丁 茯, 姚 佳, 陳偉楠, 陳 卓, 姚美任, 王東平, 王康軍

(沈陽(yáng)化工大學(xué) 化學(xué)工程學(xué)院, 遼寧 沈陽(yáng) 110142)

金屬酞菁是18-π電子共軛的芳香大環(huán)平面化合物,其結(jié)構(gòu)易于修飾,可以通過(guò)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(zhì)的官能團(tuán),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(wěn)定性好(化學(xué)、光和熱)以及優(yōu)良的光電性能等優(yōu)點(diǎn),因此被廣泛用于太陽(yáng)能電池[1-2]、醫(yī)學(xué)治療[3]、化學(xué)傳感器[4]、催化[5]等領(lǐng)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(jī)溶劑而方便應(yīng)用等特點(diǎn),受到科學(xué)家們的廣泛關(guān)注[1-4].例如：近年來(lái)芳氧基取代的金屬酞菁開(kāi)始逐漸應(yīng)用于第三代太陽(yáng)能電池,光電轉(zhuǎn)換效率接近20%,有望取代硅基太陽(yáng)能電池,實(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用[6-9].目前,芳氧基取代的金屬酞菁的合成主要采用經(jīng)典的鉬酸銨或1,8-二氮雜二環(huán)[5.4.0]十一碳-7-烯(DBU)催化的鄰苯二甲腈法[3],因此,對(duì)關(guān)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(yīng)(SN1和SN2)中的離去基團(tuán)通常是鹵素原子或是磺酸基團(tuán),而硝基基團(tuán)很難離去.但是當(dāng)硝基連接在缺電子的芳香環(huán)時(shí),則是特別好的離去基團(tuán),離去能力超過(guò)鹵素原子和磺酸基團(tuán),容易發(fā)生芳香族親核取代反應(yīng)(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(fā)生親核取代反應(yīng),從而獲得一系列的芳氧基取代的鄰苯二腈.但是相對(duì)于受到廣泛研究的脂肪族親核取代反應(yīng),對(duì)芳香族親核取代反應(yīng),尤其是硝基作為離去基團(tuán)的反應(yīng)的研究很有限,其也受溶劑、堿性、溫度、反應(yīng)物的物質(zhì)的量的比和時(shí)間等反應(yīng)條件的影響.因此,本文研究了不同反應(yīng)條件對(duì)苯酚衍生物分別與3-硝基鄰苯二腈和4-硝基鄰苯二腈發(fā)生芳香族親核取代反應(yīng)的影響,期望獲得通用的高產(chǎn)率反應(yīng)條件.

1 實(shí)驗(yàn)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(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司;對(duì)叔丁基苯酚(AR)和對(duì)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(tái)江友硅膠開(kāi)發(fā)有限公司.對(duì)丁硫基苯酚參照文獻(xiàn)[10]合成.ARX-500型核磁共振波譜儀(CDCl3溶劑,TMS內(nèi)標(biāo)),美國(guó)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(guó)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(duì)叔丁基苯酚為模型反應(yīng),采用優(yōu)化后的反應(yīng)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(duì)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(yīng)6 h.反應(yīng)結(jié)束后,加入蒸餾水(500 mL),產(chǎn)生大量的沉淀.過(guò)濾,將濾餅60 ℃真空干燥,得到粗產(chǎn)品.濾液用乙酸乙酯萃取,分離有機(jī)相,有機(jī)相用無(wú)水硫酸鈉干燥、過(guò)濾、旋干,得另一部分粗產(chǎn)品.合并上述兩部分粗產(chǎn)品,然后通過(guò)快速硅膠柱層析法分離提純(流動(dòng)相：二氯甲烷),收集所要產(chǎn)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(chǎn)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(yīng)一致,得到3-(4-丁氧基苯氧基)鄰苯二腈(1B)7.78 g,產(chǎn)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(yīng)一致,得到3-(4-丁硫基苯氧基)鄰苯二腈(1C)8.47 g,產(chǎn)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(yīng)一致,得到4-(4-叔丁基苯氧基)鄰苯二腈(2A)7.88 g,產(chǎn)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(yīng)一致,得到4-(4-丁氧基苯氧基)鄰苯二腈(2B)8.02 g,產(chǎn)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(yīng)一致,得到4-(4-丁硫基苯氧基)鄰苯二腈(2C)8.55 g,產(chǎn)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(jié)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(yīng)

2.1.1 溶劑對(duì)芳香族親核取代反應(yīng)的影響

以廉價(jià)的對(duì)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(fā)生反應(yīng),考察溶劑對(duì)反應(yīng)的影響.由表1可知：在極性質(zhì)子溶劑MeOH中的反應(yīng)產(chǎn)率最低,為50%左右;在非質(zhì)子中極性溶劑二氧六環(huán)中的產(chǎn)率達(dá)到76%左右;在非質(zhì)子大極性溶劑DMF和DMSO中的產(chǎn)率超過(guò)82%.此外,通過(guò)薄層色譜層析(TLC)跟蹤發(fā)現(xiàn)：在MeOH中仍有較多未反應(yīng)完的原料;在二氧六環(huán)中,有少量的原料殘余;而在DMF和DMSO中,原料全部轉(zhuǎn)化完.苯酚衍生物在堿性條件下生成芳氧基負(fù)離子,在質(zhì)子溶劑中易被溶劑分子包圍產(chǎn)生溶劑化作用,不利于發(fā)生親核取代反應(yīng),因此在MeOH中的反應(yīng)效果不佳.此外,芳香族親核取代反應(yīng)中第一步?jīng)Q速步驟的Meisenheimer型中間體帶負(fù)電荷,增加極性,有利于帶負(fù)電荷的中間體解離生成目標(biāo)產(chǎn)物,所以在極性更大的DMF和DMSO中的反應(yīng)效果更好.另外,由于DMSO易吸潮,且在工業(yè)上比較難于回收再利用,因此,優(yōu)選的溶劑是DMF.

2.1.2 堿對(duì)芳香族親核取代反應(yīng)的影響

堿在芳香族親核取代反應(yīng)中起到至關(guān)重要的作用,因?yàn)樗梢允贡椒友苌锏姆恿u基脫掉質(zhì)子生成親核試劑芳氧基負(fù)離子,然后進(jìn)攻與硝基相連的碳,生成親核取代產(chǎn)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(wú)機(jī)堿對(duì)反應(yīng)的影響.

如表2所示,所采用的4種無(wú)機(jī)堿都取得了較好的反應(yīng)效果.采用NaOH時(shí)的產(chǎn)率最低,這可能是因?yàn)槠鋲A性過(guò)強(qiáng),使反應(yīng)中生成的芳氧基負(fù)離子的濃度過(guò)大而易發(fā)生氧化,副產(chǎn)物增多.此外,在NaOH做堿的反應(yīng)液中,其顏色呈現(xiàn)出土褐色,明顯比碳酸鹽做堿的反應(yīng)液的顏色更深,這也證明了有更多氧化副產(chǎn)物的生成.而在3個(gè)碳酸鹽中,隨著堿性從Na2CO3、K2CO3、Cs2CO3的逐漸增大,反應(yīng)產(chǎn)率也在逐漸增加.但是因?yàn)镃s2CO3的價(jià)格較貴,因此優(yōu)選的堿是K2CO3.

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

2.1.3 溫度對(duì)芳香族親核取代反應(yīng)的影響

如表3所示,對(duì)于兩個(gè)硝基取代的鄰苯二腈而言,溫度對(duì)反應(yīng)的影響趨勢(shì)相同,都是隨著溫度的升高,產(chǎn)率先升高到最大值,然后降低.這是因?yàn)樯邷囟葧?huì)促進(jìn)酚羥基在堿性條件下生成芳氧基負(fù)離子,有利于親核取代反應(yīng)的發(fā)生,由此提高了反應(yīng)產(chǎn)率;而當(dāng)溫度進(jìn)一步升高時(shí),酚羥基容易被氧化而發(fā)生副反應(yīng),由此導(dǎo)致了產(chǎn)率下降.此外,對(duì)比兩種鄰苯二腈衍生物,升高到較高溫度后,溫度對(duì)4-硝基鄰苯二腈的影響比對(duì)3-硝基鄰苯二腈更為明顯.例如：在85 ℃時(shí),4-硝基鄰苯二腈的產(chǎn)率由最高產(chǎn)率93.7%降低了近20%,降到74.3%;而3-硝基鄰苯二腈的產(chǎn)率由最高產(chǎn)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(nèi)反應(yīng),而4-硝基鄰苯二腈則在55～65 ℃較窄的溫度范圍內(nèi)反應(yīng).由以上分析及表3數(shù)據(jù)可以確定,對(duì)3-硝基鄰苯二腈,優(yōu)選的溫度是65 ℃;對(duì)4-硝基鄰苯二腈,優(yōu)選的溫度是55 ℃.

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

2.1.4 反應(yīng)物物質(zhì)的量的比對(duì)芳香族親核取代反應(yīng)的影響

由于苯酚類衍生物較多,并且具有代表性的對(duì)叔丁基苯酚相對(duì)便宜,因此以與硝基取代的鄰苯二腈等物質(zhì)的量或過(guò)量的對(duì)叔丁基苯酚為優(yōu)化目標(biāo),確定最佳的物質(zhì)的量的比.如表4所示,當(dāng)采用等物質(zhì)的量的比的對(duì)叔丁基苯酚時(shí),產(chǎn)率明顯較低.這是因?yàn)樵谳^高的溫度下,部分酚羥基被氧化而發(fā)生了副反應(yīng).對(duì)4-硝基鄰苯二腈而言,微過(guò)量的對(duì)叔丁基苯酚(二腈與酚物質(zhì)的量的比：1/1.05)即可達(dá)到較高的產(chǎn)率,再增加對(duì)叔丁基苯酚的量,產(chǎn)率基本不變.而對(duì)3-硝基鄰苯二腈而言,則需要稍過(guò)量的對(duì)叔丁基苯酚(二腈與酚物質(zhì)的量的比：1/1.1)才可達(dá)到較高的產(chǎn)率.因此,對(duì)3-硝基鄰苯二腈,優(yōu)選的二腈與酚物質(zhì)的量的比是1/1.1;對(duì)4-硝基鄰苯二腈,優(yōu)選的二腈與酚物質(zhì)的量的比是1/1.05.

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

2.1.5 反應(yīng)時(shí)間對(duì)芳香族親核取代反應(yīng)的影響

在上述優(yōu)化條件的基礎(chǔ)上,考察反應(yīng)時(shí)間對(duì)產(chǎn)率的影響.如表5所示,隨著反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng),產(chǎn)率逐漸升高,在反應(yīng)6 h后,產(chǎn)率達(dá)到最大值,再繼續(xù)延長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間,產(chǎn)率基本不變.由此可以確定,優(yōu)選的反應(yīng)時(shí)間為6 h.

表5 反應(yīng)時(shí)間對(duì)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(duì)叔丁基苯酚進(jìn)行芳香族親核取代反應(yīng)的優(yōu)選條件為：DMF為溶劑,K2CO3作堿,n(3-硝基鄰苯二腈)∶n(對(duì)叔丁基苯酚)∶n(K2CO3)=1∶1.1∶2,65 ℃,反應(yīng)時(shí)間為6 h;4-硝基鄰苯二腈與對(duì)叔丁基苯酚進(jìn)行反應(yīng)的優(yōu)選條件為：DMF為溶劑,K2CO3作堿,n(4-硝基鄰苯二腈)∶n(對(duì)叔丁基苯酚)∶n(K2CO3)=1∶1.05∶2,55 ℃,反應(yīng)時(shí)間為6 h.

2.2 優(yōu)選反應(yīng)條件的應(yīng)用

采用前述優(yōu)化的反應(yīng)條件,研究親核試劑對(duì)丁氧基苯酚和對(duì)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(yīng).如表6所示,所有的親核取代反應(yīng)的產(chǎn)率都超過(guò)88%,證明之前優(yōu)化的反應(yīng)條件切實(shí)可行.此外,對(duì)丁氧基苯酚和對(duì)丁硫基苯酚作為反應(yīng)物的反應(yīng)產(chǎn)率比對(duì)叔丁基苯酚的產(chǎn)率稍低,這說(shuō)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(chǎn)物,由此導(dǎo)致了產(chǎn)率降低.因此,針對(duì)具體的親核試劑,還應(yīng)對(duì)上述的優(yōu)化條件進(jìn)行微調(diào),以達(dá)到最佳的收率.

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

2.3 芳香族親核取代反應(yīng)機(jī)理

芳香族親核取代反應(yīng)機(jī)理如圖2所示.

圖2 芳香族親核取代反應(yīng)機(jī)理Fig.2 Mechanism of nucleophilic aromatic substitution

芳香族親核取代反應(yīng)的機(jī)理是加成-消除機(jī)理.苯酚衍生物的酚羥基在堿性環(huán)境下脫掉質(zhì)子,生成親核試劑芳氧基負(fù)離子,然后進(jìn)攻與硝基相連的碳,生成帶負(fù)電的Meisenheimer型中間體M.這一步是雙分子反應(yīng)過(guò)程,是反應(yīng)速率決定步驟,該步能有效進(jìn)行的關(guān)鍵是要求被取代基團(tuán)的鄰位或?qū)ξ挥泻軓?qiáng)的吸電子基團(tuán),如文中的氰基基團(tuán),以產(chǎn)生活化作用.此外,高度電負(fù)性的硝基穩(wěn)定了加成過(guò)渡態(tài),是非常好的離去基團(tuán),其離去能力超過(guò)鹵素原子和磺酸基團(tuán).最后,中間體M離去硝基,完成親核取代反應(yīng).

3 結(jié) 論

以硝基取代的鄰苯二腈和對(duì)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(yōu)選條件為：3-硝基鄰苯二腈為底物時(shí),DMF為溶劑,K2CO3作堿,n(3-硝基鄰苯二腈)∶n(對(duì)叔丁基苯酚)∶n(K2CO3)=1∶1.1∶2,65 ℃,反應(yīng)時(shí)間為6 h;4-硝基鄰苯二腈為底物時(shí),DMF為溶劑,K2CO3作堿,n(4-硝基鄰苯二腈)∶n(對(duì)叔丁基苯酚)∶n(K2CO3)=1∶1.05∶2,55 ℃,反應(yīng)時(shí)間為6 h.通過(guò)上述優(yōu)選條件高收率地合成了另外4個(gè)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(yīng)的機(jī)理是加成-消除機(jī)理：苯酚衍生物的酚羥基在堿性條件下脫除質(zhì)子生成親核試劑芳氧基負(fù)離子,然后進(jìn)攻與硝基相連的碳,生成帶負(fù)電的中間體,隨后硝基離去,生成產(chǎn)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(yīng)金屬酞菁的合成和應(yīng)用奠定了基礎(chǔ).