一锅法合成氧化呋咱-3,4-二甲酸二乙酯

王　敏，李斌栋

(南京理工大学化工学院，江苏南京210094)



一锅法合成氧化呋咱-3,4-二甲酸二乙酯

王敏，李斌栋

(南京理工大学化工学院，江苏南京210094)

摘要：以乙酰乙酸乙酯为原料，经硝化、氧化、成环反应合成了氧化呋咱-3,4-二甲酸二乙酯，用红外光谱、核磁共振对其结构进行了表征。通过探讨反应机理，研究了影响反应历程的关键因素，得到最优的条件为：硝酸质量分数95%、硝化温度-10℃、乙酰乙酸乙酯与硝酸摩尔比为1.0∶1.4、催化剂与乙酰乙酸乙酯的摩尔比为1.0∶100.0、氧化剂与乙酰乙酸乙酯摩尔比为3.0∶10.0。在最优条件下收率为81.4%，纯度大于98%。

关键词：有机化学；氧化呋咱-3，4-二甲酸二乙酯；乙酰乙酸乙酯；硝化；氧化腈

引言

氧化呋咱-3,4-二甲酸二乙酯(FO)是合成氧化呋咱-4-氨基-3-叠氮羰基(ANFO)的重要原料，后者是合成氧化呋咱类化合物的关键中间体[1-5]。近年来，国内外关于氧化呋咱-3,4-二甲酸二乙酯的合成研究较多。Shimizu等[6]以2-硝基丙二酸二乙酯为原料，经氧化成环合成FO，收率70%；Makhova等[7]以二硝基乙酸甲酯的钠盐作为原料，N2O4作为氧化剂合成FO，该方法原料成本高，实验操作较危险；Kislyi等[8]以2-硝基乙酰乙酸乙酯为原料，经硫酸氧化成环合成FO，收率90%，该方法原料获取困难；Conti等[9]以氯代肟基乙酸乙酯为原料，经氧化合成FO，收率70%；Trogu等[10]以硝基乙酸乙酯为原料，经乙酸铜氧化合成FO，但原材料成本高，且乙酸铜作氧化剂时反应15h收率仅43%；雷晴等[11]以乙酰乙酸乙酯为原料，在亚硝酸钠、稀硝酸作用下经亚硝化、氧化成环合成FO，制备的氧化呋咱-3,4-二甲酸二乙酯收率77%，纯度不高于67.6%；刘敏等[12]以丙二酸单乙酯钾盐为原料，硝酸/亚硝酸钠为氧化剂，经氧化硝化、成环合成FO，收率94%，但原料不易购买。

本研究采用乙酰乙酸乙酯为原料、硝酸为硝化剂、硫酸为催化剂和氧化剂，经硝化、氧化成环反应得到目标产物氧化呋咱-3,4-二甲酸二乙酯，收率81.4%，纯度大于98%。该方法原料易得，工艺简单，收率、纯度较高，为氧化呋咱-3,4-二甲酸二乙酯的合成研究提供参考。

1实验

1.1仪器与试剂

精密增力电动搅拌器，上海叶拓仪器仪表有限公司；JA2003电子天平，天津市天平仪器有限公司；低温冷却循环泵，南京科尔仪器设备有限公司；SHZ-CD型循环水式多用真空泵，南京科尔仪器设备有限公司；2XZ-4型旋片式真空泵，临海市谭氏真空设备有限公司；HH-S型水浴锅，巩义市予华仪器有限责任公司；PTHW型电热套，南京科尔仪器设备有限公司；Waters 600E/2487高效液相色谱仪，美国Waters 公司；Nicolet iS10 傅里叶变换红外光谱仪，美国Nioletinstrument 公司；Bruker Avance Ⅲ 500MHz 核磁波谱仪，德国Bruker公司。

乙酰乙酸乙酯(AR)、乙酸酐(AR)、硫酸(AR)、氯化碳(AR)，上海凌峰化学试剂有限公司；浓硝酸(AR)、发烟硝酸(质量分数95%)，南京化学试剂有限公司；纯硝酸，自制。

1.2氧化呋咱-3,4-二甲酸二乙酯的合成

将0.196g(0.002mol)浓H2SO4加入到50mL乙酸酐中，混合液冷却至10℃，搅拌下滴加12.7mL(0.3mol)发烟HNO3，控制温度在10~15℃。反应混合液冷却至-10℃，在-10℃下滴加26.028g(0.2mol)乙酰乙酸乙酯后保温1h。升温至21℃，向反应液中滴加3.2mL浓硫酸，TLC跟踪至反应完全(约1h)。混合液用CCl4萃取3次，合并萃取液，水洗，无水Na2SO4干燥，旋蒸出CCl4，残余物减压蒸馏，收集馏分。得到的氧化呋咱-3,4-二甲酸二乙酯为浅黄色液体，收率81.4%，纯度98%。

1H NMR(500 MHz，CDCl3)，δ：4.49(q，J=7.1 Hz，CH2)，4.44(q，J=7.1 Hz，CH2(O))，1.43(t，J=7.1 Hz，CH3)，1.38(t，J=7.1 Hz，CH3(O))；13C NMR(126MHz，CDCl3)，δ：156.21，154.58，148.12，106.33，63.14，13.28；FT-IR，v(cm-1)：2987，1743，1620，1478，1331，1299，1238，1193，1020，854，755，682。

2结果与讨论

2.1反应机理

以乙酰乙酸乙酯为原料，经历硝化、氧化成环两个阶段制备氧化呋咱-3,4-二甲酸二乙酯[13-15]，推测反应机理如下：硝酸与乙酸酐在浓硫酸催化下生成质子化的乙酰硝酸酯，然后与烯醇化的乙酰乙酸乙酯发生硝化反应，硝化产物在氧化剂的作用下失去乙酸和质子生成氧化腈，再二聚生成氧化呋咱-3,4-二甲酸二乙酯，见图1。浓硫酸的作用如下：一是生成质子化的乙酰硝酸酯，二是加快乙酰乙酸乙酯的烯醇互变，从而加快硝化反应的速度，三是氧化2-硝基乙酰乙酸乙酯生成氧化腈。

图1　乙酰乙酸乙酯合成氧化呋咱-3,4-二甲酸二乙酯的反应机理Fig.1　Reaction mechanism of synthesizing 3, 4-bis(ethoxycarbonyl)furoxan from ethyl acetoacetate

2.2催化剂浓硫酸与乙酰乙酸乙酯的摩尔比对硝化反应的影响

在乙酰乙酸乙酯与硝酸摩尔比为1.0∶1.1、反应温度-10℃、反应时间60min条件下，考察了催化剂浓硫酸与乙酰乙酸乙酯的摩尔比分别为1.0∶200.0、1.0∶100.0、2.0∶100.0时对乙酰乙酸乙酯转化率(η)的影响，结果见表1。

表1　浓硫酸与乙酰乙酸乙酯的摩尔比对乙酰乙酸乙酯

从表1可看出，浓硫酸与乙酰乙酸乙酯的摩尔比为1.0∶100.0时催化效果较理想，反应1h原料的转化率可达96.4%。因为乙酰乙酸乙酯只有由酮式互变成烯醇式才能被硝化，浓硫酸催化烯醇式互变的作用较好，增大浓硫酸的量可以减少反应时间。

2.3温度对硝化反应的影响

在乙酰乙酸乙酯与硝酸摩尔比为1.0∶1.1、浓硫酸与乙酰乙酸乙酯的摩尔比为1.0∶100.0时，考察了不同温度对硝化反应时间、副产物收率、乙酰乙酸乙酯转化率的影响，结果见表2。

表2　温度对反应时间、副产物收率和乙酰乙酸乙酯

由表2可看出，在-10 ~ 10℃，乙酰乙酸乙酯的转化率都较高，随着硝化温度的升高，反应时间缩短，但是副产物收率增加，体系的稳定性相对较差。因此，-10℃下硝化较好。

2.4硝酸含量对硝化反应的影响

分别以纯硝酸(自制)、发烟硝酸(质量分数95%)和浓硝酸(质量分数69%)作为硝化剂，考察了硝酸含量对乙酰乙酸乙酯转化率、硝化反应副产物及氧化呋咱-3,4-二甲酸二乙酯收率的影响，结果见表3。其中乙酰乙酸乙酯与硝酸摩尔比为1.0∶1.1，温度为-10℃，催化剂浓硫酸与乙酰乙酸乙酯的摩尔比为1.0∶100.0，氧化剂浓硫酸与乙酰乙酸乙酯的摩尔比为3.0∶10.0。

表3　硝酸含量对乙酰乙酸乙酯转化率、硝化副产物和

由表3可看出，硝酸含量对乙酰乙酸乙酯的转化率影响不大，纯硝酸作为硝化剂得到的硝化副产物较少，因而收率较高，但是纯硝酸的制备和保存是其应用的难题。如果硝酸含量较低则需要大量乙酸酐来除去多余的水分。因此，选择发烟硝酸作硝化剂。

2.5乙酰乙酸乙酯与硝酸的摩尔比对硝化反应的影响

在催化剂浓硫酸与乙酰乙酸乙酯的摩尔比为1.0∶100.0、硝化温度-10℃、氧化剂浓硫酸与乙酰乙酸乙酯的摩尔比为3.0∶10.0的条件下，考察了乙酰乙酸乙酯与硝酸的摩尔比对乙酰乙酸乙酯转化率和氧化呋咱-3,4-二甲酸二乙酯收率的影响，结果见图2。

图2　乙酰乙酸乙酯与硝酸的摩尔比对乙酰乙酸乙酯转化率和氧化呋咱-3,4-二甲酸二乙酯收率的影响Fig.2　Effect of molar ratio of ethyl acetoacetate andnitric acid on the conversion of ethyl acetoacetate andyield of 3,4-bis(ethoxycarbonyl)furoxan

由图2可看出，乙酰乙酸乙酯与硝酸摩尔比对氧化呋咱-3,4-二甲酸二乙酯的收率有较大影响，随摩尔比的增加，氧化呋咱-3,4-二甲酸二乙酯的收率也逐渐提高，可能是由于生成了不稳定的二硝化产物，更有利于硝化物脱去乙酰基氧化后二聚成环，当摩尔比增至1.0∶1.4以后，收率增加不再显著，综上所述，乙酰乙酸乙酯与硝酸的最优摩尔比为1.0∶1.4。

2.6氧化剂浓硫酸与乙酰乙酸乙酯的摩尔比对成环反应的影响

以浓硫酸作氧化剂，在乙酰乙酸乙酯与硝酸摩尔比为1.0∶1.1，硝化温度为-10℃，催化剂浓硫酸与乙酰乙酸乙酯的摩尔比为1.0∶100.0的条件下，研究了氧化剂浓硫酸与乙酰乙酸乙酯的摩尔比对氧化成环反应时间、2-硝基乙酰乙酸乙酯转化率、氧化呋咱-3,4-二甲酸二乙酯收率的影响，结果见表4。

由表4可看出，当浓硫酸与乙酰乙酸乙酯的摩尔比为1.0∶10.0时，反应时间长且转化率较低；当升至4.0∶10.0时，反应时间明显缩短，转化率也较高。这是由于氧化剂用量较少时，2-硝基乙酰乙酸乙酯氧化生成氧化腈脱去小分子乙酸导致体系中浓硫酸的浓度降低，从而氧化能力降低。综合考虑，摩尔比为3.0∶10.0较合适。

表4　氧化剂浓硫酸与乙酰乙酸乙酯摩尔比对反应时间、

3结论

(1)以乙酰乙酸乙酯为原料，经硝化、氧化成环反应合成了氧化呋咱-3,4-二甲酸二乙酯，实现了中间产物2-硝基乙酰乙酸乙酯不分离的连续合成，该方法原料易得、工艺简单、反应时间短、收率及纯度较高。

(2)一锅法合成氧化呋咱-3,4-二甲酸二乙酯的最优条件为：硝酸质量分数95%、硝化温度-10℃、乙酰乙酸乙酯与硝酸摩尔比为1.0∶1.4、催化剂浓硫酸与乙酰乙酸乙酯的摩尔比为1.0∶100.0、氧化剂浓硫酸与乙酰乙酸乙酯的摩尔比为3.0∶10.0，在此条件下，氧化呋咱-3,4-二甲酸二乙酯的收率为81.4%，纯度大于98%。

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Synthesis of 3,4-Bis(ethoxycarbonyl)furoxan by One-pot Method

WANG Min, LI Bin-dong

(School of Chemical Engineering, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China)

Abstract:3, 4-Bis(ethoxycarbonyl)furoxan was synthesized via nitration, oxidation and cyclization reaction using ethyl acetoacetate as raw material. Its structure was characterized by IR spectrometry and nuclear magnetic resonance (NMR) spectrometry. The reaction mechanism was proposed and the key factors affecting the reaction were studied, as a result, the optimal conditions obtained are as follows: mass fraction of nitric acid, 95%; nitration temperature, -10℃; molar ratio of ethyl acetoacetate and nitric acid, 1.0∶1.4; molar ratio of catalyst and ethyl acetoacetate, 1.0∶100.0; molar ratio of oxidizer and ethyl acetoacetate, 3.0∶10.0. Under the optimal conditions, the yield can reach 81.4% and the purity is higher than 98%.

Keywords:organic chemistry; 3,4-bis(ethoxycarbonyl) furoxan; ethyl acetoacetate; nitration; nitrile oxide

通讯作者:李斌栋(1972-)，男，副研究员，从事含能材料的合成与应用研究。

作者简介:王敏(1989-)，女，硕士研究生，从事硝化反应的研究。

收稿日期:2014-10-12；修回日期:2014-12-01

中图分类号：TJ55; TQ562

文献标志码：A

文章编号：1007-7812(2015)01-0012-04

DOI：10.14077/j.issn.1007-7812.2015.01.003