（应用化学专业论文）碱性介质中芳醚键的稳定性研究.pdf

摘要 取代芳基醚这类化合物，是合成染料、医药、农药等的重要中间体。研究它们的 稳定性对合成这类化合物有重要意义。本文选用硝基作为强吸电子基团，设计合成了 一系列的芳醚衍生物作为研究对象，考察了它们的芳醚键在碱性介质中的稳定性情 况。 本文工作分成两大部分：首先合成了纯度较高的对硝基芳基醚、邻硝基芳基醚、 芳基醚、对甲基芳基醚这四大系列的芳醚化合物，利用高效液相色谱测定产物的纯度， 用毛细管法测定熔点，1 h - n m r 核磁共振仪确定了结构。然后再以这些化合物为反应 底物，在碱性条件下进行反应。选用对硝基甲苯为内标，用高效液相色谱仪对芳醚键 断裂的程度进行定量分析，计算出原料的转化率。 实验结果表明，含- n 0 2 的取代芳基醚，在碱性溶液中，易发生亲核取代反应， 从而使芳醚键断裂。碱浓度越高，反应温度越高，反应时间越长，亲核试剂的活性越 强，醚键断裂的程度越大，这类化合物就越不稳定。发现一系列芳氧丙酸化合物发生 亲核取代反应的异常情况，推测可能是分子内邻基参与的亲核取代反应。 关键词：芳醚，硝基，碱性介质，芳醚键的断裂 a b s t r a c t s u b s t i t u t e da r y le t h e r sa r et h e k e yi n t e r m e d i a t ec o m p o u n d st os y n t h e s i z ed y e 、 m e d i c i n e 、p e s t i c i d e a n ds oo n i ti so fv e r y i m p o r t a n c e t o s t u d y t h e i r s t a b i l i t y f o r s y n t h e s i z i n gt h e s ec o m p o u n d sa s e r i e sr a m i f i c a t i o no f a r y le t h e r st h a tc o n t a i n i n gs t r o n g e l e c t r o w i t h d r a w i n gg r o u p ( - n 0 2 ) h a v eb e e ns y n t h e s i z e d ，w h i c hw e r e u s e da st h es t u d i e d s u b s t r a t ea n dt h es t a b i l i t yo f a r y la h e r b o n di nt h ea l k a l i n em e d i u mh a sb e e nr e s e a r c h e d t h ep r o j e c ti sd i v i d e di n t ot w op a r t s ：f i r s t l y , f o u rk i n d so fa r y le t h e r sh a v eb e e n s y n t h e s i z e d ，w h i c ha r ep - n i t r oa r y le t h e r s ，d n i t r oa r y le t h e r s ，p h e n y le t h e r s ，p - m e t h y la r y l e t h e r s t h ec o n t e n to ft h e s eo b j e c t i v ep r o d u c t sh a sb e e nd e t e r m i n e db yh i g hp e r f o r m a n c e l i q u i dc h r o m a t o g r a p h y , t h em e l t i n gp o i n th a sb e e nm e a s u r e db yc a p i l l a r yt u b em e t h o d ， t h e i rs t r u c t u r e sh a v eb e e nc o n f i r m e db y h - n m rs p e c t r a s e c o n d l y , t h e s ec o m p o u n d s w e r eu s e da ss u b s t r a t et ot a k ep l a c ec h e m i c a lr e a c t i o n su n d e rb a s i cc o n d i t i o np n i t r o m e t h y l b e n z e n eh a s b e e nt a k e na st h ei n t e r n a ls t a n d a r d e x t e n to fe t h e r b o n dc l e a v a g eh a s b e e n a n a l y z e dq u a n t i t a t i v e l yb yh i g hp e r f o r m a n c el i q u i dc h r o m a t o g r a p h i ci n s t r u m e n t d e g r e e o f c o n v e r s i o no f a 吲e t h e r sh a sb e e nd e t e r m i n e d t h er e s u l t so ft h ee x p e r i m e n t ss h o wt h a ts u b s t i t u t e da r y le t h e r st h a tc o n t a i n i n gn i t r o g r o u p ( - n 0 2 ) a r ee a s yt ot a k ep l a c en u c l e o p h i t i cs u b s t i t u t i o ni nt h ea l k a l i n em e d i u ma n d t h e na r y le t h e r b o n di sc l e a v e d e x t e n to fe t h e r b o n dc l e a v a g eb e c o m e sm o r ea n dm o r e i n t e n s i v ew i t hh i g h e ra l k a l i n ec o n c e n t r a t i o n , h i g h e rr e a c t i o nt e m p e r a t u r e ，l o n g e rr e a c t i o n t i m e ，s t r o n g e ra c t i v i t y o fn u c l e o p h i l i c r e a g e n t ，a n d t h e s es u b s t i t u t e d a r y l e t h e r sw i l l b e c o m em o r ea n dm o r eu n s t a b l e t h ea b n o r m a lb e h a v i o u rw h i c h h a p p e n e d i nt h e n u c l e o p h i l i c s u b s t i t u t i o n p r o c e s so fp h e n o x yp r o p i o n i ca c i dh a sb e e nd i s c o v e r e d t h e m e c h a n i s mh a sb e e n p r o p o s e d a sa ni n t r a m o l e c u l a r n u c l e o p h i l i c s u b s t i t u t i o n b y n e i g h b o r i n gg r o u pp a r t i c i p a t i o n k e y w o r d s ：a r y le t h e r ，n i t r o ，a l k a l i n em e d i u m ，a r y le t h e r b o n dc l e a v a g e 声明 y 6 2 4 7 8 1 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研究机构的学位或学 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；巡炒妒年夕月f ，日 | 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保：斧本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布学位沦文的全部或部分内容，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全部或部分内容。对于 保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：印f 年) 曰 岬 里生笙兰矍兰坌垦! 至墅堡塑堡墨竺翌塞 1 绪论 1 1 芳醚键断裂的方法 取代芳基醚是一种十分优良的有机溶剂，也是合成某些染料、医药、农药、香料 等的重要中间体“，有的本身也是杀虫剂、除草剂和特殊试剂“1 。这类化合物的 芳醚键( e t h e rb o n d ) a r - o r 一般情况下是稳定的，由于氧原子的孤对电子对与芳基 的苯环形成p 一兀共轭，从而使a r - o 键加强，不易于醚键的断裂。因此醚键对于碱、 氧化剂和还原剂都十分稳定；但稳定是相对的，在强烈条件下也可发生醚键的断裂， 从而出现醚键的不稳定性，下面介绍几种醚键断裂的方法。 1 1 1 路易斯酸催化法 在路易斯酸作用下，可以使芳醚键断裂。如硫酸、醋酸和氢卤酸( i - g ，i - i b r ，h c i ) ， 其中，氢卤酸使醚键断裂的能力与其酸强度成正比：即i - i h b r h c i 。此外，还有吡 啶盐酸盐和吡啶氢溴酸盐，在熔融状态下，可以使芳醚键上几乎所有的甲氧基醚键发 生裂解8 “。 卤化硼如b f 3 ，b b r 3 ，b 丞，b 1 3 ，其中b b d 在适宜条件下可以有选择性地使醚 键断裂“。 卤化铝如a i x 3 ( x = c i ，b r ，i ) ，通常将a l x 3 与溶剂乙硫醇混合使用时，可以加 快醚键的裂解速度1 。 碘化镁和碘化锂，可以在中性条件进行醚键的裂解，避免了酸性和碱性条件下很 多副反应的发生。 以上报道中，芳醚键发生裂解后，产物均生成酚类化合物。反应见式( 1 i ) ： 民母。喝晋凡母。h ( 1 t ) 对于二：芳基醚分子中的醚键不易被强酸断裂，如二苯醚( ( 垆o - ) 加热至 2 5 0 。0 t 乜难发生反应，见式( 1 2 ) 所示。这是因为氧上的未共用电子对与苯环形成p m 共轭体系，使得a r - o 键加强，而且芳基的空间位阻也较大，其醚键断裂更困难“。 1 1 2 氧化法 1 1 2 1 试剂氧化 o 士 不反应 ( 1 2 ) 硕士论文碱性介质中芳醚键的稳定性研究 文献“”川报道了化学试剂使苄基醚的醚键断裂的例子。p e g n 0 2 ( p e g ：聚乙二 醇，平均分子量为4 0 0 ) ，经过p e g - 4 0 0 吸收后所形成的p e g n 0 2 是温和的、具有一 定选择性的氧化剂。可以将一分子二苄醚氧化生成两分子苯甲醛，将苄基脂肪醚氧化 生成苯甲醛，而不生成深度氧化产物苯甲酸。因而它是一种新型有选择性的氧化剂。 用于对位二甲氧基苯、萘及喹啉化合物的脱甲基的氧化试剂有0 m 4 ) 2 c e ( n o ，) 6 ， 或依次采用( 卜m 4 ) 2 c e ( n 0 3 ) 6 和a g n 0 3 h n 0 3 可以成功地使醚键断裂。 1 1 2 2 电解氧化“ 用c e 4 + c e ”做媒质，3 m o l lh n 0 3 做介质，间接电解氧化苄基醚生成苯甲醛和 相应的醇：或在c h 3 0 h j c h 3 c o o n a 体系中，直接电解氧化苄基醚得到相同的结果， 反应见式( 1 3 ) 。 凡c h 2 - - o 吨 电解氧化r 1 c h o + r 2 0 h ( 1 3 ) 对于芳氧醚键的电解氧化断裂尚未见报道。 1 1 3 催化加氢法“6 1 在钯或铂催化剂存在下，加氢可以使醚键断裂，反应见式( 1 4 ) 。 舀h 固竺舀+ 艿 。， 在高温下烷基苯基醚一般很稳定，但烯丙基苯基醚在高温下可以发生克莱森重 排，发生醚键的裂解。 1 1 4 碱性试剂和亲核试剂催化法 采用k o h ，n a o h ，n a n h 2 ，n a 2 s ，c h 3 0 n a d m s o ，e t s n a d i v l f ，n a c n d m s o ， b b r 3 和m e 3 s i l ，m e 3 s i c i n a i m e c n ，m e 3 s i s n a 和m e 3 s i s s i m e 3 ，m e 3 s i s n a 等碱性 试剂或亲核试剂作用下，可以使芳甲醚发生醚键断裂，从而脱甲基1 。 当芳醚的苯环邻对位卜含有强的吸电子基团，苯环上邻对位碳正电性增强，此时 邻对位上的基团易被亲核试剂取代，从而发生芳醚键的断裂1 。有文献“报导了在 n a o h 碱性中，由于硝基强吸电子作用，使化合物发生了分子内的亲核取代反应，使 醚键断裂，生成新的取代产物，反应见式( 1 5 ) 。 2 硕士论文碱性介质中芳醚键的稳定性研究 i c h 2 c h 2 n h c h 2 c h 2 7 , c h 2 c h 2 n c h 2 c h 2 9 审等由 n o z 南o ， 一博嘞苜i 厂厂 山0 2 j 1 2 芳醚键断裂的机理 c h 2 c h 2 n c h 2 c h 2 0 h 一审 。，n o ， 、。 综上所述，以上方法使芳醚键( a r o r ) 断裂的位置有两种，以芳基烷基醚为例，反 应见式( 1 6 ) ，( 1 7 ) 。 烷氧键断裂： a r o r + h x a - 6 一r 二a r _ 。h + 默 ( 1 ，6 ) h 芳氧键断裂 2 r 2 qn u n $ + r ：旷 。， r 1r 1 r 1 就上述醚键断裂的不同方式，f 面着重介绍在酸或碱催化下，两种芳醚键断裂的 反应机理。 1 2 1 硬软酸碱理论旧3 根据h s a b ( 硬软酸碱) 理论，使芳醚键断裂的试剂均由一种路易斯酸( r 、 a j x ，、b x l 、n a + 、k + 、m g ”) 和另一种路易斯碱( 0 h 、f 一、c l 、c n 。、e t s h 、1 。、 r 1 ) 构成。醚键的裂解过程可视为由一种路易斯酸和一一种路易斯碱的协同推拉来完成。 以芳甲醚为例，其反应机理见式( 1 8 ) 。 这一过程是由一种路易斯酸先和芳氧负离子配位，形成锌盐，使c h 3 。o 醚键变 弱，然后，由一种路易斯碱进攻甲基正离子，完成醚键的断裂。 对于芳基醚而言，产物多数为酚或酚盐，这是由f 与苯环相连的氧原子e 未共用 电子对与苯环的7 c 电子共轭，电子的离域作用使氧上的电子云密度降低，a o 之间的 电子云密度增大，a r - o 键的强度增强，因此时一o 醚键较难断裂。 硕士论文碱性介质中芳醚键的稳定性研究 试剂 h 2 s 0 4 h b r h i b c k 路易斯酸a路易斯碱b使醚键断裂的能力 弱 中等 强 弱 强 弱 弱 弱 弱 a u ，e t s h m g l 2 k o h n a o m e n a c n 当用k o h ，n a o m e ，n a s e t ，n a c n ，m g l 2 等试剂与芳氧基甲醚作用时，根据 h s a b 理论，n a + 、k + 、m 9 2 + 属于硬酸系列，它与氧原子的络合能力远比h + 、a i x 3 、 b x 3 等路易斯酸弱，相比之下，使醚键断裂的能力较弱。但在特殊情况下，也可以使 醚键断裂，例如 例1 例2 o c h 3 0 h + c 恻a 詈 f 2 鼍2 洲早h 2 c h 2 0 h m e o 俞洲e 一茕。磊。 回流弋乡。 啪旷r盯嘲r咐阱矿旷矿阳觚孵。蚶时 顿七论文碱性介质中芳醚键的稳定性研究 例3 c l o m e c o m e 洲罢等 1 2 2 含活化基的芳基醚的亲核取代反应“9 在碱等亲核试剂作用下，当芳醚化合物的苯环邻对位上含有强的吸电子基团如 - n o ：、一c n 、一c o r 、c f ，等时，通过诱导效应和共轭效应，使苯环上邻对位碳正电 性增强，易发生芳香族亲核取代反应，从而发生芳醚键的断裂。 由于硝基- n o ：的拉电子能力比其它基团强，硝基芳香族化合物为亲核取代反应 最好底物。其反应示例见式( 1 9 ) 。 这一过程是亲核试剂先对芳环加成，形成一个。络合物，然后再消去对甲氧基苯 氧基，又称为加成一消除机理，净过程是亲核取代。不同的离去基团、反应底物的结 构、溶剂、亲核试剂等都会影响亲核取代反应的程度与反应结果。 o h c 。， o c h l 1 3 本课题的研究目的 不同结构的芳醚在酸催化下发生醚键的断裂，在有机化学等教材和文献报道甚 多，有关理论也很成熟。但在不同碱作用下，含活化基的芳基醚的醚键断裂报道很少。 基于这类取代芳醚是染料、医药、农药等的重要中间体，因此研究它们在碱性条件下 的稳定性，对于合成这类化合物有重要意义；同时，也为这些行业里的有关醚类化合 物的醚键断裂及其稳定性提供理论参考。 本课题的研究目的：选用硝基作为强吸电子基团，设计合成一系列的取代芳醚作 为研究对象，考察它们在碱性介质中芳醚键的稳定性情况。作为参照，我们也合成了 系列具有给电子基的取代芳醚，研究它们在相同条件下的醚键断裂情况。通过对比， 希望从中得到醚键断裂的一系列影响因素。 1 4 本课题的研究方案 所要研究的取代芳醚的结构为： o c z 审 _ + 、o c0 ；l 旷务丫 硕士论文碱性介质中芳醚键的稳定性研究 妙o r x 其中：x 主要是强的吸电子基团及给电子基，如一n o z 及一c h s 等。 r 主要是给电子基团，如：- r 、一c h 2 c h 2 0 h 、一c h 2 c o o h 、- c h 2 c h 2 c o o h 、 一c h 2 c h 2 c 1 2 c 0 0 h 等。 ( 1 ) 合成对硝基苯氧乙醇这一目标化合物，并以其作为研究对象，探索不同的反应 条件( 反应温度、反应时间、溶剂、碱的浓度、各种无机碱等) 对芳醚键稳定 性的影响，及其醚键断裂后的产物。 ( 2 ) 合成四大系列的取代芳基醚：对硝基芳基醚、邻硝基芳基醚、芳基醚、对甲基 芳基醚。研究不同结构的反应底物，在碱性介质中芳醚键的稳定性，及其醚键 断裂后的产物。 ( 3 ) 在研究充分的情况下，给出完整的有关具有强吸电子基的取代芳醚的稳定性的 影响因素，从而为该类化合物的合成和以其为中间体的后续合成提供理论指 导。 6 硕士论文碱性介质中芳醚键的稳定性研究 2 1 芳基醚的合成方法介绍 2 取代芳基醚的合成 根据采用的原料不同，芳醚的制备方法概括起来，分成两大类，一类是以苯酚为 原料，另一类是以芳卤为原料。 2 1 1 以酚为原料 2 1 1 1 酚与醇分子间脱水成醚 酚羟基上的氧原子上一未共电子对所在的p 轨道，与苯环的六个碳原子的p 轨道 形成共轭，因此碳氧键比较牢固，一般不能通过酚分子间脱水来制备芳醚。但是可以 通过酚与醇之间脱水成醚。文献社”1 1 报道了用苯二酚和醇在酸催化下，直接脱水， 来制备单醚，步骤简单，原料易得，但对c ，以上的高级醇，相应的单醚产率低。反 应见式( 2 1 ) 。 h 。 。h + h 。 。r + h 2 0 ( 2 ) 2 1 1 2 酚与卤代烃及其衍生物成醚( w i l l i a m s o n 反应) 用酚盐作强亲核试剂，与卤代烃、卤代醇、卤代酸、卤代酸酯等反应，用w i l l i a m s o n 方法成醚。f 面介绍用不同的方式( 包括不同类型的催化剂) 来合成芳醚几种方法。 张竞清等【6 1 采用非质子溶剂d m s o ，在不加催化剂下，合成得到两种含硝基的取 代芳醚。此法操作简单，不须搅拌装置，后处理方便，产率达7 2 8 5 。反应见式 ( 2 2 ) 、( 2 3 ) 。 舀+ 艿c n o n a o h 水溶液 d m s o r h ： ( 2 2 ) n 0 2 n 0 2 + b r c h 2 c h 3 警 n 0 2 n 0 2 ( 2 3 ) 李春荣等电未用催化剂，以酚为原料，在k ：c 0 3 d m f 溶剂中，合成得到长碳 链的酚链化合物。反应见式( 2 4 ) 。 屯：始 审 硕士论文碱性介质中芳醚键的稳定性研究 同样，唐艳春，俞善信2 ”，改进操作工艺，在水甲苯的混合溶剂中，用简易合 成法得到了5 种苄醚和芳醚。 c h 3 ( c h 2 ) il c h c o o c h 2 c h 3 k 2 c 0 3 + c “3 ( c h z ) 1 1 甲h c 。o c h 2 c “31 i 百， b r ( 2 4 ) 董锐等i3 i 用四丁基溴化铵为催化剂，以硝基酚与二卤代烷作用，得到取代芳醚， 以它为原料，再来合成植物生长调节剂。这种方法，合成得到的酚醚链上仍含有。一个 活泼的卤原子，是一种重要有机中间体，可以用来进一步合成许多其它化合物。反应 见式( 2 5 ) 。 0 2 n 。l ：三 一o h + x c h ：c h z x ：善： o z n 。；：三户o c h z c h ：x ( 2 s ) ( x = c l 或b r ) 选用季铵盐、聚乙二醇、三乙醇铵为相转移催化剂可以合成醚，这些催化剂只能 一次使用。近来，有报道利用聚苯乙烯吡啶树脂作为固载季铵碱催化剂，来合成醚1 2 3 1 。 柳利，李明轩，陈祖兴等1 2 4 - , 2 卅把聚合物试剂用于有机合成，分步法或一锅法制得了 醚。在这+ 过程中，苯乙烯系强碱阴离子交换树脂将酚转化成酚离子树脂，再反应生 成醚。过程见图2 1 。 路线2 ( 1 ) f ( 2 ) 、 图2 1 两种合成路线示意图 式中化合物( 1 ) ：过溴离子树脂 ( 2 ) ：取代苯酚基离子树脂 以上采用路线l ( 分步法) 和路线2 ( 一锅法) 均可得到目标产品。此法操作简便、 反应条件温和，树脂可回收利用。为合成各种醚提供了一个简便有效的方法。 利用碱一a i ：0 。负载型试剂| 2 6 l ，在乙腈溶剂中，可以使对苯二酚与卤代烷等作用 。审 洲审 o h 删 慨 o = c ：) 精 硕士论文碱性介质中芳醚键的稳定性研究 生成7 0 8 0 的单醚。反应见式( 2 6 ) 。这种方法对于酚羟基的选择性醚化( 单醚化) 很值得借鉴。 h 。心默等h 。 r 。 。r r = n c 4 一n c 9 烷基；x = b r tt s o 一：碱= k 2 c 0 3 ，k f a 1 2 0 3 ：中性，碱性，中性v - 型 2 1 1 3 酚与磺酸酯成醚 ( 2 6 ) 在碱性溶液中，以苯酚为原料，与相应的对甲苯磺酸酯反应成醚1 ”。反应见式 ( 2 7 ) 。 o hs , 0 2 0 r o r + d m s h o c z ， r 。 9 8 ；毛细管法测定的熔点，与文献 值相符合。1 h n m r 核磁共振仪确定了部分化合物的结构。 合成中，发现以对甲基苯酚合成醚时，比以硝基苯酚合成醚时，所得产品的产率 要高，因为一c h 3 是推电子基，它使酚盐的亲核性增强；而- n 0 2 是吸电子基，它使酚 盐的亲核性下降。同时，以邻硝基酚为原料，比以对硝基苯酚为原料，合成所得产品 的产率要低，这是由于一n 0 2 的空间位阻所致。以上实验结果与理论分析相符合。 硕士论文碱性介质中芳醚键的稳定性研究 3 碱性介质中对硝基苯氧乙醇的醚键稳定性研究 以上述合成所得的取代芳醚化合物之一- - 一对硝基苯氧乙醇作为研究对象，考察 它在不同碱浓度及不同种无机碱作用下的醚键断裂。并用高效液相色谱仪来分析原料 的转化情况。 3 1 实验原理 3 1 1 反应机理 以取代芳基醚化合物之一对硝基苯氧乙醇为原料，溶于有机溶剂( 或含少量 水的混合溶剂) 中，在碱性条件下，发生亲核取代反应【1 9 】。反应机理见式( 3 1 ) 。 蚕c 兰n 笥洲2 c h 2 0 h 由n u 吼m 。n u - ：r o - , 吖。， 南0 2 n 0 2 n 1 0 2 由于体系中含有o h 与r o 。两种亲核试剂，则产物也有两种：取代芳基醚和取代 苯酚。两种产物何者占优势，这与反应底物的结构、亲核试剂的活性、溶剂及碱的浓 度等因素有关。 3 1 2 分析方法 3 1 2 1 原料转化率的定量分析方法 随着反应的进行，原料不断地减少，产物越来越多，本实验采用内标法【4 1 1 对原 料的转化率进行定量的计算。 实验结果表明：选择对硝基甲苯为内标物，其性质与欲测原料( 硝基芳基醚等) 的性质相近，且与反应体系中的物质不会起化学反应，同时能完全溶于反应体系之中。 对硝基甲苯的峰接近原料组分的峰，并且与体系中所有的物质峰：原料峰、产物峰( 硝 基苯酚和硝基苯烷基醚) ，均能完全分开。故选用它作为内标物，对醚键断裂的程度 进行定量的分析。 具体操作：阻对硝基甲苯作为内标物，加到上述反应试样中，取样分析，得出原 料( 取代芳基醚) 和内标物( 对硝基甲苯) 在检测器上的响应值( 峰面积) 之比 ( a ，a ，) 。再投入碱，加热回流进行反应。随着反应的进行，每隔2 h 取样，在同一 色谱条件下，跟踪分析二者峰面积之比( 4 a ：) ，由此可计算出原料的转化率。计 算过程如下： 硕士论文碱性介质中芳醚键的稳定性研究 反应开始前，原料与内标物的质量浓度之比见式( 3 2 ) 。 旦：盟：生。五 ( 3 2 ) p 。a s x sa 。 ； 式中破，成反应前，原料及内标物的质量浓度，g m e 4 爿。反应前，原料与内标物的峰面积的比值 ，工原料及内标物的相对校正因子 反应2 h 后，原料与内标物的质量浓度之比见式( 3 3 ) 。 ( 3 3 式中，反应后，原料及内标物的质量浓度，g m e 4 一：反应后，原料与内标物的峰面积的比值 反应2 h 后，原料转化率的计算公式见式( 3 4 ) 。将反应开始前二者峰面积的比 值( 4 4 ) 与反应后二者峰面积的比值( 4 a ：) 代入上式，即可得出原料的转化 率。 盟一旦 转化率惭) 2 警1 0 似= p 。 尘。z 一生。五 a 。 ：a 。 ； 生。五 a 。 ； 4 4 1 。= 二皇：i 二生l l 。 ( 3 4 ) 4 内标法的优点是：进样量的变化，色谱条件的微小变化对内标法定量分析结果的 3 1 2 2 产物的定量分析方法 以原料为对硝基苯氧乙醇为例，溶于工业酒精溶剂中，在碱催化下，反应后生成 的取代产物有：对硝基苯酚和对硝基苯乙醚。反应见式( 3 5 ) 。 由n 0 2 c 2 h s o h h h 2 ：) 宅：+ | f 、i n o ，+ h o c h 2 c h 2 0 h 为了对取代产物进行定量分析，采用外标法，分别绘制了对硝基苯乙醚与刑硝基 六一兀 生，以箍盟，风 硕士论文碱性介质中芳醚键的稳定性研究 ( i ) 标准溶液的配制 准确称取对硝基苯乙醚o6 2 2 1 9 ，对硝基苯酚05 0 5 0 9 ，溶于2 5 0 m l 的容量瓶中， 用c h 3 0 h ( h p l c 级) 定容。另取l o 个1 0 m l 的容量瓶，分别移入l 、2 、3 、4 、5 、 6 、7 、8 、9 、l o m l 标液，用c h 3 0 h 定容至刻度线，经o4 5 u m 微孔滤膜过滤后进样 分析，可分别得到两种物质的峰面积( a ) 一浓度( p ) 校正曲线。 ( 2 ) 校正曲线的绘制f 4 2 】 对硝基苯乙醚的保留时间约为8 4 9 r a i n 左右，在o - 2 4 8 8 m g l 浓度范围内， r 2 = o9 9 7 8 ( n = 1 i ) ，回归方程：y = 8 6 2 3 x ，横坐标为对硝基苯乙醚的含量p ( m g l ) 纵坐标为峰面积a 。见图3 1 。 15 0 e + 0 7 10 0 e + 0 7 50 0 1 3 + 0 6 0o o e + 0 0 05 0 01 0 0 01 5 0 02 0 ( 02 5 0 03 0 0 0 p 醚( m g l ) 图31c a l i b r a t i o nc u r v eo f p n i t r o p h e n y le t h y le t h e r 对硝基苯酚的保留时间约为47 4 m i n 左右，在0 - 2 0 2 0m 班浓度范围内， r 2 = o 9 9 7 1 ( n = 11 ) ，回归方程：y = 1 2 8 9 8 x ，横坐标为对硝基苯酚的含量p 自( m g l ) 。 3o o e * w 25 0 e + 0 7 20 0 e + 0 7 15 0 e 十0 7 1 - 0 0 e + 0 7 5o o e + 0 6 00 0 e + 0 0 0 0 01 5 0 02 0 0 0 9 酚( m g l ) 图32c a l i b r a t i o nc u r v eo f p n i t r o p h e n o 。一 2 5 0 0 岍 岍 啡 l | 2 2 硕士论文碱性介质中芳醚键的稳定性研究 纵坐标为峰面积a 。见图3 2 。 厂醚2 志= 。0 0 。1 1 6 _ 酚= 丽1 = o 。0 0 0 7 7 则对硝基苯酚与对硝基苯己醚摩尔浓度( c 腑c 醚) 之比为 鱼：! 也：盟：竺堕! 竺堕：堕! 盘。监 c 醚 醚，矿打酩m 醚m 联，醛a 醛m 酣 ! ! ! ! ! ! ! ：盘。里： o 0 0 0 1 1 6x 缸t 3 9 鱼。里 a 醚x 15 1 1 3 9 ( 3 6 ) 将每次测定的对硝基苯酚与对硝基苯乙醚的峰面积，代入上式，可得二者的摩尔 浓度之比。 3 2 试剂与仪器 实验所需试剂如下表所示： 表3 1 碱性介质中对硝基苯氧乙醇的稳定性研究试剂一览表 。哄验所需的仪器：h p l c 高教液相系统( 日本岛津公司) ，包括：l c 一1 0 a t 高压 溶剂输送泵，s p d 一1 0 a v 紫外检测器。 2 4 硕士论文碱性介质中芳醚键的稳定性研究 3 3 实验操作 3 3 1 色谱条件 固定相：s h i s e i d oc a p c e l l p a k c 1 8 ( s g l 2 0 ，s - 5 9 m ，2 5 0m m 6 m m ) ；流动 相：v _ _ ：vm = 3 ：1 ，流速：08 m l m i n ；柱温：室温；检测器：u v - 2 5 4 n m ；迸样 量：2 止。 3 3 2 流动相的选择 对流动相的试验结果表明，以甲醇一水体系为最好。在同一色谱条件下，对 c i - 1 3 0 h - h 2 0 流动相系统进行选择，发现流动相中水的含量太低，导致各峰的保留时 间过早，使得原料对硝基苯氧乙醇与产物之一的对硝基苯酚的峰过于靠近，分得不开， 影响分析数据的准确性；水的含量过高，各峰的保留时间过迟。因此，以v ，。：v 。 = 3 ：1 为合适的流动相选择。 以乙醇为反应溶剂为例，反应一段时问后，对反应体系取样分析，各物质的保留 时间，见表3 2 。 表3 2 在乙醇溶剂中，反应体系中各物质的保留时间 化合物 对硝基苯氧乙醇( 原料) 对硝基甲苯( 内标物) 对硝基苯乙醚( 产物) 对硝基苯酚( 产物) 47 4 7 9 6 8 4 9 51 4 3 4 结果与讨论 本实验分别改变碱的浓度、无机碱的种类、反应温度、反应溶剂等因素，研究对 硝基苯氧乙醇在碱性介质中的稳定性，即醚键断裂的程度。 3 4 1 碱浓度的影响 取一定量的对硝基苯氧乙醇和对硝基甲苯溶于工业酒精溶剂中，改变碱( k o h ) 的用量，即碱的浓度，1 号到4 号样品中碱的质量分数分别13 、26 、39 、52 。 水浴加热回流。分析碱的浓度不同，对硝苯苯氧乙醇在乙醇一水溶液中，醚键断裂的 情况。各样品号中的投料情况见表3 3 。 反应见式( 3 5 ) 。连续跟踪反应，每隔2 h 取样分析，取样后，用少景稀盐酸调 硕士论文碱性介质中芳醚键的稳定性研究 节样品至弱酸或弱碱性后，原料转化率的分析结果见图3 3 。 表3 3各样品号中投料情况一览表 样品号原料用量k o h 用量溶剂工业酒精用量m l内标物( g ) l00 0 3 t o o l ( 0 5 9 ) o 0 3 t o o l ( 16 8 9 )2 0 0o0 4 2 0 0 0 3 t o o l ( 0 5 5 9 )o 0 6 t o o l ( 3 3 6 9 ) 2 0 00 0 4 300 0 3 m o l ( 0 5 5 9 )0 0 9 t o o l ( 5 0 4 9 ) 2 0 0o0 4 400 0 3 m o l ( 05 59)0 1 2 t o o l ( 67 2 9 )2 0 000 4 芝 斛 幕 差 隧 图33 对硝基苯氧乙醇在不同k o h 浓度下随时间的转化率 由图33 可见，碱的浓度越大，反应时间越长，醚键断裂的程度越大，生成的 产物( 对硝基苯酚和对硝基苯氧乙醚) 的量就越大。以反应1 0 h 为例，1 号到4 号样 品中，对硝基苯氧乙醇的转化率分别是6 7 ，8 6 ，9 4 ，9 7 。产物以对硝基苯乙 醚为主，同时生成少量的对硝基苯酚。以4 号样为例，反应3 0 h ，对硝基苯乙醚与对 硝基苯酚的摩尔浓度之比约为5 ：l ，原料的转化率达9 8 。 可见，随着碱的用量越大，亲核试剂o h 与c 2 h 5 0 的浓度也增大，亲核取代就 更容易。而两种亲核试剂的活性的大小为： c 2 h 5 0 o h 一 所以产物中以对硝基苯己醚为主。反应时问越氏，醚键断裂的程度也越大。实验 硕士论文碱性介质中芳醚键的稳定性研究 事实与理论分析是相符合的。 3 4 2 不同种类无机碱的影响 其它条件不变，改变无机碱的种类，分析对硝基苯氧乙醇的醚键断裂的情况。各 样品号中的投料情况见表3 4 。 表3 4各样品号中投料情况一览表 样品号原料用量不同种碱溶剂工业酒精用量m l内标物( g ) 1 00 0 3 t o o l ( 0 5 5 9 ) o 0 3 t o o l k o h ( 16 8 9 ) 2 0 0 00 4 2o0 0 3 m o l ( o 5 5 9 ) o 0 3 m o ln a o h ( 3 3 6 9 )2 0 000 4 3 o0 0 3 m o l ( 0 5 5 9 ) o0 1 5 t o o ln a 2 c 0 3 ( 67 2 9 ) 2 0 0 00 4 11 ：! 塑竺! ! ! ! 兰! g ：! ：! ：型! ! 型坐q 21 1 ：! ! g ! ! ! ：坚 反应原理同前。每隔2 小时取样，分析结果见图3 4 。 反应时间，h 图3 4 对硝基苯氧乙醇在不同种碱作用下随时间的转化率 由图3 4 可知，在不同种无机碱中，醚键断裂的程度不同，无机碱对原料转化 率的影向顺序为：k o h n a o h n a 2 c 0 3 ，在无机弱碱n a h c 0 3 作用下，跟踪到1 0 h ， 原料基本不分解。在无机强碱如k o h 与n a o h 作用下，原料发生明显的分解。 n j 见，无机碱的碱性越强，亲核取代反应的程度越火。产物以对硝基苯氧乙醚为 硕士论文碱性介质中芳醚键的稳定性研究 主，同时生成少量的对硝基苯酚。 3 4 3 反应温度的影响 改变反应温度分别为5 0 ，6 0 ，7 0 ，8 0 ，其余条件与上述相同，分别考 察原料在不同温度下的转化率。各瓶号中投料相同，分别为：对硝基苯氧乙醇量 o0 0 3 t o o l ( 05 5 9 ) ，对硝基甲苯用量o0 4 9 ，溶于2 0 0 m l 工业酒精中，k o h 用量 o0 3 m o l ( 16 8 9 ) 。 以反应4 h 为例。原料转化率的分析结果见图3 5 。 由图3 5 可知，反应温度越高，反应速度加快，亲核试剂的活性越强，芳醚键 断裂的程度越大，原料的转化率越大。 3 4 4 溶剂的影响 芝 斛 蓉 孽 莲 反应温度， 图3 5 对硝基苯氧乙醇在4 h 时随温度的转化率 通过改变反应溶剂，即改变亲核试剂，来分析原料的转化情况。对硝基苯氧乙醇 用量为00 0 3 m o l ( 0 5 5 9 ) ，对硝基甲苯用量为o0 4 9 ，k o h 用量为o0 3 m o l ( 16 8 9 ) ， 溶f 不同的2 0 0 m l 醇溶剂中。水浴加热回流。不同的醇溶剂为：甲醇，乙醇，正丙 醇，异丙醇，正丁醇，异j 一醇，叔丁醇，正戊醇。 反应见式( 3 7 ) ，原料转化率的分析结果见图3 6 。 由图3 6 可知，在不同的醇溶剂中，由于有了溶剂参与，生成了不同活性的亲 硕士论文碱性介质中芳醚键的稳定性研究 核试剂，使得对硝基苯氧乙醇的醚键断裂程度也不同。亲核取代后，生成了不同的对 硝基苯烷醚和对硝基苯酚。 9 c h 2 c h 2 0 h 兰 n 0 2 n u - - o h - r o - 由此可见： f 1 ) 不同的r o 一的亲核活性大小如下： c 2 h 5 0 c h 3 c h 2 c h 2 0 。 ( c h 3 ) 2 c h c h 2 0 ( c h 3 h c h o c 4 h 9 0 一 c ，h 11 0 c h 3 0 一 ( c h 3 ) 3 c o ( 2 1 相同碳数的烷氧基负离子，其亲核活性大小是： 伯碳烷氧基负离子 仲碳烷氧基负离子 叔碳烷氧基负离子 即：c h 3 c h 2 c h 2 0 ( c h 3 h c h o 一 ( c h 3 ) 3 c 0 一 特别是叔丁基氧负离子几乎不能发生亲核取代。 量 斛 墓 葬 蘧 反应时间h 甲醇 乙醇 正两醇 正丁醇 异丁醇 正戊醇 异丙醇 图3 6 对硝基苯氧乙醇在不同溶剂( 醇) 的作用下随时间的转化率 + 2 洲审审 l l 歹慨 硕士论文碱性介质中芳醚键的稳定性研究 3 5 本章小结 通过研究发现，由于芳环上含有强吸电子基一n 0 2 ，硝基对位的碳正电性增强，使 得芳醚键在碱性溶液中不稳定，易发生亲核取代反应，使醚键断裂，生成相应的取代 产物。 碱的浓度越高，无机碱的碱性越强，反应温度越高，反应时间越长，醚键就越不 稳定，亲核取代反应的程度越大。 同时，由于溶剂参与，生成了不同的亲核试剂r o 。，它们的活性对醚键的稳定性 影响也很大：r o 烷氧基负离子碳链越长，空间位阻越大，亲核活性越弱，强的质子 性亲核试剂如o r 和c 2 h ，o 容易发生亲核进攻，使醚键断裂；相同碳数的烷氧基负 离子r o ，其亲核活性大小是：伯碳烷氧基负离子，仲碳烷氧基负离子 叔碳烷氧 基负离子，叔r 基氧负离子几乎不能进行亲核进攻。 3 0 硕士论文碱性介质中芳醚键的稳定性研究 4 碱性介质中硝基芳基醚的醚键稳定性研究 以硝基芳基醚为研究对象，通过改变对硝基芳基醚、邻硝基芳基醚化合物上的离 去基团，即反应底物的结构，来考察该类化合物在碱性介质中醚键的稳定性情况。 4 i 实验原理 以合成所得的不同结构的对硝基芳基醚、邻硝基芳基醚作为研究对象，考察它们 在乙醇溶剂中，在碱催化下，发生亲核取代反应的活性大小和芳醚键的断裂情况。反 应见式( 4 1 ) ，( 4 2 ) 。分析方法同前，采用内标法，以对硝基甲苯为内标物，对原料 的转化率进行定量计算， 0 r早c 洲5伽 审者审+ 由 n 0 2 0 2由o ， o lr i n o c 2 i - 1 5 o h 由毋+ 向2 。， 4 2 试剂与仪器 实验所需试剂见4 1 。实验所需的仪器：同前。 表4 1 碱性介质中硝基芳基醚的醚键稳定性研究试剂一览表 硕士论文碱性介质中芳醚键的稳定性研究 4 , 3 实验操作 色谱条件、流动相的选择同前。各物质的保留时间，见表4 2 。 表4 2 在乙醇溶剂中，反应体系中各物质的保留时问 化合物 对硝基苯氧乙醇47 4 对硝基苯氧乙酸 26 0 对硝基苯氧丙酸28 i 对硝基苯氧酸 30 0 对硝基苯氧丁醚1 61 5 1 f 2 ( 2 - 羟乙氧基) 乙氧基i 4 硝基苯 48 5 对硝基甲苯( 内标物) 79 6 对硝基苯乙醚( 产物)84 9 对硝基苯酚( 产物) 51 4 邻硝基苯氧乙醇43 3 邻硝基苯氧己酸 24 8 邻硝基苯氧丙酸 25 2 邻硝基苯氧r 醚1 00 2 邻硝基苯氧丁酸 27 8 硝基芳基醚的用量都为o 0 0 3 m o l ，内标物对硝基甲苯的用量00 4 9 ，用2 0 0 m l 的 工业酒精溶解，加入碱k o h0 0 3 m o l ( 1 6 8