杯芳冠醚的合成及其催化合成對氟硝基苯

李成龍，徐珍，呂早生，嚴若康，劉秋鴿，吳洋（武漢科技大學化學工程與技術學院，湖北省煤轉化與新型碳材料重點實驗室，湖北 武漢 430081）

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研究開發

杯芳冠醚的合成及其催化合成對氟硝基苯

李成龍，徐珍，呂早生，嚴若康，劉秋鴿，吳洋
（武漢科技大學化學工程與技術學院，湖北省煤轉化與新型碳材料重點實驗室，湖北 武漢 430081）

摘要：鹵素交換氟化反應是合成含氟芳香化合物的重要方法之一，相轉移催化劑對鹵素交換氟化反應來說幾乎是不可或缺的。本文以對叔丁基杯[4]芳烴和四甘醇二對甲苯磺酸酯為原料，在K2CO3存在下，合成了對叔丁基杯[4]-冠-5，將對叔丁基杯[4]-冠-5作為相轉移催化劑應用于對氯硝基苯的氟化反應中，以檢測其作為相轉移催化劑在氟化反應中的催化活性,同時考察了反應時間、反應溫度、不同相轉移催化劑對鹵素交換氟化反應的影響。結果表明對叔丁基杯[4]-冠-5對氟化反應具有相轉移催化能力，研究發現以杯芳冠醚作相轉移催化劑，使產品收率得到了明顯提高。在對叔丁基杯[4]-冠-5的催化下，反應3h，反應的轉化率和收率分別為96.53%、90.8%。關鍵詞：有機化合物；鹵素交換氟化；催化

鹵素交換氟化是合成含氟化合物最常用的方法，在鹵素交換氟化中往往需要加入相轉移催化劑（PTC），通過PTC與微水相中的離子結合并利用自身對有機溶劑的親和性，將水相中的反應物轉移到有機相中，促使反應能夠進行。常用的相轉移催化劑有季銨鹽、季鹽、冠醚和鏈醚，以及最近報道的離子液體在氟化反應中的應用[1-4]，但是季鹽和冠醚的價格昂貴、毒性大；鏈狀聚醚的催化活性低，且吸水性強；季銨鹽的熱穩定性差，高溫下常容易發生分解。杯芳烴是繼環糊精、冠醚之后出現的第三代超分子化合物，它集冠醚和環糊精兩者之所長，對許多金屬離子或其他正離子有很強的配位能力[5]。將杯芳烴單元與冠醚片段橋聯就得到穩定的杯冠化合物，可以消除小分子冠醚的毒性。有研究報道了杯[4]冠-4、杯[4]冠-5、杯[4]冠-6分別對Na+、K+、 Cs+表現出很強的選擇性[6]。杯芳冠醚通過與鉀離子絡合，在溶劑體系中形成“裸氟離子”，使氟化反應得以進行，從而起到相轉移催化的作用。因此本文合成了對叔丁基杯[4]-冠-5(1)將其應用于鹵素交換氟化反應中合成對氟硝基苯，探討其在鹵素交換氟化反應中的相轉移催化性能，如式(1)、式(2)。

1 實驗部分

1.1 主要儀器及試劑

傅里葉變換紅外光譜 VERTEX 70（德國Bruker公司），600M超導核磁共振波譜儀600MHz DD2（美國Agilent），氣相色譜儀HP6890Plus（美國Agilent），旋轉蒸發儀SENCOR（上海申生科技有限公司）。

所用試劑均為分析純，乙腈、二甲亞砜加入4A分子篩充分干燥，碳酸鉀在馬弗爐中 500℃中干燥2h備用，噴霧干燥KF使用前馬弗爐550℃中干燥10h備用。對叔丁基杯[4]芳烴按文獻[7]的方法合成。

1.2 實驗方法

1.2.1 四甘醇二對甲苯磺酸酯的合成

將19.4g（17.2mL，0.1mol）四甘醇和70mL四氫呋喃（THF）倒入500mL三口燒瓶中，磁力攪拌，0℃以下（冰鹽浴）將12.01g（0.3mol）NaOH溶解在60mL水中，緩慢加入反應器。將42.02g（0.22mol）對甲苯磺酰氯溶解在100mL四氫呋喃（THF）中緩慢地滴加入反應器，2h內滴完，0℃以下攪拌2h。

反應結束后，往燒瓶中加入 2mol/L NaOH 100mL，攪拌10min后加入50mLCH2Cl2，在500mL分液漏斗中萃取，保留有機相，水相用CH2Cl2萃取2次，合并有機相，用2mol/L HCl和蒸餾水將有機相洗至中性，加入MgSO4干燥，過夜。過濾后在旋轉蒸發儀上蒸除CH2Cl2，得淺棕色油狀物質，即產物四甘醇二對甲苯磺酸酯 30.53g，產物收率為60.76%。IR(KBr)：2916cm–1，1598cm–1，1454cm–1， 1355cm–1，1178cm–1，919 cm–1，813 cm–1，769cm–1，663cm–1。1H NMR（600MHz，DMSO）δ：7.76(d，J=8.2Hz，4H，o-ArHSO2)，7.44(d，J=8.0Hz，4H，m-ArHSO2)，4.15(t，J=4.2Hz 4H，CH2OTs)，3.64～3.35(m，12H，—CH2CH2O)，2.39(s，6H，CH3)。

1.2.2 對叔丁基杯[4]-冠-5的合成

在250mL三口燒瓶中分別加入2.19g（3.38mol）對叔丁基杯[4]芳烴，1.92g（3.82mol）四甘醇二對甲基苯磺酸酯，0.53g（3.82mol）K2CO3，150mL的乙腈，在N2保護下回流反應24h。反應結束后過濾，將濾液減壓蒸餾去除乙腈，得淺黃色固體。將固體溶解在50mL CH2Cl2和10mL水中，振蕩，靜置分層。取有機相分別用50mL10% HCl和50mL水洗滌2次，洗滌完后在有機相中加入MgSO4干燥，過夜。過濾后在旋轉蒸發儀上蒸除CH2Cl2，得到淺黃色固體，即對叔丁基杯[4]-冠-5粗產品。粗產物用柱色譜提純（洗脫劑為正己烷∶乙酸乙酯=3∶1），得到產物對叔丁基杯[4]-冠-5。IR(KBr)：3436 cm–1，2958cm–1，2866 cm–1，1598cm–1，1485cm–1，1455cm–1，1395cm–1，1300cm–1，1200cm–1，1120cm–1。1H NMR（600MHz，CDCl3）δ：7.07（s，4H，ArH），6.75（s，4H，ArH），4.37（d，J=13.0Hz，4H，ArCH2Ar），4.14-3.77（m，16H，OCH2CH2O），3.29（d，J=13.0Hz，4H，ArCH2Ar），1.31（s，18H，C(CH2)3），0.91[s，18H，C(CH2)3]。

1.2.3 對氟硝基苯合成

在 100mL三口燒瓶中加入處理后的 SD-KF 1.2g(20mmol)、對叔丁基杯[4]冠-5 0.1g、20mL的DMSO和適量甲苯，攪拌升溫進行共沸去H2O，去H2O完畢后，蒸出甲苯。然后加入對氯硝基苯1.6g (10mmol)，在N2保護下于一定溫度下反應，GC跟蹤。反應完畢，冷卻后濾出無機鹽，用適量DMSO洗滌濾餅，取樣GC分析。

2 結果與討論

2.1 對叔丁基杯［4］-冠-5的催化性能

為了探討合成的對叔丁基杯[4]-冠-5在鹵素交換氟化反應中的催化活性，在合成對氟硝基苯的氟化體系中研究了不加催化劑和加入對叔丁基杯[4]-冠-5催化的氟化反應，結果見表1。

從表1可以看出，在相同的氟化體系中，對叔丁基杯[4]-冠-5催化與沒有添加催化劑相比，提高了反應速度，縮短了反應時間，同時使氟化產物的收率增加。在對叔丁基杯[4]-冠-5催化下，在190℃反應 3h時體系中的對氯硝基苯的轉化率達到96.53%，產物收率可達90.8%，而沒有催化劑的氟化反應4h產物收率為77.44%。由此可見，對叔丁基杯[4]-冠-5在鹵素交換氟化中具有良好的相轉移催化活性，可以作為相轉移催化劑用于鹵素交換氟化反應。

2.2 反應時間對氟化反應的影響

從表 1中可知，對叔丁基杯[4]-冠-5的加入提高了反應速率，因此探討了反應時間對氟化反應的轉化率和產率的影響，反應體系中投料比 n(KF)∶n(PCAD)=2，溶劑為20mLDMSO，反應溫度190℃，催化劑由于分子量較大均添加0.1g，反應過程中取樣由氣相色譜檢測，并與不加催化劑做比較，結果見圖2和圖3。

從圖2中可知，沒有催化劑存在下，氯化物在6h時接近反應完全，氟化產物收率達到最高，繼續延長反應時間，產物收率有所下降；在體系中添加了對叔丁基杯[4]-冠-5，3h時轉化率到達96.53%，產物收率為90.8%，4h時反應物反應完全，產物收率反而有所下降，為 90.3%，可知在添加催化劑時最佳反應時間為3h，沒有添加催化劑的最佳反應時間為6h，這主要是反應時間延長，原料繼續反應使轉化率增加，但隨著反應時間的延長，增加了副產物的生成機會，反而使得反應收率下降。從圖2和圖3的對比試驗可知，在對叔丁基杯[4]-冠-5催化下的氟化反應反應速率大大提高，反應時間縮短一半，并且提高了氟化反應的收率。

2.3 反應溫度對氟化反應的影響

鹵素交換氟化通常需要較長的反應時間和較高的反應溫度，在這樣的體系中反應的選擇性較低，副反應較多。因此如果能降低反應溫度或縮短反應時間，將減少副產物的生成。在相同的氟化體系中，研究了對叔丁基杯[4]-冠-5催化下不同溫度對氟化產物收率的影響，結果見表2。

較高的溫度有利于氟化反應的進行，溫度降低可能導致反應難以進行。表2中顯示在對叔丁基杯[4]-冠-5的催化下，溫度降低反應仍具有一定的反應速度，150℃反應6h，產物產率仍有51.84%。在沒有催化劑的作用下，170℃反應6h產物產率只有36.4%。在低溫下反應速度較慢，延長反應時間導致副產物增多，190℃反應4h與3h相比，由于反應時間延長導致選擇性下降。從表2中可知，在較低的溫度下，對叔丁基杯[4]-冠-5仍有較好的催化活性。

2.4 不同催化劑催化合成對氯硝基苯

表1 對叔丁基杯［4］-冠-5的催化性能

圖2 不同反應時間轉化率的變化

圖3 不同反應時間產率的變化

表2 溫度對產物收率的影響

表3 不同催化劑對產物收率的影響

2.5 對叔丁基杯［4］-冠-5催化氟化反應機理的探討鹵素交換氟化反應是一個非均相體系，體系中存在有機相、微水相、固相，由于KF難溶于有機相，導致氟化反應難以進行，因此需要在相轉移催化下進行反應。對叔丁基杯[4]-冠-5在合成對氟硝基苯時起到相轉移催化的作用，如圖 4，對叔丁基杯[4]-冠-5將 K+絡合使 F–裸露形成“裸氟離子”，對叔丁基杯[4]-冠-5將K+和F-從微水相萃取到有機相，增加了有機相中的氟離子濃度，從而使氟化反應迅速進行。

圖4 對叔丁基杯[4]-冠-5與K+的配位作用

3 結 論

鹵素交換氟化是合成含氟化合物最常用的方法，本文合成了對叔丁基杯[4]-冠-5，并將對叔丁基杯[4]-冠-5用于催化合成對氟硝基苯，在氟化反應中對叔丁基杯[4]-冠-5具有良好的催化活性，與常用的相轉移催化劑相比，在對叔丁基杯[4]-冠-5催化下，反應速率大大提高。杯芳冠醚的熱穩定性和化學穩定性好，催化活性高，因此可以作為鹵素交換氟化反應的相轉移催化劑。

參考文獻

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[7] GUSTCHE C D，IQBAL M.p-tert-Butylcalix[4]arene[J].Organic Syntheses，1990，68：234-237.

第一作者：李成龍（1991—），男，本科。聯系人：徐珍，講師，研究方向為精細有機化學的合成研究。E-mail：xuzhen@wust.edu.cn。

中圖分類號：TQ 246.1

文獻標志碼：A

文章編號：1000-6613（2016）07-2109-05

DOI：10.16085/j.issn.1000-6613.2016.07.024

收稿日期：2015-10-12；修改稿日期：2015-12-01。

基金項目：2014年湖北省大學生創新創業訓練計劃項目（201410488033）。

Synthesis of calixcrown ethers and its catalytic activity in synthesis of 4-fluoronitrobenzene

LI Chenglong，XU Zhen，Lü Zaosheng，YAN Ruokang，LIU Qiuge，WU Yang
（Chemical Engineering Academy of Wuhan University of Science and Technology，Hubei Coal Conversion and New Carbon Materials Key Laboratory，Wuhan 430081，Hubei，China）

Abstract：Halogen-exchange fluorination is the main method to synthesize fluorinated aromatics.Phase transfer catalysts(PTCs) are essential for the halogen-exchange fluorination.The p-tert-butylcalix[4]-arene- crown-5 was synthesized from p-tert-butylcalix[4]arene and tetraethylene glycol ditosylate in the presence of K2CO3，and it was used as the phase transfer catalyst in the fluoridation of chlorine nitrobenzene to investigate its performance in the fluorination.The influences of fluorination reaction conditions，such as the reaction time，temperature and different catalysts were investigated.The catalytic activities of p-tert-butylcalix[4]arene- crown-5 were verified.It was found that the yields of the reaction with p-tert-butylcalix[4]arene-crown-5 as PTC were improved.Catalyzed by p-tert-butylcalix[4]arene-crown-5 for 3 h，the reaction had a conversion of 96.53% and the yield of 4-fluoronitrobenzene was 90.8%.

Key words：organic compounds；halogen exchange fluorination；catalysis