硕士学位论文-氟代脱硝合成芳香族氟化物的研究.pdf

分类号密级 注 学位论文 氟代脱硝合成芳香族氟化物的研 题目和副标题 叶方青 作者姓名 指导教师姓名 申请学位级别 硕士 专业名称 应用化学 论文提交日期 学位授予单位和日期 论文答辩日期 南京理工大学 答辩委员会主席 评阅人 年月日 注注 明国际十进制分类法 的类号 摘要 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 一 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 。 介绍了制备氟代季按盐的简便方法 , 并从该反应中发现了不 必要的副反应 。 用合成的氟代季钱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馁盐气相色谱 , , 一 , 一, , ,一 哪 一 一 , 一 一一 , , 面 , 七 以 亡 们 如 , 勿 叭尾 认 , 抑 , 目录 绪论 芳香族氟化物的用途 芳香族氟化物的合成方法 氟气的氟化 氟化氢的催化氟化 卤素交换法 , , 一 反应 , 特殊氟化剂的氟化 氟代脱硝合成芳香族氟化物 , 氟代脱硝反应 , 氟代脱硝反应的优点 , 氟代脱硝反应的试剂 溶剂 , 氟离子源 催化剂 , 最新研究进展 副产物的来源 , 发展前景 , 本论文研究内容 , 实验部分 实验所用的化学试剂 , 实验所用的仪器及检测仪器 , , , 二 实验方法的选择及实验过程 , 实验方法的选择 实验过程 , 油浴加热反应 , , , 微波加热反应 , 实验 , 溶剂对反应的影响 , 反应时间对反应的影响 各种反应体系的比较 , 巧 催化剂对反应的影响 , 么 溶剂的量对反应的影响 , , 不同的反应底物的反应性 微波反应 , , , 用亚硝酸根离子捕获剂时反应体系中的组分 分离产物中的组分定性及产物的分离纯化 , 分离产物中的组分定性及副产物分析 产物的纯化 , 实验的优化条件 , 本章小结 , , 氟代季按盐的制备及其反应性 氟代季钱盐的制备方法 二 , 氟代季钱盐的制备 , , 副反应 , , 氟代季钱盐的定性分析 氟代季按盐的反应性 温度实验 , 犯 , 与当量的和的混合物反应性比较 犯 本章小结 氟代脱硝的应用 气谱跟踪氟代脱硝反应 实验 氟代脱硝中的反应机理 , 二 , , 亲核取代反应 , , , 相转移催化机理 相转移催化 、, , , 相转移催化反应的反应条件选择 , , 受 户 勺 溶剂的作用 亚硝酸根离子 的双向亲核性 , 本章小结 , 结论 , , 所做的工作及取得的实验结果 存在的问题 , , 发展趋势 二 , , , 致谢 , , , , ,口、以 、 参考文献 附录 户公 了 孟 硕论文 绪论 氟代脱硝合成芳香族氟化物的研究 芳香族氟化物是重要的农药及医药中间体 , 可以用来合成除草剂 、 杀菌剂 、 功能染料 , 也正用于合成治疗癌症的药物 , 因此越来越受到广泛的重视 。 芳香族氟化物的用途 由于氟原子 半径埃小 , 又具有极 大的电负性 , 因此所形成的 一键能 要比 一键能大得多 , 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是等引入到 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 。 因此 , 含氟农药与含氟医药往往有很高的生物活性 , 从 向使之 具有 一 用量少 、 效果好 、 毒性低等特点 。 这些独特而优良的性能 , 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 , 有关的各种研究报告 、 专 利比 比皆是 , 有着奇特效能的新品种不时涌现 。 目前 , 已商品化的和正在开发 的产品有近 一百种 , 而且应用于药物化学的各个领域中 , 在中枢神经系统药物 、 打必 ,瘤药物 、 抗菌药物 、 抗寄生虫病药物 、 麻醉药物 、 誉体消炎镇痛药物 、 非 肖体消炎镇痛药物 、 利尿及心血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 和被誉为超阿斯匹林的二氟苯水杨酸 的镇痛作用都比相应药物大大增强 。 因而在美 、 日己成为畅销药物 。 抗菌药含氟毗咙酮酸类药物己自成一个体 系 , 其中氟呱酸 , 二氟 拼氏酸 、 环 丙氟呱酸 、 氟嗦酸及氟陡酸 等因其卓越的疗效巳成为畅销的大吨位品种 。 其次是含氟农药 。 含氟农药巳商品化的也有余种 , 作为除草剂的有以 氟乐灵 为代表的二硝基苯胺类 , 以氟梭除草醚为代表的 一二 苯醚类 , 以氟禾草灵为代表的苯氧梭酸类及其它含氟除草剂 余种杀菌剂有抑菌灵 , 氟苯三座等近个品种杀 虫剂有 以除虫脉为代表的苯甲酞尿类的昆虫生长调节剂 , 另一 类高效杀虫剂系列是含氟拟除虫菊酷类 , 再加其它氟杀虫剂共有余个品种 。 近几年来 , 美 、 日 、 法 、 西德 、 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开发的日益活跃 , 含氟芳香族中间体的开发也随 之蓬勃发展起来 。 国外的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 司是系统的公司 。 该公司在密苏里州的 硕卜论文氟代脱硝合成芳香族氟化物的研究 圣路易斯投资万美元 , 建立一个新的开发芳香族氟化合物中间 体的研究中心 。 并在年月建成了世界上最早连续化法生产芳 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 。 该公司生产的其它产品还有 一 氟苯并二氢峡 喃 一一 酮 、 对氟苯酚 、 对氯氟苯 、 邻澳氟苯 、, ,一三 氟苯乙酞酮等等 。 叩 公司 也宣布在新泽西州的 的建造规模的 生产设备的计划 , 在年中期开始投入生产 , 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 中间体有多种 , 商品化的含氟试剂达到多种 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 ,一 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 。 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下几十度的低温 下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 也可用氟气直接氟化 , 但对反应装置的要求是很高的 。 例如苯的氟气直接氟化 , 即苯在乙酞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 、 耳 口价 小 该方法对实验装置的要求比较高 , 而且选择性不太好 , 生成的是混合产 物 。 氟化氢的催化氟化 硝基苯类化合物在无水以硝基苯为原料 , 在无水中 , 在一 等催化剂存在 一 , 直接合成对氟苯胺 。 也可将硝基物先还原成轻氨 , 然后在无 水 一卜 重排而得产物 。 其缺点是异构体较多 。 倾卜论文 氟代脱硝合成芳香族氟化物的研究 、 廿 一一丫 已 白 , 侧丛鱼毕 。 , 、 卜 劣攫 点 口 戈口一旱 卤素交换法 佳界土首次用卤素交换方法的工艺过程是美国年用在高温 、 无 济剂条件下生产 , 一二硝基氟苯 。 , 五上 一 口 幸 年后开始使用溶剂 , 又过了年 , 在极性非质子溶剂反应体系的使 用打 一 开了卤素交换化学全面商业化的大门 , 类似卤素交换过程将芳核上 转化为的工业报道出现于年代 , 此后不久即开始在德国工业化投产 。 在现代卤素交换法的工业氟化过程中 , 一 个主要需要考虑的因素是腐蚀问 题 。 一般反应可 以在耐氟材料 , 如含镍的合金制造的带搅拌和加热反应釜中进 行 。 氟盐如和溶剂 极性非质子溶剂一般先加入并一同加热干燥以除水通 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料和相转 移催化剂 , 加热到所需温度进行反应 。 因卤素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 有溶剂回收方法 , 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 。 目前的趋势是发展无 溶剂或用极少溶剂的工业技术 。 一 反应 该反应发现于年 , 二战后成为含氟芳烃生产的基本方法之一 。 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 左右加入亚硝酸 钠溶液 。 重氮化结束后加入过量的氟硼酸 , 生成 一盐 沉淀 , 将其过滤 分离出 , 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 十 一 相当稳定 , 但仍需小心处理 , 而芳环带有吸 电子基团的氟硼酸 倾论文氟代脱硝合成芳香族氟化物的研究 括则不稳定到难以分离 。 谁器 薰禧 鹦 、 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 , 需仔细控制 。 产生的氟代芳烃从反应混合物中分馏 出 , 放出 的吸收到中重新产生氟硼酸 。 拍 一 匀赚车争玩 年代也出现了用芳胺亚硝酸钠的过程 , 即所谓 “ 一锅化 ” 工业 制 一 备氟代芳烃的重氮化氟化反应的报道 。 年代在德国用此工艺生产氟苯的 工厂 开车 , 这个方法比经典的 一 反应的优越之处在于即时分解所 产生的重氮缺 , 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 的沸点低 , 因而对于含取代基的重氮盐 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 。 现今己可 以用特殊合金或耐的塑料衬里来解决这个问题 。 工艺操作中通常先加入含 水和以调节酸的强度和沸点的然后向预冷却的中加入芳胺 , 然 后再加入亚硝酸钠 , 反应混合物放 出后进入分离器 , 加热并回流 。 洲 了 一 一 一 十 一 十 特殊氟化剂的氟化 试剂 人们普遍把重量大的毗咤和的无水组成的络合液称为 试剂阴写成 , 如苯胺与反应 一步可以得到氟苯 , 而不象 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 , 有斥电子基团存在时产率较高 。 发 、,、,。 离 里兰生 一知 又少 贬七二夕 从 二 二氟化氛 氟气与过量的氨在 下反应 , 可 以得到二氟化氛无色固体 , 二氟化氛 在四氯化碳或者二氯甲烷溶剂中 , 在少量的存在下 , 室温下与苯反应 , 得 氟苯系列产物 。 口。 白 倾卜论文 氟代脱硝合成芳香族氟化物的研究 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 。 年 , 和试图用于 时对 ,一 二硝基氯苯进行去氯化时 , 发现有棕色的烟产生 , 被认为是气体放出了 。 】 中 。云 中 尸 仇 在工作中检测到了低沸点产品 , 进一步研究发现存在 ,一 二氟 一一硝基苯。 他们是第一个报道氟代脱硝反应的 。 中 一 今 一 场 氟代脱硝反应实际是苯环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 以外还要有至少一个吸电子基团 , 这样有利于活化苯环 , 利于发 生亲核取代反应 。 甲 一 伞一 基 团是吸电子基团 氟代脱硝反应 一与其 它合成芳香族氟化物相比较 , 氟代脱硝法具有很多优势 。 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 己经很成熟了 , 反应所得的产率很高 , 因此原料较便宜 。 用 一 反应时 , 它生成的重氮盐在高温下是不太稳定的 , 容 易产生爆炸危险 。 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 , 而且对反应装置 的要求是很高的 。 而氟代脱硝反应在 以下就 可以反应 , 而目反应装置很简单 。 用氟化氢 与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 月价格比较贵 , 不如氟代脱硝中用作为氟离子源 。 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 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 间氟芳香物 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 。 氛代脱硝反应的试剂 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 十 , 相转移催化剂 溶剂 , 溶剂 在这个反应中由于是固体 , 户 常也是固体 , 因此要使用溶剂 。 和首先认识到用溶剂的好处 , 它们选用了二甲亚枫 , 二甲基甲酞胺为溶剂 , 使反应温度和反应时间都大为降低 , 而且产品产 率提高 。 表常用溶剂的物理性质 溶剂熔点沸点相对密介电 常偶极 矩粘度定 压比热 度数 一 容 一 一 , 。 一 一 氟离子源 用于氟代脱硝 的氟离子源有很多 , 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 、 和 。 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 、 、 都对双键及芳环进行氟加成另外一些金属 氟化物如 、 和虽然活性高 , 但是价格太高而不常用 。 此外 , 氟 硕 卜论文 氟代脱硝合成芳香族氟化物的研究 代季按盐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 , 从而提高反应效率 , 通常用的有四甲基氟化馁 。 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 , 选用作为氟代试剂 。 在一些质子溶剂中具 有较大的溶解度如水 、 小分子竣酸及醇 , 但在极性非质子溶剂中溶解度比 较低有及道在二 甲亚飒 中溶解度只有 义 一 。 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 为了使反应顺利进行 , 人们采用了很多办法 。 等人【川研究了喷雾干燥 制得的在氟化反应中活性提高的作用 。 喷雾干燥主要是增加的表 面积而增加反应物的接触面积 , 从而提高反应性 。 等人把氟化物放在甲 醇中重结晶 】 , 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 , 氟化季钱盐在极性非质子溶剂中比其金属氟化盐具有更大 的溶解度 , 此类氟化盐已经被等人 用于氟代脱硝反应中 。 通常用 的有普通焙烧 , 冷冻干燥 , 喷雾干燥 。 它们三者 之间的比较 , , 表 , 不同的比较 干燥方法吸水性占其质量含水量 ” 暴露在空气中小时 普通焙烧 冷冻干燥 、 用 一 方法 表不 同的物理性质比较 干燥方法粒径比表面积体积密度水含量 喷雾干燥 焙烧 一 一 一 一 由上表可以知道普通焙烧的含水量最高 , 从减少水含量角度考虑 , 应 不选用焙烧 。 而冷冻干燥的对于活化的硝基化合物的氟化反应效果比 较差 】 。 喷雾干燥的比表面积远远大于冷冻干燥 , 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 。 , 催化剂 由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 。 为了防止 相转 移 催 化剂分解含有 一 的季 按盐易 分解 , 通常采用 “ 、 四甲基溟化钱 、 ” 为相转移催化剂 。 倾卜沦文氟代脱硝合成芳香族氟化物的研究 最新研究进展 等人 用氟代脱硝法 一步制 一 氟邻苯配 , 反应底物用 一硝基邻 苯二甲酞氯 , 它不但作为底物 , 而且作为亚硝酸根离子捕获剂 。 。 咐 一 八 丫 不或卜 产 、 产 一八、 妙 凡人 止二兰公升卜 ” 结果发现反应简单 , 而且目标产物得率比较高产率 , 转化率 是一个很好的制 一 氟邻苯醉方法 。 在氟代脱硝反应 中在溶剂中的溶解性很低 , 而且容易吸潮 , 人们想到 了更换氟离子源 。 和 】 采用了季钱盐作为氟离子源 , 他们提供了 种制四甲基氟化钱 早 的方法 , 直接用与在甲醇溶液中卤 素交换 , 制得的产率比较高 , 把制得的干燥 , , 天然后与底物反应 , 他们发现反应中不用加 一捕 获剂 , 反应条件温 和 , 无须高温 , 结果显示没有出现酚与醚类副产物 , 产率很高间二硝基苯为 底物产率达 ,一硝基苯 睛为底物产率达 ,一 二硝基苯睛为底物产 率 。 他们认为可能是生成了 一, 该离子对之间的作用 很强 , 不易分开 , 从而阻止了 一进 攻芳环 。 。 等人 ”提供 了用氟代脱硝高产率合成间位氟苯的方法 , 他 们认为氟代脱硝 反应中催化剂用 四苯基溟化磷比较好 , 四苯基澳化鳞在合成间 位氟苯的反应 中比较稳定 , 催化效果较好 , 而用四甲基氯化钱则反应效果很不 好 , 反应中加邻苯二 甲酞氯效果又比不加邻苯二 甲酞氯的效果好 。 他们认为用 四苯基嗅化磷作为催化剂 , 用邻苯二甲酞氯作为亚硝酸根离子捕获剂 , 可以很 好地合成间位氟苯与间二硝基苯反应 , 用 四苯基澳化鳞作为催化剂 , 用 邻苯二甲酞氯作为亚硝酸根离子捕获剂 , 产物转化率为 , 产率 【 。 等人 则提供了一和 ,用四 甲基氯化按作为催化剂 , 可以 很好地合成某些含氟芳香族化合物的方法例如用 一硝 基 一一氯一一三 氟甲基苯 为底物 , 用四 甲基氯化钱作为催化剂时产物转化率可达 , 产率可达 “ 。 他们认为亚硝酸根离子在反应中影响较大 , 因而提供了一系列亚硝酸根离 子捕获剂 , 研究发现苯环上吸 电子基团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 , 即使用好的业硝酸根离子捕获剂 , 产物得率具有 硕 日仑文氟代脱硝合成芳香族氟化物的研究 不可重复性 , 这可能是 由于反应体系的复杂性以及物质转换的问题 。 等研究发现 , 水在这一反应体系中不完全起副作用 , 水的水 化作用对于稳定季钱盐催化剂有利 。 他们发现痕量的水 一 , 对于 把 一有 效的从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过量的水部分溶解 , 形成 一 , 对最初的离子交换起抑制作用 , 从而使催化剂失活 。 与等【发现氟离子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大大增加了 。 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止溶 剂脱质子 , 从而可以消除副产物 的一个途径 。 此外他们发现碱性降低产率反而 提高了 , 而月选择性也提高了 , 虽然反应速率下降了 。 他们采用 尹 、 、 作为氟离子源 。 等仪 】 认为四烷基氟化钱的碱性 随着水合程度的递减而增大 , 也就是 说氟化物的碱性大于二氟化物 , 他们 的亲 核性也遵循这一顺序 。 因此碱性顺序有 。 用 为溶剂 , 用间二硝基苯为底物时 , 当用为氟离子源时 , , 一 冲户 了 长歌 、, 。 仁 、 仁了 飞 习片 惬 沙 一 十 泛 李 。、用 、没有检测至。 尽 , 、检测至。 。水解副产物也变少 了 。 因此不毋究表 明 反 应产物产率 最好的 是 , 其 次 是 , 最不好的是 , 刚好与他们的碱性次序相 反 。 但是反应速率却是 。 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年发表的一篇关于合成放射性 一 含氟化合物的文章 , 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 卤素交换 氟化反应进行了研究 , 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素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 。 副产物的来源 氟代脱硝反应体系是一个比较复杂的反应体系 , 人们在反应体系中检测到 业卜论文 氟代脱硝合成芳香族氟化物的研究 了醚 、 酚等副产物 。 目前人们认为副产物的来源大致有三方面 首先是山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 , 生成了副产物 , 石二二二兰 氟化物强烈的水解能力导致反应中苯酚类物得以产生 , 产生的酚类活性也 可能由于氟化物的氢键而大大加强 , 进而导致副产物的生成 。 石不二二全 干 其次就是在反应中产生的大量 一 比较活泼 , 会参与反应 。 一具有 两性亲核性 , 它不但可 以用攻击芳环 , 而巨也 一可 以用 。攻击芳环 。 在该 反应体系中的亲核性常常是大于的亲核性【 , 从而导致 一 毒二二兰 一一 一“ 一 二二二全 一 而 一 又具有较好的亲核性 , 进一步得到其他副产物 , 一 毒二二二全 最后一种来源是溶剂参 一 与了反应 , 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响不是很 大 。 总的说来在极性非质子溶剂中 一及 一 的易离去性导致氟代脱硝往往产 率比较低 “】 , 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 一, 所以人们想到了用 一 的捕获剂与 一 反应 , 从而捕获 一。 目前人们主要用 的是邻苯二 甲酞 氯 , 言在 其中作用如下所示 “ 介业 , 、气 旱丫 , 一 叭 不 一卜 , 。 试 。 仲 一一 了 、, 日 丫 日 日日 共丫” 子 ,乡 论文 氟代脱硝合成芳香族氟化物的研究 适宜做 一捕获剂 的还有 “ 耐 气 卜 丁 闪口 发展前景 显 , 支工 叭汽节 , 芳香族氟化物具有厂 一 阔的用途 , 广 一 泛用于农药及医药中间体中 。 目前 用于工 业化生产的 方法有 一 反应和卤素 交换反应 。 一 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 , 而对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 , 可 以合成间位芳香族氟化物 。 此外 , 氟代脱硝法其 所用的原料是硝基芳烃 , 可以由硝化反应高产率地 , 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 一 种新型的合成芳香族氟化物方法 , 由于其 可以合成卤素交换不易合成的间位芳香氟化物 , 因此具有广阔的应用前景 。 罗 军等用微波促进卤素交换反应 , 获得了良好的效果 , 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 关注 。 氟代脱硝反应 中用到偶极非质 一子 溶剂 , 而通常偶极非质子溶剂比较昂贵 , 因此溶剂的回收或者寻找替代的廉价溶剂 , 是能否工业化的一个关键 。 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 , 尤其对于合成间位芳香 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 文主要用间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 加热相比较 , 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 了氟代季钱盐的制备 , 及在其制备过程中出现的副反应 , 用气 质联用分析检出副产物 , 对氟代季钱盐的分解作出分析 。 运用 自制的氟代季钱 盐作为氟离子源与底物反应 , 发现其有 一 定的优越性 。 第四章介绍了用 一硝基苯醉可以方便地合成一氟苯醉 , 而不必由传统 的方法来合成 , 这体现了氟代脱硝反应的方便应用 。 第五章介绍了用气谱跟踪反应 , 为清楚了解反应的进程提供了良好的分析 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 反应中的应用 , 把溶剂在反应中所起到的作用做了详细的分析 , 为彻底搞清楚 氟代脱硝反应做理论上的分析与考虑 。 硕士论文 氟代脱硝合成芳香族氟化物的研究 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 一,一,一 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 很高的产率以上 , 尤其是罗军等用微波促进 卤素交换反应更是使产率 达到 。 但是对于间位基团的芳香物来说 , 用卤素交换几乎得不到芳香 族氟化物 , 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 验的开展目的就是为了能高产率地获得间位芳香族氟化物 。 以下实验主要用的 底物是间二硝基苯 , 氟离子源是喷雾干燥氟化钾 。 实验所用的化学试剂 、 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 ,一 二硝基甲苯自制 ,一 硝基苯醉化学纯 、 氟离子源采用喷雾干燥 , 纯度大于 , 水的质量分数小于 、 溶剂极性非质子溶剂 表实验所用溶剂的性质 溶剂熔点 二 甲业研 二甲基甲酞胺 一 二甲基乙酞胺 一 环 一 一 讽 沸点 。 密度 留 , 声 介 月 、 催化剂四甲基氯化馁 , 四甲基嗅化钱 , 四苯基澳 , 一 一 六烷基三甲基澳化馁 认 , 聚乙二醇 , 均为化学纯 实验所用的仪器及检测仪器 实验仪器四口烧瓶 , 冷凝管 , 旋转蒸发仪 , 分液漏斗 , 布氏漏 鳞化 斗 ,一 型磁力加热搅拌器 , 一 型微波炉 , 温度计 , 油浴锅 , 油水 分离器 检测仪器型气相色谱仪 一 毛细管柱 , 、恤 硕士论文氟代脱硝合成芳香族氟化物的研究 联用仪 , 红外光谱仪 , 核磁共振仪 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 。 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而不采用直接的蒸馏 , 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 , 而反应采用偶极非质子溶剂 , 它是可以与水互溶的 】 , 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 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 。 实验过程 油浴加热反应 在三口烧瓶中加入喷雾干燥 灯 , 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 一 次 , 合并有机相 , 蒸馏除去苯 , 得粗产物间硝基氟苯 。 , 微波加热反应 在单口烧瓶中迅速加入喷雾干燥 , 间二硝基苯 , 相转移催化剂 , 迅速 加入极性非质子溶剂 , 在 一 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 。 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 。 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 , 反应时间为个小时 , 反应是在回流状态下进行的 , 用四甲基氯化钱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 表溶剂对反应的影响 溶剂转化率收率 勺 户 八一 工 工, , 尹 办勺 白勺白 , 今 ,一 矛 口 工工 用四甲基嗅化钱为催化剂时 表溶剂对反应的影响 溶剂收率转化率 勺 一 一 、 了 勺 ,、 由于该反应是 一取代 硝基的亲核取代反应 ,一是 强碱 。 若用质子溶剂则 一会夺取 十形成 , 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 一结合, 利于 一的形成。 从上表中可以看出溶剂对该反应有一定的影响 , 与均是该 反应的很好的溶剂 , 但产率较低 , 而与不但产率不高 , 而且转化率也不够稳定 , 反观 , 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 , 溶剂的极性大 , 其溶解反应底物的效果就 比较好 , 而且其对作为氟离子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 , 因此可以看出对于中间体的稳定作用最好 。 反应时间对反应的影响 反应底物为间二硝基苯 , 喷雾干燥氟化钾为氟离子源 , 硕士论文氟代脱硝合成芳香族氟化物的研究 表反应时间对反应的影响 溶剂催化剂时间转化率收率 哎 了 勺勺八 ,、 今山, 成 、 一 、 、 、 以 日 月 片 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 , 但从小 时变化到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 。 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 。 石二二士全 而 一是 极活泼的亲核试剂 , 物 。 各种反应体系的比较 表 它可以与反应体系中的大部分物质生产其它产 各种反应体系的比较 反应体系加热方式反应时间收率 , , 油浴 , , 间二硝 基 苯 , 油浴 四苯基溟化 鳞 , 间二硝基苯 , 油浴 , , 间二硝 基 苯 , 油浴 , , 间 二硝基 苯 , , 微波 间二硝基苯 , 微波 , 间二硝基 苯 采用了通氮气保护 硕士论文氟代脱硝合成芳香族氟化物的研究 从表中可以看出体系的不 同产物产率不同 。 从加热方式来看 , 微波加热 效果比油浴加热效果好 。 究其原因 , 微波加热对反应物不但存在热效应 , 而且 存在一种非热效应 , 对反应物存在诱导促进作用 。 四苯基澳化麟的催化效果 优于四甲基氯化钱 。 反应体系中加入 , 反应效果要好 , 这主要是由于该反 应是氟离子取代硝基 , 使得反应体系中存在大量亚硝酸根离子 , 亚硝酸根离子 比较活泼 , 容易进攻产物 , 生成一系列副产物【 。 一 一一一一一一臼卜 一 勺卜 一 而加入起到抑制亚硝酸根离子 的作用【 “】 。 礁 一 拿熬 艺 八 办 十 从而减少了因亚硝酸根离子进攻产物而造成的转化率减低 。 反应体系通保护比不通保护要好 , 这主要是 由于该反应体系对水比 较敏感 , 通可以阻止空气中的水汽进入反应体系 。 另一方面反应体系中不 断产生红棕色的 , 通可以迅速带走该气体 , 使反应平衡向产物方 向移 动 。 十 霎 一一 在反应体系中富集 , 不利于反应平衡向产物方向移动 。 另一方面 , 由于溶剂长期置于空气中容易发生氧化反应 , 产生其它不必要 的副反应 。 用氮气可以起到保护溶剂的作用 。 一 珑多 催化剂对反应的影响 催化剂对反应有一定的影响 , 以下反应所用 的底物量为 , 量 为 , 溶剂量选用 , 反应时间为个小时 。 硕士论文氟代脱硝合成芳香族氟化物的研究 表催化剂对反应的影响 催化剂 十六烷基三甲基 澳化钱 聚乙二醇 转化率收率 勺山 气 , 勺,一 口 勺 厂 、 丁 , 矛 、 由上表可见用 四苯基澳化鳞的催化效果最好 , 不但选择性好 , 而且转化率 高 , 其次是四甲基钱盐 , 用 与效果均不太好 , 这与它们的热稳定 性有关 , 反应是在溶剂的回流状态下进行的 , 温度较高 , 时间也较长几个小 时 , 有 一氢存在的季按盐会分解 , 而 四甲基钱盐与四苯基按盐均没有 一氢存在 , 因此比较稳定 。 溶剂的量对反应的影响 以下实验所用 的溶剂是二甲亚飒 , 反应所用的底物为 , 舒 为 , 反应时间为个小时 。 表溶剂的量对反应的影响 溶剂的量 】 转化率收率 溶剂的量对反应有一定的影响 , 当溶剂的量较少时 , 反应的转化率较高 , 但随着溶剂的量成倍地增加时 , 转化率下降 , 而收率倒是反过来 , 随着溶剂的 量的增加而增加 , 因此有必要在这两者的平衡之间做出选择 。 从经济合有效性 角度来考虑 , 本实验选用溶剂 。 此反应是双分子的亲核取代反应 , 溶剂 起到溶解反应底物 , 给底物与氟离子充当反应媒介的作用 。 但是同时溶剂也会 带来副反应 , 由于高温回流状态下 , 溶剂易发生分解 , 氧化反应 。 加热卡 十 一 多 不同的反应底物的反应性 不同的反应底物进行氟代脱硝反应的难易程度不一样 , 这取决于硝基旁边 的吸电子基团的位置 , 有邻位 、 对位 、 间位取代基的硝基芳烃它们进行氟代 脱硝 的难易各不相同 。 硕士论文氟代脱硝合成芳香族氟化物的研究 表不 同的反应底物 的反应性 反应底物转化率收率 间二硝基苯 对二硝基苯巧 ,一二 硝基甲苯 一硝基 苯配 , 该反应没有使用溶剂 , 直接加底物与 从表中可 以看出对二硝基苯其收率最高 , 但转化率较底 , 这是由于其比较 活泼 , 比间二硝基苯和 ,一 二硝基甲苯容易反应 , 但其活泼性导致其副反应 较多 , 因此影响了其转化率 。 而 ,一 二硝基甲苯由于基团不但有一吸电子基 团 , 而且还有一供电子基团 , 所以其不够活泼 , 不利于亲核取代性的发生 。 此外从另一方面来说 , 对二硝基苯的中间体有以下几种 宁牙 占 一 币 一 厂 一 卢 。 为 一 场 而间二硝基苯的中间体有以下几种 。 妇 或 一 。 由此可见 , 对二硝基的中间体比间二硝基苯多 , 也就是说其 发生反应的途径比间二硝基苯多 , 这就使其更容易与底物反应 , 比间二硝基苯 具有更大的活性 。 微波反应 微波是波长为到的电磁波 , 位于红外线和无线电波之间 , 对应 着分子的转动能级 , 但除部分气体外不会引起分子转动能级的跃迁 , 只会引发 分子进入亚稳态 。 最早将微波技术用于有机物分解反应 , 年 馈现微波可显著加快酷化反应的研究 , 被认为是微波进入有机合成领 域的正式开端 。 此后微波技术备受重视 , 年在荷兰召开 了首届国际微波学 会议 , 就微波学的动力学原理 , 微波在化学工业 、 生物化学中的应用进行了广 泛的讨论 。 微波化学作为一 门交叉学科己经取得了较大 的发展 。 罗军等用微波 硕士论文氟代脱硝合成芳香族氟化物的研究 促进卤素交换反应 , 转化率和选择性均可达到左右 。 而氟代脱硝反应与 卤素交换反应均属于芳环上的亲核取代反应 , 它们反应机理相类似 。 伞 一 甲一 , 伞 一 申 二 因此 , 我们认为用微波反应可能会取得一定良好的效果 。 实验部分 实验间二硝基苯 , 四苯基澳化鳞 , 二 甲亚飒 , 微波照射下回流反应小时 结果分离得产物 实验间二硝基苯 , 四苯基澳化鳞 , 二甲亚矾 , 微波照射下回流反应小时小时 结果分离得产物 , 气谱分析其组成 表实验产物气谱分析数据 保留时间面积比组分 溶剂 产物 原料 实验间二硝基苯 , 四苯基澳化鳞 , 二甲亚矾 , 微波照射下回流反应小时 结果分离得产物鲍 , 气谱分析其组成 表实验产物气谱分析数据 保留时间 而 面积比组分 溶剂 产物 原料 实验间二硝基苯 , 四苯基澳化鳞 , 二甲亚讽 , 微波照射下回流反应小时 结果分离得产物 , 气谱分析其组成 硕士论文 氟代脱硝合成芳香族氟化物的研究 表实验产物气谱分析数据 保留时间面积比组分 溶剂 , 产物 原料 实验间二硝基苯 , , 四苯基溟化麟 , 环丁矾 , 微波照射下回流反应小时 结果分离得产物 , 气谱分析其组成 表实验产物气谱分析数据 保留时间 , 面积比组分 溶剂 产物 原料 实验间二硝基苯 , 灯 , 四苯基澳化鳞 , 二甲亚矾 , 微波照射下回流反应小时 , 反应前的二 甲亚矾用无水硫酸铜除水 结果分离得产物 , 气谱分析其组成 表实验产物气谱分析数据 保留时间面积比组分 溶剂 , 产物 , 原料 结果讨论微波照射下的氟代脱硝反应在反应达半小时时反应不够充分 , 随着反应时间的延长 , 反应充分 , 转化率并没有显著的提高 , 但是其选择性却 随着时间的增长而增加了 , 反应时间的延长使得副产物增加 , 实验反应时间 最长 , 气谱检出得组分达到了个之多 。 在反应体系中用能使反应产率得到很大的提高 , 而且选择性也能得 到很大的提高 。 硕士论文氟代脱硝合成芳香族氟化物的研究 微波反应中用二甲亚矾为溶剂时 , 反应效果没有用环丁矾效果好 , 可能是 由于环丁矾比二甲亚讽沸点高 , 在反应中相应地比较稳定 , 而二甲亚矾在回流 状态下 , 一段时间过后会分解 , 与反应物或产物反应形成副产物 。 加热争 总体说来微波反应比油浴加热反应具有良好 的反应性 , 反应时 间大大缩 短 , 产率有提高 。 反应时间的延长在使反应充分发生的同时 , 也使反应体系中 的副产物在增加 , 这样反而会使产物的分离带来不使 。 用亚硝酸根离子捕获剂时反应体系中的组分 实验间二硝基苯和 灯 在中反应 , 以四甲基氯化钱为相转移催化 剂 , 为亚硝酸根离子捕获剂 , 在反应过程中取一样做气质联用分析 通过分析发现反应体系较为复杂 , 能较为清晰检索出的物质见后附录图谱 有 间硝基氟苯 , 质谱数据 , , 间二硝基苯 , 质谱数据 , 苯配 , 质谱数据 , 叮 , 质谱数 。 。 , 幸 , 二氟苯, , 质谱数据 , , 时 一 , 质谱数据 , 。 , 。 , 。 ,一坷一一,一一一 一,一 厂 一一, 质谱数据 , 鲜 。 , 质谱数据为 , 二 , 质谱数据为 , 反应体系中如此多的组分 , 可见反应所受的影响因素是很多的 , 邻苯二甲 硕士论文氟代脱硝合成芳香族氟化物的研究 酸氯由于价格比较昂贵 , 而且由于作为商品的邻苯二甲酞氯其中含有少量的邻 苯二 甲酸 , 对于反应体系中的强碱氟离子不利 , 会造成不必要 的副反应 , 因此 有需要寻找新 的合适的亚硝酸根离子捕获剂 。 我们曾经尝试用尿素作为亚硝酸根离子捕获剂 , 我们设想尿素可能会和亚 硝酸根离子发生如下反应 一 卜一 一 十 一 场 场 。 其中的氢离子来源于反应体系中不可能绝对干燥的水 。 但是从反应效果来 看 , 并没有取得良好的效果 。 采用间二硝基苯 , 尿素 , 二甲亚矾 , , 反应 个小时 , 得到产物 , 得率只有左右 , 选择性为 分离产物中的组分定性及产物的分离纯化 分离产物中的组分定性及副产物分析 实验间二硝基苯和在中反应 , 以四甲基氯化