5-氯-1-(4-氟苯基)-1H-吲哚的合成反應(yīng)動(dòng)力學(xué)研究

王 宇，白洪濤，方 佳

(天津辰力工程設(shè)計(jì)有限公司，天津 300400)

5-氯-1-(4-氟苯基)-1H-吲哚的合成反應(yīng)動(dòng)力學(xué)研究

王 宇，白洪濤，方 佳

(天津辰力工程設(shè)計(jì)有限公司，天津 300400)

對(duì)氟溴苯 ；5-氯吲哚 ；5-氯-1-(4-氟苯基)-1H-吲哚 動(dòng)力學(xué)

5-氯-1-(4-氟苯基)-1H-吲哚是制備抗精神病藥物舍吲哚[1-2]的關(guān)鍵中間體，近年來(lái)，該產(chǎn)品的市場(chǎng)需求量日益增加，已經(jīng)引起了國(guó)內(nèi)外的重視。5-氯-1-(4-氟苯基)-1H-吲哚生產(chǎn)成本較高，反應(yīng)條件苛刻[3]，嚴(yán)格制約著該產(chǎn)品的工業(yè)化生產(chǎn)。為此，我們開(kāi)展5-氯-1-(4-氟苯基)-1H-吲哚的合成動(dòng)力學(xué)研究，為合成5-氯-1-(4-氟苯基)-1H-吲哚工藝路線(xiàn)和條件提供依據(jù)。反應(yīng)方程式如下：

5-氯吲哚和對(duì)氟溴苯的反應(yīng)屬于液-固表面反應(yīng)，產(chǎn)物5-氯-1-(4-氟苯基)-1H-吲哚的生成速率涉及到擴(kuò)散、吸附、表面反應(yīng)、脫附等諸多步驟，是一種多相反應(yīng)。但由于在反應(yīng)過(guò)程中碳酸鉀作為縛酸劑不斷的吸收反應(yīng)生成的酸，并且逆反應(yīng)速率遠(yuǎn)小于正反應(yīng)速率，所以該合成反應(yīng)可以視為不可逆反應(yīng)。為了方便起見(jiàn)，我們以A代表對(duì)氟溴苯，B代表5-氯吲哚，C代表產(chǎn)物5-氯-1-(4-氟苯基)-吲哚。將上式簡(jiǎn)單表示如下：

(1)

若生成5-氯-1-(4-氟苯基)-吲哚的動(dòng)力學(xué)方程式如下：

(2)

如果在反應(yīng)中保持或看做CB不發(fā)生變化(在反應(yīng)中，我們控制B物質(zhì)大大過(guò)量，A緩慢滴加，相對(duì)B來(lái)說(shuō)，滴加的A物質(zhì)量很少，我們可以看做CB不發(fā)生變化)，則上式可以簡(jiǎn)化為：

(3)

我們假設(shè)反應(yīng)為一級(jí)不可逆反應(yīng)，即 =1。則上式可以積分如下：

(4)

亦可表示為：

(5)

針對(duì)這種假設(shè)，實(shí)驗(yàn)需要測(cè)定不同溫度下對(duì)氟溴苯的濃度變化(LnCA)與時(shí)間(t)之間的關(guān)系。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要儀器與試劑

為了對(duì)水壓進(jìn)行有效的監(jiān)督，對(duì)子系統(tǒng)進(jìn)行保壓，保證試水的工作能夠順利的進(jìn)行，建筑中和室內(nèi)的管道相貼合的地方定是要進(jìn)行壓力表的安裝。與此同時(shí)，在進(jìn)行消防栓安裝時(shí)務(wù)必要考慮的是消防栓與外墻之間的距離，一定要確保二者之間的距離是在5～40m間，同時(shí)和路旁的距離要設(shè)置在2m之內(nèi)[4]。除此之外，以雙速風(fēng)機(jī)在控制上的理念作為依據(jù)，在控制箱的上方進(jìn)行手動(dòng)和自動(dòng)按鍵開(kāi)關(guān)的設(shè)置，低速和停高以及地啟排風(fēng)擋的設(shè)計(jì)也需要是健全的，從而使在低俗運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)火災(zāi)的信號(hào)可以及時(shí)、準(zhǔn)確捕捉到，促進(jìn)排煙擋高速的運(yùn)轉(zhuǎn)，為了使消防的安裝變得更加有效，進(jìn)行施工的時(shí)候?qū)χ绷鏖_(kāi)關(guān)的實(shí)驗(yàn)是必不可少的。

GC9800型氣相色譜儀(上?？苿?chuàng)色譜儀器有限公司)；氫氣發(fā)生器(輸出 20 mL/min，北京怡豐瑞普科技有限公司)；氮?dú)獍l(fā)生器(輸出70 mL/min，北京怡豐瑞普科技有限公司)；CL - 200型集熱式恒溫加熱磁力攪拌器(鞏義市英予華儀器廠)；SHB-Ⅲ循環(huán)水式多用真空泵(鄭州長(zhǎng)城科工貿(mào)有限公司)；R - 2010旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器(鄭州長(zhǎng)城科工貿(mào)有限公司)。

5-氯吲哚(化學(xué)純，上海睿騰化工有限公司)；對(duì)氟溴苯(化學(xué)純，武漢嘉凱隆科技發(fā)展有限公司)；其他試劑均為市售分析純。

1.2 實(shí)驗(yàn)步驟

在250 mL四口燒瓶中加入10 g 5-氯吲哚，0.95 g催化劑CuI，100 mL溶劑DMF，12 g碳酸鉀，在達(dá)到指定溫度時(shí)用滴液漏斗緩慢滴加對(duì)氟溴苯，控制溫度范圍在指定溫度±0.5 ℃，滴加完畢后，每隔60 min取樣分析，每次用移液管移取反應(yīng)液1 mL，所取樣品通過(guò)水洗除去溶劑和固體雜質(zhì)，用氣相色譜分析測(cè)定對(duì)氟溴苯的濃度變化。

1.3 分析方法

用氣相色譜儀分析不同條件下的樣品，采用面積歸一法求出各個(gè)樣品中對(duì)氟溴苯的濃度，根據(jù)對(duì)氟溴苯濃度的變化，確定出對(duì)氟溴苯濃度與時(shí)間的關(guān)系。

2 結(jié)果與討論

2.1 內(nèi)外擴(kuò)散的影響和體積變化影響的排除

測(cè)定反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)必須要排除內(nèi)外擴(kuò)散的影響[4]。當(dāng)催化劑的用量在對(duì)氟溴苯摩爾數(shù)的5%左右范圍內(nèi)，對(duì)氟溴苯的轉(zhuǎn)化率是不隨催化劑的含量增加而增大。而且實(shí)驗(yàn)中使用的催化劑量相對(duì)整個(gè)反應(yīng)體系很小，在該條件下，反應(yīng)中內(nèi)擴(kuò)散的影響可以基本忽略。在實(shí)驗(yàn)中攪拌速率大于200 r/min，外擴(kuò)散的影響可以排除。同時(shí)，本反應(yīng)的反應(yīng)過(guò)程中體積變化不大，而且每次移取反應(yīng)液1 mL，所以可以忽略反應(yīng)液體積變化對(duì)反應(yīng)體系的影響。

2.2 反應(yīng)時(shí)間與對(duì)氟溴苯濃度的關(guān)系

在5-氯-1-(4-氟苯基)-1H-吲哚的合成反應(yīng)過(guò)程中，我們采取在相同的實(shí)驗(yàn)條件下，通過(guò)改變反應(yīng)溫度來(lái)考察反應(yīng)時(shí)間對(duì)5-氯-1-(4-氟苯基)-1H-吲哚的合成反應(yīng)的影響。分別考察反應(yīng)溫度為363.15 K、373.15 K、383.15 K、393.15 K、403.15 K時(shí)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，采用最小二乘法將實(shí)驗(yàn)測(cè)定的對(duì)氟溴苯的濃度與反應(yīng)時(shí)間的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)學(xué)模擬，進(jìn)而確定此反應(yīng)的反應(yīng)級(jí)數(shù)。對(duì)氟溴苯濃度隨反應(yīng)時(shí)間的變化數(shù)據(jù)如表1和圖1所示，進(jìn)而計(jì)算出不同濃度時(shí)-LnCA的值，可以得出反應(yīng)時(shí)間t與(-LnCA)線(xiàn)性關(guān)系圖，如圖2所示。

表1 不同溫度和反應(yīng)時(shí)間下的對(duì)氟溴苯濃度 mol·L-1

圖1 對(duì)氟溴苯濃度與反應(yīng)時(shí)間的關(guān)系

圖2 t與(-LnCA)的線(xiàn)性關(guān)系

由圖2可以看出，(-LnCA)與t之間呈現(xiàn)良好的線(xiàn)性關(guān)系，可以認(rèn)為，5-氯-1-(4-氟苯基)-吲哚的合成反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的表觀反應(yīng)級(jí)數(shù)為1級(jí)[5]，其中線(xiàn)性擬合方程如表2所示。

表2 擬合方程

2.3 反應(yīng)表觀活化能的確定

為了考察反應(yīng)溫度對(duì)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程的影響，我們根據(jù)不同反應(yīng)時(shí)間對(duì)應(yīng)的對(duì)氟溴苯的實(shí)測(cè)濃度，以及由t與(-LnCA)回歸出來(lái)的動(dòng)力學(xué)參數(shù)方程，可以得出不同溫度下反應(yīng)的表觀反應(yīng)速率常數(shù)k值(表3)。并以表中實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作Lnk-1/T圖(圖3)，由圖3可以看出，Lnk-1/T呈現(xiàn)較好的線(xiàn)性關(guān)系。

圖3 速度常數(shù)與溫度的關(guān)系

T,K1/Tk,min-1Lnk403.150.0024800.718-0.331393.150.0025440.421-0.865383.150.0026100.230-1.469373.150.0026800.131-2.133363.150.0027540.029-3.540

用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合阿倫尼烏斯方程，得出Lnk與1/T的線(xiàn)性關(guān)系式為：

相關(guān)系數(shù)為0.97，由此可以計(jì)算出阿倫尼烏斯方程中的表觀活化能和指前因子分別為：Ea=10952×8.3145=91.06 kJ/mol；K0= e26.964=5.13×1011min-1。

2.4 動(dòng)力學(xué)方程驗(yàn)證

為了驗(yàn)證該反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程的可信度，現(xiàn)用積分式計(jì)算出溫度為398.15 K，不同反應(yīng)時(shí)間下所對(duì)應(yīng)的對(duì)氟溴苯的濃度CA,cal，并將其與實(shí)測(cè)濃度CA,exp進(jìn)行校驗(yàn)，其結(jié)果見(jiàn)表4，由表4數(shù)據(jù)可知，實(shí)驗(yàn)值與計(jì)算值的誤差較小，二者符合較好，可見(jiàn)理論值是比較準(zhǔn)確的。

表4 溫度為398.15 K時(shí)對(duì)氟溴苯實(shí)驗(yàn)值與計(jì)算值的比較

3 結(jié)論

(1)5-氯吲哚和對(duì)氟溴苯在催化劑作用下的Ullmann型交叉偶聯(lián)反應(yīng)屬于一級(jí)反應(yīng)，其反應(yīng)速度與溫度和對(duì)氟溴苯的濃度有關(guān)，其化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)表征方程可以表示為：

(2)在溫度363.15～403.15 K范圍內(nèi)，反應(yīng)的表觀活化能Ea=91.06 kJ/mol，是介于一般化學(xué)反應(yīng)活化能40～200 kJ/mol之間，屬于化學(xué)反應(yīng)控制過(guò)程。

[1]李建其, 葉雪雁, 黃麗瑛, 等. 一種制備舍吲哚的方法: 中國(guó), 101362748A[P]. 2009-02-11.

[2] Katja K, Christine R K.Sertindole versus other atypical antipsychotics for schizophrenia[J].Wiley Interscience, 2009, 45: 257-268.

[3] J.扎農(nóng), M.維拉, F.恰爾德拉. 舍吲哚的制備方法：CN,1642942A[P].2005-07-20.

[4] Marafi A, Kam E, Stanislaus A. A kinetic study on non-catalytic reactions in hydro processing Boscan crude oil[J].Fuel, 2008, 87(11): 2131-2140.

[5] 王正烈, 周亞平, 李松林, 等. 物理化學(xué)[M]. 北京: 高等教育出版社, 2005:195-288.

(本文文獻(xiàn)格式：王 宇，白洪濤，方 佳，等.5-氯-1-(4-氟苯基)-1H-吲哚的合成反應(yīng)動(dòng)力學(xué)研究[J].山東化工，2017，46(04)：16-18.)

Kinetic Study on Synthesis of 5 -chloro-1-(4-fluorine phenyl)-1H-indole

WangYu，BaiHongtao，F(xiàn)angJian

(Tianjin Chen Li Engineering Design Co., Ltd., Tianjin 300400, China)

fluorobromobenzene; 5-chloro-indole; 5-chloro-1-(4-fluorine phenyl)-indole; kinetics

2017-01-11

王宇(1987—)，工程師，通訊聯(lián)系人。

O643.38

A

1008-021X(2017)04-0016-03