6-硝基喹哪啶的合成工藝改進(jìn)

陳玉風(fēng)， 嚴(yán)正權(quán)， 徐洪耀

(東華大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院 纖維材料改性國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201620)

喹啉類化合物以其獨(dú)特的共軛結(jié)構(gòu)，良好的光譜性能，較高的熱穩(wěn)定性和優(yōu)良的生物活性備受國(guó)內(nèi)外眾多科學(xué)工作者的關(guān)注，廣泛應(yīng)用于對(duì)金屬離子的配位[1～3]，對(duì)陰離子的選擇性識(shí)別[4]，印染助劑[5]以及抗瘧等許多醫(yī)藥化工中間體[6]等領(lǐng)域。

作為此類材料重要的中間體，6-硝基喹哪啶(1)的合成工藝與產(chǎn)品質(zhì)量直接影響該類材料的性能和應(yīng)用。目前，合成1主要有直接硝化法和成環(huán)法[7～9]。硝化法是用硝酸直接硝化喹哪啶，所獲得的產(chǎn)物有5-/6-/8-位三種取代物，不僅分離困難，而且產(chǎn)率也很低。現(xiàn)多采用成環(huán)法(Friedl?nder反應(yīng)法[10]、Skraup反應(yīng)法[11,12]、Combes合成法[13]及Skraup-Doebner-Von Miller反應(yīng)法[14,15]等)合成1。但在成環(huán)法的合成中均需要高溫、濃強(qiáng)酸(多為濃硫酸和濃鹽酸)和催化劑等，存在反應(yīng)速度快、焦油副產(chǎn)物多、產(chǎn)物難以提純和產(chǎn)率不高等缺點(diǎn)，其中Skraup-Doebner-Von Miller法產(chǎn)率相對(duì)較高。

本文在Skraup-Doebner-Von Miller法的基礎(chǔ)上，以對(duì)硝基苯胺(2)和巴豆醛(3)為原料，經(jīng)環(huán)合反應(yīng)合成了1(Scheme 1)。對(duì)合成工藝進(jìn)行了改進(jìn)，采用加入適量醋酸先與2形成醋酸銨，再與3進(jìn)行反應(yīng)合成1的方法來(lái)有效降低反應(yīng)速度；通過(guò)添加適量甲苯作為乳化劑吸收反應(yīng)熱和吸附分離副產(chǎn)物焦油的辦法提高產(chǎn)率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，改進(jìn)后的方法具有反應(yīng)速度適中、副產(chǎn)物少、產(chǎn)物易分離提純等優(yōu)點(diǎn)，最高產(chǎn)率達(dá)到93.1%，較文獻(xiàn)值[14]提高12%以上。

Scheme1

1 實(shí)驗(yàn)部分

1．1 儀器與試劑

Bruker AMX-500型核磁共振測(cè)定儀(CDCl3為溶劑，TMS為內(nèi)標(biāo))； Nicolet 8700型FT-IR傅里葉紅外光譜儀(KBr壓片)；Vario EL Ⅲ型元素分析儀。

3，分析純，上海科豐化學(xué)試劑有限公司；鹽酸(36.0%～38.0%)， AcOH和氨水(25.0%～28.0%)等，化學(xué)純，上海禾汽化工科技有限公司；實(shí)驗(yàn)用水為二次蒸餾水。

1．2 1的合成

在三口燒瓶中加入6 mol·L-1鹽酸45 mL， 2 1.232 g(8.92 mmol)，攪拌下加入AcOH 0.5 mL，于100 ℃反應(yīng)30 min。加入甲苯10 mL， KI 0.15 g(9.036 mmol)和I260 mg(2.364 mmol)，滴加2 1.48 mL(17.94 mmol)的甲苯(2 mL)溶液[滴速(5～6)滴/分]，滴畢，繼續(xù)反應(yīng)4 h(TCL跟蹤)。分出有機(jī)相，水相用氨水中和至沉淀完全，抽濾，濾餅經(jīng)硅膠柱層析[洗脫劑：V(石油醚) ∶V(乙酸乙酯)=5．5 ∶1．0]分離得白色晶體1，收率93.1%；1H NMRδ: 8.12(d,J=8.4 Hz, 1H， 5-H), 7.97(d,J=2.4 Hz, 1H， 4-H), 7.95(d,J=2．0 Hz, 1H， 7-H), 7.53(t,J=8.2 Hz, 1H， 8-H), 7.38(d,J=8.4 Hz, 1H， 3-H), 2.78(s, 3H, CH3)； IRν: 3 096(Ar-H), 2 959(CH3), 1 534, 1 382(NO2) cm-1; Anal.calcd for C10H8N2O2: C 63.82, H 4.18, N14.89; found C 64.03, H 4.25, N 14.96。

2 結(jié)果與討論

2．1 混酸的組成r[V(AcOH) ∶V(HCl)]對(duì)收率的影響

2 8.92 mmol, I2/KI(8.92 mmol)為氧化劑，甲苯10 mL,混酸45.5 mL,于100 ℃反應(yīng)4 h,其余反應(yīng)條件同1.2,考察r對(duì)產(chǎn)率的影響，結(jié)果見(jiàn)表1。由表1可見(jiàn)，隨著r的增大，產(chǎn)率逐步提高；當(dāng)r過(guò)高時(shí)，產(chǎn)率反而降低。這主要因?yàn)樵谠摲磻?yīng)體系中的反應(yīng)機(jī)理是醋酸先與2形成醋酸銨后再與3進(jìn)行反應(yīng)，可有效降低反應(yīng)速度；但醋酸銨與3的反應(yīng)要求在較強(qiáng)的酸性條件下進(jìn)行。因此當(dāng)酸性介質(zhì)全是醋酸時(shí)，反應(yīng)過(guò)程雖然較為溫和，但由于體系酸性不夠，結(jié)果產(chǎn)率不高；隨著鹽酸的比例增加，反應(yīng)的酸性增強(qiáng)，在保證醋酸先與對(duì)硝基苯胺形成醋酸銨的條件下，體系的酸度越大，產(chǎn)率越高；然而當(dāng)酸性介質(zhì)全為鹽酸時(shí)，反應(yīng)過(guò)程非常劇烈，反應(yīng)體系中產(chǎn)生大量瀝青狀焦油，導(dǎo)致副反應(yīng)明顯增加，產(chǎn)率降低。研究發(fā)現(xiàn)r=1 ∶90時(shí)，產(chǎn)率最高(93．1%)。

表 1 r對(duì)產(chǎn)率的影響*Table 1 Effect of r on yield

*2 8.92 mmol,r=V(AcOH) ∶V(HCl)， I2/KI(8.92 mmol)為氧化劑，甲苯10 mL,于100 ℃反應(yīng)4 h,其余反應(yīng)條件同1.2

2．2 氧化劑種類對(duì)收率的影響

Skraup-Doebner-Von Miller反應(yīng)一般通用型氧化劑有碘/碘化鉀、氯化鐵、苯醌、砷酸等。砷酸主要用于工業(yè)生產(chǎn)中，因毒性較大，實(shí)驗(yàn)室較少使用。

表 2 氧化劑種類對(duì)產(chǎn)率的影響*Table 2 Effect of oxidants kind on yield

*2 8.92 mmol,r=1 ∶90，其余反應(yīng)條件同表1； I2(2.36 mmol)/KI(9.04 mmol)， CuCl2(9.00 mmol)， 苯醌(9.00 mmol)

2 8.92 mmol,r=1 ∶90，其余反應(yīng)條件同2．1，考察氧化劑種類對(duì)收率的影響，結(jié)果見(jiàn)表2。由表2可見(jiàn)，I2/KI作氧化劑時(shí)，效果較好。這可能是因?yàn)椋篍φAs(Ⅴ)/As(Ⅲ)， EφI2/I-， EφCu2+/Cu+和Eφ醌/酚的氧化還原電勢(shì)分別是0.56 V， 0.54 V， 0.34 V和0.70 V，其中EφAs(Ⅴ)/As(Ⅲ)和EφI2/I-與1中的氧化還原電勢(shì)最接近的緣故，因此最有利于反應(yīng)進(jìn)行，導(dǎo)致較好產(chǎn)率，氧化還原電勢(shì)相差過(guò)高或者過(guò)低均對(duì)反應(yīng)不利。

2．3 甲苯用量對(duì)收率的影響

之前在Skraup-Doebner-Von Miller反應(yīng)體系中一般不加入乳化劑，結(jié)果發(fā)現(xiàn)反應(yīng)焦油副產(chǎn)物多，收率較低。我們?cè)趯?shí)驗(yàn)中經(jīng)過(guò)多次反復(fù)研究發(fā)現(xiàn)，反應(yīng)體系中加入適量的甲苯作為乳化劑，不僅有效吸收反應(yīng)熱，而且可溶解反應(yīng)產(chǎn)生的副產(chǎn)物焦油，從而使生成的焦油快速與產(chǎn)物所在的水溶液形成兩相，結(jié)果既減少焦油對(duì)產(chǎn)物的吸附，又減少了焦油對(duì)反應(yīng)原料的包覆，使產(chǎn)率提高，同時(shí)又有利于產(chǎn)物分離提純。

2 8.92 mmol,r=1 ∶90，其余反應(yīng)條件同2．1，考察甲苯用量對(duì)收率的影響，結(jié)果見(jiàn)表3。從表3可見(jiàn)，甲苯加入量較少，不能完全包覆焦油時(shí)，水相中會(huì)有黑色焦油產(chǎn)生，吸附部分產(chǎn)物，且分離提純困難，產(chǎn)率較低。當(dāng)甲苯為10 mL時(shí)，水相澄清，反應(yīng)產(chǎn)率也最高。甲苯量超過(guò)10 mL時(shí)，發(fā)現(xiàn)一定量的產(chǎn)物溶解在甲苯中，難以分離，致使產(chǎn)率略有降低。因此最佳甲苯用量為10 mL。

表3 甲苯用量對(duì)收率的影響*Table 3 Effect of toluene amount on yield

*2 8.92 mmol,r=1 ∶90，其余反應(yīng)條件同表1

2．4 反應(yīng)溫度對(duì)收率的影響

2 8.92 mmol,r=1 ∶90，其余反應(yīng)條件同2．1，考察反應(yīng)溫度對(duì)收率的影響，結(jié)果見(jiàn)表4。由表4可以看出，反應(yīng)溫度對(duì)收率有很大的影響：溫度較低，達(dá)不到反應(yīng)所需的活化能，反應(yīng)慢，產(chǎn)率低；但溫度超過(guò)130 ℃時(shí)，反應(yīng)速度過(guò)快，燒瓶壁上黑色焦油明顯增多，收率降低。

表4 反應(yīng)溫度對(duì)收率的影響*Table 4 Effect of reaction temperature on yield

*2 8.92 mmol,r=1 ∶90，其余反應(yīng)條件同表1

3 結(jié)論

以I2/KI為氧化劑,甲苯為乳化劑,由對(duì)硝基苯胺和巴豆醛經(jīng)環(huán)合反應(yīng)合成1的最佳反應(yīng)條件為：2 8.92 mmol, 混酸45.5 mL[V(AcOH) ∶V(HCl)=1 ∶90]，甲苯10 mL,n(2) ∶n(I2/KI)=1 ∶1,于100 ℃反應(yīng)4 h，收率93．1%。

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