硝酸鉍和硝酸鐵作為硝化試劑在芳族化合物硝化反應中的應用的製作方法
2023-05-10 20:13:31
專利名稱：硝酸鉍和硝酸鐵作為硝化試劑在芳族化合物硝化反應中的應用的製作方法
技術領域：
本發明涉及硝酸鉍和/或硝酸鐵作為硝化試劑在芳族化合物硝化反應中的應用。
背景技術：
芳族化合物的硝化反應是一類重要的有機合成反應。經典的工業硝化反應方法是混酸法，即在濃硫酸的催化下，以濃硝酸作為硝化試劑進行硝化反應。這種傳統的合成方法副反應多、選擇性低、對反應設備要求高、對環境汙染嚴重。因此，探索芳烴化合物的新型綠色硝化反應仍然是一個研究熱點。
近年來人們已經開發出一些新型的硝化方法。
例如A.V.Joshi等人報導的，以4-取代苯酚為底物和以6-15wt％稀硝酸作為硝化試劑在5-10mol％相轉移催化劑四丁基溴化銨的存在下進行的液-液兩相反應[A.V.Joshi，M.Baidoosi，S.Mukhopadhyay，Y.Sasson，Org.Process Res.Dev.2003，7，95.]，可在室溫下方便的得到硝基酚，轉化率一般大於98％，鄰硝基酚的選擇性在90-97％，是一個高效的硝化反應體系，但是此方法使用了價格相對較為昂貴的相轉移催化劑四丁基溴化銨，而相轉移催化劑的分離回收是比較困難的，因此不太適合大規模生產。
M.Shi等人報導了以65％硝酸為硝化試劑和蒙脫土KSF/Bi(NO3)3共催化下的硝化體系[M.Shi，S.-C.Cui，Adv.Synth.Catal.2003，345，1197.]，其中避免了使用相轉移催化劑，但要使用濃硝酸這種強酸性物質作為硝化試劑。
B.Gigante等人報導的「Claycop」硝化試劑是填充無水硝酸銅的酸性蒙託土[B Gigante，_A.O.Prazeres，and M.J.Marcelo-Curto，J.Org.Chem.，1995，60(11)，3445]。該硝化試劑在大量醋酐的存在下於四氯化碳溶液中可以對芳族化合物進行硝化反應，例如在以苯酚為底物時，鄰硝基苯酚選擇性高達86％，而對硝基苯酚只有6％，是一種高選擇性的硝化試劑，但其不足之處在於需要使用大量醋酐以及硝化試劑回收困難，仍不夠經濟。
張繼昌等[張繼昌，石蔚雲，王國喜，河南師範大學學報(自然科學版)2003，31，61]報導的以四氧化二氮的硝酸鹽複合物為硝化劑在有機溶劑中對苯酚及對位取代苯酚的硝化反應，是近年來在國內報導的比較有代表性的硝化反應體系，其中無水Fe(NO3)3和Cu(NO3)2與N2O4氣體形成的複合物是針對酚類化合物的高效的硝化試劑，但其問題是，硝化試劑比較複雜，而且要求使用的硝酸鹽Fe(NO3)3和Cu(NO3)2都必須是無水的。
M.F.A.Dove等人報導無水硝酸氧釩[VO(NO3)3][M.F.A.Dove，B.Manz，J.Montgomery，G Pattenden and S A.Wood，J.Chem.Soc.，PerkinTrans.1，1998，1589]是一種活性很高的硝化劑，硝酸氧釩可溶於二氯甲烷中，以它為硝化試劑在二氯甲烷溶液中進行的硝化反應，一般幾分鐘到十幾分鐘的時間即可完成，而且產率都較高。這個體系的不足之處在於無水硝酸氧釩在常溫下是液體，而且十分容易水解，在潮溼空氣中就會水解失效，因此只能溶解在二氯甲烷中保存並使用，而且反應後不能簡單回收利用，會產生大量的廢棄物需要進一步處理；還有其他一些方法如應用酸酐、過氧亞硝酸鹽、硝酸鹽-離子液體、氮氧化物/分子篩[X.Peng，H.Suzuki，Org.Lett.2001，3，3431]等物質的硝化體系也有報導。
這些方法雖然各有其優點，但也存在反應體系複雜，後處理繁瑣等各種缺點。而且，這些硝化方法中一般都為液相反應，需要強酸性環境及大量的有機溶劑，有硝化試劑難以回收或使用昂貴的相轉移催化劑等不足之處。
有機化合物的固相反應是近年來發展起來的新型合成法，雖然報導的例子不是很多，但在已報導的反應中，都具有反應條件溫和、反應快、轉化率高等優點。已經成為合成化學中追求的綠色合成方法之一[G.Rothenberg，A.P.Downie，C.L.Raston，J.L.Scott，J.Am.Chem.Soc.2001，123，8701]。
本發明者以探索新型綠色硝化合成法為目的，進行了芳族化合物與無機硝酸鹽的反應研究。本發明者發現，在芳族化合物硝化反應中採用鐵、鉍無機硝酸鹽硝化試劑可以達成綠色硝化合成的目的，於是完成了本發明。
發明內容
本發明涉及鐵、鉍硝酸鹽硝化試劑在芳族化合物硝化反應中的應用。
本發明的目的是提供鐵、鉍硝酸鹽硝化試劑在芳族化合物硝化反應中的應用。
本發明的再一目的是提供一種基於鐵、鉍硝酸鹽作為硝化試劑的芳族化合物固相或液相硝化反應的方法。
具體的說，本發明提供一種使用廉價的可含結晶水的鐵和/或鉍硝酸鹽，例如硝酸鉍、硝酸鐵、五水合硝酸鉍和九水合硝酸鐵中的一或多種作為芳族化合物硝化反應的硝化試劑，代替傳統方法中的以硫酸作為催化劑、硝酸作為硝化試劑的硝化體系，其優點是不使用強酸體系、無需使用催化劑、反應條件溫和、能耗低、反應速度快，反應甚至可在固相中進行而不使用有機溶劑，採用硝化試劑例如硝酸鐵、硝酸鉍在反應完畢後用硝酸簡單處理即可再作為硝化劑回收利用，不產生廢棄物，唯一副產物是水，因而這是一個綠色反應體系。本發明反應體系具有操作簡便、產物容易分離等特點，可以達到較高的轉化率。另外，這些無機鹽的價格都很低廉，容易獲得，化學性質穩定，容易保存。
上述芳類化合物可以是甲苯、苯酚、苯二酚、取代苯酚、萘酚、芳醚、芳胺或其混合物，芳族化合物還可為苯乙烯等側鏈不飽和芳族化合物或其混合物。優選的是甲苯、苯酚、苯二酚、取代苯酚、萘酚、芳醚或芳胺。所述的取代苯酚是例如烷基取代苯酚、滷代苯酚、烷氧基取代苯酚或其混合物，優選的是烷基取代苯酚、滷代苯酚或烷氧基取代苯酚。所述的烷基或烷氧基優選為低級烷基(例如C1-C4-烷基)或低級烷氧基例如(例如C1-C4-烷氧基)。
本發明方法可以採用固相反應體系將硝化劑和低熔點酚類化合物按例如摩爾比為0.1～4∶1的比例投入容器中，0℃～45℃下研磨反應不超過5分鐘，反應後用溶劑提取，濃縮後經薄層色譜分離可得到酚類化合物的硝化產物，反應總收率為60～80％。殘餘固體用稀硝酸處理，可重複利用。
上述低熔點酚類化合物為苯酚、烷基取代苯酚、滷代苯酚、烷氧基取代苯酚、萘酚及其混合物。優選的是苯酚、烷基取代苯酚、滷代苯酚或烷氧基取代苯酚。所述的取代苯酚是例如烷基取代苯酚、滷代苯酚、烷氧基取代苯酚及其混合物，優選的是烷基取代苯酚、滷代苯酚或烷氧基取代苯酚。
本發明的硝化方法包括以下步驟液相反應體系將硝化劑和芳族化合物按例如摩爾比為0.1～4∶1的比例加入反應容器中，0℃～130℃下攪拌反應0.1～15小時，反應後過濾除去固體物，得到透明均一溶液，經分離例如採用薄層色譜，可得到該芳族化合物的硝化產物，反應總收率可達到70～98％。固體殘留物用稀硝酸處理，可重複使用。
上述芳類化合物可以是甲苯、苯酚、苯二酚、取代苯酚、萘酚、芳醚、芳胺及其混合物，芳族化合物還可為苯乙烯等側鏈不飽和芳族化合物或其混合物。
固相反應體系將硝化劑和低熔點酚類化合物按例如摩爾比為0.1～4∶1的比例加入反應容器例如研缽中，0℃～45℃下研磨反應不超過5分鐘，反應後用溶劑提取，濃縮後經分離例如採用薄層色譜，可得到酚類化合物的硝化產物，反應總收率可達60～80％殘餘固體用稀硝酸處理，可重複利用。
上述低熔點酚類化合物為苯酚、烷基取代苯酚、滷代苯酚、烷氧基取代苯酚、萘酚及其混合物。
硝化劑為無機鹽硝酸鉍(III)和/或硝酸鐵(III)，例如硝酸鉍、硝酸鐵、五水合硝酸鉍和九水合硝酸鐵中的一或多種，優選為硝酸鉍、硝酸鐵、五水合硝酸鉍和九水合硝酸鐵中的一種，最優選為五水合硝酸鉍或九水合硝酸鐵。
本發明採用無機鹽硝酸鉍、硝酸鐵作為芳族化合物硝化反應的硝化試劑，本發明合成方法與目前廣泛工業化應用的硫酸催化合成硝基化合物的方法相比較，前者具備以下優點1.硝化試劑為廉價易得、化學性質穩定的無機鹽；2.不使用強酸性體系，腐蝕性小，不產生酸性廢液；3.不使用催化劑，不產生催化劑的回收問題；4.反應可在固相中進行；5.固相條件下的反應可不使用有機溶劑；6.反應是低溫反應，能耗低，可得到高品質產品；7.反應速度快，可提高生產效率；8.水合無機鹽硝酸鐵、硝酸鉍硝化劑可以簡單回收套用，不產生廢渣，是綠色反應體系，符合國家環保政策導向。
具體實施例方式
下文中，本發明將通過實施例的方式作更詳細的非限定性的說明。
實施例1稱取苯酚107mg、Bi(NO3)3·5H2O 485mg、丙酮1ml加入10ml磨口圓底燒瓶中，25℃攪拌反應、反應放熱並迅速完成，用砂芯漏鬥過濾，並用CH2Cl2洗滌固體物，合併濾液，濃縮至約1ml，用薄層色譜分離，展開劑選用環己烷∶乙醚＝1∶1的混合溶劑，得到鄰硝基苯酚72mg，對硝基苯酚74mg，產率分別為46％和47％，總收率93％。
實施例2稱取對甲基苯酚108mg、Bi(NO3)3·5H2O 245mg、二氯甲烷2ml加入10ml磨口圓底燒瓶中，10℃水浴下攪拌反應，反應12小時用砂芯漏鬥過濾，並用CH2Cl2洗滌固體物，合併濾液，蒸除大部分溶劑，濃縮至約1ml，用薄層色譜分離，環己烷和乙醚的混合溶劑展開，得到2-硝基-4甲基苯酚110mg，產率72％。
實施例3稱取鄰甲基苯酚108mg、Fe(NO3)3·9H2O 135mg、乙醚0.5ml加入10ml磨口圓底燒瓶中，0℃下攪拌反應15小時用砂芯漏鬥過濾，並用CH2Cl2洗滌固體物，合併濾液，蒸除大部分溶劑，濃縮至約1ml，用薄層色譜分離，環己烷和乙醚的混合溶劑展開，得到2-甲基-6硝基苯酚65mg，2-甲基-4-硝基苯酚78mg，產率分別為42％和51％，總收率93％。
實施例4稱取對氯苯酚128.6mg、Bi(NO3)3·5H2O 120mg、丙酮1ml加入10ml磨口圓底燒瓶中，35℃下攪拌反應10分鐘完成，用砂芯漏鬥過濾，並用CH2Cl2洗滌固體物，合併濾液，蒸除大部分溶劑，濃縮至約1ml，用薄層色譜分離，環己烷和乙醚的混合溶劑展開，得到2-硝基-4氯苯酚145mg，產率83％。
實施例5稱取對羥基苯甲酸甲酯152mg、Fe(NO3)3·9H2O 808mg、三氯甲烷1ml加入10ml磨口圓底燒瓶中，60℃下攪拌反應5小時，用砂芯漏鬥過濾，並用CH2Cl2洗滌固體物，合併濾液，蒸除大部分溶劑，濃縮至約1ml，用薄層色譜分離，環己烷和乙醚的混合溶劑展開，得到3-硝基-4-羥基苯甲酸甲酯189mg，96％。
實施例6稱取對苯二酚110mg、Bi(NO3)3·5H2O 97mg，二氯乙烷2ml加入10ml磨口圓底燒瓶中，50℃下攪拌反應，反應迅速完成，用砂芯漏鬥過濾，並用CH2Cl2洗滌固體物，合併濾液，蒸除大部分溶劑，濃縮至約1ml，用薄層色譜分離，環己烷和乙醚的混合溶劑展開，得到2-硝基-對苯二酚124mg，產率80％。
實施例7稱取甲苯92mg、Fe(NO3)3·9H2O 155mg、正辛烷5ml加入10ml磨口圓底燒瓶中，125℃下攪拌反應5小時，用砂芯漏鬥過濾，並用CH2Cl2洗滌固體物，合併濾液，蒸除大部分溶劑，濃縮至約1ml，用薄層色譜分離，環己烷和乙醚的混合溶劑展開，得到2-硝基甲苯和4-硝基甲苯混合物114mg，產率83％。
實施例8稱取對甲基苯甲醚122mg、Bi(NO3)3130mg、正壬烷7ml加入10ml磨口圓底燒瓶中，130℃下攪拌反應7小時，用砂芯漏鬥過濾，並用CH2Cl2洗滌固體物，合併濾液，蒸除大部分溶劑，濃縮至約1ml，用薄層色譜分離，環己烷和乙醚的混合溶劑展開，得到2-硝基-4-甲基苯甲醚160mg，產率96％。
實施例9稱取N-甲基苯胺107mg、Bi(NO3)363mg、乙醚8ml加入10ml磨口圓底燒瓶中，80℃下攪拌反應10小時用砂芯漏鬥過濾，並用CH2Cl2洗滌固體物，合併濾液，蒸除大部分溶劑，濃縮至約1ml，用薄層色譜分離，環己烷和乙醚的混合溶劑展開，得到2-硝基-N-甲基苯胺和4-硝基-N-甲基苯胺141mg，總收率93％。
實施例10稱取甲苯92mg、苯乙烯104mg、Bi(NO3)3790mg、二氯甲烷6ml加入10ml磨口圓底燒瓶中，100℃下攪拌反應，反應12小時用砂芯漏鬥過濾，並用CH2Cl2洗滌固體物，合併濾液，蒸除大部分溶劑，濃縮至約1ml，用薄層色譜分離，環己烷和乙醚的混合溶劑展開，得到硝基甲苯和硝基苯乙烯243mg，總收率85％。
實施例11稱取苯酚70mg、Bi(NO3)3·5H2O 361mg加入研缽中，15℃下研磨反應，反應完成後，CH2Cl2提取，用砂芯漏鬥過濾，並用CH2Cl2洗滌固體物，合併濾液，蒸除大部分溶劑，濃縮至約1ml，用薄層色譜分離，環己烷和乙醚的混合溶劑展開，得到鄰硝基苯酚35mg，對硝基苯酚38mg，產率分別為34％和37％，總收率71％。
實施例12稱取對甲基苯酚122mg、Fe(NO3)3·9H2O 289mg加入研缽中，28℃下研磨反應，反應完成後，CH2Cl2提取，用砂芯漏鬥過濾，並用CH2Cl2洗滌固體物，合併濾液，蒸除大部分溶劑，濃縮至約1ml，用薄層色譜分離，環己烷和乙醚的混合溶劑展開，得到2硝基-4甲基苯酚96mg，產率為63％實施例13稱取對氯苯酚474mg、Fe(NO3)3404mg加入研缽中，8℃下研磨反應，反應完成後，CH2Cl2提取，用砂芯漏鬥過濾，並用CH2Cl2洗滌固體物，合併濾液，蒸除大部分溶劑，濃縮至約1ml，氣相色譜內標法定量，2-硝基4-氯苯酚532mg，收率83％。
實施例14稱取3-甲氧基苯酚124mg、Bi(NO3)3404mg加入研缽中，35℃下研磨反應，反應完成後，CH2Cl2提取，用砂芯漏鬥過濾，並用CH2Cl2洗滌固體物，合併濾液，蒸除大部分溶劑，濃縮至約1ml，氣相色譜內標法定量，2-硝基-3-甲氧基苯酚、4-硝基-3-甲氧基苯酚、6-硝基-3-甲氧基苯酚127mg，收率75％。
實施例15稱取1-萘酚144mg、Fe(NO3)3·9H2O 289mg加入研缽中，42℃下研磨反應，反應完成後，CH2Cl2提取，用砂芯漏鬥過濾，並用CH2Cl2洗滌固體物，合併濾液，蒸除大部分溶劑，濃縮至約1ml，用薄層色譜分離，環己烷和乙醚的混合溶劑展開，得到2-硝基萘酚和4-硝基萘酚119mg，產率為63％對比實施例1稱取苯酚94mg、NH4NO3240mg加入研缽中，在空氣氣氛中室溫下研磨反應，用CH2Cl2提取、濃縮後氣相色譜檢測，未發生預期之硝化反應。
對比實施例2稱取苯酚94mg、Ni(NO3)2·6H2O 291mg加入研缽中，在空氣氣氛中室溫下研磨反應，用CH2Cl2提取、濃縮後氣相色譜檢測，未發生預期之硝化反應。
對比實施例3稱取苯酚94mg、Cu(NO3)2·3H2O 240mg加入研缽中，在空氣氣氛中室溫下研磨反應，用CH2Cl2提取、濃縮後氣相色譜檢測，未發生預期之硝化反應。
對比實施例4稱取苯酚94mg、AgNO3170mg加入研缽中，在空氣氣氛中室溫下研磨反應，用CH2Cl2提取、濃縮後氣相色譜檢測，未發生預期之硝化反應。
對比實施例5稱取苯酚94mg、CaCa(NO3)2·4H2O 236mg加入研缽中，在空氣氣氛中室溫下研磨反應，用CH2Cl2提取、濃縮後氣相色譜檢測，未發生預期之硝化反應。
對比實施例6稱取苯酚94mg、(BiO)2CO3·H2O 25mg、5％稀硝酸2ml加入磨口圓底反應瓶中，室溫下攪拌反應，用CH2Cl2提取、濃縮後氣相色譜檢測，只有痕量的硝化產物生成。
權利要求
1.一種硝化試劑在芳族化合物硝化反應中的應用，其特徵在於所述的硝化試劑選自硝酸鉍、硝酸鐵、五水合硝酸鉍和九水合硝酸鐵中的一或多種。
2.根據權利要求1的應用，其中，所述的硝化試劑選自硝酸鉍、硝酸鐵、五水合硝酸鉍和九水合硝酸鐵中的一種。
3.根據權利要求2的應用，其中，所述的硝化試劑是五水合硝酸鉍或九水合硝酸鐵。
4.根據權利要求1-3之任一的應用，其中，所述的芳族化合物選自甲苯、苯酚、苯二酚、取代苯酚、萘酚、芳醚、芳胺、側鏈不飽和芳族化合物及其混合物。
5.根據權利要求4的應用，其中，所述的芳族化合物選自甲苯、苯酚、苯二酚、取代苯酚、萘酚、芳醚和芳胺中的一種。
6.根據權利要求5的應用，其中，所述的取代苯酚選自烷基取代苯酚、滷代苯酚和烷氧基取代苯酚中的一種。
7.根據權利要求1-6之任一的應用，其中，硝化反應體系是固相體系或液相體系，液相體系適用於選自下列的芳族化合物甲苯、苯酚、苯二酚、取代苯酚、萘酚、芳醚、芳胺、側鏈不飽和芳烴化合物及其混合物；固相體系適用於選自下列的低熔點酚類化合物苯酚、烷基取代苯酚、滷代苯酚、烷氧基取代苯酚、萘酚及其混合物。
8.一種芳族化合物的硝化反應方法，其特徵在於反應中的硝化試劑選自硝酸鉍、硝酸鐵、五水合硝酸鉍和九水合硝酸鐵中的一或多種。
9.根據權利要求8的方法，其中，所述的硝化試劑選自硝酸鉍、硝酸鐵、五水合硝酸鉍和九水合硝酸鐵中的一種。
10.根據權利要求8或9的方法，其中，所述的芳族化合物選自甲苯、苯酚、苯二酚、取代苯酚、芳醚、芳胺、側鏈不飽和芳烴化合物及其混合物。
11.根據權利要求10的方法，其中，所述的芳族化合物選自甲苯、苯酚、苯二酚、取代苯酚、萘酚、芳醚和芳胺中的一種。
12.根據權利要求11的方法，其中，所述的取代苯酚選自烷基取代苯酚、滷代苯酚和烷氧基取代苯酚中的一種。
13.根據權利要求8-12之任一的方法，其中，硝化反應體系是液相體系，反應包括如下步驟將硝化試劑與芳族化合物按摩爾比為0.1～4∶1的比例加入反應容器中，0℃～130℃下攪拌反應0.1～15小時，反應後過濾除去固體物，得到透明均一溶液，經分離，得到該芳族化合物的硝化產物。
14.根據權利要求8-12之任一的方法，其中，硝化反應體系是固相體系，反應包括如下步驟將硝化劑和低熔點酚類化合物按摩爾比為0.1～4∶1的比例加入反應容器中，0℃～45℃研磨反應不超過5分鐘，反應後用溶劑提取，濃縮後經分離，得到酚類化合物的硝化產物。
15.根據權利要求14的方法，其中，所述的低熔點酚類選自苯酚、烷基取代苯酚、滷代苯酚、烷氧基取代苯酚、萘酚及其混合物中的一或多種。
16.根據權利要求15的方法，其中，所述的低熔點酚類選自苯酚、烷基取代苯酚、滷代苯酚、烷氧基取代苯酚和萘酚中的一種。
全文摘要
本發明涉及鐵、鉍硝酸鹽作為硝化試劑在芳族化合物硝化反應中的應用。本發明還涉及採用鐵、鉍硝酸鹽作為硝化試劑進行芳族化合物硝化反應的方法。
文檔編號C07C205/21GK1854114SQ20051006476
公開日2006年11月1日 申請日期2005年4月21日 優先權日2005年4月21日
發明者孫宏斌, 華瑞茂, 尹應武 申請人:北京清華紫光英力化工技術有限責任公司