以醋酸酐为溶剂, 将9, 9-二(4-羟基苯基)呫吨与浓硝酸在15 ℃左右发生硝化反应1.5 h, 形成中间体—9, 9-二(3-硝基-4-羟基苯基)呫吨, 产率为88.5%;继而以Pd/C 为催化剂, 80%的水合肼为还原剂, 在乙醇和1, 4-二氧六环混合溶剂中, 于70 ℃将中间体进行还原反应10 h, 得到目标产物9, 9-二(3-氨基-4-羟基苯基)呫吨, 产率为90.8%, 两步反应总收率为80.4%。 中间体与目标化合物经NMR、FTIR和元素分析等确定了它们的结构。
Treatment of 9, 9-bis(4-hydroxyphenyl)xanthene(1) with nitric acid(69% mass fraction) in acetic anhydride at 15 ℃ for 1.5 h afforded the intermediate, 9, 9-bis(3-nitro-4-hydroxyphenyl)xanthene(2) in 88.5% yield. Compound 2 was then reduced to the target, 9, 9-bis(3-amino-4-hydroxyphenyl)xanthene(3) in 90.8% yield by hydrazine hydrate in the presence of catalytic amount of Pd/C at 70 ℃ for 10 h in ethanol/dioxane mixed solvents. The two-step overall yield of compound 3 is about 80.4%(based on compound 1). The structures of intermediate 2 and target compound 3 were characterized by NMR, IR and elemental analysis.
芳香族聚苯并噁唑(PBO)是一类具有优良热稳定性的芳杂环聚合物, 在薄膜、纤维业、宇航业、改性复合材料以及碳纤维母体等方面有着广泛的应用。 PBO树脂通常由芳香族双(邻氨基苯酚)与芳香族二元羧酸或其衍生物的缩聚反应而制得[1, 2]。 但是, 传统芳香族PBO的难溶性(只能溶解于少数强酸, 如浓硫酸等)和难加工性, 使其应用受到了很大的限制。 为此, 研究者通过在聚合物分子主链中引入柔性基团[3, 4]、取代基[5, 6]等对其进行了结构改性, 使PBO的溶解性能得到不同程度地改善, 但往往使其耐热性下降。 研究表明, 将1, 1-二苯基环己烷、9, 9-二苯基芴等环形结构引入大分子链中[7, 8], 不仅赋予了此类Cardo型PBO更好的溶解性, 且能保持其优良的热学和力学性能等。 其中, 含Cardo结构的双邻氨基酚单体是制备相应聚合物的关键。 在前期工作中, 我们探索了9, 9-二(4-羟基苯基)呫吨等含呫吨结构双酚化合物的制备方法[9, 10], 从结构上分析, 如果在PBO分子骨架上引入呫吨结构单元, 有望获得综合性能优异的PBO新品种。 因为9, 9-二苯基呫吨结构单元中的多苯杂环结构有利于聚合物保持较高的热稳定性, 聚合物大分子链中侧挂的氧杂蒽结构具有更大的键旋转位垒, 可使聚合物具有较高的玻璃化转变温度。 同时, 这种Cardo型结构降低了大分子链的堆叠密度, 破坏了分子链的规整性, 因而能使聚合物具有很好的溶解性。 为了制备该类新型的PBO, 先从9, 9-二(4-羟基苯基)呫吨(1)出发, 经过硝化、还原两步反应, 合成了一种新型含Cardo结构的双邻氨基酚单体— 9, 9-二(3-氨基-4-羟基苯基)呫吨(3)(如Scheme 1所示)。

Scheme 1 The synthetic route to 9, 9-bis(3-amino-4-hydroxyphenyl)xanthene(3)
9, 9-二(4-羟基苯基)呫吨按文献[9]方法制备; 浓硝酸(69%)、乙酸酐、水合肼(80%)、Pd/C(10%)、1, 4-二氧六环等为市售分析纯试剂(上海达瑞精细化学品有限公司), 直接使用。
XT4A型显微熔点测定仪(北京科仪电光仪器公司), 温度未经校正; Perkin Elmer SP One FTIR光谱仪(美国Perkin Elmer公司); Avance-400MHz型核磁共振仪(德国Bruker公司), CDCl3为溶剂, TMS为内标; Vario EL III型元素分析仪(德国Elementar公司); EI-MS MS-7070型质谱仪(英国VG公司)。
1.2 9, 9-二(3-硝基-4-羟基苯基)呫吨(2)的制备
将9, 9-二(4-羟基苯基)呫吨(1)(3.67 g, 10 mmol)和乙酸酐(15 mL)加入250 mL的三口烧瓶中, 室温搅拌至完全溶解, 后用冰水浴冷却, 向反应体系中缓慢滴加69%的浓硝酸(1.5 mL), 在15 min内滴加完毕, 控制温度在15 ℃左右, 并搅拌1.5 h。 反应结束后, 缓慢加入碳酸钠溶液(1 mol/L)至溶液显弱酸性, 继续搅拌2 h, 析出黄色固体。 过滤, 水洗至中性, 粗产品用无水乙醇和DMF混合溶剂(体积比4∶ 1)重结晶, 得到黄色晶体2(4.04 g), 产率88.5%, 熔点232234 ℃; 1H NMR(CDCl3, 400MHz), δ :10.61(s, 2H), 7.60(s, 1H), 7.59(s, 1H), 7.377.31(m, 4H), 7.23(d, J=8.0 Hz, 2H), 7.147.09(m, 4H), 6.87(d, J=7.6 Hz, 2H); 13C NMR(CDCl3, 100 MHz), δ :154.21, 152.34, 138.78, 137.32, 132.91, 129.13, 127.80, 125.48, 123.72, 120.29, 117.21, 52.83; FTIR(KBr), σ /cm-1: 3439(N— O), 3272(O— H), 3080(Ar— H), 1579, 1474( 
1.3 9, 9-二(3-氨基-4-羟基苯基)呫吨(3) 的制备
在N2气保护下, 将化合物2(4.56 g, 10 mmol) 溶于无水乙醇和1, 4-二氧六环的混合溶剂(25 mL, 体积比1∶ 1)中, 加入10%的Pd/C(0.20 g), 缓慢升温至70 ℃后, 滴加80%的水合肼(5 mL)(30 min内滴加完毕), 维持此温度搅拌反应10 h。 稍微冷却后, 趁热过滤, 除Pd/C, 在不断搅拌下, 将滤液缓缓注入冷水中, 析出白色固体, 再用乙醇和水混合溶剂(体积比2∶ 1)重结晶, 得到白色晶体3(3.60 g), 产率90.8%, 熔点205207 ℃。 1H NMR(DMSO-d6, 400 MHz), δ : 8.95(s, 2H), 7.26(t, J=7.2 Hz, 2H), 7.137.04(m, 4H), 6.94(d, J=7.6 Hz, 2H), 6.50(d, J=8.0 Hz, 2H), 6.23(s, 2H), 5.87(d, J=8.0 Hz, 2H), 4.40(s, 4H); 13C NMR(CDCl3, 100 MHz), δ :151.99, 142.95, 137.68, 136.14, 131.63, 130.82, 127.87, 123.71, 118.50, 116.60, 116.15, 113.52, 53.13; FTIR(KBr), σ /cm-1: 3455(O— H), 3368, 3317(NH2), 3072(Ar— H), 1597, 1475( 
在硝化反应中, 考察了反应温度、反应时间和溶剂(1, 2-二氯乙烷、乙酸和乙酸酐)对反应的影响(表1)。 从表1可知, 以乙酸酐为溶剂, 在15 ℃左右搅拌反应约1.5 h, 可高产率(88.5%)获得9, 9-二(3-硝基-4-羟基苯基)呫吨(2)。 实验表明, 反应温度过低会导致反应不完全; 温度过高, 反应速度会加快, 但产品易被氧化, 产生大量焦油状物, 发生副反应, 目标产品收率下降; 此外, 反应时间延长, 产率也会有所下降, 还会增加多硝基苯酚的生成。
| 表1 硝化反应条件的优化 Table 1 Optimization of nitration reaction conditionsa |
芳香族硝基化合物还原制备芳胺的方法较多。 其中, 水合肼还原方法具有设备简单、反应条件温和、产品收率高、不产生废气废渣等优点[11]。 以Pd/C为催化剂, 80%的水合肼为还原剂, 研究了9, 9-二(3-硝基-4-羟基苯基)呫吨(2)的还原过程。 由于化合物2在水中的溶解度太小, 而采用水合肼还原, 其反应介质含有水, 因而需要加入合适的有机溶剂。 显然, 采用氯仿、乙酸乙酯等与水互溶性差的有机溶剂难以获得理想的还原效果。 在综合文献[11]和初步实验的基础上, 选择了乙醇和1, 4-二氧六环混合溶剂。 此外, 反应温度、催化剂用量也是影响还原反应的主要因素。 温度高, 反应快, 但副反应多; 催化剂用量少, 产品收率低, 催化剂用量大, 成本提高。 通过对水合肼和Pd/C的用量、反应温度、反应时间等几个方面进行反复实验和条件优化, 以高产率(90.8%)获得了9, 9-二(3-氨基-4-羟基苯基)呫吨(3)(表2, Entry 6)。
| 表2 9, 9-二(3-硝基-4-羟基苯基)呫吨(2)还原反应的实验结果 Table 2 Reduction of 9, 9-bis(3-nitro-4-hydroxyphenyl)xanthene(2)a |
将9, 9-二(4-羟基苯基)呫吨与浓硝酸在醋酸酐中于15 ℃左右进行硝化反应; 继而以Pd/C 为催化剂, 80%的水合肼为还原剂, 在乙醇和1, 4-二氧六环混合溶剂中, 于70 ℃实施还原反应, 以80.4%的总收率合成了一种新的双邻氨基酚单体— 9, 9-二(3-氨基-4-羟基苯基)呫吨。 该法具有操作简单, 反应条件温和, 收率高等优点。
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