1,4-二氯蒽醌水解制備1,4-二羥基蒽醌

王貴城，段正康，顏志祥

（湘潭大學(xué)化工學(xué)院，湖南 湘潭 411105）

1,4-二氯蒽醌水解制備1,4-二羥基蒽醌

王貴城，段正康，顏志祥

（湘潭大學(xué)化工學(xué)院，湖南 湘潭 411105）

以廉價的對二氯苯和鄰苯二甲酸酐為原料制得1,4-二氯蒽醌，經(jīng)硼酸催化水解得到1,4-二羥基蒽醌。系統(tǒng)地考察了反應(yīng)溫度、硫酸濃度、原料摩爾比和反應(yīng)時間對氯轉(zhuǎn)羥基反應(yīng)的影響。確定了氯轉(zhuǎn)羥基反應(yīng)制備1,4-二羥基蒽醌的優(yōu)化實(shí)驗(yàn)條件為:以95%濃硫酸為溶劑，在反應(yīng)溫度為220℃、硫酸∶1,4-二氯蒽醌∶硼酸（摩爾比）為37.5∶1.0∶1.4、反應(yīng)時間為60min的條件下，以1,4-二氯蒽醌計的產(chǎn)物收率為71.0%。探討和解釋了硼酸催化作用下氯代蒽醌轉(zhuǎn)換成羥基蒽醌可能的機(jī)理。

1,4-二氯蒽醌；合成；氯轉(zhuǎn)羥基；機(jī)理

1,4-二羥基蒽醌屬于蒽醌類衍生物，是一種重要的化學(xué)中間體，可作為制造還原染料、分散染料及活性染料的中間體，廣泛應(yīng)用于各種染料的合成中，在染料工業(yè)中具有重要的地位[1-4]。也有報道[5]1,4-二羥基蒽醌是一種有效的重組人蛋白激酶CK2的抑制劑，能明顯抑制蛋白激酶CK2全酶的活性，可以用作抗腫瘤藥應(yīng)用于臨床治療。但是，天然1,4-二羥基蒽醌在植物中的含量非常低[6]，因此目前主要以有機(jī)合成的方法獲取1,4-二羥基蒽醌。

目前國內(nèi)主要采用對苯二酚路線和對氯苯酚路線[7-11]合成1,4-二羥基蒽醌。但是對苯二酚原料價格高，且對苯二酚有毒，易氧化，高溫受熱可分解釋放出有毒氣體；對氯苯酚路線工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境惡劣，且對氯苯酚有強(qiáng)烈的不愉快刺激氣味，熔點(diǎn)低，易揮發(fā)，易氧化。其他的合成路線由于操作條件苛刻或收率不高等原因未見有工業(yè)化生產(chǎn)報道。如El’tsov等[12]在微波條件下用苯酐和對氯苯酚合成1,4-二羥基蒽醌，僅需10min反應(yīng)完成，但其成本高，不適合工業(yè)化生產(chǎn)。Krapcho等[13]用1-氟4-羥基蒽醌在NaOSi(CH3)3和THF的作用下合成1,4-二羥基蒽醌，收率達(dá)80%，但原料不易得，反應(yīng)時間長（大于18h）。

以價廉易得的對二氯苯和苯酐為原料合成1,4-二氯蒽醌，再經(jīng)硼酸催化水解得到1,4-二羥基蒽醌的方法簡單易操作，其關(guān)鍵在于氯基的羥基化。楊慧慧等[14]采用La2O3催化劑在高溫高壓條件下水解間二氯苯制備間二苯酚，但收率較低。Jeremy等[15]在微波條件下，將芳香類含氟化合物在DMSO、叔丁醇鉀和2-丁炔-1-醇的作用下合成芳香烴醚類，繼而水解得到酚類，但其原料不易得。張曉薇[16]以Cu2O為催化劑，在高溫高壓條件下將間氯苯胺堿解制得間氨基苯酚，但能耗大、反應(yīng)時間長。也有報道[17-19]以氯苯催化水解制備苯酚的方法，但對催化劑或工藝條件的要求較高。硼酸是一種高效且具有良好選擇性的非金屬催化劑，采用硼酸催化水解1,4-二氯蒽醌制備1,4-二羥基蒽醌既環(huán)保又經(jīng)濟(jì)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

主要儀器：R-210型旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀、H1650型臺式離心機(jī)、DF-101S型恒溫加熱磁力攪拌器、Agilent1200高效液相色譜儀、KQ-2200DE型數(shù)控超聲波清洗器、NICOLET380型紅外光譜儀、Unity INOVA300型核磁共振儀。

主要試劑：鄰苯二甲酸酐、對二氯苯、五氯化磷、無水三氯化鋁、無水氯化鈣、硼酸、濃硫酸等，均為國產(chǎn)分析純。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 1,4-二氯蒽醌的合成

取75.0g化合物1（圖1）和115.0g PCl5，常溫下加入到500mL斜型三口燒瓶中，加熱至150℃反應(yīng)12h，減壓蒸餾除去POCl3，繼續(xù)旋蒸收集131～133℃（1.2～1.3kPa）的棕黃色餾分，得到化合物2 （107.7g），收率為94.78%。取2（90%）45.0g和 25.0g對二氯苯加入到250mL的斜型三口燒瓶中，攪拌，加熱至60℃預(yù)熱。待對二氯苯完全溶解，將40.0g無水AlCl3和8.0g NaCl快速加入到燒瓶中，并立即升溫至110～120℃，反應(yīng)5～6h后將反應(yīng)液倒入冰-水混合溶液中并迅速攪拌。靜置分層，過濾，取濾餅放入200mL NaOH溶液（20%）中，沉淀水解，過濾，用36%濃鹽酸調(diào)節(jié)pH值為1.5～2.0，得淺黑色沉淀粗體化合物3（45.2g），收率80.12%。3不需提純處理，直接取5.0g 3加入到40.0g 98%濃硫酸中，150℃下反應(yīng)4h后，倒入100mL水溶液中，過濾，得黃褐色沉淀[20]4（4.85g），產(chǎn)率89%?；衔?分析數(shù)據(jù)如下。1H NMR(500 MHz，CDCl3)δ：8.33～8.10 (m，2H，ArH)，7.93～7.71 (m，2H，ArH)，7.68 (s，2H，ArH)；IR (KBr)ν/cm-1：3012，2653，2527，1690，1586，1497，1403，1282，1071，974，908，830，740，674，557。

1.2.2 1,4-二羥基蒽醌的合成

取1,4-二氯蒽醌5.0g、95%濃硫酸50.0g、硼酸3.0g，于220℃下共熱反應(yīng)60min，高效液相色譜法對反應(yīng)過程進(jìn)行中間控制分析。待1,4-二氯蒽醌峰消失后反應(yīng)結(jié)束，過濾，得沉淀3.89g，用冰乙酸重結(jié)晶得粉紅色結(jié)晶5?；衔?數(shù)據(jù)如下。1H NMR(500 MHz，CDCl3)δ：8.27 (dt，J = 24.0，12.1 Hz，2H，R-OH)，7.87 (s，2H，ArH)，7.88～7.56 (m，2H，ArH)，5.26 (s，2H，ArH)；IR (KBr)v/cm-1：3016，1630，1590，1452，1392，1330，1256，1148， 1148，1069，1027，965，875，836，792，726，699，580，498。

1.2.3 產(chǎn)物的純度分析條件

1,4-二羥基蒽醌色譜條件，Agilent HC-C18 （250mm×4.6mm×5μm）；流動相，V(甲醇)∶V(水)= 90∶10；流動相稀釋樣品，進(jìn)樣量20μL；流速1.0mL/min；柱溫30℃；Agilent1200高效液相色譜儀。

2 結(jié)果與討論

圖1 1,4-二羥基蒽醌合成路線圖

2.1 反應(yīng)溫度的影響

在硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)95%、硫酸∶1,4-二氯蒽醌∶硼酸（摩爾比）為37.5∶1.0∶1.4、反應(yīng)時間60min及反應(yīng)溫度200～240℃的條件下，考察溫度對反應(yīng)的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。由圖2可知，主產(chǎn)物的收率隨溫度的升高先增加后減小，且在220℃左右時達(dá)最大值，說明反應(yīng)對溫度敏感。溫度過高，副反應(yīng)加劇，因此，宜選擇220℃作為反應(yīng)溫度。

2.2 硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響

在反應(yīng)溫度220℃、硫酸15mL、1,4-二氯蒽醌∶硼酸（摩爾比）為1.0∶1.4、反應(yīng)時間60min及80%～105%硫酸的條件下，考察各濃度下硫酸介質(zhì)對反應(yīng)的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。由圖3可知，主產(chǎn)物的收率隨著硫酸濃度的增加先增大后減小，在95%處達(dá)最大值，說明硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加有助于提高主產(chǎn)物收率。但當(dāng)超過95%時收率開始下降，使用105%發(fā)煙硫酸時主產(chǎn)物收率降低得比較多，說明此時副反應(yīng)加劇，反應(yīng)傾向于發(fā)生磺化反應(yīng)。因此，宜選擇95%硫酸作為反應(yīng)介質(zhì)。

2.3 硼酸配比的影響

在反應(yīng)溫度220℃、95%硫酸∶1,4-二氯蒽醌（摩爾比）為37.5∶1.0、反應(yīng)時間60min及硼酸加料量0.2～1.0g的條件下，考察硼酸的量對主產(chǎn)物收率的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。由圖4可知，隨著硼酸的量的增加，產(chǎn)物的相對收率隨之增加。但當(dāng)加料量從0.6g增加到1.0g時，收率不再增加，說明此時催化已達(dá)到平衡。因此，選擇加入硼酸的質(zhì)量比為：硫酸∶1,4-二氯蒽醌∶硼酸=13.8∶1.0∶0.3，即原料中硫酸、1,4-二氯蒽醌、硼酸的摩爾比宜為37.5∶1.0∶1.4。

2.4 反應(yīng)時間的影響

在反應(yīng)溫度220℃、硫酸∶1,4-二氯蒽醌∶硼酸（摩爾比）為37.5∶1.0∶1.4、95%硫酸的條件下，考察了反應(yīng)時間對反應(yīng)的影響。實(shí)驗(yàn)中注意到反應(yīng)進(jìn)行的比較劇烈，因此每隔10min對反應(yīng)液取樣進(jìn)行高效液相色譜分析，得到主產(chǎn)物峰面積及峰面積比（監(jiān)測得到的產(chǎn)物峰面積/1,4-二羥基蒽醌標(biāo)樣峰面積）的變化趨勢如圖5所示。由圖5可知，在實(shí)驗(yàn)考察的范圍內(nèi)，反應(yīng)前60min內(nèi)主產(chǎn)物峰面積變化曲線不斷上升，峰面積比曲線也跟著上升，說明主產(chǎn)物的量在不斷增加。而60min之后，兩條曲線略有下降，說明主產(chǎn)物的量在減少。因此，反應(yīng)時間應(yīng)維持在60min。

3 反應(yīng)機(jī)理討論

圖2 反應(yīng)溫度的影響

圖3 硫酸濃度的影響

圖4 硼酸加料量影響

圖5 反應(yīng)時間的影響

化合物4水解得到化合物5的反應(yīng)主要是蒽醌結(jié)構(gòu)中1、4位上基團(tuán)的取代反應(yīng)，即發(fā)生在蒽醌的苯環(huán)結(jié)構(gòu)上的取代反應(yīng)[21]。因此，1、4位上的基團(tuán)發(fā)生取代反應(yīng)的難易程度取決于苯環(huán)上官能團(tuán)對苯環(huán)的活化程度。苯環(huán)上的取代是親電取代反應(yīng)[22]。從反應(yīng)活性的角度看，凡有助于提高苯環(huán)上電子云密度的基團(tuán)，就能使苯環(huán)活化，反應(yīng)活性提高，反之則使苯環(huán)鈍化，降低反應(yīng)活性；從反應(yīng)位置的角度看，若苯環(huán)上有取代基，則取代基的電子效應(yīng)沿著苯環(huán)共軛體系傳遞，即當(dāng)與苯環(huán)上相連的原子含有未共用電子對取代基團(tuán)時，電子間的相互作用使未共用電子對（簡稱p電子）與苯環(huán)形成p-π共軛體系，從而使得整個苯環(huán)具有給電子效應(yīng)，常見的給電子基團(tuán)如—NR2、—NHR、—NH2、—OH、—OR、—X等[23]。因此，—NH2、—OH等基團(tuán)會使苯環(huán)活化，而對鹵素元素而言，由于其較強(qiáng)的吸電誘導(dǎo)效應(yīng)，使得苯環(huán)上的電子云密度降低，對苯環(huán)有鈍化作用。由此可知，由于化合物4含有兩個氯原子，苯環(huán)活性較低，使得反應(yīng)條件苛刻，反應(yīng)需在催化劑的作用下進(jìn)行。據(jù)此，研究并提出了化合物4水解得到化合物5的可能的反應(yīng)機(jī)理（見圖6）：一分子硼酸在H2O作用下，形成，親核進(jìn)攻苯環(huán)羰基C，通過雙鍵電子傳遞，活化苯環(huán)，在酸性環(huán)境下水解脫除Cl－，再結(jié)合一分子H2O得到化合物10。同理，另一分子硼酸再結(jié)合對位的羰基與羥基，最終水解得到化合物5。

圖6 化合物4水解得到化合物5可能的反應(yīng)機(jī)理

4 結(jié) 論

設(shè)計了一條合成1,4-二羥基蒽醌的路線，并探索和解釋了1,4-二氯蒽醌水解得到1,4-二羥基蒽醌可能的機(jī)理。通過單因素試驗(yàn)的方法得到氯轉(zhuǎn)羥基反應(yīng)較優(yōu)的反應(yīng)條件：反應(yīng)溫度為220℃、硫酸濃度為95%，硫酸∶1,4-二氯蒽醌∶硼酸（摩爾比）為37.5∶1.0∶1.4，反應(yīng)時間為60min。在此條件下經(jīng)重復(fù)試驗(yàn)得到1,4-二羥基蒽醌的收率為71.0%。該方法原輔料廉價易得，高效簡易，為1,4-二羥基蒽醌的工業(yè)生產(chǎn)提供了一種新的方法參考。

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Preparation of 1,4-dihydroxyanthraquinone from hydrolysis of 1,4-dichloroanthraquinone

WANG Guicheng，DUAN Zhengkang，YAN Zhixiang
（School of Chemical Engineering，Xiangtan University，Xiangtan 411105，Hunan，China）

:1,4-dihydroxyanthraquinone was obtained by boric acid catalytic hydrolysis of 1,4-dichloroanthraquinone，which was synthesized by using commercial phthalic anhydride andp-dichlorobenzene as raw materials. The effect of reaction temperature，sulfuric acid concentration (mass concentration)，molar ratio of reactants and reaction time on the chlorine hydroxylation reaction was investigated，and optimal experimental conditions were obtained as follows，temperature 220℃，sulfuric acid concentration 95%，molar ratio of sulfuric acid/1,4-dichloroanthraquinone/boric acid 37.5∶1.0∶1.4，reaction time 60min. Under above conditions，the yield of 1,4-dihydroxyanthraquinone was 71.0%. The possible mechanism of chlorine hydroxylation with the catalytic effect of boric acid was discussed.

1,4-dihydroxyanthraquinone；synthesis；chlorine hydroxylation；mechanism

TQ 612.5

A

1000-6613（2014）11-3053-04

10.3969/j.issn.1000-6613.2014.11.036

2014-02-26；修改稿日期：2014-03-20。

王貴城（1988—），男，碩士研究生，主要從事精細(xì)化學(xué)品合成與分析聯(lián)系人：段正康，教授。E-mail dzk0607@163.com。