氘代苯的合成方法綜述

楊燕 蔡亮 徐鳳杰 何敏(西安瑞聯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記芳香族化合物的示蹤劑，以其獨特的同位素效應，溶解度、超強的穩定性、較高的氘代率、且不具備放射性等優點，廣泛的應用于氘代化合物的合成和質譜檢測技術。本文綜述了氘代苯的應用及其合成方法最新進展。

部分氘取代或全部氘化的有機化合物由于其在質譜(MS)、核磁共振(H-NMR)和電子自旋共振譜(ESR)中顯示出獨特的信號，而廣泛應用于生命科學、環境科學、農藥殘余檢測和污染物跟蹤、物質科學等各領域作為標記化合物被廣泛利用，被用于解析反應機理和物質代謝途徑。作為制造氘代化合物的方法，優選通過路易斯酸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。工業上氘代苯的合成主要可分為3 類：氫氘交換法、對導入鹵素進行重氫化、聚合合成法

1 氘代苯應用

1.1 氫-氘的動力學同位素效應

氘是氫的一種同位素，豐度為0.015%，其雙倍的原子質量被稱為重氫。氫和氘具有非常相似的化學效應；但是由于同位素之間的質量差別而存在重要的物理效應不同。氘比氫具有較低的零點能量和振動頻率，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 延展和彎曲運動較C-H 幅度小。當苯上的氫被氘取代轉化為全氘苯，用于同位素效應其性能發生變化，如溶解性、穩定性等。本文重點介紹其在新材料和化學檢驗技術領域方面的應用。

1.2 氘代苯在新材料方面應用

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

1.2.1 作為反應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發光二極管材料和中間體在OLED 發光材料被廣泛應用，對其進行氘代是目前研究熱點。2010年符新亮等報道了[2]，由氘代苯和鄰苯二甲酸酐作為原材料，經過縮合、關環、還原和溴化等反應，經過提純而得到1,2,3,4-四氘代-9-溴蒽(圖1)，用的原材料價格低廉，溶劑用量少且易回收，因此能夠在保證產品純度和產率的前提下大幅降低生產成本，從而適于工業化生產。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年杜邦公司報道[3]使用氘代苯為氘源進行氘代芳香烴化合的制備，具體方法：在氮氣氛下，將無水三氯化鋁(0.48g，3.6mmol)加入到得自比較實施例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層，并通過旋轉蒸發除去揮發性物質。經由柱層析純化粗產物。反應方程式如圖2 所示。

1.3 化學檢驗技術領域方面的應用

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

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12 小時，分離得到氘代苯，重復操作4 次后，蒸餾得到目標產物氘代苯，氘代率為95.24%。此方法產物化學純度高，但需經過多次交換，重水消耗量大，同位素利用率低，氘代率不夠理想，后處理缺乏經濟性；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，改善反應條件，利于工業化生產。

2009年Periana Poy A[6]報道了采用質子和熱穩定性高的過渡金屬NNC 絡合物在酸性或中性介質中提高H/D 轉化率，同時重水交換次數較少，提高重水利用率。2004年和光純藥工業株式會社[12]報道了鈀催化劑和鉑催化劑的混合催化劑性質優于單獨的催化劑，重在提高反應活性和同位素的利用率。

2.2 堿性試劑促進的氫氘交換反應

堿性試劑促進的氫氘交換反應，該途徑反應條件十分苛刻，需要高溫、高壓、微波輔助進行。1996年Thomas[13]報道了使用超臨界水在堿性條件下對苯進行重氫化的方法，反應性非常高，避免使用過渡金屬催化劑，氘代率＞97%，缺點反應條件苛刻，此方法不適合產業化生產。

2.3 路易斯酸促進的氫氘交換反應

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]報道了在鹽酸或氘代鹽酸催化下，以重水為氘源，在250℃，4914Pa 下對苯進行氘代制備氘代苯，純度＞95%，收率為98%。2005年Guo Qiaoxia[15]報道了使用布朗斯特酸或路易斯酸五氯化錳催化氘代反應，氘代率高達98%。

3 對導入鹵原子進行重氫化的方法

1992年Baran[16]報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)1，4-二氧六環在低溫-125℃下反應24h(其中1，4-二氧六環已經被證明是最有效的Li-鹵交換最有效溶劑)。反應24h 后加入過量重水，溫度緩慢升至室溫制備氘代苯(圖3)。該方法具有氘位點數和位數可控、可調等優勢可降低氘代化學品制備成本。

圖3 六氯苯合成氘代苯

深圳大學在2016年申請PCT 專利[17]報道了，鹵原子進行氘代新方法：全鹵代物在光源、光催化劑催化下與氘源進行加氘反應，制得化學品。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 反應瓶中，并用注射器加入乙腈/重水(1:1，v/v)5.0mL,將反應體系脫氣10min 后置換氬氣保護狀態，將反應瓶移動至距離光源中心10cm 處光照反應2.0 小時，反應結束后移走光源，將反應混合物用5.0mL 二氯甲烷萃取，有機相用無水硫酸鈉干燥，收率71%，反應條件更溫和，但光催化不適用于大規模生產。

4 氘代乙炔聚合合成方法

1962年Ruppercht 報道[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，但需要特殊設備如高溫爐等。2011年楊維成等[19]對此方法進行優化研究，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；D6-苯合成：乙炔：催化劑=1:5(L/g)，反應溫度30℃。在此條件下，D6-苯總收率＞85.0%，化學純度＞99.9%，豐度＞99.0atom%D。

5 結語

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