免费下载
网站简介

找论文变得更简单!

帮找论文

当前位置:

重点论文网    生物论文    制药论文    对三氟甲基苯腈的合成
创建时间:10-09

对三氟甲基苯腈的合成


目  录
中文摘要    I
英文摘要    II
目录    III
1. 绪论    1
1.1 含氟化合物的特征及用途    1
1.2 含氟农药中间体    1    
1.3 对三氟甲基氯苯简介    2
1.4 对三氟甲基苯腈    3
     1.4.1 对三氟甲基苯腈简介    3
     1.4.2 对三氟甲基苯腈的合成及机理    3
       1.4.2.1 对三氟甲基苯腈的合成方法    3
       1.4.2.2 对三氟甲基苯腈的合成反应机理    4
2. 实验部分    5
2.1 化学试剂和仪器    5
2.1.1 化学试剂    5
2.1.2 仪器    6
2.2 实验步骤    6
2.3 气相色谱(GC)检测条件    7
3. 结果与讨论    7
3.1 催化剂的制备条件优化    7
3.1.1 镍盐选择对反应结果的影响    7
3.1.2 配体用量对反应结果的影响    8
3.1.3 还原剂锌粉对催化反应结果的影响    8
3.2 均相催化反应的条件优化及反应放大后的结果    9
3.2.1 投料顺序对反应结果的影响    9
3.2.2 反应放大试验结果    9
3.3 对三氟甲基苯腈产品的含量分析及结构鉴定结果    10
    3.3.1 产品的含量分析结果    10
    3.3.2 产品的结构鉴定结果    11
      3.3.2.1 红外图谱(IR)    11
      3.3.2.2 质谱(MS)    11
      3.3.2.3 氢核磁共振(1H-NMR)    12
4.总结与展望    13
致谢    15
参考文献    16


 
1  绪论
传统农药由于毒性、抗性及对环境影响等问题,受到越来越多的质疑。开发高活性、高选择性和环境友好的新农药已是必然趋势。2004年,全球商品化的化学农药品种有579个,其中含氟农药有67个,约占12%。在含氟农药中,有除草剂28个,杀虫剂21个,杀菌剂15个。21世纪以来新开发的86个化学农药中,含氟农药34个,约占42%[1],在近十年里开发出的除草剂,含氟化合物占50%,而除草剂又是未来农药的主要发展方向,因此含氟农药已经成为世界农药工业研究开发的重点。
1.1  含氟化合物的特性[2]及用途
含氟化合物的特性主要表现为以下:
氟原子电负性最大,具有强烈的吸电子性,当有机化合物中引入氟原子后,化合物分子内部的电子云密度分布和内部结构的酸碱性都会发生很大的变化。
氟原子的半径与氢原子接近,用氟原子取代氢原子接入有机化合物不会产生大的空间结构变化。当生物体摄入含氟的底物时,由于氟取代后底物分子的结构变化较小,生物体对其难以识别,而误以为氢化合物摄入组织参与代谢过程,含氟化合物的这种作用称为类氢模拟效应。
氟原子与碳原子形成的C-F 键的键能达485kJ/mol,比C-H的键能410kJ/mol大75kJ/mol,因此C-F键的稳定性非常高。当含有氟原子的底物分子被生物体吸收后,由于C-F键非常稳定,生物体自身很难将其分解、降解。
芳香族含氟化合物具有很高的脂溶性,对生物体的多种相态、细胞膜、细胞壁和细胞组织等具有很高的渗透性能。
由于以上特性,芳香族含氟化合物被广泛地应用在农药、医药、材料等化工领域。在医药和农药领域,含氟化合物特殊的生物模拟效应、以脂溶性为主的渗透效应、以及由稳定的C-F键引起的阻隔效应,使得许多有机含氟化合物的生物活性高、抗药性强、用量少,对害虫、杂草和细菌等靶物非常有效,且具有广谱效果,但对非靶物(如人、动物等)的毒性小,对环境的污染小。
1.2  含氟农药中间体[3]
在农药新产品的创制中,一般会将氟引入化合物的某些位置,以此提高农药的药效,而生产含氟化合物又需要含氟中间体,因此,含氟中间体的研究和开发在农药的生产中就显得十分关键。
目前,已研发出来的含氟农药中间体品种已经有很多,含氟农药中间体品种按结构可分为四类:脂肪族氟化物、氟苯类、三氟甲苯类和含氟杂环化合物。
农药中间体是指在农药合成工艺过程中所需要转变的中间化合物。而由同一种中间体可以衍生出下一种乃至更多的中间体,直到是所需要的成品为止,比如对三氟甲基氯苯(图1)、5-甲氧基-4’-三氟甲基苯基戊酮等。
 
图1  对三氟甲基氯苯延伸的中间体[4]
1.3  对三氟甲基氯苯简介
对三氟甲基氯苯(4-chlorobenzotrifluoride),别名对氯三氟甲苯,对氯苄川三氟、三氟-4-氯甲苯等,英文通用名4-chlorobenzotrifluoride,CA名称为1-(Trifluoromethyl)-4-chlorobenzene,CAS为98-56-6,分子式为C7H4ClF3,分子量为180.55。常温下为无色液体,熔点-36℃,沸点136-138℃,25℃下密度为1.353g/mL,闪点117℉(47℃),其结构式如下:
 
对氯三氟甲苯是我国于上世纪80年代开发的第一个含氟农药氟乐灵的中间体,目前,对氯三氟甲苯已在辽宁、江苏、浙江等省市生产,仅浙江省东阳市就建有5000t/a规模,产品除供内部消化外,还出口欧美多个国家和地区[4]。
对氯三氟甲苯最大用途作溶剂和合成农药[4],是合成除草剂氟乐灵、乙氧氟草醚、三氟羧草醚、氟磺胺草醚、乙羧氟草醚、乳氟禾草灵等[5]的中间体。
对三氟甲基氯苯除了在农药方面用途广泛,还可用于医药合成及染料工业,是抗抑郁药氟西汀和含氟染料的合成原料[4]。
1.4  对三氟甲基苯腈
1.4.1 对三氟甲基苯腈简介
对三氟甲基苯腈作为一种重要的含氟医药、农药中间体,用以合成氟伏沙明[6]等多种重要的农药,具有很高的研究价值。
对三氟甲基苯腈(Trifluoro-p-tolunitrile),别名对三氟甲基苯甲腈、4-(三氟甲基)苯腈,英文通用名为4-(trifluoromethyl) benzonitril,其他英文名有alpha,alpha,alpha-trifluoro-p-tolunitrile,4-trifluoromethylbenzonitrile,CA名称为4-(trifluoromethyl)-benzonitril;CAS为455-18-5,分子式为C8H4F3N,分子量为171.12,其结构式如下:
 
对三氟甲基苯腈,纯品在室温下为无色或淡黄色针状晶体。常压下熔点37-41℃,20mm汞柱下沸点80-81℃,相对密度1.278。闪点71℃。易溶于二氯甲烷、氯仿、乙腈等有机溶剂,不溶于水。
对三氟甲基苯腈不仅是农用化学品、药物(镇静剂)及液晶材料的中间体,还可用作磁记录材料的防蚀涂层[7]。
1.4.2 对三氟甲基苯腈的合成及机理
1.4.2.1  对三氟甲基苯腈的合成方法
现代工业中可由重氮化的4-三氟甲基苯胺与K3[Cu(CN)4]的水溶液加热制取,亦可由对三氟甲基苯甲醛、甲酸钠、甲酸、硫酸铵混合,置于2-甲基硝基苯中于100~140℃下反应3h制取。还可由三氟一溴甲烷与对溴苯腈在铜电极上电解制取[7]。
G.A.Ola[8]报道了芳醛在无水甲酸中与盐酸羟胺反应可直接转化成芳腈的方法,步骤短.产率高.但存在无水甲酸腐蚀性强,刺激性大及用量多等缺点。之后,王存德等人[8]研究使用80%的甲酸水溶液代替无水甲酸在超声波辐射下催化芳醛合成芳腈,该方法同样简便,快速,产品收率高,且有工业应用价值。
基于反应条件的影响,现研究人员主要以过渡金属催化剂,催化对三氟甲基卤苯合成对三氟甲基苯腈。如Journal等人[9]就研究了以对三氟甲基溴苯与K4[Fe(CN)6]在醋酸钯的催化下获得98%收率的产品,与钯催化剂相比,镍催化剂价格便宜,比钯催化剂稳定,对不活泼氯代芳烃有更好的催化活性[10],故选用镍催化剂进行研究较易实现工业化,又因为镍膦催化剂成品不稳定且价格昂贵。
因此研究以三苯基膦与卤化镍反应通过锌粉还原预做镍膦催化剂。反应方程如下:
 
对三氟甲基苯腈的合成收率与反应温度,反应时间及催化剂等密切相关。
另外反应中生成的活性催化剂成分Ni(PPh3)3对空气中的氧十分敏感,因此反应过程必须在无氧条件下进行。
1.4.2.2  对三氟甲基苯腈的合成反应机理
以NiCl2合成催化剂为例,对三氟甲基苯腈的合成反应机理[11]认识如下:
(1)简单的络合反应
NiⅡCl2  + 2L —— NiⅡL2Cl2
(2)还原反应
NiⅡL2Cl2  + L + Zn —— Ni0L3 + ZnCl2
用锌粉还原Ni(Ⅱ)络合物成Ni(0)络合物;
(3)氧化加成反应
Ni0L3 + ArCl —— ArNiⅡL2Cl+ L
形成芳基镍(Ⅱ)络合中间体,此步骤反应速率非常快,生成的三苯基膦重复步骤(2),直到Ni(PPh3)2Cl2全部反应;
(4)与CN-配位
 
和CN-形成五配体中间体,它是整个反应的决速步;
(5)还原消除反应
        ArNiⅡL2CN + L —— ArCN + Ni0L3       
注:Ar=4-CF3CH4,L—PPh3
这里涉及到交叉偶合[12]的过程,是以过渡金属镍为中性连接的两个集团Ar-和CN-发生偶合,形成C-C,在此合成过程中具有重要意义。镍络合物所起关键作用就是形成了σ-碳金属键。
形成产物ArCN和Ni(PPh3)3,Ni(PPh3)3重复步骤(3).
在所有用Ni(PPh3)3作为催化剂的反应中,均有副产物氢化去卤化物和联苯类产物。其中,产生氢化去卤产物的原理如下:
 
或者
 
注:HS表示活性氢物质,如水,乙醇等。

2  实验部分
2.1  化学试剂和仪器
2.1.1  化学试剂
主要的化学药品和试剂如表2-1所列。

表2-1  主要的化学试剂
名称    规格    来源
三苯基膦    化学纯    江苏永华精细化学品有限公司
特级色谱纯乙腈    色谱纯    天津市四友精细化学品有限公司
氯化镍    分析纯    上海勤工化工厂
溴化镍    分析纯    上海勤工化工厂
对氯三氟甲苯    分析纯    浙江省化工研究院
无水硫酸镁    分析纯    上海试四赫维化工有限公司
无水硫酸钠    分析纯    上海试四赫维化工有限公式
乙腈    分析级    江苏永华精细化学品有限公司
二氯甲烷    分析纯    浙江杭州双林化工试剂厂
碳酸钾    分析纯    宜兴第二化学试剂厂
锌粉    化学纯    江苏新创金属新材料有限公司
乙酸乙酯    分析纯    浙江杭州双林化工试剂厂
石油醚    分析纯    中国石化集团杭州炼油厂
注:对三氟甲基氯苯为化工研究院实验室所制备,气相检测为分析纯。
2.1.2  仪器
主要的化学药品和试剂如表2-2所列。
表2-1主要的仪器和设备
名称    规格    制造商或产地
气相色谱仪    GC-1690    杭州科晓化工仪器设备有限公司
电子天平    DT300A    江苏常熟长青仪器仪表厂
旋转蒸发仪    ZX98-1    上海鲁伊工贸有限公司
恒温磁力搅拌器    85-2    上海志威电器有限公司
电子节能控温仪    ZNHW    杭州惠创仪器设备有限公司
低温冷却液循环泵    DLSB-3006    杭州大卫科教仪器有限公司
循环水式真空泵    SHB-ⅢA    河南省太康科教器材厂

2.2  实验步骤
将三苯基膦(3.67g,0.014mol)、无水氯化镍(0.48g,0.0035mol)、乙腈(100ml)按顺序加入四口烧瓶中。通过气体置换法将容器内空气排尽,连续通氩气。开始中速搅拌升温,回流半小时以上。
停止加热,使冷却到30  5℃,然后加入锌粉(1.0g,0.015mol),然后升温至60  2℃,恒定半小时以上。
向容器内滴加反应物对三氟甲基氯苯(10g,0.11mol)。
等对三氟甲基氯苯滴加完毕,分次加入NaCN(6.0g,0.12mol),保持在60  2℃反应三个小时以上,并以气相检测跟踪反应进程。
加入锌粉(1.0g,0.015mol)在这个温度下继续反应6个小时以上。
待反应完全,停止加热,冷却至室温后,加入碳酸钾(1.1g)继续搅拌稍许。
将容器内反应物转移,抽滤,淋洗滤饼至少两次,滤液进行旋蒸。所得液体进行精馏,在3.7KPa的绝对真空度下,产品在86℃下分馏出。通过气相跟踪检测,来收取纯品。
2.3  气相色谱(GC)检测条件
色谱柱:SE-30 石英毛细管柱(30m×0.32mm),膜厚0.50μm
柱室温度:60-250℃
进样温度:220℃
检测室温度:300℃
程序升温速度:20℃/min
气体流速载氮1 ml/min
进样量:2.0μl
3  结果与讨论
3.1  催化剂的制备条件优化
3.1.1  镍盐选择对反应结果的影响
表3  镍盐的选择对催化反应的影响
序号    镍盐    三苯基膦用量
(mol)    镍盐用量
(mol)    原料转化率    选择性
1
NiBr2    0.0140    0.0035    97.9%    85.0%
2    NiCl2    0.0140    0.0035    97.8%    77.2%
    从表3可以看出,通过对制备催化剂的镍盐的选择研究,发现在其他反应条件不变的情况下,对催化反应的转化率影响不明显;在反应的选择性上,NiCl2比NiBr2略低。但考虑到

最新论文

网站导航

热门论文