5-氯-1-(4-氟苯基)-1H-吲哚的合成反應動力學研究

王 宇，白洪濤，方 佳

(天津辰力工程設(shè)計有限公司，天津 300400)

5-氯-1-(4-氟苯基)-1H-吲哚的合成反應動力學研究

王 宇，白洪濤，方 佳

(天津辰力工程設(shè)計有限公司，天津 300400)

對氟溴苯 ；5-氯吲哚 ；5-氯-1-(4-氟苯基)-1H-吲哚 動力學

5-氯-1-(4-氟苯基)-1H-吲哚是制備抗精神病藥物舍吲哚[1-2]的關(guān)鍵中間體，近年來，該產(chǎn)品的市場需求量日益增加，已經(jīng)引起了國內(nèi)外的重視。5-氯-1-(4-氟苯基)-1H-吲哚生產(chǎn)成本較高，反應條件苛刻[3]，嚴格制約著該產(chǎn)品的工業(yè)化生產(chǎn)。為此，我們開展5-氯-1-(4-氟苯基)-1H-吲哚的合成動力學研究，為合成5-氯-1-(4-氟苯基)-1H-吲哚工藝路線和條件提供依據(jù)。反應方程式如下：

5-氯吲哚和對氟溴苯的反應屬于液-固表面反應，產(chǎn)物5-氯-1-(4-氟苯基)-1H-吲哚的生成速率涉及到擴散、吸附、表面反應、脫附等諸多步驟，是一種多相反應。但由于在反應過程中碳酸鉀作為縛酸劑不斷的吸收反應生成的酸，并且逆反應速率遠小于正反應速率，所以該合成反應可以視為不可逆反應。為了方便起見，我們以A代表對氟溴苯，B代表5-氯吲哚，C代表產(chǎn)物5-氯-1-(4-氟苯基)-吲哚。將上式簡單表示如下：

(1)

若生成5-氯-1-(4-氟苯基)-吲哚的動力學方程式如下：

(2)

如果在反應中保持或看做CB不發(fā)生變化(在反應中，我們控制B物質(zhì)大大過量，A緩慢滴加，相對B來說，滴加的A物質(zhì)量很少，我們可以看做CB不發(fā)生變化)，則上式可以簡化為：

(3)

我們假設(shè)反應為一級不可逆反應，即 =1。則上式可以積分如下：

(4)

亦可表示為：

(5)

針對這種假設(shè)，實驗需要測定不同溫度下對氟溴苯的濃度變化(LnCA)與時間(t)之間的關(guān)系。

1 實驗部分

1.1 主要儀器與試劑

為了對水壓進行有效的監(jiān)督，對子系統(tǒng)進行保壓，保證試水的工作能夠順利的進行，建筑中和室內(nèi)的管道相貼合的地方定是要進行壓力表的安裝。與此同時，在進行消防栓安裝時務必要考慮的是消防栓與外墻之間的距離，一定要確保二者之間的距離是在5～40m間，同時和路旁的距離要設(shè)置在2m之內(nèi)[4]。除此之外，以雙速風機在控制上的理念作為依據(jù)，在控制箱的上方進行手動和自動按鍵開關(guān)的設(shè)置，低速和停高以及地啟排風擋的設(shè)計也需要是健全的，從而使在低俗運轉(zhuǎn)時火災的信號可以及時、準確捕捉到，促進排煙擋高速的運轉(zhuǎn)，為了使消防的安裝變得更加有效，進行施工的時候?qū)χ绷鏖_關(guān)的實驗是必不可少的。

GC9800型氣相色譜儀(上海科創(chuàng)色譜儀器有限公司)；氫氣發(fā)生器(輸出 20 mL/min，北京怡豐瑞普科技有限公司)；氮氣發(fā)生器(輸出70 mL/min，北京怡豐瑞普科技有限公司)；CL - 200型集熱式恒溫加熱磁力攪拌器(鞏義市英予華儀器廠)；SHB-Ⅲ循環(huán)水式多用真空泵(鄭州長城科工貿(mào)有限公司)；R - 2010旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器(鄭州長城科工貿(mào)有限公司)。

5-氯吲哚(化學純，上海睿騰化工有限公司)；對氟溴苯(化學純，武漢嘉凱隆科技發(fā)展有限公司)；其他試劑均為市售分析純。

1.2 實驗步驟

在250 mL四口燒瓶中加入10 g 5-氯吲哚，0.95 g催化劑CuI，100 mL溶劑DMF，12 g碳酸鉀，在達到指定溫度時用滴液漏斗緩慢滴加對氟溴苯，控制溫度范圍在指定溫度±0.5 ℃，滴加完畢后，每隔60 min取樣分析，每次用移液管移取反應液1 mL，所取樣品通過水洗除去溶劑和固體雜質(zhì)，用氣相色譜分析測定對氟溴苯的濃度變化。

1.3 分析方法

用氣相色譜儀分析不同條件下的樣品，采用面積歸一法求出各個樣品中對氟溴苯的濃度，根據(jù)對氟溴苯濃度的變化，確定出對氟溴苯濃度與時間的關(guān)系。

2 結(jié)果與討論

2.1 內(nèi)外擴散的影響和體積變化影響的排除

測定反應的動力學必須要排除內(nèi)外擴散的影響[4]。當催化劑的用量在對氟溴苯摩爾數(shù)的5%左右范圍內(nèi)，對氟溴苯的轉(zhuǎn)化率是不隨催化劑的含量增加而增大。而且實驗中使用的催化劑量相對整個反應體系很小，在該條件下，反應中內(nèi)擴散的影響可以基本忽略。在實驗中攪拌速率大于200 r/min，外擴散的影響可以排除。同時，本反應的反應過程中體積變化不大，而且每次移取反應液1 mL，所以可以忽略反應液體積變化對反應體系的影響。

2.2 反應時間與對氟溴苯濃度的關(guān)系

在5-氯-1-(4-氟苯基)-1H-吲哚的合成反應過程中，我們采取在相同的實驗條件下，通過改變反應溫度來考察反應時間對5-氯-1-(4-氟苯基)-1H-吲哚的合成反應的影響。分別考察反應溫度為363.15 K、373.15 K、383.15 K、393.15 K、403.15 K時的實驗數(shù)據(jù)，采用最小二乘法將實驗測定的對氟溴苯的濃度與反應時間的數(shù)據(jù)進行數(shù)學模擬，進而確定此反應的反應級數(shù)。對氟溴苯濃度隨反應時間的變化數(shù)據(jù)如表1和圖1所示，進而計算出不同濃度時-LnCA的值，可以得出反應時間t與(-LnCA)線性關(guān)系圖，如圖2所示。

表1 不同溫度和反應時間下的對氟溴苯濃度 mol·L-1

圖1 對氟溴苯濃度與反應時間的關(guān)系

圖2 t與(-LnCA)的線性關(guān)系

由圖2可以看出，(-LnCA)與t之間呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系，可以認為，5-氯-1-(4-氟苯基)-吲哚的合成反應動力學的表觀反應級數(shù)為1級[5]，其中線性擬合方程如表2所示。

表2 擬合方程

2.3 反應表觀活化能的確定

為了考察反應溫度對反應動力學方程的影響，我們根據(jù)不同反應時間對應的對氟溴苯的實測濃度，以及由t與(-LnCA)回歸出來的動力學參數(shù)方程，可以得出不同溫度下反應的表觀反應速率常數(shù)k值(表3)。并以表中實驗數(shù)據(jù)作Lnk-1/T圖(圖3)，由圖3可以看出，Lnk-1/T呈現(xiàn)較好的線性關(guān)系。

圖3 速度常數(shù)與溫度的關(guān)系

T,K1/Tk,min-1Lnk403.150.0024800.718-0.331393.150.0025440.421-0.865383.150.0026100.230-1.469373.150.0026800.131-2.133363.150.0027540.029-3.540

用實驗數(shù)據(jù)擬合阿倫尼烏斯方程，得出Lnk與1/T的線性關(guān)系式為：

相關(guān)系數(shù)為0.97，由此可以計算出阿倫尼烏斯方程中的表觀活化能和指前因子分別為：Ea=10952×8.3145=91.06 kJ/mol；K0= e26.964=5.13×1011min-1。

2.4 動力學方程驗證

為了驗證該反應動力學方程的可信度，現(xiàn)用積分式計算出溫度為398.15 K，不同反應時間下所對應的對氟溴苯的濃度CA,cal，并將其與實測濃度CA,exp進行校驗，其結(jié)果見表4，由表4數(shù)據(jù)可知，實驗值與計算值的誤差較小，二者符合較好，可見理論值是比較準確的。

表4 溫度為398.15 K時對氟溴苯實驗值與計算值的比較

3 結(jié)論

(1)5-氯吲哚和對氟溴苯在催化劑作用下的Ullmann型交叉偶聯(lián)反應屬于一級反應，其反應速度與溫度和對氟溴苯的濃度有關(guān)，其化學反應動力學表征方程可以表示為：

(2)在溫度363.15～403.15 K范圍內(nèi)，反應的表觀活化能Ea=91.06 kJ/mol，是介于一般化學反應活化能40～200 kJ/mol之間，屬于化學反應控制過程。

[1]李建其, 葉雪雁, 黃麗瑛, 等. 一種制備舍吲哚的方法: 中國, 101362748A[P]. 2009-02-11.

[2] Katja K, Christine R K.Sertindole versus other atypical antipsychotics for schizophrenia[J].Wiley Interscience, 2009, 45: 257-268.

[3] J.扎農(nóng), M.維拉, F.恰爾德拉. 舍吲哚的制備方法：CN,1642942A[P].2005-07-20.

[4] Marafi A, Kam E, Stanislaus A. A kinetic study on non-catalytic reactions in hydro processing Boscan crude oil[J].Fuel, 2008, 87(11): 2131-2140.

[5] 王正烈, 周亞平, 李松林, 等. 物理化學[M]. 北京: 高等教育出版社, 2005:195-288.

(本文文獻格式：王 宇，白洪濤，方 佳，等.5-氯-1-(4-氟苯基)-1H-吲哚的合成反應動力學研究[J].山東化工，2017，46(04)：16-18.)

Kinetic Study on Synthesis of 5 -chloro-1-(4-fluorine phenyl)-1H-indole

WangYu，BaiHongtao，F(xiàn)angJian

(Tianjin Chen Li Engineering Design Co., Ltd., Tianjin 300400, China)

fluorobromobenzene; 5-chloro-indole; 5-chloro-1-(4-fluorine phenyl)-indole; kinetics

2017-01-11

王宇(1987—)，工程師，通訊聯(lián)系人。

O643.38

A

1008-021X(2017)04-0016-03