CN115490597B - 一种氟代甲苯类衍生物的合成方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种氟代甲苯类衍生物的合成方法,该方法采用TNT为反应原料,在催化剂、配体、添加剂、氟源等条件的共同作用下,待反应完全后经重结晶或柱色谱分离得到氟代甲苯类衍生物。本发明方法步骤少、易纯化,操作简单,收率高;本发明首次采用氟代脱硝的方法由TNT直接制备氟代甲苯类衍生物,克服了TNT对碱不稳定、副反应多的技术缺陷。
Description
技术领域
本发明属于有机合成领域,具体涉及一种氟代甲苯类衍生物的合成方法。
背景技术
三硝基甲苯(TNT)存放时间长了,则不适合军用。如何处理大量库存的TNT对于军事工业来说是一个非常重要的问题。处理的方法一般包括:重结晶回收、降为民用、控制燃烧、生物转化以及化学转化。大规模地进行生物转化是不大可能的,原因是细菌的生长繁殖需要介质,而TNT等甲苯硝基化合物在水中的溶解度很小,如TNT大约为0.5mmol/L。我们认为最好的处理方法是化学转化,一硝基甲苯的转化可以减少二硝基甲苯的生产量,二硝基甲苯的转化可以减少三硝基甲苯的生产量,TNT再行转化。这二次转化可以开辟一个很有价值的研究领域,无论在理论上还是在实际生产中都有很大的意义。
我们知道甲苯的硝基衍生物中有三个反应中心:甲基、苯环和硝基。硝基是官能基,它能被还原为氨基,这就得到一系列三氨基、二氨基和一氨基甲苯。它们通过Sandmeyer反应,变成卤素、羟基和氰基衍生物。这些氨基甲苯与光气作用制成异氰酸酯、尿烷、甲基异氰酸酯,它们的聚合物是普遍使用的塑料。
目前针对废旧TNT转化的方法主要有:
1、硝基和苯环的转化
TNT催化氢化为2,4,6-三氨基甲苯(TAT),其苯环可还原得到三氨基甲基环己烷(TAMC)。三硝基甲苯被深度氧化后再还原得到对应的三氨基苯甲酸(TABC),或直接还原为三氨基甲苯(TAT),TABC在中性环境水溶液中加热,氨基被水解,同时发生脱羧反应得到间苯三酚。TABC、TAT中的氨基通过Sandmeyer反应,即通过重氮化转变为相应的卤素衍生物、腈化物等。如果TAT与光气作用生成相应的异氰酸酯(TICT)。同理,三硝基苯(TNB)被还原为三氨基苯(TAB),其盐酸盐水解同样能够得到间三苯酚。
2、甲基的转化
甲苯硝基衍生物中,硝基转变为氨基,氨基又转变为异氰酸酯等的工作已得到广泛的研究和应用。与此同时,甲基的转变也逐渐引起科学界的广泛关注。甲苯硝基衍生物与氯气在光的作用下发生自由基反应,生成苄基氯,取代苄基氯再行转化,得到取代苄基胺、苄醇、羧酸苄酯等等。另一方面,甲基可以直接被氧化为羧基,生成硝基苯甲酸及其衍生物,也可以选择性氧化甲基或苄醇得到相应的取代苯甲醛。
3、硝基甲苯的选择性氧化
上述取代基效应是普遍适用的。但由于氧化剂和反应条件不同,反应机理不可能与此相同。前面谈到甲基被氧化连续生成醇、醛和相应的羧酸,醛基的碳氧化数+1,介于-3和+3之间,氧化甲基或羟基得到醛基而不能得到羧基的反应,称为选择性氧化,这种反应是有机合成中重要的关键性反应。好的选择性氧化应该具有好的选择性、高的转化率和高的产率。
选择性氧化分为下列几种:第一种是常用强氧化剂氧化,包括KMnO4、K2Cr2O7、MnO2、Cr2O3等,第二种是金属离子Co4+,Co3+,Cu2+等氧化,第三种是催化空气氧化,第四种是催化过氧化物氧化。常用氧化剂氧化的缺点是,氧化剂的用量需大于底物的用量,在反应介质中存在着氧化剂的还原产物,若不能有效进行回收,必定造成严重的环境污染,在价格、用量、回收等方面对工业生产都有一定限制,金属离子氧化也存在着这样的问题。第三种空气氧化从理论上说是最理想的,但因为有些有机底物并不溶在水中,或溶解度较小,这必须使用有机溶剂,有些有机溶剂在反应温度下挥发,与氧充分混合,会有爆炸危险;若选择在高温高压下进行空气氧化,那么这种危险性则增大。第四种催化过氧化氢氧化,如果催化剂选择适当,使用市售30%的过氧化氢即能顺利地进行有效氧化,对环境无污染,成本低,将是一条成功的工业化途径。
针对TNT化学转化主要集中于甲基转化、硝基还原及苯环还原等,反应方式单一限制了其转化范围。
芳香族硝基化合物作为重要的有机化工中间体,经脱硝氟代可以直接合成间取代的含氟芳香族化合物。众所周知,芳香族含氟有机化合物用途十分广泛,涉及到医药、农药、染料等行业,该类化合物可用于合成除草剂、杀菌剂、抗肿瘤药物、抗老年痴呆药物、功能染料等产品。含氟有机化合物近年来之所以引起重视,主要是因为①由于C-F键具有特殊性,因而会影响有机分子的物理化学性质;②C-F键强度较高,因而氟化活性位的代谢受到抑制;③氟的强吸电性将在很大程度上影响分子中其它官能团的性质。氟有机化合物在自然界中很少存在,目前主要来源于人工合成。由于含氟有机化合物用途广泛,其合成方法近年来引起了人们的重视。含氟芳香族化合物传统的合成方法有取代、重氮化、卤交换等方法。近年来研究表明,氟代脱硝提供了另一种合成含氟芳香族化合物的方法。该方面以往采用KF直接进行氟代脱硝,由于脱硝形成的亚硝酸根离子在高温下分解时对芳环具有氧化作用,导致副反应增加。随后,研究者研究了一些列氟代试剂,如TMAF、TBAF、KF/CaF2等体系,但主要针对含有吸电子基团的硝基苯类化合物。
由于三个硝基的强吸电子性能,导致TNT中甲基活性较高,显一定酸性,易与碱反应,造成副反应多,因此,针对TNT氟代脱硝反应至今未见相关研究报道。
针对单氟二硝基甲苯材料的合成,目前文献报道的主要方法存在以下问题:(1)采用剧毒性气体氟气,腐蚀性强,需要特定的反应装置和严格的防范措施,实验室合成难度高;(2)收率太低(6%);(3)4-氟甲苯价格较高,且反应过程中涉及大量强酸,后处理复杂,环境污染大。综合以上问题,涉及到反应过程中采用剧毒物品、操作要求高、收率低、成本较高和环境污染大,急需解决相关技术瓶颈。
发明内容
针对现有技术中存在的不足,本发明的目的在于,提供一种氟代甲苯类衍生物的合成方法,解决TNT无法进行氟代脱硝反应的技术问题。
为了解决上述技术问题,本发明采用如下技术方案予以实现:
一种氟代甲苯类衍生物的合成方法,该方法以废旧TNT为反应原料,在催化剂、氟源I、添加剂、溶剂和设定反应温度和反应时间条件下,反应完成后经柱色谱或重结晶获得单氟二硝基甲苯类衍生物;再与氟源II进行反应制备得到二氟或三氟甲苯衍生物。
本发明还包括如下技术特征:
可选地,所述催化剂为Pd(acac)2、Pd(OAc)2、PdCl2、Pd(PPh3)2Cl2、Pd(dppf)Cl2、Pd2(dba)3、Pd(TFA)2、Pd2(allyl)2Cl2、Ni(COD)2、NiCl2(PCy3)2中的一种。
可选地,所述催化剂需要辅助配体作用,配体为BrettPhos、SPhos、IPr、IMes、SIMes、XPhos、RuPhos、PtBu3、DPPF、BINAP中的一种或多种。
可选地,所述氟源I为聚多胺类氟化物、线性胺类氟化物、NFSI、吡啶类氟代物中的一种。
可选地,所述添加剂为磷酸钾三水合物、碳酸钾、碳酸铯、乙酸钾、磷酸氢二钾、三乙胺、Zn(OTf)2、In(OTf)3、AgOTf中的一种。
可选地,所述溶剂为甲苯、二甲苯、THF、DMF、乙腈、甲基叔丁基醚、DMAc、二氧六环中的一种。
可选地,所述反应温度在0℃~150℃范围内,反应时间为6~48h。
可选地,所述反应原料、催化剂、氟源I、添加剂的摩尔比为1:(0.001~0.5):(1.0~1.5):(1.5~4)。
可选地,所述氟源II为无水TMAF、无水TBAF、KF、KF/18-冠-6、KF/CaF2、CsF、RbF中的一种。
本发明与现有技术相比,具有如下技术效果:
(I)本发明方法首次针对TNT进行氟代脱硝方法,克服了TNT对碱不稳定的技术缺陷。
(II)本发明实现了单氟二硝基甲苯的简单制备,具有环境污染小、操作简便等优势。
(III)本发明后处理简单,反应温度适中,操作简便,收率高。
(IV)本发明可通过调节氟源的结构调控单氟二硝基甲苯的氟取代位置,实现氟原子精准取代。
附图说明
图1为4-FDNT的核磁氢谱图。
图2为4-FDNT的核磁碳谱图。
图3为2-FDNT的核磁氢谱图。
图4为2-FDNT的核磁碳谱图。
具体实施方式
一种氟代甲苯类衍生物的合成方法,其反应方程式为:
该方法以废旧TNT为反应原料,在催化剂、氟源I、添加剂、溶剂和一定反应温度和反应时间条件下,反应完成后经柱色谱或重结晶获得单氟二硝基甲苯类衍生物;在此基础上与氟源II进行反应制备二氟或三氟甲苯衍生物。
催化剂为Pd(acac)2、Pd(OAc)2、PdCl2、Pd(PPh3)2Cl2、Pd(dppf)Cl2、Pd2(dba)3、Pd(TFA)2、Pd2(allyl)2Cl2、Ni(COD)2、NiCl2(PCy3)2中的一种。
催化剂还需要辅助一些配体作用,配体为BrettPhos、SPhos、IPr、IMes、SIMes、XPhos、RuPhos、PtBu3、DPPF、BINAP中的任意一种或多种。
氟源I为聚多胺类氟化物、线性胺类氟化物、NFSI、吡啶类氟代物中的一种。
添加剂为磷酸钾三水合物、碳酸钾、碳酸铯、乙酸钾、磷酸氢二钾、三乙胺、Zn(OTf)2、In(OTf)3、AgOTf中的任意一种。
溶剂为甲苯、二甲苯、THF、DMF、乙腈、甲基叔丁基醚、DMAc、二氧六环中的任意一种。
反应温度在0℃~150℃范围内,反应时间为6~48h。
反应原料、催化剂、氟源I、添加剂间的摩尔比为1:(0.001~0.5):(1.0~1.5):(1.5~4)。
氟源II为无水TMAF、无水TBAF、KF、KF/18-冠-6、KF/CaF2、CsF、RbF中的一种。
以下给出本发明的具体实施例,需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例,凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。
实施例1:
向100mL史莱克瓶中加入0.5mmol TNT,5%mmol Pd(acac)2,15%mmol SIMes,0.6mmol线性胺类氟化物,0.6mmol Zn(OTf)2(或三乙胺或磷酸钾三水合物),抽真空充氮气3次。氮气保护下,加入3mL二氧六环(或DMF或二甲苯),在0℃下反应0.5h,随后恢复室温后升温130℃反应12~24h,反应结束后,加入乙酸乙酯、乙醚或正己烷萃取,收集、蒸除有机层,经重结晶或柱色谱分离得到淡黄色固体76mg,产率76%。1H NMR(500MHz,CDCl3)δ7.79(d,J=7.1Hz,2H),2.55(s,3H).
其反应方程式:
实施例2:
向100mL史莱克瓶中加入0.5mmol TNT,5%mmol Pd(acac)2,15%mmolBrettPhos,0.6mmol聚多胺类氟化物(或线性胺类氟化物),0.6mmol Zn(OTf)2(或三乙胺或磷酸钾三水合物),抽真空充氮气3次。氮气保护下,加入3mL二氧六环(或DMF或二甲苯),在0℃下反应0.5h,随后恢复室温后升温130℃反应12~24h,反应结束后,加入乙酸乙酯、乙醚或正己烷萃取,收集、蒸除有机层,经重结晶或柱色谱分离得到淡黄色固液混合物50mg,产率50%。1H NMR(500MHz,CDCl3)δ8.15(dd,J=9.1,4.7Hz,1H),7.51–7.31(m,1H),2.32(d,J=2.2Hz,3H)。
其反应方程式:
实施例3:
向100mL史莱克瓶中加入0.5mmol 4-FDNT,0.6mmol无水TMAF,0.6mmol Zn(OTf)2,抽真空充氮气3次。氮气保护下,加入3mL二氧六环(或DMF或二甲苯),在0℃下反应0.5h,随后恢复室温后升温130℃反应12~24h,反应结束后,加入乙酸乙酯、乙醚或正己烷萃取,收集、蒸除有机层,经重结晶或柱色谱分离得到淡黄色液体60mg,产率69%。1H NMR(500MHz,CDCl3)δ7.78-7.62(m,1H),7.10-7.02(m,1H),2.33(s,3H)。
其反应方程式:
实施例4:
向100mL史莱克瓶中加入0.5mmol 4-FDNT,1.2mmol无水TMAF,0.6mmol Zn(OTf)2,抽真空充氮气3次。氮气保护下,加入3mL二氧六环(或DMF或二甲苯),在0℃下反应0.5h,随后恢复室温后升温130℃反应12~24h,反应结束后,加入乙酸乙酯、乙醚或正己烷萃取,收集、蒸除有机层,经重结晶或柱色谱分离得到淡黄色液体39mg,产率54%。1H NMR(500MHz,CDCl3)δ7.00–6.80(m,2H),2.35(s,3H)。
其反应方程式:
Claims (5)
1.一种氟代甲苯类衍生物的合成方法,其特征在于,该方法以废旧TNT为反应原料,在催化剂、氟源I、添加剂、溶剂和设定反应温度和反应时间条件下,反应完成后经柱色谱或重结晶获得单氟二硝基甲苯类衍生物;再与氟源II进行反应制备得到二氟或三氟甲苯衍生物;
所述催化剂为Pd(acac)2、Pd(OAc)2、PdCl2、Pd(PPh3)2Cl2、Pd(dppf)Cl2、Pd2(dba)3、Pd(TFA)2、Pd2(allyl)2Cl2中的一种;
所述催化剂需要辅助配体作用,配体为BrettPhos、SIMes中的一种或多种;
所述氟源I为聚多胺类氟化物、线性胺类氟化物中的一种;
所述添加剂为磷酸钾三水合物、三乙胺、Zn(OTf)2中的一种。
2.如权利要求1所述的氟代甲苯类衍生物的合成方法,其特征在于,所述溶剂为甲苯、二甲苯、THF、DMF、乙腈、甲基叔丁基醚、DMAc、二氧六环中的一种。
3.如权利要求1所述的氟代甲苯类衍生物的合成方法,其特征在于,所述反应温度在0℃~150℃范围内,反应时间为6~48h。
4.如权利要求1所述的氟代甲苯类衍生物的合成方法,其特征在于,所述反应原料、催化剂、氟源I、添加剂的摩尔比为1:(0.001~0.5):(1.0~1.5):(1.5~4)。
5.如权利要求1所述的氟代甲苯类衍生物的合成方法,其特征在于,所述氟源II为无水TMAF、无水TBAF、KF、KF/18-冠-6、KF/CaF2、CsF、RbF中的一种。
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