陳玉風, 嚴正權(quán), 徐洪耀
(東華大學 材料科學與工程學院 纖維材料改性國家重點實驗室,上海 201620)
喹啉類化合物以其獨特的共軛結(jié)構(gòu),良好的光譜性能,較高的熱穩(wěn)定性和優(yōu)良的生物活性備受國內(nèi)外眾多科學工作者的關(guān)注,廣泛應用于對金屬離子的配位[1~3],對陰離子的選擇性識別[4],印染助劑[5]以及抗瘧等許多醫(yī)藥化工中間體[6]等領(lǐng)域。
作為此類材料重要的中間體,6-硝基喹哪啶(1)的合成工藝與產(chǎn)品質(zhì)量直接影響該類材料的性能和應用。目前,合成1主要有直接硝化法和成環(huán)法[7~9]。硝化法是用硝酸直接硝化喹哪啶,所獲得的產(chǎn)物有5-/6-/8-位三種取代物,不僅分離困難,而且產(chǎn)率也很低?,F(xiàn)多采用成環(huán)法(Friedl?nder反應法[10]、Skraup反應法[11,12]、Combes合成法[13]及Skraup-Doebner-Von Miller反應法[14,15]等)合成1。但在成環(huán)法的合成中均需要高溫、濃強酸(多為濃硫酸和濃鹽酸)和催化劑等,存在反應速度快、焦油副產(chǎn)物多、產(chǎn)物難以提純和產(chǎn)率不高等缺點,其中Skraup-Doebner-Von Miller法產(chǎn)率相對較高。
本文在Skraup-Doebner-Von Miller法的基礎(chǔ)上,以對硝基苯胺(2)和巴豆醛(3)為原料,經(jīng)環(huán)合反應合成了1(Scheme 1)。對合成工藝進行了改進,采用加入適量醋酸先與2形成醋酸銨,再與3進行反應合成1的方法來有效降低反應速度;通過添加適量甲苯作為乳化劑吸收反應熱和吸附分離副產(chǎn)物焦油的辦法提高產(chǎn)率。實驗結(jié)果表明,改進后的方法具有反應速度適中、副產(chǎn)物少、產(chǎn)物易分離提純等優(yōu)點,最高產(chǎn)率達到93.1%,較文獻值[14]提高12%以上。
Scheme1
Bruker AMX-500型核磁共振測定儀(CDCl3為溶劑,TMS為內(nèi)標); Nicolet 8700型FT-IR傅里葉紅外光譜儀(KBr壓片);Vario EL Ⅲ型元素分析儀。
3,分析純,上??曝S化學試劑有限公司;鹽酸(36.0%~38.0%), AcOH和氨水(25.0%~28.0%)等,化學純,上海禾汽化工科技有限公司;實驗用水為二次蒸餾水。
在三口燒瓶中加入6 mol·L-1鹽酸45 mL, 2 1.232 g(8.92 mmol),攪拌下加入AcOH 0.5 mL,于100 ℃反應30 min。加入甲苯10 mL, KI 0.15 g(9.036 mmol)和I260 mg(2.364 mmol),滴加2 1.48 mL(17.94 mmol)的甲苯(2 mL)溶液[滴速(5~6)滴/分],滴畢,繼續(xù)反應4 h(TCL跟蹤)。分出有機相,水相用氨水中和至沉淀完全,抽濾,濾餅經(jīng)硅膠柱層析[洗脫劑:V(石油醚) ∶V(乙酸乙酯)=5.5 ∶1.0]分離得白色晶體1,收率93.1%;1H NMRδ: 8.12(d,J=8.4 Hz, 1H, 5-H), 7.97(d,J=2.4 Hz, 1H, 4-H), 7.95(d,J=2.0 Hz, 1H, 7-H), 7.53(t,J=8.2 Hz, 1H, 8-H), 7.38(d,J=8.4 Hz, 1H, 3-H), 2.78(s, 3H, CH3); IRν: 3 096(Ar-H), 2 959(CH3), 1 534, 1 382(NO2) cm-1; Anal.calcd for C10H8N2O2: C 63.82, H 4.18, N14.89; found C 64.03, H 4.25, N 14.96。
2 8.92 mmol, I2/KI(8.92 mmol)為氧化劑,甲苯10 mL,混酸45.5 mL,于100 ℃反應4 h,其余反應條件同1.2,考察r對產(chǎn)率的影響,結(jié)果見表1。由表1可見,隨著r的增大,產(chǎn)率逐步提高;當r過高時,產(chǎn)率反而降低。這主要因為在該反應體系中的反應機理是醋酸先與2形成醋酸銨后再與3進行反應,可有效降低反應速度;但醋酸銨與3的反應要求在較強的酸性條件下進行。因此當酸性介質(zhì)全是醋酸時,反應過程雖然較為溫和,但由于體系酸性不夠,結(jié)果產(chǎn)率不高;隨著鹽酸的比例增加,反應的酸性增強,在保證醋酸先與對硝基苯胺形成醋酸銨的條件下,體系的酸度越大,產(chǎn)率越高;然而當酸性介質(zhì)全為鹽酸時,反應過程非常劇烈,反應體系中產(chǎn)生大量瀝青狀焦油,導致副反應明顯增加,產(chǎn)率降低。研究發(fā)現(xiàn)r=1 ∶90時,產(chǎn)率最高(93.1%)。
表 1 r對產(chǎn)率的影響*Table 1 Effect of r on yield
*2 8.92 mmol,r=V(AcOH) ∶V(HCl), I2/KI(8.92 mmol)為氧化劑,甲苯10 mL,于100 ℃反應4 h,其余反應條件同1.2
Skraup-Doebner-Von Miller反應一般通用型氧化劑有碘/碘化鉀、氯化鐵、苯醌、砷酸等。砷酸主要用于工業(yè)生產(chǎn)中,因毒性較大,實驗室較少使用。
表 2 氧化劑種類對產(chǎn)率的影響*Table 2 Effect of oxidants kind on yield
*2 8.92 mmol,r=1 ∶90,其余反應條件同表1; I2(2.36 mmol)/KI(9.04 mmol), CuCl2(9.00 mmol), 苯醌(9.00 mmol)
2 8.92 mmol,r=1 ∶90,其余反應條件同2.1,考察氧化劑種類對收率的影響,結(jié)果見表2。由表2可見,I2/KI作氧化劑時,效果較好。這可能是因為:EφAs(Ⅴ)/As(Ⅲ), EφI2/I-, EφCu2+/Cu+和Eφ醌/酚的氧化還原電勢分別是0.56 V, 0.54 V, 0.34 V和0.70 V,其中EφAs(Ⅴ)/As(Ⅲ)和EφI2/I-與1中的氧化還原電勢最接近的緣故,因此最有利于反應進行,導致較好產(chǎn)率,氧化還原電勢相差過高或者過低均對反應不利。
之前在Skraup-Doebner-Von Miller反應體系中一般不加入乳化劑,結(jié)果發(fā)現(xiàn)反應焦油副產(chǎn)物多,收率較低。我們在實驗中經(jīng)過多次反復研究發(fā)現(xiàn),反應體系中加入適量的甲苯作為乳化劑,不僅有效吸收反應熱,而且可溶解反應產(chǎn)生的副產(chǎn)物焦油,從而使生成的焦油快速與產(chǎn)物所在的水溶液形成兩相,結(jié)果既減少焦油對產(chǎn)物的吸附,又減少了焦油對反應原料的包覆,使產(chǎn)率提高,同時又有利于產(chǎn)物分離提純。
2 8.92 mmol,r=1 ∶90,其余反應條件同2.1,考察甲苯用量對收率的影響,結(jié)果見表3。從表3可見,甲苯加入量較少,不能完全包覆焦油時,水相中會有黑色焦油產(chǎn)生,吸附部分產(chǎn)物,且分離提純困難,產(chǎn)率較低。當甲苯為10 mL時,水相澄清,反應產(chǎn)率也最高。甲苯量超過10 mL時,發(fā)現(xiàn)一定量的產(chǎn)物溶解在甲苯中,難以分離,致使產(chǎn)率略有降低。因此最佳甲苯用量為10 mL。
表3 甲苯用量對收率的影響*Table 3 Effect of toluene amount on yield
*2 8.92 mmol,r=1 ∶90,其余反應條件同表1
2 8.92 mmol,r=1 ∶90,其余反應條件同2.1,考察反應溫度對收率的影響,結(jié)果見表4。由表4可以看出,反應溫度對收率有很大的影響:溫度較低,達不到反應所需的活化能,反應慢,產(chǎn)率低;但溫度超過130 ℃時,反應速度過快,燒瓶壁上黑色焦油明顯增多,收率降低。
表4 反應溫度對收率的影響*Table 4 Effect of reaction temperature on yield
*2 8.92 mmol,r=1 ∶90,其余反應條件同表1
以I2/KI為氧化劑,甲苯為乳化劑,由對硝基苯胺和巴豆醛經(jīng)環(huán)合反應合成1的最佳反應條件為:2 8.92 mmol, 混酸45.5 mL[V(AcOH) ∶V(HCl)=1 ∶90],甲苯10 mL,n(2) ∶n(I2/KI)=1 ∶1,于100 ℃反應4 h,收率93.1%。
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