一种组合反应器及利用该组合反应器制备吡唑基苯甲醛缩对苯二胺双席夫碱的方法

摘要

本发明涉及一种组合反应器及利用该组合反应器制备吡唑基苯甲醛缩对苯二胺双席夫碱的方法，该反应器主要包括带有真空舱的可精确控温的加热磁力搅拌器及配套反应装置，利用该装置可以精确控温并克服了传统席夫碱合成过程中局部过激反应、反应不充分、液体飞溅等问题，同时公开了用该反应器制备吡唑基苯甲醛缩对苯二胺双席夫碱的方法，所获得的双席夫碱具有更大共轭π结构，提高了反应的效率，节省了反应时间。

说明书

技术领域

本发明涉及化学实验设备和化工合成领域，具体涉及一种组合反应器及利用该组合反应器制备吡唑基苯甲醛缩对苯二胺双席夫碱的方法。

背景技术

席夫碱主要是指含有亚胺或甲亚胺特性基团(-RC＝N-)的一类有机化合物，有着特殊的共轭结构、良好的化学配位性能，其部分金属配合物具有良好的荧光性能而被作为荧光探针应用于识别金属离子，引起了人们较为深入的理论和合成应用研究。

大部分的席夫碱合成均需要在封闭体系中进行反应，一般常采用多口烧瓶作为反应容器，而常规的多口烧瓶中间开口为配合搅拌器，而其他接口一般会连接滴液漏斗或回流管等其他设备，其中滴液漏斗的应用最为广泛，其可以将需要逐步添加的反应液体以滴加的形式加入到烧瓶中参与反应，同时还可以起到隔绝外界环境的作用，一般在滴液漏斗的出液口位置设置有磨口，通过该磨口即可与多口烧瓶的烧瓶口密闭连接。但是由于滴液漏斗连接的烧瓶口一般均为倾斜口，这就导致了滴液漏斗也是倾斜插入烧瓶，而滴加的液体也会集中在滴液漏斗一侧，加之在下落过程中的液滴四溅，这都会导致局部反应液的浓度过高，使得烧瓶内局部发生剧烈反应，局部发生不完全反应，这些都会影响最终席夫碱合成的收率。

另外，在进行席夫碱合成实验时，需要对温度进行精确的控制，这对于合成实验的结果有着十分重要的意义，同时有些情况下还需要进行相同温度下不同投料量的对比试验以确定最佳配比，在上述情况下，需要对反应温度进行精确的控制，使多个反应的温度达到完全一致，确保最终结果的精确度，但是现有的加热装置是无法满足这一点的，这就导致了合成过程中温度的波动，导致最终合成效果低于预期效果，更为重要的是使得对比试验失去了其原有的价值，无法为合成提供足够的指导。

综上所述，传统的席夫碱合成过程存在反应过激、准确度差、精确度差、温控响应也较差的问题，同时如何获得功能更好的双席夫碱也是本领域亟待解决的难题。

发明内容

本发明针对现有技术存在的诸多不足之处，提供了一种组合反应器及利用该组合反应器制备吡唑基苯甲醛缩对苯二胺双席夫碱的方法，该反应器主要包括带有真空舱的可精确控温的加热磁力搅拌器及配套反应装置，利用该装置可以精确控温并克服了传统席夫碱合成过程中局部过激反应、反应不充分、液体飞溅等问题，同时公开了用该反应器制备吡唑基苯甲醛缩对苯二胺双席夫碱的方法，所获得的双席夫碱具有更大共轭π结构，提高了反应的效率，节省了反应时间。

本发明的具体技术方案是：

一种组合反应器，包括可精确控温的磁力搅拌器和置于磁力搅拌器中的反应器，所述反应器为三口烧瓶，所述烧瓶上安装有滴液漏斗，所述滴液漏斗内安装有缓流接头；

其中所述磁力搅拌器包括基座和设置在基座上油浴锅，所述油浴锅外侧设置有真空舱，且所述油浴锅上设置有控制系统，可以实现电磁搅拌和油浴加热的同步进行；

所述的滴液漏斗内的缓流接头，该缓流接头包括与滴液漏斗出液口紧密连接的接头，接头下部设置有过渡段，所述过渡段下端连接有软管；所述接头外侧上部设置有外螺纹，通过该外螺纹连接有可上下移动的螺母基座，所述基座上设置有至少四个弹性支架；

所述的弹性支架顶端设置有弧形压板；

为了配合磁力搅拌器使用，所述反应器内还设置有转子，同时还可以在三口烧瓶上设置温度计等常规反应装置，发明人在此不再赘述；

采用上述结构的反应器，可以起到如下效果：

采用这种结构的磁力搅拌器后，每套油浴锅外侧设置有单独的真空舱，利用该舱室可以在反应时抽真空，从而在油浴锅外侧实现真空状态，利用真空隔热的原理将外界影响因素隔绝，使得油浴锅内的温度可以仅根据设定调控，实现了精准控制；且所述的真空舱上设置有两个抽真空口，采用这种设计可以连接外设的真空控制装置并在最短时间内实现真空状态，同时更为重要的是，对于某些需要快速降温的实现，可以通过这两个抽真空口连接冷媒循环装置，通过冷气体对油浴锅进行快速降温，实现了油浴锅的气冷，较之先现有技术中的水冷可以避免对油浴锅外壁和整个设备的腐蚀，同时提高了冷却速率，适合需要快速降温的反应使用；而当需要进行不同温度下的正交试验或相同温度下不同投料量的对比试验时，只需并列设置多个相同规格的上述磁力搅拌器同时进行实验即可；

所述控制系统包括温控开关、转速开关和显示屏，通过温控开关控制油浴锅的温度，通过转速开关控制磁力搅拌的速度；而油浴锅内则设置有与之对应的电加热器和电磁托盘，实现加热和磁力搅拌的单独控制；

而采用上述结构的缓流接口，可以与市面上各种型号的滴液漏斗配合使用，只需滴液漏斗底部设置有磨口，同时滴液漏斗出液口尺寸配合即可；使用时首先按照滴液漏斗磨口大小以及出液口漏出磨口的情况调整螺母基座的位置，只需旋转螺母基座即可实现，之后按压弹性支架使其收紧，然后将接头插入到滴液漏斗出液口上与之紧密连接，然后松开支架，支架顶端设置的弧形压板在弹性支架弹力的作用下与磨口内壁紧密挤压在一起，从而将整个缓流接头固定在磨口内，确保接头与出液口持续紧密连接，之后即可将整个缓流接头配合滴液漏斗插入到多口烧瓶中，使软管伸入到烧瓶内液面之下，所述软管尺寸可根据烧瓶内液面情况随机选择不同长度的软管进行替换；这样当反应进行开始滴加反应液时，滴加下的液滴进入接口，然后通过过渡段进入到软管中，由于过渡段为变径结构，使得液滴进入软管时形成持续的流体，加之软管的虹吸效果，使上述流体持续而稳定的加入到烧瓶的反应液液面之下，从而实现反应的稳定均匀进行，克服了现有滴液漏斗导致的局部过激反应的缺陷，而针对本发明所涉及的吡唑基苯甲醛缩对苯二胺双席夫碱的合成反应，则可以避免反应过程中对氟苯甲醛等反应物加入时导致局部过激反应的问题，提高整个合成反应的收率；

为了配合反应的要求，一般选择整个缓流接头均采用聚四氟乙烯材料制备，或者通过常规材料制备，然后在材料表层喷涂聚四氟乙烯涂层的方式实现，从而使整个接头具备极好的耐高温和耐腐蚀性能。

在提供了上述专用组合反应器后，发明人又进一步提供了利用该组合反应器制备吡唑基苯甲醛缩对苯二胺双席夫碱的方法，具体步骤如下：

1)打开磁力搅拌器温控装置和真空控制装置，使油浴锅内温度升至设定温度100～120℃；

2)称取吡唑和碳酸钾溶于溶剂，其中吡唑与碳酸钾的摩尔比为1:1～1:2；吡唑与溶剂的摩尔比为1:25～1:35；

3)将上述溶液加入到装有转子、温度计和带有缓流接头的滴液漏斗的三口烧瓶中，将三口烧瓶置于1)中磁力搅拌器上，于100～120℃恒温搅拌下反应30min后，通过带有缓流接头的滴液漏斗向混合溶液中滴加对氟苯甲醛，继续反应10～12h，之后通过磁力搅拌器真空舱上的两个抽真空口连接冷媒循环装置，通入过冷气体对油浴锅进行快速降温，析出吡唑基苯甲醛粗品，过滤后将上述吡唑基苯甲醛粗品用无水乙醇重结晶，40～50℃真空干燥，即得吡唑基苯甲醛；

4)称取对苯二胺和步骤3)得到的吡唑基苯甲醛溶于溶剂得混合溶液；其中吡唑基苯甲醛与对苯二胺的摩尔比为2:1～4:1；所述的吡唑基苯甲醛与溶剂的摩尔比为1:10～1:20；

5)称取冰醋酸通过带有缓流接头的滴液漏斗滴加到步骤4)所述的混合溶液中，其中冰醋酸与吡唑基苯甲醛的摩尔比为1:2～1:3，在70～85℃下恒温反应3～4h，减压蒸馏除去溶剂，得到黄色粉末状固体，用甲醇、无水乙醇、氯仿或乙酸乙酯重结晶提纯，真空干燥即得吡唑基苯甲醛缩对苯二胺双席夫碱。

上述步骤中所述的溶剂为N,N-二甲基甲酰胺、二甲基亚砜、无水乙醇中的一种；

优选的，步骤3)中吡唑和对氟苯甲醛的摩尔比为1:1～2:1；

优选的，步骤4)所述的吡唑基苯甲醛与对苯二胺的摩尔比为2:1；

上述的吡唑基苯甲醛缩对苯二胺双席夫碱的合成路线如下：

本发明与传统双席夫碱制备方法相比具有以下优点：

1、本发明设计了专用的组合反应器来进行反应，其中装置采用带有缓流接头的滴液漏斗，采用这种结构的缓流接头软管，将整个缓流接头配合滴液漏斗接到到三口烧瓶上，使软管伸入到烧瓶内液面之下，当开始滴加反应液时，液滴进入软管形成持续的流体，加之软管的虹吸效果，使上述流体持续而稳定的加入到烧瓶的反应液液面之下，从而实现反应的稳定均匀进行，克服了现有席夫碱合成过程中对氟苯甲醛和冰醋酸加入是造成局部过激反应、反应不充分、液体飞溅等缺陷，提高了反应的效率和收率。

2、所述组合式反应器中采用带有真空舱可精确控温的加热磁力搅拌器，利用真空舱可以在反应时抽真空，从而在油浴锅外侧实现真空状态，利用真空隔热的原理将外界影响因素隔绝，使得油浴锅内的温度可以仅根据设定调控，实现了吡唑基苯甲醛缩对苯二胺双席夫碱合成反应过程温度的精准控制；真空舱上设置有两个抽真空口，采用这种设计可以在最短时间内实现真空状态，同时更为重要的是，可以通过这两个抽真空口连接冷媒循环装置，通过冷气体对油浴锅进行快速降温，实现了油浴锅的快速气冷，可以现实整个反应体系的快速降温，实现了吡唑基苯甲醛的粗品直接析出，方便了后续重结晶的操作，挺高了反应的收率。

3、所获得的吡唑基苯甲醛缩对苯二胺双席夫碱经试验证明对铝离子具有很好的特异选择性，检测限已达到纳米级，同时具有快速响应的特点，可以将该化合物用于相应铝离子检测的荧光探针制备过程中。

附图说明

图1为本发明所述组合反应器中磁力搅拌器的结构示意图；

图2为本发明所述组合反应器中磁力搅拌器的俯视图；

图3为图2中A-A的结构剖视图；

图4为本发明所述组合反应器中缓流接头的结构示意图；

图5为本发明所述缓流接头上螺母基座的结构俯视图；

图6为本发明所述缓流接头使用状态参考图；

图7为本发明所得吡唑基苯甲醛缩对苯二胺双席夫碱的核磁共振氢谱图；

图8是本发明所得吡唑基苯甲醛缩对苯二胺双席夫碱对不同金属离子的紫外吸收光谱图，其中横坐标为吸收波长，纵坐标为吸收强度；

图9是本发明所得吡唑基苯甲醛缩对苯二胺双席夫碱对金属离子选择性的荧光谱图，其中横坐标为发射波长，纵坐标为荧光强度；

图10是本发明所得吡唑基苯甲醛缩对苯二胺双席夫碱对不同铝离子浓度的荧光响应的关系曲线，其中横坐标为发射波长，纵坐标为荧光强度；

图1-6中1-1为基座，1-2为抽真空口，1-3为真空舱，1-4为温控开关，1-5为转速开关，1-6为显示屏，1-7为油浴锅，1-8为电磁托盘，1-9为电加热器；

2-1为接头，2-2为外螺纹，2-3为螺母基座，2-4为弧形压板，2-5为弹性支架，2-6为过渡段，2-7为软管，2-8为滴液漏斗，2-9为活塞，2-10为磨口，2-11为出液口。

具体实施方式

实施例1

一种组合反应器，包括可精确控温的磁力搅拌器和置于磁力搅拌器中的反应器，所述反应器为三口烧瓶，所述烧瓶上安装有滴液漏斗，所述滴液漏斗内安装有缓流接头；

其中如图1-6所示，可精确控温的磁力搅拌器包括基座1-1和设置在基座1-1上的油浴锅1-7，所述油浴锅1-7外侧均设置有真空舱1-3，且所述油浴锅1-7上设置有控制系统；

所述的真空舱1-3上设置有两个抽真空口1-2；

所述控制系统包括温控开关1-4、转速开关1-5和显示屏1-6，通过温控开关1-4控制油浴锅的温度，通过转速开关1-5控制磁力搅拌的速度，而油浴锅内则设置有与之对应的电加热器1-9和电磁托盘1-8，实现加热和磁力搅拌的单独控制；

所述缓流接头包括与滴液漏斗出液口2-11紧密连接的接头2-1，接头2-1下部设置有过渡段2-6，所述过渡段2-6下端连接有软管2-7；所述接头2-1外侧上部设置有外螺纹2-2，通过该外螺纹2-2连接有可上下移动的螺母基座2-3，所述基座2-3上设置有至少四个弹性支架2-5；

所述的弹性支架2-5顶端设置有弧形压板2-4；

所述的弹性支架2-5彼此间呈90°分布在螺母基座2-3上；

使用时按压弹性支架2-5使其收紧，然后将接头2-1插入到滴液漏斗2-8出液口2-11上与之紧密连接，然后松开支架，支架顶端设置的弧形压板2-4在弹性支架弹力的作用下与磨口2-10内壁紧密挤压在一起，从而将整个缓流接头固定在磨口2-10内，确保接头2-1与出液口2-11持续紧密连接，之后即可将整个缓流接头配合滴液漏斗插入到三口烧瓶中，使软管2-7伸入到烧瓶内液面之下即可；

所述滴液漏斗2-8上还设置有活塞2-9。

实施例2

利用实施例1所述组合反应器制备吡唑基苯甲醛缩对苯二胺双席夫碱的方法，具体步骤如下：

称取吡唑0.57g(8.4mmol)，碳酸钾2.32g(16.8mmol)，溶于18.974g(259.6mmol)的N,N-二甲基甲酰胺中，加入到装有转子、温度计和带有缓流接头的滴液漏斗的100mL的三口烧瓶中，在100℃恒温搅拌下反应30min，通过带有缓流接头的滴液漏斗向混合溶液中滴加对氟苯甲醛1.04g(8.4mmol)，继续反应10h，通过两个抽真空口向真空舱内通过冷空气，使油浴锅快速冷却到室温，得到吡唑基苯甲醛粗品，用无水乙醇重结晶，于50℃下真空干燥8h，即得吡唑基苯甲醛。

称取上述获得的吡唑基苯甲醛0.11g(0.65mmol)，对苯二胺0.035g(0.325mmol)，溶入0.475g(6.5mmol)的N,N-二甲基甲酰胺中，将上述混合溶液加入到装有转子、温度计和带有缓流接头的滴液漏斗的10mL的三口烧瓶中。通过带有缓流接头的滴液漏斗向上述混合溶液中滴加冰醋酸0.025g(0.325mmol)，在80℃恒温搅拌下反应3h，减压蒸馏除去溶剂，得到黄色粉末状固体，用甲醇重结晶提纯，于50℃下真空干燥8h，即得最终产品吡唑基苯甲醛缩对苯二胺双席夫碱，产率：91％。

实施例3

利用实施例1所述组合反应器制备吡唑基苯甲醛缩对苯二胺双席夫碱的方法，具体步骤如下：

称取吡唑1.36g(20mmol)，碳酸钾5.53g(40mmol)，溶于37.95g(519.2mmol)的N,N-二甲基甲酰胺中，加入到装有转子、温度计和带有缓流接头的滴液漏斗的100mL的三口烧瓶中；在110℃恒温搅拌下反应30min后，通过带有缓流接头的滴液漏斗向混合溶液中滴加对氟苯甲醛2.482g(20mmol)，继续反应12h，利用真空舱抽真空快速冷却到室温，得到粗品，用无水乙醇重结晶，于50℃下真空干燥8h，即得吡唑基苯甲醛。

称取吡唑基苯甲醛0.172g(1mmol)，对苯二胺0.054g(0.5mmol)，溶入0.7309g(10mmol)的N,N-二甲基甲酰胺中，加入到装有温度计、搅拌装置和带有缓流接头的滴液漏斗的10mL的单口烧瓶中。通过带有缓流接头的滴液漏斗向上述混合溶液中滴加冰醋酸0.035g(0.5mmol)，在70℃恒温搅拌下反应4h，减压蒸馏除去溶剂，得到黄色粉末状固体，用甲醇重结晶提纯，于50℃下真空干燥8h，即得最终产品吡唑基苯甲醛缩对苯二胺双席夫碱，产率：92％。

试验例1：

对实施例2和3的产物均进行产物元素分析，利用元素质量分数得其化学式为C₂₆H₂₀N₆：％C：74.98；％H：4.80；％N：20.22。

最终产品化合物核磁分析，其核磁谱图见附图7：

通过对化合物的结构式和核磁共振氢谱图分析得表1。该化合物共有10种氢。其中在7.41ppm附近出现的信号峰为质子1和质子2的信号峰，它的峰面积是2.04；在8.75ppm附近出现的信号峰为质子3的信号峰，它的峰面积是1.03；在8.06ppm附近出现信号峰为质子4,5,6,7的信号峰，它的峰面积是4.20；在7.84ppm附近出现的信号峰为质子8的信号峰，它的峰面积是1.00；在6.63ppm附近出现的信号峰为质子9的信号峰，它的峰面积是1.05；在8.66ppm附近出现的信号峰为质子10的信号峰，它的峰面积是1.02。由此可以看出，化合物的核磁共振氢谱图很好的符合了化合物的结构，即吡唑基苯甲醛缩对苯二胺双席夫碱。

表1化合物的¹HNMR的化学位移和峰归属

s：单峰；d：二重峰；t：三重峰；q：四重峰

试验例2：

利用N,N-二甲基甲酰胺做溶剂分别配制1.0×10^-5mol/L的实施例3的终产物与金属离子的1:1等浓度混合溶液。测试化合物与金属离子溶液的紫外吸收光谱(结果见附图8)，发现当溶液中加入等当量的Ag⁺、Co²⁺、Mg²⁺、Cu²⁺、Ni²⁺、Pb²⁺和Zn²⁺后，荧光光谱没有较明显的变化，只有加入Al³⁺后，紫外光谱才产生了一定程度的增强，所以所合成的荧光探针对于铝离子(Ⅲ)有较好的选择性。

试验例3：

取经过纯化处理的实施例3的终产物，利用N,N-二甲基甲酰胺溶解、稀释，配置成1.0×10^-5mol/L的样品溶液。利用紫外可见分光光度计测定样品的紫外吸收光谱图，根据测得的化合物的最大紫外吸收波长，利用F-4600荧光分光光度计测定化合物的荧光激发波长，并测定化合物的荧光光谱。然后向溶液中分别加入等当量的不同金属离子Al³⁺、Ag⁺、Co²⁺、Mg²⁺、Cu²⁺、Ni²⁺、Pb²⁺和Zn²⁺，测定在各金属离子存在下，荧光探针分子的荧光发射光谱(结果见附图9)；

结果发现该化合物在没有金属离子加入时，本身的荧光强度是非常弱的，以至于很难在图中被观察到，但是当溶液中加入等当量的Ag⁺、Co²⁺、Mg²⁺、Cu²⁺、Ni²⁺、Pb²⁺和Zn²⁺后，荧光光谱均有了一定程度的增强，并且只有当加入Al³⁺后，荧光光谱才产生了非常显著的增强，这一特点对于快速识别金属铝离子具有重要意义，所合成的荧光探针对于铝离子(Ⅲ)有较好的选择性。

试验例4：

取经过纯化处理的实施例3的终产物，利用N,N-二甲基甲酰胺溶解、稀释，配置成1.0×10^-5mol/L的样品溶液。然后用N,N-二甲基甲酰胺溶液分别配置不同浓度的铝离子标准溶液，浓度分别是：1.0×10^-6mol/L、1.0×10^-7mol/L、1.0×10^-8mol/L、1.0×10^-9mol/L。如图10所示，当铝离子(Ⅲ)浓度为1.0×10^-9mol/L时，依然有较强的荧光强度，说明荧光探针对铝离子(Ⅲ)具有非常高的灵敏度，荧光探针的检测限已达到纳米级。