几种含哌啶环的碘代季铵盐的合成研究

大连大学学报

Vol.40 No.3

JOURNAL OF DALIAN UNIVERSITYJun. 2019几种含哌啶环的碘代季铵盐的合成研究

郭承鑫，蒋 昊，杨 聪，崔颖娜*

（大连大学 环境与化学工程学院，辽宁 大连 116622）

摘　要：季铵盐在化学、生物和医药等领域有着非常重要的应用价值。本文研究了1-甲基哌啶（1a）、1-甲基-2-哌啶甲醇（2a）、1-甲基-3-哌啶甲醇（3a）、1-甲基-4-羟基哌啶（4a）、1-甲基-3-哌啶甲酸甲酯（5a）和1-环己基哌啶（6a）分别与CH3I通过甲基化反应得到几种含哌啶环的碘代季铵盐。研究了不同溶剂、反应温度和反应底物摩尔比对反应的影响；产物结构经

1

H NMR进行了表征。结果表明丙酮是本反应的适宜溶剂，反应底物的空间位阻是决定底物摩尔比的重要因素，如1-甲基哌啶

（1a）的空间位阻最小，其与CH3I最佳反应摩尔比为1：1.3，产物产率可达81.5%；1-环己基哌啶（6a）的空间位阻最大，其与CH3I摩尔比达到1：1.8时，产物产率仅为40.0%。关键词：甲基化反应；含哌啶环季铵盐；空间位阻

中图分类号：TQ423　　　　文献标识码：A　　　　文章编号：1008-2395(2019)03-00047-04收稿日期：2018-12-24

基金项目：辽宁省自然基金(20180550078)。

作者简介：郭承鑫（1995-）男，硕士研究生，研究方向：蒙脱石有机改性研究。通讯作者：崔颖娜（1980-）女，讲师，研究方向：深共融溶剂的合成、性质及应用。

季铵盐由于独特的离子结构，使其拥有优越的乳化性、亲水性、高离子吸附和渗透扩散性。季铵盐可作为植物生长调节剂[1]、抗菌聚合物材料[2-3]、絮凝剂处理污淤泥[4-5]，在医药、道路建设、造纸、纺织、涂料等方面具有重要应用价值[6-8]。2003年Abbott等人[9]发现氯化胆碱与尿素的混合物产生的共融物可以作为受体接受酰胺给出的H+，形成液体深共融溶剂（DESs），DESs在混合物的分离、生物转化、有机合成中均得到了广泛的应用

[10]

酯（5a）、1-环己基哌啶（6a）六种含哌啶环的叔胺进行甲基化反应[12]，合成得到了六种含哌啶环的碘代季铵盐（1b-6b），产物结构用1H NMR进行表征。本文研究了溶剂、反应温度以及反应物摩尔比对反应的影响，得到了合成1b-6b的最佳反应条件。

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

BRUKER AV 500核磁共振仪，上海精宏实验设备有限公司的DZF-6020真空干燥箱，巩义市予华仪器有限责任公司的SHZ-D（III）循环水式多用真空泵，巩义市予华仪器责任有限公司SZCL-3B数显智能控温磁力搅拌器。

1-甲基哌啶（1a）、1-甲基-2-哌啶甲醇（2a）、1-甲基-3-哌啶甲醇（3a）、1-甲基-4-羟基-哌啶（4a）、1-甲基-3-哌啶甲酸甲酯（5a），北京百灵威科技有限公司；1-环己基哌啶（6a），梯希爱(上海)化成工业发展有限公司；二氯甲烷、丙酮、石油醚、乙酸乙酯、硫氰酸钴、CH3I国药集团化学

，DESs的应用是近年发展起来的研究热点

之一，DESs中的一个组分通常为季铵盐化合物。目前常见的季铵盐中的烃基多为脂肪开链的结构，少量环状季铵盐多为吡啶、嘧啶等结构，含哌啶环的季铵盐的合成研究报道相对较少。本文对几种含哌啶环的碘代季铵盐的合成进行了研究。

季铵盐的合成方法有多种，最传统和有效的方法是使用烷基化试剂与胺进行亲核取代反应来合成

[11]

。本文使用CH3I与1-甲基哌啶（1a）、1-

甲基-2-哌啶甲醇（2a）、1-甲基-3-哌啶甲醇（3a）、1-甲基-4-羟基哌啶（4a）、1-甲基-3-哌啶甲酸甲

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大连大学学报第40卷

试剂有限公司。

1.2 含哌啶环的碘代季铵盐(1b-6b)的合成

将0.002 mol含哌啶环的叔胺（1a-6a）（1a-6a结构如表1所示）装入有10 mL溶剂的圆底烧瓶中，加入0.002 mol(0.144 mL)CH3I，20 ℃反应1.5 h，并进行TLC检测（以硫氰酸钴作为显色剂，粉红色底

板上显蓝色）。当1a-5a为底物时，以丙酮：石油醚=2:1（V:V）为展开剂；当6a为底物时，以丙酮:石油醚=1：1（V:V）为展开剂[13]。反应后有固体物生成，结束反应后进行抽滤并洗涤，将所得固体放入65 ℃真空烘干箱干燥12 h，得到白色固体(1b，3b-6b)，淡黄色固体(2b)。其反应方程式如图1所示。

表1 含哌啶环的叔胺(1a-6a)结构

-R1

(1a-6a)1a2a 3a4a5a6a

-CH3-CH3-CH3-CH3-CH3-cyclo-C6H11

-R2-R3-R4

-H-CH2OH-H-H-H-H

-H-H-CH2OH-H-COOCH3

-H

-H-H-H-OH-H-H

2 结果与讨论

2.1 溶剂对反应的影响

图1 （1b-6b）合成路线图

选择1a作为底物研究溶剂对反应的影响，溶剂对合成1b的影响如表2所示。

表2 溶剂对反应的影响

溶剂产率（%）

石油醚8.5

二氯甲烷34.4

乙酸乙酯68.1

丙酮73.8

甲醇73.6

n (1a) : n (CH3I)=1 : 1 (mol : mol)，溶剂10 mL，反应时间1.5 h，20 ℃

从表2可以看出，使用丙酮和甲醇作为溶剂时，产物1b的产率更高。可能是因为季铵盐为极性物质，因此使用极性溶剂更有利于反应的进行。另外，产物季铵盐在丙酮中以固体析出，有利于产物的分离提纯，因此选用丙酮作为溶剂。2.2 温度对反应的影响

由于CH3I沸点(42.5 ℃）较低，因此选择了在20 ℃和30 ℃条件下，以1a为底物研究反应温度对1b影响，结果如表3所示。

表3 温度对反应的影响

温度（℃）

2030

产率（%）

73.875.1

n (1a) : n (CH3I)=1 : 1 (mol : mol)，丙酮10 mL，反应时间1.5 h

由表3可以看出，当反应温度为20 ℃或30 ℃时，1b的产率相差不大，说明温度对该反应的影响较小。

第3期

郭承鑫 等：几种含哌啶环的碘代季铵盐的合成研究

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2.3 反应底物摩尔比对反应的影响

通常反应底物的摩尔比对反应有非常重要的影响，本文研究了反应底物1a-6a与CH3I在不同摩尔比时对反应的影响。1a-5a与CH3I摩尔比与产物1b-5b产率关系如图2所示，6a与CH3I摩尔比与产物6b产率关系如图3所示。

丙酮10 mL，反应时间1.5 h，20 ℃

图2 (1a-5a)与CH3I摩尔比对反应的影响

由图2可知，1a与CH3I最佳反应摩尔比为1:1.3，产率为81.5%；2a-5a与CH3I最佳反应摩尔比均为1:1.4，产率分别为82.5%、84.1%、80.8%、83.6%。从1a-5a的结构可以看出，主要是由反应部位N的空间位阻决定的，1a N上只连有一个-CH3，其空间位阻最小，所需的最佳CH3I的量也最少，2a-5a的空间位阻相近，除了N上连有一个-CH3外，环上还有其他取代基，因此2a-5a所需的最佳CH3I的量相同。6a的N上连的是-cyclo-C6H11基团，远比1a-5a N上的-CH3的空间位阻大，因此6a的反应最难，所需CH3I的量也大大增加（见图3），当反应物摩尔比为1:1.8时，6b产率也仅为40.0%。

丙酮10 mL，反应时间1.5 h，20 ℃

图3 6b与CH3I摩尔比对反应的影响

2.4 季铵盐1H NMR表征

(1b):1H NMR-(D2O, 500 MHz) δ: 3.23-3.25 (m, 4H), 3.00 (s, 6H), 1.78-1.79 (m, 4H), 1.54- 1.57 (dd, J=12.2, 6.2 Hz, 2H).

(2b):1H NMR-(D2O, 500 MHz) δ: 3.87-3.80 (m, 2H), 3.30 (ddt, J=15.8, 12.8, 8.0 Hz, 3H), 3.13 (s,3H), 2.95 (s, 3H), 1.88-1.68 (m, 5H), 1.53-1.42 (m, 1H).

(3b):1H NMR-(D2O, 500 MHz) δ: 3.56-3.44 (m, 1H), 3.43-3.31 (m, 3H), 3.17-3.05 (m, 4H), 3.01 (s, 3H), 2.94 (t, J=12.6, 1H), 2.21-2.07 (m, 1H), 1.96-1.72 (m, 3H), 1.21-1.03 (m, 1H).

(4b): 1H NMR-(D2O, 500 MHz) δ: 3.97-3.95 (dd, J=6.5, 3.5 Hz, 1H), 3.46-3.43 (m, 2H), 3.31-3.26 (m, 2H), 3.11-3.04 (m, 6H), 2.04 (s, 2H), 1.83 (s, 2H).

(5b):1H NMR-(D2O, 500 MHz) δ: 3.61-3.57 (m,

4H), 3.37 (d, J=12.7Hz, 1H), 3.30-3.25 (t, 1H), 3.21 -3.09 (m, 1H), 3.09-2.99 (m, 5H), 2.99-2.96 (m, 3H), 2.10-2.07 (d, J=12.6Hz, 1H), 1.93-1.87 (dd, J=16.1, 3.3 Hz, 2H), 1.52-1.47 (m, 1H).

(6b):1H NMR-(D2O, 500 MHz) δ: 3.44-3.26(m, 3H), 3.23-3.17 (m, 2H), 2.78 (s, 3H), 2.07 (d, J=11.8Hz, 2H), 1.85-1.46 (m, 6H), 1.49-1.63 (m, 3H), 1.40 (qd, J=12.0, 3.2 Hz, 2H), 1.34-1.17(m, 2H), 1.0-1.15(qt, J =13.2, 3.8 Hz, 1H).

3 结论

本文通过研究不同溶剂、反应温度和反应底物摩尔比对反应的影响，合成得到了1b-6b六种含哌啶环的碘代季铵盐。研究表明适宜的反应条件为以丙酮为溶剂，反应时间为1.5 h，反应温度为20 ℃。1a与CH3I最佳反应摩尔比为1:1.3，产率81.5%；2a-5a与CH3I最佳反应摩尔比均为1:1.4，产率分别为82.5%、84.1%、80.7%、83.6%；由于6a空间位阻最大，反应较难进行，当6a与CH3I摩尔比为1:1.8时，6b产率仅为40.0%。

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Synthesis of Several Iodide Quaternary Ammonium

Salts Containing Piperidine Rings

GUO Cheng-xin, JIANG Hao, YANG Cong, CUI Ying-na*

(College of Environment and Chemical Engineering, Dalian University, Dalian 116622, China)

Abstract: Quaternary ammonium salts have very important application value in the fields of chemistry, biology and medicine. In this paper, 1-methylpiperidine (1a), 1-methyl-2-piperidine methanol (2a), 1-methyl-3-piperidinemethanol (3a), and 1-methyl-4-hydroxypiperone were studied. Pyridine (4a), methyl 1-methyl-3-piperidinecarboxylate (5a) and 1-cyclohexylpiperidine (6a) were separately methylated with CH3I to obtain several piperidine-containing iodoquaterniums salts. The effects of different solvents, reaction temperature and reaction substrate molar ratio on the reaction were investigated. The structure of the product was characterized by 1H NMR. The results showed that acetone was a suitable solvent for this reaction and the steric hindrance of the reaction substrate was an important factor determining the molar ratio of the substrate. For example, 1-methylpiperidine (1a) had the least steric hindrance, and it was optimally reacted with CH3I. With the ratio of 1:1.3, the product yield could reach 81.5%, the steric hindrance of 1-cyclohexylpiperidine (6a) was the largest, while the product yield was only 40.0% when the molar ratio to CH3I was 1:1.8.

Key words: methylation reaction; piperidine ring quaternary ammonium salt; temporal steric