杜治平,胡星星,董鵬,李璐瑤,陳思遠(yuǎn)
1.武漢工程大學(xué)化工與制藥學(xué)院,湖北 武漢 430074 2.綠色化工過(guò)程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(武漢工程大學(xué)),湖北 武漢 430074
6-甲基-8-氨基喹啉的合成
杜治平,胡星星,董鵬,李璐瑤,陳思遠(yuǎn)
1.武漢工程大學(xué)化工與制藥學(xué)院,湖北 武漢 430074 2.綠色化工過(guò)程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(武漢工程大學(xué)),湖北 武漢 430074
6-甲基-8-氨基喹啉是合成5-甲基-1,10-菲羅啉有機(jī)螯合配體的關(guān)鍵物種.以4-甲基-2-硝基苯胺為原料,經(jīng)Skraup反應(yīng)和還原,兩步合成了6-甲基-8-氨基喹啉.Skraup反應(yīng)中,用碘化鉀/濃硫酸代替碘作為氧化劑,通過(guò)濃硫酸的強(qiáng)氧化性實(shí)現(xiàn)碘的原位氧化還原循環(huán),使氧化劑的用量大大降低;在4-甲基-2-硝基苯胺、甘油、濃硫酸與碘化鉀的物質(zhì)的量之比為1∶3∶3∶0.1,反應(yīng)時(shí)間3 h,反應(yīng)溫度140℃的優(yōu)化條件下,6-甲基-8-硝基喹啉的收率達(dá)73.1%.以水合肼為氫化試劑,在水合肼與6-甲基-8-硝基喹啉的物質(zhì)的量之比為2∶1,質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%的Pd/C催化劑用量為6-甲基-8-硝基喹啉質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%,反應(yīng)時(shí)間9 h的優(yōu)化條件下,6-甲基-8-氨基喹啉的收率為73.5%.
6-甲基-8-硝基喹啉;水合肼;6-甲基-8-氨基喹啉;碘化鉀.
1,10-菲羅啉是由兩個(gè)吡啶環(huán)與一個(gè)苯環(huán)稠合而成的具有共軛大π鍵化合物,它既是σ電子給體,也是π電子受體,平面剛性結(jié)構(gòu)和共軛大π鍵使其具有較好的配位能力,可在溫和條件下合成配位數(shù)和空間結(jié)構(gòu)不同的配合物[1-3].1,10-菲羅啉配合物的性質(zhì)與環(huán)上取代基的電子效應(yīng)和空間效應(yīng)有關(guān),因此通過(guò)親核或親電取代在1,10-菲羅啉的不同位置上引入不同的取代基和官能團(tuán),可得到許多結(jié)構(gòu)新穎的配合物,并在分析測(cè)定、催化化學(xué)、生物無(wú)機(jī)化學(xué)中DNA分子探針和材料化學(xué)中的有機(jī)電致發(fā)光等領(lǐng)域有廣泛的用途[4-6].
5-甲基-1,10-菲羅啉因5位甲基的弱給電子效應(yīng)使其具有獨(dú)特的配位能力.課題組最近也發(fā)現(xiàn),5-甲基-1,10-菲羅啉與銅離子配位后,能顯著改善Cu2+/Cu+的氧化還原電勢(shì),作為催化劑能高效地活化分子氧,催化甲醇氧化羰基化合成碳酸二甲酯.5-甲基-1,10-菲羅啉的傳統(tǒng)合成方法是以6-甲基-8-氨基喹啉、濃硫酸和甘油為原料經(jīng)縮合得到5-甲基-1,10-菲羅啉,其中6-甲基-8-氨基喹啉的合成是關(guān)鍵.6-甲基-8-氨基喹啉是以4-甲基-2-硝基苯胺、濃硫酸和甘油為原料經(jīng)縮合得到中間體6-甲基-8-硝基喹啉、再經(jīng)還原得到,如圖1所示.6-甲基-8-硝基喹啉的合成中[7],為提高產(chǎn)物收率通常使用4-甲基-1,2-二硝基苯、FeCl3、CuCl2或I2等為氧化劑,但4-甲基-1,2-二硝基苯具有一定的毒性,與產(chǎn)物的分離困難;FeCl3和CuCl2在后處理中易產(chǎn)生沉淀,污染環(huán)境;I2的價(jià)格昂貴、容易升華,脫離反應(yīng)體系[8-9].6-甲基-8-硝基喹啉的還原一般使用金屬(鐵粉、鋅粉或氯化亞錫)還原法或催化加氫,其中前者環(huán)境污染較嚴(yán)重,后者環(huán)境友好,但氫氣的使用存在較高的安全隱患、且反應(yīng)活性高容易過(guò)度加氫,降低反應(yīng)收率[10-12].因此,針對(duì)上述問(wèn)題,本文對(duì)6-甲基-8-硝基喹啉合成中的氧化劑、6-甲基-8-硝基喹啉加氫中的氫源和催化劑進(jìn)行了篩選和探索研究,并對(duì)兩步合成的工藝條件分別進(jìn)行了優(yōu)化.
圖1 6-甲基-8-氨基喹啉的合成路線Fig.1 Synthesis route of 6-methyl-8-nitro-quinoline
1.1 主要儀器與試劑
儀器:DF-101s恒溫加熱磁力攪拌器(鄭州長(zhǎng)城科工貿(mào)有限公司)、旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀、熔點(diǎn)儀、EQUINOX55傅里葉變換紅外光譜儀、ADVANCE 500 Hz核磁共振儀.
試劑:丙三醇、濃硫酸、碘化鉀(KI)、4-甲基-2-硝基苯胺、質(zhì)量分?jǐn)?shù)85%水合肼、二氯甲烷、乙醇、石油醚、濃氨水、苯(以上試劑均為中國(guó)醫(yī)藥集團(tuán)上?;瘜W(xué)試劑公司,AR)、質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%Pd/C.
1.2 6-甲基-8-硝基喹啉的合成
100 mL的三口燒瓶中加入9.2 g(99.9 mmol)的甘油,在160℃下加熱1h,然后于氮?dú)饬髦凶匀焕鋮s至110℃,加入5 g(33 mmol)4-甲基-2-硝基苯胺和0.54 g(3.3 mmol)的KI,劇烈攪拌下升溫至140℃,再緩慢滴加5 ml(93.37 mmol)濃硫酸.滴加完畢,繼續(xù)反應(yīng)3 h,冷卻至室溫,用二氯甲烷萃取,有機(jī)層用無(wú)水硫酸鎂干燥,過(guò)濾、旋蒸,所得固體用甲醇:正己烷(1∶10)的溶液洗滌,再用乙醇重結(jié)晶,得紅色針狀6-甲基-8-硝基喹啉晶體4.54 g,收率:73.1%,熔點(diǎn)121~122℃.IR(KBr,cm-1):3049,2964,2914,2852,1630,1529,1507,1425,1359,626.
1.3 6-甲基-8-氨基-喹啉的合成
在250 mL的三口燒瓶中加入3 g(16 mmol)的6-甲基-8-硝基喹啉,0.30 g質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%的Pd/C及40 mL乙醇,緩慢滴加質(zhì)量分?jǐn)?shù)85%水合肼2 g的乙醇溶液,回流反應(yīng)9 h,趁熱過(guò)濾,旋蒸得粗品.將該粗品經(jīng)色譜柱分離,洗脫系統(tǒng)選擇乙酸乙酯:己烷(1∶3).最后用石油醚重結(jié)晶,得黃色針狀6-甲基-8-氨基-喹啉晶體1.86g,收率:73.5%,熔點(diǎn)72.4~73℃.IR(KBr,cm-1)∶3 362,3 058,2 964,2 914,2 852,1 511,1 424,1 622;1HNMR(400 MHz,CDCl3,ppm)∶8.69(dd,1H),9.09(dd,1H),8.31(dd,1H),8.08(dd,1H),7.55(dd,1H),7.62(dd,1H),7.49(s,1H),2.43(s,3H).
本研究采用Skraup法合成6-甲基-8-硝基喹啉,即以4-甲基-2-硝基苯胺、濃硫酸和甘油為原料經(jīng)縮合得到中間體6-甲基-8-硝基喹啉,再通過(guò)選擇性加氫得到6-甲基-8-氨基喹啉.
2.1 6-甲基-8-硝基喹啉的合成工藝優(yōu)化
2.1.1 氧化劑的選擇Skraup法合成6-甲基-8-硝基喹啉的反應(yīng)分為4步:第1步,甘油在濃硫酸的作用下脫水生成丙烯醛;第2步,4-甲基-2-硝基苯胺與丙烯醛進(jìn)行Michael加成,生成1,2-加成產(chǎn)物;第3步,硫酸催化環(huán)化和脫水,生成6-甲基-8-硝基二氫喹啉;第4步,6-甲基-8-硝基二氫喹啉氧化脫氫生成6-甲基-8-硝基喹啉.其反應(yīng)過(guò)程如圖2所示.反應(yīng)中氧化劑主要用于6-甲基-8-硝基二氫喹啉的脫氫,論文比較了FeCl3、硝基苯、CuCl2、Fe2O3以及KI/濃H2SO4作為氧化劑對(duì)合成6-甲基-8-硝基喹啉的影響.結(jié)果如表1所示.
圖2 6-甲基-8-硝基喹啉的合成Fig.2 Synthesis of 6-methyl-8-nitro-quinoline
表1 不同氧化劑對(duì)反應(yīng)的影響Table 1 Effect of oxidant agents on the reaction
從表1可知,以FeCl3和CuCl2為氧化劑時(shí),6-甲基-8-硝基喹啉的收率從硝基苯的21.3%提高到了27%;而使用Fe2O3時(shí)產(chǎn)物的收率能進(jìn)一步提高到38.6%.碘也可用作該反應(yīng)的氧化劑,但考慮到反應(yīng)體系中的濃硫酸過(guò)量,且濃硫酸能將碘離子原位氧化成碘,因此研究了碘化鉀/濃硫酸對(duì)合成6-甲基-8-硝基喹啉的影響.從表1可知,當(dāng)以碘化鉀/濃硫酸為氧化劑時(shí),6-甲基-8-硝基喹啉的收率最高,達(dá)到68.3%.這可能與碘的氧化還原電勢(shì)φ(I2/I-)0.54 V與該反應(yīng)的高效氧化劑As2O5的氧化還原電勢(shì)0.56 V相近有關(guān)[8-9].另外,KI/濃硫酸作為氧化劑不但可以避免As2O5的劇毒,而且碘化鉀易溶于水,后處理比FeCl3、CuCl2等更簡(jiǎn)單,因此選取KI/濃H2SO4為氧化劑.
2.1.2 氧化劑用量的影響Skraup合成法中,碘與苯胺的物質(zhì)的量之比常大于1∶1,而碘的價(jià)格較高,因此生產(chǎn)成本高.Skraup反應(yīng)中,由于濃硫酸的用量為4-甲基-2-硝基苯胺的3倍,且其氧化性能將碘離子氧化成碘,而碘選擇性地氧化6-甲基-8-硝基-二氫喹啉為6-甲基-8-硝基喹啉后,自身又被還原成碘離子,這樣碘離子實(shí)際上是傳遞電子的媒介(如圖3所示),因此碘化鉀的用量應(yīng)該只需催化量即可.故在n(4-甲基-2-硝基苯胺)∶n(甘油)∶n(濃硫酸)=1∶3∶3、反應(yīng)時(shí)間3 h、溫度140℃的條件下,研究了碘化鉀的用量對(duì)合成6-甲基-8-硝基喹啉的影響.
圖3 KI的氧化還原Fig.3 Redox of KI
由圖4可知,隨著碘化鉀與4-甲基-2-硝基苯胺的物質(zhì)的量之比從0.02∶1增加到0.1∶1,6-甲基-8-硝基喹啉的收率從55.0%增加到了73.1%.這表明提高KI的用量可以原位提高氧化劑I2的濃度,從而增加氧化反應(yīng)速率,有利于產(chǎn)物收率的提高.當(dāng)?shù)饣浀挠昧繌?.1∶1增加到0.12∶1時(shí),收率僅增加到了0.2%,基本維持不變;隨著物質(zhì)的量之比進(jìn)一步增加到1∶1,收率反而下降到68.3%,因而適宜的碘化鉀與4-甲基-2-硝基苯胺的物質(zhì)的量之比為0.1∶1.
圖4 碘化鉀用量對(duì)反應(yīng)的影響Fig.4 Effect of amount of KI on the reaction
2.1.3 反應(yīng)溫度影響在n(4-甲基-2-硝基苯胺):n(甘油)∶n(濃硫酸)=1∶3∶3、n(KI)∶n(4-甲基-2-硝基苯胺)=0.1∶1、反應(yīng)時(shí)間3 h的條件下,研究了反應(yīng)溫度對(duì)合成6-甲基-8-硝基喹啉的影響.從圖5可知,溫度為110℃時(shí),反應(yīng)速率低,收率僅20.4%;隨著溫度升高,反應(yīng)速率加快,收率不斷增加;當(dāng)溫度為140℃時(shí),收率最高,達(dá)到73.1%.但繼續(xù)升高溫度,由于濃硫酸的強(qiáng)氧化性,反應(yīng)中的原料和產(chǎn)物易被碳化,產(chǎn)生大量的焦油,從而收率下降.另外焦油不僅會(huì)吸附一些產(chǎn)物,而且也給后續(xù)產(chǎn)品的分離提純帶來(lái)困難.因此合適的反應(yīng)溫度為140℃.
圖5 反應(yīng)溫度對(duì)反應(yīng)的影響Fig.5 Effect of reaction temperature on the reaction
2.1.4 反應(yīng)時(shí)間對(duì)收率的影響在n(4-甲基-2-硝基苯胺)∶n(甘油)∶n(濃硫酸)=1∶3∶3、n(KI)∶n(4-甲基-2-硝基苯胺)=0.1∶1,反應(yīng)溫度140℃的條件下,考察了反應(yīng)時(shí)間對(duì)合成6-甲基-8-硝基喹啉的影響.由圖6可知,反應(yīng)時(shí)間過(guò)短,反應(yīng)不充分,6-甲基-8-硝基喹啉的收率低;隨著反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng),反應(yīng)充分,收率不斷提高.當(dāng)反應(yīng)時(shí)間為3h時(shí),收率達(dá)到最大值73.1%.反應(yīng)時(shí)間超過(guò)3 h后,由于反應(yīng)溫度高和濃硫酸的強(qiáng)氧化性,原料和產(chǎn)物容易碳化,副產(chǎn)物焦油增多,收率下降.因此優(yōu)化反應(yīng)時(shí)間為3 h.
圖6 反應(yīng)時(shí)間對(duì)反應(yīng)的影響Fig.6 Effect of reaction time on the reaction
2.2 6-甲基-8-氨基喹啉的合成工藝
2.2.1 催化劑用量常用的鐵粉、鋅粉、SnCl2等還原劑的后處理繁瑣,且環(huán)境污染嚴(yán)重;而催化加氫存在使用氫氣的安全隱患等問(wèn)題,因此本研究選用性能安全、反應(yīng)條件溫和的水合肼為氫源、質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%的Pd/C為催化劑,在n(水合肼)∶n(6-甲基-8-硝基喹啉)=2∶1,反應(yīng)時(shí)間9 h的條件下,討論了催化劑的用量(Pd/C量占6-甲基-8硝基喹啉的質(zhì)量百分?jǐn)?shù))對(duì)反應(yīng)的影響,結(jié)果如圖7所示.
圖7 催化劑的用量對(duì)反應(yīng)的影響Fig.7 Effect of amount of Pd/C on the reaction
當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%的Pd/C用量為3%時(shí),6-甲基-8-氨基喹啉的收率為54.8%.隨著催化劑用量的增加,反應(yīng)中的活性中心數(shù)目增多,還原速率加快,收率逐漸提高;當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%的Pd/C用量為10%時(shí),收率達(dá)到73.5%.此后繼續(xù)增加催化劑的用量,由于受反應(yīng)物分子吸附和擴(kuò)散的影響,反應(yīng)速率并沒(méi)有明顯增加,因此,產(chǎn)物收率增加并不明顯.故適宜的催化劑用量為10%.
2.2.2 水合肼用量影響在質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%的Pd/ C催化劑用量為10%,反應(yīng)時(shí)間9 h的條件下,考察了水合肼與6-甲基-8-硝基喹啉的物質(zhì)的量之比對(duì)合成反應(yīng)的影響.由圖8可知,當(dāng)物質(zhì)的量之比為0.5∶1時(shí),6-甲基-8-氨基喹啉的收率為59.6%;隨著水合肼用量的增加,收率逐漸增大,并在物質(zhì)的量之比為2∶1時(shí),產(chǎn)物收率達(dá)到73.5%;繼續(xù)增加物質(zhì)的量至2.5∶1,產(chǎn)物的收率僅增加了0.4%,因此合適的水合肼與6-甲基-8-硝基喹啉的物質(zhì)的量之比為2∶1.
2.2.3 反應(yīng)時(shí)間影響在n(水合肼)∶n(6-甲基-8-硝基喹啉)=2∶1,質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%的Pd/C催化劑用量為10%的條件下,考察了還原反應(yīng)時(shí)間對(duì)反應(yīng)的影響,結(jié)果如圖9所示.當(dāng)反應(yīng)為6 h,由于反應(yīng)不充分,6-甲基-8-氨基喹啉的收率低,只有53.6%.隨著反應(yīng)時(shí)間延長(zhǎng)到9 h時(shí),收率達(dá)到73.5%,相比5 h增加了19.9%.將反應(yīng)時(shí)間繼續(xù)由9 h延長(zhǎng)到10 h時(shí),產(chǎn)物的收率僅增加了0.3%.可見(jiàn),反應(yīng)時(shí)間以9 h為佳.
圖8 水合肼用量對(duì)反應(yīng)的影響Fig.8 Effect of amount of hydrazine hydrate on the reaction
圖9 反應(yīng)時(shí)間對(duì)反應(yīng)的影響Fi.g9 Effect of reaction time on the reaction
以4-甲基-2-硝基苯為原料,采用Skraup法合成6-甲基-8-硝基喹啉的優(yōu)化條件為∶4-甲基-2-硝基苯胺、甘油、濃硫酸與KI的物質(zhì)的量之比為1∶3∶3∶0.1,反應(yīng)時(shí)間3 h,反應(yīng)溫度140℃.在此優(yōu)化條件下,6-甲基-8-硝基喹啉的收率達(dá)73.1%.
采用水合肼為氫化試劑,在水合肼與6-甲基-8-硝基喹啉的物質(zhì)的量之比為2∶1,催化劑用量為6-甲基-8-硝基喹啉質(zhì)量的10%,反應(yīng)時(shí)間9 h時(shí),6-甲基-8-氨基喹啉的收率為73.5%.
4-甲基-2-硝基苯胺為原料通過(guò)環(huán)化、還原兩步反應(yīng)合成6-甲基-8-氨基喹啉中間體,為后續(xù)合成5-甲基-1,10-菲羅啉有機(jī)配體奠定了基礎(chǔ),對(duì)合成所需的5-甲基-1,10-菲羅啉有機(jī)銅配合物催化劑具有重要作用.
致謝
感謝國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)的資助!
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Synthesis of 6-methyl-8-amino quinoline
DU Zhi-Ping,HU Xing-xing,DONG Peng,LI Lu-yao,CHEN Shi-yuan
1.School of Chemical Engineering and Pharmacy,Wuhan Institute of Technology,Wuhan 430074,China;2.Hubei Key Laboratory of Novel Chemical Reactor&Green Chemical Technology(Wuhan Institute of Technology),Wuhan 430074,China
6-methyl-8-amino quinoline is the key species in the synthesis of 5-methyl-1,10-phenanthroline organic chelating ligand.6-methyl-8-amino quinoline was synthesized by two steps after Skraup reaction and reduction with 4-methyl-2-nitro aniline as the material.In the Skraup reaction,the amount of oxidant was greatly reduced using potassium iodine/sulfuric acid instead of iodine as an oxidant because the strong oxidizability of concentrated sulfuric acid resulted in iodine ion in situ redox cycle.The yield of 6-methyl-8-nitro quinoline reaches 73.1%when the reaction was carried out with the molar ratio of 4-methyl-2-nitro aniline,glycerol,concentrated sulfuric acid to potassium iodide of 1∶3∶3∶0.1,reaction time of 3 h and reaction temperature of 140℃.The yield of 6-methyl-8-amino quinoline is 73.5%using hydrazine hydrate as a hydrogenation reagent,at the conditions of the molar ratio of hydrazine hydrate to 6-methyl-8-nitroquinoline of 2∶1,the 10%dosage of 1∶10 mass fraction of palladium carbon hydrogenation catalyst and 6-methyl-nitroquinoline,and reaction time of 9 h.
6-methyl-8-nitroquinoline;hydrazine hydrate;6-methyl-8-aminoquinoline;potassium iodide
A
10.3969/j.issn.1674-2869.2015.07.005
1674-2869(2015)07-0019-05
本文編輯:張瑞
2015-05-27
國(guó)家自然科學(xué)基金(21276201)
杜治平(1971-),男,湖北仙桃人,副教授,博士,碩士研究生導(dǎo)師.研究方向:綠色合成及催化.