還原性鐵粉對具有酰胺鍵部分的硝基芳香化合物還原實驗改進*

朱 鵬，馬金文，李艷妮，楊艷華，王穎臻

(昆明學院化學化工學院，云南 昆明 650214)

在有機合成中，芳香族硝基化合物是重要的中間體，在后續的基團修飾中，大部分情況下都需要將硝基還原成氨基，且在惰性氣體保護下進行反應。還原硝基芳香族化合物的方法有很多，包括Sn-HCl(濃)/HAc體系、H2、Pd/C體系、Brich還原反應、金屬還原和Fe-HAc體系等[1]。在還原含有酰胺鍵的硝基芳香族化合物時，Sn-HCl(濃)/HAc體系易使酰胺鍵斷裂、Pd/C體系成本過高，而H2還原對實驗操作要求很高且具有較高危險性，不適合本科在校生操作。因此，Fe-HAc體系由于成本低、操作方便、效果好等特點，是本次實驗還原芳香族硝基化合物的理想候選物質。

以4-硝基-N-(4’-硝基苯基)苯甲酰胺為例，還原性鐵粉含有的鐵化合價為零，在酸性條件下獲得電子，將硝基依次還原成亞硝基和羥基胺，最后得到穩定存在的氨基，反應過程如圖1所示。

圖1 零價鐵還原4-硝基-N-(4’-硝基苯基)苯甲酰胺的機理圖

許多學者已經就鐵還原效率的提高、環境保護等方面進行了探索。其中，最具代表性的是納米鐵還原，但納米鐵的制備過程條件要求高，且價格昂貴；應用鐵泥處理土壤或水中的重金屬離子，可達到降低環境污染的作用[2-9]，但很少有人關注簡化鐵屑還原的后處理操作。

目前，還原性鐵粉在催化后形成的鐵泥，主要是經硅藻土過濾，但效果不理想，一部分含鐵離子的副產物還存在于濾液中，且還原后的氨基芳香族化合物會損失一部分附著在硅藻土上；得到的粗產物不純凈，須通過柱層析法提純，但隨著過柱時間的延長，粗產物的色素會隨淋洗劑進入到產物中，使得每次純化后的產物顏色不一樣，不利于本科教學實驗的開展。因此，對含有酰胺鍵的硝基芳香族化合物還原的后處理，是有機合成過程中的重要一環。

本實驗開展鐵屑還原酰胺鍵芳香族硝基化合物，反應條件溫和，不會破壞酰胺鍵的結構，還原產物純度高。常規抽濾后，使用二氯甲烷萃取，可除去大部分鐵泥。旋蒸除去大部分有機溶劑后，加入正己烷析出固體，實際上簡化了重結晶的操作，縮短了后處理時間，減少了溶劑使用，得到的固體純度高。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

旋轉蒸發儀(RE-2000A，上海亞榮生化儀器廠)，集熱式恒溫加熱磁力攪拌器(DF-101，鞏義市予華儀器有限責任公司)，循環水多用真空泵(SHZ-D(III)，鞏義市予華儀器有限責任公司)，電子天平(FA1004N，上海菁海儀器有限公司)，核磁共振儀(Bruker AscendTM 400 HMz，布魯克(北京)科技有限公司)。

無水硫酸鈉(99%，上海麥克林生化科技有限公司)，4-硝基苯胺(試劑級，上海鼎淼化學科技有限公司)，三乙胺(99%，上海鼎淼化學科技有限公司)和N，N-二甲基甲酰胺(99.5%，上海鼎淼化學科技有限公司)，4-硝基苯甲酰氯(99%，上海鼎淼化學科技有限公司)，還原性鐵粉(98%，上海旭碩生物科技有限公司)，乙醇(試劑級，天津市風船化學試劑科技有限公司)，冰醋酸(試劑級，成都市科隆化學品有限公司)，二氯甲烷(試劑級，天津市風船化學試劑科技有限公司)，正己烷(試劑級，廣東西隴科學股份有限公司)，氘代二甲亞砜(x=99.9% D，φ-0.03%TMS，Sigma-aldrich西格瑪奧德里奇(上海)貿易有限公司)。

1.2 表征方法

1)反應監測：薄層色譜(TLC)，每 10 min 用TLC監測反應。展開劑∶V(乙酸乙酯)∶V(石油醚)=3∶1

2)生成物表征：均由1H NMR和13C NMR確認。

1.3 實驗步驟

1)在 100 mL 裝有磁力攪拌子的三口燒瓶中，依次加入4-硝基-N-(4’-硝基苯基)苯甲酰胺(0.287 g，1 mmol)、乙醇(40 mL)和蒸餾水(20 mL)。

2)加熱至 60 ℃ 時加入還原性Fe粉(0.448 g，8.0 mmol)和冰醋酸(4 mL)。

3)60 ℃ 攪拌，TLC監測至反應物反應完全，冷卻至室溫。

4)后處理對照

1)常規操作——硅藻土過濾、柱層硅膠柱提純：

布氏漏斗+濾紙+硅藻土，過濾2～3次除去大部分鐵泥，濾液加入氨水中和至pH呈堿性，過濾，無水Na2SO4干燥，旋除溶劑，柱層層析法提純。

2)改進方案——萃取除去鐵泥：

布氏漏斗+濾紙，過濾除去固體，濾液倒入分液漏斗中，加入CH2Cl2，靜置分層，如圖2所示。收集有機層、加入氨水中和至pH呈堿性。無水硫酸鈉干燥過濾，濾液用旋轉蒸發儀旋除大部分溶劑，加入正己烷，繼續旋蒸至析出大量固體、抽濾，濾餅用正己烷淋洗。

圖2 CH2Cl2萃取裝置

2 結果與討論

2.1 原料4-硝基-N-(4’-硝基苯基)苯甲酰胺的制備

250 mL 三口燒瓶中加入4-硝基苯胺(2.81 g，0.02 mol)、三乙胺(3.5 mL)和N，N-二甲基甲酰胺(30 mL)，攪拌下滴加溶于N,N-二甲基甲酰胺(20 mL)的4-硝基苯甲酰氯(3.7 g，0.02 mol)，升溫至 70 ℃，反應 6 h。反應結束后，反應液倒入 150 mL 乙醇溶液中、攪拌、靜置，抽濾得淡黃色固體，烘干得粗產品。250 mL 三口燒瓶中放入粗品，加入 100 mL 乙醇，攪拌，升溫至 50 ℃ 攪拌 30 min。將反應液冷卻至室溫后抽濾得淡黃色固體，烘干備用。1H NMR(400 MHz，DMSO-d6)δ：11.12(s，1H，-NH-)，8.42(d，2H，J=8.0 Hz，ArH)。8.32(d，2H，J=8.0 Hz，ArH)，8.23(d，2H，J=8.0 Hz，ArH)，8.08(d，2H，J=8.0 Hz，ArH).13C NMR(101 MHz，DMSO-d6)δ：165.19，149.93，145.43，143.31，140.32，129.99，125.35，124.14，120.58。如圖3所示。

圖3 4-硝基-N-(4’-硝基苯基)苯甲酰胺核磁氫譜圖和碳譜圖

2.2 目標產物4-氨基-N-(4’-氨基苯基)苯甲酰胺的合成

在150 mL三口燒瓶中依次加入4-硝基-N-(4’-硝基苯基)苯甲酰胺(0.287 g，1 mmol)、乙醇(40 mL)和蒸餾水(20 mL)，溫度升至 60 ℃ 時，加入還原性Fe粉(0.448 g，8.0 mmol)和冰醋酸(4 mL)，60 ℃ 攪拌 1 h。抽濾，濾液倒入分液漏斗中，加入CH2Cl2(3×80 mL)，靜置分層、收集下層有機層、加入氨水中和至pH呈堿性。無水硫酸鈉干燥抽濾，濾液用旋轉蒸發儀旋除大部分溶劑，加入正己烷(20 mL)，繼續旋蒸至產生大量固體，靜置后過濾，濾餅用正己烷(2×10 mL)沖洗。后處理時長為 45 min，目標產物 0.1106 g、產率為48.72%。1H NMR(400 MHz，DMSO-d6)δ：9.41(s，1H，-NH-)，7.67(d，2H，J=8.0 Hz，ArH)，7.34 (d，2H，J=8.0 Hz，ArH)，6.58-6.52(dd，4H，J= 12.0 Hz，J=8.0 Hz，ArH)，5.65(s，2H，-NH2)，5.04(s，2H，-NH2)。13C NMR(101 MHz，DMSO-d6)δ：165.07，152.14，144.68，129.47，122.55，122.09，114.34，112.98。如圖4所示。

圖4 4-氨基-N-(4’-氨基苯基)苯甲酰胺核磁氫譜圖和碳譜圖

2.3 產物分析

本實驗得到的目標產物經1H NMR和13C NMR證實為4-氨基-N-(4’-氨基苯基)苯甲酰胺。

2.4 實驗可行性與意義

實驗后處理條件經優化后加快了實驗進程，后處理時間為 45 min，后處理提純用溶劑體積為：CH2Cl2240 mL、正己烷 40 mL，產率為48.72%。兩種后處理提純時間和產率對比如表1所示。

表1 不同后處理提純方式的時間和產率

選用Fe-HAc體系在60℃下還原4-硝基-N-(4’-硝基苯基)苯甲酰胺，反應條件溫和、還原效率高，避免了在高溫和強酸作用下酰胺鍵的斷裂，有利于得到目標產物。萃取反應液降低了產物損失，基本可除去所有鐵泥，萃取使用的CH2Cl2在旋除后回收，用于下次實驗萃取。后處理過程中涉及到的萃取、過濾和旋除溶劑等實驗操作也是有機化學實驗的基本操作，有利于學生實驗技能的鍛煉。

3 結語

采用4-硝基-N-(4’-硝基苯基)苯甲酰胺為底物、乙醇-水的混合溶劑和Fe-HAc體系還原，在無需高溫和惰性氣體保護情況下進行，使用CH2Cl2萃取反應液，提純使用的有機試劑用量為 280 mL，降低了實驗成本。該處理方式可有效除去鐵泥的影響，且時長短，后處理時間不到 1 h，節約時間；通過萃取分離鐵泥和粗產物、重結晶提純產物，極大的簡化了后處理的繁瑣步驟，加快實驗進程。同時，這些基本實驗操作有效鍛煉和提升了本科生對有機實驗的操作技能。