芳香腈的电化学催化合成方法
技术领域
本发明属于化学技术领域,尤其涉及一种芳香腈的电化学催化合成方法。
背景技术
腈类化合物是有机合成中重要的合成砌块,特别是芳香腈是很多染料、医药、农药和电子材料的关键结构单元。由于其所含的氰基拥有向其他重要官能团如氨基、酰胺基,醛基、羧基及酯基等转化的性能,所以腈类化合物也是有机合成中的重要中间体。芳香腈最传统的合成方法是通过Sandmeyerreaction或Rosenmund–vonBraun反应合成,但这两个方法具有严重的缺陷,都需要使用化学计量的CuCN,反应条件比较剧烈。此后,又开发了过渡金属催化的芳香卤代物的氰化反应路线合成芳香腈,反应中要使用KCN、NaCN、Zn(CN)2、TMSCN、K4[Fe(CN)6]等氰源。这类合成方法的缺陷在于:(1)使用的氰源一般都是有毒的,使用过程中必须小心以免有毒HCN的产生;(2)不可避免要产生化学计量的金属废弃物,由此引起产生了环境问题;(3)反应过程的控制要求比较严格。酰胺脱水是合成芳香腈的另一种方法,但反应必须要用P2O5、POCl3、SOCl2和PCl5等脱水剂,且反应温度比较高。芳香腈也可以醛肟为原料合成,但往往存在产物收率较低以及过量使用有毒试剂的缺点。考虑到原料的来源方便,人们对以醛、醇或酸为原料,以尿素、氨或羟胺等为氮源的合成方法越来越关注,然而在这些已报道的大部分方法中,使用过渡金属以及有毒试剂仍然是不可避免的。
近年来,随着绿色化学的长足发展,电化学合成已经成为重要的绿色合成方法之一。在电化学条件下,所选用的氧化还原剂为电能,是清洁绿色的氧化还原剂。而且在电化学反应体系中未加入其他氧化剂,有利于产品的分离提纯。
发明内容
本发明的目的是提供一种以芳香醛为原料,以六甲基二硅胺为氮源,通过电催化氧化反应制备芳香腈的方法。
为实现上述目的,本发明采用如下技术方案:反应采用三电极体系,阴极和阳极均为铂电极,0.1mol/L的硝酸银乙腈溶液作为参比电极。在一定浓度的电解质乙腈溶液中,加入芳香醛、六甲基二硅胺(HMDS)、2,2,6,6-四甲基哌啶氮氧自由基(TEMPO)以及乙酸,在温度5~40℃、0.5~8.0V的恒压条件下搅拌电解反应5~30h后,反应液经后处理得到产物芳香腈;所述的电解质为高氯酸钠、高碘酸钠或四氟硼酸钠。
所述反应底物芳香醛的结构式如式(V)、(VI)、(VII)或(VIII)所示,一一对应得到的产物结构式如式(I)、(II)、(III)或(IV)所示;
式(I)或式(V)中,R1为H、F、Cl、Br、NO2、CH3S、C1~C4烷基或C1~C2烷氧基;优选R1为H、F、Cl、Br、NO2、CH3S、甲基、叔丁基或甲氧基;
式(III)或式(VII)中,R2为H、F、Cl、Br、C1~C4烷基或C1~C2烷氧基;优选R2为H或Br;
式(III)、式(VI)、式(VII)或式(VIII)中,X为O或S。
本发明所述的合成方法,优选所述的电解质为高氯酸钠;推荐所述电解质在乙腈中的摩尔浓度为0.05~0.2mol/L。
推荐乙腈的质量用量为所述反应底物芳香醛质量的30~80倍。
所述的反应底物芳香醛与HMDS、乙酸的摩尔之比100:100~350:100~350,优选为100:200~300:200~300。
所述的反应底物芳香醛与TEMPO的摩尔之比100:5~25,优选为100:10~20。
优选所述的电解温度为15~35℃;优选电解电压为1.0~4.0V,反应时间为12~25h。
通常所述反应液后处理的方法为:反应结束后,反应液中加入饱和亚硫酸钠溶液搅拌,然后用二氯甲烷萃取,分离出有机层,减压蒸除溶剂,再进行柱层析分离,以乙酸乙酯/石油醚体积比1:200的混合液为洗脱剂,收集含目标化合物的洗脱液,蒸除溶剂即得产物芳基腈。
具体推荐本发明所述的合成方法为:反应采用三电极体系,阴极和阳极均为铂电极,0.1mol/L的硝酸银乙腈溶液作为参比电极。在一定浓度的电解质乙腈溶液中,加入芳香醛、六甲基二硅胺(HMDS)、2,2,6,6-四甲基哌啶氮氧自由基(TEMPO)以及乙酸,在温度15~35℃、1.0~4.0V的恒压条件下搅拌电解反应12~25h后,反应液中加入饱和亚硫酸钠溶液搅拌,然后用二氯甲烷萃取,分离出有机层,减压蒸除溶剂,再进行柱层析分离,以乙酸乙酯/石油醚体积比1:200的混合液为洗脱剂,收集含目标化合物的洗脱液,蒸除溶剂即得产物芳基腈;所述的电解质为高氯酸钠,其在乙腈中的摩尔浓度为0.05~0.2mol/L;所述的反应底物芳香醛与HMDS、醋酸的摩尔之比为100:200~300:200~300;所述的反应底物芳香醛与TEMPO的摩尔之比为100:10~20。
本发明所述的合成方法,操作简便安全,其有益效果主要在于:
(A)本发明反应条件比较温和。
(B)使用了清洁的电能为氧化还原剂,大大降低了环境成本。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明作进一步说明,但本发明的保护范围并不限于此。
下述实施例所用的芳香醛的结构式分别如式(1-1)~(1-19)所示:
对应制得的芳香腈的结构式分别如式(2-1)~(2-19)所示:
实施例1:苯甲腈(式(2-1))的制备
在30ml的烧杯内加入0.1mol/L高氯酸钠的乙腈溶液(10mL)、苯甲醛(式(1-1),1mmol,106mg)、TEMPO(0.1mmol,16mg)、HMDS(2.5mmol,404mg)和乙酸(2.5mmol,150mg)。25℃,1.5V下恒电位电解,15h后反应结束。反应液中加入饱和亚硫酸钠溶液搅拌,然后用二氯甲烷萃取,分离出有机层,减压蒸除溶剂,再进行柱层析分离,以乙酸乙酯/石油醚体积比1:200的混合液为洗脱剂,收集含目标化合物的洗脱液,蒸除溶剂得到苯甲腈82.4mg,分离收率为80%。
实施例2:对硝基苯甲腈(式(2-2))的制备
在30ml的烧杯内加入0.1mol/L高氯酸钠的乙腈溶液(10mL)、对硝基苯甲醛(式(1-2),1mmol,151mg)、TEMPO(0.1mmol,16mg)、HMDS(2.5mmol,404mg)和乙酸(2.5mmol,150mg)。25℃,1.5V下恒电位电解,12h后反应结束。反应液中加入饱和亚硫酸钠溶液搅拌,然后用二氯甲烷萃取,分离出有机层,减压蒸除溶剂,再进行柱层析分离,以乙酸乙酯/石油醚体积比1:200的混合液为洗脱剂,收集含目标化合物的洗脱液,蒸除溶剂得到对硝基苯甲腈136.2mg,分离收率为92%。
实施例3:对硝基苯甲腈(式(2-2))的制备
反应步骤同实施例2,所不同的是电压改为1.0V,反应15h。最终得到对硝基苯甲腈130.2mg,分离收率为88%。
实施例4:邻氯苯甲腈(式(2-3))的制备
在30ml的烧杯内加入0.1mol/L高氯酸钠的乙腈溶液(10mL)、邻氯苯甲醛(式(1-3),1mmol,141mg)、TEMPO(0.1mmol,16mg)、HMDS(2.5mmol,404mg)和乙酸(2.5mmol,150mg)。25℃,1.5V下恒电位电解,12h后反应结束。反应液中加入饱和亚硫酸钠溶液搅拌,然后用二氯甲烷萃取,分离出有机层,减压蒸除溶剂,再进行柱层析分离,以乙酸乙酯/石油醚体积比1:200的混合液为洗脱剂,收集含目标化合物的洗脱液,蒸除溶剂得到邻氯苯甲腈118.3mg,分离收率为86%。
实施例5:间氯苯甲腈(式(2-4))的制备
在30ml的烧杯内加入0.1mol/L高氯酸钠的乙腈溶液(10mL)、间氯苯甲醛(式(1-4),1mmol,141mg)、TEMPO(0.1mmol,16mg)、HMDS(2.5mmol,404mg)和乙酸(2.5mmol,150mg)。25℃,1.5V下恒电位电解,12h后反应结束。反应液中加入饱和亚硫酸钠溶液搅拌,然后用二氯甲烷萃取,分离出有机层,减压蒸除溶剂,再进行柱层析分离,以乙酸乙酯/石油醚体积比1:200的混合液为洗脱剂,收集含目标化合物的洗脱液,蒸除溶剂得到邻氯苯甲腈118.3mg,分离收率为86%。
实施例6:间氯苯甲腈(式(2-4))的制备
反应步骤同实施例5,所不同的是电压改为0.5V,反应30h。最终得到对氯甲腈110.1mg,分离收率为80%。
实施例7:对氯苯甲腈(式(2-5))的制备
在30ml的烧杯内加入0.1mol/L高氯酸钠的乙腈溶液(10mL)、对氯苯甲醛(式(1-5),1mmol,141mg)、TEMPO(0.1mmol,16mg)、HMDS(2.5mmol,404mg)和乙酸(2.5mmol,150mg)。25℃,1.5V下恒电位电解,12h后反应结束。反应液中加入饱和亚硫酸钠溶液搅拌,然后用二氯甲烷萃取,分离出有机层,减压蒸除溶剂,再进行柱层析分离,以乙酸乙酯/石油醚体积比1:200的混合液为洗脱剂,收集含目标化合物的洗脱液,蒸除溶剂得到对氯苯甲腈119.7mg,分离收率为87%。
实施例8:对氯苯甲腈(式(2-5))的制备
反应步骤同实施例7,所不同的是HMDS用量改为565mg(3.5mmol),乙酸用量为210mg(3.5mmol)。最终得到对氯苯甲腈117.0mg,分离收率为85%。
实施例9:对氯苯甲腈(式(2-5))的制备
反应步骤同实施例7,所不同的是HMDS用量改为161mg(1mmol),乙酸用量为60mg(1mmol)。最终得到对氯苯甲腈75.7mg,分离收率为55%。
实施例10:对氯苯甲腈(式(2-5))的制备
反应步骤同实施例7,所不同的是TEMPO用量改为8mg(0.05mmol),电压为2V,反应18h。最终得到对氯苯甲腈89.4mg,分离收率为65%。
实施例11:对氯苯甲腈(式(2-5))的制备
反应步骤同实施例7,所不同的是反应温度改为40℃。最终得到对氯苯甲腈117.0mg,分离收率为85%。
实施例12:对氯苯甲腈(式(2-5))的制备
反应步骤同实施例7,所不同的是反应温度改为15℃。最终得到对氯苯甲腈103.2mg,分离收率为75%。
实施例13:对氯苯甲腈(式(2-5))的制备
反应步骤同实施例7,所不同的是HMDS用量改为322mg(2mmol),乙酸120mg(2mmol),TEMPO用量39mg(0.25mmol),电压1V,反应15h。最终得到对氯苯甲腈119.7mg,分离收率为87%。
实施例14:对氯苯甲腈(式(2-5))的制备
反应步骤同实施例7,所不同的是电压改为4V,反应8h。最终得到对氯苯甲腈96.3mg,分离收率为70%。
实施例15:邻溴苯甲腈(式(2-6))的制备
在30ml的烧杯内加入0.1mol/L高氯酸钠的乙腈溶液(10mL)、邻溴苯甲醛(式(1-6),1mmol,184mg)、TEMPO(0.1mmol,16mg)、HMDS(2.5mmol,404mg)和乙酸(2.5mmol,150mg)。25℃,1.5V下恒电位电解,12h后反应结束。反应液中加入饱和亚硫酸钠溶液搅拌,然后用二氯甲烷萃取,分离出有机层,减压蒸除溶剂,再进行柱层析分离,以乙酸乙酯/石油醚体积比1:200的混合液为洗脱剂,收集含目标化合物的洗脱液,蒸除溶剂得到邻溴苯甲腈143.8mg,分离收率为79%。
实施例16:对溴苯甲腈(式(2-7))的制备
在30ml的烧杯内加入0.1mol/L高氯酸钠的乙腈溶液(10mL)、对溴苯甲醛(式(1-7),1mmol,184mg)、TEMPO(0.1mmol,16mg)、HMDS(2.5mmol,404mg)和乙酸(2.5mmol,150mg)。25℃,1.5V下恒电位电解,12h后反应结束。反应液中加入饱和亚硫酸钠溶液搅拌,然后用二氯甲烷萃取,分离出有机层,减压蒸除溶剂,再进行柱层析分离,以乙酸乙酯/石油醚体积比1:200的混合液为洗脱剂,收集含目标化合物的洗脱液,蒸除溶剂得到对溴苯甲腈143.8mg,分离收率为79%。
实施例17:对溴苯甲腈(式(2-7))的制备
反应步骤同实施例17,所不同的是反应温度改为35℃。最终得到对溴苯甲腈147.4mg,分离收率为81%。
实施例18:对溴苯甲腈(式(2-7))的制备
反应步骤同实施例17,所不同的是HMDS用量改为484mg(3mmol),乙酸用量为180mg(3mmol)。最终得到对溴苯甲腈142.0mg,分离收率为78%。
实施例19:对溴苯甲腈(式(2-7))的制备
反应步骤同实施例17,所不同的是所不同的是电压改为8V,反应5h。最终得到对溴苯甲腈114.7mg,分离收率为63%。
实施例20:对氟苯甲腈(式(2-8))的制备
在30ml的烧杯内加入0.1mol/L高氯酸钠的乙腈溶液(10mL)、对氟苯甲醛(式(1-8),1mmol,124mg)、TEMPO(0.1mmol,16mg)、HMDS(2.5mmol,404mg)和乙酸(2.5mmol,150mg)。25℃,1.5V下恒电位电解,12h后反应结束。反应液中加入饱和亚硫酸钠溶液搅拌,然后用二氯甲烷萃取,分离出有机层,减压蒸除溶剂,再进行柱层析分离,以乙酸乙酯/石油醚体积比1:200的混合液为洗脱剂,收集含目标化合物的洗脱液,蒸除溶剂得到对氟苯甲腈96.9mg,分离收率为80%。
实施例21:邻氟苯甲腈(式(2-9))的制备
在30ml的烧杯内加入0.1mol/L高氯酸钠的乙腈溶液(10mL)、邻氟苯甲醛(式(1-9),1mmol,124mg)、TEMPO(0.1mmol,16mg)、HMDS(2.5mmol,404mg)和乙酸(2.5mmol,150mg)。25℃,1.5V下恒电位电解,12h后反应结束。反应液中加入饱和亚硫酸钠溶液搅拌,然后用二氯甲烷萃取,分离出有机层,减压蒸除溶剂,再进行柱层析分离,以乙酸乙酯/石油醚体积比1:200的混合液为洗脱剂,收集含目标化合物的洗脱液,蒸除溶剂得到邻氟氯苯甲腈96.9mg,分离收率为80%。
实施例22:邻甲基苯甲腈(式(2-10))的制备
在30ml的烧杯内加入0.1mol/L高氯酸钠的乙腈溶液(10mL)、邻甲基苯甲醛(式(1-10),1mmol,120mg)、TEMPO(0.1mmol,16mg)、HMDS(2.5mmol,404mg)和乙酸(2.5mmol,150mg)。25℃,1.5V下恒电位电解,12h后反应结束。反应液中加入饱和亚硫酸钠溶液搅拌,然后用二氯甲烷萃取,分离出有机层,减压蒸除溶剂,再进行柱层析分离,以乙酸乙酯/石油醚体积比1:200的混合液为洗脱剂,收集含目标化合物的洗脱液,蒸除溶剂得到邻甲基苯甲腈107.8mg,分离收率为92%。
实施例23:间甲基苯甲腈(式(2-11))的制备
在30ml的烧杯内加入0.1mol/L高氯酸钠的乙腈溶液(10mL)、间甲基苯甲醛(式(1-11),1mmol,120mg)、TEMPO(0.1mmol,16mg)、HMDS(2.5mmol,404mg)和乙酸(2.5mmol,150mg)。25℃,1.5V下恒电位电解,12h后反应结束。反应液中加入饱和亚硫酸钠溶液搅拌,然后用二氯甲烷萃取,分离出有机层,减压蒸除溶剂,再进行柱层析分离,以乙酸乙酯/石油醚体积比1:200的混合液为洗脱剂,收集含目标化合物的洗脱液,蒸除溶剂得到间甲基苯甲腈97.3mg,分离收率为83%。
实施例24:对甲基苯甲腈(式(2-12))的制备
在30ml的烧杯内加入0.1mol/L高氯酸钠的乙腈溶液(10mL)、对甲基苯甲醛(式(1-12),1mmol,120mg)、TEMPO(0.1mmol,16mg)、HMDS(2.5mmol,404mg)和乙酸(2.5mmol,150mg)。25℃,1.5V下恒电位电解,12h后反应结束。反应液中加入饱和亚硫酸钠溶液搅拌,然后用二氯甲烷萃取,分离出有机层,减压蒸除溶剂,再进行柱层析分离,以乙酸乙酯/石油醚体积比1:200的混合液为洗脱剂,收集含目标化合物的洗脱液,蒸除溶剂得到对甲基苯甲腈105.5mg,分离收率为90%。
实施例25:对叔丁基苯甲腈(式(2-13))的制备
在30ml的烧杯内加入0.1mol/L高氯酸钠的乙腈溶液(10mL)、对叔丁基苯甲醛(式(1-13),1mmol,162mg)、TEMPO(0.1mmol,16mg)、HMDS(2.5mmol,404mg)和乙酸(2.5mmol,150mg)。25℃,1.5V下恒电位电解,12h后反应结束。反应液中加入饱和亚硫酸钠溶液搅拌,然后用二氯甲烷萃取,分离出有机层,减压蒸除溶剂,再进行柱层析分离,以乙酸乙酯/石油醚体积比1:200的混合液为洗脱剂,收集含目标化合物的洗脱液,蒸除溶剂得到对叔丁基苯甲腈138.5mg,分离收率为87%。
实施例26:对甲氧基苯甲腈(式(2-14))的制备
在30ml的烧杯内加入0.1mol/L高氯酸钠的乙腈溶液(10mL)、对甲氧基苯甲醛(式(1-14),1mmol,136mg)、TEMPO(0.2mmol,31mg)、HMDS(2.5mmol,404mg)和乙酸(2.5mmol,150mg)。25℃,1.5V下恒电位电解,25h后反应结束。反应液中加入饱和亚硫酸钠溶液搅拌,然后用二氯甲烷萃取,分离出有机层,减压蒸除溶剂,再进行柱层析分离,以乙酸乙酯/石油醚体积比1:200的混合液为洗脱剂,收集含目标化合物的洗脱液,蒸除溶剂得到对甲氧基苯甲腈122.5mg,分离收率为92%。
实施例27:对甲硫基苯甲腈(式(2-15))的制备
在30ml的烧杯内加入0.1mol/L高氯酸钠的乙腈溶液(10mL)、对甲硫基苯甲醛(式(1-15),1mmol,136mg)、TEMPO(0.2mmol,31mg)、HMDS(2.5mmol,404mg)和乙酸(2.5mmol,150mg)。25℃,1.5V下恒电位电解,25h后反应结束。反应液中加入饱和亚硫酸钠溶液搅拌,然后用二氯甲烷萃取,分离出有机层,减压蒸除溶剂,再进行柱层析分离,以乙酸乙酯/石油醚体积比1:200的混合液为洗脱剂,收集含目标化合物的洗脱液,蒸除溶剂得到对甲硫基苯甲腈100.0mg,分离收率为67%。
实施例27:1-萘甲腈(式(2-16))的制备
在30ml的烧杯内加入0.1mol/L高氯酸钠的乙腈溶液(10mL)、1-萘甲醛(式(1-16),1mmol,136mg)、TEMPO(0.2mmol,31mg)、HMDS(2.5mmol,404mg)和乙酸(2.5mmol,150mg)。25℃,1.5V下恒电位电解,25h后反应结束。反应液中加入饱和亚硫酸钠溶液搅拌,然后用二氯甲烷萃取,分离出有机层,减压蒸除溶剂,再进行柱层析分离,以乙酸乙酯/石油醚体积比1:200的混合液为洗脱剂,收集含目标化合物的洗脱液,蒸除溶剂得到对甲氧基苯甲腈99.6mg,分离收率为65%。
实施例28:5-溴呋喃-2-甲腈(式(2-17))的制备
在30ml的烧杯内加入0.1mol/L高氯酸钠的乙腈溶液(10mL)、5-溴呋喃-2-甲醛(式(1-17),1mmol,175mg)、TEMPO(0.1mmol,16mg)、HMDS(2.5mmol,404mg)和乙酸(2.5mmol,150mg)。25℃,1.5V下恒电位电解,15h后反应结束。反应液中加入饱和亚硫酸钠溶液搅拌,然后用二氯甲烷萃取,分离出有机层,减压蒸除溶剂,再进行柱层析分离,以乙酸乙酯/石油醚体积比1:200的混合液为洗脱剂,收集含目标化合物的洗脱液,蒸除溶剂得到5-溴呋喃-2-甲腈141.0mg,分离收率为82%。
实施例29:5-溴呋喃-2-甲腈(式(2-17))的制备
反应步骤同实施例17,所不同的是反应温度改为5℃,反应24h。最终得到5-溴呋喃-2-甲腈129.0mg,分离收率为75%。
实施例30:5-溴呋喃-2-甲腈(式(2-17))的制备
反应步骤同实施例17,所不同的是高氯酸钠的乙腈溶液浓度为0.2mol/L,用量为6.5mL。最终得到5-溴呋喃-2-甲腈120.4mg,分离收率为70%。
实施例31:5-溴呋喃-2-甲腈(式(2-17))的制备
反应步骤同实施例17,所不同的是高氯酸钠的乙腈溶液浓度为0.05mol/L,用量为17mL。最终得到5-溴呋喃-2-甲腈132.4mg,分离收率为77%。
实施例32:苯并呋喃-2-甲腈(式(2-18))的制备
在30ml的烧杯内加入0.1mol/L高氯酸钠的乙腈溶液(10mL)、苯并呋喃-2-甲醛(式(1-18),1mmol,175mg)、TEMPO(0.1mmol,16mg)、HMDS(2.5mmol,404mg)和乙酸(2.5mmol,150mg)。25℃,1.5V下恒电位电解,15h后反应结束。反应液中加入饱和亚硫酸钠溶液搅拌,然后用二氯甲烷萃取,分离出有机层,减压蒸除溶剂,再进行柱层析分离,以乙酸乙酯/石油醚体积比1:200的混合液为洗脱剂,收集含目标化合物的洗脱液,蒸除溶剂得到苯并呋喃-2-甲腈104.1mg,分离收率为80%。
实施例33:5-溴噻吩-2-甲腈(式(2-19))的制备
在30ml的烧杯内加入0.1mol/L高氯酸钠的乙腈溶液(10mL)、5-溴噻吩-2-甲醛(式(1-19),1mmol,191mg)、TEMPO(0.2mmol,31mg)、HMDS(2.5mmol,404mg)和乙酸(2.5mmol,150mg)。25℃,1.5V下恒电位电解,20h后反应结束。反应液中加入饱和亚硫酸钠溶液搅拌,然后用二氯甲烷萃取,分离出有机层,减压蒸除溶剂,再进行柱层析分离,以乙酸乙酯/石油醚体积比1:200的混合液为洗脱剂,收集含目标化合物的洗脱液,蒸除溶剂得到5-溴噻吩-2-甲腈135.4mg,分离收率为72%。