CN117947434A

CN117947434A - 以氯化氢为氯源的电化学合成含氯芳香和杂环化合物的方法

Info

Publication number: CN117947434A
Application number: CN202311617313.7A
Authority: CN
Inventors: 沈涛; 徐元波; 蒋成君; 钱超
Original assignee: Zhejiang Lover Health Science and Technology Development Co Ltd
Current assignee: Zhejiang Lover Health Science and Technology Development Co Ltd
Priority date: 2023-11-30
Filing date: 2023-11-30
Publication date: 2024-04-30

Abstract

本发明属于有机物合成技术领域，本发明公开了一种以氯化氢为氯源的电化学合成含氯芳香和杂环化合物的方法，包括以下步骤：将有机溶剂和的盐酸加入到电解池中，并加入待氯化的反应底物；使用石墨作为阳极，使用金属片作为阴极；施加10～40mA的恒定电流，在搅拌条件下室温反应，反应结束后，加入乙酸乙酯进行萃取，有机层中含有底物对应所得的产物；当待氯化的反应底物为芳香化合物时，所得产物为含氯芳香化合物；当待氯化的反应底物为杂环化合物时，所得产物为含氯杂环化合物。本发明使用盐酸作为反应的氯源，绿色安全，物料成本低，可有效提高氯的利用率；具有较高的经济价值。

Description

以氯化氢为氯源的电化学合成含氯芳香和杂环化合物的方法

技术领域

本发明属于有机物合成技术领域，具体涉及一种以盐酸为氯源的电化学氯化方法，特别涉及含氯芳香和杂环化合物的合成方法。

背景技术

盐酸是一种常见的工业副产物，如何有效利用盐酸一直是一项重要难题。另一方面，含氯精细化学品的合成，大都使用氯气为氯源，同时副产盐酸，氯资源的利用率不高。

为了高效利用盐酸中的氯资源，相关科研和技术人员开发了若干方法。早在2003年，以过氧化氢为氧化剂，将氯化氢氧化成氯气的方法就已经被报道(J.Am.Chem.Soc.125(2003)12116-12117)。近些年来，还开发了一些用于双氧水还原氯化氢生成氯气的催化剂。比如，中国专利CN107952432A公布了一种钌催化剂，中国专利CN115155632A公布了一种Ti基催化剂，都能促进氯化氢生成氯气。基于氯化氢氧化生成氯气的方法，最近双氧水和氯化氢作为组合氯化试剂也有报道。例如，卢建军等人利用盐酸和双氧水，以噻吩为原料，合成α-氯噻吩(化工进展,2020,39(S2):305-311)。李国梅以盐酸和双氧水为绿色氯化试剂，以甲苯为原料合成对氯甲苯(利用HCl/H₂O₂绿色氧氯化体系合成氯代芳烃的研究[D].山西:太原理工大学,2022)。上述方法虽然能利用氯化氢作为氯源，但是其本质仍然是将氯化氢氧化生成氯气，再进行氯化，最终难以避免的再次生成氯化氢副产物。因此，需要大量的双氧水等氧化剂，这无疑增加了氯化反应的物料成本。

在工业上，含氯芳香和杂环化合物的主要合成方法，仍然以氯气氯化为主。例如，赵玄等人分析了工业中以氯气为氯源生产氯苯的过程(中国氯碱,2016(5):20-22)。邵山等人介绍了以氯气为氯源氯化合成2,4-二氯甲苯的相关研究(中国氯碱,2013(5):27-29)。中国专利CN116393048A、CN110003165A均使用氯气作为氯代杂环的合成氯源。

综上所述，氯化氢的高效再利用是一项非常重要的课题。而目前，以盐酸作为氯源合成氯化物的方法主要以添加过氧化氢的氧氯化为主。因此开发一种直接使用氯化氢为氯源，绿色经济的含氯芳香化合物和杂环化合的方法，成为本行业急需解决的问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种以盐酸为氯源，电化学合成制备含氯芳香和杂环化合物的方法。本发明的方法具有以盐酸为直接氯源，物料成本低，产率高的特点。

为了解决上述技术问题，本发明提供一种以盐酸为氯源，电化学合成含氯芳香和杂环化合物的方法，包括以下步骤：

1)、将有机溶剂和0.5～1.5mol/L(优选1～1.5mol/L)的盐酸加入到电解池中，并加入待氯化的反应底物，待氯化的反应底物的摩尔量为盐酸的0.1～0.3当量(优选为0.13～0.2当量)；

待氯化的反应底物包括芳香化合物和杂环化合物，其结构通式如下：

芳香化合物：杂环化合物/>

2)、使用石墨作为阳极，使用金属片作为阴极；

3)、施加10～40mA的恒定电流(优选20～30mA)，在搅拌条件下，室温反应2～8h(优选4h)；

4)、反应结束后，进行萃取(加入乙酸乙酯进行萃取)，取有机层；

所述有机层中含有底物对应所得的产物；

当待氯化的反应底物为芳香化合物时，所得产物为含氯芳香化合物；

当待氯化的反应底物为杂环化合物时，所得产物为含氯杂环化合物。

一般而言，萃取三次，并合并有机层。

本发明还包括如下的步骤5)、对步骤4)得到的有机层，进行高效液相色谱分析。

作为本发明的以盐酸为氯源，电化学合成制备含氯芳香和杂环化合物的方法的改进：步骤4)经萃取后的水层可作为母液循环使用。

作为本发明的以盐酸为氯源，电化学合成制备含氯芳香和杂环化合物的方法的进一步改进：有机溶剂与0.5～1.5mol/L的盐酸的体积比为0.6～3：1。

作为本发明的以盐酸为氯源，电化学合成制备含氯芳香和杂环化合物的方法的进一步改进：所述作为阴极的金属片为铜片(优选)、铂片、镍片或铁片。

作为本发明的以盐酸为氯源，电化学合成制备含氯芳香和杂环化合物的方法进一步改进：

芳香化合物的结构通式中：

R₁代表苯环上的单取代，二取代或多取代基。

R₁为以下取代基中的任一：-CH₃，-F，-OCH₃，-OH，-NHCOCH₃，-NO₂，-N(CH₃)₂，-C(CH₃)₃，-NHCH₃，-OCH₂CH₃，-NH₂等。

杂环化合物的结构通式中：

R₂，R₃，R₄代表杂环上的单取代，二取代或多取代基。

R₂，R₃，R₄为以下取代基中的任一：-CH₃，-NO₂，-F，-OCH₃，-OCH₂CH₃，-C(CH₃)₃等。

作为本发明的以盐酸为氯源，电化学合成制备含氯芳香和杂环化合物的进一步改进，所述有机溶剂为以下任一：乙腈，四氢呋喃，丙酮，乙醇(优选为乙腈)。

本发明在发明过程中充分考虑到若氯离子经自由基反应机理，可避免目前氧氯化反应再次生成氯化氢副产物的问题。

本发明具有如下技术优势：

1、以盐酸作为氯源，原料成本低；

2、使用盐酸和乙腈作为溶液，导电性好，无需添加其他电解质；

3、常温常压反应，安全可控，便于操作；

4、经萃取后的水相可再次循环使用。

综上，本发明的以盐酸为氯源，电化学合成制备含氯芳香和杂环化合物的方法的优点在于使用盐酸作为反应的氯源，绿色安全，物料成本低，可有效提高氯的利用率；具有较高的经济价值。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行进一步描述，但本发明的保护范围并不仅限于此：

实施例1-1，一种制备3-甲基-4-硝基苯甲酸的方法，包括如下步骤：

将4mL乙腈，4mL盐酸(浓度为1mol/L，即4mmol)，0.062g(0.8mmol)苯，作为反应液，加入到25mL的电解池中。即，苯的摩尔量为盐酸的0.2当量。

使用石墨(1.0cm×1.0cm×0.3cm)作为阳极，使用铜片(1.0cm×1.0cm×0.01cm)作为阴极。施加20mA的恒流电流(电压为3.0V)，室温下搅拌，开始反应。反应4h以后，关闭电流，停止搅拌，结束反应。加入乙酸乙酯进行萃取，每次使用3mL乙酸乙酯，萃取三次，并合并有机层(质量为W)，最后一次萃取所得的水层进行回收。

按照常规方式：取少量的有机层(质量为W_s)进行高效液相色谱分析，通过内标法(内标物为甲苯(质量为W_i))计算氯苯产率。

氯苯产率的计算公式为：

式中，Y为氯苯的产率，A_i为甲苯的峰面积，f_i为甲苯的校正因子，A_s为氯苯的峰面积，f_s为氯苯的校正因子。

反应方程式如下：

实施例1-2

将乙腈分别改为四氢呋喃，丙酮，乙醇；其余等同于实施例1-1。所得结果如下表1。

表1

实施例1-3、改变乙腈的体积用量，其余等同于实施例1-1。所得结果如下表2。

表2

实施例1-4、改变作为底物的苯的用量，从而改变反应底物与盐酸的摩尔当量值，其余等同于实施例1-1。所得结果如下表3。

表3

实施例1-5

改变电流大小为0，5mA，10mA，30mA，其余条件等同于实施例1-1，所得结果如下表4。

表4

实施例1-6

改变阴极电极的材质(大小均为1.0cm×1.0cm×0.01cm)，其余条件等同于实施例1-1，所得结果如下表5。

表5

实施例1-7、将实施例1-1中的盐酸浓度由1mol/L分别改成1.5mol/L、0.5mol/L，体积用量保持不变，其余等同于实施例1-1。

所得结果如下表6。

表6

实施例1-8、将实施例1-1中的盐酸浓度由1mol/L分别改成1.5mol/L、0.5mol/L，体积用量相应改变，从而确保苯的摩尔量为盐酸的当量值基本保持不变，等同于实施例1-1。

所得结果如下表7。

表7

实施例1-9

改变苯为其他有机反应底物，加入的摩尔量不变(仍然为0.8mmol)；其余参照实施例1-1。所得结果如下表8。

表8

实施例2-1(循环回用次数1)，反应液经萃取后的水相的循环套用，包括如下步骤：

向实施例1-1经萃取残余的水相约3.8mL中，加入约0.18mL盐酸(4mol/L)，使其盐酸浓度升高到1mol/L左右，再加入4mL乙腈和0.062g苯。施加20mA的恒流电流(3.0V)，室温下搅拌，开始反应。其余操作等同于实施例1-1。

实施例2-2(多次循环回用)

将实施例2-1经萃取残余的水相中，参照实施例2-1步骤继续循环使用。所得结果如下表9。

表9

对比例1，在反应开始前，向反应液中加入NaCl,KCl,KF,CaCl₂,MgCl₂作为电解质直至浓度为4mmol；其余等同于实施例1-1。所得结果如下表10。

表10

对比例2、在反应开始前，向反应液中加入0.14g苯基丁基硝酮(PBN，自由基捕获剂)，等同于实施例1-1。

所得结果如下表11。

表11

最后，还需要注意的是，以上列举的仅是本发明的若干个具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

Claims

1.以氯化氢为氯源的电化学合成含氯芳香和杂环化合物的方法，其特征在于包括以下步骤：

1)、将有机溶剂和0.5～1.5mol/L的盐酸加入到电解池中，并加入待氯化的反应底物，待氯化的反应底物的摩尔量为盐酸的0.1～0.3当量；

待氯化的反应底物包括芳香化合物和杂环化合物：

芳香化合物：杂环化合物/>

2)、使用石墨作为阳极，使用金属片作为阴极；

3)、施加10～40mA的恒定电流，在搅拌条件下，室温反应2～8h；

4)、反应结束后，进行萃取，取有机层；

所述有机层中含有底物对应所得的产物；

2.根据权利要求1所述的以氯化氢为氯源的电化学合成含氯芳香和杂环化合物的方法，其特征在于：对步骤4)得到的有机层，进行高效液相色谱分析。

3.根据权利要求1或2所述的以氯化氢为氯源的电化学合成含氯芳香和杂环化合物的方法，其特征在于：步骤4)经萃取后的水层可作为母液循环使用。

4.根据权利要求1～3任一所述的以氯化氢为氯源的电化学合成含氯芳香和杂环化合物的方法，其特征在于：有机溶剂与0.5～1.5mol/L的盐酸的体积比为0.6～3：1。

5.根据权利要求4所述的以氯化氢为氯源的电化学合成含氯芳香和杂环化合物的方法，其特征在于：所述作为阴极的金属片为铜片、铂片、镍片或铁片。

6.根据权利要求5所述的以氯化氢为氯源的电化学合成含氯芳香和杂环化合物的方法，其特征在于：

芳香化合物的结构通式中：R₁代表苯环上的单取代、二取代或多取代基。

杂环化合物的结构通式中：R₂，R₃，R₄代表杂环上的单取代、二取代或多取代基。

7.根据权利要求6所述的以氯化氢为氯源的电化学合成含氯芳香和杂环化合物的方法，其特征在于：

R₁为以下取代基中的任一：-CH₃，-F，-OCH₃，-OH，-NHCOCH₃，-NO₂，-N(CH₃)₂，-C(CH₃)₃，-NHCH₃，-OCH₂CH₃，-NH₂；

R₂，R₃，R₄为以下取代基中的任一：-CH₃，-NO₂，-F，-OCH₃，-OCH₂CH₃，-C(CH₃)₃。

8.根据权利要求1～7任一所述的以氯化氢为氯源的电化学合成含氯芳香和杂环化合物的方法，其特征在于：所述有机溶剂为以下任一：乙腈，四氢呋喃，丙酮，乙醇。