（应用化学专业论文）氟代脱硝合成芳香族氟化物的研究.pdf

摘要 y 6 2 4 , 3 1 9 氟代脱硝反应是合成芳香氟化物的有效方法之一，与已经工业化的其它方法 相比较而言，它具有很多优点。与普通的b a l z s c h i e m m a n 反应相比较，它具有 安全，简单的优点。与卤素交换相比较，硝基比卤素具有更大的离去性，而且硝 基比卤素具有更大的诱导效应，使得其在相同的活化条件下更容易发生反应。氟 代脱硝的一个重要优势在于其可以合成卤素交换不易合成的间位芳香氟化物。 本文主要以间二硝基苯为反应底物，合成间硝基氟苯。通过对氟代脱硝反应 的单因素实验分析，发现溶剂、催化剂、反应时间等因素均会对反应效果产生影 响。通过比较，初步选择了比较优化的反应条件，反应结果的转化率与选择性均 有不同程度的提高。介绍了制备氟代季铵盐的简便方法，并从该反应中发现了不 必要的副反应。用合成的氟代季铵盐作为反应的氟离子源比较了其反应性。为了 充分了解氟代脱硝反应，采用气相色谱跟踪了反应进程，并分析了各种体系。从 机理角度来分析氟代脱硝反应。 关键词：氟代脱硝芳香氟化物氟代季铵盐气相色谱 a b s t r a c t f l u o r o d e n i t r a t i o ni so n eo ft h ee f f e c t i v em e t h o d sf o rs y n t h e s i z i n gf l u o r o a r o m a t i c c o m p o u n d s c o m p a r e dw i t ho t h e rm e t h o d s ，w h i c hh a v eb e e na p p l i e di ni n d u s t r y , i t h a sm a n ya d v a n t a g e s c o m p a r e dw i t hc o m n o nb a l z s c h i e m a n nr e a c t i o n ，i th a st h e c h a r a c t e ro fs a f e t ya n ds i m p l e c o m p a r e dw i t l lh a l o g e n e x c h a n g er e a c t i o n i t sn o t r d g r o u ph a sm o r e a b i l i t i e st ol e a v e ，a n dm o r ei n d u c t i v ee f f e c tt h a nh m o g e ng r o u p w i t h t h e s ea d v a n t a g e s ，f l u o r o d e n i t r a t i o nc a nb ee a s i e rt ot a k ep l a c et h a nh a l o g e n e x c h a n g e r e a c t i o nu n d e rt h es a m ea c t i v a t i o nc o n d i t i o n o n eo fi t si m p o r t a n ta d v a n t a g e si st h a t m e t a f l u o r o a r o m a t i c c o m p o u n d sc a nb es y n t h e s i z e db yf l u o r o d e n i t r a t i o nw h i l e i t c a n tb es y n t h e s i z e d b yh a l o g e n - e x c h a n g e i nt h i s p a p e r , m e t a d i n i 仕o b e n z e n e w a su s e da ss u b s t r a t et o s y n t h e s i z e 3 - n i t r o - f l u o r o b e z e n e t h r o u g h t h e a n a l y z i n g t h e e x p e r i m e n t s a b o u t s i n g l e e f f e c t f a c t o r so nf l u o r o d e n i t r a t i o n ，w ef o u n dt h a tf l u o r o d e n i t r a t i o nc a r lb ea f f e c t e d b y s o l v e n t ，c a t a l y s t ，r e a c t i o n t i m ea n ds o o n t h r o u g hc o m p a r i s o n ，w e c h o o s et h e o p t i m i z er e a c t i o nc o n d i t i o n so nt h ef l u o r o d e n i t r a t i o na n dt h er e s u l t sa r es h o w n t h a t t h e s ec o n d i t i o n sa r ev e r yg o o d w ei n t r o d u c e do n es i m p l em e t h o do fs y n t h e s i z i n g q u a t e m a r ya m m o n i u mf l u o r i d ea n df o u n d s o m eu n n e c e s s a r ys i d er e a c t i o n si nt h e r e a c t i o n w ec o m p a r e dt h er e a c t i o nc h a r a c t e ro ft h eq u a t e r n a r ya m m o n i u mf l u o r i d e t h a tw a s s y n t h e s i z e db yu s w i t ho t h e r c o m p o u n d s i n o r d e rt ok n o wm o r eo f f l u o r o d e n i t r a t i o n ，w e u s e dg a s c h r o m a t o g r a p h y t od e t e c tt h e p r o c e s s o f f l u o r o d e n i t r a t i o na n da n a l y z e dv a r i o u ss y s t e m s w ea l s oa n a l y z e df l u o r o d e n i t r a t i o n f r o mt h em e c h a n i s m k e y w o r d s ：f l u o r o d e n i t r a t i o n ，f l u o r o a r o m a t i cc o m p o u n d s ，q u a t e r n a r ya m m o n i u m f l u o r i d e ，g a sc h r o m a t o g r a p h y 硕f 论文 氟代脱硝合成芳香族氟化物的研究 1 绪论 芳香族氟化物是重要的农药及医药中问体，呵以用来合成除草剂、杀菌剂、 功能染料，【i ；i 正用于合成治疗癌症的药物，因此越来越受到广泛的重视。 1 。1 芳香族氟化物的用途 由于氟原子半径( 0 6 8 埃) 小，又具有极大的电负性( 4 1 0 ) ，因此所形成的 c f 键f 1 ( 4 8 7 2 k j m 0 1 ) 要比c h 键能( 4 2 0 k j t 0 0 1 ) 大得多，从而使得芳 香氟化物具有很好的稳定性；同时，氟原子或含氟基团( 尤其足c f 3 1 等引入到 芳香族化合物中，不但能改变分子内部电子密度的分布而改变其活性，而且还 能提高化合物的活性。凼此，俞氟农药与含氟医药往往有很高的生物活性，从 | f 1 】使之县有用量少、效果好、毒性低等特点。这些独特而优蘸的性能，刺激了 人们对含氟农药和含氟医药的研究与开发。 在芳香族氟化物中，含氟医药的开发最为活跃，有关的各科t 研究报告、专 利比比皆是，有着奇特效能的新品种不时涌现。目前，已商品化的和正在丌发 的产品有近阿种，而且应用于药物化学的各个领域中，在中枢神经系统药物、 抗肿痛药物、抗菌药物、抗寄生虫病药物、麻醉药物、甜体消炎镇痛药物、非 体消炎镇痛药物、利尿及心旺管等药中都有许多高效能的品种。例如，消炎 镇痛药物中的氟苯布洛芬：( f 1 u r b i p r o f e n ) 和被誉为超阿斯匹林的二氟苯水杨酸 ( d i n u n i s a l ) 的镇痛作用都比相应药物大大增强。因而在美、日已成为畅销药物。 抗菌药含氟吡啶酮酸类药物已自成一个体系，其中氟哌酸( n o r f l o x a c i n ) ，二氟 哌酸( d i n o r f l o x a c i n ) 、环丙氟曝酸( c i p r o f l o x a c i n ) 、氟嗪酸( o f l o x a c i i n ) 及氟啶酸 r e n o x a c i n ) 等因其卓越的疗效巳成为畅销的大吨位品种i l j 。 其次是含氟农药。含氟农药巳商品化的也有6 0 余种，作为除草剂的有以 氟乐灵( n i n u r a n n ) 为代表的二硝基苯胺类，以氟羧除草醚( a c i f i u o r f e n ) 为代表的 二苯醚类，以氟禾草灵( m e t r i n u f e n ) 为代表的苯氧羧酸类及其它含氟除草剂3 0 余利，1 2 】；杀菌剂有抑菌灵( e u p a r o n ) ，氟苯三唑：( f l u t r i m a z 0 1 ) 等近1 0 个品种；杀 虫剂有以除虫脲( d m u b e n z l m o n ) 为代表的苯甲酰尿类的昆虫生长调节剂，另一 类商效杀虫剂系列是含氟拟除虫菊酯类，再加其它氟杀虫剂共有l o 余个品种。 近几年来，美、| = _ 、法、瑙德、瑞士、荷兰等国家都在积极合成结构新颖的含 氟化合物，以期筛选出活性更高的含氟新农药。 随着含氟农药和含氟医药”发的同益活跃，含氟芳香族中间体的丌发也随 之蓬勃发展起来。国外| _ ) f 许多公司都投入到这方面的开发中。在美国，最早向 这个领域发展的公司是i m c 系统的m a l l i n c k r o d t 公司。该公司在密苏里州的 硕l 论文 氟代脱硝合成芳香族氟化物的研究 圣路易斯( s t 1 0 u t i s ) 投资1 1 0 0 万美元，建立个新的开发芳香族氟化合物中间 体的研究中心。并在1 9 8 9 年2 月建成了世界上最早连续化法生产1 2 0 0 t a 芳 香族氟化物中间体的全套设备，并投入生产，最初产品是氟苯，但将来包括其 它产品在内将扩大到2 0 0 0 t a 。该公司生产的其它产品还有：6 一氟苯并二：氢呋 喃4 酮、对氟苯酚、剥氯氟苯、邻溴氟苯、2 ，4 ，5 一三氟苯乙酰酮等等。d u p o n t 公司也宣巾在新泽西州的d e e p w a t e r 的c h a m b e r s w a r k s 建造1 3 6 0 t a 规模的 生产没备的计划，在1 9 9 0 年巾期开始投入生产，最初的产品也是氟苯，并计 划生产其它产品。在西欧，芳香族氟化物中间体的生产能力已超过万吨。日 本市场售出的芳香氟化物中间体有5 0 多种，商品化的含氟试剂达到3 0 0 多种 四 1 2 芳香族氟化物的合成方法 芳香族氟化物的合成方法有很多种：氟气的直接氟化，氟化氢的催化氟 化，特殊氟化剂的氟化，b a l z s c h i e m a n n 反应，最近工业上用得较多的卤素交 换法及近来出现的氟代脱硝法。 1 2 1 氟气的氟化 当单质的氟与有机化合物反应时，会放出大量的热，甚至会发生爆炸性的 反应，因此实用化是很困难的。但是如果把反应温度控制在零f 几十度的低温 】、进行而且把氟气用氮气、氦气等不活泼气体进行充分的稀释，芳香族化合物 也日 用氟气直接氟化，但对反应装甓的要求是很高的。例如苯的氟气直接氟化， 即苯在乙酰替苯胺的稀溶液中通入用氮气充分稀释的氟气，可以得到单氟和二 氟苯的混合物一j 。 一f 2 n f 该方法对实验装簧的要求比较高，而且选择性不太好，生成的是混合产 物。 1 2 2 氟化氢的催化氟化 硝基苯类化合物在无水h f 以硝基苯为原料，在无水h f 中，在p d c l 2 - - v 2 0 5 等催化剂存在下，直接合成对氟苯胺。也可将硝基物先还原成羟氨，然后在无 水t i f 中重排而得产物。其缺点是异构体较多【”。 ，由 ，毋 型生型堕l 一一 塑垡些型宣垡苎重鳖塑些塑塑! 壅 毋勰妒尚 1 2 3 卤素交换法 世界上首次用卤素交换方法的工艺过程是美国1 9 3 6 年用k f 在高温、无 溶剂条件下生产2 ，4 二硝基氟苯”1 。 c l” n o ， k ! - 1 0 年后丌始使用溶剂，又过了1 0 年，k f 在极性非质子溶剂反应体系的使 用扣) - i ：了卤索交换化学全面商业化的大门。类似卤素交换过程将芳核上c c l 3 转化为c f 3 的工业报道出现于3 0 年代，此后不久即开始在德国工业化投产。 在现代卤索交换法1 6 l 的工业氟化过程中，一个主要需要考虑的因素是腐蚀问 题。般反应可以在酬氟利料，如含镍的合金制造的带搅拌和加热反应釜中进 行。氟盐( 丑k f ) 和溶剂( 极性非质子溶剂) 一般先加入并一同加热二r j 燥以除水( 通 常可加入另一惰性的共沸脱水溶剂( 如甲苯) 。干燥完成后加入反应原利和相转 移催化剂，由热到所需温度进行反应。因卤索交换过程中所用溶剂价格昂贵和 环保需要，必须考虑溶剂回收问题。溶剂的用量应控制在溶解反应物和液化异 相混合物所需的最少量。产物分离应包含有溶剂吲收方法，因而一般在后处理 中不用水。溶剂和产物最好是通过分馏与无机盐相分离。目前的趋势足发展无 溶剂或用极少溶剂的工业技术。 1 2 4b a l z s c h i e m a n n 反应 该反应发现于1 9 2 7 年，二战后成为含氟芳烃生产的基本方法之一i 。工 业过程因反应中有两个步骤而显得复杂。第一步重氮化是在有良好搅拌的冷却 浴中进行，芳胺通常首先溶解于过量的稀盐酸中，然后在o 。c i t 右加入亚硝酸 钠溶液。重氮化结束后加入过量的氟硼酸，生成a r n 2 + b f 4 - 盐沉淀，将其过滤 分离 u ，洗去氯离子( 否则会产生副产物氯代芳烃) ，然后小心地彻底干燥。大 部分a r n ：+ b f 4 - 相当稳定，但仍需小心处理，而芳环带有吸电子基团的氟硎酸 m审， 由 卫 由 坝卜论文 氟代脱硝台成芳香族氟化物的研究 盐则不稳定到难以分离。 ：鬻震蕊骂a 吨町 第二步是脱氮，需要对干燥的盐直接或将其分散在惰性介质中加热。通常 需加热到2 0 0 。c ，需仔细控制。产生的氟代芳烃从反应混合物中分馏出，放出 n 勺b f 3 吸收到h f 中重新产生氟硼酸。 a r n ；2 b f d j 明毒a ba r f+ n 7+ b f l 3 0 年代也出现了用芳胺硝酸钠h f 的过程，即所谓“一锅化”工业 制备氟代芳烃的重氮化氟化反应的报道【6 l 。4 0 年代在德国用此工艺生产氟苯的 工厂丌车，这个方法比经典的b a l z s c h i e m m n 反应的优越之处在于即时分解所 产生的重氮盐，也不需气体循环装置，因为唯一的气体副产物是氮气。此工艺 的一个局限在于h f 的沸点低，因丽对于含取代暴的重氮盐( 如含吸电子基的) 可能难以达到其分解所需的温度。为此可以加入水提升沸点，但此举可能增加 苯酚类的副产物。该工艺所用设备需要用耐腐蚀的特殊材料来制造。现今已可 以用特殊合金或咐h f 的塑料衬里来解决这个问题。工艺操作中通常先加入含 水和n a f ( 调节酸的强度和沸点) 的h f 然后向预冷却的h f 中加入芳胺，然 后再加入亚硝酸钠，反应混合物放出n o f 后进入分离器，加热并回流。 n a n 0 2 + 2 h f + n o f + h ，o + n a f a r n h 2 + n o f + a r n ，f + h ，o a r n z f 。a r f + n ， 1 2 5 特殊氟化剂的氟化 1 2 5 1o l a h 试剂 人们普遍把重量大3 0 i i l , t t l 定和7 0 的无水h f 组成的络合液称为o l a h 试剂7 1 ( 写成p p h f ) ，如苯胺与p p t t f 反应一步可以得到氟苯j ，而不象 s c h e i m m n 反应那样先生成重氮氟硼酸盐，再经热分解得到氟苯，研究表明， 芳环上有吸电子基团存在时，产率较低，有斥电子基团存在叫产率较高。 1 2 5 2 二氟化氙( x e f 2 ) 氟气与过量的氙在3 0 0 。c 卜反应，可以得到二氟化氙无色固体，二氟化氙 在四氯化碳或者二氯甲烷溶剂中，在少量的h f 存在下，室温下与苯反应，得 氟苯系列产物陋1 。 一 ，由 一：罴 m 由 ，由 争 皇生竺兰一 塑垡些堂鱼些苎重壅塑些塑塑婴塑 1 2 6 氟代脱硝合成芳香族氟化物 氟代脱硝合成芳香族氟化物是一种新型的合成芳香族氟化物方法。1 9 5 6 年，f i n g e r 和k r u s e 【8 】试图用k f 于1 5 0 时对2 ，4 - 一一硝基氯苯进行去氯化时， 发现有棕色f _ f 勺烟产生，被认为是n 0 2 气体放出了。 c l” n o 2 n o ， kf n 0 2 n 0 2 在一r 作中检测到了低沸点产品，进一步研究发现存在i ，2 - 二氟一4 一硝基苯。 他们是第一个报道氟代脱硝反应的。 + k 2 0 十n 2 0 氟代脱硝反应实际是苯j l ：1 、上发生的亲核取代反应，通常反应发生的前提是 苯环上除硝基以外还要有至少个吸电子基团，这样有利于活化苯环，利于发 生亲核取代反应。 r 笋沁，盆、 卜秽“+ k f 一【l 廿r + k n 0 2 丫丫 “。t ( r 基团是吸电子基团) 1 3 氟代脱硝反应 与其它合成芳香族氟化物柑比较，氟代脱硝法具有很多优势。 1 3 1 氟代脱硝反应的优点 首先其原料是芳香硝基化合物，容易由硝化反应制得，而且硝化反应工艺 已经很成熟了，反应所得的产率很高，因此原料较便宜。 用b a l t z s c h i e m m m 反应时，它生成的重氮盐在高温下是不太稳定的，容 易f “生爆炸危险。而氟代脱硝反应则不会发生这样的情况。 用氟气直接与芳香化合物氟化反应时，会放出大量的热，甚至会发生爆炸 性的反应，丽且别反应装置的要求是很高的。而氟代脱硝反应在2 0 0 以下就 l u 以反应，阿且反应装置很简单。 h j 氟化氢l = j 芳香族化合物直接氟化时，则反应不太安全，而且产物中异构 体比较多，则目标产物就较难分离。 用特殊的氟化剂合成芳香族氟化物，由于特殊的氟化剂不太容易获得，而 f 1 价格比较贵，不如氟代脱硝中用k f 作为氟离子源。 氟代脱硝与卤素交换一样具有工艺简单，操作方便等优点，但是与卤素交 ，审岣 一 慨 ，审慨 硕士论文氟代脱硝合成芳香族氟化物的研究 换相比较，它具有更大的优越性：硝基比氯原子具有更大的诱导效应，使得 其取代在相同的活化条件下更易进行；卤素交换的一个限制就是在卤素邻或 者对位存在吸电子基团时可以得高产率，而较难合成间氟芳香物，但氟代脱硝 可以合成问氟芳香物；氟代脱硝的反应条件更加温和，主要是由于硝基比卤 素具有更大的离去能力。 1 3 2 氟代脱硝反应的试剂 氟代脱硝反应实际上是芳环上的亲核取代反应，芳环上发生亲核取代反应 通常要求芳环上至少存在一个吸电子基团，有利于降低芳环上的电子密度，使 亲核取代反应容易发生。 氟代脱硝反应如下 a r n 0 2 + k f 塑堑堡堡些銎a r f + k n o ， 溶剂 一 1 3 2 1 溶剂 在这个反应中由于k f 是固体，a r n 0 2 常也是固体，因此要使用溶剂。 f i n g e r i 和c r u s e 8 1 首先认识到用溶剂的好处，它们选用了d m s o ( 二甲亚砜) ， d m f ( 二甲基甲酰胺) 为溶剂，使反应温度和反应时间都大为降低，而且产品产 率提高。 表1 3 , 2 1 1 常用溶剂的物理性质 1 3 2 2 氟离子源 用于氟代脱硝的氟离子源1 58 】有很多，主要有金属氟化物和一些有机氟化 物。但不同的氟化物其活性不同，有些氟化物只能用于非常活泼的氟化反应， 如n h 。f 、n a f 和z n f 2 。而有些氟化物则太过活泼而对芳环进行加成以至于选 择性不好，如c e f 4 、s b f 5 、c o f 3 都对双键及芳环进行氟加成：另外一些金属 氟化物如a g f 、s b f 5 和c s f 虽然活性高，但是价格太高而不常用。此外，氟 坝j + 论文 氟代脱硝合成芳香族氟化物的研究 代季铵赫由于可以溶解在有机溶剂中，增加氟离子在有机相中与底物的接触， 从而提商反应效率，通常用的有四甲基氟化铵。 一般来说，只有单价氟化物具有足够低的点阵以具有脱硝反应的活性，通 常从价格和活性角度考虑：选用k f 作为氟代试剂。k f 在一些质子溶剂中具 有较大的溶解度( 如水、小分子羧酸及醇) ，但在极性非质子溶剂中溶解度比 较低( 有报道k f 在二 挚亚砜。( d m s o ) 中溶解度只有0 6 1 0 。m o l ，d “1 0 1 ) 。 k f 的溶解度小会导致它与底物接触机会减少，从而影响反应的进程，往往需 要延长反应的时间和提高反应温度，这样又会导致许多不必要的副反应。因此 为了锼反应顺利进行，人们采用了很多办法。i s h i k a w a 等人研究了喷雾干燥 制得的k f 在氟化反应中活性提高的作用。唢雾干燥k f 主要是增加k f 的表 面积而增加反应物的接触面积，从而提高反应性。s y m t h 等人把氟化物放在甲 醇中重结晶【l “，发现可以提高产物的收率。氟离子的溶解能力通常随着阳离子 的尺寸增大而增大，氟化季铵盐在极性非质- 了溶剂中比其金属氟化盐具有更大 的溶解度，此类氟化赫已经被c l a r k 等人【】用于氟代脱硝反应中。 通常用的k f 有普通焙烧k f ，冷冻干燥k f i ”1 ，喷雾干燥k f 。它们三者 之间的比较【1 3 j ： 表1 3 2 2 1 不同k f 的比较 ( a 、川k a r l f i s c h e r 方法) 表i 3 2 2 2 不同k f 的物理性质比较 十燥方法粒径( u r n )比表面积体积密度水含量 一! 婴! ! g ! ! g 塑! ! 喷雾二f 燥k f 1 0 5 01 3 o 3 0 7o 2 4 焙烧k f 2 0 0 3 0 00 】1 4 1 6 o 3 0 由上表可以知道普通焙烧k f 的含水量最高，从减少水含量角度考虑，应 1 i 选用焙烧k f 。而冷冻干燥的k f 对于活化的硝基化合物的氟化反应效果比 较差m j 。喷雾干燥k f 的比表皿积远远大于冷冻干燥k f ，从反应角度来考虑， 也就是增加了，反应的接触面积，因此也有利于反应的进行。 1 3 ，2 3 催化剂 山于这一反应是有机物与无机物的反应，故为了增加反应物氟离子在溶液 中的浓度，增加反应物之间接触几率，提高反应效率，采用相转移催化剂i 】“。 为了防i i ：相转移催化剂分解( 含有d h 的季铵盐易分解) ，通常采用 ( c h 3 ) 4 n c l l l 4 1 、四甲基溴化铵、( p 1 1 ) 4 p b r 1 5 l f l 7 1 为相转移催化剂。 碳l 论文 氟代脱硝龠成芳香族氟化物的研究 1 3 3 最新研究进展 m a r g h e r i t a 等人【1 8 】用氟代脱硝法一步制3 - 氟邻苯酐，反应底物用3 - 硝基邻 苯二甲酰氯，它不但作为底物，而且作为亚硝酸根离予捕获剂。 o | jo o 链昌生醛；一群o ；一 i日 饼? n k 踯 5 o i i b 结果发现反应简单，而且目标产物得率比较高( 产率8 0 ，转化率9 1 ) 在氟代脱硝反应中k f 在溶剂中的溶解性很低，而且容易吸湖，人们想到 了更换氟离子源。n u b i a 和c l a r k 1 2 1 采用了季铵盐作为氟离子源，他们提供了 率1 0 0 ) i 2 l 。他们认为可能是生成t ( c h 3 h n + o n o 。，陂离子对之间的作用 h i r o s h is u z u k i 等人1 ”1 提供了用氟代脱硝高产率合成问位氟苯的方法，他 们认为氟代脱硝反应中催化剂用四苯基澳化鳞比较好，四苯基溴化鳞在合成间 好，反应中加邻苯= 甲酰氯效果又比不加邻苯二甲酰氯的效果好。他们认为用 列苯基溴化鳞作为催化荆，羽邻苯二甲酰氯作为亚硝酸根离子捕获剂，可以很 好地合成间位氟苯( k f 与涮二硝基苯反应，用四苯基溴化鳞作为催化剂，用 邻苯二甲酰氯作为亚硝酸根离子捕获剂，产物转化率为9 5 ，产率9 3 ) 1 1 9 1 。 m i c h e l em a g g i n i 等人l 】则提供了一种用四甲基氯化铵作为催化剂，可以 很好地合成某些含氟芳香族化合物的方法( 例如用l ，硝基一2 一氯一4 三氟甲基苯 】。他们认为亚硝酸根离子在反应中影i l 向较大，因而提供了一系列硝酸根离 子捕获剂，研究发现苯环上吸电子基叫越多的亚硝酸根离子捕获剂在反应中的 效果越好。但是他们还发现，即使用好的亚硝酸根离子捕获剂，产物得率具有 坝l 论艾 氟代脱硝合成芳香族氟化物的研究 不叫重复性，这可能是由丁反应体系的复杂性以及物质转换的问题。 y o e l $ a s s o n 等【9 j 研究发现，水在这一反应体系中不完全起副作用，水的水 化作用对于稳定季铵盐催化剂有利。他们发现痕量的水( 0 2 0 3 w w ) 对于 把f 有效的从k f 表面迁移到反应相中起到重要的作用，无论反应用不用相转 移催化剂。只有当水含量太高时( 大于o 5 ) 过量的水部分溶解k f ，形成 h f ，对最初的离子交换起抑制作用，从而使催化剂失活。 a d a m s 与c i a l k 等f 2 嘶发现氟离予的碱性高度依赖溶液中的阳离子、水合的 程度以及反应溶剂。氟离子在极性非质子溶剂中碱性及亲核性火大增加了。但 是碱性及亲核性的增加会导致其与溶剂反应，因而降低氟盐的碱性利于阻j t 溶 剂脱质子，从而可以消除副产物的个途径。此外他们发现碱性降低产率反而 提高了，而目选择性也提高了，虽然反应速率下降了。他们采用t m a h f 2 1 6 0 l 、 t m a f 3 4 h 2 0 、t m a f 作为氟离子源。l a n d i n i 等 2 l j 认为四烷基氟化铵的碱性 随着水合程度的递减而增大，也就是阮氟化物的碱性大于二氟化物，他们( 内亲 核性电遵循这一顺序。因此碱性顺序有t m a f t m a f 3 4 h 2 0 t m a h f 2 。用 d m a c 为溶剂，用间二硝基苯为底物时，当用t m a f 为氟离子源时， n o z 卫丛垒o n u 2n o ， 1l c o n m e ： r + 够慨 c j k n m e 2 而用t m a h f 2 就没有检测到乡，而且检测到的水解副产物也变少 了。因此研究表明反应产物产率最好的是t m a i i f 2 ( 6 6 ) ，其次是 t m a e 3 4 h 2 0 ( 2 7 ) ，最不好的是t m a f ( 2 6 ) ，刚好与他们的碱性次序相 反。但是反应速率却是t m a f t m a f 3 4 h z o t m a h f 2 。 微波技术的兴起，使得许多反应出现了在常规反应时意想不到的结果。微 波技术用于氟化反应的最早记载是19 8 7 年h w a n g 发表的一篇关于合成放射性 含氟化合物的文章2 2 1 ，他用含放射性氟的元素氟取代硝基或卤素，其运用微波 加热的目的是为了加快反应使放射源在反应中损失减少，结果发现反应速率大 大提高，而且放射性产物的产率也有所提高。最近罗军等对微波促进卤索交换 氟化反应进行了研究23 1 ，发现可以加快反应速度至几十倍，并能提高产率及抑 制副反应的发生。而氟代脱硝反应是一个与卤索交换反应相类似的反应，均属 于苯环的亲核取代反应，因此微波技术的运用值得关注。 1 3 4 副产物的来源 氟代脱硝反应体系足一个比较复杂的反应体系，人们在反应体系中检测到 m i 0 jl ! 论文 氟代脱硝台成芳香族氟化物的研究 了醚、酚等副产：物【4 l 。目前人们认为副产物的来源大致有三方面： 首先是由体系中的水的影响而产生的，由于所有的氟化剂都是吸潮的，因 此彻底的干燥极为困难。产物氟化物简单的水解【2 ，生成了副产物， a r f + 1 1 2 0 = = = a r o h + h f 氟化物强烈的水解能力导致反应中苯酚类物得以产生，产生的盼类活性也 可能山于氟化物的氢键而大大加强，进而导致副产物的生成。 a r f + a r o h = = 兰a r o a r + h f 其次就是在反应中产生的大量n 0 2 比较活泼，会参与反应1 4 l 。n 0 2 具有 两性亲核性，它不但可以用n 攻击芳环，而且也可以用o 攻击芳环| _ 2 4 】。在浚 反应体系中o 的亲核性常常是火于n 的亲核性【1 4 l ，从而导致： a r x + n 0 2 。；= = 兰a r o n o + x a r o n o + n 0 2 。二= = ：a r o 。+ n 2 0 3 ma r o 一又具有较好的亲核性，进一步得到其他副产物， a r o 。+ a r f = a r o a r + r 最后一种来源是溶剂参与了反应【2 0 j ，具体反应机制尚不明确。可能是由于 氟离子是一强碱，进攻溶剂，从而活化了溶剂，使溶剂参与了反应。但是只要 控制好反应条件( 反应条件温和) ，这一副产物来源可能对反应的影u l a j f 是很 大。 总的说来在极性非质子溶剂中n 0 2 及f 。的易离去性导致氟代脱硝往往产 率比较低”1 ，对反应影响较大的是前两种副产物来源因素，而尤其以第二种影 响为甚。因此为了提高氟代脱硝产率，就必须抑制n 0 2 一，所以人们想到了用 n 0 2 - 的捕获剂与n o z 反应，从而捕获n 0 2 一。目前人们主要用的是邻苯二甲酰 氯( p d c ) 1 4 1 1 7 l ，它在其巾作用如下所示 “1 ： oo | |i i 苡： r 一哎：d 0 o o f f + n 0 2 一 。 衅： o o o o o n o f + r + n 2 0 3 + f 0 衅。牵誓世 坝l 论文 氟代脱硝台戚芳香族氟化物的研究 适宜做n 0 2 捕获剂的还有1 1 4 j o c l f c i f 1 4 发展前景 芳香族氟化物具有广阔的用途，广泛用于农药及医药中间体f 5 5 1 f 5 9 1 中。目前 用于工业化生产的方法有b a l z s c h i e m a n n 反应利卤素交换反应。 b a l z s c h i e m a m _ 1 反应中，它生成的重氮盐在高温下是不太稳定的，容易产生爆 炸的危险。而卤素交换反应中，对于合成邻位及对位芳香族氟化物产率比较高， 而埘于合成间位芳香族氟化物时，卤素交换反应几乎不发生。而氟代脱硝反应 则刚好可以弥补这一缺陷，_ i = i j 以合成问位芳香族氟化物。此外，氟代脱硝法其 所用的原料是硝基芳烃，可以山硝化反应高产率地，便宜地合成，这就为可能 的工业化生产创造了条件。 氟代脱硝合成芳香族氟化物是种新型的合成芳香族氟化物方法，由于其 i _ 以合成卤素交换不易合成的问位芳香氟化物，因此具有广阔的应用前景。罗 军等j h 微波促进卤素交换反应1 2 ”，歌得了良好的效果，而氟代脱硝反应是类似 于卤素交换反应的，因此微波用到氟代脱硝反应中是否会到良好的效果，值得 笑注。 氟代脱硝反应中用到偶极非质子溶剂，而通常偶极非质子溶剂比较昂贵， 因此溶剂的四【收或者寻找替代的廉价溶剂，足能否工业化的一个关键。 1 5 本论文研究内容 氟代脱硝合成芳香氟化物是一种新型的合成方法，尤其对于合成问位芳香 氟化物有良好的应用价值，它解决了用卤素交换所不能完成的难题。因此本论 文主要用问二硝基苯为反应底物来合成间位硝基氟化物。 第二章介绍了氟代脱硝反应的各种影响因素，如溶剂、催化剂、反应时间 等等，分析了各自的原因，为更好的反应创造最佳条件。通过油浴加热与微波 j j i l , x 熟4 ，h 比较，对微波用在氟代脱硝反应中作初步的探索。运用气质联用分析对 反应分离产物中各组分定性，从而找出其副产物的来源。用柱分离办法对产物 处理，发现取得了一定的效果。 第三章介绍了氟代季铵盐的制备，及在其制备过程中出现的副反应，用气 质i 陕用分析捡出副产物，对氟代季铵盐的分解作出分析。运用自制的氟代季铵 盐作为氟离了源与底物反应，发现其有一定的优越性。 第叫章介绍了用3 一硝基苯酐可以方便地合成3 一氟苯酐，而不必由传统 的方法柬合成，这体现了氟代脱硝反应的方便应用。 筇五章介绍了用气谱跟踪反应，为清楚了解反应的进程提供丁良好的分析 基础。从反应机理角度来分析氟代脱硝反应，主要从反应实质一一亲核取代反 应角度分析反应，从反应用的相转移催化剂角度来分析相转移催化在氟代脱硝 反应。p 胸应用，把溶剂在反应中所起到的作用做了详细的分析，为彻底捣清楚 氟代脱硝反应做理论上的分析与考虑。 顺l ! 除文 氟代脱硝合成芳香族氟化物的研究 2 实验部分 芳环上发生亲核取代反应的条件是芳环上至少有一个吸电子基团，如 n 0 2 ，c n ，一c o o h 等等。卤素交换反应与氟代脱硝反应实际上都是芳环上的 亲核取代反应。但是卤素交换反应对于合成邻对位基团的芳香氟化物可以得到 很高的产率( 8 0 以上) ，咒其是罗军等用微波促进卤素交换反应更是使产率 达到9 0 1 2 5 1 。但是对于问位基幽的芳香物来说，用卤紊交换几乎得不到芳香 族氟化物【2 ，而用氟代脱硝法则可以很好地得到间位芳香族氟化物，所以本实 验的丌展目的就是为了能高产率地获得问位芳香族氟化物。以下实验主要用的 底物是i 刨二硝基苯，氟离子源是喷雾干燥氟化钾。 2 1 实验所用的化学试剂 1 、底物主要用间二硝基苯( 化学纯) ，此外为了做对比实验还用了对二 硝基苯( 化学纯) ，2 ，4 - 二硝摹甲苯( 自制) ，3 - 硝基苯酐( 化学纯) 2 、氟离子源采用喷雾二f 燥k f ，纯度大于9 8 ，水的质量分数小于o 2 3 、溶剂极性非质子溶剂 表2 1 1 实验所用溶剂的性质 溶剂熔点( )沸点( )密度( g c m ) 二甲! ! e 砜1 8 5 4 1 8 9 0 1 0 9 5 8 ( d m s o ) 二甲基甲酰胺一6 0 4 3 ( d m f ) 二甲基乙酰胺一2 0 ( d m a c ) 1 5 3 0 1 6 6 1 ( t m s o ，) 0 9 4 3 9 7 0 ，9 3 6 6 1 2 6 1 4 4 、催化剂凹甲基氯化铵( t m a c ) 化鳞，卜六烷基三甲基溴化铵( c f a b ) 。 四甲基溴化铵( t m a b ) ，凹苯基溴 聚乙二醇( p e g ) ，均为化学纯 2 2 实验所用的仪器及检测仪器 实验仪器：四口烧瓶( 1 0 0 m 1 ) ，冷凝管，旋转蒸发仪，分液漏斗，布氏漏 斗，7 9 1 型磁力加热搅拌器，w h l 0 7 s 一1 型微波炉，温度计，油浴锅，油水 分离器 检测仪器：v a r i a n 3 7 0 0 型气相色谱仪( o v - - 1 0 1 毛细管柱) ，v a r i a n s a t u r n 硕士论文 氟代脱硝合成芳香族氟化物的研究 2 0 0 0 g c m s 联用仪，红外光谱仪，核磁共振仪 2 3 实验方法的选择及实验过程 良好的实验方法可以起到事半功倍的效果，实验方法的选择既要不能影响 的正常进行，而且又要有利于所得到的产物分离，实验的安全及可靠性也很重 要。 2 3 1 实验方法的选择 本实验采用混合加料法反应，在共沸除水时，可以先加入氟化钾，当共沸 除水后再加入底物。反应结束后用水蒸气蒸馏丽不采用直接的蒸馏，主要是考 虑到了反应底物是硝基芳烃，具有爆炸性，直接蒸馏可能会产生一定的危险性 2 8 1 ，而反应采用偶极非质子溶剂，它是可以与水互溶的 2 7 ，此外所得到的产物 芳烃氟化物溶于苯中，而苯于水不互溶，苯的沸点只有8 0 左右，所以用水蒸 汽蒸馏完全符合要求，既可以在蒸馏后除去偶极非质子溶剂，又可以把产物从 混合物中带到苯溶剂中。 2 3 2 实验过程 2 3 2 1 油浴加热反应 在三口烧瓶中加入喷雾干燥k f ，间二硝基苯，相转移催化剂，迅速加入 极性非质子溶剂，在油浴锅里回流反应。反应结束后，抽滤除去固体物，并用 苯洗滤饼数次，合并滤液及洗液。用水蒸气蒸馏，分液馏出液。用苯萃取馏出 液中水相2 3 次，合并有机相，蒸馏除去苯，得粗产物间硝基氟苯。 2 3 2 r 2 微波加热反应 在单口烧瓶中迅速加入喷雾干燥k f ，间二硝基苯，相转移催化剂，迅速 加入极性非质子溶剂，在w h l 0 7 s - - 1 型微波炉上固定好烧瓶，装好回流冷凝 管。设置好反应时间，启动微波炉。反应结束后处理方法同上。 2 4 实验 以下实验中收率均为分离产物的得率，转化率是用气谱分析分离产物中得 含量。 2 4 1 溶剂对反应的影响 底物用间二硝基苯，氟离子源用喷雾干燥氟化钾，反应时间为6 个小时， 反应是在回流状态下进行的， 用四甲基氯化铵为相转移催化剂的结果： 硕士论文 氟代脱硝合成芳香族氟化物的研究 表2 4 1 1 溶剂对反应的影响 溶剂 转化率( )收率( ) t m s 0 24 7 82 3 7 t m s 0 2 4 8 23 3 8 d m s o4 8 ，25 4 ，2 d m s o 4 9 24 4 7 d m f 6 4 72 8 4 d m f 1 1 72 8 4 d m a c6 32 7 1 d m a c 5 6 13 0 5 用四甲基溴化铵( t m a b ) 为催化剂时 表2 4 1 2 溶剂对反应的影响 溶剂 收率( )转化率( ) d m f 1 3 33 6 2 d m s 04 4 ，25 9 4 d m a c8 23 2 。5 t m s o ，2 4 35 2 5 由于该反应是f 。取代硝基的亲核取代反应，f 是强碱【4 8 1 。若用质子溶剂则 f 会夺取h + 形成h f ，影响反应的顺利进行，故适宜用非质子溶剂。非质子溶 剂负极向外凸出，正极被周围基团包围，不易与f 结合，利于f 的形成1 2 9 j 。 从上表中可以看出溶剂对该反应有一定的影响，t m s 0 2 与d m s o 均是该 反应的很好的溶剂，但t m s 0 2 产率较低，而d m f 与d m a c 不但产率不高， 而且转化率也不够稳定，反观d m s o ，相比较而言，其转化率较稳定，产率也 较高，是理想的反应溶剂。 这可以首先从溶剂的极性来解释，四种溶剂的极性角度来看，溶剂极性次 序为d m s o t m s 0 2 d m f d m a c ，溶剂的极性大，其溶解反应底物的效果就 比较好，而且其对作为氟离予与底物之间的媒介作用就比较好。此外，溶剂对 于反应中间产生的m e i s e n h e i m e r 中间体起到稳定的作用，这就起到了能够促进 反应的作用，因此可以看出d m s o 对于m e i s e n h e i m e r 中间体的稳定作用最好。 2 4 2 反应时间对反应的影响 反应底物为间二硝基苯，喷雾于燥氯化钾为氟离子源， 硕士论文 氟代脱硝合成芳香族氟化物的研究 表2 4 2 1 反应时间对反应的影响 溶剂催化剂时间( h )转化率( )收率( ) t m s o ，t m a c46 2 08 4 d m s ot m a c46 2 71 1 7 d m s ot m a c65 0 32 35 d m s ot m a c85 1 42 8 9 d m s ot m a c1 05 2 _ 82 9 6 4 d m s ot m a c45 1 41 2 1 ( + 反应开始时溶剂采用了共沸除水) 从上表中可以看出，反应随时间增加产率增加，转化率也增加，但从4 小 时变化到6 小时则转化率相应地减少。这可能是由于反应体系中存在一种平衡， 即生成产物与产物消耗生成副产物的平衡，因为芳香氟化物中氟是比硝基更容 易离去的基团。反应达6 小时时产物消耗，生成了副产物，影响了转化率。但 反应时间继续延长，则未反应的原料继续反应，最终转化率增加，产物消耗生 成副产物的速度降低，转化率提高了，反应体系采用共沸除水能达到一定的效 果 1 a 。这主要是由于水在反应中会形成副产物，它会引起产物水解。 a r f + h a o = = = = a r