2,7-二硝基-9,9-二辛基芴的合成工藝改進(jìn)

光善儀， 周美芳， 諸亞堃， 徐洪耀

(1． 東華大學(xué) a. 化學(xué)化工與生物學(xué)院； b． 材料學(xué)院,上海 201620)

作為煤焦油的分離產(chǎn)品之一，芴(1)產(chǎn)量大、價(jià)格低廉，其衍生物作為重要的精細(xì)化學(xué)品中間體，在生物、醫(yī)藥等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。2,7-二硝基芴是芴的衍生物之一，也是重要的精細(xì)化學(xué)品中間體，廣泛應(yīng)用于農(nóng)藥、染料及功能高分子材料領(lǐng)域[1～6]，因此對(duì)其合成方法的研究具有重要的理論意義和廣泛的應(yīng)用前景[7]。

目前，國內(nèi)外有關(guān)2,7-二硝基芴的制備方法已有較多報(bào)道[8，9]。Sφrensen等[9]以1為起始原料，發(fā)煙硝酸/冰醋酸(體積比1 ∶1)為硝化劑，n(1)∶n(HNO3)=1 ∶54，合成了2,7-二硝基-9,9-二癸基芴(4)，產(chǎn)率46%，該方法收率較低，且易產(chǎn)生多硝化產(chǎn)物，分離提純困難。盡管Ginagunta 等[10]以2-硝基芴為原料制備4產(chǎn)率達(dá)62%，但工藝上又增加一步2-硝基芴的制備與純化。

本文以1為原料，濃硝酸/濃硫酸為硝化劑，合成了2,7-二硝基-9,9-二辛基芴(3， Scheme 1)，其結(jié)構(gòu)經(jīng)1H NMR和IR確證。

最佳反應(yīng)條件為：120 mmol，n(1) ∶n(HNO3)=1 ∶18，c(H2SO4)=15.3 mol·L-1，于10 ℃反應(yīng)7 h，收率56%。

Scheme1

1 實(shí)驗(yàn)部分

1．1 儀器與試劑

NEXUS-670型傅立葉變換紅外光譜儀(KBr壓片)；AVANCE 400型核磁共振儀(CDCl3為溶劑，TMS為內(nèi)標(biāo))。

發(fā)煙硝酸(98%)，濃硝酸(65%)，濃硫酸(98%)和醋酸，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；其余所用試劑均為分析純。

1．2 合成

(1) 2的合成

在反應(yīng)瓶中依次加入DMSO 50 mL,13.33 g(20 mmol)，四丁基溴化銨 54.8 mg(0.17 mmol)， C8H17Br 7.73 g (40 mmol)和50%NaOH溶液6.7 mL,攪拌下于室溫反應(yīng)4 h。傾入大量水，充分?jǐn)嚢?，用二氯甲?3×30 mL)萃取，合并有機(jī)相，依次用1 mol·L-1鹽酸和去離子水洗滌，無水MgSO4干燥，旋蒸脫溶，殘余物經(jīng)硅膠柱層析(洗脫劑：石油醚)純化得淡黃色液體2 6.95 g，收率89%；1H NMRδ： 7.76～7.74(m, 2H, ArH), 7.40～7.34(m, 6H, ArH)， 2.03～1.99(m, 4H, a-H), 1.29～1.04(m, 20H, b-H), 0.87(t,J=7.0 Hz, 6H, d-H), 0.69～0.65(m, 4H, c-H)； IRν： 3 068(Ar-H), 2 928, 2 855(CH3， CH2), 1 584, 1 449, 736(Ar-H) cm-1。

(2)3的合成

在反應(yīng)瓶中加入2 10.0 g(25.6 mmol)和適量水，攪拌下于10 ℃緩慢滴加混合酸[n(HNO3) ∶n(H2SO4)=1 ∶1]5 mL，滴畢，于10 ℃反應(yīng)7 h。倒入冰水中，用二氯甲烷(3×30 mL)萃取，合并有機(jī)相，用水洗滌，MgSO4干燥，旋蒸脫溶后經(jīng)硅膠柱層析[洗脫劑：V(二氯甲烷) ∶V(石油醚)=1 ∶3]純化得淡黃固體36.88 g，收率56%；1H NMRδ： 8.24～8.27(m, 2H, ArH), 8.18～8.19(d,J=2.02 Hz, 2H, ArH), 7.84～7.86(d,J=8.40 Hz, 2H, ArH), 2.00～2.04(m, 4H, a-H), 0.98～1.14(m, 20H, b-H), 0.72～0.75(m, 6H, d-H), 0.44～0.50(m, 4H, c-H)； IRν： 3 083(Ar-H), 2 959, 2 923, 2 853(CH3, CH2), 1 589, 1 468(Ar-H), 1 526, 1 342(NO2) cm-1。

2 結(jié)果與討論

2．1 合成條件的優(yōu)化

以2為原料，用強(qiáng)的硝化劑進(jìn)行硝化，往往很難得到單一產(chǎn)品，會(huì)生成多個(gè)不同取代度的硝基取代衍生物的混合物，包括2-硝基取代，2,4,7-三硝基取代和2,4,5,7-四硝基取代副產(chǎn)物，產(chǎn)物很難分離與提純，且產(chǎn)率降低。實(shí)驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)，反應(yīng)溫度與反應(yīng)時(shí)間對(duì)3的收率均有重要影響。因而如何進(jìn)行條件優(yōu)化，提高3的產(chǎn)率，是擴(kuò)大芴衍生物應(yīng)用的關(guān)鍵問題之一。

(1) 硝化劑種類

本文首先選擇發(fā)煙硝酸/濃硫酸、發(fā)煙硝酸/醋酸、濃硝酸/濃硫酸、濃硝酸/醋酸四種硝化劑進(jìn)行對(duì)比研究，初步確定了合適的硝化劑，進(jìn)一步考察反應(yīng)溫度及反應(yīng)時(shí)間對(duì)3收率的影響，尋找最優(yōu)硝化條件。

通過1H NMR測定各產(chǎn)物組分含量。0.44～0.50處的峰面積(A)為4，無硝基取代的2， A=8。若產(chǎn)物以四硝基取代產(chǎn)物為主， A≈4；若以三硝基取代產(chǎn)物為主， A≈5；若以二硝基取代產(chǎn)物為主， A≈6；即A越接近6越好，二硝基取代產(chǎn)物越多。

120 mmol，n(1) ∶n(HNO3)=1 ∶10，于20 ℃反應(yīng)1 h，考察硝化劑對(duì)3收率的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖1。

由圖1可見，以發(fā)煙硝酸/濃硫酸為硝化劑時(shí)，A=4.1，產(chǎn)物為三硝基及四硝基取代(絕大部分為四硝基取代)，無二取代產(chǎn)物生成，因?yàn)橄趸瘎?qiáng)度太強(qiáng)，使1的各活性位都被取代；以發(fā)煙硝酸/醋酸為硝化劑時(shí)，A=5.2，生成三硝基產(chǎn)物和二硝基產(chǎn)物，以三硝基產(chǎn)物為主。因?yàn)橛么姿岽鏉饬蛩岷螅趸瘎┑膹?qiáng)度減弱，不能生成四取代產(chǎn)物，但由于發(fā)煙硝酸的存在，仍能很容易硝化三個(gè)位置。而以濃硝酸/濃硫酸為硝化劑，A=5.8， 同樣生成三硝基產(chǎn)物和二硝基產(chǎn)物，以二硝基產(chǎn)物為主。用濃硝酸代替發(fā)煙硝酸，進(jìn)一步減弱硝化劑強(qiáng)度，獲得了以3為主的硝化產(chǎn)物。但進(jìn)一步降低硝化劑強(qiáng)度，以醋酸代替濃硫酸后，結(jié)果發(fā)現(xiàn)濃硝酸/醋酸并不能有效硝化反應(yīng)物。最終確定濃硝酸/濃硫酸為最優(yōu)硝化劑。

δ圖1 不同硝化劑下產(chǎn)物的1H NMR譜圖Figure 1 1H NMR spectra of crude product with different nitrating agent

(2) 硫酸濃度

以濃硝酸/濃硫酸為硝化劑。為進(jìn)一步增加二硝化產(chǎn)物比例，適當(dāng)降低硝化劑的強(qiáng)度，對(duì)濃硫酸進(jìn)行稀釋，n(1) ∶n(HNO3)=1 ∶18，其余反應(yīng)條件同2.1(1)，考察硫酸濃度對(duì)3收率的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1。由表1可見，隨著H2SO4濃度降低，硝化劑強(qiáng)度逐漸減弱，三硝基產(chǎn)物含量逐漸減少；但當(dāng)H2SO4度太低時(shí)，氧化性太弱，導(dǎo)致收率降低。因此確定c(H2SO4)=15.3 mol·L-1。

(3) 硝化比

c(H2SO4)=15.3 mol·L-1,其余反應(yīng)條件同2.1(1)， 考察n(1)∶n(HNO3)對(duì)收率的影響，結(jié)果見表2。由表2可見，在硝酸用量較少時(shí)產(chǎn)物較純，但收率較低；隨著硝酸用量增大，產(chǎn)生三硝化產(chǎn)物，最優(yōu)n(1) ∶n(HNO3)為1 ∶18。

(4) 反應(yīng)溫度

c(H2SO4)=15.3 mol·L-1,n(1) ∶n(HNO3)為1 ∶18,其余反應(yīng)條件同2.1(1)，考察反應(yīng)溫度對(duì)3收率的影響，結(jié)果見表3。由表3可見，隨著反應(yīng)溫度的升高，轉(zhuǎn)化率逐漸提高，產(chǎn)物中三硝基芴的含量也逐漸增加，3收率反而減少。

表 1 硫酸濃度對(duì)3收率的影響*Table 1 Effect of sulphuric acid concentrations on yield of 3

*反應(yīng)條件同2.1(1)

表 2 硝化比對(duì)3收率的影響*Table 2 Effect of ratio of nitrating agent on yield of 3

*反應(yīng)條件同表1

表 3 反應(yīng)溫度對(duì)3收率的影響*Table 3 Effect of reaction temperture on yield of 3

*c(H2SO4)=15.3 mol·L-1,n(1) ∶n(HNO3)=1 ∶18,其余反應(yīng)條件同表1

表 4 反應(yīng)時(shí)間對(duì)3收率的影響*Table 4 Effect of reaction time on yield of 3

*反應(yīng)溫度為10 ℃，其余反應(yīng)條件同表1

相比之下，在較低溫度下(0 ℃, 10 ℃)反應(yīng)，雖然轉(zhuǎn)化率較低，但3收率及純度都逐漸提高，特別是于10 ℃反應(yīng)，三硝基產(chǎn)物相對(duì)含量最低，3純度最高。為了保證產(chǎn)物的純度及3收率，最佳反應(yīng)溫度為10 ℃。

(5) 反應(yīng)時(shí)間

反應(yīng)溫度為10 ℃，其余反應(yīng)條件同2.1(1)，考察反應(yīng)時(shí)間對(duì)3收率的影響，結(jié)果見表4。由表4可見，隨著反應(yīng)時(shí)間的延長，3收率逐漸提高，同時(shí)轉(zhuǎn)化率也逐漸提高，當(dāng)反應(yīng)時(shí)間超過7 h后，產(chǎn)物成分復(fù)雜，很難純化。綜合收率及純度要求，最優(yōu)反應(yīng)時(shí)間為7 h。

3 結(jié)論

1H NMR和IR分析結(jié)果表明，以芴為原料，采用濃硝酸/稀釋濃硫酸為硝化劑，實(shí)現(xiàn)了芴二硝化產(chǎn)物(2,7-二硝基-9,9-二辛基芴)的制備控制。

最佳反應(yīng)條件為：120 mmol,n(1) ∶n(HNO3)=1 ∶18,c(H2SO4)=15.3 mol·L-1，于10 ℃反應(yīng)7 h，收率56%。

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