（应用化学专业论文）14二（溴甲基）2氟苯的合成研究.pdf

硕士论文 1 ， 4-二 ( 浪甲 基) 一氟苯的 合成研究 ab s t r a c t 1 ， 4 . b is ( b r o m o m e th y l ) 一 2 一 n u o r o b e n z 思 n eisoneof the most汕p o 州 泊 n t pol y m 币c m ateri a l ofl l ght . e 而币 n g di o des ( l e d ) 即d medi c in a l l n t 欣 n n e d i ate .it can s y n t h es 远 p p vs d e ri v ativep f p v， w hi c h isane xce l l e ntm a t e r i alofl e d ; 即 d it c anp r e p are the f s b ， w hi ch can c u 比 e a l zhe ll n e r 、di s e 别 犯( a d ) 1 ， 4 一 bi s ( b r o m o m e t h y l ) 一n uoro b enzenewas obt ained妙 us ing p . x y l e n e ass 切 it i n g 功 a t e ri alv i afo ur s t e p sre a c t l on of 苗 tr ati。 几re d u c t io 氏di azo t i zat i o nandb r o m in a t l 呱 f i r st l 丫 卜 x y l ene was 垃 试 fi e d byn i t ri c ac idw i t h sul恤 即 id . t b e n 2， 5 一 d l m e t h y n l t r o benz e n e w a s hyd r o g e n a t edbyc atsl y 成w hi chisa hi ghe ffici encyan d c 1 e anre d u c t i onw a y.t b e n l， 今 d l m e t h y l一n uoro benzene 、 v a s o b ta in e d t hl o u g h b alz一 s chie d a n n re a c t i 呱 fi nall y，r adi c 公 b r o 面nat l on o f l ， 今 d l m e t h y l- 2 一 n uoro b 分was c a 币edo utusi n g n 一 b ro mos u c c i n l 面de 浏b s)inthe presenc e o f azo hi si si obu tyto 苗 苗 le( a i b n ) . t h e targ etwas o b ta in e d ， 阳 d the 。 v 目 al l 外 e ldis3 o % . s p e c l ai lr，印 n 1 p a n n g 初thb r o m i n a t i o n 勿s u ul 田 叮 p ， the t 汕e o f th e l ast s t e p re a c t l onwas dec r e a s e d 加ms h to6 玩即 d the 外 e ldwas incre as ed丘 o m4 8 %to5 5 % . t 七 1 s di s s e rt a t 1 o n m a d e a re se a r c h onth e fo u o w m g 纽 c t o r s su chasr e a c t l o n t e m p e r a l ur e ， 石 m e ， c a ta l y stand dosa g e ofal l k j l l dso f m a t e r l als. f i n al l y，the s in gl e fa c t o r toc 。 。 s u n u n at e the 助dt c c hoo l o gi cal con d i t l on w a s i ni r o d u c e d ， 曲d th e o p 石 m a 1 p r o 佣55 t 五 e p r o d u c t can 玩 dete rn l i n e d勿 the w a y s ofa n a l y sis s 讹has i h 一m r 、g c 一 ms 、ir、 助d l l p l c . 1 ， 4 一1 5 ( b r o mom e t h y l ) 一 2 一 f l u o r o b e z e n e ， s y n t h e s i s ， p 一 x y l e n e ， n i t r a t i o n ， c a t a l y t i c h y d r o g e n a t i o n ， d i a z o t i z a t i o n ， b r o m i n a t i o 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，不包含其他人己 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 己 在论文中作了明确的说明。 研究生签名:年月日 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: 年月日 硕士论文1 ， 4 一 二 ( 澳甲 基) 一氟苯的合成研究 1引言 l l课题背景 含氟芳香族化合物可作为医药、 农药等生理活性物质， 也可作为染料、 感光高分 子 材料、 试 剂、 助剂 川 等。 含氟芳香 族 化合物之所以 有以 上作用是由 于氟原子的 引 入 改善了有机化合物的生理活性， 这是由 氟原子的特性所决定的: 氟原子的范德华半径 与 氢原 子 最为 相 近 ( rf 一1 .3 5 ， 1 0-1o m ， rh 1 . 1* 1 j 1 0m) ， 而氯 原 子的 范 德 华 半 径就 要 大得 多( ra 一1 8 0 ， 10 一1 0m) 。 故 有 机 化 合 物中 的 氢 原 子被 氟 原 子取 代 后， 体 积 大 小 几 乎没有变化， 因而不会被生物体中的酶受体所识别， 能毫无困难地替代非氟母体进入 生物体的 代谢过程， 这就是所谓的 伪拟效应。 由 于氟原子半径小， 又具有较大的电 负 性增加了氟与碳的亲核作用。氟原子很难以f+的形式离去， 而且由 于c . f键得键能 较 大( c . f 4 8 5 灯 .mo r l ; c 五4 i 6 u 叨0 1 ， ; 。 c l 3 2 8 沙m ol-， ) 它 们 所 形 成的c . f 键 键 能要比qh键键能大得多，明 显地增加了 含氟有机化合物的 稳定性，也难以自 由 基 形式离去。这样，代谢过程中， 酶往往不能以 断裂c 一 h键的 方式断裂c-f 键，结果 是含氟化合物因伪拟效 应参与代谢但又不能按正常的过程进行， 在一定的阶段就出 现 了 代谢障碍， 具有显著的抗代谢性并产生种种效应。 当氟原子取代了 这类化合物中的 氢原子， 此类脂化合物在生物膜上的 溶解性得到增强， 促进其在生物体内 吸收与 传递 速度， 使生理作用发生变化。 所以 含氟化合物比 不含氟化合物在医药， 农药等药物性 能 上具有用量少、 毒性低、 药效高、 代谢能力强的 特点， 这些生物活性含氟化合物作 为活性更强、 选择性更高的药物及农药已 被广泛应用。 随着生命科学的发展， 生物活 性含氟化合物具有更为深刻的意义， 即 这些化合物可作为标记的 化合物模拟体内 代谢 过程， 为研究生命现象提供了 重要手段12，习 。 用在高分子材料上， 由于c . f 键键能 大、 键长短、 无伸缩性、 折光率小等特点， 氟原子引入非线性光学高分子材料后， 反应活 性提高、 性能稳定，比没有氟原子的材料性能得到较大的提高; 作为试剂、 助剂等方 面， 其活性、 稳定性、 光泽性也得到增加. 瑞士著名有机化学家d.s e e b a c h 最近提出， 今后推动有机合成发展的 动力将不再是具有复杂结构有机分子的 合成， 分子结构与性 能关系的研究将取而代之上升到中心位置. 所有重要的 天然酶和受体的 抑制剂将成为 有机合成的重要目 标物;由于许多氟原子取代的底物在作为生物过程的选择性抑制 剂、 酶或代谢过程的探针、 抗代谢物等方面具有重要作用， 导致近年得到了不少国内 外有机化学工作者和有关公司的 研究与开发2.41 。 l 2 1 ， 今 二 ( 澳甲 基) 一氟苯研究现状 1 ， 今 二 ( 澳甲 基) 一氟苯属 于医药 和高 分 子 材料中间 体研究 领域， 本课 题 源 硕士论文1 ， 今 二 ( 澳甲 基) 一氮苯的合成研究 于含氟芳香族化合物的研究。 含氟芳香族化合物主要是作为医药和农药等生理活性物 质， 也可作为非线性光学高分子材料中间体。 含氟芳香族化合物所特有的性质是氟元 素属性所致，因此芳香族化合物中氟原子的引入， 可使最终产物的生理活性增倍， 非 线性光学高分子材料性能有明显提高，而 1 ， 今二 ( 澳甲基) 一氟苯也是含氟芳香族 化合物中一种重要的医药和非线性光学高分子材料中间体， 应用广泛。 反应主要参考 文献5 的 合成路线 其中 最后一 步是以 光照作引 发 剂，其收率为48% ， 改 进后的 方法以 偶 氮二异丁睛 ( aib n)作为引发剂，相对于光照引发反应时间从 sh 缩短为 6h，收率 也提高了7 %，且更适合工业化生产。 作为 合成非线性光学高 分子 材料 聚氟 对苯乙 炔(p f pv) . 聚对苯乙 炔伊 p 码 及其 衍生物具有独特的光电性能， 经强氧化剂掺杂后是一类重要的导电材料， 而且具有良 好的非线性光学(nl o) 性能， 也是到目 前为止性能 最优良 的电 致发光(e l) 材料. p p v 发光二极管( l e d) 可通过调整主链或侧链结构及组成来控制发光颜色， 实现多色显示; 可溶性p p v衍生物可制成大面积的 发光器件; 同时 用p pv 装配的l e d具有较低的 驱动电 压，可与集成电路相匹配。因而ppv及其衍生物的合成受到人们的关注。1 ， 4 一 二 ( 澳甲基) 一氟苯可以作为合成聚氟对苯乙炔 (pf p v )的中间体，而在聚对苯 乙 炔( p p v) 引 入氟离子得到聚氟 对苯乙 炔 ( p f p v ) 可使产品的 寿命、 发出 光线波 长 范围更长，且各方面性能有面显得增强，这都是由于引入氟离子后，氟离子与 p p v 之 间 电 子 捐 赠 与 接 受 造 成 的 结 果 15， 刀 . 作为医药中间体的运用，1 ，今二 ( 澳甲基)一 2 一 氟苯作为中间体可以合成治疗 a l zh e 如er 氏 病 ( a d )的药物:苯乙 烯基苯的氟代衍生物 ( f s b ) ，由于 习山e 汕e r 氏 病是发生于老年和老年前期以 痴呆缓慢加重为特征的大脑衰退性病变。 a l zh e l m e r 病是老年性痴呆中最常见的一种类型。 其显著特征是严重的认知、 记忆障碍及个性改 变。 至今关于a d确切的病因 和发病机理仍不清楚， 世界各国的科研工作者对此进行 了 积极的探索， 提出了不同的 假说。 治疗方法也有很多， 其中 就有一种方法为 抗淀粉 样蛋白 治疗。 用1 ， 今 二澳甲 基一氟合成的新药( f s b ) 就有这种疗效，fsb是由 于 在b s b中引入氟离子所得， 其药效变得更加理想， 加强了在血液中的渗透性， 进入 体内 能及时定位致病因子， 进行修复治 疗， 药效过后又能及时 从体内 新陈代谢排出 去， 因 此副作用变小， 这都是由于引入氟离子基团引 起了 药物生理活性增加的缓故【叹 1 3 1 ， 4 一 二 ( 溟甲 基) 一氟苯的 合成方法研究 1 3 .1对二甲 苯的 硝化 硝化反应一般是指有机化合物分子中的 氢原子直接被硝基取代的反应。 在溶液相 进行的亲电 取代硝化反应通常称为正常硝化反应。 通过硝化反应向 有机物分子中引 入 硕士论文1 ， 4- 二 ( 澳甲 基) 一氟苯的合成研究 硝基的物质统称为硝化剂。它们既可以是化合物，也可以是混合物，而且种类繁多， 常用的只有硝酸、 硝硫棍酸以及硝酸与醋醉或醋酸的混合物等， 但主要方法有以下两 种: ( 1) 直接硝化法:用硝酸直接硝化，由于用硝酸直接硝化，活化硝化剂硝酞阳 离子 ( n oz+ ) 含量比 较少，因此要加大硝酸的 用量同时提高温度，但事物都有两面 性， 因为硝酸同时也是强氧化剂， 特别是高温情况下氧化作用增强， 使反应体系不易 控制， 容易生成副产物，同时反应过程不安全因素增加， 又因为硝酸腐蚀性大， 硝化 设备需用不锈钢或铝制成，材料价格昂贵，使成本增大。 (2) 硝硫混酸法:由于混酸中的活化硝化剂 ( n o 广 ) 含量多，因 此混酸的 硝化 能力强， 硝化速度快， 且有比 较高的收率。 芳香化合物大多数溶于硫酸， 因而与硝酸 增加了接触面， 使反应易于进行， 加快了硝化速度。由于硫酸是强脱水剂， 硝酸不被 反应所生的水稀释，能使硝酸被充分利用，提高了硝酸的利用率，降低了原料成本， 硫酸可以与氮的氧化物作用生成亚硝基硫酸，而减少氧化副反应。硫酸的热容量大， 使硝化反应所释放出的热量不致引 起反应温度剧升从而导致副反应增加， 甚至造成燃 烧、 爆炸事故。 因 此， 在混酸中进行硝化， 反应能较平稳而安全的 进行。 混酸对金属 腐蚀性小， 可使用廉价的钢铁设备，因 此， 设备投资及折旧 费均较小。 混酸中硫酸的作用在于它是一个活化剂. 混酸中的n o z 十 的 浓度远比 硝酸中为 高，因此混酸的硝化能力比 硝酸强，而且在含有水时 棍酸中n 0 2 十 浓度的降低也远比 硝酸慢， 所以用混酸硝化时， 硝酸能够被充分利用。 混酸成分中硫酸浓度对硝化反应 速 度的 影响 ， 主 要 表 现 在 三 个方 面: (a)硫 酸与 硝酸 作 用， 使后 者 转 变为n 时. 伪 ) 硫 酸与被硝化物反应， 进行质子加成。 (c)硫酸的 介质效应。 这就是说， 硫酸具有两重性， 在浓度增加时， 它既有增加混酸中n oz+ 浓度、 提高反应速度的作用; 又有质子加成或 形 成 络 合 物以 及 介 质效 应降 低反 应 速 度的 作 用 19 。 当 然 还 有其 它的 一 些 硝 化 方法， 但 以 上两种比 较常用， 考虑各种因素， 还是硝硫混酸法工业化技术比 较成熟， 所以 硝化 过程采用硝硫混酸硝化的方法。 1 3 .2硝基的还原 硝基的还原的方法主要有在电 解质中 用铁粉的还原; 含硫化合物的还原; 强碱 性介质中用锌粉的还原; 水合脐的还原以 及催化加氢还原等， 这里主要介绍在工业化 程度较高的 铁粉还原和加氢还原 10 . ( 1)铁粉还原法: 铁在水介质中 对硝基的 还原过程， 在理论上是和金属的 腐蚀过 程一致的。 在还原初期出现绿色的氢氧化亚铁沉淀， 接着转变成棕色的氢氧化铁沉淀， 此现象说明了 铁离子的生成。 这些氢氧化铁还可以 转变成黑色磁性氧化铁 ( fes仇) 。 因 此随 着铁不断被腐蚀 ( 氧化) ，硝基化合物就不断被还原成氨基化合物。 铁粉还原 3 硕士论文1 ， 今 二 ( 澳甲 基) 一氛苯的 合成研究 法的适用范围 较广， 凡能用各种方法使与铁泥分离的 芳胺都可以 用铁粉还原的 方法生 产， 但该方法最大的缺点就是生成大量的含芳胺的铁泥和废水， 生产的产品含铁量也 较高， 不能满足医药行业的要求，同时这种方法对环境影响比 较大， 随着国家对环境 的重视，将慢慢被淘汰。 (2) 加氢还原法:加氢还原和一般催化剂反应一样，包括以下三个基本过程: (a) 反应物在催化剂表面的扩散、物理和化学吸附。 助 吸附络合物之间发生化学反应。 (c) 产物的 解析和扩散， 离开催化剂表面. 由于加氢还原能使反应定向 进行， 副反应少， 产品 质量好， 产率高， 因此是胺类 生产的发展方向。 近年来， 由于国家对三废和自 动化方面提出的高要求， 更促进了 工 业上对加氢还原工艺的研究和应用。 当前我国许多企业采用化学还原法如铁粉、 锌粉、 硫化钠、 水合脱、 n a b 践、电 化学等还原方法生产， 化学还原法工艺流程长、 三废多， 对环境产生污染大， 清洁生 产工艺势在必行， 较之化学还原法，催化加氢有如下四 个优点: (a) 能有效地还原硝基， 和其它还原方法相比， 催化还原操作方便。 助 反应时只要加少量的 催化剂，使用廉价的 氢气，因而极为经济。 (c) 反应结束， 只要把催化剂滤去， 蒸去溶剂，即 可得到产物。 基本上免去了 应用其 它还原剂所需的烦琐分离手续。 (d) 反 应条 件比 较温和， 反应 可在中 性介质中， 在低 温和 低压下 进行。 催化加氢不仅在实验室研究中 而且在工业生产上都有广为采用的 趋势， 所以 本实 验采用催化加氢的方法， 由于把炭催化剂相对价格较高， 做好催化剂的回收利用， 发 挥 其 价 值 111 ， 1210 i j 3重氮化. 氟化反应 在苯环中引入含氟基团的合成方法，主要有113 ) : ( 1 ) 直接氟化 用氟元素直接对芳烃进行取代， 这是十分激烈的反应， 一般氟元素必须在氮气或 氢气的 稀释下， 在很低的 温度下通入到芳烃的 惰性溶剂稀释液中 进行反应， 这类反应 机理类似于其它卤 素分子的亲电 取代反应。 由 于直接进行反应不易控制， 副反应较多， 且反应条件及对设备的要求比 较苛刻， 因此， 这类反应较少用于含氟芳香族化合物的 合成。 (2)卤素交换法 卤 素交换法产生的氟化反应， 一般出现在被硝基， 氰基那样的强吸电 子基团 所活 化的芳香族卤 化物与碱金属氟化物之间，结果将卤 素变为氟的方法。 这个方法是在 4 硕士论文1 ，4- 二 ( 澳甲 基) 心 一 氮笨的合成研究 20世纪60年代开发，现在已 在工业上被广泛利用。 e . a r- x十 加 r f一 e 沪 “ . f + 杯 x . e :吸电子基 ( n o z ，c n，c 巧，其他) : x :卤素， 特别是氯; mf :c sf，k f其他。 该反应为一种芳香族亲核取代反应， 可看作是活性的“ 裸体” 的氟离子， 攻击芳 香族分子上电子密度低的碳原子，经由 mei s e nhe l n l e r 型的中间体，然后发生卤离子 的消除和芳香族环再生的反应。 (3)重氮化一 脱重氮化一 氟化反应 将苯胺类化合物 。j n 场) 重氮化得到芳香族氟硼酸重氮盐 ( 内 胡 z b 凡) ， 然后把 它分解而生成芳香族氟化物以j f ) 的 合成方法( 希曼反应) 。 该方法如下: 为n 犷 b 凡 . 盐的制备方法是将 内 创h z 的成盐后用 n an伍 等无机亚硝酸盐重氮化所得到的 入 创2 干 b f4盐，然后把析出的结晶 用冰水、乙醇、乙醚等洗净， 然后真空干燥制得。 最后用小火焰加热晶体表面，使其分解而得到户 j f 。 ( 4 ) 氟代脱硝法 近年来研究发现， 用氟代脱硝可以高收率合成间氟芳香族化合物， 其条件是芳环 上具有吸电子基团， 这时硝基作为离去基团比氯、 澳容易 ， 故氟 代脱硝较卤素交换、 希 曼 反 应 等 方 法反 应条 件 温 和、 易 控 制。 为 使无 机固 相 ( 盯) 中 氟 离 子能 有 效的 转 移 到有 机液相( 反 应底物的 溶液 ) 中 参与 反应同时 将生成的 硝基离 子从有机 相转移 到无 机相， 通常都要用相转移催化剂。 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 114 o 15 。 综合考虑以上几种方法， 首先直接氟化反应剧烈， 十分危险不适合; 接着卤素交 换方法， 由于化合物为2 ， 5 一 二甲 基硝基苯， 不存在卤 素交换条件， 所以 此方法不行; 至于氟代脱硝法， 因为含硝基的化合物为2 ， 5- 二甲基硝基苯， 芳环上含有两个甲 基， 甲基是供电子基团， 使得电子云密度增加， 不易发生亲核取代反应， 所以氟代脱硝方 法也不适合。最后本实验选定第二种方法重氮化一 脱重氮化一 氟化反应。 l 3. 4自由 基澳取代 这是一个自由基反应又称为游离基反应，在溶液中尤其是在非极性溶剂中发生 的自 由 基反应往往要靠光或者其它能 产生自由 基的物质来引 发反应， 自 由 基在溶液中 生成后， 与正碳离子或负碳离子相比， 自 由 基对其它型体的进攻或者对同 一型体进攻 其不同 位置的选择性都较低。 绝大部分自 由 基反应一经引发， 通常都能 很快进行下去， 具有低能障碍的 快速连锁反应的 特征。 自 由 基反应的另一特征是很容易受到外界条件 5 硕士论文1 ， 今 二 ( 澳甲 基) 一氛苯的 合成研究 或物质抑制， 使自 由 基反应终 止1101， 因 此这步 反 应是 在无氧无 湿的 条件下， 以 惰性 气 体 进 行 保护， 本实 验选 择氮 气 保 护。 文 献 报 道 15 的 这 步 侧 链甲 基澳 取 代反 应 是 在 光 引 发条件下的溟取代，本论文重点改进此步的合成方法，选择偶氮二异丁睛 ( aib n ) 作为引发剂进行侧链澳取代， 来获得较高收率的同时缩短反应时间， 更适合工业化生 产。 l 4论文主要研究内容 论文的主要研究任务是关于1 ， 4 一 二 ( 浪甲 基) 一氟苯合成工艺的 研究。 结 合国 内外已 有合成路线、 相关反应， 比较合成路线的 优缺点， 寻找一条较佳的合成工艺路 线。 在研究的过程中， 论文要完成和解决以 下几方面的实验内 容和问 题: 实验首先合 成出1 ， 4 一 二 ( 澳甲 基) 一 2 一 氟苯， 然后主要研究1 ， 4 一 二 ( 澳甲 基) 一 2 一 氟苯的 合成路 线:其次研究实验条件，优化工艺路线，减少副产物的生成，提高目 标产物的产率; 最后对各步反应的机理进行研究探讨。 硕士论文1 ，今 二 ( 澳甲荃) 一氟苯的合成研究 2实验部分 2. 1 2 ， 5- 二甲 基硝基苯的 合成 2. l i 试剂及仪器设备 实验试剂: 对二甲 苯( 95%) 浓硫酸( 98%) 浓硝酸( 6 6 %一6 8 %) 氢氧化钾 丙酮 仪器设备: 直形冷凝管，球形冷凝管， 上海凌峰化学试剂有限公司 南京化学试剂一厂 南京化学试剂一厂 上海凌峰化学试剂有限公司 南京化学试剂一厂 rr芬田田 uc(户声 500 l l ll j 四口圆底烧瓶，250 功 工 单口圆底烧瓶，i o 00l n l 三 口圆 底烧瓶， 501 ll l 单口 圆底烧瓶，10 0 m l 量筒， 50m l 量筒， 温度计， 克氏蒸馏头， 真空接液管，l oom l 磨口 三角烧瓶，250 m l 三角烧瓶，s oom l 广口 瓶， z m l 移液管， 1 000 功 ll 抽滤瓶， wm n k -4 01型 数字温度控温仪， 漏斗， 玻璃棒， 四 氟搅拌棒， 毛细 管。 h g 101 一 1 烘箱南京盈鑫实验仪器有限公司 循环水式真空泵巩仪市英峪予华仪器厂 d wk 套式电热器江苏南兴乡荣原联合电器厂 搅拌电 机金坛市新航仪器厂 水浴锅国华电器有限公司 】 j 户 l 增力电动搅拌器金坛 市新航仪器厂 电子继电 器上海浦东荣丰科学仪器有限公司 电子天平天津市天马仪器厂 2. i j 实验方法 反应方程式如下: c h s n 仇 + h n 0 3鳗 c h 3c h s 实验过程: 首先， 搭好四口 烧瓶装置。 接着量取一定量的浓硫酸和发烟硝酸， 在 7 硕士论文 1 ，今 二 ( 澳甲基)一氮笨的合成研究 2. 2 2 ，5 二甲 基苯胺的合成 2. 2. 1 试剂及仪器设备 实验试剂: 乙醉a r上海凌峰化学试剂有限公司 把炭工业品江苏必胜化学有限公司 氢气工业品南京特种气体厂 仪器设备: 直形冷凝管，球形冷凝管，250 n 1 l 四口圆底烧瓶，500 m 工 量筒，克氏蒸馏头，真空接 液管， 50m l 三口圆底烧瓶， 50n 1 l 单口圆底烧瓶， 2 50m l 三角烧瓶， z m l 移液管， 500 口 l 抽滤瓶， 漏斗，玻璃棒，毛细管，高压釜。 w 刃 f 型高压釜山 东威海新元化工机械厂 循环水式真空泵巩仪市英峪予华仪器厂 d w k 套式电热器江苏南兴乡荣原联合电 器厂 搅拌电 机金坛市新航仪器厂 水浴锅国华电器有限公司 j j 户 l 增力电 动搅拌器金坛市新航仪器厂 电 子继电 器上海浦东荣丰科学仪器有限公司 电 子天平天津市天马仪器厂 2 :2实验方法 反应方程式: h3 分n 。 +玩 加压分nhz c h 3七 h3 第一步高 压反 应: 在5 00 ml高 压釜中 ， 加入巧 . 1 9( 。 . l modz ， 5 一 二甲 基 硝 基苯， 20o ml乙 醇 和0. 3 9 把炭。 物料约占 高 压釜 容积的 二 分之 一。 擦洗净釜体与釜 盖之间 的 密封面， 平均地拧紧釜盖上1 0 个压紧螺母， 放置好热电 偶测温计和电 磁搅拌线圈。 轻 轻拧紧阀门。 通过钢管与氢气钢瓶相联。 开启一下钢瓶阀门即关上， 使钢管内 充有与 钢瓶相等压力的氢气。 检查钢管 连结有否漏气。 无误后， 慢慢拧开进气口 的阀门， 使 钢管内 的氢气进入釜内。 釜内 压力达到0 .5 加 i p a ， 检查是否漏气( 可用肥皂水等检查) 。 硕士论文1 ， 今 二 ( 澳甲 基) 一报苯的 合成研究 静止l o m i n ， 确认没有漏气后 ( 压力表指针不下降)，关紧进气口 针型阀， 慢慢开启 排气口 针型阀、放出釜内 氢气，再拧紧阀门。重复二次，使釜内的空气被氢气置换。 最后打开钢瓶阀门， 慢慢拧开进气针型阀， 使釜内 压力慢慢上升， 并不断检测是否漏 气。当压力达到0. s mp a 。关闭进气针型阀和钢瓶阀门，静置1 0 m l n 。确认不漏气后， 开动电磁搅拌，电炉加热升温。在75反应约601 n 访 。加氢的大致情况可以根据压力 表上的读数，温度和二分之一釜的容积 ( 另外二分之一被物料占 据) 按p v = 吐 汀 公式 计算。当不再加氢，压力不再下降时，自 然降 温到室温后，慢慢拧开放气阀， 放空。 卸下热电偶和通氢气钢管。打开釜盖。在布氏漏斗上过滤。用少量酒精洗涤催化剂。 此催化剂仍有活性，可继续使用多次。 滤液蒸馏脱去溶剂乙 醇，再精馏得产品。 第二步过滤: 该过程的目 的是通过过滤将催化剂从反应物料中分离出 来， 可以 循 环使用。过滤后的催化剂用乙醇洗涤后，再过滤。所得的滤液用于下一步常压蒸馏。 第三步常压蒸馏:该过程的目 的 是通过常压蒸馏将溶剂从反应物料中蒸馏出 来， 可以循环使用。 将过滤毕的物料倒入250 功 工 的四口圆底烧瓶中， 按照常压蒸馏要求进 行装置。 加热升温至78一 80之间，进行蒸馏， 蒸馏液为溶剂乙醇。蒸馏液以 备回收 使用。 第四步减压蒸馏:该过程的目 的是通过减压蒸馏将产品从反应物料中蒸馏出来. 将常压蒸馏结束的物料倒入50m l 三口圆底烧瓶中，按照减压蒸馏要求进行装置，收 集1 38一 1 40 /9 o k p a 馏分得到产品 2 ，5 一 二甲 基苯胺。 1 2 3 样品表征 质谱: (1 ) 仪器: t “ e g c u in af i n n i g a n 公司 (2 ) 谱图， 见图 m s 沮汀 2 ( %) :1 2 2( m 十 1 ) ，1 0 5 . 9 ，9 1 ， 7 7 硕士论文1 ， 本 二 ( 澳甲 基) 一氟笨的合成研究 2 3 .2实验方法 反应方程式: h 3 n h z n a n q z 一 一叫 -勿 ， h b f 4 n z 十 b f 4- 加热 在三颈瓶中加入 c h 3c h 3 1 2 . 1 9 ( 0 . l mol ) 2 ， 5 一 二甲基苯胺， 再加入8 0 m l 、尸/日 一一冲|c 经冰盐浴冷却到一 5 ， 强烈搅拌下开始滴加n an0 2 7. 5 9 g( l . l mol) 溶液， ( 4 0 %) h b 凡， 重氮化反应完 成后，必有少量剩余的亚硝酸存在。 因为若亚硝酸量不足，多余的芳胺将与重氮化 合物生成重氮氨基化合物或偶氮化合。检验重氮化反应终点的常用方法是碘化钾一 淀 粉试纸法: 即在无机酸存在下， h n 0 2 + k l + h c i 亚硝酸和碘化钾反应， 析出的碘使淀粉变蓝。 1 几 1 2 十 k c i十 h 2 0 十 n o 试验结果显蓝色为好。若为褐色， 说明亚硝酸过量太多。 检测要在加完最后一 次亚硝酸钠10巧m in后进行。 若含有过量的亚硝酸，会促使重氮化合物分解，因 此需除去。 除去的方法是基于非芳香族重氮化合物的不稳定性。 加尿素至重氮化溶液 中 ，直 至 无 气 体 逸出 【 1010 2 1 王 闪 0 2 + h z n c o n h z 一c 0 2+2n z +3 珑0 保持温度在 0 以下反应40 分钟，结束后抽滤，用冰水、冰乙醇、冰乙 醚洗涤 得到米黄色氟硼酸盐， 真空干燥， 装入配有搅拌、 温度计和两根回流冷凝管的四口 烧 瓶中， 缓慢加热， 开始分解，冒出烟雾， 迅速撤掉加热装置， 几分钟后恢复平静， 再 8 0 保温反应 50m i n 。 接着冷却后加入 加功 l水， 2 0 m l乙 醚分出 有机相，水相用 10m l x3 乙醚萃取三次。蒸出乙醚后，常压下蒸馏，收集 1 3 9 一 1 41馏分得到 1 ， 今 二甲 基奋氟苯 2 3 3样品表征 质谱 (l ) 仪器: t ra c e g c ul tra f i n n (2 ) 谱图， 见图 m s 刃 2 ( %): i g a n 公司 1 2 5( m十 1 ) ，1 0 8 . 9 ，1 0 3 ，8 3 ，7 7 硕士论文 1 ， 4- 二 ( 澳甲基) 一氟苯的合成研究 2. 4. 2 实验方法 反应方程式: 厂 洛洲 f 别 a旧 n - 一 一. 卜 c c i4 c h 3己 日 z s r 澳代这步是自由基反应， 条件是要在无氧无湿的条件下进行， 因此仪器试剂要干 燥。 在装 有回 流冷 凝 管， 机 械搅 拌， 温 度计的 四口 烧 瓶中 加入1 .2 4 9(0 .0 l m o l ) 1 ， 今 二甲 基 一氟 苯、 3. 5 6 g n-澳 代 丁 二 酞 亚 胺 ( nbs ) 、 0. 19偶 氮二 异丁 睛 ( aib n ) 、 3 0 功 ll c c 肠 ，通氮气保护，回流反应 6h，冷却抽滤， 旋蒸溶剂，得到 1 ，今 二 ( 澳甲 基) 一氟苯粗品，用正己 烷重结晶得到白 色片状晶体， 烘干，得到目 标产物1 ， 今 二 ( 澳甲基)一氟苯。 2. 4 3样品表征 熔点检测: 仪器:水银温度计 ( 未校正) 叨 五 el e 管 ( 俗称b 形管) 测定方法和结果二 用毛细管法测定。 通过测定1 ， 今 二( 澳甲 基) 一氟苯的 熔点9 9 一 1 01 ( 文献16 1熔点9 9 一 1 0 1 ，c) . 质谱: ( 1) 仪器: 肠 a c e g c ul tra f i n n i g a n 公司 (2 ) 谱图， 见图2 .4 3 lm s . m 厄 ( % ) : m s . 功 危 ( % ) : 2 7 9 9 ( m y z s l .叨2 5 3 .9， 2 02 .9/200.9 ，1 22， 101 。 其中2 79.9/2 81.9 ( m 丫 2 83.9 强 度比 为 (l: 2 : 1)的 三 重峰 是 典型的二澳物特征吸收峰。 硕士论文1 ， 4- 二 ( 澳甲 基) 在 _ 氮笨的合成研究 3结果与讨论 3. 1 2 ，5- 二甲基硝基苯的合成 3. l i反应机理 芳香硝化反应的反应机理是很清楚的， 其过程有三， 机理如图 所示叭 (a) 亲电 试剂的产生 z h z s 仇 + 2 h n 0 3 1 1 n 0 3二=二之n o 2+ z h s o4- + 珑0+ n o 2+ n o ， 一 + h z o 助 进攻芳环 h3h3 c h3 夕 、 1 +n o 犷 受、户 2 石二二 士 匕 c h 3 反应物 (c) 去质子 n一 络合物 0 一络合物 h + hs o4 -卢 、厂n o z 、少+ h 2 s 0 4 枷 c h 3 0 一络合物 二 h3 产 物 硝 基正 离 子 进攻 苯环， 使 环 发生 极 化， 即n 0 2 十 与 苯 环 n 电 子 云 形 成 n 一 络 合 物， 也 就 是 苯 环的 n 电 子云 与n 0 2 十 间 形成 一 个 松 弛的 键， n oz+进 而与 环 上的 某 一 个 原 子 形成一个键，生成中间体0.络合物。中间体。 络合物很快消除一个h+，恢复到原来 稳定的 苯环共扼体系。 h s 0 4- 接受从苯环上取代下来的 氢离子， 形成硫酸。 其中生成。 络合物是最慢也是最重要的一步， 是反应的控制步骤。 从诱导效应考 虑， 。 络合物带有一个正电荷， 任何给电 基团能使q 络合物稳定因而是致活基团， 而 吸电 基团则使。 络合物不稳定是致钝基团。 就对二甲 苯而言， 两个甲 基的 供电 子效应 使苯环的电 子云密度加大， 易于进行亲电 取代反应。 动力学研究表明， 脱质子不是决 定反应速度的步骤， 硝化剂和被硝化物的活性才对速度控制步骤有较大的影响。 此外 硝 化过 程中 副 产物除了 二硝 基 化 合 物外， 还 有 可能 在甲 基 上 形 成副 产 物 120 2 1 ， 为了 l 9 硕士论文1 ， 4 . 二 ( 澳甲基) 一氛苯的合成 研究 使硝化过程中的副产物尽可能的低， 加混酸的开始阶段不能太快， 同时加料时体系温 度和反应过程温度都不宜过高。硝化过程中，可能的甲基上副产物如下: h 3 ch z n o z h z on oz h n o s 一-， 勺 卜 h z s o 亦 n oz 白 己 。 。己 。 。已 。 3 3. l 2废酸中硫酸的有效浓度对反应的影响 c h 3 废酸中 硫酸的 有效浓度 钟 值) ，又称为活性因素， 在数值上等于硝化过程中 混 酸中的 硝酸 全部被 利用时 硫酸的 浓 度191 ， 规定 如下: 甲= 废酸中硫酸有效含量 废酸中硫酸有效含量十 废酸中水含量 xl 0 0 % 或， = 馄酸中硫酸有效含量 废酸中硫酸有效含量+ 混酸中水含量+ 硝化反应生成水量 x 1 0 0 % 具 有同 样硝酸 含量的 几种混 酸， ， 值 越大者 其 硝化能 力越强; 具有同 样， 值的 几 种混 酸， 硝酸 含量 越 大者 其 初始的 活 性 越 大。 引 入甲 值的 另 一 个意 义 在于: 根 据 合 适 的， 值可以 确 定 最 佳 混 酸 成 分， 选 取 最 节省 的 原 料 酸 用 量。 在 硝化生 产中引 入甲 值的 概念对 发 展生 产 很有利， 因 为它说明了 在保持同 样的 硝 化因素条件下，可以使用各种成分的混酸来进行硝化， 解决了工艺中酸的利用问 题。 在知道了 某个硝化 过程所需要的甲 值后， 其硫酸的 用量就 便于 计算了。 即从 硫酸 用 量 的计算式可以 看出， 硫酸用量主要取决于硝化的原料硫酸的浓度与所要求废酸的甲 值之差。 硫酸浓度越高或 所要求的， 值越低， 硫酸的 用量 就越少， 反过来， 硫酸的 用 量 就 越多 9 .以 下是 对二甲 苯硝 化时 ， 不同 的 废 酸中 硫 酸的 有 效 浓 度( ， ) 对 其 产 物 含量的 影响。 其中 对二甲 苯26 功 工 ( 0 .21 mol) ， 硝 酸巧 .5 m l( 0 .22 mol) ， 反 应时 间 是90 m in ， 温度为1 0 巧。 表i l 2 废酸中 硫酸的 有效 浓度 对反 应的 影响 有 效 浓 度 ( ， ) 6 9 对二甲苯从 月 石 . 7 2 产物肠 5 2 . 2 6 6 8 一 6 3 9 2 . 9 5 94 . 79 8 5 41 二硝化产物肠 01 . 0 2 0 名1 9、产心 傀joo):印 00li 3 0 . 1 7 5 一 3 5 0.90 1 . 0 9 2 一 0 6 .月门 .阿 门j，1 ，口30甘，1 77700 硕士论文1 ， 今 二 ( 澳甲 基) 一氟苯的合成研究 从 表3 . 1 2 中 可以 看出 随 着废酸中 硫酸的 有效 浓度( 叻 从69上升到78， 原料含 量减 少， 产物含量增加. 特别是甲 值从72变 化到75时， 产物中 各物 质的 含 量变化 很 大。 在甲 值为75时 硝化能力已 经很强， 当甲 值为81时 硝化能 力最强. 不过， 甲 值为 81时二硝化含量过大， 所以 选择甲 值为78是比 较合适的。 3. l 3反应时间对反应的影响 以下是对二甲苯硝化时，不同的反应时间对其产物含量的影响。其中对二甲苯 26 ml(0.zl mol) ， 硝酸巧 .s ml(0.2 2 m 0 d ， 废酸中 硫酸的 有效 浓 度 钟) 为78， 反 应 温 度均为1 0 1 5 。 表3. l 3反应时间对产物含量的影响 时间/min对二甲苯/ % 52730972 ，压01二n 9000280 olli. 4 一 5 3 4 一 0 0 产物肠 9 3 . 0 5 9 4 . 2 7 9 4 . 7 9 9 4 . 4 8 二硝化产物肠其它肠 nn仲 ，j6 ，且n ; 3门、1 从表3 . 1 .3中可以 看出随着反应时间的逐渐加长，原料含量在逐渐减少而产品 含 量逐渐增加，1 2 0 而n 虽然含量最低但相对于90in l n时已 无明显变化， 综合各种因 素 选择oon 五 n 是比 较适合的。 3. l 4温度对反应的影响 温度是促使过程各种矛盾转化的 一个强烈的 外界条件， 它即 可加速硝化反 应， 也 可导致氧化反应剧烈进行， 后者是 硝化反 应讨厌的竞争者。 为此， 我们只能提高 温度 到这样一个数值， 即使反应速度适当 增大， 又使氧化反应被限 制在较少发生的范围内。 对硝化反应必须严格控制反应温度。 除了 外界补充热量， 创造一定的温度条件外， 反应体系本身也具有热效应。 两者均需要考虑在内， 再根据被硝化物和硝化剂的硝化 特征及硝化历程制定出合理的硝化温度。 以下是对二甲苯硝化时，不同的反应温度对其产物含量的影响。其中对二甲苯 26m l ( 0 .zlm ol)， 硝酸15.5 m l ( 0 .2 2 m o l ) ， 废酸中 硫酸的 有效浓度 仲) 为78， 反应时 间是9 0 n l i n 。 硕士论文1 ， 本 二 ( 滇甲 基) 一氟苯的合成研究 表3. l 4反应温度对产物含量的 影响 温度/ 对二 甲苯想 毛 二硝化产物肠其它肠 4 一 3 0 产物肌 9 2 . 7 5 9 4 . 7 9 9 2 一 5 2 8 9 . 8 4 1 一 9 5 1 . 0 9 1 . 1 4 2.04 .0021412 il3.反 ，三2八u 月jfj内 10仁2(去 乡1015加 从表3 . 1 .4 中可以看出随着温度的不断上升，二硝化含量也逐渐增多， 后三个温 度中原料含量相差不大。而后三者中 2025二硝化含量比较大，综合各种因素看 出在1015是比较合适的。 3. l 5合成2 ， 5 一 二甲 基硝基苯的优化工艺条件 从以 上三个影响因 素可以 看出， 废酸中 硫酸的 有效 浓度 ( ， ) 对反 应的 影响 最 大，其他两个因素对反应的影响差不多。即通过单因素实验得到合成2 ， 5 一 二甲基硝 基苯的 优化工艺条件: 废酸中 硫酸的 有效浓度 钾) 为78， 反应时间是g o m i n 。反应 温度为10巧，通过减压蒸馏得到2 ，5 一 二甲基硝基苯，产率8 5. 3 % 。 1 2 2 ，5- 二甲基苯胺的合成 1 2. 1反应机理 硝基芳烃液相催化加氢机理较为复杂， 一般认为其主要反应历程为硝基依次被还 原 为 亚 硝基、 经氨 基、 氨基， 最 后制 得 芳 胺221. 反 应 在 任 何 一 个中间 产 物的 累 积 会 影 响产品的最终得率。具体反应历程如下所示: c h ，军 h 3军 h ， n02 红 n h o h ch3 ch3ch3 月j .1t.甘rh 口.lesf丫 n o h介 n h