N-甲基二乙醇胺的異常反應(yīng)
在有機(jī)合成反應(yīng)中常使用甲基磺酰氯與醇反應(yīng),將羥基轉(zhuǎn)化為易于離去的甲磺酸酯基。在近期的實(shí)驗(yàn)中,我們卻發(fā)現(xiàn)N-甲基二乙醇胺同甲基磺酰氯反應(yīng)生成的是羥基被氯取代的產(chǎn)物。我們?cè)O(shè)計(jì)了一系列實(shí)驗(yàn)推測(cè)生成氯取代產(chǎn)物的關(guān)鍵原因是在反應(yīng)過程中生成了三元環(huán)的氮鎓離子過渡態(tài),而形成這一過渡態(tài)必須滿足的條件是:氮原子與羥基之間相隔兩個(gè)碳原子,氮原子有足夠的電子云密度,氮原子周圍的空間位阻不能太大。
關(guān)鍵詞
N-甲基二乙醇胺;甲基磺酰氯;氯取代;氮鎓離子
在有機(jī)合成反應(yīng)中,醇類作為親核取代反應(yīng)的底物時(shí),羥基并不是一個(gè)好的離去基團(tuán),因此常使用甲基磺酰氯與醇反應(yīng),將羥基轉(zhuǎn)化為易于離去的甲磺酸酯基,常見的反應(yīng)方程式如圖式1。然而,我們?cè)谟眉谆酋B韧琋-甲基二乙醇胺反應(yīng)時(shí),產(chǎn)物的1HNMR譜圖中并未發(fā)現(xiàn)甲基磺酰基中甲基的單峰,表明兩者并未生成甲基磺酸酯,而分析證實(shí)產(chǎn)物為N,N-二(2-氯乙基)甲胺,也就是俗稱的氮芥,即發(fā)生了羥基被氯取代的反應(yīng)。通常,羥基被氯取代的反應(yīng)是通過醇類與二氯亞砜反應(yīng)實(shí)現(xiàn)的,該反應(yīng)可以高效、單一地生成氯取代產(chǎn)物[1~4],而尚未見有文獻(xiàn)報(bào)道醇類與甲基磺酰氯反應(yīng)生成氯取代產(chǎn)物。本文對(duì)生成氯代產(chǎn)物的原因進(jìn)行了較為深入的研究,設(shè)計(jì)了一系列實(shí)驗(yàn)考察了分子結(jié)構(gòu)對(duì)稱性、氮原子和氮原子上取代基對(duì)反應(yīng)的影響,以期對(duì)其形成的機(jī)理進(jìn)行推測(cè)。
1實(shí)驗(yàn)部分
1.1N,N-二(2-氯乙基)甲胺(1)的合成
1.1.1以三乙胺為溶劑向干燥的100mL單口瓶中加入1.00g(8.5mmol)N-甲基二乙醇胺,2.58g(25.5mmol)三乙胺和50mL二氯甲烷,冰浴攪拌下滴加2.92g(25.5mmol)甲基磺酰氯,滴加完畢后,室溫下攪拌反應(yīng)3h。反應(yīng)結(jié)束后減壓蒸除溶劑二氯甲烷后得到粗品,經(jīng)柱層析(乙酸乙酯/石油醚=1∶8,V/V)分離,濃縮后得到1.11g無色油狀物。
1.1.2以三氯甲烷為溶劑向干燥的100mL單口瓶中加入1.00g(8.5mmol)N-甲基二乙醇胺的氯仿溶液40mL,冰浴下滴加3.03g(25.5mmol)二氯亞砜的氯仿溶液10mL,常溫下攪拌3h。反應(yīng)結(jié)束后減壓蒸除溶劑氯仿,加入K2CO3水溶液調(diào)節(jié)pH到9,經(jīng)柱層析(乙酸乙酯/石油醚=1∶8,V/V)分離,濃縮后得到1.42g無色油狀物。
1.2N,N-二羥乙基苯甲胺(2)的合成向干燥的250mL單口瓶中加入5.20g(49.5mmol)二乙醇胺、5.69g(45mmol)氯化芐100mL、1,4-二氧六環(huán)和碳酸鉀6.21g(45mmol),回流溫度下攪拌2h。反應(yīng)結(jié)束后旋蒸除去溶劑,加入200mL二氯甲烷,用1mol/LNaOH水溶液(100mL×2)洗滌,無水硫酸鎂干燥后過濾,得粗品,經(jīng)柱層析(甲醇/乙酸乙酯=1∶15,V/V)分離,濃縮后得到7.57g無色油狀物,產(chǎn)率86.1%。
1.3N,N-二(2-氯乙基)苯甲胺(3)的合成采用與1.1.2類似的方法合成了化合物3,反應(yīng)完畢后用1mol/LNaOH水溶液(100mL×2)洗滌,無水硫酸鎂干燥后過濾,減壓蒸除溶劑氯仿,得無色油狀物4.54g,產(chǎn)率為97.3%。
1.4二乙二醇二甲基磺酸酯(4)的合成采用與1.1.1類似的方法合成了化合物4,反應(yīng)完畢后用1mol/L鹽酸(50mL×2)洗滌,無水硫酸鎂干燥后過濾,減壓蒸除溶劑二氯甲烷,得粗品,經(jīng)柱層析(乙酸乙酯:石油醚=1∶1),濃縮后得到1.16g無色油狀物,產(chǎn)率為81.0%。
1.51,5-戊二醇二甲基磺酸酯(5)的合成采用與1.1.1類似的方法合成了化合物5,反應(yīng)完畢后用1mol/L鹽酸(50mL×2)洗滌,無水硫酸鎂干燥后過濾,減壓蒸除溶劑二氯甲烷,得粗品,經(jīng)柱層析(乙酸乙酯:石油醚=1∶1)分離,濃縮后得到1.13g無色油狀物,產(chǎn)率為79.7%。
1.6N-甲基-N-(2-氯乙基)芐胺(6)的合成采用與1.1.1類似的方法合成了化合物6,反應(yīng)完畢后用1mol/LNaOH水溶液(50mL×2)洗滌,無水硫酸鎂干燥后過濾,濃縮后得無色油狀物2.30g,產(chǎn)率為83.5%。
2結(jié)果與討論
眾所周知,在有機(jī)合成中,甲基磺酰氯是一種很常用的羥基活化試劑,使用甲基磺酰氯與醇類反應(yīng),可以使醇羥基轉(zhuǎn)化為更易于離去的甲磺酸酯基。但是,我們?cè)诮诘难芯抗ぷ髦邪l(fā)現(xiàn),使用甲基磺酰氯分別與N-甲基二乙醇胺和N-芐基二乙醇胺反應(yīng)時(shí),產(chǎn)物(即圖式2和圖式5)的1HNMR譜圖中均沒有甲磺?;霞谆姆?。同時(shí)我們?cè)谄浼t外譜圖中也沒有發(fā)現(xiàn)1380~1347cm-1和1193~1170cm-1處的SO伸縮振動(dòng)的特征吸收峰。這說明這兩個(gè)反應(yīng)均沒有得到預(yù)期的磺酸酯產(chǎn)物。根據(jù)1HNMR譜圖的數(shù)據(jù),我們懷疑上述反應(yīng),可能生成了分子內(nèi)環(huán)合的產(chǎn)物,或者生成了羥基被氯取代的產(chǎn)物。因此,我們將由圖式2所得化合物的質(zhì)譜譜圖分別與N-甲基二乙醇胺和二氯亞砜反應(yīng)的產(chǎn)物和N-甲基嗎啉[5]的質(zhì)譜譜圖進(jìn)行了對(duì)比,同時(shí)將圖式5所得化合物的質(zhì)譜譜圖分別與N,N-二(2-羥乙基)苯甲胺和純的N-芐基嗎啉[6]的質(zhì)譜譜圖進(jìn)行對(duì)比。很顯然,對(duì)比結(jié)果表明上述兩個(gè)反應(yīng)沒有發(fā)生分子內(nèi)環(huán)合,而是得到了羥基被氯取代的產(chǎn)物。我們又使用N-甲基-N-(2-羥乙基)芐胺與甲基磺酰氯反應(yīng),通過核磁數(shù)據(jù)和紅外譜圖的驗(yàn)證,證明得到的也是羥基被氯取代的產(chǎn)物,即N-甲基-N-(2-氯乙基)芐胺(化合物6),這說明生成氯取代產(chǎn)物并不需要底物的結(jié)構(gòu)對(duì)稱。
我們猜測(cè)此類反應(yīng)的發(fā)生可能與N原子的存在有關(guān),為了驗(yàn)證這一猜測(cè),我們將N-甲基二乙醇胺中的氮原子換為氧原子或碳原子進(jìn)行了相同的反應(yīng)。我們用二乙二醇和1,5-戊二醇分別與甲基磺酰氯反應(yīng),通過核磁數(shù)據(jù)和紅外譜圖確認(rèn)了二者均很順利的獲得了雙磺酸酯結(jié)構(gòu)的產(chǎn)物。這說明N-甲基二乙醇胺中的氮原子是導(dǎo)致氯取代產(chǎn)物生成的關(guān)鍵因素。為了弄清N原子上的取代基對(duì)這一反應(yīng)的影響,我們查閱了文獻(xiàn),發(fā)現(xiàn)圖式10中的化合物在與甲基磺酰氯反應(yīng)時(shí),均可以得到甲磺酸酯,并沒有發(fā)生氯取代反應(yīng)。即,若將氮原子上的甲基、芐基換為苯基或帶有取代基的苯基[7~10],或者把氮原子與羥基之間的碳鏈延長[11,12],就會(huì)得到正常的甲基磺酸酯產(chǎn)物。綜上所述,我們可以大致的推測(cè)出N-甲基二乙醇胺與甲基磺酰氯反應(yīng)時(shí)生成氯取代產(chǎn)物的機(jī)理。在這一反應(yīng)機(jī)理中,形成三元環(huán)的氮鎓離子過渡態(tài)是為關(guān)鍵的一步,若要形成這一過渡態(tài),必須滿足以下條件:(1)氮原子與羥基之間相隔2個(gè)碳原子;(2)氮原子需有足夠的電子云密度;(3)氮原子周圍的空間位阻不能太大。要形成氮鎓離子過渡態(tài),以上這3個(gè)條件缺一不可。因此,上圖中的化合物11,12由于氮原子與羥基相隔3個(gè)碳原子,不能形成這一過渡態(tài),所以在與甲基磺酰氯反應(yīng)時(shí)沒有得到氯取代產(chǎn)物;而化合物7~10的氮原子直接與苯基相連,這一點(diǎn)違背了上述條件(2)(3),因而也不能形成三元環(huán)過渡態(tài)。
3結(jié)論
本文對(duì)N-甲基二乙醇胺與甲基磺酰氯反應(yīng)時(shí)生成氮芥的反應(yīng)進(jìn)行了分析和研究,經(jīng)過一系列實(shí)驗(yàn)推測(cè)了這一反應(yīng)的反應(yīng)機(jī)理,其中的關(guān)鍵步驟是形成氮鎓正離子過渡態(tài),形成這一過渡態(tài)的必要條件是(1)氮原子與羥基之間相隔2個(gè)碳原子;(2)氮原子需有足夠的電子云密度;(3)氮原子周圍的空間位阻不能太大。