苯并恶嗪合成方法与合成路线-2

综述：苯并噁嗪的合成方法与合成路线苯并噁嗪化合物，其命名为3,4-二氢-3-取代基-2H-1,3-苯并噁嗪(3,4-dihydro-3-substituted-2H-1,3-benzoxazine)。它是一种由酚类化合物、甲醛和伯胺经缩合反应得到的化合物，其反应方程式如下：在加热或路易斯酸的作用下发生开环聚合，形成结构上类似于酚醛树脂的固化产物，其反应方程式如下：1.苯并噁嗪树脂的研究概况苯并噁嗪化合物最早是在1944年，由Holly和cope意外发现的。当时是以邻经基苯甲胺和甲醛为原料进行Mannich反应产物合成时，分离出的一种白色晶体。测定其熔点为154一155℃，并用元素分析的方法对其进行了结构测定。1949年，美国人W.J.Burke等对苯并噁嗪的合成反应进行了较为系统的研究，他们采用对位取代酚、伯胺和甲醛(多聚甲醛)在二氧六环溶液中进行反应，合成出一系列噁嗪化合物，并在此基础上对苯并噁嗪的合成进行了深入的研究，发现反应物的配比将直接影响到产物的结构。七十年代初，Schreibe申请了苯并噁嗪预聚物同环氧树脂热固化制造电器绝缘材料的专利，并研究了苯并噁嗪在粘合剂以及玻璃纤维增强材料方面的应用。自此，人们对苯并噁嗪研究的兴趣明显增强。1985年，Higginbottom申请了两个关于聚苯并噁嗪涂料的专利，并且对苯并噁嗪预聚体合成反应的影响因素以及胺类化合物碱性对苯并嗓嗓预聚体固化行为的影响进行了粗略的研究。此外，Grbarmik研究了苯并噁嗪在酚醛树脂固化剂方面的应用。Riess等研究了单官能团苯并噁嗪的固化反应，结果发现，热固化产物平均分子量只有1000左右。在链增长的同时，存在着单体的热分解反应，因而不能得到高分子量的线形聚合物。1990年以来，美国CaseWesternReserve大学H.Ishida等以双酚A为酚源，合成出双官能团苯并噁嗪化合物，并对其固化机理、物理和力学性能、耐湿热性能、体积效应和热分解性质等进行了相当详尽的研究，将苯并噁嗪的研究和应用推向了一个新的阶段。此后，Ishida在苯并噁嗪的研究工作领域仍然十分活跃，有大量的相关论文发表。目前，在国内从事苯并噁嗪树脂研究的主要有北京化工大学和四川大学等单位。北京化工大学余鼎声教授等对双(3-苯基-3,4-二氢化-2H-1,3-苯并噁嗪基)取代异丙烷的合成方法进行了研究，在传统基础上采用了一步溶液法的合成工艺，另外还对含烯丙基的苯并噁嗪单体的合成及其热固化行为进行了较为详尽的研究。四川大学顾宜教授等利用悬浮法合成出苯并噁嗪单体，并且在苯并噁嗪树脂/玻璃纤维复合材料领域中取得较多的成果。2.苯并噁嗪的合成方法通过选用不同类型的酚类和胺类单体可以合成满足不同需要的苯并噁嗪中间体。酚类、醛类和伯胺类化合物官能团摩尔比为1:2:1。反应可在溶剂体系和无溶剂体系中进行。可合成单、双、多官能团的苯并噁嗪。根据反应介质，目前苯并嚷嗦单体的合成方法有3种：溶液法、无溶剂法和悬浮法。2.1溶液法溶液法就是将反应物溶解于适宜溶剂中进行合成，所用溶剂为二氧六环、甲苯、氯仿、DMF等。与其它方法相比较，溶液法具有反应体系粘度较低，混合均匀，温度容易控制等优点，而且具有较高的产率。另一方面，溶液法也有设备生产能力和利用率低、溶剂分离回收费用高等缺点。因此，溶液法特别适合直接使用树脂液的场合。以下是近十几年来，采用溶液法合成苯并噁嗪的研究进展。2.1.1伯胺路线伯胺路线合成步骤是将多聚甲醛(或甲醛水溶液)和伯胺冰浴反应10min-20min后，加入酚类，回流数小时，或者是直接将三组分与溶剂一起加入反应体系，回流数小时。1994年，Ishida等以二氧六环为溶剂合成了双酚A-甲胺型苯并噁嗪[1]，反应式如下：1996年，Ishida等以二氧六环为溶剂合成了萘酚-苯胺型苯并噁嗪[2]，反应式如下：1998年，Ishida等以二氧六环为溶剂合成了含烯丙基的单环苯并噁嗪，并对其硅烷基化得到含硅烷基的苯并噁嗪，还以氯仿为溶剂直接合成了含硅烷基的苯并噁嗪[3]，其反应式如下：2000年，Ishida等以二氧六环为溶剂合成了含甲基取代基的单环苯并噁嗪[4]，其反应式如下：2001年，Takeichi等以二氧六环为溶剂合成了含炔基的苯并噁嗪[5]，其反应式如下：2003年，Chang等以二氧六环为溶剂合成了含三氟甲基的苯并噁嗪[6]，其反应式如下：2004年，Chang等以二氧六环为溶剂合成了金刚烷改性的苯并噁嗪[7]，其反应式如下：2005年，Liu等以二氧六环为溶剂合成了金刚烷改性的苯并噁嗪[8]，其反应式如下：同年，Ishida等以DMF为溶剂合成了含马来酰亚胺取代基和降冰片烯取代基的单环苯并噁嗪[9]，其反应式如下：Takeichi等以氯仿为溶剂合成了具有一定分子量的苯并噁嗪[10]，其反应式如下：余鼎声等合成了酚酞型苯并噁嗪并申请了专利[11]，其反应式如下：2006年，Takeichi等以氯仿(或氯仿与二氧六环的混合溶剂)为溶剂合成了具有一定分子量的AB型苯并噁嗪[12]，其反应式如下：Zheng等以氯仿为溶剂合成了含硅的苯并噁嗪[13]，其反应式如下：Ishida等合成一系列含磷氧基的苯并噁嗪[14]，其反应式如下：Lin等以二氧六环为溶剂合成了含磷的阻燃型苯并噁嗪[15]，其反应式如下：V.Ca´diz等以二氧六环为溶剂合成了含环氧基的苯并噁嗪[16]，其反应式如下：顾宜等以甲苯为溶剂合成了含醛基的苯并噁嗪[17]，其反应式如下：2007年，Iovu等以二氧六环为溶剂合成了多种双酚型双环苯并噁嗪[18]，其反应式如下：Yagci等以二氧六环为溶剂合成了具有光活性的苯并噁嗪[19]，反应式如下：刘孝波等合成了含氰基的苯并噁嗪[20]，反应式如下：鲁在君等以合成了含磷的阻燃型苯并噁嗪[21]，其反应式如下：2008年，Ronda等以二氧六环为溶剂合成了含羧基的单环苯并噁嗪[22]，反应式如下：Qi等以甲苯为溶剂合成了含氰基的苯并噁嗪[23]，反应式如下：Yagci等合成了含炔基的苯并噁嗪[24]，反应式如下：Endo等以二氧六环为溶剂合成了含炔基的苯并噁嗪并从而合成了含有1,2,3-三唑的苯并噁嗪[25]，反应式如下：2.1.2三嗪路线2004年，Liu等以含有马来酰亚胺基团的酚作为酚源合成了含有马来酰亚胺的苯并噁嗪中间体[26]，其反应式如下：2006年，V.Ca´diz等以二氧六环和甲苯的混合溶剂为溶剂合成了含环氧基的苯并噁嗪[16]，其反应式如下：2008年，Ronda等以二氧六环为溶剂合成了含羧基的单环苯并噁嗪[22]，反应式如下：Yu等以DMF为溶剂合成了2-唑啉-苯并噁嗪[27]，反应式如下：2.1.3水杨醛路线采用水杨醛路线合成苯并噁嗪中间体虽然程序较为复杂，总的产率偏低，但是能够得到高纯度的单体，2008年以来得到了广泛的关注，其步骤具体如下：2008年，Lin等采用此路线合成了一系列二胺型双环苯并噁嗪[28]，反应式如下：他们还采用此路线合成了一系列含氟的二胺型双环苯并噁嗪[29]，反应式如下：V.Ca´diz等采用此路线合成了一系列含磷的二胺型双环苯并噁嗪[30]，反应式如下：2.2无溶剂法无溶剂法是指不加入溶剂，直接将甲醛、酚和胺在加热的情况下采用物理混合方法，将固体反应物混合均匀，然后加热至反应物熔点后保持在适宜温度下完成反应，或当反应物中有液体时，简单混合，加热溶解或熔融，使反应混合物都成为液态，保持在适宜的温度下完成反应。2.2.1伯胺路线1996年，Ishida等合成了一系列单环、双环和三环的苯并噁嗪[31]，反应式如下：1999年，Ishida等采用无溶剂法合成含有炔基的苯并噁嗪和萘并噁嗪[32]-[33]，其反应式如下：2002年，Ishida等采用无溶剂法合成了一系列低粘度的苯并噁嗪[34]，并研究了其固化特性，其反应式如下：2003年，Takeichi等使用烯丙基取代的伯胺为原料合成了含有烯丙基的单环、双环苯并噁嗪[35]，其反应式如下：同年，余鼎声等合成了含N-烯丙基的苯并噁嗪中间体[36]，并申请了专利，其反应式如下：2004年，Chang等分别采用一步法和两步法合成了含有倍半硅氧烷(POSS)官能团的苯并噁嗪中间体[37]，其反应式如下：2006年，Chang等又采用两步法合成了一种新的含有倍半硅氧烷(POSS)官能团的苯并噁嗪中间体[38]，其反应式如下：同年，余鼎声等利用含胺基的倍半硅氧烷作为胺源合成了含有倍半硅氧烷(POSS)官能团的苯并噁嗪中间体[39]，并申请专利，其反应式如下：2007年，Yu等在其发表的专利的基础上合成了一种含有倍半硅氧烷(POSS)官能团的苯并噁嗪中间体[40]，并研究其与BA-a共混的性能，其反应式如下：Nair等使用双邻烯丙基双酚A作为酚源，合成了2,2’-双(8-烯丙基-3-苯基-3,4-二氢-2H-1,3-苯并噁嗪基)丙烷[41]，其反应式如下：Ishida等使用线形脂肪族二胺作为胺源，合成了一系列苯并噁嗪中间体[42]，其反应式如下：2.2.2三嗪路线1999年，Ishida等采用三嗪路线合成2,2’-双(3,4-二氢-3-苯基/烷基-2H-1,3-苯并噁嗪基)丙烷[43]，并研究了其反应机理，其反应式如下：2003年，Galia`等采用三嗪路线合成了苯并噁嗪改性酚醛树脂，研究了三嗪与酚醛树脂中酚羟基的配比对其固化特性的影响[44]，其反应式如下：2007年，Yang等采用含烯丙基的胺和含有马来酰亚胺基团的酚合成了同时含有烯丙基和马来酰亚胺基团的苯并噁嗪[45]，其反应式如下：同年，他们又采用3,5二烯丙氧基胺合成了另一种同时含两个烯丙基和一个马来酰亚胺基团的苯并噁嗪[46]，并申请了专利，其反应式如下：2.3悬浮法悬浮法是在以水为分散介质、悬浮剂作用下，将甲醛水溶液、酚、伯胺进行反应，高速搅拌造粒，降温后洗涤、过滤、干燥，获得粒状苯并噁嗪中间体的方法。由于悬浮法以水为分散介质，因而降低了生产成本，避免因溶剂带来的环境污染。另外，采用这种合成方法还具有反应平稳、收率高以及易于实现连续化生产等优点。顾宜等人采用悬浮法的工艺，在水为反应介质中，制备的粒状双/多环苯并噁嗪中间体[47]，结构如下所示：还制备了植物油改性苯并噁嗪中间体[48]，结构如下所示：2.4其它合成路线和方法2002年，Katritzky等使用正烷基锂作为催化剂，合成了苯并硫氮杂卓[49]，用同样的方法也能合成出苯并噁嗪，其反应式如下：2005年，Yagci等采用ATRP的方法合成了二胺封端的聚苯乙烯，从而合成了苯并噁嗪封端的聚苯乙烯[50]-[52]，其反应式如下：同年，Belostotskaya等采用Duff反应合成了苯并噁嗪[53]，其反应式如下：3.小结溶液法具有反应体系粘度较低，混合均匀，温度容易控制等优点，而且具有较高的产率。但是，溶液法也有设备生产能力和利用率低、溶剂分离回收费用高等缺点，如今全球对环保的重视程度越来越高，这种方法的弊端显得日益严重。悬浮法以水为介质进行反应，虽然不需要使用溶剂，但是在反应体系中大量的污水也是需要回收处理的。因此，在很大程度上，无溶剂法代替溶液法和悬浮是一个必然的趋势。但是无溶剂法反应温度相对较高，产率和产物的纯度都相对较低，低聚物含量较高，这严重影响了产品的质量，因此如何通过合成来控制反应的进行，从而提高产率和纯度，减少低聚物的产生是一个很有意义的工作。另外，开发新的合成路线(如2008年开发的水杨醛路线，大大提高了单体纯度)，或者是将现有的其它方法(如ATRP)引入苯并噁嗪的合成中都是值得重视和研究的。参考文献[1]XinNing,HatsuoIshida.JournalofPolymerScience:PartAPolymerChemistry,Vol.32,1121-1129(1994).[2]ShyanBobShen,HatsuoIshida.JournalofAppliedPolymerScience,Vol.61,1595-1605(1996).[3]Ha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