CN1410415A

CN1410415A - 苯酚类化合物的绿色硝化方法

Info

Publication number: CN1410415A
Application number: CN 02145268
Authority: CN
Inventors: 施敏; 崔世聪
Original assignee: Shanghai Institute of Organic Chemistry of CAS
Current assignee: Shanghai Institute of Organic Chemistry of CAS
Priority date: 2002-11-13
Filing date: 2002-11-13
Publication date: 2003-04-16
Anticipated expiration: 2022-11-13
Also published as: CN1247522C

Abstract

本发明涉及一种苯酚类化合物的绿色硝化方法，在有机溶剂中和金属盐或金属氧化物负载型催化剂存在下，硝酸和分子式为RR¹Z的苯酚类化合物在0－70℃反应0.5－20小时，其中金属盐，硝酸、苯酚类化合物摩尔比为0.05－0.5∶1－2∶1，所述的金属盐负载型催化剂中，金属是第四、五或六主族金属的氧化物、卤化物或它们的无机酸盐，载体是蒙托土KSF、分子筛、氧化硅、氧化铝或上述二种氧化物的混合物为载体，其中R＝H、C_1－5的烷基、卤素或C₆H₅，R¹＝酚或羟基，Z＝苯基、萘基、四氢萘基、蒽基、芴基。

Description

苯酚类化合物的绿色硝化方法

技术领域

本发明涉及一种有机化学合成方法，具体地说是苯酚类化合物的绿色硝化方法，是一种金属盐或金属氧化物负载型催化剂催化苯酚类化合物的硝化方法。

背景技术

芳香族化合物的硝化反应是一类十分重要的化工反应，其中苯酚类化合物的硝化在工业生产和药物合成等领域有着重要的作用。例如，硝基酚是一类碳钢缓蚀剂，对氯邻硝基苯酚是药物氯唑沙宗的中间体。对硝基苯酚的还原产物对氨基酚，是扑热息痛和安妥明等药物的中间体，同时还应用于显影剂、抗氧化剂、乙烯基单体组聚剂等方面。

苯酚类化合物是一类非常易于硝化的化合物，但苯酚类化合物本身又易于被氧化，故在硝化方法的选择上有一定困难。如在工业生产中，硝基苯酚一般都是由间接法生产的，这主要是苯酚直接硝化时易发生氧化反应，硝化产物的得率很低，且生成的氧化产物呈油状物，使产品的分离、纯化变得困难。

为了解决苯酚类化合物的硝化问题，今年来有许多关于这方面的研究报道。使用AgNO₃/BF₃为硝化剂，在CH₃CN中进行硝化反应(Olah，G.A.；Narang，S.C.；Olah，J.A.；Lammertsma，K.；Proc.Nal.Aacad.Sci.，U.S.A 1982，4487)。使用NaNO₃和HNO₃做为硝化剂在芳香族溶剂中进行硝化(Thompson，M.J.；Zeeger，P.J.；Tetrahedron，1991，47，8787)。使用硝酸钙为硝化剂，用浓硫酸催化苯酚类化合物的硝化(Bisarya，S.C.；Joshi，S.K.；Holker，A.G.；Synth.Commun.，1993，23(8)1125-1137)。使用100％HNO₃在醋酸酐中，以Cu(NO₃)₂/K10为催化剂进行硝化反应(Gigante，B.；Prozeres，A.O.；Marcelo-Curto，M.J.；Cornelis，A.；Laszlo，P.；J.Org.Chem.，1995，3445-3447)。使用Fe(NO₃)₃·1.5N₂O₄、Cr(NO₃)₃·2N₂O₄和Cu(NO₃)₂·N₂O₄为硝化剂进行硝化(Firouzabadi，H.；Iranpoor，N.；Zolfigol，M.A.；Synth.Commun.，1997，27(19)，3301-3312 and Iranpoor，N.；Firouzabadi，H.；Zolfigol，M.A.；Synth.Commun.，1998，28(15)，2773-2781)。使用N₂O₄为硝化剂，在18-冠-6溶剂中进行硝化(Iranpoor，N.；Firouzabadi，H.；Heydari，R.；Synth.Commun.，1999，29(19)，3295-3302)。使用硝酸铋为硝化剂，蒙托土KSF为催化剂在THF溶剂中进行硝化(Susanta，S.；Frederick，F.B.；Bimal，K.B.；Tetrahedron，2000，41，8017-8020)。

发明内容

本发明的目的是提供一种苯酚类化合物的绿色硝化方法，具体地说是一种金属盐或金属氧化物负载型催化剂催化苯酚类化合物的硝化方法。

在有机溶剂中和金属盐或金属氧化物负载型催化剂存在下，硝酸和分子式为RR¹Z的苯酚类化合物在0-70℃反应为0.5-20小时，其中金属盐或金属氧化物，硝酸、苯酚类化合物摩尔比为0.05-0.5∶1-2∶1，以金属盐或金属氧化物，硝酸、苯酚类化合物摩尔比为0.05-0.5∶1-2∶1为佳。所述的其中金属盐或金属氧化物负载型催化剂为金属盐或金属氧化物0.1mmol负载于载体500-2000mg上，R＝H、C_1-5的烷基、卤素、C₆H₅，R¹＝酚羟基，Z＝苯基、萘基、四氢萘基、蒽基、芴基。

在对硝化反应的研究中发现，Bi(NO₃)₃/蒙托土(简称KSF)是一种很好的硝化催化剂。以Bi(NO₃)₃/蒙托土(KSF)为硝化催化剂，以浓度为65％硝酸为硝化剂，在本发明中使用了不同的溶剂，尤其以醚类有机溶剂好，如乙醚、乙二醇二甲醚、二氧六环、四氢呋喃(THF)等溶剂中都能较好的进行反应，在乙醚溶剂中对间苯二酚进行硝化，得到了60％以上的硝化产率，反应式、反应条件和结果见反应式1和表1。

反应式1

表1不同有机溶剂对Bi(NO3)3/KSF催化间苯二酚硝化反应的影响

序号溶剂小时产率(％)

1 Et₂O 1.0 50

2 Et₂O 16 61

3 THF 1.0 52

4 THF 16 70

5 二甲基乙二醚 16 68

6 石油醚 16 不反应

7 EtOH 16 不反应

在本发明中相同的反应条件下，硝酸浓度为10-100％，当硝酸浓度降低到20％时，该硝化反应仍能进行，但载体蒙托土KSF的使用量需要放大，硝化产率约50％左右。当硝酸浓度提高到95％时，在0℃下反应时，产率为75％，而在室温下反应较为剧烈，副产物较多，反应式、反应条件和部分结果如反应式2和表2。

反应式2

表2.硝酸浓度对B_i(NO3)3/KSF催化间苯二酚的硝化反应影响

序号硝酸浓度，％ KSF用量产率(％)

1 60％ 500mg 61

2 60％ 500mg 60

3 60％ 500mg 71

4 20％ 1000mg 53

5 20％ 1500mg 50

另一方面，负载于蒙托土KSF上的硝酸铋可以多次回收重复使用，仍具有催化活性，且其回收十分方便，只需过滤后加热活化，即可重复使用。如表2中，序号2-5是回收重复使用的催化剂进行催化反应，经四次回收重复实验，都得到了较好的结果。

本发明中金属盐或金属氧化物负载型催化剂，所述的金属第四、五、六主族金属的氧化物、卤化物或它们的无机酸盐，如Ge，Sn，Pb，As，Sb，Bi，Se或Te，其中以铋的氧化物和它的无机酸盐是较好的催化剂，其硝化产率可达70％以上，反应式、反应条件和结果如反应式3和表3所述。

反应式3

表3.不同金属/KSF催化间苯二酚的硝化反应影响

序号催化剂产率(％)

1 - 27

2 Bi(NO₃)₃ 71

3 Bi₂O₃ 73

4 BiCl₃ 58

5 SeO₂ 52

6 Sb₂O₃ 60

7 GeO₂ 60

8 Sn(NO₃)₄ 51

9 As₂O₃ 53

10 PbCl₂ 45

在本发明中可以采用蒙托土、分子筛、氧化硅、氧化铝或上述二种氧化物的混合物为载体。不同的载体影响如反应式4和表4所述，其中Bi(NO₃)₃/SiO₂在较高的温度下可以催化硝化反应，但Bi(NO₃)₃/蒙托土KSF催化剂在室温下具有最佳的效果。

反应式4

表4.用含不同载体的？Bi(NO3)3/载体催化间苯二甲的硝化反应

序号载体温度(℃) 产率(％)

1 - 室温不反应

2 - 70 51

3 KSF 室温 71

4 KSF 50 70

5 KSF 70 62

6 SiO₂ 室温不反应

7 SiO₂ 50 75

8 4A分子筛 50 10

本发明中还测试了其对多种底物的催化效果。大部分底物都以较好的收率得到硝化产物，其中对氯苯酚和对叔丁基苯酚的硝化产率达95％以上，部分结果见反应式5和表5。

反应式5

表5.用Bi(_NO₃)3/KSF催化对各种取代苯胺的硝化反应影响

产率(％)

序号 R 时间(h)

(1) (2)

1 H 16 66¹

2 Cl 4 98 -

3 Br 16 70 -

4 t-Bu 4 75 71

5 t-Bu 16 50 38

6 OMe 16 - 71

7 Me 16 53 26

8

4 76²

1)产物：2-硝基苯酚(31％)and 4-硝基苯酚(35％)。

2)产物是1，4-二甲氧基-2-硝基-苯。

该苯酚类化合物的硝化方法具有许多优点。首先，该硝化方法是使用较低浓度的硝酸做为硝化剂，相对于发烟硝酸及其他硝化剂在生产上较为经济和安全。同时，硝酸铋和蒙托土KSF都是普通的化工产品，且在硝化反应中可重复使用，回收方便。另一方面，该硝化方法以乙醚或四氢呋喃等醚类做为溶剂，其对环境的危害性大大低于卤代烷烃或硝基烷烃。最重要的是，该消化反应使用的硝化催化剂对环境无污染，是一种经济，绿色的硝化催化剂。

所以，本发明的方法是一种经济的、无污染的绿色的硝化方法，

具体实施方式

以下实施例有助于理解本发明，但不限于本发明的内容。

实施例1

将蒙托土KSF(500mg)加入反应器，加热抽气活化。四氢呋喃(solvent，5mL)，间苯二酚(165mg，1.5mmol)，硝酸铋(39mg，0.1mmol)加入反应器，搅拌混合。滴加65％的浓硝酸(0.15mL，2.1mmol)，室温下搅拌16h。反应混合物水洗后用二氯甲烷萃取，在旋转蒸发仪上旋干、过柱。得到黄色固体170mg，产率73％。4-硝基间苯二酚IR(KCl)ν1532，1397cm^-1(NO₂)，1255cm^-1(ArOH)；¹H-NMR(CDCl₃，TMS)δ6.47(1H，dd，J＝9.2Hz，3.4Hz，Ar)，6.52(1H，d，J＝3.4Hz，Ar)，8.05(1H，d，J＝9.2Hz，Ar)，10.97(1H，s，ArOH)；MS(EI)m/z 155(M⁺)分析值：155.1082；元素分析C₆H₅NO₄，实测值：C，46.48；H，3.44；N，9.02％.计算值：C，46.46；H，3.25；N，9.03％。

实施例2

将蒙托土KSF(1000mg)加入反应器，加热抽气活化。四氢呋喃(solvent，5mL)，间苯二酚(165mg，1.5mmol)，硝酸铋(39mg，0.1mmol)加入反应器，搅拌混合。滴加20％的浓硝酸(0.40mL，1.8mmol)，室温下搅拌16h。反应混合物水洗后用二氯甲烷萃取，在旋转蒸发仪上旋干、过柱。得到黄色固体170mg，产率56％。

实施例3

将蒙托土KSF(500mg)加入反应器，加热抽气活化。四氢呋喃(solvent，5mL)，间苯二酚(165mg，1.5mmol)，氧化铋(23mg，0.05mmol)加入反应器，搅拌混合。滴加65％的浓硝酸(0.15mL，2.1mmol)，室温下搅拌16h。反应混合物水洗后用二氯甲烷萃取，在旋转蒸发仪上旋干、过柱。得到黄色固体170mg，产率73％。

实施例4

将蒙托土KSF(500mg)加入反应器，加热抽气活化。四氢呋喃(solvent，5mL)，间苯二酚(165mg，1.5mmol)，氧化硒(11mg，0.1mmol)加入反应器，搅拌混合。滴加65％的浓硝酸(0.15mL，2.1mmol)，室温下搅拌16h。反应混合物水洗后用二氯甲烷萃取，在旋转蒸发仪上旋干、过柱。得到黄色固体120mg，产率52％。

实施例5

将蒙托土KSF(500mg)加入反应器，加热抽气活化。四氢呋喃(solvent，5mL)，间苯二酚(165mg，1.5mmol)，氧化锑(30mg，0.1mmol)加入反应器，搅拌混合。滴加65％的浓硝酸(0.15mL，2.1mmol)，室温下搅拌16h。反应混合物水洗后用二氯甲烷萃取，在旋转蒸发仪上旋干、过柱。得到黄色固体140mg，产率60％。

实施例6

将蒙托土KSF(500mg)加入反应器，加热抽气活化。四氢呋喃(solvent，5mL)，间苯二酚(165mg，1.5mmol)，氧化锗(10mg，0.1mmol)加入反应器，搅拌混合。滴加65％的浓硝酸(0.15mL，2.1mmol)，室温下搅拌16h。反应混合物水洗后用二氯甲烷萃取，在旋转蒸发仪上旋干、过柱。得到黄色固体139mg，产率60％。

实施例7

将SiO2(500mg)加入反应器。四氢呋喃(solvent，5mL)，间苯二酚(165mg，1.5mmol)，硝酸铋(39mg，0.1mmol)加入反应器，搅拌混合。滴加65％的浓硝酸(0.15mL，2.1mmol)，油浴加热至50℃，搅拌16h。反应混合物水洗后用二氯甲烷萃取，在旋转蒸发仪上旋干、过柱。得到黄色固体174mg，产率75％。

实施例8

将蒙托土KSF(500mg)加入反应器，加热抽气活化。四氢呋喃(solvent，5mL)，苯酚(0.13mL，1.5mmol)，硝酸铋(39mg，0.1mmol)加入反应器，搅拌混合。滴加65％的浓硝酸(0.15mL，2.1mmol)，室温下搅拌30min。反应混合物水洗后用二氯甲烷萃取，在旋转蒸发仪上旋干、过柱。得到黄色液体65mg，产率31％，2-硝基苯酚，和淡黄色固体102mg，产率49％，4-硝基苯酚。2-硝基苯酚：IR(KCl)ν1522，1416cm^-1(NO₂)，1240cm^-1(ArOH)；¹H-NMR(CDCl₃，TMS)δ7.00(1H，dt，J＝7.5Hz，1.5Hz，Ar)，7.16(1H，d，J＝7.4Hz，Ar)，7.59(1H，dt，J＝7.5Hz，1.5Hz，Ar)，8.12(1H，dd，J＝7.5Hz，1.5Hz，Ar)，10.60(1H，s，ArOH)；MS(EI)m/z 139(M⁺)分析值：139.1088；4-硝基苯酚：IR(KCl)ν1522，1416cm^-1(NO₂)，1240cm^-1(ArOH)；¹H-NMR(CDCl₃，TMS)δ6.08(1H，s，ArOH)，6.92(1H，dd，J＝7.1Hz，2.1Hz，Ar)，8.18(1H，dd，J＝7.1Hz，2.0Hz，Ar)；MS(EI)m/z 139(M⁺)分析值：139.1088；元素分析C₆H₅NO₃，实测值：C，51.73；H，3.73；N，10.04％，计算：C，51.80；H，3.62；N，10.07％。

实施例9

将蒙托土KSF(500mg)加入反应器，加热抽气活化。四氢呋喃(solvent，5mL)，对氯苯酚(1.0mL，1.0mmol)，硝酸铋(39mg，0.1mmol)加入反应器，搅拌混合。滴加65％的浓硝酸(0.1mL，1.4mmol)，室温下搅拌16h。反应混合物水洗后用二氯甲烷萃取，在旋转蒸发仪上旋干、过柱。得到黄色固体170mg，产率98％。2-硝基对氯苯酚IR(KCl)ν1522，1416cm^-1(NO₂)，1240cm^-1(ArOH)；¹H-NMR(CDCl₃，TMS)δ7.14(1H，d，J＝9.4Hz，Ar)，7.54(1H，dd，J＝9.4Hz，2.5Hz，Ar)，8.11(1H，d，J＝2.5Hz，Ar)，10.48(1H，s，ArOH)；MS(EI)m/z 173(M⁺)计算值：173.5536；元素分析C₆H₄ClNO₃，实测：C，41.58；H，2.36；N，8.10％，计算值：C，41.52；H，2.32；N，8.07％。

实施例10

将蒙托土KSF(500mg)加入反应器，加热抽气活化。四氢呋喃(solvent，5mL)，对溴苯酚(173mg，1.0mmol)，硝酸铋(39mg，0.1mmol)加入反应器，搅拌混合。滴加65％的浓硝酸(0.1mL，1.4mmol)，室温下搅拌16h。反应混合物水洗后用二氯甲烷萃取，在旋转蒸发仪上旋干、过柱。得到黄色固体150mg，产率70％。2-硝基对溴苯酚IR(KCl)ν1532，1412cm^-1(NO₂)，1249cm^-1(ArOH)；¹H-NMR(CDCl₃，TMS)δ7.08(1H，d，J＝9.2Hz，Ar)，7.67(1H，dd，J＝9.2Hz，2.5Hz，Ar)，8.26(1H，d，J＝2.5Hz，Ar)，10.49(1H，s，ArOH)；MS(EI)m/z 219(M⁺)，计算值：218.0049；元素分析C₆H₄BrNO₃，实测值：C，33.34；H，2.08；N，6.35％，计算值：C，33.06；H，1.85；N，6.42％。

实施例11

将蒙托土KSF(500mg)加入反应器，加热抽气活化。四氢呋喃(solvent，5mL)，对叔丁基苯酚(150mg，1.0mmol)，硝酸铋(39mg，0.1mmol)加入反应器，搅拌混合。滴加65％的浓硝酸(0.15mL，2.1mmol)，室温下搅拌16h。反应混合物水洗后用二氯甲烷萃取，在旋转蒸发仪上旋干、过柱。得到黄色固体90mg，产率38％，2，6-二硝基对叔丁基苯酚，和黄色液体110mg，产率56％，2-硝基对叔丁基苯酚。2，6-二硝基对叔丁基苯酚IR(KCl)ν1532，1367cm^-1(NO₂)，1265cm^-1(ArOH)；¹H-NMR(CDCl₃，TMS)δ1.37(9H，s，CH₃)，8.32(2H，s，Ar)，11.29(1H，s，ArOH)；MS(EI)m/z 240(M⁺)，计算值：C₁₀H₁₂N₂O₅(240.2128)]；元素分析C₁₀H₁₂N₂O₅，实测值：C，50.07；H，5.06；N，11.59％，计算值：C，50.00；H，5.04；N，11.66％。2-硝基对叔丁基苯酚IR(KCl)ν1532，1397cm^-1(NO₂)，1255cm^-1(ArOH)；¹H-NMR(CDCl₃，TMS)δ1.33(9H，s，CH₃)，7.11(1H，d，J＝9.8Hz，Ar)，7.65(1H，dd，J＝9.8Hz，3.4Hz，Ar)，8.08(1H，d，J＝3.4Hz，Ar)，10.47(1H，s，ArOH)；MS(EI)m/z 195(M⁺)分析值：C₁₀H₁₃NO₃(195.2152)；高分辨质谱，计算值：M，195.0895，实测值：M⁺195.0899。

实施例12

将蒙托土KSF(500mg)加入反应器，加热抽气活化。四氢呋喃(solvent，5mL)，对甲氧基苯酚(124mg，1.0mmol)，硝酸铋(39mg，0.1mmol)加入反应器，搅拌混合。滴加65％的浓硝酸(0.15mL，2.1mmol)，室温下搅拌16h。反应混合物水洗后用二氯甲烷萃取，在旋转蒸发仪上旋干、过柱。得到黄色固体130mg，产率71％。2，6-二硝基对甲氧基苯酚IR(KCl)ν1537，1358cm^-1(NO₂)，1243cm^-1(ArOH)；¹H-NMR(CDCl₃，TMS)δ3.91(3H，s，OCH₃)，7.86(2H，s，Ar)，11.00(1H，s，ArOH)；MS(EI)m/z 214(M⁺)分析值：214.1324；元素分析C₇H₆N₂O₆，计算值：C，39.26；H，2.82；N，13.08％，实测值：C，39.38；H，2.69；N，12.87％。

实施例13

将蒙托土KSF(500mg)加入反应器，加热抽气活化。四氢呋喃(solvent，5mL)，对甲氧基苯甲醚(138mg，1.0mmol)，硝酸铋(39mg，0.1mmol)加入反应器，搅拌混合。滴加65％的浓硝酸(0.15mL，2.1mmol)，室温下搅拌16h。反应混合物水洗后用二氯甲烷萃取，在旋转蒸发仪上旋干、过柱。得到黄色固体140mg，产率76％。2-硝基对甲氧基苯甲醚IR(KCl)ν1527，1354cm^-1(NO₂)；¹H-NMR(CDCl₃，TMS)δ3.71(3H，s，OCH₃)，3.81(3H，s，OCH₃)，6.91(1H，d，J＝9.6Hz，Ar)，7.01(1H，dd，J＝9.6Hz，3.1Hz，Ar)，7.28(1H，d，J＝9.6Hz，Ar)；MS(EI)m/z 183(M⁺)分析值：183.1614，元素分析C₈H₉NO₄，实测值：C，52.49；H，4.95；N，7.62％，计算值：C，52.46；H，4.95；N，7.65％。

Claims

1、一种苯酚类化合物的绿色硝化方法，其特征是在有机溶剂中和金属盐或金属氧化物负载型催化剂存在下，硝酸和分子式为RR¹Z的苯酚类化合物在0-70℃反应0.5-20小时，其中金属盐，硝酸、苯酚类化合物摩尔比为0.05-0.5∶1-2∶1，所述的金属盐或金属氧化物负载型催化剂中金属盐是第四、五或六主族金属的金属氧化物、卤化物或它们的无机酸盐，R＝H、C_1-5的烷基、卤素、C₆H₅，R¹＝酚羟基，Z＝苯基、萘基、四氢萘基、蒽基、芴基。

2、一种苯酚类化合物的绿色硝化方法，其特征是所述的金属盐负载型催化剂中金属是Ge，Sn，Pb，As，Sb，Bi，Se或Te。

3、一种苯酚类化合物的绿色硝化方法，其特征是所述的反应温度为0℃-室温。

4、一种苯酚类化合物的绿色硝化方法，其特征是所述的载体是蒙托土、分子筛、氧化硅、氧化铝或上述二种氧化物的混合物。

5、一种苯酚类化合物的绿色硝化方法，其特征是所述的金属盐负载型催化剂中，每0.1mmol金属盐负载于500-2000mg载体上。

6、一种苯酚类化合物的绿色硝化方法，其特征是所述的有机溶剂在醚类有机溶剂。