吳 青,張永江,田欣哲,鄭先福

(1.洛陽市質(zhì)量計量檢測中心,河南 洛陽 471000;2.河南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司洛陽卷煙廠,河南 洛陽 471003;3.河南農(nóng)業(yè)大學(xué)理學(xué)院,河南 鄭州 450002)

0 引言

芳腈是一類重要的有機化合物，它們不僅是一些醫(yī)藥、農(nóng)藥和材料的結(jié)構(gòu)單元[1],而且能夠用于合成胺、酰胺、羧酸及N-雜環(huán)化合物[2-3].因此，化學(xué)界對芳腈的合成高度關(guān)注，并以芳基鹵[4-5]、芳基胺[6]、芳基酰胺[7-8]、芳基肟[9]、芳基酮[10]、芳基硼酸[11]、芳基磺酰氯[12]、芳基乙酸[13]、芳基醛[14]、芐醇[15]等為反應(yīng)底物，發(fā)展了眾多合成芳腈的方法.在這些合成方法中，氰離子經(jīng)歷三鍵斷裂提供氮源是一個頗具挑戰(zhàn)性的課題.2016年,Wu Qian等[16]基于銅促進氰離子中三鍵的完全斷裂,以芳基醛和K3[Fe(CN)6]為反應(yīng)物，實現(xiàn)了芳腈的合成,其反應(yīng)機理為

Gu Lijin等[17]報道了芳基乙酮與CuCN的反應(yīng),其反應(yīng)機理為

Xing Aiping等[18]以K3[Fe(CN)6]為氮源,將該方法拓展到芳基乙酸向芳腈的轉(zhuǎn)化反應(yīng)中.

與芳基醛、芳基乙酮、芳基乙酸相比，芐醇的反應(yīng)具有更大挑戰(zhàn)性，而且該原料往往較為便宜易得；但至今鮮見以芐醇和K4[Fe(CN)6]為原料進行芳腈合成的報道.因此,本文試圖將該方法拓展到芐醇向芳腈的轉(zhuǎn)化中,反應(yīng)機理為

實驗發(fā)現(xiàn)在氧化亞銅催化和氧氣存在的條件下,K4[Fe(CN)6]中的碳-氮三鍵能夠發(fā)生完全斷裂，使芐醇發(fā)生需氧氧化并轉(zhuǎn)化為芳腈，這為一系列芳腈的合成提供一種經(jīng)濟有效的新方法.與相關(guān)方法相比，本文方法把反應(yīng)物擴展到價格較便宜的芐醇,并且使用的催化劑Cu2O為多相催化劑,循環(huán)使用性能良好.

1 實驗部分

1.1 主要儀器與試劑

儀器:上海儀電物理光學(xué)儀器有限公司W(wǎng)RR-Y 型顯微熔點儀;Bruker 400 MHz型核磁共振儀(CDCl3為溶劑,TMS為內(nèi)標(biāo))；日本島津QP2020NX氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀;Varian CP-3800型氣相色譜儀(CP-WAX 57CB毛細(xì)管柱).

試劑:K4[Fe(CN)6]·3H2O、二甲基亞砜(DMSO)及所有芐醇類試劑均購自上海阿拉丁生化科技股份有限公司;氧化亞銅、溴化亞銅、均四甲基苯,購自百靈威科技有限公司.所有試劑均為分析純.

1.2 芳腈的合成

在40 mL高壓反應(yīng)釜中加入0.5 mmol芳基甲醇、0.75 mmol K4[Fe(CN)6]·3H2O、0.5 mmol Cu2O和2 mL DMSO,并向反應(yīng)釜中充氧氣,使瓶內(nèi)氣壓達(dá)到1.5 MPa.然后在140 ℃下磁力攪拌反應(yīng)40 h.在反應(yīng)結(jié)束后冷卻至室溫,加入均四甲基苯內(nèi)標(biāo)物，進行氣相色譜分析，確定產(chǎn)物的氣相內(nèi)標(biāo)的產(chǎn)率.另一個平行實驗經(jīng)硅膠柱層析純化得芳腈(洗脫劑:V(石油醚)/V(乙酸乙酯)=(10～20) /1),產(chǎn)物結(jié)構(gòu)通過1H NMR和13C NMR表征.

2 結(jié)果與討論

2.1 溶劑和催化劑對反應(yīng)的影響

在1.5 MPa氧氣和CuCl為催化劑的條件下，考察了一系列溶劑的效果(見表1).從表1可以看出:溶劑的類型對反應(yīng)有著重要的影響.當(dāng)以環(huán)己烷為溶劑時，僅有少量的苯甲醛生成，幾乎沒有得到目標(biāo)產(chǎn)物苯腈(序號1).當(dāng)以甲苯和環(huán)氧乙烷為溶劑時，得到的主產(chǎn)物是苯甲醇，苯腈的產(chǎn)率分別僅有9%和16%(序號2和序號3).當(dāng)以四氫呋喃為溶劑時，主產(chǎn)物是苯甲酸.當(dāng)以乙腈和DMF為溶劑時苯腈的產(chǎn)率分別為27%和31%(序號4和序號5).在篩選的溶劑中以DMSO的效果最好(序號7)，苯腈的產(chǎn)率為49%，副產(chǎn)物主要是苯甲酰胺.接著考察了不同的銅鹽對反應(yīng)的影響(見表1).當(dāng)以CuBr為催化劑時,苯腈的產(chǎn)率為41%(序號8);CuBr2、CuCl2·2H2O、Cu(NO3)2·3H2O、Cu(acac)2等2價銅鹽也能催化該反應(yīng)的進行(序號9～13).按照常理，與均相催化劑相比，多相催化劑的分散度低，催化效率往往低于均相催化劑的.然而，在該反應(yīng)中難以溶解的CuO和Cu2O卻比銅鹽效果更好.其中Cu2O是最佳催化劑，當(dāng)以Cu2O作催化劑時苯腈的產(chǎn)率最高(73%,序號15).

表1 溶劑和催化劑對反應(yīng)的影響

2.2 反應(yīng)溫度和氧氣壓強條件的優(yōu)化

以Cu2O為催化劑，考察了不同溫度對反應(yīng)的影響,結(jié)果如表2所示.140 ℃是最佳反應(yīng)溫度(序號5),該溫度低于相關(guān)文獻使用的溫度[16],如以芳基醛和鐵氰化鉀為原料合成芳腈的反應(yīng)需要150 ℃的反應(yīng)溫度.當(dāng)反應(yīng)溫度降低到120 ℃時，苯腈的產(chǎn)率僅為32%(序號4)；當(dāng)繼續(xù)降低反應(yīng)溫度到100 ℃時，反應(yīng)幾乎不發(fā)生(序號3);當(dāng)提高溫度到160 ℃時，苯甲醇能夠轉(zhuǎn)化完全，但目標(biāo)產(chǎn)物的產(chǎn)率卻降到65%(序號 6).這主要歸因于過高的反應(yīng)溫度會導(dǎo)致較多苯甲酰胺副產(chǎn)物的生成.接著考察了氧氣壓強對反應(yīng)的影響.從表2可以看出:1.5 MPa壓強的

表2 溫度和氧氣壓強的優(yōu)化

氧氣能夠滿足反應(yīng)的需要，苯腈的產(chǎn)率為73%(序號 5).若氧氣壓強低于1.5 Mpa則會導(dǎo)致苯腈產(chǎn)率降低(序號7和序號8);若把氧氣壓強從1.5 Mpa提高到2.0 MPa、3.0 MPa和4.0 MPa時，目標(biāo)產(chǎn)物的產(chǎn)率幾乎保持不變(序號9～11).

2.3 不同結(jié)構(gòu)芐醇的反應(yīng)

在最佳反應(yīng)條件下，考察了一系列芐醇的反應(yīng)，所獲產(chǎn)物芳腈的分離產(chǎn)率如表3所示.當(dāng)以苯甲醇為底物時，苯腈的分離產(chǎn)率為69%(序號1)，該產(chǎn)率明顯低于在相同反應(yīng)條件下的氣相產(chǎn)率.這主要歸因于苯腈沸點較低，在分離過程中容易揮發(fā)損失.總之，反應(yīng)能夠容忍溴基、硝基、烷基、烷氧基、酯基等基團的存在(序號2～10)，反應(yīng)的副產(chǎn)物主要是芳基酰胺.芳環(huán)的電子效應(yīng)似乎對反應(yīng)影響不大，在羥甲基的對位帶有吸電子或給電子基團2種情況下，得到類似產(chǎn)率(序號2～8).在鄰甲基苯甲醇的反應(yīng)中，腈類產(chǎn)物的產(chǎn)率為41%(序號6);而反應(yīng)點位阻較大的對甲基苯甲醇給出較高的產(chǎn)率(76%,序號5).這說明該反應(yīng)對位阻效應(yīng)具有一定的敏感度.2-萘甲醇和9-蒽甲醇也能有效地發(fā)生氰化，目標(biāo)產(chǎn)物的產(chǎn)率分別為87%和77%(序號11和序號12).考察了雜環(huán)類芳基甲醇的反應(yīng)，其中1-呋喃甲醇和1-噻吩甲醇是有效的底物，芳腈產(chǎn)物的產(chǎn)率分別為63%和55%(序號13和序號15).

接下來給出表3各產(chǎn)物的具體圖譜數(shù)據(jù).

表3 一系列芐醇的反應(yīng)

苯腈(序號1):1H NMR(400 MHz,CDCl3):δ=7.71～7.56(m,3H),7.48(t,J=6.6 Hz,2H);13C NMR(101 MHz,CDCl3):δ=132.8,132.1,129.2,118.9,112.4.

4-溴苯腈(序號2):1H NMR(400 MHz,CDCl3):δ=7.65(d,J=8.7 Hz,2H),7.54(d,J=8.6 Hz,2H);13C NMR(101 MHz,CDCl3):δ=133.6,132.8,128.2,118.2,111.4.

4-硝基苯腈(序號3):1H NMR(400 MHz,CDCl3):δ=8.36～8.43(m,2H),8.06～7.76(m,2H);13C NMR(101 MHz,CDCl3):δ=133.5,124.3,118.4,116.8.

4-氰基苯甲酸甲酯(序號4):1H NMR(400 MHz,CDCl3):δ=8.16(d,J=8.5 Hz,2H),7.76(d,J=8.5 Hz,2H),3.98(s,3H);13C NMR(101 MHz,CDCl3):δ=165.4,133.9,132.2,130.1,118.0,116.4,52.7.

4-甲基苯腈(序號5):1H NMR(400 MHz,CDCl3):δ=7.56(d,J=8.1 Hz,2H),7.29(d,J=7.9 Hz,2H),2.44(s,3H);13C NMR(101 MHz,CDCl3):δ=143.7,132.1,129.0,119.2,109.3,21.9.

2-甲基苯腈(序號6和序號7):1H NMR(400 MHz,CDCl3):δ=7.71～7.53(m,1H),7.52～7.37(m,1H),7.36～7.14(m,2H);13C NMR(101 MHz,CDCl3):δ=141.9,132.7,132.5,130.2,126.2,118.1,112.8,20.5.

4-甲氧基苯腈(序號8):1H NMR(400 MHz,CDCl3):δ=7.61(d,J=7.2 Hz,2H),6.97(d,J=7.3 Hz,2H),3.88(d,J=1.3 Hz,3H);13C NMR(101 MHz,CDCl3):δ=162.9,134.0,119.2,114.8,104.0,55.6.

3,4,5-三甲氧基苯腈(序號9):1H NMR(400 MHz,CDCl3):δ=6.88(d,J=1.8 Hz,2H),3.91(m,3.92～3.89,9H);13C NMR(101 MHz,CDCl3):δ=153.6,142.4,119.0,109.5,106.7,61.1,56.4.

3,4-亞甲二氧基苯腈(序號10):1H NMR(400 MHz,CDCl3):δ=7.23(dd,J1=8.1 Hz,J2=1.0 Hz,1H),7.06(s,1H),6.89(d,J=8.1 Hz,1H);13C NMR(101 MHz,CDCl3):δ=151.6,148.1,128.2,118.9,111.4,109.2,105.0,102.2.

2-萘腈(序號11):1H NMR(400 MHz,CDCl3):δ=8.25(d,J=8.2 Hz,1H),8.09(d,J=8.2 Hz,1H),7.93(t,J=7.1 Hz,2H),7.71(dd,J=7.9,7.1 Hz,1H),7.64(t,J=7.5 Hz,1H),7.53(t,J=7.7 Hz,1H);13C NMR(101 MHz,CDCl3):δ=133.3,132.9,132.7,132.4,128.7,128.6,127.6,125.2,125.0,117.9,110.2.

9-氰基蒽(序號12):1H NMR(400 MHz,CDCl3):δ=8.67(s,1H),8.42(d,J=8.7 Hz,2H),8.08(d,J=8.5 Hz,2H),7.73(t,J=7.5 Hz,2H),7.60(t,J=7.2 Hz,2H);13C NMR(101 MHz,CDCl3):δ=133.2,132.7,130.6,128.9,126.3,125.2,117.2,105.4.

2-氰基呋喃(序號13):1H NMR(400 MHz,CDCl3):δ=7.59(s,1H),7.10(d,J=3.6 Hz,1H),6.54(t,J=1.8 Hz,1H);13C NMR(101 MHz,CDCl3):δ=147.5,126.1,122.1,111.6.

2-氰基噻吩(序號14和序號15):1H NMR(400 MHz,CDCl3):δ=7.66～7.51(m,2H),7.08(dd,J1=5.0 Hz,J2=3.8 Hz,1H);13C NMR(101 MHz,CDCl3):δ=137.57,132.92,127.81,114.32,109.63.

2.4 反應(yīng)機理的研究

在表1的反應(yīng)中能夠檢測到苯甲醛的生成，而且在圖1(a)中實驗結(jié)果表明苯甲醛能有效地轉(zhuǎn)化為苯腈.這說明該反應(yīng)經(jīng)歷苯甲醛中間體，即苯甲醇首先發(fā)生氧化脫氫生成苯甲醛,然后再轉(zhuǎn)化為苯腈.為了探明在苯甲醇脫氫步驟中真正的催化劑，考察了在無K4[Fe(CN)6]或無Cu2O條件下的反應(yīng).如圖1(b)和圖1(c)所示，在該2種條件下，苯甲醛的產(chǎn)率都較低(分別為9%和11%).這說明在苯甲醇氧化脫氫步驟中鐵鹽和銅鹽都起重要的催化作用.

圖1 在機理研究中的控制實驗

結(jié)合相關(guān)文獻[16-17]報道，本文以苯甲醇的反應(yīng)為代表，提出了苯甲醛為反應(yīng)中間體的機理路徑.在鐵和銅的共同作用下，苯甲醇首先發(fā)生需氧氧化脫氫生成苯甲醛,苯甲醛在銅的催化作用下被氧氣氧化成苯甲酰自由基,該自由基在銅作用下與氰離子和氧氣反應(yīng)生成苯腈[16].反應(yīng)機理為

3 結(jié)論

在氧化亞銅催化和氧氣存在的條件下，K4[Fe(CN)6]的碳-氮三鍵能夠發(fā)生完全斷裂，使芐醇發(fā)生需氧氧化并轉(zhuǎn)化為芳腈，這為一系列苯腈、萘腈和呋喃甲腈的合成提供了新方法.本文研究了溶劑、催化劑、溫度等條件對反應(yīng)的影響，得出的最佳反應(yīng)條件為0.50 mmol芳基甲醇、0.75 mmol K4[Fe(CN)6]·3H2O、0.50 mmol Cu2O、2 mL DMSO、1.5 MPa O2和140 ℃.在該反應(yīng)條件下，芳腈的產(chǎn)率為62%～87%.該反應(yīng)能夠容忍氯基、溴基、氰基、烷基、烷氧基等基團的存在，反應(yīng)的副產(chǎn)物主要是芳基酰胺,并提出了該反應(yīng)的機理:芳基甲醇首先發(fā)生需氧氧化脫氫生成芳基甲醛,然后再轉(zhuǎn)化為芳腈.