苯腈类化合物的合成.doc

辽宁科技大学本科生毕业设计 论文 第 I 页 苯腈类化合物的合成 摘要 随着腈类化合物的广泛应用 对合成方法的研究也逐步深人 并发现了一些具有 简便 无环境污染和良好收率等优点的合成法 苯腈类化合物也是一类重要的合成中 间体 并广泛的应用于制备药物 染料 杀虫剂和杂环化合物 因此研究有关它的反 应是非常重要的 本文探讨了由卤苯氰化反应得到相应苯腈的合成路线 在国外原有 合成路线的基础上 进一步优化各工艺参数 取得最佳反应条件 为工业化生产及科 研提供必要的 真实可靠的操作工艺及参数 传统的氰化方法有 重氮化法 氨氧化 法和卤代物氰化法等 然而 这些工业生产方法都有其弊端 不是原料相对较昂贵 就是污染相对较大 本文中我们依然采用卤代物氰化法 采用价格低廉 无毒亚铁氰 化钾作为氰化试剂 在微波 密闭微波 条件下 卤苯在碘化亚铜及其他金属催化剂 的催化下生成苯腈类化合物 我们主要探索的是催化剂 配体 温度 时间 溶剂以 及催化剂和配体用量对反应的影响 对于底物来说 令我们感到奇怪的是 实际生产 中苯环上联有缺电子体系和富电子体系对于反应都有利 甚至联有富电子基团的底物 反应更好 在此 我们很大程度上缩短了反应时间 从16h到1h 从收率上看 无论 是转化率 还是收率都远比常规的好 一般情况下 转化率在95 以上 收率在80 以 上 且生成的副产物相对较少 关键词 对溴硝基苯 对溴苯腈 碘化亚铜 1 丁基咪唑 氰化 辽宁科技大学本科生毕业设计 论文 第 II 页 Abstract 辽宁科技大学本科生毕业设计 论文 第 III 页 目目 录录 摘要 I Abratract II 目 录 III 1 前 言 1 2 文献综述 2 2 1 腈类化合物的性质 2 2 1 1 腈类化合物的物理性质 2 2 1 2 腈类化合物的化学性质 2 2 2 腈类化合物的应用 4 2 2 1 合成高分子化台物 4 2 2 2 合成香料 4 2 2 3 合成药物 5 2 2 4 合成农药 5 2 2 5 合成液晶 5 2 2 6 合成染料 5 2 2 7 合成有机导体 6 2 3 腈类化合物的合成方法 6 2 3 1 卤代烃氰化法 6 2 3 2 氨氧化法 7 2 3 3 羧基氰化法 7 2 3 4 醛基氰化法 8 2 3 5 电解合成法 9 2 3 6 乙腈加成法 9 2 3 7 丙烯腈法 9 辽宁科技大学本科生毕业设计 论文 第 IV 页 2 3 8 重氮化法 10 2 3 9 最新氰化成果 10 2 4 课题意义 10 3 实验部分实验部分 11 3 1 仪器装置 11 3 2 试剂与药品 11 3 3 试剂和药品处理 12 3 4 实验步骤及产品表征 13 3 4 1 对溴苯腈的合成 13 3 4 2 对苯二腈的合成 13 3 4 3 对甲氧基苯腈的合成 14 3 4 4 苯腈的合成 14 3 4 5 2 氰基吡啶的合成 15 4 结果与讨论结果与讨论 16 4 1 温度对反应的影响 16 4 2 时间对反应的影响 16 4 3 配体对反应的影响 17 4 4 催化剂对反应的影响 18 4 5 配体用量对反应的影响 19 4 6 氰源用量对反应的影响 20 4 7 溶剂对反应的影响 21 4 8 催化剂用量对反应的影响 22 4 9 添加剂对反应的影响 22 4 10 不同底物的氰化 23 结结 论论 25 致致 谢谢 26 辽宁科技大学本科生毕业设计 论文 第 V 页 参考文献参考文献 27 附附 录录 30 辽宁科技大学本科生毕业设计 论文 第 1 页 1 前前 言言 腈类化合物是一类含氰基 CN 的重要有机化合物 是有机合成的有用中间体 高分子合成的重要单体 随着科技的快速发展 腈类化合物的需求量和附加值也随之 增加 因而对其研究报道较多 但主要集中在传统的生产工艺改进上 目前有关对腈 类的合成路主要有 1 卤代烃氰化法 2 氨氧化法 3 羧基腈化法 4 醛基腈化 法 5 电解台成法 6 乙腈加成法 7 丙烯腈法 8 重氮化法 随着科技的发展 我们对环境的污染也越来越严重 现如今 人们已经开始认识 到保护环境的必要性 现在都比较热忠于无污染 零排放的生产方式 传统方法一般 都采用的是剧毒的氰化物来做氰化试剂 无论是对于环境 还是操作人员都是危害极 大的 近几年来 多数学者开寻找无污染 无毒或是低污染 低毒的氰化方法 现在 大多数学者热衷于一种新颖氰化方法 该氰化以卤代烷烃为底物 以价格低廉 无毒 无害的亚铁氰化盐 钠盐或钾盐 作为氰化试剂 以简单的催化剂碘化亚铜和 N 烷基 咪唑为催化体系 其具有低污染 高收率 高选择性的优点 本文主要探索卤代苯在微波条件下 在碘化亚铜和N 烷基咪唑催化体系的催化作 用下生成苯腈类化合物 我们主要探索的是催化剂的选择及其用量 配体的选择及其 用量 温度 时间及溶剂的选择对反应的影响 通过文献与结合实际进一步优化反应 条件 氰化反应实质上是亲核取代反应 因此此苯环上有强吸电子基团易发生亲核取 代 使苯环上的卤素原子被亲核试剂取代 氯钝化苯环 常温下 芳腈类化合物在酸性或碱性条件下都可以发生水解反应 生成相应的胺 酰胺或是酸 而在微波条件下 在Na2CO3和水的作用下就可以水解生成羧酸 因此氰 化试剂亚铁氰化钾必须经过干燥完全脱去结晶 溶剂也得无水处理 辽宁科技大学本科生毕业设计 论文 第 2 页 2 文献综述文献综述 2 1 腈类化合物的性质 2 1 1 腈类化合物的物理性质 低级腈是无色液体 高级腈是固体 最简单的腈是乙腈 乙腈的偶极矩为 4 0D 它不仅可以和水混溶 而且可以溶于某些无机盐 也能与乙醚 氯仿 苯等混溶 所 以乙腈是个很好的溶剂 随着分子量的增大 腈在水中的溶解度降低 分子量较小的 腈毒性较大 1 2 1 2 腈类化合物的化学性质 腈类化合物的化学性质主要体现在官能团氰基上 腈可进行两大类反应 在腈 基上的反应 例如在酸或碱性溶液中水解成酰胺或羧酸 与格利雅试剂加成 水解生 成酮 还原成一级胺等 活泼氢的反应 例如在碱作用下进行烃基取代 或与羰基 化合物缩合等 2 1 水解反应 常规下 腈在酸和碱的存在下 在较高的温度下水解生成羧酸 3 这是羧酸的合成 方法之一 在酸条件下水解 CNR H CRNH H2O CR NH OH2 CR NH2 OH CRNH2 OH H2O CRNH2 OH OH2 CRNH3 OH OH CROH O H NH3 NH4CROH O 在碱性条件下水解 辽宁科技大学本科生毕业设计 论文 第 3 页 CRNH CR N OH CR NH O CR NH O CRNH2 O CRNH2 O OH CROH O NH3CRO O OH OHH H OH OH H OH NH2 微波条件下可以促进其的水解 在碳酸纳的存在下 在水中直接可以完全水解得 到羧酸 2 醇解反应 CNR H R OH C NH2 OR R H2O H C NH OR R 机理与水解类似 3 氨解反应 CNRNH4ClC NH NH2RNH3 HCl 4 还原反应 CNR H2 Raney Ni NH3 1 LiAlH4 2 H2O CH2NH2R 5 与格氏试剂反应 辽宁科技大学本科生毕业设计 论文 第 4 页 CNR R MgXH2O H CR R O 6 里特 Ritter 反应 其反应方程式为 4 RCN R RCNR RCNR 7 活泼氢的反应 由于氰基是强吸电子性 使 H 活泼 可以发生自身所和反应 Thorpe 腈缩合反 应 5 例如 CH3CH2CN CCNH3C H HNa CC H CH3CH2 NH CH3 CN 也可以与芳醛发生缩合反应 例如 C6H5CHO C6H5CH2CN EtONa EtOH H2O C C6H5CH C6H5 CN 2 2 腈类化合物的应用 2 2 1 合成高分子化台物 腈类化合物中 丙烯腈用途最广 四十年代 由乙炔制得的丙烯腈主要用于合成 橡胶 以满足航空工业的需要 六十年代 开发了丙烯的氨一空气氧化法以后 丙烯 腈作为高分子的单体才有飞跃的发展 目前 丙烯腈主要是用来生产聚丙烯腈纤维 其次是用来生成ABS和AS树脂 丁氰橡胶 聚丙烯酰胺等产品 后来还成功开发用丙 烯腈制造高分子絮凝剂 化学灌浆剂 纤维改性剂和纸张增强剂 电解丙烯腈制备己 二腈来生产尼龙66 以及制造食品及化学品的容器和饮料软包装用的热塑性无毒包装 材料 6 2 2 2 合成香料 腈类香料是最近开发成功的新型香料 优于相应的醛类化合物 性质稳定 不分 解变色 香气柔和持久 并且安全无毒 对皮肤无刺激作用 可用作多种日化香精 尤其是洗涤剂及皂用香精 文献报道的新型香料内桂腈 具有天然内桂和桂皮香气 有尖刺温和花香 辛香香韵 持久性好 西德龙行合成的具有臭氧及玫瑰样香气的环 辽宁科技大学本科生毕业设计 论文 第 5 页 丙烯腈7 已经应用于日常化工产品中 氰基醚也是最近发展起来的新型腈类香料 8 性质稳定 香气柔和馨人 2 2 3 合成药物 腈类化合物是重要的药物合成中间体 使用丙二腈可合成维生素B1 氨苯喋啶 腺螵呤等一系列重要的药物 用氰基乙酰胺可合成具有松驰血管和气管平滑肌作用的 茶碱 一些卤代不饱合腈类化合物与脒类化合物反应可制得具有特殊用途的药物 9 2 2 4 合成农药 腈类化合物可用作农药或合成农药中间体 例如除草剂卤代酚腈 10 敌草腈 碘 酚腩等 碘酚腈一般用其辛酸醣 即辛酰磷苯腈 防除麦和玉米等旱田一年生和多年 生阔叶杂草 抑制杂草的呼吸和光合作用 合成路线为 OHCN KI OHCN I I C O ClC7H15n OCN I I O C7H15 n 丙二腈是农药合成的常用中间体 可用以合成恶草嘧 丙异恶草嘧 噻草嘧等除 草剂 2 2 5 合成液晶 双腈化合物可用作液晶材料 11 如 CHO OH 2 CHO O CHO O H2 C H2 C Br CH2 2Br K2CO3 DMF 2H2NOH HCl HCOOH 80 NC O NC O H2 C H2 C 2 2 6 合成染料 腈类化合物可直接用作染料 如照相染料肉桂腈酯 A 氨基丁二烯腈 B 偶氰类 分散染料 分散橙 3O 分散红 73 分散蓝 183 等 腈化物也常用作染料合成的中闻体 如丙二腈可用于合成蓝 S R 艳黄 SE 6GFL 等 12 C H H3CO C COOC10H21 CN H3CO C H H CN C H C CN CN C6H13 C6H13 辽宁科技大学本科生毕业设计 论文 第 6 页 A B 2 2 7 合成有机导体 不饱和腈类化合物在一定条件下可聚合成新型有机导体 13 如 RFCC n CN C6H6 2CrO2 CC n RF CN 全氟炔 2 腈在苯和吡啶的棍合溶剂中和催化剂 n 二苯铬的作用下 聚合成黑色的 聚全氟炔 2 腈 分子量900 2400 电导率为l0 3Q 1 cm 1 热稳定性好 克服了简单聚 炔类的不稳定性 为有机导体家族增添了新的一员 此外 腈类化合物还常用作特殊反应溶剂 自由基反应的引发剂 如偶氰二异丁腈 特殊涂料和医用高分子材料等 2 3 腈类化合物的合成方法 2 3 1 卤代烃氰化法 RX NaCNRCNNaX 卤代烃与氰化钠 或氰化钾 进行亲核取代反应 14 是制备腈类化合物的最基本的方 法 此法虽然简单 但反应缓慢 往往需几十小时 有时还必须使用昂贵的极性非质 子溶剂 七十年代以来相转移催化技术的发现和应用 为克服卤代烃氰化法的缺点提 供了条件 波兰化学家Makosza首先将相转移催化技术用于卤代烃的氰基亲核取代反应 取得良好的效果 R X NaCNRCNNaX CH2N CH3 3Cl CH2Cl2 H2O 邹纪鲁等报道 以四丁基氯化铵为催化剂 二氯甲烷为溶剂 固体氰化钠与一氯 甲基萘进行固一液相转移催化反应 取得反应4小时产率达80 以上的良好效果 但反 应原料之一氰化钠的毒性较大 且造成三废污染 使此方法的使用受到限制 15 近年来 卤代烃氰化得到进一步优化 反应速度大大提高 反应时间大大缩短 反应收率也提高了很多 一把采用钯化合物和铜化合物催化 或者引入配体 无论是 收率 还选择性都很好 16 辽宁科技大学本科生毕业设计 论文 第 7 页 R X NaCNRCNNaX 由于其采用的氰源还是剧毒的氰化物 所以次方法还是有一定的局限性 2 3 2 氨氧化法 H2CC H CH3 NH3 O2 钼铋催化剂 H2CC H CN H2O 氨氧化法是丙烯腈的重要生产方法 适合于工业规模生产 目前发展较快 尤其 是对氨氧化催化剂的研究正在逐步深人 可望优化反应条件 进一步提高收率 目前 作为该反直催化剂的物质有铋 锡和锑的铝酸盐或磷钼酸盐 磷钨酸铋 经磷酸或氢 氧化钠处理的担载于 A12O3 或SiO2载体上的钼氧化物 碲氧化物 V2O5 NiO2 磷 酸铁 锑和锡氧化物 铝酸钴等 武汉大学化学系成功试验沸腾床气固相催化氨氧化 邻氯甲苯 在一步生产邻氯苯甲腈的成品收率达74 0 产品含量高于95 此新工艺 已于1988年l2月19日通过技术鉴定 17 2 3 3 羧基氰化法 羧基腈化法制各腈类化合物首次见于1955年C S Miller的报道 采用对硝基苯甲 酸 对甲苯磺酰胺和五氧化磷作原料制备对硝基苯甲腈 18 O2NCOOH H3CSO2NH2 2PCl5 O2NCN H3CSO2Cl 2POCl3 3HCl 该法所采用的原料毒性皆较低 而且便宜易得 操作方便 是腈类合成的较理想 的方法 刘启波等发展了Miller的方法 合成了近十个取代的芳腈 产率可达 62 85 文献报道了取代芳酸在尿素和脱水剂氨基磺酸的作用下可直接制得芳腈 该方法所用设备简单 操作方便 反应时间短 产品收率较高 纯度也较好 当邻氯 苯甲酸与尿素和氨基磺酸的物质的量比为1 1 5 1 5时 控制温度140 反应一定时间 可得邻氯苯甲腈 产品收率86 9 92 7 COOH Cl C O NH2H2N H2NSO3H NH4SO4 H2O CN Cl 脂肪腈可以由脂肪酸和氮在三氧化二铝催化作用下 360 400 反应且不断蒸去水分 而制得 赫斯特公司还发明了一步法由油脂制脂肪腈的常压反应新工艺 与通常从脂 肪酸制腈的方法比较 具有耗能少 反应时间短 且设有腐蚀作用等优点 辽宁科技大学本科生毕业设计 论文 第 8 页 H2C HC H2C O O O C C C O O O R1 R2 R3 3NH3 H2C HC H2C OH OH OH R1 R2 R3 CN CN CN 3H2O 2 3 4 醛基氰化法 醛基直接转化成腈基 尤其是在缓和条件下反应 一直是众多有机合成化学家所 研究的课题 一般是先将醛与羟胺反应制得肟 然后通过脱水剂处理制得对应的腈类 化合物 RCHO H2NOH HCl Na2CO3 RCHNOH POCl3 RCN H2O 1979 年 Olah 报道 醛与盐酸羟胺在无水甲酸介质中可一步转变成腈 缩短了反应 步骤 提高了产品收率 文献 19 改进了 Olah 的方法 采用市售 85 甲酸或冰醋酸代 替无水甲酸作为反应介质 仅需无水甲酸的一半量就能取得较为满意的结果 不仅缩 短了反应步骤 提高了产率 而且避免了无水甲酸的强腐蚀性和刺激性 降低了生产 成本 更有利于工业生产 RCHO H2NOH HCl 80 HCOOH RCN HCl H2O CH3OOH 醛基腈化法还可以通过醛与氨反应 由弱氧化剂 Pb Ac 4氧化而制得腈化合物 CHO NH3 Ar Pb Ac 4 N2 O CN Pb AC 2 PbO2Ar 但该方法速度较慢 操作较复杂 难于组织生产 有研究报道 采用偏二甲基肼 H2N N CH 3 芳醛制得苯腙后 转化成腙盐 再消去胺 而制得腈化合物 该方法步 骤虽长 但反应容易 原料便宜易得 三废污染较少 产率较高 CHO ArH2NN CH3 2 H2O C H NArN CH3 2 C H NArN CH3 2 CH3I C H NArN CH3 3I CN N CH3 3 NaIAr C H NArN CH3 3I CH3ONa CH3OOH 辽宁科技大学本科生毕业设计 论文 第 9 页 2 3 5 电解合成法 电解合成法是有机合成中较为有效的方法 其特点是反应效率高 副反应及三废 较少 生成物便于控制 反应温度常在室温左右 1963年Dr Baizer报道了丙烯腈电解 还原二聚法合成己二腈 我国在六十年代后期也进行了同类研究 九十年代初完成工 业化生产的基础性研究 并通过了工艺技术鉴定 阳极反应 H2OO2 2H 2e 2 1 阴扳反应 2CHCHCN 2H2O 2e2NC CH2 4CN 2OH 反应在中性偏酸的介质中 控制电极电位 阳极用铂丝 阴极等用高纯铅片 己 二腈的收率可达 90 以上 2 3 6 乙腈加成法 由简单的腈与 不饱和烃的自由基加成 可制得一般难以制得的高级脂肪腈类化 台物 朱荣华等报道 在二叔丁基过氧化物自由基引发剂作用下 乙腈与石油化工副 产品 1 辛烯和 1 癸烯进行自由基加成 制得癸腈和十二腈 收率 75 以上 C H CH2 CH3CNR RCH2CH2CH2CN R n C6H5 n C8H17 RO 该合成方法为腈类香科研究开辟了新领域 2 3 7 丙烯腈法 丙烯腈是最简单的不饱和腈 双键上连有吸电子氰基 CN 因而丙烯腈可作为 亲二烯与共轭二烯烃发生 Diels Alder 反应制得一些环烯腈 还可以与一些高分子单体 发生共聚 成一些具有特殊用途的高聚物 文献 20 报道环己烯腈的制备 H2CC H CN CN CN 一些醇类化合物在强碱 或金属钾 金属钠 催化作用下与丙烯腈长时间搅拌 或在 较高温度下回流 可制得氰基醚化合物 随着相转移技术的日益成熟 并伴以超声波 辐射方法的使用 氰基醚的合成愈显得简便 有效 孙晓云等报道 在 50 Na0H 和季 铵盐的催化作用下 各类醇与丙烯腈于 28 32 温度下 通过超声波振荡 反应 1 2 辽宁科技大学本科生毕业设计 论文 第 10 页 小时 产品收率可达 90 左右 研究者认为 超声波的辅助作用在于通过振荡 扩散 击碎等机械作用 增加反应的接触 使反应能迅速进行而得到满意的结果 21 ROH H2CC H CN R4N Br NaOH 50 ROCH2CH2CN 2 3 8 重氮化法 烃经过硝化 还原成胺 再与重氮化试剂结合 然后通过一系列质子转移 最后 生成重氮盐 22 重氮盐再与氰化试剂作用生成相应的腈 NaNO2 2HX 0 5 RNO2RN2X NaX 2H2O RN2X CuCN KCN RCN N2 2 3 9 最新氰化成果 腈类化合物的合成方法较多 但录求应用价廉的原料 不产生三废污染 步骤简 短 条件温和 收率较高的制备方法正是我们所要研究的课题 1 氰源的选择 氰源毒性大 NaCN 或 KCN 氰源无毒 亚铁氰化钾或其水合物 2 催化剂的选择 金属钯化合物催化体系 金属铜化合物催化 本文主要介绍了当今国内外都比较热忠于的一种氰化方法 23 27 采用价格低廉 无毒亚铁氰化钾作为氰化试剂 在微波条件下 在碘化亚铜及其他金属催化剂的催化 下生成腈类化合物 为了探索方便 这里主要以卤苯的氰化为主 XR Cyanotype source CNR catalyst MW1h solvent Ligand 2 4 课题意义课题意义 首先卤苯氰化步骤相对简单 其次从原料得来容易与否来看 卤苯比醛类 醇类 和胺类更易得到 价格上相对也较便宜 传统卤苯氰化一般都采用剧毒氰化物来做氰 源 合成虽然容易 但是氰化物毒性大对合成者及环境都影响很大 而亚铁氰化钾和 气水合物毒性小危害相对较安全 其毒性小的原因是 Fe2 与 CN 的络合常数极大 辽宁科技大学本科生毕业设计 论文 第 11 页 Kf 1 0 1035 32 因此其解离常数极小 所以氰化中其活性较低 以至于反应时间 很长 16h 本文中卤苯氰化是在微波下进行的 其大大缩短了反应时间 微波的辅 助作用在于通过振荡 扩散 击碎等机械作用 增加反应的接触 并且在微波下溶剂 的沸点都会提高 可提高反应温度及反应时的压力 使反应能迅速进行而得到满意的 结果 3 实验部分实验部分 3 1 仪器装置仪器装置 反应设备 微波合成仪 分离装置 旋转蒸发仪 分液漏斗 过滤装置 布氏漏斗 抽滤瓶 铁架台 锥形瓶 检测仪器 表3 1 检测分析仪器 名 称型 号产 地 高效液相色谱 质谱联用仪Agilent1100 美国 Agilent 公司 红外光谱仪270 30日本日立公司 核磁共振波谱仪AVANCE 500MHz瑞士 BRUKER 公司 显微熔点测定仪X 6北京泰克仪器有限公司 附属设备 表 3 2 附属设备 名 称型 号产 地 电子天平 千分之一 AR2130美国奥豪斯 电子天平 万分之一 AR2140美国奥豪斯 旋转蒸发仪RE 52AA 上海亚荣生化仪器厂 低温液体循环机DLSB 5120巩义市英予峪华仪器厂 循环水式真空泵 SHZ D 巩义市英予峪华仪器厂 真空干燥箱DZF 6020上海精宏实验设备有限公司 超声波清洗仪KQ3200DB昆山市超声波仪器公司 辽宁科技大学本科生毕业设计 论文 第 12 页 3 2 试剂与药品试剂与药品 所用试剂均为市售分析纯或化学纯 除文中特殊说明外 其它试剂未经进一步提 纯 表 3 3 试剂与药品 名 称级 别 规 格 生 产 厂 家 对硝基溴苯A R北京点精通科技有限公司 对氯硝基苯C P中国医药集团上海化学试剂公司 对溴苯腈A R上海嘉辰化工有限公司 对溴苯甲醚A RA Johnson Matthey Company 碘苯C P国药集团化学试剂有限公司 溴苯A R国药集团化学试剂有限公司 氯苯A R北京化学试剂公司 甲苯A R北京化工厂 苯A R沈阳市试剂一厂 1 正丁基咪唑A R上海嘉辰化工有限公司 1 甲基咪唑A R上海嘉辰化工有限公司 甲醇A R北京化工厂 乙醇A R国药集团化学试剂有限公司 三苯基膦C P国药集团化学试剂有限公司 碘化钾A R国药集团化学试剂有限公司 碳酸钠A R沈阳市试剂二厂 碘化亚铜A R沈阳市新西试剂厂 Cu OAC 2 2H2OA R北京点精通科技有限公司 氧化铜A R青岛海洋化工厂 3 3 试剂和药品处理试剂和药品处理 亚铁氰化钾 K4 Fe CN 6 3H2O 放入烘箱中烘烤一晚上 甲苯 减压蒸馏除去水 乙酸乙酯 粗的乙酸乙酯旋蒸回流接收使用 辽宁科技大学本科生毕业设计 论文 第 13 页 蒸馏水 实验室自制 3 4 实验步骤及产品表征实验步骤及产品表征 3 4 1 对溴苯腈的合成 以 4 溴硝基苯为原料 无水亚铁氰化钾为氰源 碘化亚铜为催化剂 1 正丁基咪 唑为被配体 甲苯作溶剂 反应方程式如下 BrNO 2 K4 Fe CN 6 CNNO2 CuI CH3 N N C4H9 MW 180 1h 实验步骤如下 称取对溴硝基苯 404 02mg 2mmol 干燥的亚铁氰化钾 147 34mg 0 4mmol 碘化亚铜 38 1mg 0 2mmol 1 正丁基咪唑 496 76mg 4mmol 甲苯 5 5ml 置入微波反应器中 反应温度180 反应时间 1h 反应前后的现象 反应前溶液为绿色溶液 反应完成后溶液为棕色溶液 冷却后 有黑色或棕色固体析出 处理方法及提纯方法 反应液用二乙溶解后抽滤出去杂质 旋蒸除去溶剂的棕色固体 将固体用二乙溶解后 用去离子水洗3次 分液得黄色溶液 干燥 抽滤 旋蒸除去二乙 得黄色到褐色固体 固体用水重结晶 得淡黄色到黄色 固体 纯度94 96 用乙醇二次重结晶 得淡黄色固体纯度98 以上 收率30 左 右 熔点 143 9 147 2 文献值149 28 对产物用NMR IR进行鉴定和表征 具体谱图见附录 IR KBr cm 1 3113 3055 CH 2235 CN 1604 1483 1294 C C 1518 1348 NO2 746 CH 3 4 2 对苯二腈的合成 以 4 溴苯腈为原料 无水亚铁氰化钾为氰源 碘化亚铜为催化剂 1 正丁基咪唑 为被配体 甲苯作溶剂 反应方程式如下 BrNC K4 Fe CN 6 CNNC CuI CH3 N N C4H9 MW 180 1h 实验步骤如下 称取对溴苯腈 364 04mg 2mmol 干燥的亚铁氰化钾 147 34mg 0 4mmol 辽宁科技大学本科生毕业设计 论文 第 14 页 碘化亚铜 38 1mg 0 2mmol 1 正丁基咪唑 496 76mg 4mmol 甲苯 5 5ml 置入微波反应器中 反应温度180 反应时间1h 反应前后的现象 反应前溶液为绿 色溶液 反应完成后溶液为淡黄色透明溶液溶液 冷却后有固体析出 溶液变为绿色 处理方法及提纯方法 反应液用无水乙醇溶解后抽滤出去杂质 旋蒸除去溶剂的绿色 固体 将固体用热去离子水洗涤 抽滤 干燥得淡黄色到黄色固体 固体用苯或甲苯 重结晶 得类白色到淡黄色固体 纯度70 左右 用苯或甲苯二次重结晶 得白色固 体纯度90 左右 熔点 219 4 223 7 C 文献值221 225 C 29 收率30 40 对产物 用NMR IR进行鉴定和表征 具体谱图见附录 IR KBr cm 1 3095 3055 CH 2225 CN 1506 1460 1402 C C 845 CH 3 4 3 对甲氧基苯腈的合成 以 4 甲氧基苯腈为原料 无水亚铁氰化钾为氰源 碘化亚铜为催化剂 1 正丁基 咪唑为被配体 甲苯作溶剂 反应方程式如下 BrH3CO K4 Fe CN 6 CNH3CO CuI CH3 N N C4H9 MW 180 1h 实验步骤如下 称取对甲氧基苯腈 374 06mg 2mmol 干燥的亚铁氰化钾 147 34mg 0 4mmol 碘化亚铜 38 1mg 0 2mmol 1 正丁基咪唑 496 76mg 4mmol 甲苯 5 5ml 置入微波反应器中 反应温度180 反应时间 1h 反应前后的现象 反应前溶液为绿色溶液 反应完成后溶液为淡黄色透明溶液溶 液 冷却后有固体析出 溶液变为绿色 处理方法及提纯方法 反应液用无水乙醇溶 解后抽滤出去杂质 旋蒸除去溶剂的绿色固体 将固体用二乙溶解后 用去离子水洗3 次 分液得黄色溶液 干燥 抽滤 旋蒸除去二乙 得黄色固体 固体用水重结晶 得类白色固体 纯度94 96 收率25 左右 熔点 58 1 61 3 C 文献值61 62 C 30 对产物用NMR IR进行鉴定和表征 具体谱图见附录 IR KBr cm 1 2953 2815 C H 2225 CN 1609 1506 1477 C C 776 CH 3 4 4 苯腈的合成 以卤苯 溴苯或是碘苯 为原料 无水亚铁氰化钾为氰源 碘化亚铜为催化剂 1 正丁基咪唑为被配体 甲苯作溶剂 反应方程式如下 辽宁科技大学本科生毕业设计 论文 第 15 页 X K4 Fe CN 6 CN R Br I CuI CH3 N N C4H9 MW 180 1h 实验步骤如下 称取对溴苯 314 02mg 2mmol 或碘苯 408 06mg 2mmol 干燥的亚铁氰化 钾 147 34mg 0 4mmol 碘化亚铜 38 1mg 0 2mmol 1 正丁基咪唑 496 76mg 4mmol 甲苯 5 5ml 置入微波反应器中 反应温度180 反应时间 1h 反应前后的现象 反应前溶液为绿色溶液 反应完成后溶液为淡黄色透明溶液溶 液 冷却后溶液变为蓝绿色到绿色 处理方法及提纯方法 反应液用无水乙醇溶解后 抽滤出去杂质 旋蒸除去溶剂的绿色液体 将液体溶于二乙 用去离子水洗3次 分液 得黄色溶液 干燥 抽滤 旋蒸除去二乙 得黄色液体 用水重结晶 得淡黄色到无 色液体 纯度90 左右 收率20 25 对产物用NMR IR进行鉴定和表征 具体谱图见 附录 IR KBr cm 1 3012 CH 2214 CN 1618 1489 1405 C C 774 CH 3 4 5 2 氰基吡啶的合成 以 2 溴吡啶为原料 无水亚铁氰化钾为氰源 碘化亚铜为催化剂 1 正丁基咪唑 为被配体 甲苯作溶剂 反应方程式如下 N K4 Fe CN 6 CuI CH3 N N C4H9 MW 180 1h BrNCN 实验步骤如下 称取对2 溴吡啶 316 0mg 2mmol 干燥的亚铁氰化钾 147 34mg 0 4mmol 碘化亚铜 38 1mg 0 2mmol 1 正丁基咪唑 496 76mg 4mmol 甲苯 5 5ml 置入微波反应器中 反应温度180 反应时间 1h 反应前后的现象 反应前溶液为绿色溶液 反应完成后溶液为棕色半透明溶液溶 液 溶液变为棕黑色 处理方法及提纯方法 反应液用无水乙醇或二乙溶解后抽滤出 去杂质 旋蒸除去溶剂的棕色溶液 溶液溶于二乙 用去离子水洗3次 分液得黄色溶 液 干燥 抽滤 旋蒸除去二乙 得黄色固体 固体用水重结晶 得类白色到淡黄色 固体 纯度80 左右 收率20 30 熔点 23 5 27 1 文献值26 28 31 对产物 用NMR IR进行鉴定和表征 具体谱图见附录 辽宁科技大学本科生毕业设计 论文 第 16 页 IR KBr cm 1 3055 CH 2235 CN 1566 1454 1414 C C 762 CH 以上反应均可以采用柱层析进行分离 并且效果也是很好的 但本文重点探索用 重结晶的方法来提纯 有些方法可能不是最优方法 4 结果与讨论结果与讨论 4 1 温度对反应的影响温度对反应的影响 以 4 溴硝基苯为原料 无水亚铁氰化钾为氰源 碘化亚铜为催化剂 1 正丁基咪 唑为被配体 甲苯作溶剂 反应方程式如下 BrNO 2 K4 Fe CN 6 CNNO2CuI CH3 N N C4H9 MW 1h 实验步骤如下 称取对硝基苯 404 02mg 2mmol 干燥的亚铁氰化钾 147 34mg 0 4mmol 碘化亚铜 38 1mg 0 2mmol 1 正丁基咪唑 496 76mg 4mmol 甲苯 5 5ml 置入微波反应器中 反应时间 1h 主要探索不同的温度对反应结果影响的情况 表 4 1 温度对反应的影响 HPLC 液相收率 序号温度 转化率 对硝基苯腈对硝基碘苯 115057 353 32 1 216060 456 42 4 318071 566 72 6 419074 664 72 6 520078 463 22 6 621080 360 61 8 从表 4 1 来看 我们会很明显的发现随着温度的升高 底物的转化率也在升高 但 是 产品的收率却是先升高后降低 且在 180 是收率最好 而在 210 底物转化率虽 然很高 但是副产很多 因此 反应最优温度是 180 辽宁科技大学本科生毕业设计 论文 第 17 页 4 2 时间对反应的影响时间对反应的影响 以 4 溴硝基苯为原料 无水亚铁氰化钾为氰源 碘化亚铜为催化剂 1 正丁基咪 唑为被配体 甲苯作溶剂 反应方程式如下 BrNO 2 K4 Fe CN 6 CNNO2CuI CH3 N N C4H9 MW 180 实验步骤如下 称取对硝基苯 404 02mg 2mmol 干燥的亚铁氰化钾 147 34mg 0 4mmol 碘化亚铜 38 1mg 0 2mmol 1 正丁基咪唑 496 76mg 4mmol 甲苯 5 5ml 置入微波反应器中 反应温度为 180 主要探索不同的反应时间对反应结果影响的情 况 表 4 2 时间对反应的影响 HPLC 液相收率 序号时间 min 转化率 对硝基苯腈对硝基碘苯 14055 349 33 15 26071 566 72 6 38072 965 82 8 49078 666 72 5 从表 4 2 来看 我们会很明显的发现随着反应时间的加长 底物的转化率也在升高 但是 产品的收率却先升高后不变 也就是在反应时间为 1h 是反应已经终止 再延长 时间已无意义 因此 反应最优时间为 1h 4 3 配体对反应的影响配体对反应的影响 以 4 溴硝基苯为原料 无水亚铁氰化钾为氰源 碘化亚铜为催化剂 甲苯作溶剂 分别以 1 甲基咪唑 1 正丁基咪唑 三苯基膦为配体 反应方程式如下 BrNO 2 K4 Fe CN 6 CNNO2CuI CH3 MW180 1h Ligand 实验步骤如下 辽宁科技大学本科生毕业设计 论文 第 18 页 称取对硝基苯 404 02mg 2mmol 干燥的亚铁氰化钾 147 34mg 0 4mmol 碘化亚铜 38 1mg 0 2mmol 甲苯 5 5ml 置入微波反应器中 反应温度为 180 反应时间为 1h 主要探索不同配体对反应结果影响的情况 表 4 3 配体对反应的影响 HPLC 液相收率 序号配体转化率 对硝基苯腈对硝基碘苯 1 4 32 70 2 21 甲基咪唑66 055 12 6 31 正丁基咪唑71 566 72 6 4三苯基磷61 302 2 注 1 为空白样无配体 2 1 甲基咪唑 328 4mg 4mmol 3 1 正丁基咪唑 496 76mg 4mmol 4 三苯基膦 1049 56mg 4mmol 从表 4 3 来看 我们会很明显的发现碘化亚铜为催化剂时 没有配体时底物几乎不 反应 而且 氮配体要远远好于磷配体 在氮配体中烷基咪唑优先考虑 实验验证 1 正丁基咪唑作配体是要优于 1 甲基咪唑 因此 反应最优配体是 1 正丁基咪唑 4 4 催化剂对反应的影响催化剂对反应的影响 以 4 溴硝基苯为原料 无水亚铁氰化钾为氰源 1 正丁基咪唑为被配体 甲苯作 溶剂 分别以碘化亚铜 乙酸钯 二水合醋酸铜 POPd2 氧化铜 反应方程式如下 CH3 BrNO2 K4 Fe CN 6 CNNO2 N N C4H9 MW180 1h catalyst 实验步骤如下 称取对硝基苯 404 02mg 2mmol 干燥的亚铁氰化钾 147 34mg 0 4mmol 1 正丁基咪唑 496 76mg 4mmol 甲苯 5 5ml 置入微波反应器中 反应时间 1h 反应温度 180 主要探索不同催化剂对反应结果影响的情况 辽宁科技大学本科生毕业设计 论文 第 19 页 表 4 4 催化剂对反应的影响 HPLC 液相收率 序号催化剂转化率 对硝基苯腈对硝基碘苯 1CuI71 566 72 6 2Cu OAC 2 2H2O60 020 92 7 3CuO000 注 1 碘化亚铜 38 1mg 0 2mmol 2 Cu OAC 2 2H2O 21 77mg 0 2mmol 3 氧化铜 159 09mg 0 2mmol 从表 4 4 来看 选用不同催化剂时 对反应的影响也是较大的 氧化铜催化时 底 物一点都没有反应 而 Cu OAC 2 2H2O 催化时 虽然转化率较高 但是主要产物不是 对硝基苯腈 因此 碘化亚铜为反应最优催化剂 4 5 配体用量对反应的影响配体用量对反应的影响 以 4 溴硝基苯为原料 无水亚铁氰化钾为氰源 碘化亚铜为催化剂 1 正丁基咪 唑为被配体 甲苯作溶剂 反应方程式如下 BrNO 2 K4 Fe CN 6 CNNO2CuI CH3 N N C4H9 MW180 1h 实验步骤如下 称取对硝基苯 404 02mg 2mmol 干燥的亚铁氰化钾 147 34mg 0 4mmol 碘化亚铜 38 1mg 0 2mmol 甲苯 5 5ml 置入微波反应器中 反应时间 1h 反 应温度 180 主要探索不同配体用量对反应结果影响的情况 辽宁科技大学本科生毕业设计 论文 第 20 页 表 4 5 配体用量对反应的影响 HPLC 液相收率 序号 配体的量 mol 转化率 对硝基苯腈对硝基碘苯 110055 248 03 6 220071 566 72 6 330061 052 73 1 440066 557 72 7 注 mol 是相对底物的量 从表 4 5 来看 我们会很明显的发现配体的用量不是越多越好 无论多少对反应都 是负面影响 因此 底物与配体用量的比值为 1 2 时反应最好 4 6 氰源用量对反应的影响氰源用量对反应的影响 以 4 溴硝基苯为原料 无水亚铁氰化钾为氰源 碘化亚铜为催化剂 1 正丁基咪 唑为被配体 甲苯作溶剂 反应方程式如下 实验步骤如下 称取对硝基苯 404 02mg 2mmol 碘化亚铜 38 1mg 0 2mmol 1 正丁基 咪唑 496 76mg 4mmol 甲苯 5 5ml 置入微波反应器中 反应时间 1h 反应温 度 180 主要探索不同氰源用量对反应结果影响的情况 表 4 6 氰源用量对反应的影响 HPLC 液相收率 序号 氰源的量 mol 转化率 对硝基苯腈对硝基碘苯 11866 258 02 9 BrNO2 K4 Fe CN 6 CNNO2CuI CH3 N N C4H9 MW180 1h 辽宁科技大学本科生毕业设计 论文 第 21 页 22071 566 72 6 32272 166 12 4 43071 965 92 7 注 mol 是相对底物的量 从表 4 6 来看 我们会很明显的发现氰源的用量不是越多越好 当达到一定的量时 期收率和转化率是不变的 那么 增加氰源的量就是浪费了 因此 底物与氰源用量 的比值为 1 0 2 为好 4 7 溶剂对反应的影响溶剂对反应的影响 以 4 溴硝基苯为原料 无水亚铁氰化钾为氰源 碘化亚铜为催化剂 1 正丁基咪 唑为被配体 分别以甲苯 DMAC DMF 1 甲基咪唑 DMSO 为溶剂 反应方程式 如下 BrNO 2 K4 Fe CN 6 CNNO2CuI N N C4H9 MW180 1h solvent 实验步骤如下 称取对硝基苯 404 02mg 2mmol 干燥的亚铁氰化钾 147 34mg 0 4mmol 1 丁基咪唑 496 76mg 4mmol 碘化亚铜 38 1mg 0 2mmol 溶剂 5 5ml 置 入微波反应器中 反应时间 1h 反应温度 180 主要探索不同溶剂对反应结果影响 的情况 表 4 7 溶剂对反应的影响 HPLC 液相收率 序号溶剂转化率 对硝基苯腈对硝基碘苯 1甲苯71 566 72 6 2DMAC70 341 40 3DMF82 438 70 4a1 甲基咪唑10000 5DMSO95 732 70 辽宁科技大学本科生毕业设计 论文 第 22 页 注 1 DMAC 为 N 二甲基乙酰胺 2 DMF 为 N 二甲基甲酰胺 3 DMSO 为二甲基亚砜 4 a 1 甲基咪唑即使配体 又是溶剂 从表 4 7 来看 选用不同溶剂时 底物的转化率和产品的收率都是不一样的 1 甲 基咪唑为溶剂时 转化率极高 但产品收率为零 尽管甲苯作溶剂时 转化率较低 但产品收率较高 而 DMAC DMF DMSO 作溶剂时都容易分解 尤其是 DMF 和 DMSO 因此 甲苯为反应较优溶剂 4 8 催化剂用量对反应的影响催化剂用量对反应的影响 以 4 溴硝基苯为原料 无水亚铁氰化钾为氰源 碘化亚铜为催化剂 1 正丁基咪 唑为被配体 甲苯作溶剂 反应方程式如下 BrNO 2 K4 Fe CN 6 CNNO2CuI CH3 N N C4H9 MW180 1h 实验步骤如下 称取对硝基苯 404 02mg 2mmol 干燥的亚铁氰化钾 147 34mg 0 4mmol 1 正丁基咪唑 496 76mg 4mmol 甲苯 5 5ml 置入微波反应器中 反应时间 1h 反应温度 180 主要探索不同催化剂用量对反应结果影响的情况 表 4 8 催化剂用量对反应的影响 HPLC 液相收率 序号 催化剂的量 mol 转化率 对硝基苯腈对硝基碘苯 1550 240 71 2 21071 566 72 6 32074 264 44 3 43077 465 76 9 注 mol 是相对底物的量 从表 4 8 来看 我们会很明显的发现底物与催化剂为 1 0 1 时反应最好 如果加大 其用量 对产品的收率影响不大 但碘苯的量随催化剂量的升高而升高 因此 催化 辽宁科技大学本科生毕业设计 论文 第 23 页 剂用量为 10mol 4 9 添加剂对反应的影响添加剂对反应的影响 以 4 溴硝基苯为原料 无水亚铁氰化钾为氰源 碘化亚铜为催化剂 1 正丁基咪 唑为被配体 甲苯作溶剂 反应方程式如下 CH3 BrNO2 K4 Fe CN 6 CNNO2 CuI N N C4H9 MW 180 1h Additive 实验步骤如下 称取对硝基苯 404 02mg 2mmol 干燥的亚铁氰化钾 147 34mg 0 4mmol 碘化亚铜 38 1mg 0 2mmol 1 正丁基咪唑 496 76mg 4mmol 甲苯 5 5ml 置入微波反应器中 反应时间 1h 反应温度 180 主要探索不同添加剂对反应结果 影响的情况 表 4 9 添加剂对反应的影响 HPLC 液相收率 序号添加剂转化率 对硝基苯腈对硝基碘苯 1 71 566 72 6 2KI66 353 16 0 3Na2CO359 048 94 9 4AlCl337 09 73 4 注 1 空白样不加添加剂 2 碘化钾 332 04mg 2mmol 3 碳酸钠 312 0mg 2mmol 4 三氯化铝 266 68mg 2mmol 从表 4 9 来看 对于铜金属化合物作催化剂来说 无论加入碱性 中性还是酸性的 添加剂 对反应都是负影响 尤其是酸性添加剂 推测可能原因是 1 正丁基咪唑显弱 碱性 其与酸性添加剂发生酸碱中和反应 使配体的量下降 从而反应很是不好 因 此 在碘化亚铜 1 丁基咪唑催化体系作为催化剂是无需添加任何添加剂 辽宁科技大学本科生毕业设计 论文 第 24 页 4 10 不同底物的氰化不同底物的氰化 以无水亚铁氰化钾为氰源 碘化亚铜为催化剂 1 正丁基咪唑为被配体 甲苯作 溶剂 反应方程式如下 CH3 XR K4 Fe CN 6 CNR CuI N N C4H9 MW 180 1h R H NO2 CN OCH3 X Cl Br I 实验步骤如下 称取底物 2mmol 干燥的亚铁氰化钾 147 34mg 0 4mmol 碘化亚铜 38 1mg 0 2mmol 1 正丁基咪唑 496 76mg 4mmol 甲苯 5 5ml 置入微波 反应器中 反应时间 1h 反应温度 180 其反应结果如下 表 4 10 不同底物的氰化 HPLC 液相收率 序号底物转化率 AB 1对溴硝基苯71 566 72 6 2对溴苯腈85 273 22 4 3对氯苯腈19 112 81 7 4对溴苯甲醚98 383 32 7 52 溴吡啶66 250 72 5 6碘苯66 263 233 8 7溴苯60 857 82 3 8氯苯6 73 61 3 注 A 为产品 B 碘代物 从表 4 10 来看 我们会发现苯环上联有吸电子集团和供电子集团对反应有利 氰 化为亲核取代反应 联有吸电子集团对反应有利 对于我们来说不言而知 但是联有 供电子集团也对该反应有利 其原因是 然而氯苯类的极难被氰化 辽宁科技大学本科生毕业设计 论文 第 25 页 结结 论论 1