CN113242856A - N-硝基糖精 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及具有通式(I)的N‑硝基糖精，
其中R为氢(H)或硝基(NO2)，其制备和其作为硝化剂的用途。
Description
本发明涉及新化合物和它们作为硝化剂的用途。
当今，芳族硝基化合物几乎仅通过使用大量过量的硝酸或诸如H2SO4/HNO3的混合强酸体系使芳烃亲电子硝化来合成。这类酸性反应条件(强酸的混合物与高达135℃的高反应温度组合)代表了在对酸敏感性官能团的耐性方面的限制，并且引起选择性问题，从而导致区域异构体的复杂混合物(complex mixtures)和过度硝化副产物的形成。
CN 104 945 304 B公开了一种使用三氟甲硫基糖精生产三氟甲硫基芳烃的方法。
Cochet等人(Cochet等人，Synlett，第2011卷，第13期，第1920-1922页)公开了N-甲酰糖精作为新的甲酰化剂。
Ueda等人(Ueda等人，2013，Angewandte Chemie International Edition，第52卷，第33期，第8611-8615页)使用钯来催化芳基卤的还原羰基化，其中N-甲酰糖精作为CO源。
WO 2016/118450 A1公开了在不存在有机溶剂的情况下使用浓硝酸和酸酐使芳族化合物硝化的方法。
作为前几种衍生物中的一者，已在1886年通过Noyes的方法制备了6-硝基糖精。从那以后，已合成了含有在4-和5-位的硝基的各种其它的硝基糖精衍生物(例如G. H. Hamor的J. Am. Pharm. Ass.，第49卷，第5期，1960中)。
术语“N-硝基糖精”指的是含有在氮上的硝基的糖精。在文献中，仅两篇参考文献记录了关于合成N-硝基糖精的初步尝试。
第一篇参考文献(Runge和Treibs，Journal der praktischen Chemie，1962)描述了使用N2O5的工序，N2O5是一种固体化合物(微高于室温下升华)并且在室温下分解为NO2和O2。所提出产物的产率为6天后仅14%。关于所提出产物的特性，仅指示了该物质在170℃下分解并且可溶于二噁烷中、但不溶于EtOH中。考虑到根据当前的认知状况，纯N-硝基糖精的分解温度实际上高得多，并且因缺乏会允许证实所谓的合成N-硝基糖精的进一步分析数据，不得不假定Runge和Treibs生产了不同于N-硝基糖精的另一种化合物。
第二篇参考文献是Kozlova等人的科学出版物，提出了经由糖精铵盐与NO2BF4的反应合成N-硝基糖精(Kozlova、Lukyanov和Tartakovskii，Bulletin of the Academy ofSciences of the USSR，1981)。硝化剂NO2BF4是一种非常不稳定的化合物，并且于空气中在几秒钟内分解。
尽管本发明的发明人多次尝试再现Kozlova的工序，但所提出的合成从未成功，因为根本不能观察到产物形成(描述于实验5中)。Kozlova提供了170℃的熔点并且报告了1610 cm-1处的IR光谱峰。
因此，似乎可能的是Runge/Treibs和Kozlova等人在其制备N-硝基糖精的尝试中实际上都未成功，提供了为断定获得了N-硝基糖精的纯分子的差的证据。
因此，本发明的目的在于提供N-硝基糖精的可再现且直接的合成。本发明的另一个目的在于在使包含至少一个取代或未取代的芳族或杂芳族环的化合物硝化的实用、安全、便宜且绿色的方法中使用这些新的N-硝基糖精。
该目的通过提供根据权利要求1所述的N-硝基糖精、通过根据权利要求5所述的N-硝基糖精的制备方法和通过根据权利要求12所述的N-硝基糖精的用途来实现。本发明的优选实施方案是从属权利要求的主题。
本发明涉及具有下方通式(I)的N-硝基糖精，其中R为氢(H)或硝基(NO2)。
明确而言，本发明涉及具有式(Ia)的未取代N-硝基糖精和具有式(Ib)的6-硝基-N-硝基糖精。
已意外地发现如上文定义的N-硝基糖精是极好的亲电子硝化试剂，并因此在合成携带一个或更多个硝基的化合物中具有高价值。
与Kozlova提出的经由糖精铵盐与不稳定且空气敏感性NO2BF4的反应假定而非成功地合成N-硝基糖精对比，本申请的发明人发现N-硝基糖精和6-硝基-N-硝基糖精可在温和条件下在简单的一步工序中以产物的高化学产率制备。另外，反应由市售可得的糖精或其衍生物开始，所述衍生物也可易于得到并且是低成本商品。
在本发明的优选实施方案中，具有式(I)的N-硝基糖精呈结晶形式。化合物Ia优选包含单斜晶体并且化合物Ib优选包含正交晶体。结晶化合物提供了高纯度和其后续使用的益处。对于本发明的制备的N-硝基糖精，在环境温度下存储超过两个月未观察到可检出的分解。对于N-硝基糖精，获得了白色的无色晶体。对于6-硝基-N-硝基糖精，晶体具有浅黄色(近乎白色)的颜色。对于具有式(Ia)的N-硝基糖精，测得的分解点为180-182℃，且对于具有式(Ib)的6-硝基-N-硝基糖精为174-176℃。因此，N-硝基糖精可易于获得，在空气下储存稳定至少2个月，并且是易于操作的固体化学剂。此外，化合物可存储于冷冻器中至少6个月而无大量分解。
除上文定义的具有通式(I)的N-硝基糖精以外，本发明进一步涉及其制备方法。根据本发明方法，具有通式(II)的N-糖精与硝酸和乙酸酐的混合物反应以获得N-硝基糖精。
在上方通式(II)中，R可为氢或硝基。在R为氢的情况下，N-糖精(II)与乙酸酐和硝酸的混合物反应产生N-硝基糖精(Ia)。在R为硝基的情况下，N-糖精(II)与乙酸酐和硝酸的混合物的反应产生6-硝基-N-硝基糖精(Ib)。
在优选实施方案中，在上述N-硝基糖精的制备中使用浓硝酸。使用浓硝酸已显示出对产率具有有益效果。术语“浓硝酸”意指至少15.8 M的硝酸溶液。最优选浓硝酸，因为可实现较高的速率。
在本发明方法的优选实施方案中，将N-糖精溶解于有机酸酐中，之后添加硝酸。有机酸酐优选选自由乙酸酐、丙酸酐、2-甲基丙酸酐、三甲基乙酸酐、2-乙基丁酸酐、丁酸酐、氟乙酸酐、三氟乙酸酐和它们的混合物组成的组。
优选地，N-糖精和有机溶剂、优选乙酸酐以介于在2:1与1:50之间、优选在1:1与1:20之间且最优选在1:3与1:9之间的范围内之间的摩尔比来使用。
在方法的另一个优选实施方案中，N-糖精与浓硝酸的摩尔比介于500:1与10:1之间，优选介于200:1与20:1之间且最优选介于100:1与40:1之间。
在方法的另一个优选实施方案中，在添加硝酸期间，使N-糖精和非质子溶剂的溶液冷却到低于15℃，优选低于10℃且最优选低于5℃。因为大规模添加硝酸产生热，优选在添加硝酸期间调控反应混合物的温度以维持恒定且稳定的反应环境。
在方法的另一个优选实施方案中，搅拌反应混合物1至24小时，优选2至10小时且最优选4至6小时。
更优选使气体鼓泡经过该反应，优选气体为空气且最优选干空气，以便去除过量的氮氧化物。
在方法的另一个优选实施方案中，如果具有通式(II)的N-糖精与硝酸反应，则以至少50%、优选至少75%且最优选至少90%的产率获得具有通式(I)的N-硝基糖精。
考虑到由于多次硝化或与其它试剂的交叉反应，可比较的硝化反应的产率可能低至15%或甚至不成功，也鉴于本发明方法的工业应用，由本发明方法实现的产率非常令人满意。
在方法的另一个优选实施方案中，在N-糖精硝酸的反应完成后经由过滤去除溶剂以获得呈结晶形式的N-硝基糖精。
已进一步发现在亲电子取代中N-硝基糖精和6-硝基-N-硝基糖精可用作至少一个取代或未取代的芳族或杂芳族环的硝化剂。N-硝基糖精是实验台稳定的，可在几小时内由便宜、市售可得的化学剂在一个化学步骤中大规模制备。
因此，本发明进一步涉及具有通式(I)的N-硝基糖精
在亲电子取代中作为化合物A的硝化剂的用途，其中R为氢或硝基。化合物A由此包含至少一个取代或未取代的芳族或杂芳族环，并且所述环具有优选至少一个选自由氧、硫、磷、氮和硒组成的组的杂原子。
由于存在另外的吸电子硝基，与N-硝基糖精相比，6-硝基-N-硝基糖精反应显著更加强力并且促进硝化反应。因此，6-硝基-N-硝基糖精特别可用于在硝化活性较低的原材料中的使用。
在本发明用途的优选实施方案中，亲电子取代是本位取代。本位取代是其中离去基团不为氢的亲电子芳族取代的一种特殊情况。因此，在这种情况下，化合物(A)包含至少芳族或杂芳族环，所述芳族或杂芳族环包含离去基团并且可包含另外的残基或不包含另外的残基。通常，所述离去基团允许形成稳定的碳正离子中间体。
在本发明的上下文中，术语杂芳族环代表包含至少一个选自由氧、硫、磷、硒和氮组成的组的杂原子的环。化合物(A)包含至少一个取代或未取代的环作为更大复杂分子的结构部分，或其仅由所述至少一个未取代或取代的芳族环组成。因此，措辞“化合物(A)”涵盖芳烃和杂芳烃，以及在其化学结构中包含一个或更多个芳族或杂芳族环的化合物，诸如像雌酮、雌二醇和雌三醇。如果存在多于一个芳族或杂芳族环，则所述环可稠合到一起或者经诸如亚烷基等的键相互连接。换言之，化合物(A)可为包含或由取代或未取代的芳族或杂芳族环组成的小、中或大有机化合物。
特别地，鉴于本位取代，优选离去基团Y选自由卤素原子(I、Br、Cl、F)、SO3H、Si(CH3)3、甲苯磺酰基、甲磺酰基、硝基苯磺酰基(nosyl)、对溴苯磺酰基(brosyl)、三氟乙磺酰基、丹磺酰基、三氟甲磺酰基、氢氧基(hydroxides)、烷氧基(alkoxides)、酰胺、乙酰基取代基和叔烷基取代基组成的组。
在以下部分中，将描述未取代N-硝基糖精和6-硝基-N-硝基糖精的合成和表征。
N-硝基糖精可由市售可得的糖精或其衍生物在定量的一步工序中制备，所述衍生物可易于得到并且是低成本商品。
对于未取代N-硝基糖精的制备，在优选低于10℃下，将糖精作为原材料加入浓硝酸和乙酸酐的混合物。4-5小时后，取决于反应规模，所需试剂沉淀为白色结晶化合物。
在环境温度下，在空气下、在光的存在下存储超过两个月后，未观察到该分子的可检出的分解。因此，N-硝基糖精可易于获得，储存稳定，并且是易于操作的固体化学剂。
实施例1
合成N-硝基糖精的工序：
在配备有滴液漏斗、出气口和搅拌棒的250 mL三颈圆底烧瓶中，放置于乙酸酐(25.7 mL，0.27 mol)中的N-糖精(10.0 g，54.64 mmol)。用冰浴使溶液冷却到0-5℃，并且在30分钟内将浓硝酸(25.1 mL，0.61 mol)逐滴加入溶液，同时使干空气迅速鼓泡经过溶液以便去除过量的氮氧化物。一旦添加了全部硝酸，N-糖精即完全溶解。移除冷却浴，并且在至少4小时内，在室温下伴随空气连续鼓泡经过液体，搅拌反应混合物。将反应期间形成的沉淀收集于烧结玻璃滤器上，并且在高真空下干燥直至干燥(11.8 g，产率95%)。该物质可从热氯仿或乙腈中再结晶并且是白色结晶化合物。在室温下，处于CH2Cl2、CHCl3、丙酮、HFIP、THF、MeCN、苯中24小时后，未发现N-硝基糖精的分解。DMF、DMSO和MeOH中发现了N-硝基糖精的全部或部分分解。
M.p./分解温度180-182℃(质量损失约50%，通过热重量分析测定)；
1H-NMR (300 MHz, CD3CN)：δ = 8.05 (dt, J = 7.4, 1.5 Hz, 1H), 8.14 (dt,J = 6.1, 1.4 Hz, 1H), 8.16-8.23 (m, 2H)；
13C-NMR (75 MHz)：δ = 121.7, 123.1, 126.5, 134.4, 135.9, 137.6, 151.7；
IR (ATR，纯)：3097, 1781, 1717, 1601, 1463, 1292, 1176, 1068, 1007,891, 758, 662, 582, 500；
针对C7H4N2O5S计算的HRMS (El) m/z：[M+] 227.9836，实测227.9842。
针对C7H4N2O5S分析计算：C 36.85, H 1.77, N 12.28，实测：C 36.88, H 1.87, N12.41。
通过从氯仿/乙腈1:1的饱和溶液中缓慢蒸发获得了化合物Ia的无色晶体。
化合物IA的晶体数据和结构精化：
通过锤击并且利用落锤冲击机测试试剂的敏感性。锤击试验是对分子对于外部冲击刺激的敏感性的初始指示。将1 g量的试剂置于验证板的洁净钢表面上并且用锤(250 g)击打。未记录到烟雾、浓烟、火花、爆炸或热，从而表明该分子对冲击不敏感。对于落锤试验，使用了MP-3落锤设备。将试剂的样品(200 mg)置于洁净钢表面上，并且用手动曲柄将1 kg锤抬升至预定高度(0.5 m和0.8 m)。锤从不同高度降落到打击物上。未记录到效果。
虽然在合成本文中报告的这种分子或产物时未曾遇到事故，但必须采取安全预防措施，诸如佩戴防护眼镜、防护罩、全身防护服等。酰基硝酸酯的安全规程在以下参考文献中有充分记录：Louw, R. e-EROS Encycl. Reagents Org. Synth. 2001，DOI：10.1002/047084289X.ra032。对于在合成中使用数千克的硝酸乙酰酯，参见以下参考文献：Hoare,J.，Duddu, R.，Damavarapu, R. Org. Process Res. Dev. 2016，20，683-686。
实施例2
合成6-硝基-N-硝基糖精的工序：
在配备有滴液漏斗、出气口和搅拌棒的250 mL三颈圆底烧瓶中，放置于乙酸酐(28.2 mL，0.30 mol)中的N-糖精(10.0 g，36.63 mmol)。用冰浴使溶液冷却到0-5℃，并且在30分钟内将浓硝酸(28.2 mL，0.67 mol)逐滴加入溶液，同时使干空气迅速鼓泡经过溶液以便去除过量的氮氧化物。一旦添加了全部硝酸，6-硝基糖精即完全溶解。在5-10℃下，在4小时内伴随空气持续鼓泡经过液体，搅拌反应混合物。将反应混合物置于冷冻器10小时以使产物完全沉淀。将沉淀收集于烧结玻璃滤器上，用冷氯仿洗涤，并且在高真空下干燥直至干燥(9.6 g，产率96%)。产物为浅黄色(近乎白色)粉末/结晶化合物。
M.p./分解温度174-176℃(质量损失约50%，通过热重量分析测定)；
1H-NMR (500 MHz, CD3CN)：δ = 9.07 (d, J = 2.1 Hz, 1H), 8.76 (dd, J =8.5, 2.0 Hz, 1 H), 8.43 (d, J = 8.4 Hz, 1H)；
13C-NMR (125 MHz, CD3CN)：δ = 118.3, 112.8, 128.5, 130.6, 135.4, 150.3,152.9；
IR (ATR，纯)：3073, 1732, 1601, 1529, 1424, 1347, 1180, 1064, 1024,786, 737, 649, 490；
针对C7H3N3O7S分析计算：C 3.78, H 1.11, N 15.38，实测：C 30.81, H 1.19, N15.50。
通过从氯仿/乙腈1:1的饱和溶液中缓慢蒸发获得了化合物Ib的无色晶体。
化合物Ib的晶体数据和结构精化：
实施例3
芳烃硝化的代表性通用工序I：
将50 mL容器用化合物Ia (1.3当量，6.5 mmol)装载并且在氮气气氛下密封。添加芳烃(1.0当量，5 mmol)和HFIP (10 mL)，并且在55℃下加热反应混合物2-19小时(取决于底物)。在冷却到室温后，在真空中去除溶剂，并且通过快速柱色谱(SiO2，乙酸乙酯/正己烷梯度)纯化产物。
实施例4
芳烃硝化的代表性通用工序II：
将50 mL容器用化合物Ib (1.3当量，6.5 mmol)、Mg(ClO4)2 (0.5 mmol)装载并且在氮气气氛下密封。添加芳烃(1.0当量，5 mmol)和CH3CN (10 mL)，并且在85℃下加热反应混合物5-19小时(取决于底物)。在冷却到室温后，在真空中去除溶剂，并且通过快速柱色谱(SiO2，乙酸乙酯/正己烷梯度)纯化产物。
实施例5-对比实验
研究了Kozlova等人所述的以下工序：在-30℃下将等摩尔量的四氟硼酸硝鎓加入2 g糖精的酰亚胺盐于20 mL无水乙腈中的搅拌悬浮液，并且在该温度下搅拌混合物20-30分钟。通过过滤去除沉淀并且蒸发滤液。用己烷与二氯甲烷的混合物洗涤固体残留物。尽管多次尝试，但所提出的合成从未成功，因为根本不能观察到产物形成。
Claims (14)
1.具有通式(I)的N-硝基糖精，
其中R为氢(H)或硝基(NO2)。
2.根据权利要求1所述的N-硝基糖精，其具有式(Ia)
3.根据权利要求1所述的6-硝基-N-硝基糖精，其具有式(Ib)
4.根据前述权利要求中任一项所述的N-硝基糖精，其中所述具有通式(I)的N-硝基糖精呈结晶形式。
5.制备根据权利要求1所述的具有通式(I)的N-硝基糖精的方法，所述方法包括以下步骤：
使具有通式(II)的N-糖精，
在硝酸、优选浓硝酸的存在下反应，以获得具有通式(I)的N-硝基糖精，其中R为氢或硝基。
6.根据权利要求5所述的方法，其中将具有通式(II)的N-糖精溶解于有机酸酐中，所述有机酸酐优选选自由乙酸酐、丙酸酐、2-甲基丙酸酐、三甲基乙酸酐、2-乙基丁酸酐、丁酸酐、氟乙酸酐和三氟乙酸酐以及它们的混合物组成的组。
7.根据权利要求5或6中任一项所述的方法，其中N-糖精与浓硝酸的摩尔比介于500比1与10比1之间，优选介于200比1与20比1之间且最优选介于100比1与40比1之间。
8.根据权利要求5至7中的一项所述的方法，其中在完成硝酸的添加期间，使包含溶解于有机溶剂中的具有通式(II)的N-糖精的溶液冷却到低于15℃，优选低于10℃且最优选低于5℃。
9.根据权利要求5至8中任一项所述的方法，其中搅拌反应混合物1至24小时，优选2至10小时且最优选4至6小时。
10.根据权利要求5至9中任一项所述的方法，其中以至少50%、优选至少75%且最优选至少90%的产率获得具有通式(I)的N-硝基糖精。
11.根据权利要求5至10中任一项所述的方法，其中去除溶剂以获得呈结晶形式的具有通式(I)的N-硝基糖精。
12.具有通式(I)的N-硝基糖精，
在亲电子取代中作为化合物A的硝化剂的用途，其中R为氢(H)或硝基(NO2)，
其中化合物A包含至少一个取代或未取代的芳族或杂芳族环，所述环优选具有至少一个选自由氧、硫、磷、硒和氮组成的组的杂原子。
13.根据权利要求12所述的用途，其中所述亲电子取代为本位取代。
14.根据权利要求12或13中任一项所述的用途，其中化合物A的芳族或杂芳族环包含离去基团，其中所述离去基团Y优选选自由卤素原子(I、Br、Cl、F)、SO3H、Si(CH3)3、甲苯磺酰基、甲磺酰基、硝基苯磺酰基、对溴苯磺酰基、三氟乙磺酰基、丹磺酰基、三氟甲磺酰基、氢氧基、烷氧基、酰胺、乙酰基取代基和叔烷基取代基组成的组。
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