杯芳冠醚的合成及其催化合成對(duì)氟硝基苯

李成龍，徐珍，呂早生，嚴(yán)若康，劉秋鴿，吳洋（武漢科技大學(xué)化學(xué)工程與技術(shù)學(xué)院，湖北省煤轉(zhuǎn)化與新型碳材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430081）

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研究開(kāi)發(fā)

杯芳冠醚的合成及其催化合成對(duì)氟硝基苯

李成龍，徐珍，呂早生，嚴(yán)若康，劉秋鴿，吳洋
（武漢科技大學(xué)化學(xué)工程與技術(shù)學(xué)院，湖北省煤轉(zhuǎn)化與新型碳材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430081）

摘要：鹵素交換氟化反應(yīng)是合成含氟芳香化合物的重要方法之一，相轉(zhuǎn)移催化劑對(duì)鹵素交換氟化反應(yīng)來(lái)說(shuō)幾乎是不可或缺的。本文以對(duì)叔丁基杯[4]芳烴和四甘醇二對(duì)甲苯磺酸酯為原料，在K2CO3存在下，合成了對(duì)叔丁基杯[4]-冠-5，將對(duì)叔丁基杯[4]-冠-5作為相轉(zhuǎn)移催化劑應(yīng)用于對(duì)氯硝基苯的氟化反應(yīng)中，以檢測(cè)其作為相轉(zhuǎn)移催化劑在氟化反應(yīng)中的催化活性,同時(shí)考察了反應(yīng)時(shí)間、反應(yīng)溫度、不同相轉(zhuǎn)移催化劑對(duì)鹵素交換氟化反應(yīng)的影響。結(jié)果表明對(duì)叔丁基杯[4]-冠-5對(duì)氟化反應(yīng)具有相轉(zhuǎn)移催化能力，研究發(fā)現(xiàn)以杯芳冠醚作相轉(zhuǎn)移催化劑，使產(chǎn)品收率得到了明顯提高。在對(duì)叔丁基杯[4]-冠-5的催化下，反應(yīng)3h，反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率和收率分別為96.53%、90.8%。關(guān)鍵詞：有機(jī)化合物；鹵素交換氟化；催化

鹵素交換氟化是合成含氟化合物最常用的方法，在鹵素交換氟化中往往需要加入相轉(zhuǎn)移催化劑（PTC），通過(guò)PTC與微水相中的離子結(jié)合并利用自身對(duì)有機(jī)溶劑的親和性，將水相中的反應(yīng)物轉(zhuǎn)移到有機(jī)相中，促使反應(yīng)能夠進(jìn)行。常用的相轉(zhuǎn)移催化劑有季銨鹽、季鹽、冠醚和鏈醚，以及最近報(bào)道的離子液體在氟化反應(yīng)中的應(yīng)用[1-4]，但是季鹽和冠醚的價(jià)格昂貴、毒性大；鏈狀聚醚的催化活性低，且吸水性強(qiáng)；季銨鹽的熱穩(wěn)定性差，高溫下常容易發(fā)生分解。杯芳烴是繼環(huán)糊精、冠醚之后出現(xiàn)的第三代超分子化合物，它集冠醚和環(huán)糊精兩者之所長(zhǎng)，對(duì)許多金屬離子或其他正離子有很強(qiáng)的配位能力[5]。將杯芳烴單元與冠醚片段橋聯(lián)就得到穩(wěn)定的杯冠化合物，可以消除小分子冠醚的毒性。有研究報(bào)道了杯[4]冠-4、杯[4]冠-5、杯[4]冠-6分別對(duì)Na+、K+、 Cs+表現(xiàn)出很強(qiáng)的選擇性[6]。杯芳冠醚通過(guò)與鉀離子絡(luò)合，在溶劑體系中形成“裸氟離子”，使氟化反應(yīng)得以進(jìn)行，從而起到相轉(zhuǎn)移催化的作用。因此本文合成了對(duì)叔丁基杯[4]-冠-5(1)將其應(yīng)用于鹵素交換氟化反應(yīng)中合成對(duì)氟硝基苯，探討其在鹵素交換氟化反應(yīng)中的相轉(zhuǎn)移催化性能，如式(1)、式(2)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要儀器及試劑

傅里葉變換紅外光譜 VERTEX 70（德國(guó)Bruker公司），600M超導(dǎo)核磁共振波譜儀600MHz DD2（美國(guó)Agilent），氣相色譜儀HP6890Plus（美國(guó)Agilent），旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀SENCOR（上海申生科技有限公司）。

所用試劑均為分析純，乙腈、二甲亞砜加入4A分子篩充分干燥，碳酸鉀在馬弗爐中 500℃中干燥2h備用，噴霧干燥KF使用前馬弗爐550℃中干燥10h備用。對(duì)叔丁基杯[4]芳烴按文獻(xiàn)[7]的方法合成。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 四甘醇二對(duì)甲苯磺酸酯的合成

將19.4g（17.2mL，0.1mol）四甘醇和70mL四氫呋喃（THF）倒入500mL三口燒瓶中，磁力攪拌，0℃以下（冰鹽浴）將12.01g（0.3mol）NaOH溶解在60mL水中，緩慢加入反應(yīng)器。將42.02g（0.22mol）對(duì)甲苯磺酰氯溶解在100mL四氫呋喃（THF）中緩慢地滴加入反應(yīng)器，2h內(nèi)滴完，0℃以下攪拌2h。

反應(yīng)結(jié)束后，往燒瓶中加入 2mol/L NaOH 100mL，攪拌10min后加入50mLCH2Cl2，在500mL分液漏斗中萃取，保留有機(jī)相，水相用CH2Cl2萃取2次，合并有機(jī)相，用2mol/L HCl和蒸餾水將有機(jī)相洗至中性，加入MgSO4干燥，過(guò)夜。過(guò)濾后在旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀上蒸除CH2Cl2，得淺棕色油狀物質(zhì)，即產(chǎn)物四甘醇二對(duì)甲苯磺酸酯 30.53g，產(chǎn)物收率為60.76%。IR(KBr)：2916cm–1，1598cm–1，1454cm–1， 1355cm–1，1178cm–1，919 cm–1，813 cm–1，769cm–1，663cm–1。1H NMR（600MHz，DMSO）δ：7.76(d，J=8.2Hz，4H，o-ArHSO2)，7.44(d，J=8.0Hz，4H，m-ArHSO2)，4.15(t，J=4.2Hz 4H，CH2OTs)，3.64～3.35(m，12H，—CH2CH2O)，2.39(s，6H，CH3)。

1.2.2 對(duì)叔丁基杯[4]-冠-5的合成

在250mL三口燒瓶中分別加入2.19g（3.38mol）對(duì)叔丁基杯[4]芳烴，1.92g（3.82mol）四甘醇二對(duì)甲基苯磺酸酯，0.53g（3.82mol）K2CO3，150mL的乙腈，在N2保護(hù)下回流反應(yīng)24h。反應(yīng)結(jié)束后過(guò)濾，將濾液減壓蒸餾去除乙腈，得淺黃色固體。將固體溶解在50mL CH2Cl2和10mL水中，振蕩，靜置分層。取有機(jī)相分別用50mL10% HCl和50mL水洗滌2次，洗滌完后在有機(jī)相中加入MgSO4干燥，過(guò)夜。過(guò)濾后在旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀上蒸除CH2Cl2，得到淺黃色固體，即對(duì)叔丁基杯[4]-冠-5粗產(chǎn)品。粗產(chǎn)物用柱色譜提純（洗脫劑為正己烷∶乙酸乙酯=3∶1），得到產(chǎn)物對(duì)叔丁基杯[4]-冠-5。IR(KBr)：3436 cm–1，2958cm–1，2866 cm–1，1598cm–1，1485cm–1，1455cm–1，1395cm–1，1300cm–1，1200cm–1，1120cm–1。1H NMR（600MHz，CDCl3）δ：7.07（s，4H，ArH），6.75（s，4H，ArH），4.37（d，J=13.0Hz，4H，ArCH2Ar），4.14-3.77（m，16H，OCH2CH2O），3.29（d，J=13.0Hz，4H，ArCH2Ar），1.31（s，18H，C(CH2)3），0.91[s，18H，C(CH2)3]。

1.2.3 對(duì)氟硝基苯合成

在 100mL三口燒瓶中加入處理后的 SD-KF 1.2g(20mmol)、對(duì)叔丁基杯[4]冠-5 0.1g、20mL的DMSO和適量甲苯，攪拌升溫進(jìn)行共沸去H2O，去H2O完畢后，蒸出甲苯。然后加入對(duì)氯硝基苯1.6g (10mmol)，在N2保護(hù)下于一定溫度下反應(yīng)，GC跟蹤。反應(yīng)完畢，冷卻后濾出無(wú)機(jī)鹽，用適量DMSO洗滌濾餅，取樣GC分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 對(duì)叔丁基杯［4］-冠-5的催化性能

為了探討合成的對(duì)叔丁基杯[4]-冠-5在鹵素交換氟化反應(yīng)中的催化活性，在合成對(duì)氟硝基苯的氟化體系中研究了不加催化劑和加入對(duì)叔丁基杯[4]-冠-5催化的氟化反應(yīng)，結(jié)果見(jiàn)表1。

從表1可以看出，在相同的氟化體系中，對(duì)叔丁基杯[4]-冠-5催化與沒(méi)有添加催化劑相比，提高了反應(yīng)速度，縮短了反應(yīng)時(shí)間，同時(shí)使氟化產(chǎn)物的收率增加。在對(duì)叔丁基杯[4]-冠-5催化下，在190℃反應(yīng) 3h時(shí)體系中的對(duì)氯硝基苯的轉(zhuǎn)化率達(dá)到96.53%，產(chǎn)物收率可達(dá)90.8%，而沒(méi)有催化劑的氟化反應(yīng)4h產(chǎn)物收率為77.44%。由此可見(jiàn)，對(duì)叔丁基杯[4]-冠-5在鹵素交換氟化中具有良好的相轉(zhuǎn)移催化活性，可以作為相轉(zhuǎn)移催化劑用于鹵素交換氟化反應(yīng)。

2.2 反應(yīng)時(shí)間對(duì)氟化反應(yīng)的影響

從表 1中可知，對(duì)叔丁基杯[4]-冠-5的加入提高了反應(yīng)速率，因此探討了反應(yīng)時(shí)間對(duì)氟化反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率和產(chǎn)率的影響，反應(yīng)體系中投料比 n(KF)∶n(PCAD)=2，溶劑為20mLDMSO，反應(yīng)溫度190℃，催化劑由于分子量較大均添加0.1g，反應(yīng)過(guò)程中取樣由氣相色譜檢測(cè)，并與不加催化劑做比較，結(jié)果見(jiàn)圖2和圖3。

從圖2中可知，沒(méi)有催化劑存在下，氯化物在6h時(shí)接近反應(yīng)完全，氟化產(chǎn)物收率達(dá)到最高，繼續(xù)延長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間，產(chǎn)物收率有所下降；在體系中添加了對(duì)叔丁基杯[4]-冠-5，3h時(shí)轉(zhuǎn)化率到達(dá)96.53%，產(chǎn)物收率為90.8%，4h時(shí)反應(yīng)物反應(yīng)完全，產(chǎn)物收率反而有所下降，為 90.3%，可知在添加催化劑時(shí)最佳反應(yīng)時(shí)間為3h，沒(méi)有添加催化劑的最佳反應(yīng)時(shí)間為6h，這主要是反應(yīng)時(shí)間延長(zhǎng)，原料繼續(xù)反應(yīng)使轉(zhuǎn)化率增加，但隨著反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)，增加了副產(chǎn)物的生成機(jī)會(huì)，反而使得反應(yīng)收率下降。從圖2和圖3的對(duì)比試驗(yàn)可知，在對(duì)叔丁基杯[4]-冠-5催化下的氟化反應(yīng)反應(yīng)速率大大提高，反應(yīng)時(shí)間縮短一半，并且提高了氟化反應(yīng)的收率。

2.3 反應(yīng)溫度對(duì)氟化反應(yīng)的影響

鹵素交換氟化通常需要較長(zhǎng)的反應(yīng)時(shí)間和較高的反應(yīng)溫度，在這樣的體系中反應(yīng)的選擇性較低，副反應(yīng)較多。因此如果能降低反應(yīng)溫度或縮短反應(yīng)時(shí)間，將減少副產(chǎn)物的生成。在相同的氟化體系中，研究了對(duì)叔丁基杯[4]-冠-5催化下不同溫度對(duì)氟化產(chǎn)物收率的影響，結(jié)果見(jiàn)表2。

較高的溫度有利于氟化反應(yīng)的進(jìn)行，溫度降低可能導(dǎo)致反應(yīng)難以進(jìn)行。表2中顯示在對(duì)叔丁基杯[4]-冠-5的催化下，溫度降低反應(yīng)仍具有一定的反應(yīng)速度，150℃反應(yīng)6h，產(chǎn)物產(chǎn)率仍有51.84%。在沒(méi)有催化劑的作用下，170℃反應(yīng)6h產(chǎn)物產(chǎn)率只有36.4%。在低溫下反應(yīng)速度較慢，延長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間導(dǎo)致副產(chǎn)物增多，190℃反應(yīng)4h與3h相比，由于反應(yīng)時(shí)間延長(zhǎng)導(dǎo)致選擇性下降。從表2中可知，在較低的溫度下，對(duì)叔丁基杯[4]-冠-5仍有較好的催化活性。

2.4 不同催化劑催化合成對(duì)氯硝基苯

表1 對(duì)叔丁基杯［4］-冠-5的催化性能

圖2 不同反應(yīng)時(shí)間轉(zhuǎn)化率的變化

圖3 不同反應(yīng)時(shí)間產(chǎn)率的變化

表2 溫度對(duì)產(chǎn)物收率的影響

表3 不同催化劑對(duì)產(chǎn)物收率的影響

2.5 對(duì)叔丁基杯［4］-冠-5催化氟化反應(yīng)機(jī)理的探討鹵素交換氟化反應(yīng)是一個(gè)非均相體系，體系中存在有機(jī)相、微水相、固相，由于KF難溶于有機(jī)相，導(dǎo)致氟化反應(yīng)難以進(jìn)行，因此需要在相轉(zhuǎn)移催化下進(jìn)行反應(yīng)。對(duì)叔丁基杯[4]-冠-5在合成對(duì)氟硝基苯時(shí)起到相轉(zhuǎn)移催化的作用，如圖 4，對(duì)叔丁基杯[4]-冠-5將 K+絡(luò)合使 F–裸露形成“裸氟離子”，對(duì)叔丁基杯[4]-冠-5將K+和F-從微水相萃取到有機(jī)相，增加了有機(jī)相中的氟離子濃度，從而使氟化反應(yīng)迅速進(jìn)行。

圖4 對(duì)叔丁基杯[4]-冠-5與K+的配位作用

3 結(jié) 論

鹵素交換氟化是合成含氟化合物最常用的方法，本文合成了對(duì)叔丁基杯[4]-冠-5，并將對(duì)叔丁基杯[4]-冠-5用于催化合成對(duì)氟硝基苯，在氟化反應(yīng)中對(duì)叔丁基杯[4]-冠-5具有良好的催化活性，與常用的相轉(zhuǎn)移催化劑相比，在對(duì)叔丁基杯[4]-冠-5催化下，反應(yīng)速率大大提高。杯芳冠醚的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性好，催化活性高，因此可以作為鹵素交換氟化反應(yīng)的相轉(zhuǎn)移催化劑。

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第一作者：李成龍（1991—），男，本科。聯(lián)系人：徐珍，講師，研究方向?yàn)榫?xì)有機(jī)化學(xué)的合成研究。E-mail：xuzhen@wust.edu.cn。

中圖分類號(hào)：TQ 246.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1000-6613（2016）07-2109-05

DOI：10.16085/j.issn.1000-6613.2016.07.024

收稿日期：2015-10-12；修改稿日期：2015-12-01。

基金項(xiàng)目：2014年湖北省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（201410488033）。

Synthesis of calixcrown ethers and its catalytic activity in synthesis of 4-fluoronitrobenzene

LI Chenglong，XU Zhen，Lü Zaosheng，YAN Ruokang，LIU Qiuge，WU Yang
（Chemical Engineering Academy of Wuhan University of Science and Technology，Hubei Coal Conversion and New Carbon Materials Key Laboratory，Wuhan 430081，Hubei，China）

Abstract：Halogen-exchange fluorination is the main method to synthesize fluorinated aromatics.Phase transfer catalysts(PTCs) are essential for the halogen-exchange fluorination.The p-tert-butylcalix[4]-arene- crown-5 was synthesized from p-tert-butylcalix[4]arene and tetraethylene glycol ditosylate in the presence of K2CO3，and it was used as the phase transfer catalyst in the fluoridation of chlorine nitrobenzene to investigate its performance in the fluorination.The influences of fluorination reaction conditions，such as the reaction time，temperature and different catalysts were investigated.The catalytic activities of p-tert-butylcalix[4]arene- crown-5 were verified.It was found that the yields of the reaction with p-tert-butylcalix[4]arene-crown-5 as PTC were improved.Catalyzed by p-tert-butylcalix[4]arene-crown-5 for 3 h，the reaction had a conversion of 96.53% and the yield of 4-fluoronitrobenzene was 90.8%.

Key words：organic compounds；halogen exchange fluorination；catalysis