（应用化学专业论文）氰乙酸乙酯环烃基化反应研究.pdf

硕士论文 氰乙酸乙酯环烃摹化反应研究 摘要 氰乙酸乙酯的环烃基化合物已经广泛应用于染料、香料、农药和医药等领域，特别 是在医药农药领域里它们是重要的医药合成中间体【1 引。本实验以二氯乙醚、1 ，3 一二氯 丙烷、l ，3 一二溴丙烷、1 ，4 一二氯丁烷与氰乙酸乙酯为原料通过乙醇钠法和固液相转移 催化法合成4 氰基4 甲酸乙酯基四氢吡哺、1 氰基1 甲酸乙酯基环丁烷、1 氰基1 甲酸 乙酯基环戊烷三种氰乙酸乙酯环烃基化合物。在对比两种方法实验结果的基础上，确定 了合成这一系列物质的最佳工艺条件，并且采用n m r 、g c 、m s g a s 等分析检测手段 对产物进行定性定量分析。 在对传统乙醇钠合成法进行改进时，主要考虑了物料比和乙醇钠加料顺序的影响。 在改用固液相转移催化法时，主要研究了反应时间、反应温度、溶剂、水、固相碱 的颗粒大小、固相碱的用量、搅拌速度、相转移催化剂种类和用量、卤素以及烃基等因 素对反应的影响。 通过对实验结果的分析，确定了最佳工艺条件为：采用固液相转移催化法，以d m f 作溶剂，反应温度1 1 0 ，碳酸钾颗粒大小为1 6 0 目，n ( k z c 0 3 ) ：n ( p t c ) ：n ( c n c h 2 c o o c z h 5 ) = 1 5 ：0 0 5 ：l ，搅拌速度4 0 0 r p m ，合成4 氰基4 甲酸乙酯基四氢吡哺和1 氰基1 甲酸乙酯基环丁烷时用d t m a b 作催化剂，收率分别为9 3 6 、8 1 3 ，纯度分别为 9 7 1 、9 7 5 ；合成1 氰基1 甲酸乙酯基环丁烷时，以1 8 冠醚6 作催化剂，二卤代物 选用1 ，3 一二溴丙烷，收率和纯度分别为8 6 4 、9 7 9 ，反应时间均为2 5h 。 实验对固液相转移催化法合成氰乙酸乙酯环烃基化合物的反应机理和动力学进行 了探讨，发现这一系列反应符合假二级动力学模型。实验以d t m a b 为催化剂，甲苯为 溶剂，算出了在8 0 ，9 5 ，1 1 2 时二氯乙醚，1 ，3 一二溴丙烷，1 ，4 _ 二氯丁烷与氰乙 酸乙酯反应的表观速率常数。 关键词：氰乙酸乙酯环烃基化合物，合成工艺，机理，动力学 a b s t r a c t c y c l o a l k y l a t i o nc o m p a n d so fe t h y lc y a n o a c e t a t e ，a so n ek i n do ft h em o s ti m p o r t a n t c h e m i c a lm a t e r i a l s ，i sam a i ni n t e r m e d i a t ef o ra g r i c u l t u r a lc h e m i c a l sa n dm a n yo t h e rf i n e c h e m i c a l s c y c l o a l k y l a t i o nc o m p a n d so fe t h y lc y a n o a c e t a t es u c ha se t h y l4 - c y a n o t e t r a h y d r o - p y r a n - 4 一c a r b o x y l a t e 、e t h y l l c y a n o c y c l o b u t a n e 一1 一c a r b o x y l a t e 、e t h y l l 一c y a n o c y c l o p e n t a n 。 e - 1 - c a r b o x y l a t ew e r ep r e p a r e df r o m2 , 2 - d i c h l o r o e t h y le t h e r , 1 ，3 一d i c h l o r o p r o p a n e ，1 , 3 - d i b r o m 。 r o p r o p a n e ，1 , 4 一d i c h l o r o b u t a n ea n de t h y lc y a n o a c e t a t e t h e s ec o m p a n d sw e r es y n t h e s i z e dv i a s o l i d l i q u i dp h a s e t r a n s f e rc a t a l y s i sr e a c t i o n a n dt r a d i t i o n a lm e t h o dt h a tu s e ds o d i u m e t h y l a t ea sc a t a l y s ta n de t h a n o la ss o l v e n t c o m p a r i n gt w om e t h o d s ，w eg a i n e dt h eo p t i m a l p r o c e s sp a r a m e t e r sf o rs y n t h e s i z i n gt h e s ec y c l o a l k y l a t i o nc o m p a n d so fe t h y lc y a n o a c e t a t e t h ep r o d u c tw a sd e t e r m i n e db yt h ew a y so fq u a l i t a t i v ea n da m o u n ta n a l y s i ss u c ha sn m r 、 g c 、m s g a s w h e nw eg e tt h e s ec o m p a n d st h r o u g ht r a d i t i o n a lm e t h o dt h a tu s e ds o d i u me t h y l a t ea s c a t a l y s ta n de t h a n o la ss o l v e n t ，m a d ear e s e a r c ho nt h ef o l l o w i n gf a c t o r ss u c ha sm a t e r i a l r a t i o ，p r o c e s so fa d d i n gs o d i u me t h y l a t e w h e nw eg e tt h e s ec o m p a n d sv i as o l i d l i q u i dp h a s e - t r a n s f e rc a t a l y s i s t h i sd i s s e r t a t i 。 o nm a d ear e s e a r c ho nt h ef o l l o w i n gf a c t o r ss u c ha st h et i m e 、t h er e a c t i o nt e m p e r a t u r e 、t h e o r g a n i cs o l v e n t 、t h ew a t e r ，t h es i z ea n da m o u n to fp o t a s s i u mc a r b o n a t e 、t h ek i n da n da m o u n t o f t h ec a t a l y s t 、t h eh a l o g e na n dt h ea l k y l t h r o u g ht h er e s e a r c ho fi n f l u e n c i n gf a c t o r s ，t h eo p t i m i z e dt e c h n o l o g yw a sa sf o l l o w s ： t h et e m p e r a t u r ei s1 1 0 ，t h es i z eo f p o t a s s i u mc a r b o n a t ei s1 6 0m e s h ，n ( k 2 c 0 3 ) ：n ( p t c ) ：n ( c n c h 2 c o o c 2 h 5 ) = 1 5 ：0 0 5 ：1 ，a g i t a t i o ns p e e di s4 0 0r p ma n dw eu s e dd m f a ss o l v e n w h e n s y n t h e s i z i n g4 - c y a n o t e t r a h y - d r o p y r a n - 4 一c a r b o x y l a t ea n d1 - c y a n o c y c l o p e n t a n e 一1 一c a r b o x y l a t e ，w eu s e dd t m a ba sc a t a l y s t t h ey i e l do f4 - c y a n o t e t r a h y d r o p y r a n 一4 一c a r b o x y l a t ea n d e t h y l1 - c y a n o c y c l o p e n t a n e 一1 一c a r b o x y l a t ei s9 3 6 ，8 1 3 ，t h ec o n t e n ti s9 7 1 ，9 7 5 ， b u tu s e d18 c r o w n 6a sc a t a l y s ta n d1 , 3 - d i b r o m r o p r o p a n ea sm a t e r i a lf o rs y n t h e s i z i n g e t h y l 1 - c y a n o c y c l o b u t a n e 一1 - c a b o x y l a t e ，t h ey i e l di s8 6 4 ，t h ec o n t e n ti s9 7 9 ，t h er e a c t i o nt i m e i s2 5h t h em e c h a n i s ma n dk i n e t i co ft h er e a c t i o nw e r ea l s os t u d i e d ，t h er e a c t i o nc a nb e d e s c r i b e db yt h e p s e u d o s e c o n d o r d e r k i n e t i c s 。a t8 0 。c ，9 5 。c ，112 c ，w h e nu s i n g 2 , 2 d i c h l o r o e t h y le t h e r , 1 , 3 - d i b r o m r o p r o p a n e ，1 , 4 一d i c h l o r o b u t a n ea n de t h y lc y a n o a c e t a t ea s 硕士论文 氰乙酸乙酯环烃基化反应研究 b a s e s ，c h o o s i n gt o l u e n ea ss o l v e n ta n dd t m a ba sc m m y s t ，t h ea p p a r e n tr a t ec o n s t a n tf o r s y s t h e s i z i n gt h e s ep r o d u c t sw a so b t a i n e d k e yw o r d ：c y c l o a l k y l a t i o ne o m p a n d so fe t h y lc y a n o a c e t a t e ，s y n t h e s i s ，m e c h a n i s m ， k i n e t i c 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 研究生签名： 季锖 厶蚤吕年6 月矽e l 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：堑壅 扫娼年6 朋e l 硕士论文 氰乙酸乙酯环烃基化反应研究 1 绪论 1 1 课题背景 氰乙酸乙酯的环烃基化合物已经广泛应用于染料、香料、农药和医药等领域，特别 是在医药农药领域里它们是重要的医药合成中间体【l j 。用这类化合物可以合成多种物质， 在化工、医药、农药中有着非常重要的作用，尤其在医药领域有着广泛的用途口1 。它们 的衍生物可以用来治疗高血压，癫痫，哮喘，肿瘤，儿童恶性肿瘤，癌症等疾病。传统 的合成方法是在无水条件下采用乙醇钠为碱，相应的醇为溶剂而合成。但此方法条件苛 刻，操作过程需要使用醇钠而具有危险性，而且反应速率慢，收率低，杂质多。本实验 目的是在原有反应原料的基础上对实验工艺进行改进，提高反应收率，产品纯度，缩短 反应时间。 开发氰乙酸乙酯的环烃基化合物较高的附加价值。以4 一氰基- 4 - 甲酸乙酯基四氢吡 喃为例，4 一氰基一4 甲酸乙酯基四氢吡喃属于四氰吡哺类衍生物，是合成4 氰基一4 甲酸 基四氢吡喃，4 一氰基四氢吡喃，4 一氰基一4 一胺甲基四氢吡哺类化合物重要中间体【2 】。更 重要的是这类化合物可以转换成乙类酰尿类衍生物【2 j 。d a v i sa n dp a r k e h e 合成了一系列 的环状酮体化合物，包括四氢吡哺类化合物，并且对这些药物进行料临床实验，发现这 类药物有良好的抗痉挛作用。如：5 一异戊基一5 一四氢吡哺基乙内酰尿。 又如，我们可以根据氰乙酸乙酯的环烃基化反应来制得5 一氨基- 1 - 羟乙基吡唑硫酸 盐，它是第四代注射用氨噻型头孢菌素一硫酸头孢噻利硫酸盐的重要中间体，合成该物 质原始方法是用3 一甲氧基丙烯氰为原料，与羟乙基肼一步环合得到产物【4 j 。但是甲氧基 丙烯氰国类没生产，改用氰乙酸乙酯为起始原料经缩合，环合，水解脱羧得到产物，成 本大大降低，国内外需求量激增，研究一种有实用价值的氰乙酸乙酯环烃基化合物生产 新技术，有较大的经济意义。 利用氰乙酸乙酯的环烃基化反应还可以制得一系列的吡啶类衍生物1 5 叫，如氰乙酸 乙酯和芳香醛缩和反应可以制得合成3 一羟基吡啶的中间体2 一氰基丙烯酸乙酯，这种物 质和醛类缩合可以制得多种吡啶类取代物如2 一氨基一4 羟基一6 一噻吩吡啶。对这类药物的 生理活性进行了研究，发现这些物质可以用来治疗癌症，对肿瘤生长有抑制作用【7 j 。 近年来，对氰乙酸乙酯环烃基化合物的需求量将保持高速度增长。进行这类药品的 生产主要是德国和美国，随着其应用领域的不断扩大，目前产量不能满足国际市场需求， 经济效益非常显著。 1 2 氰乙酸乙酯的环烃基化合物的研究现状 1 绪论硕士论文 对于氰乙酸乙酯环烃基类化合物，国内对其报道很少。如卜氰基一卜甲酸乙酯基环 丙烷和卜氰基一1 甲酸乙酯基环丁烷，4 一氰基- 4 - 甲酸乙酯基四氢吡喃这类物质的相关研 究都不多见。但在国外，对这类物质早就引起了人们的关注，d 删sa n dp a r k e h e 以氰乙酸 乙酯为原料，合成了一系列的环状酮体化合物，包括四氢吡喃类化合物，并且对这些药 物进行料临床实验，发现这类药物有良好的抗痉挛作用。 2 0 0 7 年，m f l e i s h e r ，d j a n s o n ea n de l u k e v i c s 对氰乙酸乙酯环烃基化合物也进行 了报道【l 】。近几年随着国外市场需求有所扩大，而且附加值不断增加，国内已有部分公 司开始开发这类产品，但主要是用于出口，市场目前处于成长期。 1 2 1 氰乙酸乙酯的环烃基化合物传统合成方法及存在的问题 氰乙酸乙酯的环烃基化合物传统合成方法传统的方法是用醇钠法，即用醇钠作碱， 相应的醇作为溶剂，在强碱的作用下脱去氰乙酸乙酯亚甲基上的两个活泼氢，然后再与 二卤代物发生亲核取代反应，由于酯类易皂化，反应在无水条件下进行，这种方法操作 麻烦，收率低，反应速率慢【l 。3 】。近年来，液相转移催化反应应用于环烃基化反应虽使 反应速度增快，但不可能完全避免皂化。r o b i n s o n 曾以固体碳酸钾为碱应用于氰乙酸乙 酯与碘代环己烷和七碳以上的碘代烷反应，减压情况下制备了一烃基丙二酸【8 】。但至今 未见应用于低沸点卤代烃的反应，如1 ，3 一二氯丙烷，l ，4 一二氯丁烷。目f j 具体制备这 类物质的反应方程式如下： o 2 冒醇钠 n n c c h 2 一凸一o c 2 h 5 + c 1 c 2 h 4 o c 2 h 4 一c l 苎兰! ! 旦 o n c c h 2 - - c - - o c 2 h 5 + c i c 3 h 6 一c i 冒醇钠 凹_ 享钢 n c c h 2 - - c - - o c 2 h 5 + c i - - c 4 h s - - c i - _ - _ _ _ l - o c 2 h 5 综上所述，目前文献【1 捌中主要存在以下问题： ( 1 ) 氰乙酸乙酯环烃基化反应产物收率低，纯度低。 ( 2 ) 反应速度低，反应时间长。 ( 3 ) 工艺复杂，操作麻烦。 鉴于以上的不足之处，本课题将以提高反应收率提高产品质量为出发点，对反应工 。：万萏芍萏 硕士论文 氰乙酸乙酯环烃基化反应研究 艺进行改进，通过考虑多种影响因素的影响找出最佳工艺条件，并研究探讨动力学特征 和反应机理。 1 2 2 本论文研究内容 论文通过两种合成方法即乙醇钠法和固液相转移催化法研究了各影响因素如反应 温度、反应时间、催化剂、原料配比、乙醇钠加料顺序加料量、搅拌速度、水、固相碱 表面积等因素对产物得率的影响。最后通过单因子实验优化了反应工艺并进行了重复性 实验加以验证。在研究的过程中，本论文要完成和解决以下几方面的实验内容和问题： ( 1 ) 主要研究不同的二卤代物( 1 ，3 一二氯丙烷； 1 ，4 一二氯丁烷；1 ，3 一二溴丙烷； 二氯乙醚) 与氰乙酸乙酯的反应工艺条件，对现有的合成方法即乙醇钠进行改进，再对 比笔者引入的固液相转移催化法的实验结果，确定最好的工艺条件。 ( 2 ) 分析探讨了二卤代物与氰乙酸乙酯反应的动力学和机理。 论文在查阅大量文献的基础上，通过试验对氰乙酸乙酯与不同二卤代物环烃基化反 应的动力学特征进行分析，探讨了反应机理。 2 乙醇钠法合成氰乙酸乙酯环烃基化合物的研究硕十论文 2 乙醇钠法合成氰乙酸乙酯环烃基化合物的研究 2 1 实验 2 1 1 试剂及仪器设备 2 1 1 1 试剂 表2 1 1 1 试剂名称及规格 2 1 1 2 仪器设备 直形冷凝管，球形冷凝管，2 5 0 m l 四口圆底烧瓶，1 0 0 m l 量筒，5 0 m l 量筒，克 氏蒸馏头，真空接液管，1 0 0 0 m l 抽滤瓶，漏斗，玻璃棒，毛细管，碾钵，剪刀，直 形冷凝管，2 0 0 温度计，5 0 m l 接受瓶，精馏柱。 表2 1 1 2 仪器设备 仪器生产厂家 循环水式真空泵 循环油式真空泵 d w k 套式电热器 搅拌电机 水浴锅 j j l 增力电动搅拌器 电子继电器 电子天平 旋转蒸发仪 巩仪市英峪予华仪器厂 巩仪市英峪予华仪器厂 江苏南兴乡荣原联合电器厂 金坛市新航仪器厂 国华电器有限公司 金坛市新航仪器厂 上海浦尔荣丰科学仪器有限公司 天津市大马仪器厂 上海浦尔荣丰科学仪器有限公司 4 硕士论文 氰乙酸乙酯环烃基化反应研究 2 1 2 氰乙酸乙酯的环烃基化合物的制备 在2 5 0 m l 无水的四口烧瓶中加入无水乙醇1 0 0 m l ，机械搅拌，从煤油中取出金 属钠，用滤纸吸干表面的煤油，再用小刀刮去表层氧化物，然后快速称取4 6 克，用 剪刀稍微剪细，分批投入四口烧瓶中，加入金属钠后，搅拌，直到属钠全部反应后， 加入二氯代物，搅拌，再加入氰乙酸乙酯，继续搅拌，升温至回流。反应结束后，停 止加热，冷却到室温，抽滤，过滤出白色固体，得到深红色溶液。为了减少损失，白 色固体再用乙醇冲洗，水泵减压蒸馏回收乙醇，再用油泵减压蒸馏产品，得到无色溶 液，将上述无色溶液再进行精馏，按不同环烃基化合物的沸点要求收集不同温度的产 品，具体工艺参数如下： 4 氰基4 甲酸乙酯基四氢吡哺8 4 8 9 c ( 18 0 p a ) 1 氰基1 甲酸乙酯基环丁烷 5 1 5 3 。c ( 1 2 0 p a ) 1 氰基1 甲酸乙酯基环戊烷 5 9 6 0 。c ( 1 3 0 p a ) 最后将得到的产品分别进行质谱，核磁，气相分析。 2 2 样品表征 因为产品均为无色液体，根据其沸点和极性通过质谱和核磁鉴定对其进行定性分 析，通过气相色谱进行定量分析。 2 2 14 - 氰基- 4 甲酸基四氢吡喃表征 2 2 1 1 质谱分析 4 氰基4 甲酸基四氢吡喃的沸点为2 3 5 。c ( 7 6 0 m m h g ) ，气质分析结2 2 1 1 。测定 化合物g c m s 的气相色谱条件为：柱子出始温度8 0 ，维持l m i n ，升温速度为 15 。c m i n ，升温至2 5 0 ，再维持1 m i n ，气化温度2 5 0 ，传输线温度2 5 0 ，电离 方式e i ，电子能量7 0 e v ，扫描范围5 0 4 0 0 a m u ，保留时间为7 5 m i n 的峰即为目标产 物4 一氰基4 甲酸乙酯基四氢毗喃。 由于4 氰基4 甲酸乙酯基四氢吡喃属于杂环化合物，所以具有较高的分子离子 峰，质核比为1 8 3 ，其中1 8 4 1 是氢引起的分子同位素峰。所有离子中最稳定是分子 离子失去甲酸乙酯基后生成的碎片离子，在1 1 1 出产生基峰。 因为是中间产物，该物质只是通过m s 、n h m r 进行定性分析；通过气相色谱( g c ) 进行定量分析。 ( 1 ) 仪器：t r a c eg cu l t r af 1 n n i g a n 公司 ( 2 ) 谱图，见图2 2 1 1 m z ：111 o ( m ) ，5 3 ( m 一5 8 ) ，8 0 0 ( m 一31 ) ，13 9 0 ( m + 2 8 ) 5 3 0 8 0 0 6 9 0 g 一4 - 0 i7 9 鱼 1 1 1 _ 0 8 1 0 斡09 71 1 一9 0 0 8 4 0 9 3 1 0 b o 靼f 1 蚯二0 1 2 70 1 1 3 9 0 1 一璺0 0 1 5 4 1 1 8 4 1 6 0 8 01 0 01 2 01 4 01 6 0 1 即 m z 图2 2 1 14 一氰基- 4 一甲酸基四氢n 比喃质谱图 2 2 1 2 核磁分析 6 ( 1 ) 仪器：d r x3 0 0 m h z 超导核磁共振仪瑞j ：b r u k e r 公司 ( 2 ) 分析条件：c d c l 3 为溶剂，t m s 为内标 ( 3 ) 谱图，见图2 2 1 2 图2 2 1 2 ；5；皓巧己；8弱5惦；8嚣佰们5 o 硕上论文 氰乙酸乙酯环烃基化反应研究 ( 4 ) 图谱分析 图2 2 1 24 一氰基_ 4 甲酸基四氢吡喃核磁图 2 o 表2 2 1 。24 氰基4 一甲酸基四氢n 比喃核磁分析 2 2 1 34 一氰基- 4 甲酸基四氢吡喃的含量分析 用气相色谱法( g c ) 来定量，定量方法及测定条件如下。气相色谱图显示产物的含 量在9 6 8 以上。 ( 1 ) 仪器：t r a c eg cu l t r a 型气相色谱仪 ( 2 ) 分析条件为： 载气：氦气 载气流速：1 0 m l m i n 起始温度：1 】0 。c保留时间：1 0 r a i n 升温速度：1 5 m i n末温：2 5 0 检测器：f i d 检测器 ( 3 ) 该物质的定量分析是通过归一法进行。该物质在市场上无法获得其标准物， 无法进行校正。因此，其含量是各物质的峰面积含量，是一个相对含量。在上述分析 条件下，保留时间为7 5 m i n ，是4 氰基4 甲酸基四氢吡哺的出峰时间。 ( 4 ) 谱图，见图2 2 】3 ，气相分析数据见表2 2 1 3 。 7 2 乙醇钠法合成氰乙酸乙酯环烃慕化合物的研究 硕上论文 7 ：0 1 0 0 = 9 5 = 9 0 ： 8 5 - 三 8 0 - 三 7 5 _ 三 7 0 三 6 5 三 鲞6 0 赢： 宅5 5 - 主5 0 喜4 5 夏4 0 - _ - 3 5 三 3 0 三 2 5 三 2 0 三 1 5 三 1 0 三 5 - 三 2 0 4 1 母豇1 2 1 0 文1 2 4 7 3 6 马5l 王9 79 睡1 0 2 9 1 2 1 曼一1 26 9 。- i 。 。 i 。 。 l 。l 。l 1。 。i 。 024681 0 1 2 t i m e ( m i n ) 图2 2 1 34 一氰基- 4 一甲酸基四氢吡喃气相色谱 表2 2 1 34 一氰基一4 一甲酸基四氢吡喃气相色谱对应的数据 a p e xr t s t a r tr te n dr t a r e aa r e a h e i g h th e i g h t 2 0 422 1 29 6 1 5 5 3 91 0 9 6 2 0 2 8 92 1 9 7 57 4 8 1 95 5 1 3 3 4 4 49 7 1 01 4 8 7 5 9 0 69 6 8 0 l o 2 91 0 0 91 0 6 66 4 5 4 3 1 40 6 03 1 7 9 9 1 50 2 11 8 21 0 8 6l1 9 81 6 4 5 0 0 7 0 7 13 9 3 5 9 6 20 2 5 1 2 11 1 9 81 2 6 5 1 3 6 6 2 5 40 0 53 8 0 1 8 8 80 2 4 1 2 6 91 2 6 51 3 2 8 7 6 3 8 4 7 10 2 63 4 5 8 8 8 l0 2 2 1 3 31 3 2 81 3 5 31 0 8 5 7 9 50 1 81 5 1 3 3 7 1 0 1 2 2 21 氰基1 甲酸乙酯基环丁烷表征 物质通过m s 、n h m r 进行定性分析，通过气相色谱进行定量分析。 2 2 2 2 质谱分析 1 氰基1 甲酸乙酯基环丁烷的沸点为1 8 5 。c ( 7 6 0 m m h g ) ，气质分析结果见2 2 2 1 。 测定化合物g c m s 的气相色谱条件为：柱子出始温度8 0 。c ，维持1 r a i n ，升温速度为 1 5 m i n ，升温至2 0 0 ，再维持1 m i n ，气化温度2 5 0 ，传输线温度2 5 0 ，电离 方式e i ，电子能量7 0 e v ，扫描范围5 0 4 0 0 a m u ，保留时问为5 2 7 m i n 的峰即为目标 产物1 氰基1 一甲酸乙酯基环丁烷。 1 氰基1 甲酸乙酯基环丁烷具有较高的分子离子峰，质核比为1 5 4 。所有离子中 最稳定的是分子离子失去甲酸乙酯基后生成的碎片离子，在8 0 出产生基峰。 ( 1 ) 仪器：t r a c eg c u l t r a ( 2 ) 谱图，见图2 2 2 2 f 仆烈i g a n 公司 m z ：8 0 ( m ) ，5 3 ( m - 2 7 ) ，8 1 ( m + 1 ) ，1 0 7 ( m + 2 7 ) ，1 0 8 ( m + 2 8 ) 5 2 9 7 5 4 0 0 6 8 9 9 5 5 6 0 0 2 7 9 ，9 8 i8 0 9 9 7 8 9 2 7 0 0 3 8 2 0 2 9 79 6 9 5 9 4 9 4 0 0 1 0 79 9 1 0 6 9 8 1 2 4 9 9 1 1 1 嚣i l l1 3 7 9 7 1 5 40 3 5 1 26 07 08 09 01 0 01 1 0 m 应 2 2 2 3 核磁分析 1 3 01 4 01 5 0 图2 2 2 24 一氰基- 4 - 甲酸基环_ j 烷质谱图 ( 1 ) 仪器：d r x3 0 0 m h z 超导核磁共振仪 瑞士b r u k e r 公司 ( 2 ) 分析条件：c d c l 3 为溶剂，t m s 为内标 ( 3 ) 谱图，见图2 2 2 3 9 皓赘两加酷弱帖帕；f；笛加12伯5 o 8善毒墓叱 2 乙醇钠法合成氰乙睃乙酯环烃幕化合物的研究硕l ? 论文 y n 弘崩7 ； | l 。 j0 一一一。矾 1 l 撤一 一 ；5 v 一_ i 殉珊 0 ： ( 4 ) 图谱分析 图2 2 2 3 1 - 氰基1 甲酸乙酯基环j 烷核磁图 2 3 5 4 6 o 表2 2 2 34 一氰基4 甲酸基四氢吡喃核磁分析 序号h 结构化学1 1 i 7 = 移6 偶合常数h z峰数 l c h 广 1 2 9 41 4 3 二重峰 2 c h 2 4 2 2 92 1 3 四重峰 3 c h 2 2 2 3 31 9 二重峰 4 h 广 2 1 2 7 2 0 6 三重峰 5 c h 2 2 6 7 7 1 1 9 5三重峰 6 c h 2 2 5 8 12 7 5 三重峰 一c d c l 3 7 2 8 一 一重峰 1 0 硕士论文氰乙酸乙酯环烃基化反应研究 2 2 31 氰基1 甲酸乙酯基环丁烷的含量分析 用气相色谱法( g c ) 来定量，定量方法及测定条件如下。气相色谱图显示产物的含 量在9 7 4 8 以上。 ( 1 ) 仪器：t r a c eg cu l t r a 型气相色谱仪 ( 2 ) 分析条件为： 载气：氦气 载气流速：1 0 m l m i n 起始温度：1 1 0 保留时间：1 0 m i n 升温速度：1 5 。c r a i n 末温：2 5 0 检测器：f i d 检测器 ( 3 ) 该物质的定量分析是通过归一法进行。该物质在市场上无法获得其标准物， 无法进行校正。因此，其含量是各物质的峰面积含量，是一个相对含量。在上述分析 条件下，保留时间为5 2 7 m i n ，是1 氰基1 甲酸乙酯基环丁烷的出峰时间。 ( 4 ) 谱图，见图2 2 3 1 ，气相色谱数据见表2 2 3 1 。 5- 7 3 蕊一3 一挈 4 挈p 7 6 3 9 7 县一8 掣_ 9 2 8 1 0 1 01 1 1 9 穹 图2 2 3 1 卜氰基1 甲酸乙酯基环丁烷气相色谱 8c吾乓盂皇蔓星 2 乙醇钠法合成氰乙酸乙酯环烃基化合物的研究 硕1 ：论文 表2 2 3 1 卜氰基一卜甲酸乙酯基环丁烷气相分析数据 2 2 41 氰基1 甲酸乙酯基环戊烷表征 4 - 氰基4 甲酸基环戊烷的沸点2 0 0 。c ( 7 6 0 m m h g ) ，气质分析结果见图2 2 3 。测定 化合物g c m s 的气相色谱条件为：柱子出始温度8 0 ，维持1 m i n ，升温速度1 5 m i n ， 升温至2 5 0 。c ，再维持l m i n ，气化温度2 5 0 ，传输线温度2 5 0 ，电离方式e i ，电 子能量7 0 e v ，扫描范围5 0 4 0 0 a i n u ，保留时间为6 5 m i n 的峰即为目标产物4 一氰基4 甲酸乙酯基环戊烷。 由于4 氰基4 甲酸乙酯基四氢吡喃属于杂环化合物，所以具有较高的分子离子 峰，质核比为1 6 7 ，其中1 6 8 1 是氢引起的分子同位素峰。所有离子中最稳定是分子 离子失去甲酸乙酯基后生成的碎片离子，在9 5 出产生基峰。 因为是已知物，该物质只是通过m s 进行定性分析；通过气相色谱进行定量分析。 质谱： ( 1 ) 仪器：t r a c eg cu l t r af i n n i g a n 公司 ( 2 ) 谱图，见图2 2 3 m z ：9 5 ( m ) ，5 3 ( m 4 2 ) ，8 0 ( m 17 ) ，12 2 ( m + 2 7 ) 1 2 硕士论文氰乙酸乙酯环烃基化反应研究 5 3 0 1 5 4 9 4 0 9 2 0 l 9 5 0 勺6 0 1 1 5 o1 坞9 1 2 2 0 1 2 3 0 1 3 8 01 6 8 1 5 06 07 08 09 01 0 01 1 01 2 01 3 01 4 01 5 01 6 0 2 3 分析与讨论 幽2 2 3l 一氰基1 一甲酸乙酯基环戊烷质谱图 2 3 1 乙醇钠法机理分析 氰乙酸乙酯与醇钠在相应的醇溶液中反应，由于氰基和甲酸乙酯基都是强吸电子 基团，所以氰乙酸乙酯亚甲基上的氢原子很活泼，而由于乙醇钠是一种强碱性物质， 能脱去氰乙酸乙酯上的活泼亚甲基上的氢，从而使氰乙酸乙酯与二卤代物顺利发生亲 核反应。 反应方程式： n c c h 广c o o c 2 h 5 + x 一( c h 2 七广x 竺! 旦剑， n a c 2 h c h 2 ) ( n 一2 ) + 2 n a c l n c - - c h 2 - - 冒c - - o c 2 h 5 竺竺一c h l o c ：h 。( 1 ) 卜n c c h c o c 2 h 5 1 ， n c - - c 。h 一0 苎一o c ： 一肛亍h 一量i i 一。c 2 h 5 ( 2 ) h 苎一o c 2 h 5 + r x 2 - - n c 一午h c o h 5 ( 2 ) 1 0 一 卜 0i 叭一0 7 钒 0 6 ：；暑晒巧阳：会鲐惦蚰筋拍佰竹5 o o o c 6 i ，c 3 ci廿jl-一苗一。芷 2 乙醇钠法合成氰乙酸乙酯环烃摹化含物的研究硕十论文 o c - - o c 2 h 5 o i in i i n v 一? - l 千1 x u i i n v - 0 眨 千2 o | | n c 卜 c 1 个3 x o c 2 h 5 ( 3 ) o o c 2 h 5 o c 2 h 5 2 h 5 注：r l 为一c h 2 一c h 2 一o - c h 2 一c h 2 一r 2 为- c h 2 一c h 2 - c h 2 -r 3 为一c h 2 - c h 2 一c h 2 一c h 2 一 在卤代烷分子中，由于卤原子电负性比碳原子大，卤素原子吸电子结果，c x 键 之间的电子云密度偏向于卤素原子，使卤素原子带有部分负电荷，而碳原子带有部分 j 下电荷。因此，与卤原子直接相连的碳原子，容易被带有负电荷或未共用电子对的试 剂进攻，而卤素原子则带着c x 键中的一对键合电子离去，最后生成产物【9 。 在本实验中，因为氰基和甲酸乙酯基都是强吸电子基团，所以氰乙酸乙酯亚甲基 上的氢原子很活泼，在强碱乙醇钠的作用下能先脱去亚甲基上的一个氢原子，生成碳 负离子 1 m 1 1 】，二卤代物上的卤素具有强烈的吸电子作用，所以碳负离子进攻二卤代物 上与卤素相连的碳原子，和氰乙酸乙酯发生一级亲核反应，形成一卤代物，一卤代物 在强碱乙醇钠的作用下再脱去亚甲基上的另外一个氢，进而发生二级亲核取代反应， 生成环状闭合物【2 - l3 1 。 在这个二级亲和取代反应中，亲核试剂进攻中心碳原子的方向，通常认为是从离 去基团卤素原子的背面沿着碳原子和卤素原子连接的中心线进攻中心碳原子，因为这 样进攻时，亲核试剂受卤素原子的电子效应和空间效应影响较小，量子力学计算也指 1 4 hco o i c 一 cirl 一c clr 一cn 硕七论文氰乙酸乙酯环烃基化反应研究 出，从此方向进攻所需能量最低【9 1 。 2 3 2 反应时间的影响 实验以二氯乙醚和氰乙酸乙酯反应为例，反应原料按n ( 氰乙酸乙酯) ：n ( 二氯乙 醚) ：n ( 钠) - - 1 ：l ：l ，一次性加入乙醇钠，通过气相跟踪发现，当反应时间8 小时，收率 最高，时间过长，收率反而有所降低，这可能主要是因为环状化合物发生断裂造成副 产物的生成【1 4 。1 5 】。具体结果见表2 3 2 。 表2 3 2 反应时间对反应的的影响 反应时间t l1 2 34567 7 588 59 得率 1 3 21 9 52 5 。82 9 ，63 0 。33 2 13 5 33 6 93 7 83 7 。93 6 6 2 3 3 原料物料比对反应的影响 在反应过程中，为了提高某一种反应物的转化率或者提高反应速率，经常需要提 高某一种反应物的浓度，加大该反应物的投料量。对于本实验，为了提高氰乙酸乙酯 的转化率主要考虑以下几种物质与氰乙酸乙酯的用量比： ( 1 ) 二卤代物的用量 如果增加二卤代物的用量，氰乙酸乙酯就会和其充分发生亲核反应，转化率会得 到提高，但是由于氰乙酸乙酯和二卤代物都属于高沸点物质，并且互溶性很好，如果 二卤代物用量过大，会造成原料的浪费，而且反应结束后杂质太多很难分离，影响产 物的纯度。由于实验涉及氰乙酸乙酯与一系列的二卤代物反应，而反应机理一致，所 以用二氯乙醚和氰乙酸乙酯反应为例来进行分析。 ( 2 ) 金属钠的用量 在本实验中，因为这类反应属于二级亲核取代反应，醇钠碱性越强越容易脱去氰 乙酸乙酯活泼亚甲基上的氢。反应越容易进行，但实验过程中还要考虑与安料成本问 题，像永叔丁醇钾这类的碱成本就太高，所以只考虑用乙醇钠。为了确保氰乙酸乙酯 能完全反应及加快亲核反应速度，乙醇钠的量要大于氰乙酸乙酯，在单位时间里，如 果乙醇钠投料量过小，反应速率很慢，而且反应不能充分进行，如果乙醇钠投料量过 大，氰乙酸乙酯转化越完全，但乙醇钠就浪费很多，不经济。 在考虑乙醇钠的用量的时候，由于本实验本身就是用乙醇作溶剂，可以保证乙醇 是充足的，金属钠能完全转化为乙醇钠，所以考虑乙醇钠的用量最终就是考虑金属钠 的用量。 具体实验条件：温度皆为乙醇回流温度8 1 ，反应时间都为8 h ，乙醇用量为 l o o m l ，分别在n ( 氰乙酸乙酯) ：n ( 二氯乙醚) ：n ( 钠) = 1 ：1 ：1 ；n ( 氰乙酸乙酯) ：n ( 二氯乙 醚) ：n ( 钠) = 1 2 5 ：1 ：l ；n ( 氰乙酸乙酯) ：n ( 二氯乙醚) ：n ( 钠) = 1 5 ：1 ：ln ( 氰乙酸乙酯) ：n ( 二氯乙 醚) ：n ( 钠) = 2 ：1 ：l ；n ( 氰乙酸乙酯) ：n ( 二氯乙醚) ：n ( 钠) = 1 5 ：1 ：2 通过实验，二氯乙醚，l ，3 一 二溴丙烷，1 ，仁二氯丁烷与氰乙酸乙酯反应数据如下表2 3 3 所示。 15 2 乙醇钠法合成氰乙酸乙酯环烃基化合物的研究硕- ：论文 表2 3 3 原料物料比对反应的影响 注：产物1 为4 一氰基一4 一甲酸乙酯基四氢吡喃产物2 为卜氰基一1 一甲酸乙酯基环丁烷 产物3 为卜氰基一卜甲酸乙酯基环戊烷 从上表可以看出，综合考虑得率和原料投料量的成本，建议r l ( 二卤代物) ：n ( 氰乙 酸乙酯) ：n ( 金属钠) = 1 5 ：1 ：1 。 2 3 4 乙醇钠加料顺序对反应的影响 在传统的乙醇钠合成氰乙酸乙酯环烃基化合物的方法中，亨利等人最先的方法是 在四口烧瓶中加入反应底物，升温至回流后一次性加入乙醇钠，效果不是很好，笔者 查阅文献发现但对类似物质的合成有一些相关的工艺改进，如g 凡埘th a r n e s t 和 a l f r e db u r g e r 在用二氯乙醚和丙二酸二乙酯制备4 ，4 二甲酸乙酯基四氢吡喃的 实验过程中改用分批加入醇钠的方法将反应收率从3 3 2 提高到t 5 2 1 6 】，本实验采 用这种方法即在反应开始- 自i j ；b n 入一半的乙醇钠，反应时间进行到大概总时间的二分之 一处再加入另一半乙醇钠，并且与一次性加入乙醇钠进行了对比，实验数据如表2 3 4 。 从结果分析可以发现，分批加入乙醇钠时产物收率明显比一次性加入大。 表2 3 4 乙醇钠加料顺序对反应的影u 向 2 4 小结 本节实验采用乙醇钠法合成了4 氰基4 甲酸乙酯基四氢吡喃：1 氰基1 甲酸乙酯 基坏丁烷：1 氰基一1 甲酸乙酯基环戊烷。实验主要是从物料比和乙醇钠的加料顺序进 行工艺改进，实验结果发现，当n ( - 卤代物) ：n ( 氰乙酸乙酯) ：n ( 金属钠) = 1 5 ：1 ：1 时，产 物收率较高，当分两次加入乙醇钠即在反应丌始及反应进行一半各加等量的乙醇钠于 反应液中，反应收率有明显的改善，但仍不很理想，反应收率仍比较低，4 氰基4 甲酸乙酯基四氢吡喃：1 氰基1 甲酸乙酯基环丁烷：1 氰基1 甲酸乙酯基环戊烷得率只 有5 8 3 ，5 3 9 ，5 2 6 ，并且产品不容易分离，操作过程需要使用醇钠而具