CN103497082A - 一种制备β-硝基苯乙烯及其衍生物的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种制备β-硝基苯乙烯及其衍生物的方法，该方法包括以乙醇胺为原料制备得到的新型多重酸性离子液体为催化剂，常压加热条件下硝基烷烃物质与芳香醛物质进行Henry缩合反应，脱水得到相应的β-硝基苯乙烯及其衍生物，离子液体可重复使用多次。该方法操作简单、收率高、催化反应体系可重复使用性好、无需任何有机溶剂，具有良好的工业化前景。
Description
技术领域：
本发明涉及一种高效、绿色的、无溶剂条件下，以新型的、基于乙醇胺的多重酸性功能离子液体为催化剂的Henry缩合、脱水制备β-硝基苯乙烯及其衍生物的方法。
背景技术：
硝基烯烃在有机合成中应用越来越广泛。主要体现在两个方面，一是由于硝基基团的强吸电子性质使硝基烯烃成为一种有用的合成试剂，比如用在Diels-Alder反应(J.Am.Chem.Soc.1986,108,3855.)，共轭加成(Eur.J.Org.Chem.2002,1877.)等反应中；硝基烯烃的另外一个应用就是可以把硝基官能团转化为氨基等官能团，成为一类重要的有机合成切块(Chem.Soc.Rev.1991,20,95.)。硝基烯烃的合成策略一般采用硝基烷烃和芳香醛进行Henry反应、脱水消除得到。使用的催化剂主要包括一些非均相催化剂，比如聚合胺功能化的氧化锆(Ind.Eng.Chem.Res.2011,50,2055.)、硅铝负载的胺(J.Am.Chem.Soc.2007,129,9540,)、沸石(J.Catal.2000,191,348.)、硝基铈铵(Tetrahedron Lett.2005,46,8141.)、微波促进的醋酸铵催化(Tetrahedron Lett.1997,38,5131;Tetrahedron Lett.52,2629.)等。但是，这些反应体系或多或少存在需要使用大量的有毒有害的有机溶剂，催化剂活性相对较低及催化剂用量较大、一些催化剂的底物选择范围小或一些催化剂的重复使用差。因此，开发高效、绿色的胺共扼硝基烷烃与芳香醛进行Henry反应、脱水消除制备硝基苯乙烯及其衍生物方法不仅具有重要的经济效益，而且还有良好的环境和社会效益。
近几年来，功能离子液体为人们指出了探索环境友好的催化反应体系的重要方向。离子液体本身具有特殊的物化特性和热力学稳定性、溶解能力强、低挥发性、分子结构可调性等特点，使其成功应用于催化反应（用作溶剂或催化剂），后处理简单，离子液体可以多次重复使用，表现出非常优异的特点。乙醇胺是一种非常廉价的、低毒的化工原料，我们制备了以乙醇胺为原料的系列多重酸性功能离子液体。利用新开发的环境友好性的酸性功能离子液体催化Henry反应制备β-硝基苯乙烯及其衍生物研究是很有必要的。
发明内容
本发明的目的是取代传统的催化Henry反应、脱水消除制备β-硝基苯乙烯及其衍生物的方法，提供一种高效、环境友好的催化剂，无溶剂反应条件下实现Henry反应。
根据本发明，所述通过硝基烷烃类物质与芳香醛的Henry反应、脱水消除制备β-硝基苯乙烯及其衍生物的方法包括以下步骤：以乙醇胺为原料制备得到的多重酸性离子液体为催化剂，常压下硝基烷烃物质与芳香醛物质进行Henry缩合反应，脱水得到相应的β-硝基苯乙烯及其衍生物；其中，所述酸性离子液体具有如下的结构式I:
X―为HSO4 ―、NO3 ―、CF3COO―、CH3SO3 ―。
上述硝基烷烃类物质与芳香醛的摩尔比为1:1～2:1。所述离子液体的与胺类物质的摩尔比为0.01～1：1。
硝基烷烃类物质可以为硝基甲烷和硝基乙烷。芳香醛可以为苯甲醛、4-硝基苯甲醛、3-硝基苯甲醛、4-氟苯甲醛、4-三氟甲基苯甲醛、4-氯苯甲醛、2-氯苯甲醛、4-甲基苯甲醛、4-甲氧基苯甲醛、2-甲氧基苯甲醛、3-甲氧基苯甲醛、3,4-二甲氧基苯甲醛、4-二甲氨基苯甲醛、4-羟基苯甲醛、3-甲氧基-4羟基苯甲醛、2-萘甲醛、2-噻吩醛、3-甲基-2-噻吩醛、2-呋喃醛。本发明反应过程还可无需任何溶剂。反应时间可为0.5～24小时。优选为1.0～10小时。
上述反应结束后，用乙酸乙酯萃取反应液，合并有机相，减压蒸除溶剂，无水乙醇重结晶得到产品，萃余相离子液体80℃真空干燥6小时（除水）后用于下一批次反应，并可重复多次使用。经实验证实，离子液体重复使用6次，未发现反应收率明显下降。
本发明提供的利用基于乙醇胺的多重酸性离子液体催化硝基烷烃与芳香醛进行Henry反应、脱水消除生成β-硝基苯乙烯及其衍生物的方法，是通过以下途径来实现的：
本发明所使用的基于2-乙醇胺的多重酸性功能离子液体的制备过程：
将准确称量的2-乙醇胺（0.1mol）、二氯甲烷(30ml)加入250毫升三口瓶中，在0～5℃左右滴加氯磺酸(0.2mol)。滴加结束后，继续室温反应（15～35℃）5～24小时。反应结束后，过滤，滤饼用二氯甲烷洗涤得到固体为zwitterion盐[SFHEA]。将得到的[SFHEA]溶于50ml水中，然后再加入各种酸(0.1mol)在温度为40～100℃下进行离子交换反应，反应时间为1-10小时，减压蒸馏除水，所得液体60～80℃条件下真空干燥5～10小时，得到淡黄色透明液体，即为酸性功能离子液体[SFHEA]X，其反应方程式如下：
其中X为为HSO4 ―、NO3 ―、CH3CH2CH2O―、CF3COO―、CH3SO3 ―。Henry缩合、脱水消除制备β-硝基苯乙烯及其衍生物过程是：
在装有磁力搅拌装置的三口烧瓶中加入硝基烷烃、芳香醛和离子液体。其中硝基烷烃类物质与芳香醛的摩尔比为1:1～2:1，离子液体与芳香醛物质的摩尔比为0.01:1～1:1，无需任何溶剂加热(100～130℃)常压反应0.5～24小时，薄层色谱（TLC）跟踪反应进度。反应结束后，用乙酸乙酯萃取反应液，合并有机相，减压蒸除溶剂，无水乙醇重结晶得到产品，萃余相离子液体80℃真空干燥6小时后用于下一批次反应，离子液体重复使用6次，未发现反应收率明显下降。
与现有技术比较，本发明方法操作简单、收率高、催化反应体系可重复使用性好、无需使用任何有机溶剂，具有良好的工业化前景。
具体实施方式
以下将结合实施例对本发明做进一步说明，本发明的实施例仅用于说明本发明的技术方案，并非限定本发明。
实施例1
将苯甲醛（5mmol）、硝基甲烷（5.5mmol）、1mmol离子液体[SFHEA][HSO4]依次加入到50mL单口瓶中，110℃搅拌2小时，TLC检测，原料消失，用乙酸乙酯萃取反应液，合并有机相，减压蒸除溶剂，无水乙醇重结晶得到产品，收率91%，含量98%。
β-nitrostyrene：
1H NMR(400MHz,CDCl3):δ7.86(d,1H,J=2.8Hz),7.46-6.98(m,6H);ESI-MS:m/z=150[M+H].
实施例2
将对甲氧基苯甲醛（5mmol）、硝基甲烷（5mmol）、1mmol离子液体[SFHEA][HSO4]加入到50mL单口瓶中，110℃搅拌3小时，TLC检测，原料消失，用乙酸乙酯萃取反应液，合并有机相，减压蒸除溶剂，无水乙醇重结晶得到产品，收率95%，含量98%。
4-Methyoxy-trans-β-nitrostyrene：
1H NMR(400MHz,CDCl3):δ7.96(d,1H,J=2.8Hz),7.54-7.50(m,3H),6.95(d,2H,J=7.2Hz),3.87(s,3H);ESI-MS:m/z=180[M+H].
实施例3
将对甲氧基苯甲醛（5mmol）、硝基甲烷（10mmol）、5mmol离子液体[SFHEA][HSO4]加入到50mL单口瓶中，130℃搅拌3小时，TLC检测，原料消失，用乙酸乙酯萃取反应液，合并有机相，减压蒸除溶剂，无水乙醇重结晶得到产品，收率96%，含量97%。
实施例4
将对甲氧基苯甲醛（5mmol）、硝基甲烷（5.5mmol）、2mmol离子液体[SFHEA][CF3COO]加入到50mL单口瓶中，100℃搅拌5小时，TLC检测，原料消失，用乙酸乙酯萃取反应液，合并有机相，减压蒸除溶剂，无水乙醇重结晶得到产品，收率78%，含量98%。
实施例5
将对氟苯甲醛（5mmol）、硝基甲烷（5.8mmol）、0.05mmol离子液体[SFHEA][CH3SO3]加入到50mL单口瓶中，110℃搅拌8小时，TLC检测，原料消失，用乙酸乙酯萃取反应液，合并有机相，减压蒸除溶剂，无水乙醇重结晶得到产品，收率71%，含量98%。
4-Fluoro-trans-β-nitrostyrene：
1H NMR(400MHz,CDCl3):δ7.98(d,1H,J=11.2Hz),7.58-7.53(m,3H),7.17-7.13(m,2H);ESI-MS:m/z=168[M+H].
实施例6
将对硝基苯甲醛（5mmol）、硝基甲烷（5mmol）、0.2mmol离子液体[SFHEA][HSO4]加入到50mL单口瓶中，130℃搅拌2小时，TLC检测，原料消失，用乙酸乙酯萃取反应液，合并有机相，减压蒸除溶剂，无水乙醇重结晶得到产品，收率83%，含量96%。
4-Nitro-trans-β-nitrostyrene：
1H NMR(400MHz,CDCl3):δ8.32(d,2H,J=7.2Hz),8.04(d,1H,J=11.2Hz),7.76-7.64(m,3H);ESI-MS:m/z=195[M+H].
实施例7
将对三氟甲基苯甲醛（5mmol）、硝基甲烷（8mmol）、1mmol离子液体[SFHEA][NO3]加入到50mL单口瓶中，100℃搅拌2小时，TLC检测，原料消失，用乙酸乙酯萃取反应液，合并有机相，减压蒸除溶剂，无水乙醇重结晶得到产品，收率91%，含量98%。
4-Trifluoromethyl-trans-β-nitrostyrene：
1H NMR(400MHz,CDCl3):δ8.03(d,1H,J=10.8Hz),7.74-7.62(m,5H);ESI-MS:m/z=218[M+H].
实施例8
将对甲基苯甲醛（5mmol）、硝基甲烷（5.5mmol）、0.8mmol离子液体[SFHEA][HSO4]加入到50mL单口瓶中，120℃搅拌9小时，TLC检测，原料消失，用乙酸乙酯萃取反应液，合并有机相，减压蒸除溶剂，无水乙醇重结晶得到产品，收率81%，含量96%。
4-Methyl-trans-β-nitrostyrene：
1H NMR(400MHz,CDCl3):δ7.99(d,1H,J=11.2Hz),7.57(d,1H,J=11.2Hz),7.44(d,2H,J=6.8Hz),7.26(d,2H,J=6.0Hz);ESI-MS:m/z=164[M+H].
实施例9
将对羟基苯甲醛（5mmol）、硝基甲烷（10mmol）、1mmol离子液体[SFHEA][HSO4]加入到50mL单口瓶中，120℃搅拌9小时，TLC检测，原料消失，用乙酸乙酯萃取反应液，合并有机相，减压蒸除溶剂，无水乙醇重结晶得到产品，收率81%，含量96%。
4-Hydroxyl-trans-β-nitrostyrene：
1H NMR(400MHz,CDCl3):δ7.98(d,1H,J=10.8Hz),7.82(d,1H,J=6.8Hz),7.56-7.47(m,2H),6.98-6.91(m,3H);ESI-MS:m/z=166[M+H].
实施例10
将2-噻吩醛醛（5mmol）、硝基甲烷（5mmol）、1mmol离子液体[SFHEA][CF3COO]加入到50mL单口瓶中，110℃搅拌2小时，TLC检测，原料消失，用乙酸乙酯萃取反应液，合并有机相，减压蒸除溶剂，无水乙醇重结晶得到产品，收率88%，含量98%。
2-Thienyl-trans-β-nitrostyrene：
1H NMR(400MHz,CDCl3):δ8.15(d,1H,J=10.8Hz),7.57(d,1H,J=4.0Hz),7.49-7.46(m,2H),7.16-7.14(m,1H);ESI-MS:m/z=156[M+H].
实施例11
将2-萘醛（5mmol）、硝基甲烷（6mmol）、0.8mmol离子液体[SFHEA][CH3SO3]加入到50mL单口瓶中，100℃搅拌6小时，TLC检测，原料消失，用乙酸乙酯萃取反应液，合并有机相，减压蒸除溶剂，无水乙醇重结晶得到产品，收率87%，含量96%。
2-Naphthyl-trans-β-nitrostyrene：
1H NMR(400MHz,CDCl3):δ8.84(d,1H,J=10.8Hz),8.14(d,1H,J=6.8Hz),8.01(d,1H,J=6.8Hz),7.93(d,1H,J=6.8Hz),7.76(d,1H,J=5.6Hz),7.67-7.52(m,4H);ESI-MS:m/z=200[M+H].
实施例12
将对硝基苯甲醛（5mmol）、硝基乙烷（6mmol）、1mmol离子液体[SFHEA][HSO4]加入到50mL单口瓶中，110℃搅拌3小时，TLC检测，原料消失，用乙酸乙酯萃取反应液，合并有机相，减压蒸除溶剂，无水乙醇重结晶得到产品，收率83%，含量98%。
1-Nitro-4-[(1E)-2-nitro-1-propen-1-yl]-benzene：
1H NMR(400MHz,CDCl3):δ8.33(d,2H,J=6.0Hz),8.10(s,1H),7.60(d,2H,J=6.0Hz),2.47(s,3H);ESI-MS:m/z=209[M+H].
实施例13
将苯甲醛（5mmol）、硝基甲烷（5.5mmol）、1mmol离子液体[SFHEA][HSO4]加入到50mL单口瓶中，110℃搅拌3小时，TLC检测，原料消失，用乙酸乙酯萃取反应液，合并有机相，减压蒸除溶剂，无水乙醇重结晶得到产品，收率92%，含量98%。离子液体重复使用6次，未发现收率明显下降，具体见表1.NMR数据实施例1。
表1
上述实施例中功能离子液体制备方法：将准确称量的2-乙醇胺（0.1mol）、二氯甲烷(30ml)加入250毫升三口瓶中，在0～5℃左右滴加氯磺酸(0.2mol)。滴加结束后，继续室温反应（15～35℃）5～24小时。反应结束后，过滤，滤饼用二氯甲烷洗涤得到固体为zwitterion盐[SFHEA]。将得到的[SFHEA]溶于50ml水中，然后再加入各种酸(0.1mol)在温度为40～100℃下进行离子交换反应，反应时间为1-10小时，减压蒸馏除水，所得液体60～80℃条件下真空干燥5～10小时，得到淡黄色透明液体，即为酸性功能离子液体[SFHEA]X。制备的离子液体用1HNMR，13C NMR结构确认。四种离子液体分别为所述离子液体为：
氢谱和碳谱数据：
[SFHEA][HSO4]-1H NMR(400MHz,D2O):δ=3.43(t,2H,J=4.0Hz),2.76(t,2H,J=4.0Hz);13C NMR(100MHz,D2O):δ=57.4,41.1.
[SFHEA][NO3]-1H NMR(400MHz,D2O):δ=3.93(t,2H,J=3.6Hz),2.99(t,2H,J=3.6Hz);13C NMR(100MHz,D2O):δ=64.1,38.6.
[SFHEA][CF3COO]-1H NMR(400MHz,D2O):δ=3.87(t,2H,J=4.0Hz),2.93(t,2H,J=4.0Hz);13C NMR(100MHz,D2O):δ=164.5,63.7,56.8,38.3.
[SFHEA][CH3SO3]-1H NMR(400MHz,D2O):δ=3.91(t,2H,J=4.0Hz),2.98(t,2H,J=4.0Hz),2.43(s,3H);13C NMR(100MHz,D2O):δ=63.9,57.1,38.0,37.8.
需要说明的是，上述发明内容及具体实施方式意在证明本发明所提供技术方案的实际应用，不应解释为对本发明保护范围的限定。本领域技术人员在本发明的精神和原理内，当可作各种修改、等同替换、或改进。本发明的保护范围以所附权利要求书为准。
Claims (9)
1.一种制备β-硝基苯乙烯及其衍生物的方法，其特征在于，所述方法包括以乙醇胺为原料制备得到的多重酸性离子液体为催化剂，常压下硝基烷烃物质与芳香醛物质进行Henry缩合反应，脱水得到相应的β-硝基苯乙烯及其衍生物；其中，所述酸性离子液体具有如下的结构式I:
X―为HSO4 ―、NO3 ―、CF3COO―、CH3SO3 ―。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述硝基烷烃物质与芳香醛物质的摩尔比为1:1～2:1。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述酸性离子液体的与芳香醛物质的摩尔比为0.01～1：1。
4.如权利要求1、2或3所述的方法，其特征在于，所述硝基烷烃类物质为硝基甲烷、硝基乙烷。
5.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述芳香醛物质为苯甲醛、4-硝基苯甲醛、3-硝基苯甲醛、4-氟苯甲醛、4-三氟甲基苯甲醛、4-氯苯甲醛、2-氯苯甲醛、4-甲基苯甲醛、4-甲氧基苯甲醛、2-甲氧基苯甲醛、3-甲氧基苯甲醛、3,4-二甲氧基苯甲醛、4-二甲氨基苯甲醛、4-羟基苯甲醛、3-甲氧基-4羟基苯甲醛、2-萘甲醛、2-噻吩醛、3-甲基-2-噻吩醛、2-呋喃醛。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，反应过程无需任何溶剂。
7.如权利要求1或6所述的方法，其特征在于，反应时间为0.5～24小时。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，反应结束后，用乙酸乙酯萃取反应液，合并有机相，减压蒸除溶剂，无水乙醇重结晶得到产品。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述的乙酸乙酯萃取反应液得到的萃余相经过80℃真空干燥6小时后重复使用6次，反应效果未发现明显下降。
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