CN103450044A

CN103450044A - 一种芳族偶氮化合物的合成方法

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Publication number: CN103450044A
Application number: CN2013103499267A
Authority: CN
Inventors: 吴华悦; 陈久喜; 王兴永; 刘妙昌; 高文霞; 黄小波
Original assignee: Wenzhou University
Current assignee: Wenzhou University
Priority date: 2013-08-12
Filing date: 2013-08-12
Publication date: 2013-12-18
Anticipated expiration: 2033-08-12
Also published as: CN103450044B

Abstract

本发明提供了一种芳族偶氮化合物的合成方法，所述方法以PEG-200为催化剂，在促进剂碱存在下和有机溶剂中以及惰性气体保护下，任选存在去离子水的情况中，使芳族硝基化合物反应而制备得到芳族偶氮化合物。该反应条件温和、操作简便、收率高、且无需金属催化剂，具有广阔的工业化前景和市场价值。

Description

一种芳族偶氮化合物的合成方法

技术领域

本发明涉及一种芳族偶氮化合物的合成方法，更具体地涉及一种由芳族硝基化合物催化反应制备芳族偶氮化合物的方法，属于有机合成领域。

背景技术

芳族偶氮类化合物是重要的有机合成原料和化工中间体，可以被广泛地用于染料、聚合物改性剂、感光材料、食品添加剂以及药物等，例如偶氮苯作为最简单的芳族偶氮类化合物，是现有众多偶氮染料或药物分子的母体结构。由此芳族偶氮类化合物引起了科研工作者的高度重视，因而开发一种简单易行、高收率、高选择性的芳族偶氮类化合物的合成方法也将具有深远的现实意义和良好工业前景、市场价值。

经过若干年的研究，现有技术中已存在诸多偶氮苯类化合物的相关合成方法：

Hu Lei等人(Hu Lei,Cao Xueqin,Chen Liang等，Highly efficient synthesisof aromatic azos catalyzed by unsupportedultra-thin Pt nanowires.Chem.Comm.,2012,48,3445-3447)报道了一种以超薄Pt纳米线作为催化剂，在碱性溶液中配合高压H₂，实现了由硝基苯为原料高收率地催化制备偶氮苯，其反应式如下：

Srinivasa G.R.等人(Srinivasa G.R.,Abiraj K.and Channe Gowda D.,Thesynthesis of azo compounds from nitro compounds using lead andtriethylammonium formate,Tetrahedron Letters,2003,44,5835-5837)报道了以铅为催化剂、三乙胺甲酸盐为氢供体催化还原芳族硝基化合物为相应偶氮类化合物的方法，其反应式如下：

X=-Cl,-Br,-CN,-CH₃,-OCH₃,-CO₂H,-COCH₃,-OH

Ju Hyun Kim等人(Ju Hyun Kim,Ji Hoon Park,Young Keun Chung等,Ruthenium Nanoparticle-Catalyzed,Controlled and ChemoselectiveHydrogenation of Nitroarenes using Ethanol as a Hydrogen Source,Adv.Synth.Catal.,2012,354,2412-2418)报道了一种以Ru/C为催化剂、乙醇为氢源催化还原硝基苯类化合物为偶氮苯类化合物的方法，其反应式如下：

Zhu Huaiyong等人(Zhu Huaiyong,Ke Xuebin,Yang Xuzhuang等,Usingvisible and ultraviolet light to drive the reduction of nitroaromatics to azocompounds on supported gold nanoparticles,Angewandte Chemie,2010,122,9851-9855)报道了采用金纳米粒子光催化还原硝基苯制备偶氮类化合物的方法，其反应式如下：

Youhei Takeda等人(Youhei Takeda,Sota Okumura,and Satoshi Minakata,Oxidative Dimerization of Aromatic Amines usingtBuOI:Entry to UnsymmetricAromatic Azo Compounds,Angew.Chem.Int.Ed.,2012,51,1-6)报道了在^tBuOCl/NaI的催化体系下，有芳族胺类化合物合成对称或不对称偶氮类化合物的方法，其反应式如下：

Shinobu Wada等人(Shinobu Wada,Mika Urana,and Hitomi Suzuki,TheNewborn Surface of Dull Metals in Organic Synthesis.Bismuth-MediatedSolvent-Free One-Step Conversion of Nitroarenes to Azoxy-and Azoarenes,J.Org.Chem.,2002,67,8254-8257)报到了一种以金属Bi为催化剂，在无溶剂条件下以研磨方式可将硝基苯转化为氧化偶氮和/或偶氮苯化合物，其反应式如下：

如上所述，尽管现有技术公开了多种制备偶氮苯类化合物的方法，但上述方法中均或多或少存在以下缺陷，例如：(1)催化体系采用重金属(如铅等)，易造成环境污染，不符合绿色环保的理念；(2)涉及高压(如氢气)条件，反应苛刻且工业生产留有安全隐患，安全性不够高；(3)采用纳米金或稀有金属(如Ru等)等纳米催化剂，成本高昂，不利于产品的工业化生产。

因此，寻找一种条件温和、高收率、高选择性的合成偶氮苯及其衍生物的绿色合成途径成为科研工作者研究的关键问题。

发明内容

针对上述存在的诸多缺陷，本发明人经过大量的深入研究，在付出了充分的创造性劳动后，从而完成了本发明。

本发明的技术方案是：提供了一种芳族偶氮化合物的温和、绿色、高收率的合成方法。具体而言，本发明的技术方案和内容涉及一种下式(I)所示芳族偶氮化合物的合成方法，特征在于：所述方法以PEG-200为催化剂，在促进剂碱存在下和有机溶剂中，使式(II)所示芳族硝基化合物反应而制备得到式(I)的芳族偶氮化合物：

其中，Ar为未取代或带有1-5个取代基的C₆-C₁₀芳基、未取代或带有1-5个取代基的具有5-10个环原子的杂芳基；

所述取代基各自独立地选自卤素、C₁-C₆烷基、C₁-C₆烷氧基、卤代C₁-C₆烷基、卤代C₁-C₆烷氧基或C₆-C₁₀芳氧基。

在本发明的所述方法中，除非另有规定，自始至终，C₆-C₁₀芳基上的取代基或具有5-10个环原子的杂芳基上的取代基数量为1-5个，例如为1个、2个、3个、4个或5个。

在本发明的所述方法中，除非另有规定，自始至终，C₆-C₁₀芳基的含义是指具有6-10个碳原子的芳基基团，其包括了C₆芳基、C₇芳基、C₈芳基、C₉芳基或C₁₀芳基，非限定性地例如可为苯基、萘基等。

在本发明的所述方法中，除非另有规定，自始至终，“具有5-10个环原子的杂芳基”的含义是指在该杂芳基中，构成环的原子总数为5-10个，且其中的杂原子选自N、O或S，杂原子的数量为1-3个。非限定性地例如可为呋喃基、噻吩基、吡咯基、吡啶基、喹啉基、异喹啉基、噻唑基、嘧啶基、吲哚基、咪唑基、哒嗪基、吡嗪基、苯并呋喃基、嘌呤基等。

在本发明的所述方法中，除非另有规定，自始至终，C₁-C₆烷基的含义是指具有1-6个碳原子的直链或支链烷基，其包括了C₁烷基、C₂烷基、C₃烷基、C₄烷基、C₅烷基或C₆烷基，非限定性地例如可为甲基、乙基、正丙基、异丙基、正丁基、仲丁基、异丁基、叔丁基、正戊基、异戊基或正己基等。

在本发明的所述方法中，除非另有规定，自始至终，C₁-C₆烷氧基是指上述定义的“C₁-C₆烷基”与O原子相连后的基团。

在本发明的所述方法中，除非另有规定，自始至终，卤素的含义是指卤族元素，非限定地例如可为F、Cl、Br或I。

在本发明的所述方法中，除非另有规定，自始至终，卤代C₁-C₆烷基的含义是指被卤取代的上述定义的“C₁-C₆烷基”，非限定性地例如为三氟甲基、五氟乙基、二氟甲基、氯甲基等。

在本发明的所述方法中，除非另有规定，自始至终，卤代C₁-C₆烷氧基的含义是指被卤素取代的上述定义“C₁-C₆烷氧基”，非限定性地例如为三氟甲氧基、五氟乙氧基、二氟甲氧基、氯甲氧基等。

作为一种示例性例举，结构式(I)或(II)中的Ar可为苯基、吡啶基、对叔丁基苯基、间甲苯基、对氯苯基、对溴苯基、间氯苯基、对甲氧基苯基、邻甲氧基苯基、对苯氧基苯基或3-吡啶基。

在本发明的所述合成方法中，所述碱为碱金属盐或碱金属醇盐，例如可为碱金属氢氧化物、碱金属碳酸盐、碱金属叔丁醇盐中的任意一种或多种。作为一种示例性例举，所述碱可为氢氧化钠、氢氧化锂、氢氧化钾、叔丁醇钾、叔丁醇钠、叔丁醇锂、碳酸钾、碳酸铯、磷酸钾、甲醇钠、乙醇钠等中的任意一种或多种，更优选为叔丁醇钾。

在本发明的所述合成方法中，所述有机溶剂为选自醇类、醚类、酮类、芳烃、腈类、烷烃、卤代烷烃、卤代芳烃、石油醚溶剂中的任意一种或多种。

作为一种例举，所述有机溶剂选自丙酮、四氢呋喃(THF)、2-甲基四氢呋喃、甲苯、乙腈、1,4-二氧六环、乙醇、甲醇、正丙醇、异丙醇、乙醚、甲基叔丁基醚、甲乙醚、氯苯、二氯苯、二氯甲烷、三氯甲烷、四氯化碳、1,2-二氯乙烷、丙腈、乙苯、二甲苯、异丙基苯、2-丁酮、正己烷、石油醚等中的任意一种或多种。

所述有机溶剂优选为二甲苯、四氢呋喃、2-甲基四氢呋喃、氯苯、二氧六环；最优选为二氧六环。

在本发明的所述合成方法中，所述式(II)化合物与PEG-200的摩尔比为1:0.1-0.3，非限定性地可为1:0.1、1:0.15、1:0.2、1:0.25或1:0.3。

在本发明的所述合成方法中，所述式(II)化合物与碱的摩尔比为1:1-8，

例如可为1:1、1:2、1:3、1:4、1:5、1:6、1:7或1:8；所述式(II)化合物与碱的摩尔比优选为1:3-5，例如可为1:3、1:3.5、1:4、1:4.5或1:5。

在本发明的所述合成方法中，反应温度为80-160℃，非限定性地可为80℃、90℃、100℃、110℃、120℃、130℃、140℃、150℃或160℃；所述反应温度优选为100-150℃，例如为100℃、110℃、120℃、130℃、140℃或150℃。

在本发明的所述合成方法中，反应时间并无特别的限定，例如可通过液相色谱检测目的产物或原料的残留百分比而确定合适的反应时间，其通常为8-20小时，非限定性地例如为8小时、10小时、12小时、14小时、16小时、18小时或20小时；所述反应时间优选为8-15小时，例如为8小时、9小时、10小时、11小时、12小时、13小时、14小时或15小时。

在本发明的所述合成方法中，本发明所述反应优选在惰性气体保护下进行，所述惰性气体例如可为氮气。

在本发明的所述合成方法中，本发明所述反应优选在一定量的去离子水存在下进行，其中所述式(II)化合物与去离子水的摩尔比为1:1-3，例如为1:1、1:1.5、1:2、1:2.5或1:3。

在本发明的所述合成方法中，反应结束后的后处理可采用有机合成领域中的任何公知的常规处理手段，例如结晶、重结晶、柱色谱提纯、萃取等中的任何一种处理手段或多种处理手段的组合。作为一种例举性后处理手段，例如可为：用旋转蒸发仪从反应结束后得到的混合物中旋蒸除去溶剂，残留物经硅胶柱层析分离、纯化而得到目标产物。

综上所述，本发明的所述合成方法通过使用PEG-200作为助剂，在碱存在下于有机溶剂中，使芳族硝基化合物顺利发生催化还原反应，从而得到相应的偶氮类化合物。所述方法具有反应温和、操作简便、收率高等诸多优点，从而为偶氮化合物提供了全新的合成方法，具有良好的工业化前景和潜在的应用价值。

具体实施方式

下面通过具体的实施例对本发明进行详细说明，但这些例举性实施方式的用途和目的仅用来例举本发明，并非对本发明的实际保护范围构成任何形式的任何限定，更非将本发明的保护范围局限于此。

实施例1.偶氮苯的合成

在干净的三口烧瓶中，加入40ml溶剂二氧六环，然后依次加入上述式(II)化合物、叔丁醇钾、PEG-200和去离子水，使其摩尔比为1:4:0.15:1.5，

其中式(II)化合物为5mmol，反应于N₂氛围、130℃下反应12h，冷却至室温，旋蒸，然后柱层析分离得到为橙红色固体的偶氮苯，产率为90.7%，纯度为98.5%(HPLC)。

熔点：68℃；

核磁共振：¹H NMR(CDCl₃,500MHz):δ7.92(d,J=7.4Hz,4H),7.53-7.45(m,6H)。

实施例2.4,4’-二叔丁基偶氮苯的合成

在干净的三口烧瓶中，加入60ml溶剂二氧六环，然后依次加入上述式(II)化合物、叔丁醇钾、PEG-200和去离子水，使其摩尔比为1:3.5:0.2:1.5，其中式(II)化合物为5mmol，反应于N₂氛围、120℃下反应13h，冷却至室温，旋蒸，然后柱层析分离得到4,4’-二叔丁基偶氮苯，产率为95.6%，纯度为98.9%(HPLC)。

熔点：179-180℃；

核磁共振：¹H NMR(CDCl₃,500MHz):δ7.84(d,J=8.5Hz,4H),7.51(d,J=8.6Hz,4H),1.36(s,18H)。

实施例3.3,3’-二甲基偶氮苯的合成

在干净的三口烧瓶中，加入50ml溶剂二氧六环，然后依次加入上述式(II)化合物、叔丁醇钾、PEG-200和去离子水，使其摩尔比为1:5:0.25:2.5，其中式(II)化合物为5mmol，反应于N₂氛围、140℃下反应15h，冷却至室温，旋蒸，然后柱层析分离得到3,3’-二甲基偶氮苯，产率为97.1%，纯度为99.1%(HPLC)。

熔点：54-55℃；

核磁共振：¹H NMR(CDCl₃,500MHz):δ7.73-7.72(m,4H).7.40(t,J=8.0Hz,2H),7.28(d,J=7.4Hz,2H),2.45(s,6H)。

实施例4.4,4’-二氯偶氮苯的合成

在干净的三口烧瓶中，加入70ml溶剂二氧六环，然后依次加入上述式(II)化合物、叔丁醇钾、PEG-200和去离子水，使其摩尔比为1:4.5:0.3:2，其中式(II)化合物为5mmol，反应于N₂氛围、110℃下反应14h，冷却至室温，旋蒸，然后柱层析分离得到4,4’-二氯偶氮苯，产率为61.2%，纯度为98.3%(HPLC)。

熔点：185-186℃；

核磁共振：¹H NMR(CDCl₃,500MHz):δ7.86(d,J=8.7Hz,4H),7.49(d,J=8.7Hz,4H)。

实施例5.4,4’-二甲氧基偶氮苯的合成

在干净的三口烧瓶中，加入60ml溶剂二氧六环，然后依次加入上述式(II)化合物、叔丁醇钾、PEG-200和去离子水，使其摩尔比为1:3:0.1:3，其中式(II)化合物为5mmol，反应于N₂氛围、150℃下反应11h，冷却至室温，旋蒸，然后柱层析分离得到4,4’-二甲氧基偶氮苯，产率为77.4%，纯度为98.5%(HPLC)。

熔点：159-160℃；

核磁共振：¹H NMR(CDCl₃,500MHz):δ7.87(d,J=9.0Hz,4H),6.98(d,J=9.0Hz,4H),3.85(s,6H)。

实施例6.4,4’-二苯氧基偶氮苯的合成

在干净的三口烧瓶中，加入80ml溶剂二氧六环，然后依次加入上述式(II)化合物、叔丁醇钾、PEG-200和去离子水，使其摩尔比为1:4:0.2:1，其中式(II)化合物为5mmol，反应于N₂氛围、130℃下反应12h，冷却至室温，旋蒸，然后柱层析分离得到4,4’-二苯氧基偶氮苯，产率为61.1%，纯度为99.1%(HPLC)。

熔点：148-150℃；

核磁共振：¹H NMR(CDCl₃,500MHz):δ7.89(d,J=8.9Hz,4H),7.38(t,J=8.0Hz,4H),7.17(t,J=7.4Hz,2H),7.10-7.08(m,8H)。

实施例7.3,3’-二氯偶氮苯的合成

在干净的三口烧瓶中，加入50ml溶剂二氧六环，然后依次加入上述式(II)化合物、叔丁醇钾、PEG-200和去离子水，使其摩尔比为1:3:0.15:1，其中式(II)化合物为5mmol，反应于N₂氛围、110℃下反应11h，冷却至室温，旋蒸，然后柱层析分离得到3,3’-二氯偶氮苯，产率为86.4%，纯度为98.7%(HPLC)。

熔点：100-101℃；

核磁共振：¹H NMR(CDCl₃,500MHz):δ7.88(s,2H).7.83-7.81(m,2H),7.46-7.45(m,4H)。

实施例8.2,2’-二甲氧基偶氮苯的合成

在干净的三口烧瓶中，加入60ml溶剂二氧六环，然后依次加入上述式

(II)化合物、叔丁醇钾、PEG-200和去离子水，使其摩尔比为1:4.5:0.15:2，其中式(II)化合物为5mmol，反应于N₂氛围、130℃下反应13h，冷却至室温，旋蒸，然后柱层析分离得到2,2’-二甲氧基偶氮苯，产率为82.2%，纯度为98.6%(HPLC)。

熔点：147-150℃；

核磁共振：¹H NMR(CDCl₃,500MHz):δ7.63(d,J=8.0Hz,2H),7.42(t,J=7.8Hz,2H),7.07(d,J=8.3Hz,2H),7.00(t,J=7.1Hz,2H),4.02(s,6H)。

实施例9.3,3’-偶氮吡啶的合成

在干净的三口烧瓶中，加入60ml溶剂二氧六环，然后依次加入上述式(II)化合物、叔丁醇钾、PEG-200和去离子水，使其摩尔比为1:4:0.15:2，其中式(II)化合物为5mmol，反应于N₂氛围、120℃下反应15h，冷却至室温，旋蒸，然后柱层析分离得到3,3’-偶氮吡啶，产率为45.1%，纯度为98.3%(HPLC)。

熔点：129-130℃；

核磁共振：¹H NMR(CDCl₃,500MHz):δ9.26(d,J=2.2Hz,2H),7.77(dd,J=4.7,1.5Hz,2H),8.20(dt,J=8.2,2.0Hz,2H),7.50(dd,J=8.2,4.7Hz,2H)。

对比例1-9

除将其中的溶剂二氧六环替换为如下的溶剂外，以与实施例1-9相同的方式而分别实施了对比例1-9，其实施例对应关系和相应产物的收率如下表所示：

NR：未反应。

由上表可看出，出乎意外地，当使用除二氧六环外的其它溶剂时，产物的产率大幅度降低，这证明了虽然在这些溶剂中也能实施本反应，但二氧六环对该反应具有最好的效果。

对比例10-18

除将其中的叔丁醇钾替换为如下种类的碱外，以与实施例1-9的相同方式分别实施了对比例10-18，实施例对应关系和相应产物的收率如下表所示：

NR：未反应。

由上表可看出，当加入其它种类碱时，该反应几乎不能发生，这证明了即使使用了同一催化剂PEG-200，但当使用叔丁醇钾之外的其它碱时(即便是与叔丁醇钾非常类似的叔丁醇钠)，反应也几乎不能进行，这证明作为促进剂的叔丁醇钾对于反应是否能够进行具有显著的影响作用。

对比例19-27

除不加入催化剂PEG-200外，以与实施例1-9相同的方式而分别实施了对比例19-27，其实施例对应关系和相应产物的收率如下表所示：

--：不加入。

由上表可看出，当未使用催化剂PEG-200时，反应几乎不能进行。这证明了PEG-200对该反应具有高效的专一催化作用。

对比例28-36

除采用空气氛围外，以与实施例1-9相同的方式而分别实施了对比例28-36，其实施例对应关系和相应产物的收率如下表所示：

由上表可看出，当采用空气氛围时，产物的收率大幅度降低。这证明了惰性气体氛围有助于提高产物的选择性。

由上述所有实施例和对比例，以及尤其是对比例10-18和19-27可以看出，只有同时使用催化剂PEG-200和促进剂叔丁醇钾时，不但能够顺利实现由芳族硝基化合物合成芳族偶氮类化合物的反应，而且能够以高收率得到相应目的产物，同时兼具反应条件温和、无需昂贵金属催化剂，是一种极具工业应用前景和市场价值的合成方法。

应当理解，这些实施例的用途仅用于说明本发明而非意欲限制本发明的保护范围。此外，也应理解，在阅读了本发明的技术内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动、修改和/或变型，所有的这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的保护范围之内。

Claims

1.一种下式(I)所示芳族偶氮化合物的合成方法，特征在于：所述方法以PEG-200为催化剂，在促进剂碱存在下和有机溶剂中，使式(II)所示芳族硝基化合物反应而制备得到式(I)的芳族偶氮化合物：

2.如权利要求1所述的合成方法，其特征在于：所述碱为碱金属盐或碱金属醇盐。

3.如权利要求1或2所述的合成方法，其特征在于：所述有机溶剂为选自醇类、醚类、酮类、芳烃、腈类、烷烃、卤代烷烃、卤代芳烃、石油醚溶剂中的任意一种或多种。

4.如权利要求1-3所述的合成方法，其特征在于：所述式(II)化合物与PEG-200的摩尔比为1:0.1-0.3。

5.如权利要求1-4所述的合成方法，其特征在于：所述式(II)化合物与碱的摩尔比为1:1-8。

6.如权利要求1-5所述的合成方法，其特征在于：反应温度为80-160℃，优选为100-150℃。

7.如权利要求1-6所述的合成方法，其特征在于：反应在惰性气体保护下进行。

8.如权利要求1-7所述的合成方法，其特征在于：反应在一定量的去离子水存在下进行，所述去离子水与式(II)化合物的摩尔比为1-3:1。

9.如权利要求1-8所述的合成方法，其特征在于：所述有机溶剂为二氧六环。

10.如权利要求1-9所述的合成方法，其特征在于：所述碱为氢氧化钠、氢氧化锂、氢氧化钾、叔丁醇钾、叔丁醇钠、叔丁醇锂、碳酸钾、碳酸铯、磷酸钾、甲醇钠、乙醇钠中的任意一种或多种，最优选为叔丁醇钾。