芳氧基取代的鄰苯二腈衍生物的合成研究

丁 茯, 姚 佳, 陳偉楠, 陳 卓, 姚美任, 王東平, 王康軍

(沈陽化工大學 化學工程學院, 遼寧 沈陽 110142)

金屬酞菁是18-π電子共軛的芳香大環平面化合物,其結構易于修飾,可以通過引入不同的中心金屬原子以及不同取代位置(α-位或β-位)和性質的官能團,獲得性能各異的金屬配合物.此外,金屬酞菁還具有易于合成、合成成本低、穩定性好(化學、光和熱)以及優良的光電性能等優點,因此被廣泛用于太陽能電池[1-2]、醫學治療[3]、化學傳感器[4]、催化[5]等領域.尤其是,芳氧基取代的金屬酞菁具有更易于修飾、易溶于多種有機溶劑而方便應用等特點,受到科學家們的廣泛關注[1-4].例如：近年來芳氧基取代的金屬酞菁開始逐漸應用于第三代太陽能電池,光電轉換效率接近20%,有望取代硅基太陽能電池,實現工業化應用[6-9].目前,芳氧基取代的金屬酞菁的合成主要采用經典的鉬酸銨或1,8-二氮雜二環[5.4.0]十一碳-7-烯(DBU)催化的鄰苯二甲腈法[3],因此,對關鍵原料芳氧基取代的鄰苯二甲腈的合成方法研究十分必要.

脂肪族親核取代反應(SN1和SN2)中的離去基團通常是鹵素原子或是磺酸基團,而硝基基團很難離去.但是當硝基連接在缺電子的芳香環時,則是特別好的離去基團,離去能力超過鹵素原子和磺酸基團,容易發生芳香族親核取代反應(SNAr).因此,硝基取代的鄰苯二腈易于與種類眾多的親核試劑苯酚衍生物發生親核取代反應,從而獲得一系列的芳氧基取代的鄰苯二腈.但是相對于受到廣泛研究的脂肪族親核取代反應,對芳香族親核取代反應,尤其是硝基作為離去基團的反應的研究很有限,其也受溶劑、堿性、溫度、反應物的物質的量的比和時間等反應條件的影響.因此,本文研究了不同反應條件對苯酚衍生物分別與3-硝基鄰苯二腈和4-硝基鄰苯二腈發生芳香族親核取代反應的影響,期望獲得通用的高產率反應條件.

1 實驗部分

1.1 主要試劑和儀器

3-硝基鄰苯二腈(AR)和4-硝基鄰苯二腈(AR),國藥集團化學試劑有限公司;對叔丁基苯酚(AR)和對丁氧基苯酚(AR),上海阿拉丁生化科技股份有限公司;薄層層析硅膠板,煙臺江友硅膠開發有限公司.對丁硫基苯酚參照文獻[10]合成.ARX-500型核磁共振波譜儀(CDCl3溶劑,TMS內標),美國Bruker;LC-20A型液相色譜儀,日本Shimadzu;XDB-C18型色譜柱(0.46 cm i.d.x 25 cm),美國Agilent Eclipse.

1.2 合成路線

合成路線如圖1所示.

圖1 合成路線Fig.1 Synthesis route

1.3 芳氧基鄰苯二腈衍生物的合成

以3-硝基鄰苯二腈和對叔丁基苯酚為模型反應,采用優化后的反應條件,具體如下：在室溫下將3-硝基鄰苯二甲睛(5.19 g,30 mmol)和對叔丁基苯酚(4.96 g,33 mmol)溶于DMF(60 mL)中,加入K2CO3(8.29 g,60 mmol),然后將所得溶液加熱至65 ℃,反應6 h.反應結束后,加入蒸餾水(500 mL),產生大量的沉淀.過濾,將濾餅60 ℃真空干燥,得到粗產品.濾液用乙酸乙酯萃取,分離有機相,有機相用無水硫酸鈉干燥、過濾、旋干,得另一部分粗產品.合并上述兩部分粗產品,然后通過快速硅膠柱層析法分離提純(流動相：二氯甲烷),收集所要產品組分,蒸除溶劑并干燥后得到白色固體3-(4-叔丁基苯氧基)鄰苯二腈(1A)7.98 g,產率為96.2%.1H-NMR(500 MHz,CDCl3),δ：1.37(s,9H,tert-Bu),7.05(d,2H,tert-BuArH),7.12(d,1H,CNArH),7.47(m,3H,CNArHandtert-BuArH),7.57(t,1H,CNArH).

以3-硝基鄰苯二腈和4-丁氧基苯酚為原料,步驟與模版反應一致,得到3-(4-丁氧基苯氧基)鄰苯二腈(1B)7.78 g,產率為88.7%.1H-NMR(500 MHz,CDCl3),δ：1.00(t,3H,CH2CH2CH2CH3),1.52(m,2H,CH2CH2CH2CH3),1.79(m,2H,CH2CH2CH2CH3),3.98(t,2H,CH2CH2CH2CH3),6.95(d,2H,BuOArH),7.03(d,3H,CNArHand BuOArH),7.42(d,1H,CNArH),7.53(t,1H,CNArH).

以3-硝基鄰苯二腈和4-丁硫基苯酚為原料,步驟與模版反應一致,得到3-(4-丁硫基苯氧基)鄰苯二腈(1C)8.47 g,產率為91.6%.1H-NMR(500 MHz,CDCl3),δ：0.96(t,3H,CH2CH2CH2CH3),1.49(m,2H,CH2CH2CH2CH3),1.66(m,2H,CH2CH2CH2CH3),2.95(t,2H,CH2CH2CH2CH3),7.04(d,2H,BuSArH),7.11(d,1H,CNArH),7.41(d,2H,BuSArH),7.47(d,1H,CNArH),7.58(t,1H,CNArH).

以4-硝基鄰苯二腈和4-叔丁基苯酚為原料,步驟與模版反應一致,得到4-(4-叔丁基苯氧基)鄰苯二腈(2A)7.88 g,產率為95.1%.1H-NMR(500 MHz,CDCl3),δ：1.37(s,9H,tert-Bu),7.01(d,2H,tert-BuArH),7.27(s,2H,CNArH),7.48(d,2H,tert-BuArH),7.73(d,J=9.2 Hz,1H,CNArH).

以4-硝基鄰苯二腈和4-丁氧基苯酚為原料,步驟與模版反應一致,得到4-(4-丁氧基苯氧基)鄰苯二腈(2B)8.02 g,產率為91.4%.1H-NMR(500 MHz,CDCl3),δ：1.00(t,3H,CH2CH2CH2CH3),1.52(m,2H,CH2CH2CH2CH3),1.80(m,2H,CH2CH2CH2CH3),3.98(t,2H,CH2CH2CH2CH3),6.92～7.02(m,4H,BuOArH),7.16～7.25(m,2H,CNArH),7.69(d,1H,CNArH).

以4-硝基鄰苯二腈和4-丁硫基苯酚為原料,步驟與模版反應一致,得到4-(4-丁硫基苯氧基)鄰苯二腈(2C)8.55 g,產率為92.4%.1H-NMR(500 MHz,CDCl3),δ：0.95(t,3H,CH2CH2CH2CH3),1.49(m,2H,CH2CH2CH2CH3),1.66(m,2H,CH2CH2CH2CH3),2.95(t,2H,CH2CH2CH2CH3),7.00(d,2H,BuSArH),7.22～7.29(m,2H,CNArH),7.40(d,2H,BuSArH),7.73(d,1H,CNArH).

2 結果與討論

2.1 苯酚衍生物與硝基鄰苯二腈的芳香族親核取代反應

2.1.1 溶劑對芳香族親核取代反應的影響

以廉價的對叔丁基苯酚為代表性的親核試劑,在堿性條件下分別與3-硝基鄰苯二腈和4-硝基鄰苯二腈發生反應,考察溶劑對反應的影響.由表1可知：在極性質子溶劑MeOH中的反應產率最低,為50%左右;在非質子中極性溶劑二氧六環中的產率達到76%左右;在非質子大極性溶劑DMF和DMSO中的產率超過82%.此外,通過薄層色譜層析(TLC)跟蹤發現：在MeOH中仍有較多未反應完的原料;在二氧六環中,有少量的原料殘余;而在DMF和DMSO中,原料全部轉化完.苯酚衍生物在堿性條件下生成芳氧基負離子,在質子溶劑中易被溶劑分子包圍產生溶劑化作用,不利于發生親核取代反應,因此在MeOH中的反應效果不佳.此外,芳香族親核取代反應中第一步決速步驟的Meisenheimer型中間體帶負電荷,增加極性,有利于帶負電荷的中間體解離生成目標產物,所以在極性更大的DMF和DMSO中的反應效果更好.另外,由于DMSO易吸潮,且在工業上比較難于回收再利用,因此,優選的溶劑是DMF.

2.1.2 堿對芳香族親核取代反應的影響

堿在芳香族親核取代反應中起到至關重要的作用,因為它可以使苯酚衍生物的酚羥基脫掉質子生成親核試劑芳氧基負離子,然后進攻與硝基相連的碳,生成親核取代產物.考慮到溶劑的回收和再利用,以及下游處理的方便程度,僅考察常用無機堿對反應的影響.

如表2所示,所采用的4種無機堿都取得了較好的反應效果.采用NaOH時的產率最低,這可能是因為其堿性過強,使反應中生成的芳氧基負離子的濃度過大而易發生氧化,副產物增多.此外,在NaOH做堿的反應液中,其顏色呈現出土褐色,明顯比碳酸鹽做堿的反應液的顏色更深,這也證明了有更多氧化副產物的生成.而在3個碳酸鹽中,隨著堿性從Na2CO3、K2CO3、Cs2CO3的逐漸增大,反應產率也在逐漸增加.但是因為Cs2CO3的價格較貴,因此優選的堿是K2CO3.

表2 堿對SNAr的影響Table 2 The effect of base on SNAr

2.1.3 溫度對芳香族親核取代反應的影響

如表3所示,對于兩個硝基取代的鄰苯二腈而言,溫度對反應的影響趨勢相同,都是隨著溫度的升高,產率先升高到最大值,然后降低.這是因為升高溫度會促進酚羥基在堿性條件下生成芳氧基負離子,有利于親核取代反應的發生,由此提高了反應產率;而當溫度進一步升高時,酚羥基容易被氧化而發生副反應,由此導致了產率下降.此外,對比兩種鄰苯二腈衍生物,升高到較高溫度后,溫度對4-硝基鄰苯二腈的影響比對3-硝基鄰苯二腈更為明顯.例如：在85 ℃時,4-硝基鄰苯二腈的產率由最高產率93.7%降低了近20%,降到74.3%;而3-硝基鄰苯二腈的產率由最高產率95.3%降低了近7%,降到87.9%.因此,3-硝基鄰苯二腈可在55～75 ℃更寬的溫度范圍內反應,而4-硝基鄰苯二腈則在55～65 ℃較窄的溫度范圍內反應.由以上分析及表3數據可以確定,對3-硝基鄰苯二腈,優選的溫度是65 ℃;對4-硝基鄰苯二腈,優選的溫度是55 ℃.

表3 溫度對SNAr的影響Table 3 The effect of temperature on SNAr

2.1.4 反應物物質的量的比對芳香族親核取代反應的影響

由于苯酚類衍生物較多,并且具有代表性的對叔丁基苯酚相對便宜,因此以與硝基取代的鄰苯二腈等物質的量或過量的對叔丁基苯酚為優化目標,確定最佳的物質的量的比.如表4所示,當采用等物質的量的比的對叔丁基苯酚時,產率明顯較低.這是因為在較高的溫度下,部分酚羥基被氧化而發生了副反應.對4-硝基鄰苯二腈而言,微過量的對叔丁基苯酚(二腈與酚物質的量的比：1/1.05)即可達到較高的產率,再增加對叔丁基苯酚的量,產率基本不變.而對3-硝基鄰苯二腈而言,則需要稍過量的對叔丁基苯酚(二腈與酚物質的量的比：1/1.1)才可達到較高的產率.因此,對3-硝基鄰苯二腈,優選的二腈與酚物質的量的比是1/1.1;對4-硝基鄰苯二腈,優選的二腈與酚物質的量的比是1/1.05.

表4 鄰苯二腈與對叔丁基苯酚物質的量的比對SNAr的影響Table 4 The effect of mole ratio of phthalonitrile/ p-tert-butylphenol on SNAr

2.1.5 反應時間對芳香族親核取代反應的影響

在上述優化條件的基礎上,考察反應時間對產率的影響.如表5所示,隨著反應時間的延長,產率逐漸升高,在反應6 h后,產率達到最大值,再繼續延長反應時間,產率基本不變.由此可以確定,優選的反應時間為6 h.

表5 反應時間對SNAr的影響Table 5 The effect of reaction time on SNAr

由以上研究可知,3-硝基鄰苯二腈與對叔丁基苯酚進行芳香族親核取代反應的優選條件為：DMF為溶劑,K2CO3作堿,n(3-硝基鄰苯二腈)∶n(對叔丁基苯酚)∶n(K2CO3)=1∶1.1∶2,65 ℃,反應時間為6 h;4-硝基鄰苯二腈與對叔丁基苯酚進行反應的優選條件為：DMF為溶劑,K2CO3作堿,n(4-硝基鄰苯二腈)∶n(對叔丁基苯酚)∶n(K2CO3)=1∶1.05∶2,55 ℃,反應時間為6 h.

2.2 優選反應條件的應用

采用前述優化的反應條件,研究親核試劑對丁氧基苯酚和對丁硫基苯酚分別與3-硝基鄰苯二腈和4-硝基鄰苯二腈的芳香族親核取代反應.如表6所示,所有的親核取代反應的產率都超過88%,證明之前優化的反應條件切實可行.此外,對丁氧基苯酚和對丁硫基苯酚作為反應物的反應產率比對叔丁基苯酚的產率稍低,這說明電子云密度更大的苯酚衍生物在較高溫度下可能更容易被氧化,生成副產物,由此導致了產率降低.因此,針對具體的親核試劑,還應對上述的優化條件進行微調,以達到最佳的收率.

表6 苯酚衍生物對SNAr的影響Table 6 The effect of phenol derivative on SNAr

2.3 芳香族親核取代反應機理

芳香族親核取代反應機理如圖2所示.

圖2 芳香族親核取代反應機理Fig.2 Mechanism of nucleophilic aromatic substitution

芳香族親核取代反應的機理是加成-消除機理.苯酚衍生物的酚羥基在堿性環境下脫掉質子,生成親核試劑芳氧基負離子,然后進攻與硝基相連的碳,生成帶負電的Meisenheimer型中間體M.這一步是雙分子反應過程,是反應速率決定步驟,該步能有效進行的關鍵是要求被取代基團的鄰位或對位有很強的吸電子基團,如文中的氰基基團,以產生活化作用.此外,高度電負性的硝基穩定了加成過渡態,是非常好的離去基團,其離去能力超過鹵素原子和磺酸基團.最后,中間體M離去硝基,完成親核取代反應.

3 結 論

以硝基取代的鄰苯二腈和對叔丁基苯酚為模型底物,研究芳氧基取代的鄰苯二甲腈的合成方法,優選條件為：3-硝基鄰苯二腈為底物時,DMF為溶劑,K2CO3作堿,n(3-硝基鄰苯二腈)∶n(對叔丁基苯酚)∶n(K2CO3)=1∶1.1∶2,65 ℃,反應時間為6 h;4-硝基鄰苯二腈為底物時,DMF為溶劑,K2CO3作堿,n(4-硝基鄰苯二腈)∶n(對叔丁基苯酚)∶n(K2CO3)=1∶1.05∶2,55 ℃,反應時間為6 h.通過上述優選條件高收率地合成了另外4個鄰苯二腈衍生物：3-(4-丁氧基苯氧基)鄰苯二腈(1B)、3-(4-丁硫基苯氧基)鄰苯二腈(1C)、4-(4-丁氧基苯氧基)鄰苯二腈(2B)和4-(4-丁硫基苯氧基)鄰苯二腈(2C),其中1C、2B和2C是全新的化合物.該芳香族親核取代反應的機理是加成-消除機理：苯酚衍生物的酚羥基在堿性條件下脫除質子生成親核試劑芳氧基負離子,然后進攻與硝基相連的碳,生成帶負電的中間體,隨后硝基離去,生成產物.該研究為芳氧基取代的鄰苯二腈衍生物的合成以及相應金屬酞菁的合成和應用奠定了基礎.