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硕士论文v n s 胺化缓合成硝基苯胺及其衍生物 摘要 v i c a r i o u s 亲核取代氢反应( v n s ) 是用a 一位含有离去基的功能化的负碳离子在 强碱存在下取代硝基芳环( 含芳杂环) 上氢的反应。v n s 胺化反应即是研究以氮负离 子作为亲核试剂进幸亍氢豹v n s 反应。此类反瘦条 孛涩帮，在室温和鬻压下霹霹进 亍， 反应步骤少、操作简单、产率较高，特别是在胺化反应中不需要特殊的设备，提高了 安全性；可供选择的亲核试剂较多，扩大了应用范围，所以具有很大的应用价值。 本文采用4 一氨基一l ，2 ，4 一三唑为胺亿嗣，在甲醇钠和二甲基妲蕊中对确基苯、 蜒硝基苯甲酸、对硝基苯甲酸进行v n s 壹接胺化来合成芳胺。对其反应枫理进行了探 讨；通过因素分析等实验手段对各反应产物的合成条件进行了优化；并利用质谱、红 外、核磁等分析手段对所合成产物的分子结构进行了分析与鉴定。 关键词：v i c a r i o u s 亲核取代氢反应硝基苯对硝基苯甲酸 闯硝基苯甲酸胺化合成 硕士论文 v n s 胺化法台成硝罄苯胺及其新生物 a b s t r a c t v i c a r i o u sn u e l e o p h i l i cs u b s t i t u t i o no fh y d m g e n ( v n s ) ，t h eh y d r o g e no nt h ec a r b o a n dh e t e r o c y c l i cn i t r o a r e n e sw a ss u b s t i t u t e db yf u n c t i o n a lc a r b a n i o n sc o n t a i n i n gl e a v i n g g r o u p s ( a - - p l a c e ) i ns t r o n gb a s ec o n d i t i o n s t h em e t h o do ft h i sr e a c t i o ni s m o d e r a t e ， u 舞嚣r o o mt e m p e r a t u r ea n dp r e s s u r e ；t h er e a c t i o ns t e p sc a nb er e d u c e d a n dr e s u l t si n g o o dy i e l d s ；t h er e a c t i o np r o c e s si ss a f e ；t h en u c l e o p h i t i cr e a g e n t s c a l lb es e l e c t e d e x t e n s i v e l ne n l a r g i n gt h ea p p l i c a t i o ns c o p e s oi th a st h ei m p o r t a n ta p p l i c a t i o ni nc h e m i c a l s y n t h e s i s 。 i nt h i s p a p e r , n i t m b e n z e n e ，m n i t r o b e n z o i ca c i d ，p - n i t r o b e n z o i c a c i dw e r e a m i n a t e db yv i c a r i o u sn u c l e o p h i l i cs u b s t i t u t i o no f h y d r o g e n ，u s i n g4 - a m i n o * 1 ，2 ，4 - t r i a z o t e i ns o d i u mm e t h o x i d ea n dd i m e t h y t s u l f o x i d e 越n o r m a lt e m p e r a t u r ea n dp r e s s u r e ，t h e r e a c t i o nm e c h a n i s mw a sd i s c u s s e d ；t h ee f f e c t so fv a r i o u sc o n d i t i o n so dt h er e a c t i o nw e r e o p t i m i z e db yt h em e t h o do ff a c t o ra n a l y s i s ；a n dt h e s t r u c t u r e so ft h ep r o d u c t sw e r e c h f l r a c t e r i z e db yi r , i h ：n m r a n dm s k e y w o r d s ： v i c a r i o u sn u c l e o p h i l i cs u b s t i t u t i o no f h y d r o g e n ( v n s ) n i t r o b e n z e n em - n i t r o b e n z o i ca c i d p n i t r o b e n z o i ca c i d a m i n a t i o n s y n t h e s i s 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的磷究成果，尽我所知，在本 学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他入已经发表或 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：墨烈螽 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 上嬲公布本学位论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、借阕或上网公布本学位论文静全部或部分内容。对于保密 论文，按保密的有关瓶定和程序处理。 研究生签名_ ：吕基涟 年月 日 硕士论文v n s 胺化法合成硝基苯胺及其 亍生物 1 绪论 芳香亲核取代通常只局限于卤原子或其他基团( 如o r ，n o , 等) 被取代，这些可 以经加成一消除( s n r ) 、单电子转移( s 。1 ) 、芳炔的形成以及过渡金属催化等各种途 径进行。然而，芳环上的氢被亲核试剂所取代直到最近才被人们所认识。自8 0 年代 初起，m a k o s z a 研究小组对硝基芳环( 含芳杂环) 上氢被亲核试剂所取代的反应进行 了系统、深入地研究。他们研究了硝基芳烃、芳杂环与各种n 一位含有离去基的负碳 离子的反应及其反应机理，提出了v i c a r i o u s 亲核取代反应( 即v n s ) ，并提出了利 用该反应合成有机化合物的新方法。 1 1v n s 反应的基本概念 m a k o s z a 将。一位含有离去基的功能化的负碳离子在强碱存在下取代硝基芳环 ( 含芳杂环) 上氢的反应命名为v i c a r i o u s 亲核取代反应这类反应与正常的s 小r 亲核加成一消除模式不同。例如，对硝基氟苯与氯甲基苯甲砜反应，按s , a r 途径给 出产物2 ，而在强碱( 过量碱) 存在下，则按v n s 途径得到硝基邻位氢被负碳离子取 代的产物3 。 v i c a r i o u s 亲核取代与正常的芳香亲核取代途径比较 p h s 0 2 c h 2 c i4 - t - b u o k ；= = p h s 0 2 c h c n + + t - b u o h 似她肌一p 5 如一 “0 2 in 0 2 镫f q 肋上娃f 孙 n 0 2 - c l s o z p h v 6 0 ) 按照m a k o s z a 的解释，硝基邻、对位氢被负碳离子所取代，但实际上并不是( 环 上) 氢被取代，而是连接在负碳离子中心上的离去基( 即x ) 从中间体o l 络合物脱离 下来。于是这里x 起到替代的离去基的作用。由此，我们把这种反应称之为“替代的 亲核氢取代”( v n s ) 反应。 v n s 反应是一类涉及负碳离子的反应，负碳离子的一般结构是x c 一 c h , c o o h h i f o c h 。 c n 次序依次增大；而在用t m h i 来胺化时，取代基对产物产率的影响，按c o o h h f ( c h 。) c 1 i o c h 。 c n 次序依次增大。 在本次实验合成硝基苯胺时，因所用的强碱与文献中的不同，所以所得到的产物 的产率也不同。对比结果如表3 4 8 。 3 4 8 强碱与胺化剂对硝基苯胺产率的影响 根据上述文献报道，在选用正丁醇钾为强碱时，加入硝基苯0 5 m l ，4 一氨基一1 ， 2 ，4 一三唑0 4 3 9 ，二甲基亚砜2 0 m l ，反应四个半小时后即可得到产物对硝基苯胺， 收率达到5 8 。这时产率高是因为正丁醇钾的碱性比甲醇钠的强，而碱性强度的大 小影响到反应的程度，碱性强易于反应的进行。 同时由文献可看出，在选用1 ，1 ，1 一三甲基肼的碘盐( t , v i t i ) 为胺化剂时，将 硝基苯0 1 3 3 m i ，l ，l ，l 一三甲基胼的碘盐0 2 8 3 9 ，二甲基亚砜7 m l ，正丁醇钾0 3 4 8 9 加入到反应器中在常温下反应4 个小时后，用5 9 冰冷却，再用1 0 的盐酸酸化，这 样再搅拌半个小时。之后，用乙酸乙酯( 3 x 2 0 m 1 ) 萃取，萃取后的有机相用水洗，再 用硫酸镁干燥，最后蒸去溶剂。得到的棕色固体用色谱仪( 硅胶，9 ：1 的石油醚乙 醚) 分离。得到0 0 9 6 9 邻硝基苯胺、0 0 6 2 9 对硝基苯胺，总产率达到8 6 ，此时主 要生成邻位产物。因t 姗i 的胺化能力强，正丁醇钾的碱性又强，所以产物的产率也 2 0 硕士论文v n s 胺化法合成硝基苯胺及其衍生物 要比本次实验的高 另外，文献中用羟胺在相同的条件下也可以对硝基苯进行v n s 胺化，但因盐酸羟 胺更为普遍，所以在本次实验中，试采用盐酸羟胺为胺化剂，其它条件均不变时对其 进行胺化。但在反应过后，用硅胶薄板来检测时，发现没有产物点出现，说明在此次 实验时硝基苯并没有被胺化。出现这种情况可能因为盐酸羟胺的胺化能力太弱，以至 于在室温下以甲醇钠为强碱时盐酸羟胺不能够与硝基苯发生反应。 顼士论文 v n s 胺化洼合成硝基苯胺及其斯生物 4 间硝基苯甲酸的v n s 胺化 问硝基苯甲酸可以用于合成感光材料、功能色素、药品、胆影酸及醋碘苯甲酸： 也可作生物碱和钍的特殊试剂。在其苯环上边引入一个氨基后，也可用于合成医药、 染料等的药物中间体。为了改变以前在胺化时出现的步骤多、操作麻烦的问题，现同 样用4 一氨基一1 ，2 ，4 一三唑为胺化荆，甲醇钠为强碱，二甲基亚砜为溶剂，对其 进行v n s 胺化，在简化操作步骤的前提下来制得高质量高收率的2 一氨基一5 一硝基苯甲 酸。 4 1 合成机理 溉旦留 ( r = c 0 0 h ) 间硝基苯甲酸与4 一氨基一1 ，2 ，4 一三唑进行v n s 胺化反应的机理同硝基苯与4 一氨基l ，2 ，4 一三唑反应的机理相似。 4 2 合成试验操作 向干燥的1 0 0 m l 三口烧瓶中加入间硝基苯甲酸1 7 4 9 ，4 一氨基一1 ，2 ，4 一三唑 1 4 0 9 ，甲醇钠2 o g ，二甲基亚砜4 0 m l ，将瓶口密闭。将烧瓶固定在铁架台上，在室 温( 2 5 c ) 下用磁力搅拌器对其进行充分搅拌，反应个小时后即可看到液体变为紫红 色。再持续反应1 6 个小时后，加入2 0 0 m 1 1 0 的盐酸酸化。突然析出的黄色沉淀用 沙芯漏斗过滤，再将滤液取出置于锥形瓶中，用乙酸乙酯( 3 x 5 0 m 1 ) 来萃取。蒸去 溶剂即可得到黄褐色的固体，再用水重结晶，得到黄色固体0 8 4 9 ，产率达到“2 。 4 3 产品结构表征 ( 1 ) 产物的质谱表征 2 一氨基一5 一硝基苯甲酸的质谱图见图4 3 1 ，其解析结果见表4 3 1 。 飞z k n 9 硕士论文 v n s 胺化法合成硝基苯胺及其衍生物 l i d 1 0 0 1 2 0 1 4 01 1 1 1 02 0 02 2 02 4 02 s 02 8 03 0 0 艄的2 4 m t l 2 ；1 4 0r t 1 0 - 12 4 v1 0i l2 , 2 1 e 4 t c 棚_ t 1 3 70 0 0 2 9 ls o 0 0 2 0 0 州 j 螂 j ：拍h 舯髓0 5”8 0 “8 3 - 3 ”* 1 0 80 21 1 8 l l 嚣1 6 “4 叮t 1 7 0 7 0t 8 26 21 * 口1 2 0 0 6 a 3 2 4 拼一1 r t0 e o - 0 盯 vj 也5 2 2 e 6 t c f u l t 1 8 10 0 0 1 2 i 0 0 - 2 0 0 1 第个图： 图4 3 12 一氨基一5 一硝基苯甲酸的质谱图 表4 3 12 一氨基- - 5 - - 硝基苯甲酸的质谱图解析 竹一 拍 筋一 o +抽 阳 川“ m 墓| 攀 哪 犯 乙 薹耋 盥 m 吲 一f j l li；1 m，蚋，誓：m s。-#，-兰!e 硕士论文v n s 胺化法合成硝基苯胺及其衍生物 根据质谱分析中第一个图可以看出在苯环上已经引入一个氨基，而文献所述使用 a t a 来胺化间硝基苯甲酸时主要得到对位产物，推测氨基进入苯环上硝基的对位，即 生成2 一氨基一5 一硝基苯甲酸。同时也可以看到有很少量的原料问硝基苯甲酸存在，为 检测产品纯度，用高效液相色谱仪对其进行检测，发现产物的纯度达到9 9 2 ，因 此可以认为产物纯度已经很高。 ( 2 ) 产品的红外表征 2 一氨基- - 5 - - 硝基苯甲酸的红外谱图见图4 3 2 ，其解析结果如表4 3 2 所示： 7 0 6 0 5 0 4 0 墨3 0 2 0 1 0 0 - i 0 i 0 0 02 0 0 03 0 0 04 0 0 0 5 0 0 0 波数c m l 图4 3 22 一氨基一5 一硝基苯甲酸的i r 光谱 硕士论文v n s 胺化法合成硝基苯胺及其斯生物 表4 3 22 一氨基一5 一硝基苯甲酸的i r 光谱解析 ( 3 ) 产品的核磁表征 将2 一氨基- - 5 - - 硝基苯甲酸溶于氘代甲醇中，其核磁谱图见附录二，解析结果 如表4 3 3 所示： 表4 3 32 - - 氨基一5 一硝基苯甲酸的h - n m r 光谱解析 注：a 一氘代甲醇中残存的氢； c 一与氨基相邻的碳上的氢； e 一羧基邻位和对位碳上的氢 b 一氘代甲醇和样品中的h d o h 。0 峰 d 一羧基和氨基上的氢； 综合1 h - n m r 、i r 及惦谱可以确定所合成物为2 一氨基一5 一硝基苯甲酸。 4 4 结果与讨论 为了获得高收率高质量的2 一氨基一5 一硝基苯甲酸，在本实验中同样对2 一氨基 2 5 硕士论文 v n s 胺化法合成硝基苯胺及其衍生物 - - 5 - - 硝基苯甲酸的合成条件进行了系统的考察，影响此反应的主要因素有反应温度、 反应时间和物料配比等。 ( 1 ) 反应温度的影响 为了考察反应温度对产物产率的影响，在投料量为间硝基甲酸1 7 4 9 ，4 一氮基 - - 1 ，2 ，4 一三唑1 4 9 ，甲醇钠2 o g ，二甲基亚砜4 0 1 1 ，反应时间1 7 h ，改变反应温 度进行胺化反应，产品收率随温度的改变有所变化，其结果如表4 4 1 所示： 表4 4 1 反应温度对产品收率的影响 从结果可以看出，2 一氨基- - 5 - - 硝基苯甲酸的收率也是随着温度的升高呈下降的 趋势，同样也说明了高温不利于这类反应的进行，因此反应在常温下进行即可。 ( 2 ) 物料配比的影响 为了考察物料配比( 间硝基苯甲酸：4 一氨基一1 ，2 ，4 一三唑) 对产品产率的影 响，在投料量为间硝基苯甲酸1 7 4 9 ，甲醇钠2 0 9 ，二甲基亚砜4 0 m l ，室温2 5 c 下 反应1 7 h 时，改变物料配比进行胺化反应，产品收率随物料配比变化而有所变化，其 结果如表4 4 2 所示： 表4 4 2 物料配比对产品收率的影响 可以看出，随着投入a t a 量的增多，间硝基苯甲酸反应越来越完全，使得产品的 质量不断提高。但当两者之比大于1 ：1 8 时产率增长的很慢，此时间硝基苯甲酸很大 程度上已经反应。从节省原料和提高产率两方面综合考虑硝基苯与4 一氨基一l ，2 ， 4 一三唑两者之比l ：1 8 为佳。 硕士论文v n s 胺化法合成硝摹苯胺及其衍生物 ( 3 ) 反应时间的影响 为了考察反应时间对胺化反应的影响，在投料量为间硝基苯甲酸i 7 4 9 ，4 一氨 基一l ，2 ，4 一三唑1 4 9 ，甲醇钠2 0 9 ，二甲基亚砜4 0 m l ，室温2 5 c 下反应，反应 时间的长短对产品收率的影响如表4 4 3 所示： 表4 4 3 反应时间对产品收率的影响 由此看来，随着反应时间的延长，产品的得率也逐渐提高。但当反应1 7 h 时已 基本反应完全，再增加时间对产品得率的影响也不大，所以反应时间以1 7 h 为好。 为了确定最佳的工艺条件，同样选取反应温度( a ) ，物料配比( 8 ) ，反应时间( c ) 为考察因素，2 一氨基一5 一硝基苯甲酸的产量作为考察指标，在综合考虑单因素分析 的结果的基础上，采用如表4 4 4 的三因素三水平的正交实验方案来进行正交实验， 结果见表4 4 5 。 表4 4 4 正交实验的因素和水平 试验号反应时间h反应温度 c 物料配比( n ：n )产品收率 硕士论文 v n $ 胺化法合成硝基苯胺及其衍生物 在投料过程中不变的量：间硝基苯甲酸1 7 4 9 ，甲醇钠2 o g ，二甲基亚砜4 0 m ， 根据正交实验到反应的优化条件为a b 。c 3 ，即反应温度为2 5 ( 2 ，反应时间2 0 h ，物料 配比1 ：1 8 时产物得率最高。在此最佳条件下再次进行试验，此时得到产物0 9 0 9 ， 产率达到4 7 5 ，可以看出在正交试验所设定的条件下此时产品产率最高，同单因素 分析所得出的结果基本一致。 在本次实验合成2 一氨基一5 一硝基苯甲酸时，同样因所用的强碱和胺化剂不同 所得到的产物的产率和文献中的不同。比较结果如表4 4 6 。 4 4 6 强碱与胺化剂对2 一氨基一5 一硝基苯甲酸产率的影响 与硝基苯的胺化相似，文献中在选用正丁醇钾为强碱、a t a 为胺化剂时得到的2 一氨基一5 一硝基苯甲酸的产率要高一点，达到6 0 ，同样因为正丁醇钾的碱性强， 有利于胺化反应的进行。 在用正丁醇钾为强碱，t m h i 为胺化剂时，产物的产率达到9 5 ，也因t 、i h i 的胺 化能力强；同时在用t m h i 时除了生成2 一氨基一5 一硝基苯甲酸外，还有4 一氨基一5 一硝基苯甲酸生成，前者与后者比例为7 1 ：2 9 ，而本次实验产物只有2 一氨基一5 一 硝基苯甲酸，也证实了a t a 的选择性要比t m h i 好。 同样的为了了解盐酸羟胺是否能够对间硝基苯甲酸进行v n s 胺化，在其它条件均 不变时，将a t a 换为盐酸羟胺进行了一次实验，发现在1 7 个小时过后在烧瓶底部还 有大量黄色物质，推测应该为未反应的间硝基苯甲酸。随后在用硅胶薄板检测时没有 产品点出现，证实了推测，也表明用甲醇钠为强碱时，在室温下用盐酸羟胺不能来胺 化间硝基苯