氨基的氧化.doc

.重庆大学本科学生毕业设计（论文）氨基氧化方法探讨学 生：王朋田学 号：20045809指导教师：法焕宝(讲师)校外指导教师：陈朝勇专 业：药学重庆大学化学化工学院二OO八年六月可编辑修改Graduation Design(Thesis) of Chongqing UniversityThe Discussion of Methods on the Oxidation of Amino CompoundsUndergraduate: Wang PengtianSupervisor: Fa Huanbao Assistant Supervisor : Chen ChaoyongMajor: PharmacyCollege of Chemistry and Chemical EngineeringChongqing UniversityJune 2008摘要： 目的 硝基化合物一般由硝酸和硫酸与相应的有机物分子反应而成，而用直接硝化氨基化合物合成硝基化合物的方法还比较少见，并且这种直接硝化的方法在工业上的生产工艺还有待优化，本篇文章通过对氨基化合物硝化方法的探讨以及实验，初步研究了环氧丙酮对苯胺的氧化作用，并对其氧化条件进行了优化，对环氧丙酮氧化氨基化合物应用于工业生产进行了一定的基础研究。方法 运用连续反应的思路，通过过硫酸氢钾复合物和丙酮自制环氧丙酮，再将其溶液直接用于氨基氧化反应，然后通过条件优化实验，得到最优的实验条件。结果 氨基化合物用新制备的环氧丙酮并且在最优化的实验条件下氧化，高收率地得到硝基化合物。关键字：氨基 氧化 硝基 过硫酸氢钾复合物 环氧丙酮Abstract：Nitro compounds are usually composed by nitric acid、sulfuric acid and homologous organic compounds. It is infrequent to compose Nitro compounds from Amino compounds.And this method has to been optimizered if we want to use this method in industry. This thesis looks into the oxidation to Amino compounds of Dimethyldioxirane .We optimizer the terms of this oxidation reaction,and try to make it practicable in industry product.Under the method of successive reactions,we use Oxone and acetone to synthesize Dimethyldioxirane ,and apply the solution of it directly in the following oxidation of Amino compounds. Then we optimizere the terms of this reaction to get the best term.Finally,we obtain the product with good recovery ratio and purity under the best reaction condition.Key word ：Nitro compounds Amino compounds Oxidate Oxidant Oxone Dimethyldioxirane目录摘要IAbstractII1绪论31.1胺的氧化反应41.1.1伯胺的氧化41.1.2仲胺的氧化41.1.3叔胺的氧化51.2氧化剂51.3 氨基氧化研究现状51.3.1过氧化氢对氨基的氧化51.3.2过硼酸钠对氨基的氧化作用61.3.3环氧丙酮的氧化作用71.4 过硫酸氢钾复合物71.4.1过硫酸氢钾复盐的性质7过一硫酸的性质7过硫酸氢钾复盐的性质81.4.2过硫酸氢钾复盐的合成.8过一硫酸的合成方法8过硫酸氢钾复盐的合成91.4.3过硫酸氢钾复盐的用途.9可氧化种类繁多的有机物9用作聚合反应的引发剂10使烯烃、一不饱和酸发生环氧化101.5 过氧化酮的研究现状及应用111.5.1 过氧化酮的结构及性质111.5.2 过氧化酮的制备111.5.3 过氧化酮参与的氧化反应12过氧化酮对烃的氧化12 过氧化酮对醇的氧化.16过氧化酮对醛的氧化18过氧化酮对含磷化合物的氧化19过氧化酮对含硫化合物的氧化19过氧化酮对含氮化合物的氧化191.5.4 过氧化酮在不对称合成方面的应用211.5.5 过氧化酮氧化反应的影响因素23氢键的影响和溶剂效应23酸度的影响24 温度的影响.241.5.6 小结242实验部分252.1主要试剂与仪器252.2实验内容252.2.1苯胺氧化成硝基苯25制备环氧丙酮25氨基的氧化25后处理及纯化25结构鉴定25实验条件的优化271）环氧丙酮制备温度的影响272）过硫酸氢钾复合物的用量对于反应的影响273）过硫酸氢钾复合物与碳酸钠比例对于反应结果的影响284）氨基氧化温度对于反应的影响285）优化条件下的平行实验292.2.2由3-溴-4-氨基甲苯合成3-溴-4-硝基甲苯29制备环氧丙酮29氨基氧化29后处理及纯化292.3小结293结论29参考文献301绪论很多的硝基化合物不能用直接硝化的方法合成。硝基化合物是含有一个或多个硝基的有机化合物。它们往往非常易爆，不适的操作和一些混杂物很容易造成放热反应，从而造成安全隐患。芳香硝基化合物一般由硝酸和硫酸与相应的有机物分子反应而成。在有机化工中有多种不同的制造硝基化合物的方法。比如Nitroaldol反应：硝基甲烷加入醛；Michael反应：硝基甲烷加入未饱和的羰基化合物；Michael反应：亚硝基乙烯加入烯醇；亲核脂肪族取代反应：亚硝酸钠取代卤代烷 ；亲电子取代：亚硝酸与芳香化合物反应。在由硝基化合物直接氧化为氨基化合物这方面找到一个切实可行的温和的合成方法很迫切；氨基氧化的方法目前常用的为过酸氧化，如：过氧乙酸，或者双氧水氧化；但是这些方法均存在原料购买问题，或者是收率偏低和副产物过多，因此严重影响了它们在工业生产上的应用。后来有人发表了以环氧丙酮进行氨基氧化的报道，条件比较温和，且能够高产率的得到目标产物， 但由于环氧丙酮贮存和运输均存在安全问题，不利于进行规模化实验，因此我们进行了下面这项实验，用连续反应的思路，自制环氧丙酮，再将其溶液直接用于氨基氧化反应，同时对于影响反应的因素进行了简单探讨。氧化反应是一类最常见、极重要的有机化学反应。对于以共价键结合的有机化合物来说，氧化反应可以视为碳原子周围电子云密度降低，即碳原子氧化数（或氧化态、氧化值）升高的反应。有机化学中狭义的氧化反应的概念是指有机物分子中氧原子的增加，氢原子的消除，或者两者兼而有之。1.1胺的氧化反应：胺分子中的氮原子是氮的最低氧化态，可被一些氧化剂氧化。胺分子中氮原子的结合状态不同，所用的试剂和氧化条件不同，对氧化产物的结构有影响。1.1.1伯胺的氧化：经历： R-NH2R-NHOHR-CH=NOHR-N=OR-NO2氧化产物可以是上列各阶段的化合物，亦可以是其相互反应的产物，这取决于反应条件和试剂。用过氧酸氧化苯胺时，如用过量的过氧酸，冷却条件下苯胺转化为亚硝基苯；若试剂不过量，则产物为氧化偶氮苯。若以过氧化钴、二氧化锰、高锰酸钾盐来氧化苯胺，一般得不到偶氮苯。2-6-二吸电子基取代的苯胺用过氧甲酸或过氧化氢氧化，得到相应的亚基化合物，收率较高。一些较弱的苯胺，用氧化能力强的过氧酸，可以直接氧化成硝基化合物。氧化能力弱的过氧酸，只能将它们氧化成亚硝基化合物。这种将伯胺直接氧化成硝基化合物的方法（即所谓的“绿色硝化法”）对一些用直接硝化法难制备的硝基化合物有重要意义。带有供电子基芳伯胺的氧化，当用无水过氧乙酸氧化时，可将其氧化成相应的硝基化合物。将芳伯胺氧化成亚硝基化合物的较好试剂是过一硫酸，它可定量的将对苯二胺氧化成对二亚硝基苯。脂肪伯胺用适当的试剂在碱性介质中氧化，产物一般是醛亚胺，醛月亏等。酸性介质中，产物则是醛或酮。这与以下事实有关：脂肪族伯胺的氨基所在的碳上有氢原子，伯胺的氧化产物-亚硝基化合物，可以互变为醛月亏或酮月亏，月亏类接着水解生成醛酮。芳伯胺和脂肪伯胺还有一个重要性质，它们可以在稍弱的氧化剂或在金属有机配合物的作用下脱氢成腈。 这是较强烈的脱氢反应，伯胺氮上的两个氢和与之相连的碳上的两个氢同时脱去，构成了伯胺与仲、叔胺不同的特点。1.1.2仲胺的氧化： 仲胺可以被过氧化氢、过氧酸等氧化物氧化，产物一般是羟胺、硝酮或氧化胺，以及它们的缩合产物。脂肪族仲胺用过氧化氢氧化得到二烃基羟胺，收率低当产物中-碳上有氢时，可悲进一步氧化，得到氧化胺衍生物，收率一般较高。环状仲胺，且-碳上无氢时，则得到羟胺和硝酮。仲胺用活性二氧化锰氧化时产物一般是混合物，但N-甲基苯胺和二氧化锰反应，氧化反应主要发生在N-甲基上，产物为甲酰苯胺，收率甚高。芳环上取代基性质对上述反应有影响，供电子基促进反应进行，而吸电子基（如对位硝基）在室温时，完全抑制反应。 仲胺也可氧化成醛，反应中除了要脱氢外，还需脱去一个羟基，反应较难，需用较强烈的氧化剂。常用以芳磺酸过氧化物做氧化剂与之反应，反应分两步进行，首先过氧化物与仲胺形成N-芳磺酸氧中间体，再经酸性水解得醛。为了使氧化所得醛单一，常选用具有两个相同烃基的仲胺做原料。同样芳磺酸过氧化物也可和碱一起将肼氧化成相应的偶氮化合物。1.1.3叔胺的氧化选择不同的氧化剂对同一叔胺进行氧化，可获得不同的产物，当氧化剂一定时，不同类型的叔胺经历不同的氧化方式，如用活性二氧化锰氧化叔胺常有下列三种过程，主要是氮烃基被氧化。脂肪族叔胺非常易和过氧化氢的水溶液或醇溶液，以及在金属催化剂的存在下，生成氧化胺。吡啶和其他亲核性弱的含氮杂环，需要用氧化能力强的较高浓度过氧化氢或过氧酸，用过氧酸时要在较高的反应温度下才能将环上的氮原子氧化。 过氧酸和叔胺反应的机理类似于双键和过氧酸的环氧化反应。增加过氧酸的亲电性，或者增加叔胺的亲核性，都可加快反应。1.2氧化剂氧化剂是氧化还原反应里得到电子或有电子对偏向的物质。氧化剂从还原剂处得到电子自身被还原变成还原产物。氧化剂和还原剂是相互依存的。氧化剂在反应里表现氧化性。氧化能力强弱是氧化剂得电子能力的强弱，不是得电子数目的多少，如浓硝酸的氧化能力比稀硝酸强，得到电子的数目却比稀硝酸少。含有容易得到电子的元素的物质常用作氧化剂，在分析具体反应时，常用元素化合价的升降进行判断：所含元素化合价降低的物质为氧化剂。 典型氧化剂有：Cl2,Br2,O2；元素(如Mn等)处于高化合价时的氧化物,如MnO2等；元素(如S,N等)处于高化合价时的含氧酸，如浓硫酸、HNO3等，元素(如Mn，Cl,Fe等)处于高化合价时的盐，如KMnO4、KClO3、FeCl3等，过氧化物，如Na2O2、H2O2等。1.3 氨基氧化研究现状1.3.1过氧化氢对氨基的氧化过氧化氢又称双氧水，是有机合成当中最为常见的氧化剂之一。在有机合成当中曾被用来直接氧化氨基。二硝基氧化偶氮呋喃的制备中氨基的氧化反应：二氨基氧化偶氮呋喃(17 g，0.08 mo1)，溶于浓硫酸(200 m1)中，混和液在冰浴冷却下滴入到30双氧水(240 m1)和过硫酸铵(200 g)的混合液中，温度不超过20 ，混合物在500C左右搅拌反应5 h。反应毕，将反应液倒入冰水中,将析出的沉淀抽滤，冷水洗涤,干燥,得浅黄色晶体(11 g，50) 3。此外，在催化剂比如RuCl3存在的条件下，过氧化氢也可将苯胺类化合物氧化成硝基化合物6：1.3.2过硼酸钠对氨基的氧化作用在有机合成中，过硼酸钠用作氧化剂的实例虽为数不多，但其优点已很明显，例如反应条件温和、选择性强、毒性低、价廉，且过硼酸钠还原后生成无毒的硼酸钠，易于处理或排放。过硼酸钠（PSB）是一种无机过氧酸盐。化学式为NaBO3nH20(n=l，4)，结构式为:它常被用作洗涤剂的添加剂,温和的杀虫剂,在医学上也被用来局部抗感染等。近年来，在有机合成方面的应用引起人们的关注。十多年的探索研究表明：过硼酸钠是一种较理想的氧化剂。它不但能发生过氧化氢和有机过氧酸所能完成的氧化反应，而且还能发生其他类型的反应；更重要的是它具有稳定性好、安全、毒性小、价格便宜及操作简便等优点，而且污染性小，易处理，适合于大规模的工业生产，在有机合成中有着广泛的应用2。芳环上取代基对芳胺的氧化产物有着显著的影响。当芳环上有吸电子基团时，可在5055的AcOH溶液中用过硼酸钠进行氧化。生成相应的硝基化合物，产率较高，有一定应用价值。但含有给电子基团的芳胺在相同条件下，很快发生过氧化反应，使得硝基芳烃的产率很低。使用微束把反应物集中在相对较小的容积内以起到增溶作用，加快反应速率和化学选择性。同时可以用钨磷酸钠为催化剂进行。实验证明，该方法温和，含给电子基团的芳胺(1)能顺利的反应，生成相应的硝基化合物(2)，产率较高，是较理想的选择。将4.62g(0.03 mol)NaB034 H20和30mL冰乙酸置于三颈瓶中，在55-60度和搅拌下的条件下，滴加由1.38 g(0.O1mol)邻硝基苯胺溶于20mL冰乙酸的溶液，30 min滴完后，于55-60下保温10h。蒸去乙酸，残液中加水，析出黄色固体，用乙醇重结晶，得黄色鳞片状晶体1.328，产率78% 2 。以1.38 g(0.O1mol)对一硝基苯胺代替上述实验中的邻硝基苯胺，其余步骤同上。得桔黄色针状晶体1.43 g，产率85%。在乙醇-磷酸体系中，过硼酸钠能顺利地使硝基苯胺氧化，但产物不是如前所述的二硝基苯类，而是相应的氧化偶氮苯类。1.3.3环氧丙酮对氨基的氧化作用关于环氧丙酮的研究已经有多年，但是其在实际生产中的应用还有一些问题需要解决，下列反应式中的化合物 1 的结构式为环氧丙酮：能够将氨基化合物直接氧化为硝基化合物5：1.4 过硫酸氢钾复合物过硫酸氢钾复盐(potassium monopersulfate compound)是由过硫酸氢钾KHSO5、硫酸氢钾KHSO4和硫酸钾K2S04 三种成分组成的一种复台物，其中主要成分过硫酸氢钾是过一硫酸H2SO5 的酸式盐。无论是过一硫酸还是过一硫酸氢钾， 由于分子中存在过氧键-O-O-，在化学反应中能放出活性氧，因此，它们都具有较强的氧化能力，都是强氧化剂。过一硫酸不稳定，放置时容易放出活性氧而使其氧化能力降低，而过硫酸氢钾复盐相当稳定，不易放出活性氧，便于贮存，使用安全、方便。因此，它是一种比过一硫酸更有实用价值的氧化剂。此外，由于过硫酸氢钾复盐能把氰化物氧化成氰酸盐，氯化物中氯离子氧化成氯气，还能氧化苯酚、对苯二酚等。因此，在欧美国家，人们利用它处理废水， 还把它作为口腔医疗中假牙的漂白剂、洗染店的干燥漂白剂，游泳池中的消毒剂。 过硫酸氢钾复盐除了可以氧化种类繁多的有机物外，还是许多聚合反应的自由基引发剂。它能使有机物分子中的双键发生环氧化。因此，是有机台成中的一种重要辅助剂。由于过硫酸氢钾复盐是一种稳定、方便、具有广泛用途的优良的氧化剂，几十年来，欧美国家的化工人员一直在探索其合成制备的途径，并且把提高产量、提高活性氧的含量作为进一步研究的目标4。1.4.1过硫酸氢钾复盐的性质由于过硫酸氢钾的性质与过一硫酸有密切联系。因此，我们先讨论过一硫酸的性质。过一硫酸的性质过一硫酸结构式为是一种无色晶体，熔点为450C，过一硫酸分子中的一个质子很活泼，如同硫酸分子中的一样，而另一个质子不活泼，它的分步电离式如下：过一硫酸是一种很强的氧化剂：当pH98（hplc）。结构鉴定从质谱图（下图）可知，m/z123为分子离子峰，所以可以知道化合物的分子量应该为123。与合成终产物硝基苯的分子量一致，又综合考虑本次实验所用到的反应原料以及相对比较温和的实验条件，因此可以初步判断，此化合物就是我们的目标产物。MS图谱：通过质谱分析已经知道此化合物分子量为123， 并已初步判断合成产物与目标产物相一致，所以此化合物分子式应该为C6H5NO2。通过此分子式计算不饱和度U=（2+26+1-5）/2=5，所以此分子式中可能有苯环。由核磁共振氢谱图可知化学位移在7.5-8.2之间，通过查阅各种质子化学位移简图可知苯环上的氢化学位移一般在6-8之间，所以又可以初步判断它们为苯环上的氢。通过查阅文献资料可知，苯环上的邻位氢偶合常数在6-10之间，间位氢的偶合常数在1-4之间，对位氢的偶合常数在0-2之间，经过计算，此化合物氢之间的偶合常数（数据如下）与之符合。综合质谱与核磁氢谱的分析，基本可以得出合成产物与目标产物结构一致的结论，即本次实验的终产物为硝基苯。核磁共振氢谱图：300 MHz 5.0 mol% in CCl4 H-NMR Parameter ppm Hz (A) 8.193 (B) 7.519 (C) 7.650 J(A,A) 2.46 J(A,B) 8.35 J(A,B) 0.48 J(A,C) 1.17 J(A,B) 0.48 J(A,B) 8.35 J(A,C) 1.17 J(B,B) 1.47 J(B,C) 7.46 J(B,C) 7.46实验条件的优化1）环氧丙酮制备温度的影响温度往往对化学反应挺有较大的影响，在此反应中，不同的温度对产物的收率以及纯度都有一定的影响。在加入过硫酸氢钾时间相同以及保温时间相同的情况下，通过在不同温度下的实验，对硝基苯的收率以及纯度做了对比。在本次平行实验中，分别在-10-20度、010度、1020度、2030度四个水平上对实验结果进行了考察。反应温度加入oxone的时间保温时间硝基苯收率纯度（HPLC）-10-20度4h1h75%99%010度4h1h7899%1020度4h1h8099%2030度4h1h6399% 由上表可知，反应温度较高，最终的氧化产物收率最低，可能的原因为环氧丙酮由于结构的不稳定性，在与主产物反应之前已经在体系内部分分解了，造成最终的数量不足；而-10-20度和010度收率也偏低，可能的原因为生成环氧丙酮的速度较慢，而导致最终与主产物反应的环氧丙酮数量不足，收率下降；通过本次平行实验可以知道低温环境对氧化剂的稳定存在有很大的影响，但是相对不利于氧化剂的生成，会降低反应速度，从而使氧化剂生成量减少，影响主反应的收率。由本次试验可知，反应温度为1020度比较适合。2）过硫酸氢钾的用量对于反应的影响 本反应用连续反应的思路，将新制备的过氧化丙酮直接投入到下一步反应中去，而不进行氧化剂的分离与提纯，因此制备氧化剂的原料之一过硫酸氢钾与反应的主原料之间的当量比对反应结果也有一定的影响，因为反应体系中丙酮过量，所以过硫酸氢钾的量直接影响氧化剂的量，从而对终产物的收率产生影响。本次平行实验在3eq、5eq、7eq、10eq、以及15eq五个水平上对反应进行了研究。与主原料比例硝基苯收率纯度（HPLC）3eq50995eq65997eq749910eq809915eq7999 由上表可以知道以3eq，5eq，7eq的过硫酸氢钾进行反应，均存在苯胺无法完全消失的情况，产率比较低；以10eq的最好，而15eq显然已经过量，会造成不必要的资源浪费。因此，在工艺生产中选择了以10eq的过硫酸氢钾进行反应。3）过硫酸氢钾与碳酸钠比例对于反应结果的影响 通过文献查阅以及实验验证，反应中加入适量的碳酸钠对于提高终产物的收率有很大帮助，本次平行实验在五个水平对这一影响因素进行了考察。过硫酸氢钾与碳酸钠的比例硝基苯收率纯度（HPLC）0.55599165991.57599280992.58299 由上表可知，当过硫酸氢钾与碳酸钠的比例小于2时，体系中的苯胺出现较多的剩余，而当比例大于2时，反应进行的相对彻底；当过硫酸氢钾与碳酸钠的比例为2.5时收率最大，如果在工业生产中用及此步，从成本角度考虑，以2eq最为合适；4）氨基氧化温度对于反应的影响 氨基的氧化为主反应步骤，反应温度会对终产物收率其较大的作用，应此寻找合适的温度对本次研究尤为重要。本次平行实验在-10-20、05、1020、2535度四个温度水平对这