水相合成α-溴代苯乙酮

付 瀟，彭成軍

(1.合肥工業(yè)大學(xué) 化學(xué)與化工學(xué)院，安徽 合肥 230009; 2.安徽中醫(yī)藥大學(xué)藥學(xué)院，安徽 合肥 230012)

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水相合成α-溴代苯乙酮

付 瀟1，彭成軍2

(1.合肥工業(yè)大學(xué) 化學(xué)與化工學(xué)院，安徽 合肥 230009; 2.安徽中醫(yī)藥大學(xué)藥學(xué)院，安徽 合肥 230012)

以HBr為溴化劑，H2O2為氧化劑，在水相中合成了α-溴代苯乙酮。通過實(shí)驗(yàn)優(yōu)化并確定的工藝條件為：n(苯乙烯) :n(HBr):n(H2O2)=1:1.5:2；反應(yīng)溫度為85℃；反應(yīng)時(shí)間為2.5h；收率可達(dá)94%。本方法采用綠色氧化劑H2O2，且不使用任何有機(jī)溶劑，對環(huán)境無污染，原子利用率高，操作簡單，生產(chǎn)成本低，適合于規(guī)模化生產(chǎn)。

氫溴酸；苯乙烯；雙氧水；α-溴代苯乙酮；水相

1 引言

α-溴代苯乙酮類化合物是重要的有機(jī)合成中間體，被廣泛地用于醫(yī)藥、農(nóng)藥等功能化學(xué)品的合成[1-3]。近年來，隨著生產(chǎn)和科研的需要，人們對其合成方法的研究也在不斷的深入，但總結(jié)起來都是以苯乙酮為原料在不同的溶劑[4]中用液溴、NBS、溴化銅、DBDMH等溴化劑通過α-溴代反應(yīng)進(jìn)行合成[5-9]。這些方法中的一個(gè)共同點(diǎn)是都使用了大量的有機(jī)溶劑，這些溶劑有的毒性很強(qiáng)，對環(huán)境污染嚴(yán)重；有的沸點(diǎn)很低極易揮發(fā)、甚或?qū)е氯紵?，工業(yè)生產(chǎn)存在著極大的安全問題。這些方法主要的廢液是氫溴酸，所以本文直接采用氫溴酸做溴化劑，根據(jù)α-烯烴的特性[10]使用綠色氧化劑雙氧水來共同作用，開發(fā)了一種水相中合成α-溴代苯乙酮的工藝。

2 實(shí)驗(yàn)部分

圖1 α-溴代苯乙酮的合成方程式

2.1 主要試劑及儀器

苯乙烯(AR，天津凱信化學(xué)試劑有限公司)、40%氫溴酸(AR，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司)、30%雙氧水(AR，西隴化學(xué)股份有限公司)、二氯甲烷(AR，天津大茂化學(xué)試劑有限公司)。GC-2014C氣相色譜儀(日本島津公司)，氣相色譜分析方法為內(nèi)標(biāo)法，內(nèi)標(biāo)物4-硝基甲苯。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

在裝有回流冷凝管的100mL兩口燒瓶中加入1.04g(10mmol)苯乙烯、2.2mL(15mmol)氫溴酸以及足量溶劑，然后在室溫下加入2.0mL(20mmol)雙氧水。再在85℃下反應(yīng)2.5h。產(chǎn)物經(jīng)二氯甲烷萃取并分離出有機(jī)相。有機(jī)相經(jīng)10mL飽和食鹽水溶液洗滌三次，再用水洗至中性并用無水硫酸鈉干燥，以4-硝基甲苯為內(nèi)標(biāo)物進(jìn)行氣相色譜分析。產(chǎn)物及中間產(chǎn)物由柱色譜分離后，進(jìn)行核磁分析。

α-溴代苯乙酮：1HNMR(600MHz,CDCl3)δ8.01 - 7.95 (m, 2H), 7.61 (dd,J= 7.8, 7.1Hz, 1H), 7.49 (t,J= 7.1Hz, 2H), 4.48 - 4.44 (m, 2H).

1-苯基-1,2-二溴乙烷：1HNMR(600MHz,CDCl3)δ7.42 - 7.31 (m, 5H), 5.18 - 5.09 (m, 1H), 4.09 - 3.98 (m, 2H).

3 結(jié)果與討論

3.1 雙氧水用量對合成α-溴代苯乙酮的影響

雙氧水是該反應(yīng)的主要原料，其用量對反應(yīng)有著相當(dāng)重要的作用，首先探究雙氧水對反應(yīng)的影響。我們采用5mL乙腈作為溶劑，其他條件固定的情況下，改變雙氧水的量來探究其作用。

表1 雙氧水的量對產(chǎn)率的影響

實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1，隨著雙氧水的增加，α-溴代苯乙酮的收率有相應(yīng)的增加。將序號1產(chǎn)物經(jīng)柱色譜分離，分析得到的主要副產(chǎn)物是1,2-二溴乙基苯以及少量苯乙酮。當(dāng)n(H2O2):n(苯乙烯)=14.0:1.0時(shí)，α-溴代苯乙酮的收率才達(dá)到76.2%。根據(jù)反應(yīng)方程式，當(dāng)n(H2O2):n(苯乙烯)=2.0:1.0時(shí)，反應(yīng)即可以完成，過量雙氧水中起作用的顯然不是H2O2，必然是雙氧水溶液中的水起作用。因此，在后面的研究中，我們選擇水作為反應(yīng)體系的溶劑。

3.2 氫溴酸的量對合成α-溴代苯乙酮的影響

在其他反應(yīng)條件固定的情況下，使用6mL水為溶劑，我們考察了HBr與苯乙烯不同物質(zhì)的量的比對反應(yīng)的影響。

表2 氫溴酸的量對產(chǎn)率的影響

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨氫溴酸的量增加，目標(biāo)產(chǎn)物的收率也變高。在n(HBr):n(苯乙烯)=1.7:1.0時(shí)，產(chǎn)率達(dá)到了82.7%。反應(yīng)中氫溴酸理論用量為n(HBr):n(苯乙烯)=1.0:1.0。然而采用該比例時(shí)，產(chǎn)物收率僅為68.9%，遠(yuǎn)低于氫溴酸過量時(shí)收率。這表明，多余的Br-極有可能參與了反應(yīng)的某一關(guān)鍵步驟，從而導(dǎo)致需要的HBr過量。

3.3 水溶劑下雙氧水的量對合成α-溴代苯乙酮的影響

由于采用了水作為溶劑，需要進(jìn)一步探索雙氧水用量對產(chǎn)率的影響。在上述合成條件下，我們再次考察了雙氧水與苯乙烯不同物質(zhì)的量比對反應(yīng)影響。

表3 以水為溶劑時(shí)雙氧水的量對產(chǎn)率的影響

a氮?dú)獗Ｗo(hù)下反應(yīng)。

結(jié)果見表3。當(dāng)n(H2O2):n(苯乙烯)=1.0:1.0時(shí)，苯乙烯仍然能反應(yīng)完全，并且有73.0%的收率。推測可能是在敞開體系下反應(yīng)，空氣中的氧氣也參與了反應(yīng)。于是在實(shí)驗(yàn)8中增加N2保護(hù)裝置排除體系內(nèi)的空氣。該條件下轉(zhuǎn)化率降至66.2%，產(chǎn)率降至43.1%，證明了空氣也作為一種氧化劑參與了反應(yīng)，并且在氧化劑不足的情況下，體系內(nèi)的氫溴酸氧化生成的單質(zhì)溴也會與苯乙烯發(fā)生加成。而當(dāng)加入了過量的雙氧水時(shí)，收率下降。這主要是由于雙氧水濃度高導(dǎo)致苯乙烯過度氧化成少量苯甲醛等副產(chǎn)物。

3.4 反應(yīng)溫度對合成α-溴代苯乙酮的影響

該反應(yīng)以雙氧水作為氧化劑是氧化反應(yīng)，而氧化反應(yīng)通常是放熱反應(yīng)。提高反應(yīng)溫度對加快反應(yīng)速度有促進(jìn)作用，而提高溫度對反應(yīng)平衡有一定的影響。改變反應(yīng)溫度，考查不同反應(yīng)溫度下的結(jié)果見表4。

表4 反應(yīng)溫度對產(chǎn)率的影響

在苯乙烯全部反應(yīng)完全的情況下，隨著溫度提高，產(chǎn)率也提高。在85℃下，收率達(dá)到了83.2%。85℃是最佳的溫度條件。該現(xiàn)象與放熱反應(yīng)一般原則不符，推測該反應(yīng)分多步進(jìn)行。生成α-溴代苯乙酮的步驟為主要控制步驟，且是吸熱反應(yīng)。而在90℃時(shí)產(chǎn)率下降至80.1%，推測由于雙氧水高溫下易分解，后續(xù)反應(yīng)氧化劑不足造成的。

3.5 放大實(shí)驗(yàn)

為了更好的研究其工藝，我們將反應(yīng)放大至5倍比例(苯乙烯5.2g，30%雙氧水10mL，40%氫溴酸11mL，水30mL)以研究反應(yīng)的放大效應(yīng)。

表5 放大實(shí)驗(yàn)

a反應(yīng)1h后補(bǔ)加2mL雙氧水；b反應(yīng)1h后補(bǔ)加6mL氫溴酸；c改變投料方式，在0.5h內(nèi)將10mL雙氧水加入反應(yīng)體系；d改變投料方式，在0.5h內(nèi)將8mL雙氧水加入反應(yīng)體系，反應(yīng)0.5h后加入剩余2mL。

由表5實(shí)驗(yàn)1可知，在放大了5倍量進(jìn)行反應(yīng)時(shí)產(chǎn)率下降為78.0%。經(jīng)實(shí)驗(yàn)觀察發(fā)現(xiàn)，放大后反應(yīng)體系的放熱明顯。將10mL雙氧水直接加入反應(yīng)體系時(shí)，反應(yīng)液在未加熱的情況下很快沸騰，體系溫度短時(shí)間內(nèi)過高，故推測是由于雙氧水高溫下易分解，后續(xù)反應(yīng)氧化劑不足造成產(chǎn)率下降。在實(shí)驗(yàn)2中，反應(yīng)進(jìn)行至1h時(shí)，中途補(bǔ)加2mL雙氧水，繼續(xù)反應(yīng)1.5h，產(chǎn)率變?yōu)?7.9%，故可確定由于溫度過高導(dǎo)致體系內(nèi)H2O2分解，反應(yīng)中需要H2O2參與的中間產(chǎn)物的轉(zhuǎn)化不完全。而在實(shí)驗(yàn)3中，反應(yīng)進(jìn)行1h時(shí)，補(bǔ)加6mL氫溴酸，繼續(xù)反應(yīng)1.5h，產(chǎn)率與實(shí)驗(yàn)1相比并沒有太大變化。由此可見，HBr與苯乙烯的物質(zhì)量的比值大大超過1.5并沒有作用。在實(shí)驗(yàn)4中，采用滴加方式加料，在0.5h內(nèi)將10mL雙氧水加入反應(yīng)體系，再升溫至85℃反應(yīng)2.5h。實(shí)驗(yàn)4產(chǎn)率達(dá)到87.1%，有很大提高，并且不需要中途補(bǔ)充雙氧水，證實(shí)了高溫分解雙氧水對提高產(chǎn)率有不利作用。在實(shí)驗(yàn)5中，采用分步加料，先將8mL雙氧水在0.5h內(nèi)滴加入反應(yīng)體系，85℃下反應(yīng)一段(約30min)時(shí)間后，反應(yīng)有明顯放熱現(xiàn)象(持續(xù)5min)。待放熱現(xiàn)象消失后，在保持反應(yīng)溫度的條件下加入剩余2mL雙氧水，繼續(xù)反應(yīng)2h。該操作使得產(chǎn)率達(dá)到93.9%，說明了反應(yīng)體系有兩個(gè)需要氧化劑的階段，保持體系內(nèi)雙氧水的存在能促進(jìn)產(chǎn)物生成。

3.6 反應(yīng)過程以及機(jī)理的分析

為研究反應(yīng)的具體過程與反應(yīng)機(jī)理，在反應(yīng)時(shí)根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，在不同時(shí)間點(diǎn)對反應(yīng)液組成進(jìn)行分析，結(jié)果見圖2。

圖2 不同時(shí)間的反應(yīng)液組成

實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)滴加雙氧水時(shí)，初始每加一滴雙氧水反應(yīng)液瞬間變紅棕色，而后立即褪色為白色，隨著滴加的進(jìn)行褪色過程變慢。當(dāng)全部滴加完畢(約20min)后，繼續(xù)反應(yīng)約5min溶液由白色變成紅棕色，并且放出大量的熱，體系溫度迅速升高。之后，反應(yīng)液紅棕色慢慢變淺直至變成淡黃色(約2h)，反應(yīng)終止。

圖3 可能的合成α-溴代苯乙酮機(jī)理

根據(jù)反應(yīng)現(xiàn)象，在氫溴酸和雙氧水的共同作用下合成α-溴代苯乙酮可能的反應(yīng)機(jī)理如圖3。首先，滴加雙氧水將氫溴酸氧化生成溴單質(zhì)，生成的溴單質(zhì)與溶劑中的水反應(yīng)生成氫溴酸和次溴酸；在雙氧水加入大半后，體系內(nèi)的次溴酸及溴單質(zhì)達(dá)到一定濃度并與苯乙烯發(fā)生親電加成反應(yīng)放出大量的熱，生成1-苯基-2-溴乙醇和1-苯基-1,2-二溴乙烷；生成的1-苯基-2-溴乙醇在氧化劑存在的條件下不穩(wěn)定被雙氧水以及次溴酸氧化生成α-溴代苯乙酮并分解出Br-，該過程是一個(gè)快速過程；1-苯基-1,2-二溴乙烷在水溶液中加熱條件下被慢慢水解成1-苯基-2-溴乙醇并被繼續(xù)氧化生成α-溴代苯乙酮。由機(jī)理圖可知在反應(yīng)中采用1.5倍的氫溴酸是有實(shí)際意義的，過量的Br-參與形成中間產(chǎn)物1-苯基-1,2-二溴乙烷，而在氫溴酸不足的情況下參與雙鍵加成的溴素不足從而導(dǎo)致產(chǎn)率下降。在反應(yīng)時(shí)中斷實(shí)驗(yàn)，油相用硅膠柱分離(淋洗劑為石油醚：乙酸乙酯=5：1)，得到中間產(chǎn)物1-苯基-1,2-二溴乙烷，并通過1HNMR確定。

4 結(jié)論

通過實(shí)驗(yàn)優(yōu)化并確定的工藝條件為：n(苯乙烯) :n(HBr) :n(H2O2)=1:1.5:2；控制反應(yīng)溫度85 ℃；反應(yīng)時(shí)間為2.5h；雙氧水20min滴加完畢，α-溴代苯乙酮收率可達(dá)93.9%。驗(yàn)證了該反應(yīng)分多步進(jìn)行，生成中間產(chǎn)物1-苯基-1,2-二溴乙烷，解釋了過量氫溴酸的用途。

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Synthesis of 2-Bromoacetophenone in Aqueous Phase

FUXiao1,PENGChengjun2

(1.SchoolofChemistryandChemicalEngineering,HefeiUniversityofTechnology,Hefei230009,China;2.SchoolofMedicine,AnhuiUniversityofChineseMedicine,Hefei230012,China)

TakingHBrasthebromizatingagent,H2O2astheoxidationreagent. 2-Bromoacetophenonewassynthesizedinaqueousphase.Throughtheexperiments,thetechnologicalconditionswereoptimizedanddetermined.Theoptimalfermentationconditionsweresummedupasfollows:n(styrene)∶n(HBr)∶n(H2O2)=1∶1.5∶2,at85℃for2.5hours.Thehighestyieldof94%wasobtained.Themeritsofthisnewtechnologyprocesswereenvironmentallyfriendlywithoutorganicsolvent.H2O2wasusedasgreenoxidationreagentwithgoodatomutilization,simpleoperation,lowproductioncostandsuitableforformalizationproduction.

hydrobromicacid;styrene;hydrogenperoxide; 2-bromoacetophenone;aqueousphase

2016-06-25

付瀟(1991-)，男，江西宜春人，合肥工業(yè)大學(xué)化工學(xué)院研究生，研究方向：精細(xì)有機(jī)合成。

O

A

1674-2273(2016)06-0037-04