6,6’-二溴靛蓝(泰尔紫)及其磺酸盐衍生物的新合成方法

《Beilstein Journal of Organic Chemistry》：A new synthesis of Tyrian purple (6,6’-dibromoindigo) and its corresponding sulfonate salts

本刊推荐一项关于泰尔紫关键成分6,6’-二溴靛蓝的合成新策略。研究人员针对传统合成路线中使用昂贵试剂、步骤繁琐及存在潜在危险的氧化方法等问题，发展了一种以对溴甲苯为原料、四步完成的高效合成方案。该方法通过苄位溴化与Kornblum氧化相结合，避免了有毒的铬(VI)氧化剂的使用，并减少了中间体的纯化步骤。研究还成功实现了6,6’-二溴靛蓝的磺化，获得了水溶性的染料衍生物，为这一历史性颜料的应用拓展提供了新途径。

　　

在历史的长河中，有一种名为泰尔紫（Tyrian purple）的染料，因其绚丽的红紫色泽，数千年来被用于制作华贵的纺织品。这种染料最初从地中海东部的海螺中提取，产量极低，价格昂贵，使得紫色衣物成为财富与权力的象征。现代分析表明，泰尔紫的主要成分是6,6’-二溴靛蓝（6,6’-dibromoindigo）。为了重现这种古老的色彩，化学家们一直在探索其合成方法。然而，传统的合成路线面临诸多挑战，例如需要使用有毒的铬(VI)氧化剂，步骤繁琐，或涉及不稳定的重氮盐中间体，这些因素限制了其应用。因此，开发一种安全、经济、操作简便且环境友好的合成新策略，并进一步拓展其水溶性衍生物，成为一个具有重要科学意义和潜在应用价值的研究方向。

为了应对这些挑战，以Holly Helmers、Mark Horton、Julie Concepcion、Jeffrey Bjorklund和Nicholas C Boaz为作者的研究团队在《Beilstein Journal of Organic Chemistry》上发表了一项研究，报道了从对溴甲苯（p-bromotoluene）出发，经过四步反应合成6,6’-二溴靛蓝的新方法，并成功制备了其水溶性磺酸盐衍生物。该研究通过苄位溴化与Kornblum氧化相结合的策略，实现了关键中间体4-溴-2-硝基甲苯向相应醛的温和转化，避免了铬(VI)的使用。随后，研究人员通过Baeyer–Drewson反应完成了最终产物的缩合，并通过磺化反应获得了两种水溶性的衍生物——6,6’-二溴-5,5’-靛蓝二磺酸二钠盐和6,6’-二溴-5,5’，7-靛蓝三磺酸三钠盐，系统研究了它们的紫外-可见光谱性质与pH依赖性。这项工作的意义在于，它不仅提供了一条更安全、更经济的泰尔紫关键成分合成路径，还为这种历史染料在现代水体系中的应用（如生物染色、分析试剂等）开辟了新的可能性。

本研究中，作者采用了对溴甲苯的直接硝化、苄位自由基溴化、Kornblum氧化、Baeyer–Drewson缩合以及芳香环的磺化等关键技术方法，并利用核磁共振（NMR）、紫外-可见光谱（UV-vis）等手段对产物进行了表征与分析。

结果与讨论

合成路线的设计与优化

研究团队设计了一条新的合成路线，以廉价易得的对溴甲苯为起始原料，旨在避免使用有毒的铬(VI)氧化剂和危险的中间体。首先，他们将对溴甲苯进行硝化，一步得到关键的中间体4-溴-2-硝基甲苯及其区域异构体的混合物。虽然未能实现单一异构体的高选择性分离，但该步骤避免了传统方法中需通过Sandmeyer溴化反应构建重氮盐的危险步骤。随后，研究人员对中间体的甲基氧化步骤进行了关键改进。他们没有采用传统的高价铬氧化法或多步的硝酮水解法，而是采用了苄位自由基溴化（使用N-溴代琥珀酰亚胺或1,3-二溴-5,5-二甲基乙内酰脲作为溴源）生成苄溴，紧接着进行温和的Kornblum氧化（在二甲基亚砜中，以硝酸银和三乙胺为促进剂），成功将甲基转化为醛基，得到4-溴-2-硝基苯甲醛。这个过程避免了铬废物的产生，且操作相对简便。最后，他们利用经典的Baeyer–Drewson缩合反应，在丙酮-水体系中，用氢氧化钠处理上述醛，成功以59%的分离收率得到了目标产物6,6’-二溴靛蓝，为一种深紫色粉末。整个过程从对溴甲苯出发，四步总收率达到14.5%。

水溶性磺酸盐衍生物的合成与性质研究

为了拓展6,6’-二溴靛蓝的应用，研究团队借鉴靛蓝磺化制备靛蓝胭脂红的方法，成功对其进行了磺化。通过使用发烟硫酸（20%游离SO₃）和浓硫酸的混合酸处理，他们分别制备了二磺酸化产物（6,6’-二溴-5,5’-靛蓝二磺酸二钠盐）和三磺酸化产物（6,6’-二溴-5,5’，7-靛蓝三磺酸三钠盐）。与靛蓝相比，溴代靛蓝的磺化需要更剧烈的条件，表明溴取代基降低了芳香环的反应活性。研究指出，磺酸基团的增加提高了衍生物的水溶性，三磺酸盐的水溶性优于二磺酸盐。

光谱性质与pK_a值测定

研究人员对两种磺酸盐衍生物的光谱性质进行了详细研究。在溶解于水溶液时，两者均呈现明亮的蓝色。紫外-可见光谱分析表明，与未磺化的6,6’-二溴靛蓝相比，磺化导致了吸收光谱的红移（约15-16纳米），并使摩尔吸光系数适度增加，这使得产物呈现蓝色而非紫色。更重要的是，他们通过监测不同pH下溶液的紫外-可见光谱变化，测定了这两种衍生物的解离常数。结果显示，二磺酸盐的第一pK_a值为11.9，估计其第二pK_a值高于12.5；三磺酸盐的第一pK_a值为11.3，第二pK_a值为13.0。与对应的非溴化靛蓝磺酸盐相比，溴代衍生物的pK_a值大约低0.4个单位，这归因于溴原子的吸电子效应。此外，两种化合物都可以被连二亚硫酸钠还原为其无色形式。

结论与讨论

本研究成功报道了一种从对溴甲苯出发合成泰尔紫主要成分6,6’-二溴靛蓝的新方法。该路线的核心创新在于，通过苄位溴化继以Kornblum氧化的两步策略，实现了关键中间体4-溴-2-硝基甲苯到4-溴-2-硝基苯甲醛的转化。这一温和的氧化过程完全避免了传统方法中对有毒铬(VI)氧化剂的依赖，也规避了冗长的硝酮形成与水解步骤，从而简化了操作并提升了环境友好性。与已报道的其他合成路线相比，本方法虽然总收率（14.5%）并非最高，但其优势在于使用了廉价的起始原料、操作步骤简单，且中间体纯化要求低，因此具有较高的实用价值。

尤为重要的是，本研究首次报道了6,6’-二溴靛蓝的成功磺化，制备了其水溶性的二磺酸盐和三磺酸盐衍生物。这类似于将靛蓝转化为水溶性商品染料靛蓝胭脂红的工艺。对这两种新衍生物的光谱性质和pK_a值的系统研究，揭示了溴取代和磺化对分子电子结构和溶解性的影响规律。磺化不仅显著提高了染料的水溶性，还引起了吸收光谱的红移，使其颜色从紫色转变为蓝色。

综上所述，这项工作不仅为合成具有历史意义的泰尔紫颜料提供了一条更安全、更简便的新途径，更重要的是，通过引入磺酸基团，成功将这种原本不溶于水的古老染料转变为水溶性形式，为其在现代水基应用（如纺织染料、生物染色剂、pH指示剂或功能性材料）中的潜在用途奠定了基础。这项研究是合成化学与材料化学交叉领域的一次有意义探索，连接了历史遗产与现代化学应用。