氘代苯的合成方法綜述

楊燕 蔡亮 徐鳳杰 何敏(西安瑞聯(lián)新材料股份有限公司，陜西 西安 710077)

0 引言

氘代苯是苯的氘代衍生物，是一種重要的氘代溶劑以及標(biāo)記芳香族化合物的示蹤劑，以其獨(dú)特的同位素效應(yīng)，溶解度、超強(qiáng)的穩(wěn)定性、較高的氘代率、且不具備放射性等優(yōu)點(diǎn)，廣泛的應(yīng)用于氘代化合物的合成和質(zhì)譜檢測技術(shù)。本文綜述了氘代苯的應(yīng)用及其合成方法最新進(jìn)展。

部分氘取代或全部氘化的有機(jī)化合物由于其在質(zhì)譜(MS)、核磁共振(H-NMR)和電子自旋共振譜(ESR)中顯示出獨(dú)特的信號(hào)，而廣泛應(yīng)用于生命科學(xué)、環(huán)境科學(xué)、農(nóng)藥殘余檢測和污染物跟蹤、物質(zhì)科學(xué)等各領(lǐng)域作為標(biāo)記化合物被廣泛利用，被用于解析反應(yīng)機(jī)理和物質(zhì)代謝途徑。作為制造氘代化合物的方法，優(yōu)選通過路易斯酸H/D 交換催化劑三氯化鋁或氯化乙基鋁或酸三氟甲磺酸等存在下，用氘代溶劑氘代苯處理非氘化合物的重氫化方法，氘代苯作為重要的氘源。工業(yè)上氘代苯的合成主要可分為3 類：氫氘交換法、對(duì)導(dǎo)入鹵素進(jìn)行重氫化、聚合合成法

1 氘代苯應(yīng)用

1.1 氫-氘的動(dòng)力學(xué)同位素效應(yīng)

氘是氫的一種同位素，豐度為0.015%，其雙倍的原子質(zhì)量被稱為重氫。氫和氘具有非常相似的化學(xué)效應(yīng)；但是由于同位素之間的質(zhì)量差別而存在重要的物理效應(yīng)不同。氘比氫具有較低的零點(diǎn)能量和振動(dòng)頻率，以及較小的振幅；由于D 比H 具有較小的范德華半徑因而C-D 延展和彎曲運(yùn)動(dòng)較C-H 幅度小。當(dāng)苯上的氫被氘取代轉(zhuǎn)化為全氘苯，用于同位素效應(yīng)其性能發(fā)生變化，如溶解性、穩(wěn)定性等。本文重點(diǎn)介紹其在新材料和化學(xué)檢驗(yàn)技術(shù)領(lǐng)域方面的應(yīng)用。

1.2 氘代苯在新材料方面應(yīng)用

全氘或者部分氘代化合物的OLED 材料具有高熒光量子產(chǎn)率以及壽命長等優(yōu)點(diǎn)[1]。通過用氘部分或全部修飾半導(dǎo)體有機(jī)化合物的質(zhì)子，可以提高材料的高壓穩(wěn)定性，降低開啟電壓，從而有效地延長的使用壽命，提高了發(fā)光材料的外量子效率和發(fā)光效率，有效地提高了發(fā)光器件的發(fā)光效率。

1.2.1 作為反應(yīng)物用于氘代芳族化合的制備

蒽及蒽衍生物作為重要的有機(jī)發(fā)光二極管材料和中間體在OLED 發(fā)光材料被廣泛應(yīng)用，對(duì)其進(jìn)行氘代是目前研究熱點(diǎn)。2010年符新亮等報(bào)道了[2]，由氘代苯和鄰苯二甲酸酐作為原材料，經(jīng)過縮合、關(guān)環(huán)、還原和溴化等反應(yīng)，經(jīng)過提純而得到1,2,3,4-四氘代-9-溴蒽(圖1)，用的原材料價(jià)格低廉，溶劑用量少且易回收，因此能夠在保證產(chǎn)品純度和產(chǎn)率的前提下大幅降低生產(chǎn)成本，從而適于工業(yè)化生產(chǎn)。此外，本合成方法操作簡單、方便、安全。

圖1 1,2,3,4-四氘代-9-溴蒽的合成

1.2.2 作為氘源用于氘代芳族化合的制備

2009年杜邦公司報(bào)道[3]使用氘代苯為氘源進(jìn)行氘代芳香烴化合的制備，具體方法：在氮?dú)夥障拢瑢o水三氯化鋁(0.48g，3.6mmol)加入到得自比較實(shí)施例A 的比較化合物A(5g，9.87mmol)的全氘苯或苯-D6(C6D6)(100mL)溶液中。將所得混合物在室溫下攪拌6h，之后加入重水(50mL)。分層，然后用二氯甲烷(2×30mL)洗滌水層。在硫酸鎂上干燥合并的有機(jī)層，并通過旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)除去揮發(fā)性物質(zhì)。經(jīng)由柱層析純化粗產(chǎn)物。反應(yīng)方程式如圖2 所示。

1.3 化學(xué)檢驗(yàn)技術(shù)領(lǐng)域方面的應(yīng)用

2014年龐永強(qiáng)等報(bào)道[4]，氘代苯用于一種卷煙主流煙氣中揮發(fā)性有機(jī)化合物的測定方法，該方法包括以下步驟：(1)將用于捕集揮發(fā)性有機(jī)化合物的吸附材料裝填在帶吸附管的吸煙機(jī)捕集裝置的吸附管中，捕集所述卷煙主流煙氣中的揮發(fā)性有機(jī)化合物；(2)將步驟(1)中捕集有揮發(fā)性有機(jī)化合物的吸附材料轉(zhuǎn)移至解吸用容器中，然后加入解吸溶液進(jìn)行解吸，加入氘代苯內(nèi)標(biāo)，得到包含有揮發(fā)性有機(jī)化合物的解吸溶液；(3)使用氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀對(duì)步驟(2)得到的包含有揮發(fā)性有機(jī)化合物的解吸溶液進(jìn)行檢測。本方法操作簡便，快速，靈敏度高且重復(fù)性好。

圖2 H14的生成

2 氘代苯合成方法

2.1 氫氘交換法

過渡金屬催化重水交換法合成氘代苯最早于1954年由Leitch提出[5]，其方法將苯(5mL)與重水(10mL)、鉑碳(0.3g)110℃密閉加熱攪拌反應(yīng)12 小時(shí)，分離得到氘代苯，重復(fù)操作4 次后，蒸餾得到目標(biāo)產(chǎn)物氘代苯，氘代率為95.24%。此方法產(chǎn)物化學(xué)純度高，但需經(jīng)過多次交換，重水消耗量大，同位素利用率低，氘代率不夠理想，后處理缺乏經(jīng)濟(jì)性；目前研究較多是提高催化劑活性如鉑催化劑、銠催化劑、釕催化劑、鎳催化劑、鈷催化劑，提高同位素利用率，改善反應(yīng)條件，利于工業(yè)化生產(chǎn)。

2009年P(guān)eriana Poy A[6]報(bào)道了采用質(zhì)子和熱穩(wěn)定性高的過渡金屬NNC 絡(luò)合物在酸性或中性介質(zhì)中提高H/D 轉(zhuǎn)化率，同時(shí)重水交換次數(shù)較少，提高重水利用率。2004年和光純藥工業(yè)株式會(huì)社[12]報(bào)道了鈀催化劑和鉑催化劑的混合催化劑性質(zhì)優(yōu)于單獨(dú)的催化劑，重在提高反應(yīng)活性和同位素的利用率。

2.2 堿性試劑促進(jìn)的氫氘交換反應(yīng)

堿性試劑促進(jìn)的氫氘交換反應(yīng)，該途徑反應(yīng)條件十分苛刻，需要高溫、高壓、微波輔助進(jìn)行。1996年Thomas[13]報(bào)道了使用超臨界水在堿性條件下對(duì)苯進(jìn)行重氫化的方法，反應(yīng)性非常高，避免使用過渡金屬催化劑，氘代率＞97%，缺點(diǎn)反應(yīng)條件苛刻，此方法不適合產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。

2.3 路易斯酸促進(jìn)的氫氘交換反應(yīng)

在路易斯酸H/D 交換催化劑如三氯化鋁或氯化乙基鋁或酸如氘代三氟乙酸、氘代鹽酸等存在下，用氘源如重水處理苯合成氘代苯的方法。1974年Werstiuk nick henry[14]報(bào)道了在鹽酸或氘代鹽酸催化下，以重水為氘源，在250℃，4914Pa 下對(duì)苯進(jìn)行氘代制備氘代苯，純度＞95%，收率為98%。2005年Guo Qiaoxia[15]報(bào)道了使用布朗斯特酸或路易斯酸五氯化錳催化氘代反應(yīng)，氘代率高達(dá)98%。

3 對(duì)導(dǎo)入鹵原子進(jìn)行重氫化的方法

1992年Baran[16]報(bào)道一種用六氯苯合成氘代苯的方法。合成方法：將六氯苯(3.5mmol)緩慢加入40mL 戊烷中，并加入49.6mL(84mmol)1.7M 叔丁基鋰，和28.7mL(84mmol)1，4-二氧六環(huán)在低溫-125℃下反應(yīng)24h(其中1，4-二氧六環(huán)已經(jīng)被證明是最有效的Li-鹵交換最有效溶劑)。反應(yīng)24h 后加入過量重水，溫度緩慢升至室溫制備氘代苯(圖3)。該方法具有氘位點(diǎn)數(shù)和位數(shù)可控、可調(diào)等優(yōu)勢可降低氘代化學(xué)品制備成本。

圖3 六氯苯合成氘代苯

深圳大學(xué)在2016年申請(qǐng)PCT 專利[17]報(bào)道了，鹵原子進(jìn)行氘代新方法：全鹵代物在光源、光催化劑催化下與氘源進(jìn)行加氘反應(yīng)，制得化學(xué)品。涉及氘代苯的具體方法：0.02mol 氯代芳烴、20.0mg 硒化鎘納米片和無水亞硫酸鈉(0.5M)加入50mL 反應(yīng)瓶中，并用注射器加入乙腈/重水(1:1，v/v)5.0mL,將反應(yīng)體系脫氣10min 后置換氬氣保護(hù)狀態(tài)，將反應(yīng)瓶移動(dòng)至距離光源中心10cm 處光照反應(yīng)2.0 小時(shí)，反應(yīng)結(jié)束后移走光源，將反應(yīng)混合物用5.0mL 二氯甲烷萃取，有機(jī)相用無水硫酸鈉干燥，收率71%，反應(yīng)條件更溫和，但光催化不適用于大規(guī)模生產(chǎn)。

4 氘代乙炔聚合合成方法

1962年Ruppercht 報(bào)道[18]以重水為原材料，與CaC2水合生成D2-乙炔，再與催化劑的作用下聚合得到D6-苯。此法同位素利用率高，但需要特殊設(shè)備如高溫爐等。2011年楊維成等[19]對(duì)此方法進(jìn)行優(yōu)化研究，提供較理想的工藝條件：D2-乙炔制備，n(CaC2):n(D2O)=3:1，冰浴條件下反應(yīng)；D6-苯合成：乙炔：催化劑=1:5(L/g)，反應(yīng)溫度30℃。在此條件下，D6-苯總收率＞85.0%，化學(xué)純度＞99.9%，豐度＞99.0atom%D。

5 結(jié)語

近年來，關(guān)于氘代苯合成研究重點(diǎn)在于活化催化劑存在下采用條件溫和的研究，同時(shí)提高同位素利用率。