同乙二胺与甲酸的反应性之所以不同，是因为NH2 NH2的碱性非常强，即使是它结合了一个HCOOH成为NH2NH3＋HCOO－，也不影响另一端NH2的碱性，另一端的NH2依然可以与HCOOH相结合进行反应。因此当甲酸与肼的比例为2:1时，可以看到底物全部转化为HCOO-NH3+NH3+HCOO-，接着脱水得二甲酰肼。如果甲酸与肼的比例是1:1，在脱水之前体系中存在HCOO-NH3+NH3+HCOO-、HCOO-NH3+NH2、NH2NH2，脱水后得到的就是混合物。
    邻苯二胺与甲酸反应，不论摩尔比是1∶1还是1∶2只与一分子的甲酸反应。并且产物是经两步脱水，得到苯并咪唑。也许是由于分子内成H键，有助于脱水形成五元环，而更稳定，因此在我们的反应条件下控制不到单酰化产物，得到的是直接环合物，见反应3。这也是一种制备苯并咪唑的方法。这一性质在药物合成中有广泛的应用[4]。
   
                    反应3
3 参考文献
[1] 俞俊学.甲酰基哌啶的合成方法.CN 9615388.1，1996.
[2] 薛松，陆世维 等.N-甲酰基化合物.波谱学杂志.1999.16（2）：131-138.
[3] 徐克勋.精细有机化工原料及中间体手册.北京：化学工业出版社，1998，6：1-459.
[4] 王汝龙，原正平. 药物. 北京：化学工业出版社，1999，1：386-387.

薛松 女，28岁，硕士，从事有机合成方面研究。**联系人。1999-10-27收稿，2000-06-03修回。