CN111908998A - 一种单溴代芳烃类化合物的制备方法 - Google Patents

一种单溴代芳烃类化合物的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种单溴代芳香烃类化合物的制备方法，所述的方法按如下步骤进行：以芳香烃类化合物为原料，以水为溶剂，液溴为溴源，在室温下反应4.5h，反应结束后，对所得反应混合液后处理得到单溴代的目标产物。本发明通过芳香烃类化合物在水的作用下，实现了高选择性的溴代方法，且制备了单溴代的芳香烃类化合物；反应适用性强，条件温和，产率高，绿色对环境友好。

Description

一种单溴代芳烃类化合物的制备方法
技术领域
本发明涉及有机合成领域，具体涉及一种单溴代芳香烃类化合物的制备方法。
背景技术
单溴代芳烃类化合物是一类十分重要的有机化合物，常用于制备高沸点溶剂、有机合成、制药以及新材料行业的关键原料等。例如，溴苯可用于生产压敏或热敏染料，二苯醚系列香料，杀虫剂等农药，镇痛解热和止咳药等的原料，应用领域十分广泛；对溴甲苯主要用作医药等有机合成原料及中间体；对溴苯酚则是重要的有机合成中间体，可以用作消毒剂、农药及医药原料。
目前，合成溴代芳香烃的方法均存在许多不足与局限，例如，废水废气处理麻烦、溶剂体系复杂，试剂成本昂贵，制备条件繁杂，且使用的试剂中有很多毒性较大，存在环境污染，反应选择性差，产率较低等。例如，Thais Delgado-Abad等人在题为“On theionizing properties of supercritical carbon dioxide:uncatalyzed electrophilicbromination of aromatics”(RSC Adv.,2014,4,51016-51021)的文章中报道了常规溴化反应是在冰醋酸或三氟乙酸作溶剂且加热的条件下，利用液溴对不同芳烃类底物(如：苯、甲苯、叔丁基苯等)进行溴化。郭建国等人在发明专利CN105669364中介绍了一种绿色溴代的方法：以氢溴酸、次氯酸钠为溴源，以三氯化铁为催化剂可以高选择性地制备对溴甲苯。但金属催化剂的使用使得成本升高且后处理繁琐。Michael Roth等人近期也报道了以苯并环丁烯为原料、水为溶剂、十二烷基磺酸钠(SDS)为乳化剂的体系，可以较高产率地制备单溴取代的苯并环丁烯。但是在实验的后处理过程中由于SDS的存在，会产生大量泡沫，需要再加入试剂进行消泡处理，除此之外还会导致有机相与水相不易分层的现象，使得实验整体所使用的试剂增多，处理过程冗长复杂。
因此，设计一条绿色环保的环境友好型并且高选择性的合成单溴代芳香烃类衍生物的路线十分重要。
发明内容
本发明的目的是提供一种工艺流程简单、试剂成本较低、环境友好、高选择性、高产率的单溴代芳香烃类衍生物的制备方法。
本发明所提供的单溴代芳香烃类衍生物的制备方法，包括如下步骤：
以式I、式II或式III所示的芳香烃类化合物为原料，以水为溶剂，以液溴为溴源，反应，对所得反应混合液A后处理得到对应的式IV、式V和式VI所示的单溴代的目标产物；
Figure BDA0002629234150000021
上述式I、式IV中，R1为不活泼取代基，如饱和烷基(如C1-20的直链或支链烷基，如甲基，乙基等)；
上述式II、式V中，R1、R2可独立地为不活泼取代基，如饱和烷基(如C1-20的直链或支链烷基，如甲基，乙基等)，R1和R2相同或不同；或者R1、R2相连形成环丁基，
当R1、R2相连形成环丁基时，式II所示化合物为；
上述式III、式VI中，R1、R2、R3可独立地为不活泼取代基，如饱和烷基(如C1-20的直链或支链烷基，如甲基，乙基等)，R1、R2、R3相同或不同；
上述方法中，芳香烃类化合物与液溴的物质的量之比可为1：1～1.5，具体可为1:1～1.2，更具体可为1：1.1；
芳香烃化合物与水的摩尔比可为：1：25～35；
所述反应的温度可为20～35℃，具体可为20～30℃，更具体可为22～26℃；
所述反应的时间可为2-12h，具体可为4.5h；
所述反应混合液A的后处理过程为：停止反应后，用有机溶剂萃取反应混合液A，调节pH＝7，收集有机相并通过旋蒸除去有机溶剂，再以减压蒸馏的方法分离得到单溴代的目标产物；所述有机溶剂具体可为正己烷；
进一步地，所述反应体系中还可加入缚酸剂；
所述缚酸剂可为碳酸氢钠、碳酸钠、碳酸钾、氢氧化钾中的一种或几种的混合物，具体可为碳酸氢钠、碳酸钠，更具体可为碳酸氢钠；
具体地，所述方法为：以式I、式II或式III所示的芳香烃类化合物为原料，加入缚酸剂，以水为溶剂，以液溴为溴源，反应，对所得反应混合液B后处理得到对应的式IV、式V和式VI所示的单溴代的目标产物；
上述方法中，芳香烃类化合物与缚酸剂、液溴的物质的量之比可为1：1：1～1.5，具体可为1：1：1～1.2，更具体可为1：1：1.1；
芳香烃化合物与水的摩尔比可为：1：25～35；
所述反应的温度可为20～35℃，具体可为20～30℃，更具体可为22～26℃；
所述反应的时间可为2-12h，具体可为4.5h；
所述反应混合液B的后处理过程为：停止反应后，用有机溶剂萃取反应混合液B，调节pH＝7，收集有机相并通过旋蒸除去有机溶剂，再以减压蒸馏的方法分离得到单溴代的目标产物；
所述有机溶剂具体可为正己烷。
当上述式I、式II和式III所含的取代基中至少一个活泼取代基，如羟基时，本发明所提供的单溴代芳香烃类衍生物的制备方法，包括如下步骤：
以式I、式II或式III所示的芳香烃类化合物为原料，以水为溶剂，加入缚酸剂，以液溴为溴源，反应，对所得反应混合液C后处理得到对应的式IV、式V和式VI所示的单溴代的目标产物(式IV、式V和式VI中至少有一个活泼取代基，如羟基)。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
本发明通过芳香烃类化合物在水和液溴作用下，实现了高选择性的溴代的方法，制备了单溴代的芳香烃类化合物；反应通用性强，原料廉价简单；反应条件易达到，反应产率高，且环境友好绿色环保。
附图说明
图1表示本发明实施例1中核磁监测制备单溴代苯并环丁烯过程中体系中各组分的摩尔含量变化。
图2表示本发明实施例2中核磁监测制备单溴代苯并环丁烯过程中体系中各组分的摩尔含量变化。
图3表示本发明实施例3中核磁监测制备单溴代甲苯过程中体系中各组分的摩尔含量变化。
图4表示本发明实施例4中核磁监测制备单溴代甲苯过程中体系中各组分的摩尔含量变化。
图5为本发明实施例1和2制备的目标产物的氢谱图。
图6为本发明实施例3制备的对位与邻位Br取代的混合物的氢谱图。
图7为本发明实施例4制备的对位Br取代及其他杂质的混合物的氢谱图。
图8为本发明实施例5制备的产物的氢谱图。
图9为本发明实施例6制备的产物的氢谱图。
图10为本发明实施例7制备的产物的氢谱图。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明进行说明，但本发明并不局限于此。
下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法；下述实施例中所用的试剂、材料等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。
实施例1 4-溴代苯并环丁烯的制备
将2g(20mmol)苯并环丁烯加入到50mL的三颈烧瓶中，再加入12mL的水溶剂中，转移到放置冰浴的搅拌台上避光搅拌(450r/min)，开始搅拌之后，用恒压滴液漏斗缓慢滴入1.2mL(20mmol)液溴，滴溴结束后撤掉冰浴，在室温条件下避光反应搅拌4.5小时。停止反应后，用正己烷萃取反应混合液，调节pH＝7，收集有机相并通过旋蒸除去有机溶剂，然后以减压蒸馏的方法分离得到的纯单溴代的目标产物(4Br-BCB)。该物质为无色液体，单溴取代选择性产率为76.9％，多溴取代产率21.5％。
4Br-BCB的氢谱核磁表征图5所示：
表1.核磁监测制备单溴代苯并环丁烯过程中体系中各组分的摩尔含量变化
Figure BDA0002629234150000041
Figure BDA0002629234150000051
实验结果分析：由实验数据可以看出，滴溴开始至滴溴结束反应0.5h内原料消耗快，反应速率高，单溴取代产物产率达到71％，多溴取代产物产率约占19％，到反应进行至5h时，单溴取代产物产率达到76.9％，副反应生成的多溴取代产物产率为21.5％，期间原料消耗8.4％，原料总消耗量到达98.5％(如图1所示)。
实施例2
将2g(20mmol)苯并环丁烯、1.68g(20mmol)碳酸氢钠加入到50mL的三颈烧瓶中，再加入12mL的水溶剂中，转移到放置冰浴的搅拌台上避光搅拌(450r/min)，并用2mol/L的氢氧化钠溶液处理实验过程中产生的废气，开始搅拌后，用恒压滴液漏斗缓慢滴入1.2mL(20mmol)液溴，滴溴结束后撤掉冰浴，在室温条件下避光反应搅拌4.5小时。停止反应后，用正己烷萃取反应混合液，调节pH＝7，收集有机相并通过旋蒸除去有机溶剂，然后以减压蒸馏的方法分离得到的纯单溴代的目标产物(图5)。该物质为无色液体，单溴取代选择性产率为75.2％，副反应生成的多溴取代产率为15.7％。
表2.核磁监测制备单溴代苯并环丁烯过程中体系中各组分的摩尔含量变化
Figure BDA0002629234150000052
实验结果分析：由实验数据可以看出，滴溴开始至滴溴结束反应0.5h内原料消耗快，反应速率高，单溴取代产物产率达到65.4％，多溴取代产物产率为12.4％，到反应进行至4.5h时，单溴取代产物产率达到75.2％，多溴取代产物产率为15.7％，期间原料消耗13.2％，原料总消耗量到达91％。与实施例1的结果进行比较，可以发现加入缚酸剂可以使反应在生产的单溴代取代物产率相近的情况下，减少副反应带来的多溴取代产物的生成(如图2所示)。
实施例3
将1.84g(20mmol)甲苯加入到50mL的三颈烧瓶中，再加入12mL的水溶剂中，转移到放置冰浴的搅拌台上避光搅拌(450r/min)，开始搅拌之后，用恒压滴液漏斗缓慢滴入1.2mL(20mmol)液溴，滴溴结束后撤掉冰浴，在室温条件下避光反应搅拌4.5小时。停止反应后，用正己烷萃取反应混合液，调节pH＝7，收集有机相并通过旋蒸除去有机溶剂(图6为所得产物(对位与邻位取代的混合物)的氢谱图)。甲基对位单溴取代选择性产率为64.9％，其他副产物产率为33.1％。
最终混合物核磁氢谱如6所示。
表3.核磁监测制备对溴甲苯过程中体系中各组分的摩尔含量变化
Figure BDA0002629234150000061
实验结果分析：由实验数据可以知道，滴溴开始至滴溴结束反应0.5h内原料消耗快，反应速率高，单溴取代产物产率达到57.8％，多溴取代产物产率为29.5％，到反应进行至4.5h时，单溴取代产物产率达到64.9％，多溴取代产物产率为33.1％，期间原料消耗10.7％，原料总消耗量到达98％(如图3所示)。
实施例4
将1.84g(20mmol)甲苯、1.68g(20mmol)碳酸氢钠加入到50mL的三颈烧瓶中，再加入12mL的水溶剂中，转移到放置冰浴的搅拌台上避光搅拌(450r/min)，并用2mol/L的氢氧化钠溶液收集处理废气，开始搅拌之后，用恒压滴液漏斗缓慢滴入1.2mL(20mmol)液溴，滴溴结束后撤掉冰浴，在室温条件下避光反应搅拌4.5小时。停止反应后，用正己烷萃取反应混合液A，调节PH＝7，收集有机相并通过旋蒸除去有机溶剂。甲基对位单溴代选择性产率为61.0％，其他副产物产率37.2％。
最终混合物核磁氢谱如图7所示：
表4.核磁监测制备对溴甲苯过程中体系中各组分的摩尔含量变化
Figure BDA0002629234150000062
Figure BDA0002629234150000071
实验结果分析：由实验数据可以知道，滴溴开始至滴溴结束反应0.5h内原料消耗快，反应速率高，单溴取代产物产率达到56.2％，多溴取代产物产率为28.1％，到反应进行至4.5h时，单溴取代产物产率达到61％，多溴取代产物产率为37.2％，期间原料消耗13.9％，原料总消耗量到达98.2％(如图4所示)。与实施例3的结果相比，加入缚酸剂原料使用率有提高，但单溴代产物与副反应产物的产率均有所降低。
实施例5
将0.18g(2mmol)苯酚加入到50mL的三颈烧瓶中，再加入1.2mL的水溶剂中，转移到放置冰浴的搅拌台上避光搅拌(450r/min)，开始搅拌之后，用一次性注射器加入0.1mL(2mmol)液溴，滴溴结束后撤掉冰浴，在室温条件下避光反应搅拌4.5小时。停止反应后，对混合溶液进行处理，得到的产物为深棕色液体，此条件下得到2,4-二溴代产物(2,4-二溴苯酚)产率为92.8％。
最终混合物核磁氢谱如图8所示。
实施例6
将0.18g(2mmol)苯酚、0.168g(2mmol)碳酸氢钠加入到50mL的三颈烧瓶中，再加入1.2mL的水溶剂中，转移到放置冰浴的搅拌台上避光搅拌(450r/min)，开始搅拌之后，用一次性注射器加入0.1mL(2mmol)液溴，滴溴结束后撤掉冰浴，在室温条件下避光反应搅拌4.5小时，对产物进行处理，得到淡黄色固体，单溴取代产物(4-溴苯酚)的产率为37.5％，2,4-二溴苯酚的产率为62.5％。
最终混合物核磁氢谱如图9所示。
验结果分析：对比实施例5与实施例6的实验结果，未加缚酸剂时直接生成多溴取代，加入缚酸剂之后，可以有效抑制一部分生成多溴取代的副反应，从而得到单溴取代目标产物。
实施例7
将2.4g(20mmol)均三甲苯加入到50mL的三颈烧瓶中，再加入12mL的水溶剂中，转移到放置冰浴的搅拌台上避光搅拌(450r/min)，开始搅拌之后，用恒压滴液漏斗缓慢滴入1.2mL(20mmol)液溴，滴溴结束后撤掉冰浴，在室温条件下避光反应搅拌4.5小时。停止反应后，用正己烷萃取反应混合液，调节pH＝7，收集有机相并通过旋蒸除去有机溶剂，产物为深棕色液体，单溴取代产物的产率为95.2％。
最终混合物核磁氢谱如图10所示：
表5.核磁监测制备单溴代均三甲苯过程中体系中各组分的摩尔含量变化
Figure BDA0002629234150000081
实验结果分析：由表5数据可知，反应速率快，滴溴结束后一直到反应进行4.5h，目标产物产率基本没有变化。

Claims (8)

1.一种单溴代芳香烃类衍生物的制备方法，包括如下步骤：
以式I、式II或式III所示的芳香烃类化合物为原料，以水为溶剂，以液溴为溴源，反应，对所得反应混合液后处理得到对应的式IV、式V和式VI所示的单溴代的目标产物；
Figure FDA0002629234140000011
上述式I、式IV中，R1为不活泼基团，具体可为饱和烷基；
上述式II、式V中，R1、R2独立地为不活泼基团，具体可为饱和烷基，R1和R2相同或不同；或者R1、R2相连形成环丁基，
上述式III、式VI中，R1、R2、R3独立地为不活泼基团，具体可为饱和烷基，R1、R2、R3相同或不同。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：芳香烃类化合物与液溴的物质的量之比为1：1～1.5；
芳香烃化合物与水的摩尔比为：1：25～35。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：所述反应的温度为20～35℃；
所述反应的时间为2-12h。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于：所述反应混合液A的后处理过程为：停止反应后，用有机溶剂萃取反应混合液，调节pH＝7，收集有机相并通过旋蒸除去有机溶剂，再以减压蒸馏的方法分离得到单溴代的目标产物。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的方法，其特征在于：所述反应体系中加入缚酸剂。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：所述缚酸剂为碳酸氢钠、碳酸钠、碳酸钾、氢氧化钾中的一种或几种的混合物。
7.根据权利要求5或6所述的方法，其特征在于：芳香烃类化合物与缚酸剂、液溴的物质的量之比为1：1：1～1.5。
8.当权利要求1中式I、式II和式III所含的取代基中至少一个活泼取代基时，其单溴代芳香烃类衍生物的制备方法，包括如下步骤：以式I、式II或式III所示的芳香烃类化合物为原料，以水为溶剂，加入缚酸剂，以液溴为溴源，反应，对所得反应混合液C后处理得到对应的式IV、式V和式VI所示的单溴代的目标产物，其中，式IV、式V和式VI中至少有一个活泼取代基。
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