2-溴噻吩綠色工藝的研究

沈國兵，段俊平，李國梅，劉妙青，盧建軍，b

(太原理工大學 a.煤科學與技術重點實驗室，太原 030024；b.輕紡工程學院，山西 晉中 030600)

2-溴噻吩是噻吩系列衍生物中重要的產品之一，2-溴噻吩是氯吡格雷、噻氯吡啶、普拉格雷等抗血栓藥物、抗糖尿病藥物坎格列凈以及導電材料環戊聯噻吩的重要起始原料[1-5]。

2-溴噻吩的相關合成文獻也比較多[6-17]，KEEGSTRA et al[6]以乙醚為溶劑、氫溴酸為溴源制備得到2-溴噻吩。但是乙醚作為一個低沸點的溶劑其蒸汽重于空氣、閃點僅為-45 ℃，并且在空氣的作用下能氧化成過氧化物，因此在受熱和遇明火的情況下極易產生爆炸危險，存在極大的安全隱患。BHALERAO et al[7]以乙腈為溶劑、四乙基溴化銨為溴源，在鄰碘苯甲酸的催化下生產2-溴噻吩。但是乙腈作為溶劑價格較高，四乙基溴化銨不易得且貴，且產品的純度不夠，需要用柱層析進行純化，整個工藝不適合產業化。MITCHELL et al[11]以四氯化碳為溶劑、以N-溴代琥珀酰亞胺為溴源，在高氯酸的催化下生產2-溴噻吩。但是四氯化碳具有很大的肝毒性，與苯一樣被ICH組織列為第一類溶劑，在原料藥或中間體中的質量分數應低于4×10-6，應避免使用。且N-溴代琥珀酰亞胺為溴源，生產成本也較高，不適合于產業化。因此2-溴噻吩產品目前的生產工藝均存在三廢污染嚴重、成本較高、生產安全性較低、能源消耗過度等較為嚴重的問題。

與此同時，在化工工業的發展過程中，“綠色化學”越來越引起人們的注意。所謂“綠色”是指新的工藝或技術可以減少或消除危險物質的使用并盡量減少副產物。為了解決2-溴噻吩生產工藝中的缺陷，本研究以粗苯萃取的副產物噻吩為起始原料，以雙氧水為催化劑，以工業回收的無機溴鹽為溴源，對2-溴噻吩的綠色產業化工藝進行了研究。

1 實驗部分

1.1 主要試劑與儀器

噻吩(AR，質量分數≥99%)，山西恒強化工有限公司生產；雙氧水H2O2(質量分數30%，分析純),國藥試劑；溴化鎂，工業回收品，山西恒強化工有限公司。

1.2 2-溴噻吩綠色工藝的實驗設計

以噻吩為原料，與溴源在30%的雙氧水催化作用下生成2-溴噻吩，具體過程為：稱取溴化鎂(147 g，0.8 mol)溶解于水(120 mL)中，在攪拌狀態下滴加鹽酸(160 mL，10 mol/L)，加水，共配置溴源溶液360 mL待用。稱取噻吩(100.8 g，1.20 mol)加入四口燒瓶(1 L)中，加入已配置好的溴源溶液(360 mL)，攪拌，降溫至-20 ℃，滴加30%過氧化氫(120 g).滴加完后，反應液繼續攪拌15～30 min.反應完成后，分離反應液。水相在進行溴離子濃度標定后，直接回收套用于溴源溶液的配置。有機相取樣進行氣相色譜檢測，計算反應轉化率。反應的方程式如圖1所示。

圖1 噻吩制備2-溴噻吩反應示意圖Fig.1 Schematic reaction of thiophene to 2-bromothiophene

2-溴噻吩及其主要雜質均為易汽化的產品，沸點均小于300 ℃，因此可以通過氣相色譜進行檢測，建立方法如下：儀器采用安捷倫氣相色譜儀7890A，氫火焰離子化檢測器；色譜柱采用DB-XLB 30 m×0.32 mm，膜厚0.5 μm，溶劑為丙酮；柱溫以5 ℃/min的升溫速率從40 ℃升溫至200 ℃，接著以10 ℃/min的速率升溫至250 ℃，保持3 min；進樣口溫度為250 ℃，檢測器溫度為250 ℃，分流比為10∶1；氫氣流量為30 mL/min，空氣流量為300 mL/min，氮氣流量為1 mL/min.

1.3 分析檢測

氫原子核磁共振(1H-NMR)：美國瓦里安公司Varian INOVA-400型核磁共振儀；溶劑：氘代氯仿(CDCl3)；內標化合物：四甲基硅烷(TMS)；氣相色譜質譜聯用儀：美國Agilent公司5 975 C.

2 結果與討論

2.1 氧化劑的選擇

工業上的溴素是從海水中置換得到，常規的操作方法是通入氯氣。氯氣雖然是氯堿工業常用的原料之一，但是其本身是有強烈刺激性氣味的劇毒氣體，密度比空氣大，具有窒息性，使用氯氣的時候會產生大量的酸性廢水，同時由于氯氣是氣體，難以計量，這些特性都限制了氯氣的使用。

而雙氧水作為一個氧化性較強、價格低廉的綠色化學品，具有很多的優點：反應的副產物只有水，不會污染環境；市售的30%雙氧水價格低廉，且便于運輸與使用；雙氧水的活性氧高達47%，氧化性較強；通過稀釋，雙氧水可以調節得到不同濃度和不同氧化性的雙氧水，便于控制反應的進程，而且反應一般可以在常溫常壓下進行，反應條件溫和。

更為重要的是，雙氧水在酸性條件下極易引發自由基反應，然后通過自由基交換產生溴自由基，與噻吩進行反應生成2-溴噻吩，反應機理如圖2所示。

圖2 雙氧水催化溴自由基反應機理圖Fig.2 Mechanism of hydrogen peroxide catalyzed bromine radical reaction

同時溴離子在酸性條件下可以被雙氧水催化為溴自由基，雙氧水生成水。然后溴自由基與自身反應生成溴素，同時溴自由基也可以與噻吩反應生成噻吩自由基和氫溴酸。噻吩自由基進攻溴素，生成2-溴噻吩和溴自由基，進行反應循環并得到產物，反應循環示意圖如圖3所示。因此，經過綜合考慮，將雙氧水確定為研究的引發劑。

圖3 雙氧水、氫溴酸和噻吩反應循環示意圖Fig.3 Schematic diagram of the reaction cycle of hydrogen peroxide, hydrobromic acid and thiophene

2.2 2-溴噻吩的結構表征

將2-溴噻吩樣品溶解于氘代氯仿中進行氫核磁H-NMR測試，具體數據為：δH6.88(1H，雙二重峰)，δH7.06(1H，二重峰)，δH7.23(1H，二重峰)，圖譜如圖4所示。

圖4中氫位移為7.06的二重峰是2-溴噻吩中的噻吩3位氫，氫位移為6.88的雙二重峰是2-溴噻吩中的噻吩4位的氫，氫位移為7.23的二重峰是2-溴噻吩中的噻吩5位的氫，上圖中各個氫的編號以及其在核磁共振氫譜圖譜中的歸屬情況見表1.從圖4和表1可以看出，氫核磁圖譜中各個峰的位置與2-溴噻吩的氫歸屬一致。

表1 2-溴噻吩氫核磁數據歸屬一覽表Table 1 List of 2-bromothiophene hydrogen nuclear magnetic data

2-溴噻吩樣品的質譜(MS)測試結果為：相對分子質量161.91，分子式C4H3BrS，圖譜如圖5所示。

圖5 2-溴噻吩質譜圖Fig.5 Mass spectrum of 2-bromothiophene

從圖5中可以看出，164的分子離子峰為2-溴噻吩的MS特征峰，83為2-溴噻吩中的溴原子被電子轟擊后的碎片峰。溴原子在自然界中有一個豐度約為50%的同位素，且其分子量比溴大2，從圖5可知，質譜測得的質量數和分子式與該化合物一致，且溴原子的同位素特征峰很明顯可見。因此，質譜檢測樣品的分子量與2-溴噻吩的分子量一致。

綜合H-NMR和MS的檢測，從H-NMR圖譜和MS圖譜中可以看出，該樣品中有3個氫，位置與2-溴噻吩的歸屬一致；具有明顯的溴原子同位素特征峰，且樣品分子量與2-溴噻吩的分子量一致。綜合二者圖譜可以判定所得樣品為2-溴噻吩。

2.3 反應溫度對2-溴噻吩產品收率的影響

由于反應是一個放熱過程，因此反應過程中滴加雙氧水的起始溫度較反應溫度低10 ℃。考察了不同的反應溫度對2-溴噻吩合成反應的影響研究，具體實驗數據如表2所示。

從表2中可以看出，反應溫度對于目標產物收率有著重要影響。隨著反應溫度從20 ℃升高到68 ℃后，目標產物2-溴噻吩的收率也從78.45%降低到26.57%.當反應溫度為0 ℃和-20 ℃時，目標產物收率基本不變。但是，考慮到-20 ℃低溫反應所需能耗較高，采用滴加溫度-10 ℃～0 ℃，反應溫度為0 ℃的反應條件。因此，最佳反應條件為：滴加溫度-10 ℃～0 ℃，反應溫度為0 ℃，在此條件下2-溴噻吩的收率可以達到94.88%.

表2 反應溫度對2-溴噻吩收率的影響Table 2 Effect of reaction temperature on the yield of 2-bromothiophene

2.4 溴源溶液的配比對2-溴噻吩產品收率的影響

從前述的反應機理可知，整個反應體系應該維持酸性才能維持自由基的持續生成，反應才能得以持續。為了考察溴源溶液對2-溴噻吩合成反應的影響，設計了溴源溶液配比研究，具體實驗數據見表3.從表3中可以看出，在實驗條件下，溴源濃度對2-溴噻吩純度的影響在實驗誤差范圍內。證明整個反應體系應該在酸性條件下進行，溴源溶液的配比對最終結果沒有明顯影響。

表3 溴源溶液配比對2-溴噻吩收率的影響Table 3 Effect of bromine source solution ratio on 2-bromothiophene yield

2.5 溶劑對2-溴噻吩產品收率的影響

本研究采用乙醚、乙腈、四氯化碳等十種溶劑考察了不同反應溶劑對目標產物收率的影響，具體實驗數據如表4所示。從表4可以看出，無任何添加溶劑時噻吩轉化率為95.13%，添加反應溶劑后噻吩轉化率都得到少量提高，而以噻吩為溶劑時的轉化率最高，達到98.03%.從各種助溶劑對產品轉化率的影響可以看出，加入溶劑可以提高轉化率，但是轉化率提高程度小于3%，因此綜合分析溶劑的使用成本、損耗、回收成本、廢氣與廢水的處理成本，以及2-溴噻吩的收率，更結合綠色化學的理念，所以本工藝最終選擇不添加任何溶劑助溶的綠色工藝路線。

表4 不同溶劑對2-溴噻吩收率的影響Table 4 Effects of different bromine salts on 2-bromothiophene yield

3 結論

2-溴噻吩的綠色產業化工藝過程為：以含溴無機廢棄物和粗苯萃取的副產物噻吩為起始原料，以雙氧水為氧化劑，得到目標產物2-溴噻吩。通過核磁氫譜和質譜的測試，并進一步對其圖譜和數據進行解析，表征了2-溴噻吩的結構。通過實驗研究發現，最佳的反應原料配比為n(噻吩)∶n(雙氧水)∶n(溴源溶液)=1∶1∶1.1，滴加溫度為-10～0 ℃，反應溫度為0 ℃，反應時間15～30 min，不加反應溶劑助溶。整個工藝解析了選擇性親電取代反應機理，在-10～10 ℃、等摩爾配比投料的條件下，得到目標產物2-溴噻吩，通過循環工藝實現原子利用率100%.以綠色化學品雙氧水替代劇毒的氯氣，使得整個工藝在可操作性、安全性和三廢排放方面都得到了極大的優化。整個工藝真正實現了無三廢排放的綠色化學的目標；同時由于該工藝可以使用回收的含溴無機廢棄物作為起始原料，無三廢處理成本，且副產品氯化鎂可以實現銷售，也無需引入其他化學溶劑，因此該工藝成本較低，為實現工業化奠定了良好的基礎。