甲苯氧化溴化反應(yīng)研究

居 潔,李郁錦,高建榮,董華青

(浙江工業(yè)大學(xué)化學(xué)工程與材料學(xué)院,浙江 杭州 310032)

有機(jī)溴化物是合成醫(yī)藥、農(nóng)藥及染料等精細(xì)化學(xué)品的重要中間體.然而,傳統(tǒng)的溴化試劑如溴素和N-溴代丁二酰亞胺(NBS)等由于溴化反應(yīng)要生成的是溴化氫,因而不但其原子經(jīng)濟(jì)性且反應(yīng)選擇性較差,其他的溫和的溴化試劑如NBS等溴素衍生物的溴化試劑雖改善了反應(yīng)選擇性但其制備過程相對復(fù)雜且會產(chǎn)生廢液,造成環(huán)境污染.近幾年發(fā)現(xiàn),氧化溴化比傳統(tǒng)溴化方法在一定程度上克服了這些缺點.自1924年 Leulier等[1]用 HBr/H2O2成功制備溴代苯胺以來,氧化溴化法因高的溴原子利用率而受到了高度關(guān)注.常用的氧化溴化體系主要有Br-/H2O2和Br-/Br.其中以過氧化氫為氧化劑的溴化反應(yīng),因反應(yīng)生成的副產(chǎn)物只有水,被認(rèn)為是較“綠色”反應(yīng)而受到極大的關(guān)注.目前Br-/H2O2氧化溴化體系已廣泛用于羰基α位[2-4]、芳環(huán)[5-9]、烯烴雙鍵[5]及烷基苯芐位[10-11]上的氧化溴化.

對甲苯的氧化溴化,Adimurthy等[12]用NaBr/NaBrO3為氧化溴化試劑,CH2Cl2為溶劑反應(yīng)1.5 h,得到芐溴,收率較低為52%.Mestres等[10]用Br-/H2O2/H+為氧化溴化體系,以CCl4為溶劑,在100 W白熾燈的照射下反應(yīng)2.25 h,生成芐溴(79.5%)和α,α-二溴甲苯(5%).Iskra 等[2]用水 為溶劑,以HBr/H2O2為氧化溴化體系,在40 W白熾燈的照射下反應(yīng)10 h,得到芐溴(89%)和 α,α-二溴甲苯(7%).以前甲苯用HBr/H2O2體系下的氧化溴化反應(yīng)雖有較高收率但反應(yīng)有二溴代產(chǎn)物生成.為了提高溴化反應(yīng)的選擇性,減少二溴代物的生成,以HBr/H2O2為氧化溴化試劑,硅藻土為催化劑,60 W白熾燈光照下于室溫下反應(yīng),以較高的收率得到單溴代產(chǎn)物.反應(yīng)式為

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

試劑:甲苯、氫溴酸(40%)、過氧化氫(30%)、亞硫酸鈉及無水硫酸鎂均為分析純,硅藻土為化學(xué)純.

儀器:Varian INOVA-300型核磁共振儀(CDCl3為溶劑,TMS為內(nèi)標(biāo)),PE System 2000 FTIR型紅外光譜儀(溴化鉀壓片或液膜法),氣相色譜分析儀.

1.2 甲苯氧化溴化

取100 mL的圓底燒瓶依次加入過量的甲苯(10 g)、40%氫溴酸(4.4 g,21.7 mmol)和硅藻土(0.7 g),60 W白熾燈光照下于室溫下攪拌,再用蠕動泵以1 mL/h的速度加入30%過氧化氫(2.5 g,21.7 mmol),反應(yīng)約10 h至反應(yīng)液基本褪色后停止反應(yīng).加入亞硫酸鈉洗滌,分出有機(jī)層,水層用石油醚萃取,合并有機(jī)層,無水硫酸鎂干燥,旋蒸,減壓蒸餾得到產(chǎn)物(芐溴為69.9%,苯甲醛為1.3%).

Ⅰ1H NMR ∶δH(500 MHz;CDCl3;Me4Si)4.48(2H,m,—CH2—),7.10～7.40(5H,m,C6H5—).

Ⅱ1H NMR ∶δH(500 MHz;CDCl3;Me4Si)10.05(1H,m,—CHO),7.05～7.92(5H,m,C6H5—).

2 實驗結(jié)果與討論

在甲苯的氧化溴化反應(yīng)中,H2O2為氧化劑,在酸性條件下可以將Br-氧化為Br2,然后Br2取代α—H得到芐溴.由于H2O2的氧化性,反應(yīng)體系中存在少量氧化副產(chǎn)物苯甲醛.為了提高反應(yīng)的收率和選擇性,主要考察了反應(yīng)溫度、催化劑用量、原料配比、過氧化氫濃度及光照等對反應(yīng)轉(zhuǎn)化率及選擇性的影響.

2.1 溫度對反應(yīng)轉(zhuǎn)化率及選擇性的影響

溫度是影響溴化反應(yīng)和氧化反應(yīng)的關(guān)鍵因素,因此首先考察溫度對該反應(yīng)的影響(表1).

表1 溫度對反應(yīng)的影響1)Table 1 Effects of temperature on reaction

從表1可以看出:反應(yīng)溫度在80℃以下,隨著溫度的升高,反應(yīng)收率提高,反應(yīng)時間縮短,但芐溴的選擇性降低.當(dāng)100℃時,產(chǎn)物總收率反而降低.隨著溫度升到80℃,芐溴和苯甲醛的收率比從室溫的7.84降到3.00,為了保證芐溴的選擇性,因此,選擇室溫條件下反應(yīng).

2.2 催化劑對反應(yīng)轉(zhuǎn)化率及選擇性的影響

室溫條件下,雖得到高的芐溴選擇性,但整體的收率不高.為了提高反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率,嘗試在反應(yīng)體系中加入催化劑.根據(jù)文獻(xiàn)及之前實驗,選擇對溴化反應(yīng)有較好催化作用的硅藻土和膨潤土.室溫條件下,分別加入催化劑硅藻土和膨潤土(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%)進(jìn)行反應(yīng),結(jié)果如表2所示.

表2 催化劑對反應(yīng)的影響1)Table 2 Effects of catalyst on reaction

由表2可看出:這兩種催化劑都可以大大促進(jìn)反應(yīng)收率的提高.其中用膨潤土催化雖芐溴和苯甲醛的收率都提高,但兩者的比基本不變.硅藻土催化可明顯提高芐溴轉(zhuǎn)化率和選擇性,使芐溴和苯甲醛的收率比達(dá)13.30∶1,芐溴的收率達(dá)到74.6%.因此,硅藻土對甲苯氧化溴化選擇性的提高是一種比較好的催化劑.

2.3 H2O2質(zhì)量濃度變化對反應(yīng)轉(zhuǎn)化率及選擇性的影響

由于H2O2的氧化性,使得該氧化溴化體系中會有少量氧化副產(chǎn)物苯甲醛存在,為了提高芐溴的選擇性,嘗試降低H2O2濃度.之前所用的H2O2質(zhì)量濃度均為30%,現(xiàn)在將其稀釋至質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%進(jìn)行試驗對比(表3).

表3 H2O2濃度對反應(yīng)的影響1)Table 3 Effects of concentration of H2O2on reaction

數(shù)據(jù)顯示,過氧化氫濃度的降低對反應(yīng)不利,雖苯甲醛的收率降低,但芐溴的收率減少更多,芐溴和苯甲醛的比降為3.8∶1,且總收率只有18.4%遠(yuǎn)低于用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%的H2O2氧化結(jié)果.究其原因,可能由于在低濃度下,反應(yīng)相對較慢,加劇過氧化氫的分解.

2.4 H2O2的用量對反應(yīng)轉(zhuǎn)化率及選擇性的影響

H2O2可將Br-氧化為Br2,也可氧化甲苯生成苯甲醛.為了考察H2O2用量對反應(yīng)的影響,選擇H2O2不足量和稍過量進(jìn)行試驗,實驗結(jié)果如表4所示.

表4 H2O2用量對反應(yīng)轉(zhuǎn)化率和選擇性的影響Table 4 Effect of the molar ratio of H2O2on conversion and selectivity

結(jié)果表明:當(dāng)過氧化氫和溴化氫摩爾比小于1時,增加過氧化氫用量有利于芐溴選擇性的提高.當(dāng)兩者的摩爾比大于1時,芐溴選擇性降低,且隨著H2O2用量的增加,芐溴和苯甲醛收率的比例減小.數(shù)據(jù)顯示,當(dāng)過氧化氫和溴化氫摩爾比為1∶1.00時,芐溴有最高收率為74.6%,而此時苯甲醛的收率最少為5.6%.

2.5 光照對反應(yīng)轉(zhuǎn)化率及選擇性的影響

對于甲苯芐位的溴化,往往可以通過光照進(jìn)行,因此在上述得到的最優(yōu)條件下,為了進(jìn)一步減少苯甲醛的轉(zhuǎn)化率,采用60 W白熾燈光照(表5).

表5 光照對反應(yīng)轉(zhuǎn)化率和選擇性的影響Table 5 Effect of light on conversion and selectivity

數(shù)據(jù)顯示,光照可以大大縮短反應(yīng)時間提高芐溴選擇性,且可降低苯甲醛的轉(zhuǎn)化率只有1.3%,芐溴和苯甲醛的收率比達(dá)53.8∶1.所以認(rèn)為光照有利于芐溴轉(zhuǎn)化率的提高.

3 結(jié) 論

通過優(yōu)化得到適宜的反應(yīng)條件為:以質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%的HBr和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%的H2O2為氧化溴化試劑,選擇過氧化氫和溴化氫的摩爾比為1∶1,60 W白熾燈光照,室溫下用硅藻土(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%)催化甲苯反應(yīng)10 h,得到芐溴(69.9%)和苯甲醛(1.3%).芐溴和苯甲醛的氫譜數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)一致.

HBr/H2O2氧化溴化體系可以成功的用于甲苯的氧化溴化,且硅藻土催化劑的使用有利于產(chǎn)物收率的提高.HBr/H2O2體系的氧化溴化是一個高效、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境友好的反應(yīng),因此具有工業(yè)應(yīng)用價值,也是C—H鍵活化的一種方法.

[1] LEU LIER A.Some chloro and bromo derivatives obtained by using a mixture of the corresponding hydracid and hydrogen peroxide[J].Bulletin de la Societe Chimique de France,1924,35:1325-1330.

[2] PODGOR? EK A,STAVBER S,ZUPANAB M,et al.Bromination of ketones with H2O2-HBr in water[J].Green Chemistry,2007,9(11):1212-1218.

[3] KHAN A T,GOSWAMI P,CHO UDHURY L H.A mild and environmentally acceptable synthetic protocol for chemoselective α-bromination of β-keto esters and 1,3-diketones[J].T etrahedron Letters,2006,47(16):2751-2754.

[4] KIRIHARA M,OGAWA S,NOG UCHI T.Chemoselective bromination of active methylene and methyne compounds by potassium bromide,hydrochloric acid and hydrogen peroxide[J].Synlett,2006(14):2287-2289.

[5] BARHA TE N B,GAJARE A S,WAK HARKKAR R D,et al.Simple and practical halogenation of arenes,alkenes,and alkynes with hydrohalic acid/H2O2(or TBHP)[J].T etrahedron,1999,55(36):11127-11142.

[6] NARENDER N,SRINIVASU P,KULKAMI S J,et al.Liquid phase regioselective bromination of aromatic compounds over HZSM-5 catalyst[J].Synthetic Communications,2000,30(20):3669-3675.

[7] BORA U,BOSE G,CHAUDHURI M K,et al.Regioselective bromination of organic substrates by tetrabutylammonium bromide promoted by V2O5-H2O2:an environmentally favorable synthetic protocol[J].Organic Letters,2000,2(3):247-249.

[8] V YAS P V,BHAT T A K,RAM ACHANDRAIAH G,et al.Environmentally benign chlorination and bromination of aromatic amines,hydrocarbons and naphthols[J].Tetrahedron Letters,2003,44(21):4085-4088.

[9] BOGDAL D,LUKASIEWICZ M,PIELICHOWSKI J.Halogenation of carbazole and other aromatic compounds with hydrohalic acids and hydrogen peroxide under microwave irradiation[J].Green Chemistry,2004,6(2):110-113.

[10] MESTRES R,PALENZUELA J.High atomic yield bromine-less benzylic bromination[J].Green Chemistry,2002,4(4):314-316.

[11] PODGO RSEK A,ST AVBER S,ZUPAN M,et al.Free radical bromination by the H2O2-HBr system on water[J].T etrahedron Letters,2006,47(40):7245-7247.

[12] ADIM URTHY S,GHOSH S,PA TOLIYA P U,et al.An alternative method for the regio-and stereoselective bromination of alkenes,alkynes,toluene derivatives and ketones using a bromide/bromate couple[J].Green Chemistry,2008,10(2):232-237.