（应用化学专业论文）氧化溴代反应的研究.pdf

硕论文氧化滇代反斑的研究 摘要 本文主要以一系列活泼芳香族化合物如甲苯、萘、苯甲醚等为研究对象，研究稀 硝酸为氧化剂，溴化钾为溴化剂，并使用相转移催化剂的条件下的氧化溴代反应。考 察了催化剂种类、物料配比、催化剂用量、反应温度、反应时间等因素对得率的影响， 得到了较佳的工艺条件，并讨论了该反应在原子经济性上的创新性。 稀硝酸在该反应中既作为氧化剂，将溴负离子氧化成溴进行溴代，又提供出质子， 催化溴化反应的进行。相转移催化剂将溴从水相中带到有机相中反应，相转移催化剂 在两相间不断循环，从而使反应得以顺利进行，提高反应速率。本实验中，四丁基溴 化铵( t b a b ) 是最有效的相转移催化荆。 关键词：氧化溴代；活泼芳烃；相转移催化剂；稀硝酸 颈十论文 氧化浪代反麻的研究 a b s t r a c t o x i d a t i v eb r o m i n a t i o no f a c t i v a t e da r o m a t i cc o m p o u n d s ，s u c h 勰t o l u e n e ，n a p h t h a l e n e a n da n i s o l e ，u s i n ga l k a l im e t a lb r o m i d es a l t sa n da q u e o u sn i t r i ca c i dt ot h ec o r r e s p o n d i n g b r o m o - d e r i v a t i v e si sa c h i e v e di nal i q u i d l i q u i d ，t w o - p h a s e s y s t e mu n d e ra m b i e n t c o n d i t i o n s f a c t o r si n f l u e n c i n gt h ep r o d u c ty i e l da r ed i s c u s s e d ：s u c ha sc a t a l y s tt y p e ，t o o l r a t i oo fl a wm a t e r i a l ，c a t a l y s ta m o u n tr e a c t i o nt e m p e r a t u r e ，a n dr e a c t i o nt i m e t h eb e t t e r c o n d i t i o n s f o ro x i d a t i v eb r o m i n a t i o na r e i n v e s t i g a t e di nt e s t t h ey i e l do fo x i d a t i v e b r o m i n a t i o nh a sb e e ni m p r o v e dg r e a t l y n i t g ea c i do f f e r sad u a lf u n c t i o no fa no x i d a n ta 5w e l la sap r o t o nd o n o r , w h i c hi s e s s e n t i a lf o ro x i d a t i v eb r o m i n a t i o nu s i n gm e t a lb r o m i d es a l t s p h a s et r a n s f e rc a t a l y s t e x t r a c tb r o m i n ei n t ot h eo r g a n i cp h a s ev i at h eh y d r o g e n - b o n d e dc o m p l e x ，f o r m e di nt h e r e a c t i o ns c h e m eb ya n i o ne x c h a n g e ，w h i c ha c c e l e r a t et h e g e n e r a t i o no fp r o d u c t t e t r a b u t y l a n u n o n i u mb r o m i d ef m a b ) w a sf o u n dt ob et h em o s te f f e c t i v ep h a s e ：t r a n s f e r c a t a l y s ti n t h i sr e a c t i o n 蠢 k e yw o r d s ：o x i d a t i v eb r o m i n a t i o n ；a c t i v a t e da r o m a t i cc o m p o u n d s ；p h a s e a n s f e r c a t a l y s t ；a q u e o u sn i t r i ca c i d n 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。 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： 2 年月2 8 日 碰十论文氧化演代反府的研究 1 绪论 l i 概述 芳烃的溴化是精细有机合成中最重要的反应之一，是一种被广泛研究的化学反 应。芳烃的溴化产物广泛用来制取农药、医药、染料、香料、颜料、增塑剂等产品， 同时作为精细化工的重要中间体，应用十分广泛，在工业、医学研究及人民生活等领 域起着越来越重要的作用。溴的资源相对较少，然而溴化物常常具有某些功能性用途， 许多含溴化合物可作为性能优良的阻燃剂；向染料和药物分子中引入溴原子，可改进 染料和药物的性能。而且溴的活性比氯低，它的反应较为缓和，选择性较好，溴化反 应一直受到人们的关注。 1 1 1 含溴化合物的用途 现有的含溴化合物种类繁多，应用十分广泛，在医药、染料、农药、香料、颜料、 增塑剂、阻燃剂的生产过程中发挥出重要的作用。以对溴甲苯为例，对溴甲苯可用于 合成医药溴得铵及其他精细化学品。溴甲苯是重要的精细化工原料，近年柬多种新型 医药、农药、染料等中间体均以它们作为起始原料。这些中间体有很好的发展前景， 国内外市场一致看好，许多中间体己成为热点的发展产品，下游市场巨大的发展空间 推动7 它们的生产与发展。由于国内溴甲苯工业起步较晚，加之国内外溴甲苯市场需 求增加，因此对溴甲苯、邻溴甲苯、氯化苄等产品的市场应用前景十分广阔。 ( 1 ) 在医药行业中，含溴化合物用于制造多种镇静剂和消毒剂，也足制造抗菌 药物的中间体。如商纯度的对溴甲苯足医药、农业化工以及精细化工的中间体，广泛 的应用于染料及医药的有机合成【1 】，并用作心血管药物的中间体。对溴甲苯是合成重 要的抗高血压药物氯沙坦1 2 1 ( l o s a r t a l l ) 的中间体，氯沙坦是较早的一种口服有效降压 药，具有良好的降压效果，干咳等不良反应低，患者依从性好，是具有高度选择性的 血管紧张素i i 受体拮抗药。血管紧张素u 是肾素一血管紧张素系统中主要的血管活性 激素，有血管收缩作用并促进肾上腺分泌醛固酮。氯沙坦和其有效代谢产物( 羟基酸) 能抑制血管紧张素i i 和a t l 受体( 主要在血管平滑肌上) 结合，从而拮抗其升压作用。 氯沙坦可用于治疗轻、中、重度高血压病人，其降压疗效与目前一线降压药物 a c e i 、钙拮抗药等相类似，但氯沙坦有耐受性好，副作用更少及作用持续时间长等 优点。因此w h o , q s a f , 于1 9 9 9 年将a n gi i 受体拮抗药列入治疗高血压的六大类药物之 一。在预防和逆转左室肥厚，抗心衰，抗心肌缺血，肾功能保护及改善胰岛素抵抗方 面的研究已经取得了进展，随着相关理论的发展和研究的深入，氯沙坦应用的研究也 将进一步深化。 硕十论文氧化溴代反应的研究 ( 2 ) 许多含溴化合物可作为性能优良的阻燃剂，国内阻燃材料包括阻燃环氧树 腊目前基本上采用含溴阻燃剂，溴化环氧树脂具有优良的熔融速率，较高的阻燃效率、 优异的热稳定性和光稳定性，又能使被阻燃材料具有良好的物理机械性能、不起霜， 从而被广泛地应用于p b t 、p e t 、a b s 、尼龙6 6 等工程塑料、热镘性塑料以及p c a b s 塑料合金的阻燃处理中。当前在我国乃至全世界，对各种塑料的阻燃技术主要是以溴 系阻燃剂为主，主要是十溴二苯醚，简称d b d p o 。这种阻燃齐盯含溴量高，有优异的 热稳定性，由于其分解温度大于3 5 0 ，与各种高聚物的分解温度相匹配，因而能于 最佳时刻在气相及凝聚相中同时起到阻燃作用，不仅添加量小，而且阻燃效果好。 ( 3 ) 含溴化合物在农药工业中用于制造溴氰菊酯、溴甲烷等杀虫剂和熏蒸刺。 如甲基溴是全球广泛采用的一种熏蒸杀虫机，它作为商用熏蒸剂使用已有五十年的历 史，它可以杀死真菌、细菌、土壤携带的病毒、昆虫、蛾、线虫和啮齿动物。由于它 具有杀虫谱广、药效显著、扩散性好、高效、穿透性强、快速等优点，因此被认为是 气体杀虫剂的支柱之一。土壤熏蒸可防治青枯病、立枯病等植物病害及根瘤线虫，熏 蒸2 4 4 , 时可防治仓贮稻、麦、豆类等原粮及面粉、饲料、坚果、等的米象、谷象等害 虫，可防治新鲜蔬菜、水果的玉米螟、豆荚螟等鳞翅目幼虫、金龟子、果蝇等，又可 防治介壳虫、蚜虫、叶螨等害虫及一些钻蛀性害虫。 ( 4 ) 在染料工业中，含溴染料能增进染料的着色性和牢固强度，能使纺织品的 色泽更加鲜艳亮丽。在照相和感光材料中，大量使用溴化银等作为感光材料。在水处 理剂工业中，含溴化合物用于生产绿色环保型杀菌灭藻n - - 溴氯海因、溴氯海因等。 ( 5 ) 溴化物中的溴原子比较活泼，较易为其他基团置换，这一性质常被应用于 有机精细化工产品的合成。某些精细化学品中引入卤素后，分子极性增加，通过卤素 的转换，可制备含有其他取代基的衍生物，可显著改变其性能口l 。引入卤原子可改变 有机分子中的性质，同时能转化成其它官能团，可以用束制备具有不同生理活性的含 卤素的有机药物。 1 1 2 含溴化合物研究概况及发展趋势 含溴化合物足重要的化工原料，在国民经济各部门广泛应用，并且随着科技的飞 速发展，研究开发速度的加快，含溴化合物的新用途在不断扩大。含澳化合物主要用 于医药、农药；用作石油钻井清洁剂、汽油抗爆剂、阻燃剂、灭火剂、致冷剂、水处 理剂；也用于感光材料及有机合成等。业内专家分析，除了灭火剂对澳产品的需求将 逐渐减少外，其它领域对溴化学品的需求都呈上升趋势。 因溴比氯贵四倍，溴原子量约为氯的两倍，所以合成中用溴化物作中间体，卤素 所占的成本很可能是相当于氯化物作中问体的十倍左右。所以溴化物只能用于特殊产 品性能需要或特殊合成需要的场合。就采用的溴化剂而言，b r 2 的直接溴化在工业上 2 硕士论文 氧化溴代反应的研究 应用得最多，而其他溴化方法也各具特色，在工业上有着特殊用途。目前工业生产仍 依赖早期的技术，存在许多不足，所以，急需研究新的合成方法来避免这些缺点，今 后必须大力发展含溴精细化学品和有拉动作用的溴化物合成技术。 ( 1 ) 医药及医药中间体。我国制药工业，需溴的产品近4 0 种。目前生产用溴量 最大的品种主要有二溴醛、3 , 4 ，5 三甲氧基苯甲醛、甲氧苄氨嘧啶和氯霉素。其他还 有卡马西平、西米潜丁、溴乙烷、氟哌酸等。目前全国氟哌酸年生产能力15 0 0 吨、二 溴醛3 0 0 0 d d g 、甲氧苄氨嘧啶1 0 0 0 吨，3 , 4 ，5 三甲氧基苯甲醛1 0 0 0 吨、溴乙烷2 0 0 吨。目 前制药工业年需澳量为1 1 0 0 0 吨左右，随着我国制药工业技术的提高，市场会逐渐扩 大，耗溴的医药中间体将会有较大的发展。 ( 2 ) 溴系阻燃剂。研究报告显示，2 0 0 9 年前美固塑料助刺年需求增长率将为2 6 ， 届时需求量将达2 3 6 万吨。增塑剂和阻燃剂需求量连续下降几年之后，可能逐渐恢复。 我国溴系列阻燃剂目前有3 0 多个品种，总生产能力l 万吨，年。产量最大的有十溴联苯 醚、四溴双酚a 、八溴醚、六溴环十二烷、溴代环氧树酯等。目前年总耗溴量为6 0 0 0 吨左右。溴系阻燃剂由于其优异的阻燃性能，是部分高分子材料的专用助剂，虽然价 格较高，在未来还会有一定市场，原因之一是其性能不是非含溴阻燃剂能完全替代的， 二是非含溴阻燃剂资源有限。溴系阻燃剂的应用将会得到不断的发展，是前景很好的 一个阻燃品种，预计年增长率8 以上。 ( 3 ) 农药及农药中间体。主要品种有溴甲烷、溴氰菊酯等1 0 余种。年总用量在 4 0 0 0 吨左右，预计年增长率5 。 ( 4 ) 染料及染料中间体。含溴染料属精细化工，技术含量高，附加值高，一般 是高档染料。我国染料工业耗溴品种有2 0 种左右，其中耗溴量最大的硝基苯胺系列染 料和溴氨酸等，全国年耗溴量在4 5 0 0 吨左右，预计年增长率3 。 ( 5 ) 无机溴产品及其他。无机溴产品主要品种有氢溴酸、感光材料( 溴化钠、 溴化钾、溴化铵) 、制冷剂( 溴化锂) 以及溴酸钠、溴酸钾等品种，全国有4 0 多个生 产企业，年总耗溴量在2 5 0 0 0 吨左右。其中发展前景最好的为溴化锂，国内目前生产 溴化锂在1 5 万吨年左右，预计年增长率超过1 0 。其他无机溴产品的年增长率预计 为3 。目前溴的有机化工产品增量比较明显，如f 日j 溴苯甲醛、溴化毗啶、苄基滨、 对溴苯甲醚等。 1 2 引入溴的反应 芳环上的卤代反应属于亲电取代反应，是有机合成中常用的反应。由于溴的活性 比氯低，它的反应较为缓和，但选择性较好，溴化反应一直受到人们的关注。最常用 的溴化剂有b r 2 、溴酸盐、次溴酸盐、有机溴化物等，催化剂有m g b r 2 、z n b r ：、1 2 等。 常是将溴溶于水、氯仿、四氯化碳、二甲亚砜或乙酸等溶剂中使用。但是，溴是易挥 3 硕士论文 氧化溴代反应的研究 发的有毒液体，在有机合成中常会引起不必要的取代和氧化反应，同时报道指出，在 采用液溴溴化的反应中，溴原子的利用率低，半参与反应，其余生成卤酸。为要求 充分利用，一种方法是收集释放出的h b r ，将其氧化再生成溴继续使用，另一种方法 是直接向反应器中加入氧化剂，使生成的溴化氢即刻变为b r 2 ，常用的氧化剂有c 1 2 、 n a c i o 、h 2 s 0 4 等f 4 1 。 目前国内工业上合成芳香族含溴化物多由相应的苯胺经重氮化、置换而得。如对 溴甲苯的制备是以对甲苯胺为原料，用氢溴酸、亚硝酸钠重氮化，再加入铜粉还原制 得。其制备一般是采用水蒸气蒸馏法合成，此种工艺优点是反应所得对溴甲苯纯度高， 但合成得率较低，且工业废水多，能耗大。 近年来，以芳香族化合物为原料的氧化溴代反应，因操作简单，反应温和，得率 较高，是研究比较多的合成方法，常用氧化剂有：氯气、双氧水，次氯酸钠、v 2 0 5 、 n r h v 0 3 等。如u p a s a n a l 9 9 9 年以v 2 0 5 _ h 2 0 2 为氧化剂，a m i r a m 2 0 0 0 年用 n a b r 0 3 + h 2 s 0 4 为氧化刺、溴化剂，s u b h a s 以c a n + l i b r 为氧化剂、溴化剂，还有的报 道中使用k b 卜h 2 0 2 为氧化剂、溴化剂。 1 2 1b r 2 直接溴化 ( 1 ) 亲电取代 + b r 2 型鸱 b r 该反应中，无催化剂存在时，苯、甲苯等化合物并不与b r 2 发生反应，通常加入 铁粉进行催化，适用范围广，操作简单。但液溴中一半的溴原子参与反应，另一半则 生成卤酸，因此溴原子利用率不超过5 0 【5 1 。 ( 2 ) 自由基取代 c h 3 h 3 c b r e h c c h 2 b r c h 3 4 q 里型2 兰墨一一 塑些堡垡星生塑竺塞 b r 2 常温下为液体，反应较温和，选择性较好，在工业上应用较广泛，但溴的价 格较贵，工业上要求能够充分利用。如果有h b r 生成，工业上常采用加入氧化剂( 如 c h 、n a c l 0 、h 2 s 0 4 等) ，使生成h b r 即刻被氧化为溴，生产吨位较大时，也可以采用 f i b r 回收方案。 1 2 2 h b r 溴化 r o h 堡巡垒，r b r + h z o h b r 胃换羟基的反应会使产物组成复杂，并不是理想的合成方法。但是，由于试 剂( n a b r + h 2 s 0 4 ) 价格便宜操作简单，而工业上不要求产物很纯时，有时会采用该 种方法。 1 2 3p b b 溴化 0 c h s c o o h + p b r 。c h 3 些+ h ，p 啦 p b r 3 置换羟基，不会发生重排反应，是取代羟基较理想的反应，具有反应速度快， 产物纯，易分离等优点，可用于工业合成，但该法的试剂p b r 3 价格贵，废酸量大。 1 2 4 n b s 自由基溴化 邕坠- n b s 6 1 ( n b r o m o s u c c i n i m i d e 的缩写，n 溴代丁二酰亚胺或n 溴代琥珀酰哑胺) 用于自由基溴化，不会发生重排反应，是苯环上取代较理想的反应，具有反应速度快， 产物纯，易分离等优点，但该法的试剂n b s 价格贵，不能广泛被应用。 硕卜论文氧化演代反府的研究 1 2 5 重氮盐的置换法 c h 3 c u b r b r c h 3 c h 3 重氮盆的置换法 _ 1 由于其工业路线长，而在工业上应用的较少，只用于特殊位置 的芳烃衍生物的溴化，即直接溴化难以得到的溴化物。重氮盐一般极不稳定，受热或 震动时容易发生爆炸，而在低温的水溶液中则比较稳定。但许多重氮盐即使保持在0 的水溶液中也会缓慢地分解，温度升高，分解速率加快。因此重氮豁制备后通常保 持在低温的水溶液中，而且应尽快使用。 重氮化反应的操作一般是先将伯芳胺溶于硫酸中。保持温度在0 c 5 之日j ，然 后在搅拌情况下逐渐加入亚硝酸钠溶液。反应时，酸的用量要过量，一般用量在 2 5 m o l 3 m o l 之间，其中一摩尔是用来和亚硝酸钠作用产生亚硝酸，另一摩尔用束和 产物结合，多下束的酸是使溶液保持一定的酸度，以避免生成的重氮赫与未起反应的 芳胺发生偶合反应。亚硝酸不能过量，因为它的存在会加速重氮靛本身的分解。当反 应混合物使淀粉碘化钾试纸呈蓝紫色时即为反应终点。 1 2 6 b m i m b r 3 溴化 最近有报道指出，z h a n g 用 b m i m b r 3 ( 1 b u t y l 一3 m e t h y l i m i d a z o l i u mt r i b r o m i d e 的缩写，l 一丁基一3 一甲基咪唑三溴) 作为溴化剂得到了相应的溴化产物引。 + b m i m b r 3 + o h 该条件下的溴化反应选择性高，得到单取代产物，且在无溶剂的情况下进行，操 作简单，得率很高，均在9 0 p a a 二，缺点是 b m i m b r 3 的成本太高。 6 明白 顽t 论文 氧化溴代反府的研究 1 2 7 氧化溴代反应 近年来，以芳香族化合物为原料的氧化溴代反应，因操作简单，反应温和，得率 较高，是研究比较多的合成方法，常用氧化剂有：氯气、双氧水、次氯酸钠、v 2 0 5 、 n i - i a v 0 3 等，常用的溴化剂有b r 2 、溴酸盐、次溴酸盐、有机溴化物等。许多新方法被 报道，但这些方法普遍的缺点是氧化剂及溴化剂的成本较高，废酸量大，不能广泛被 应用。 1 2 7 1 以v 2 0 r h 2 0 2 氧化溴代 u p a s a n a l 9 9 9 年采n v 2 0 广_ h 2 0 2 1 9 1 0 , 1 1 1 为氧化剂，四丁基溴化铵为溴化刺对活泼芳 香族化合物氧化溴代。 其机理可能是1 1 2 】 r x b u 4 n b r ，h 2 0 2 - - - - v 2 0 5 r x = c h 3 ，n h 2 r = h ，c h 3 x b r 3 b u 4 n b r + h 2 0 2 皿 b u 4 n b r 3 】+ 2 8 1 l d n o h a r h + 【b u 4 n b r 3 】一+ a r b r + b u 4 n b r + h b r 该合成方法操作简单，反应温和、直接，得率较高、选择性比较高，安全性也较 好，缺点是成本较高。 1 2 7 2 以n a b r o s + h 2 s 0 4 氧化溴代 a m i r a m 2 0 0 0 年用n a b r 0 3 + h 2 s 0 4 1 1 3 1 为溴化剂、氧化剂14 ，。5 对芳香族化合物氧化溴 代，该方法的优点是： ( 1 ) n a b r 0 3 是芳香族化合物进行溴化反应时的非常有效的溴化剂。 ( 2 ) n a b r 0 3 与某些其它溴化剂不同，该试剂的成本不高，经济上有可行性。 ( 3 ) 与b r 2 相比，n a b r 0 3 是比较容易得到的固体。 ( 4 ) 反应中没有h b r 的产生。 ( 5 ) 该反应在水溶液中进行，未使用有毒的药品。 ( 6 ) 反应中过量的酸可以循环利用。 7 璺! ：堡苎一 一 墨些塑垡垦坐塑竺窒 xx r n a b r 0 3 + h 2 s 0 4 rb r x 2 n 0 2 ，c o o h ，c o o m e ，c h o ，f ，c f 3 ，e t c r - - h ，f ，c i ，e t c 但这种方法如果大范围使用，也存在一些缺点： ( 1 ) 与溴化物相比，溴酸盐的价格高的多。 ( 2 ) 溴酸盐作为一种强氧化剂，反应中放出氧气，有一定的危险性。 ( 3 ) 反应产生的n a h s 0 4 和过量的硫酸对环境有污染，需要后处理。 1 2 7 3 以c a n + l i b r 氧化溴代 s u b h a s2 0 0 1 年p a c a n ( c c r i ca m m o m u m n i t r a t e l 拘n ，硝酸铈铵) + l i b r l l 6 1 为氧 化剂、溴化荆对甲苯等芳香族化合物溴代。 l i b r c a n b r + b r 该反应条件温和，化学选择性高，反应快，产率高，甲苯和苯甲醚的转化率可达 到7 0 和9 0 。但是所使用的硝酸铈铵价格高，不适宜大规模使用。 1 3 本课题研究内容 本课题主要以苯甲醚、甲苯、邻二甲苯、萘等活泼芳香族化合物为研究对象，在 1 ，2 一二氯乙烷介质中，用稀硝酸、溴化钾”1 为氧化剂一溴化剂，以四丁基溴化铵为 相转移催化剂的条件下进行的氧化溴代反应。 反应通式为 1 8 , t 9 0 0 1 ： r h + k b r + h n 0 3 1呈垒譬rbr+kn02+h20edc r h = 苯甲醚、甲苯、邻二甲苯、萘等 硕t 论文 氧化溴代反府的研究 该反应在同一反应体系中进行，设备简单，反应温和，得率较高。加入相转移催 化剂后，季铵盐将溴从水相中带到有机相中反应，相转移催化剂在两相问不断循环， 从而使反应得以顺利进行，溴原子利用率比液溴溴化大大提高。 本文主要比较不同底物在该反应条件下的活性大小，研究溴化剂、催化剂等因素 对反应的影响，并对一种底物进行单因素分析，研究反应温度、反应时间、催化剂的 用量、溶剂的用量、物料比、硝酸浓度等因素对反应的影响，得到较佳的反应条件。 9 颀卜论文 氧化溴代反舟的研究 2 氧化溴代反应的研究 2 1 实验理论 早在1 8 9 5 年，h o l l e m a n 总结出定位法则：一些基团能将后进基团引向其邻、对位， 另一些基团则把后进基团引向自己的l 日】位。前者称为邻、对位定位基且般都是致活 的，只有卤素是致钝的邻、对位定位基。 到了2 0 世纪3 0 年代，英 i n g o l d 学派比较系统地研究了两类定位基的电子效应和 定位作用关系，总结出了两者关系的一般规律：邻、对位定位基是那些与苯环直接相 连的带有负电荷的原子或带有未共用电子对的基团。它们或者是诱导效应( i ) 和共 轭效应( c ) 都是供电子的( + i 、+ c ) ；或者是既有i 又有+ c 的，并且+ c 一l ( 如 一o h ，一n h 2 ) 。也就是说定位基电子效应的总结果是增加苯环上的电子云密度， 因此它们是致活基团，特别是它们的邻、对位，相对于间位电子云密度更高，所以它 们是邻、对位定位基。闯位定位基则是那些与苯环直接相连的带有正电荷的原子或带 有吸电子不饱和键的基团。它们或者是只有- - i ( 如：- n r ，- n h ，c f 3 ) 或者是 一i 和一c 共存的( 如c o r 、c n 、_ n o ：等) ，也就是说这些基团都使苯环上的 电子云密度降低，特别是邻、对位相对于1 且j 位束况，降低的程度更大，所以它们是致 钝的问位定位基。 本次实验选择的反应物都是活泼的芳香族化合物。此类化合物如苯甲醚1 2 1 1 、甲苯、 邻二甲苯等，其苯环上有供电基单键相连，此时苯环活化，新进入的取代基主要进入 其邻对位的化合物，供电基有o c h 3 、o h ，- n h 2 、c 6 h 5 、c h 3 等。因为供 电基中和了碳正离子环上的部分正电荷，本身也带有部分讵电荷，即环上的讵电荷因 分散到甲基上而较稳定，其碳正离子稳定性加强，从而使苯坏活化1 3 1 。 以甲苯为例，为无色、易挥发液体，有芳香性，但较苯弱，是典型芳香族化合物， 有闭和共轭的苯环体系，电子在环电子体系中大范围离域或相互作用，增加环体系 的稳定性，因而易在苯环上发生亲电取代反应，另外，苯坏上引入o 为负值的给电子 基，有诱导效应，则在形成竹络合物，尤其。络合物时，表现出与苯的不同，比苯更 易发生硝化、卤化、磺化等亲电取代反应，均可在甲苯环上发生。且较易进行 3 1 。亲 电取代基以正离子形式对环攻击，位置是甲基给电子趋势造成的芳环上电子云密度较 大的2 ，4 位，并且因甲基产生位阻效应，4 位产率大于2 位。 1 0 硕十论文 铽化溴代反廊的研究 2 1 1 反应机理 芳环上的卤代反应是有机合成中常用的反应。由于溴的活性比氯低，它的反应较 为缓和，但选择性较好，溴化反应一直受到人们的关注。近年来，以芳香族化合物为 原料的氧化溴代反应，因操作简单，反应温和，得率较高，是研究比较多的合成方法。 本课题主要研究苯甲醚、甲苯、邻二甲苯、萘等活泼芳香族化合物，用稀硝酸为 氧化剂、以溴化钾为溴化剂的氧化溴代反应。 选用硝酸作为氧化剂的原因是稀硝酸氧化性强，在温和的条件下可以很容易进 行，对环境的污染小，而且稀硝酸作为氧化剂，不仅可以将溴化钾氧化生成b r 2 进行 溴代，还提供质子，催化溴化反应的进行。 选用溴化钾为溴化剂的原因是，与n a b r 0 3 、l i b r 等相比较，溴化钾的成本较低， 易于获得，而且反应条件要温和的多。 加入四丁基澳化铵作为相转移催化剂是本实验的创新之处，因为有报道指出，加 入此类季铵盐催化剂，可以大大提高氧化溴代反应的速度。 从成本和三废考虑，本实验选用溴化反应中常用的成本较低的l ，2 一二氯乙烷作 为溶剂。 反应通式为： r h + k b r + h n 0 3 里e d c 卜b r + k n 。z + h 2 。 。 r h = 苯甲醚、甲苯、邻二甲苯、蔡等 t b a b ：四丁基溴化铵e d c ：1 ，2 一二氯乙烷 + h n 0 3 + k b r 晋 + k n 0 2 + h 2 0 可能发生的副反应是多溴取代和侧链溴代。以甲苯为例，可能发生的反应上式所 ，4 。一 示吲： 芳环上溴化反应属于亲电取代反应，无催化剂存在时，苯、甲苯等化合物并不与 b r 2 发生反应，通常加入铁粉进行催化，而真正起作用的是生成的f e b r 3 ，属刘易斯酸 催化。此反应中起催化作用的是硝酸提供的质子旷，h + 首先与卤素( b r 2 ) 生成h b r 和b r + ，后者作为亲电试剂进攻苯环，形成。络合物，最后。络合物失去一个质子生 成活泼芳香族化合物的溴化产物，与此同时，从。络合物中分解出来质子，使催化剂 再生。 ! 坚型蛩生一 墨些堡垡堡堡塑竺塑 ho + b r 2 _ h b r + b r 。 h + 辞土 b r hb r o + h 在本实验所选用的反应条件下，由定位基效应不可能发生自由基反应，实验过程 中有棕黄色烟产生，实验得到了溴化产物，推测实际的反应过程可能是：溴化钾被硝 酸氧化生成b r 2 ，b r 2 再与甲苯等反应物发生亲电取代，反应方程式如下： k b r + h n 0 3 _ b r 2 + k n 0 2 + h 2 0 硝酸在此反应中起两个作用： ( 1 ) 硝酸作为氧化剂，将溴化钾氧化生成b r 2 进行溴代。 ( 2 ) 硝酸提供质子，催化溴化反应的进行。 2 1 2 影响因素 本反应在同一反应体系中进行，设备简单，反应温和，得率较高。芳环上的卤代 反应属于亲电取代反应，是有机合成中常用的反应，许多因素都对反应的得率有着重 要影响，其主要影响因素如下创1 ： ( 1 ) 催化剂 反应的选择性也依赖专一选择性的催化剂，因此选择合适的催化剂对非常重要。 如苯甲醚与b r 2 反应，0 c 5 c 下，不使用溶剂时，得率为7 5 ，以乙酸铵为溶剂， 1 2 犬v 硕卜论文氧化溴代反廊的研究 得率提高到9 0 。因此对不同的催化荆进行对比实验，找到对得率提高影响较大的条 件。 ( 2 ) 反应物的性质 被溴化物的性质对于溴化方法的选择、溴化反应速度以及溴化产物的组成都有十 分明显的影响。当苯环上有供电子基时，溴化速度快，在溴化产物中常常以邻、对位 异构体为主。反之，当苯环上连有吸电子基时，则溴化速度降低，产物中常常以间位 异构体为主。例如，当苯环上连有o c h 3 等强供电子基时，在2 5 c 时，它的溴化产 率可以达到9 0 以上，而在相同的条件下，甲苯溴化产物的得率只有2 0 左右。 ( 3 ) 溴化剂的选择 溴化剂的种类很多，如b r 2 、溴酸赫、次溴酸盐、有机溴化物等。其溴化能力也 相差很远。本实验选用的是溴化钾，在相同的反应条件下，其溴化能力比溴化钠就强 的多。 ( 4 ) 溶剂 溶剂的选择对反应的得率有着重要的影响。如苯酚与b r 2 的反应，选用叔丁胺为 溶剂，温度为一7 0 c 时得率为8 7 ，当溶剂为c s 2 时，0 。c 5 c 时，得率仅为8 0 8 4 。 2 1 3 相转移催化剂 化学反应9 0 以上的过程都涉及了催化技术，化学反应中使用催化剂可降低反应 的能耗，调控反应的化学选择性等，因而催化剂就扮演了重要的角色，提高反应转化 率需要高效的徨化剂，提高反应的选择性也依赖专一选择性的催化剂。 利用相转移的方法可以实现许多传统合成方法所不能完成的反应，而且产率高、 反应条件温和、产物易处理。到目前为止，相转移催化反应在羰化、酰化、氰化以及 偶联等各种类型的有机合成中都有着广泛的应用，相转移催化剂的种类也更加丰富。 相转移催化反应的研究是近年来重要的课题之一，在这方面的发展极大地丰富了有机 合成的方法和手段。利用相转移催化技术，即采用普通芳香族溶剂、水及低廉的相转 移催化剂可使同类反应以很高的得率完成，使一个多相反应以一个类似均相过程而进 行，在工业上应用很有效，此方法对于许多亲电反应过程亦有明显效果p 1 。 2 13 1 相转移催化原理 当反应体系为两个不互溶的液相，其中一相( 一般是水相) 内含盐，发挥碱或亲核 试剂的作用，另一相是有机相，内中溶解有待与盐反应的有机物，相转移催化剂中含 有亲脂性的阳离子，其在水相和有机相中都有良好的溶解度，当与含豁的水接触，便 与盐溶液中过量的阴离子发生阴离子交换。 硕士论文氧化溴代反应的研究 其催化的机理如下【2 5 洲： q n u + r - - x i 卜一n u + q x 有机相 ll f l l q n u + m x ；2 m n u + q x 水相 q + ：季铵离子m n u ：溶于水相的反应试剂n u ：反应剂中的亲核基团 季铵盐在此反应中扮演搬运工的角色，它在两相间不断循环，从而使反应得以顺 利进行，提高反应得率。 本实验中相转移催化剂不断地将溴从水相中带到有机相中反应，相转移催化剂在 两相间不断循环，提高反应速率。 2 i 3 2 相转移催化剂的应用 本次实验中采用的催化剂是四丁基溴化铵 2 7 2 s 1 ，属季铵赫。季铵盐是目前应用最 广泛的相转移催化剂，它具有价低、易得，易回收的特点，通常在中、酸性条件下使 用，最高温度为1 0 0 0 c 1 5 0 0 c 2 9 3 0 j l j 2 1 。许多相转移催化的反应需要5 0 c 1 2 0 c 的反 应温度，在这种条件下，季铵盐的催化活性很高。由于季铵盐是离子型化合物，它较 适用于液液间的催化，是一种有效的选择性卤化催化剂。 当有机反应物或目的产物在反应温度下是液态时，般不需要使用另外的有机溶 剂。但如果有机反应物和目的产物在反应温度下都是固态的，就需要使用非质子传递 有机溶剂。在选择溶剂时，要考虑以下因素： ( 1 ) 溶剂不与亲核试剂、有机化合物和目的产物发生化学反应。 ( 2 ) 溶剂在水中溶解度很小，对于亲核负离子y 或离子对【q + y 要有较好的提 取能力。 ( 3 ) 溶剂对有机反应物或目的产物要有一定的溶解度。 可以考虑的溶剂有：二氯甲烷、氯仿、石油醚、乙酸乙酯等，本实验从成本、环 境等因素选择使用的溶剂是l ，2 一二氯乙烷。为了使i q + 丫】离子对在有机相中保持较高 的浓度，溶剂的用量应尽可能少，它不要求使固态反应物完全溶解，只要能使有机反 应物和目的产物都部分溶解，处于良好的分散润湿状态，有利于固态表面的不断更新 就可以了。 1 4 硬士论文氧化溴代反应的研究 2 1 4 溴原子利用率 绿色化学1 3 3 1 是2 0 世纪末崛起的一门新兴学科，相对于传统化学，它是未来化学化 工发展的主要方向之一。绿色化学即用化学的技术和方法去避免或减少那些对人类健 康、社区安全、生态环境有害的原料、催化剂、溶剂和试剂在生产过程中的使用，同 时在生产过程中不产生有毒有害的副产物，废物。 绿色化学是当今国际化学学科的研究前沿，是具有明确社会需求和科学目标的新 兴交叉学科。从科学观点看，绿色化学是对传统化学思维方式的更新和发展；从环境 观点看，是从源头上消除污染；从经济观点看，它合理利用资源和能源，降低生产成 本，符合经济可持续发展的要求。尽管现在还很难对其未来发展趋势做出准确而全面 的预测，但根据现在的研究进展可以断定，绿色化学在一些具体研究领域既具有科学 研究价值，又将产生重要的社会和经济效益。 原子经济性【3 4 1 是在1 9 9 1 年由t r o s t 首先提出的，即在化学反应过程中有多少原 料的原子迸入到所需的产品中。理想的原子经济反应要求原料分子中的原子百分之百 地转变成产物，不产生副产物或废物，实现废物的“零排放”。目前，开发新的原子经 济反应已经成为绿色化学三大重点研究领域之一。 原子利用率的计算公式为： 原子利用率= 目标产物的分子量 所有产物分子量总和 1 0 0 对于一个化学反应，如果所使用的所有原料均转化至最终目标产物中，则该反应 就没有废物或副产物排放。这种反应的效率最高，最节约能源与资源，同时也避免了 废物或副产物的分离与处理等过程，或者说从源头上消除了由化学反应副产物引起的 污染。因此，它是化学反应的理想目标。 在传统的用液溴溴化的工艺中，溴原子的利用率相当低，原因是液溴中只有一半 的溴原子参与反应，另一半则生成卤酸。因此溴原子利用率不超过5 0 。 h o + b r 2 一h b r + b p 而采用氧化溴代时，加入氧化剂，使生成的溴化氢即刻变为b r 2 继续反应，同时 加入相转移催化剂，季铵盐将溴从水相中带到有机相中，相转移催化剂在两相间不断 循环，溴原子利用率比液溴溴化大大提高。 硕士论文 氧化溴代反 的研究 2 2 实验操作 2 2 1 试剂及仪器 试剂： 甲苯，对二甲苯，苯甲醚，萘，6 5 硝酸，溴化钾，1 ，2 二氯乙烷，四丁基溴化 铵，四丁基氯化铵，铁粉，锌粉，铜粉，碳酸钾，无水氯化钙，溴化钾，溴化 钠，邻甲苯胺，氢溴酸等，以上均为分析纯。 三乙基苄基氯化铵为自制。 仪器： ( 1 ) 温度指示控制仪，w m z k - 0 1 ，上海医用仪表厂 ( 2 ) 精密电动搅拌器，j j - l ，深圳天南海北实业有限公司 ( 3 ) 2 5 0 m l 圆底烧瓶，球形冷凝管，温度计( 量程2 0 0 c ) ，分液漏斗 ( 4 ) v a r i a ns a t u r n2 0 0 0g c m s 气质联用仪 2 2 2 实验步骤 2 2 2 1 邻溴甲苯的合成 在甲苯的溴化产物中，经气谱分析得到了其邻、对位的产物，为确定其出峰顺序， 合成了邻溴甲苯。其反应方程式如下： 丛- n a n 0 2 h b r b r c h 3 + n 2 n 2 b r 实验步骤为：在装有搅拌机，温度计，回流冷凝管的2 5 0 m l 的圆底烧瓶中，加入 1 0 m l 邻甲苯胺溶液后，冰盐浴冷却至0 。c 5 c ，小t l , 滴自u 6 0 m l 氢溴酸溶液，控制温 度为0 c - 54 c ，搅拌配制成溶液，用6 + 9 9 亚硝酸钠和1 0 m l 水配成溶液，滴加亚硝酸钠 1 6 硕十论文 氧化溴代反砘的研究 溶液，加完后保持温度在0 c 5 c ，搅拌反应l h ，重氮化完成后，加入6 o g 铜粉置换， 小心升温至2 5 c 3 0 c ，搅拌l h ，反应溢出氮气，继续升温至5 0 c ，保温搅拌1 h 后， j n a a 0 0 m l 水蒸馏，蒸出液体分两层，分离出油状物，依次用3 0 3 m l 的水，3 0 m l 2 的碳酸钾溶液，3 0 m l x 3 的水洗涤至中性，最后分离出有机相无水氯化钙干燥后进行 气相色谱分析。 与甲苯氧化溴代的谱图对比可以看到，甲苯溴化得到的两种产物中，较旱出峰的 是邻位溴化产物。 2 2 2 2 氧化溴代反应 本课题研究了活泼芳香族化合物在l ，2 一二氯乙烷介质中，用稀硝酸为氧化刺， 溴化钾为溴化剂，并加入四丁基溴化铵为相转移催化剂的条件下进行的氧化溴代反 应。 以甲苯为例： 在装有搅拌机，温度计，回流冷凝管的2 5 0 m l 的圆底烧瓶中，加入6 0 m l1 。2 一二 氯乙烷，1 0 7 m l 甲苯，1 1 9 9 溴化钾，3 m o l 的四丁基溴化铵，取1 3 6 m l 6 5 - , 6 8 的 硝酸与6 5 m l 水配制成0 2 m o l 2 1 ( w w ) 的硝酸溶液，将硝酸溶液加入，小心升温至 7 5 c ，搅拌反应1 0 h ，反应结束后冷却至室温，溶液分为两层，分离出有机相，依次 用3 0 m l x 3 的水，3 0 m l 2 的碳酸钾溶液，3 0 m l x 3 的水沈涤，直至中性，最后分离 出有机相，经无水氯化钙干燥，有机相进行气质分析。 颂十论文 氧化演代反戍的研究 2 2 3 质谱解析 2 2 3 1 对二甲苯溴化产物的质谱图 1 啪 弼5 i 嵋 ，攀 瓣： |l l l 忽强冬墨翳出翳驾骝罂挈，尊一 5 0 1 0 0珊勰 瑚3 0 0 蛳 玳惫 图2 2 3 1 对二甲苯溴化产物的质谱图 由对二甲苯溴化产物的质谱图2 2 3 1 看, q - i , t = 6 5 4 时( 原图见附录) ： 化合物的分子离子峰y 口r r y z 1 8 7 o m + 2 】+ ，2 一溴对二甲苯分子量为1 8 5 1 ，与分 子式吻合。 同时，由气质图分析看出，对二甲苯溴化时还得到了少量的甲基上的单溴化产物 和二溴化产物。 8cipu：2 1_#_ 里业型型蔓一 墨些堡垡星空箜竺! 塞 2 2 3 2 萘溴化产物的质谱图 1 0 d 一 叫 e 静1 1 2 7 0 l 薹薯： 萋 ； 孽 j 爱 1 勰o； 星j6 3 2 l。 3 畦 ! 麓：舢，髭9 ；l 猢 徽 毪 ；，啦e 咚如世。罢o ，样篓，徽，嚣黜，麓毒、产乙 的锵 懒翩 数 船一矗品 图2 2 3 2 萘溴化产物的质谱图 由萘溴化产物的质谱图2 2 3 2 看出( 原图见附录) ： 化合物的分子离子峰为毗2 0 9 9 m + 2 】+ ，1 一溴萘的分子量为2 0 7 0 6 ，与分子式 吻合。 1 9 7壕轴 ；i# 霉 硕 论文 氧化溴代反应的研究 2 2 3 3 苯甲醚溴化产物的质谱图 1 0 01 5 02 0 0 2 5 03 0 0 图2 2 3 3 苯甲醚溴化产物的质谱图 t 1 1 广r 1 r 一1 3 5 0 4 0 0 由苯甲醚溴化产物的质谱图2 2 3 3 看出( 原图见附录) ： 化合物的分子离子峰为m z 1 8 8 9 m + 2 1 + ，2 一溴苯甲醚的分子量为1 8 7 0 ，与分 子式吻合。 89pij，qvg#墨o 硕卜论文 氧化溴