杯芳冠醚的合成及其催化合成对氟硝基苯

李成龙，徐珍，吕早生，严若康，刘秋鸽，吴洋（武汉科技大学化学工程与技术学院，湖北省煤转化与新型碳材料重点实验室，湖北 武汉 430081）



研究开发

杯芳冠醚的合成及其催化合成对氟硝基苯

李成龙，徐珍，吕早生，严若康，刘秋鸽，吴洋
（武汉科技大学化学工程与技术学院，湖北省煤转化与新型碳材料重点实验室，湖北 武汉 430081）

摘要：卤素交换氟化反应是合成含氟芳香化合物的重要方法之一，相转移催化剂对卤素交换氟化反应来说几乎是不可或缺的。本文以对叔丁基杯[4]芳烃和四甘醇二对甲苯磺酸酯为原料，在K2CO3存在下，合成了对叔丁基杯[4]-冠-5，将对叔丁基杯[4]-冠-5作为相转移催化剂应用于对氯硝基苯的氟化反应中，以检测其作为相转移催化剂在氟化反应中的催化活性,同时考察了反应时间、反应温度、不同相转移催化剂对卤素交换氟化反应的影响。结果表明对叔丁基杯[4]-冠-5对氟化反应具有相转移催化能力，研究发现以杯芳冠醚作相转移催化剂，使产品收率得到了明显提高。在对叔丁基杯[4]-冠-5的催化下，反应3h，反应的转化率和收率分别为96.53%、90.8%。关键词：有机化合物；卤素交换氟化；催化

卤素交换氟化是合成含氟化合物最常用的方法，在卤素交换氟化中往往需要加入相转移催化剂（PTC），通过PTC与微水相中的离子结合并利用自身对有机溶剂的亲和性，将水相中的反应物转移到有机相中，促使反应能够进行。常用的相转移催化剂有季铵盐、季盐、冠醚和链醚，以及最近报道的离子液体在氟化反应中的应用[1-4]，但是季盐和冠醚的价格昂贵、毒性大；链状聚醚的催化活性低，且吸水性强；季铵盐的热稳定性差，高温下常容易发生分解。杯芳烃是继环糊精、冠醚之后出现的第三代超分子化合物，它集冠醚和环糊精两者之所长，对许多金属离子或其他正离子有很强的配位能力[5]。将杯芳烃单元与冠醚片段桥联就得到稳定的杯冠化合物，可以消除小分子冠醚的毒性。有研究报道了杯[4]冠-4、杯[4]冠-5、杯[4]冠-6分别对Na+、K+、 Cs+表现出很强的选择性[6]。杯芳冠醚通过与钾离子络合，在溶剂体系中形成“裸氟离子”，使氟化反应得以进行，从而起到相转移催化的作用。因此本文合成了对叔丁基杯[4]-冠-5(1)将其应用于卤素交换氟化反应中合成对氟硝基苯，探讨其在卤素交换氟化反应中的相转移催化性能，如式(1)、式(2)。

1 实验部分

1.1 主要仪器及试剂

傅里叶变换红外光谱 VERTEX 70（德国Bruker公司），600M超导核磁共振波谱仪600MHz DD2（美国Agilent），气相色谱仪HP6890Plus（美国Agilent），旋转蒸发仪SENCOR（上海申生科技有限公司）。

所用试剂均为分析纯，乙腈、二甲亚砜加入4A分子筛充分干燥，碳酸钾在马弗炉中 500℃中干燥2h备用，喷雾干燥KF使用前马弗炉550℃中干燥10h备用。对叔丁基杯[4]芳烃按文献[7]的方法合成。

1.2 实验方法

1.2.1 四甘醇二对甲苯磺酸酯的合成

将19.4g（17.2mL，0.1mol）四甘醇和70mL四氢呋喃（THF）倒入500mL三口烧瓶中，磁力搅拌，0℃以下（冰盐浴）将12.01g（0.3mol）NaOH溶解在60mL水中，缓慢加入反应器。将42.02g（0.22mol）对甲苯磺酰氯溶解在100mL四氢呋喃（THF）中缓慢地滴加入反应器，2h内滴完，0℃以下搅拌2h。

反应结束后，往烧瓶中加入 2mol/L NaOH 100mL，搅拌10min后加入50mLCH2Cl2，在500mL分液漏斗中萃取，保留有机相，水相用CH2Cl2萃取2次，合并有机相，用2mol/L HCl和蒸馏水将有机相洗至中性，加入MgSO4干燥，过夜。过滤后在旋转蒸发仪上蒸除CH2Cl2，得浅棕色油状物质，即产物四甘醇二对甲苯磺酸酯 30.53g，产物收率为60.76%。IR(KBr)：2916cm–1，1598cm–1，1454cm–1， 1355cm–1，1178cm–1，919 cm–1，813 cm–1，769cm–1，663cm–1。1H NMR（600MHz，DMSO）δ：7.76(d，J=8.2Hz，4H，o-ArHSO2)，7.44(d，J=8.0Hz，4H，m-ArHSO2)，4.15(t，J=4.2Hz 4H，CH2OTs)，3.64～3.35(m，12H，—CH2CH2O)，2.39(s，6H，CH3)。

1.2.2 对叔丁基杯[4]-冠-5的合成

在250mL三口烧瓶中分别加入2.19g（3.38mol）对叔丁基杯[4]芳烃，1.92g（3.82mol）四甘醇二对甲基苯磺酸酯，0.53g（3.82mol）K2CO3，150mL的乙腈，在N2保护下回流反应24h。反应结束后过滤，将滤液减压蒸馏去除乙腈，得浅黄色固体。将固体溶解在50mL CH2Cl2和10mL水中，振荡，静置分层。取有机相分别用50mL10% HCl和50mL水洗涤2次，洗涤完后在有机相中加入MgSO4干燥，过夜。过滤后在旋转蒸发仪上蒸除CH2Cl2，得到浅黄色固体，即对叔丁基杯[4]-冠-5粗产品。粗产物用柱色谱提纯（洗脱剂为正己烷∶乙酸乙酯=3∶1），得到产物对叔丁基杯[4]-冠-5。IR(KBr)：3436 cm–1，2958cm–1，2866 cm–1，1598cm–1，1485cm–1，1455cm–1，1395cm–1，1300cm–1，1200cm–1，1120cm–1。1H NMR（600MHz，CDCl3）δ：7.07（s，4H，ArH），6.75（s，4H，ArH），4.37（d，J=13.0Hz，4H，ArCH2Ar），4.14-3.77（m，16H，OCH2CH2O），3.29（d，J=13.0Hz，4H，ArCH2Ar），1.31（s，18H，C(CH2)3），0.91[s，18H，C(CH2)3]。

1.2.3 对氟硝基苯合成

在 100mL三口烧瓶中加入处理后的 SD-KF 1.2g(20mmol)、对叔丁基杯[4]冠-5 0.1g、20mL的DMSO和适量甲苯，搅拌升温进行共沸去H2O，去H2O完毕后，蒸出甲苯。然后加入对氯硝基苯1.6g (10mmol)，在N2保护下于一定温度下反应，GC跟踪。反应完毕，冷却后滤出无机盐，用适量DMSO洗涤滤饼，取样GC分析。

2 结果与讨论

2.1 对叔丁基杯［4］-冠-5的催化性能

为了探讨合成的对叔丁基杯[4]-冠-5在卤素交换氟化反应中的催化活性，在合成对氟硝基苯的氟化体系中研究了不加催化剂和加入对叔丁基杯[4]-冠-5催化的氟化反应，结果见表1。

从表1可以看出，在相同的氟化体系中，对叔丁基杯[4]-冠-5催化与没有添加催化剂相比，提高了反应速度，缩短了反应时间，同时使氟化产物的收率增加。在对叔丁基杯[4]-冠-5催化下，在190℃反应 3h时体系中的对氯硝基苯的转化率达到96.53%，产物收率可达90.8%，而没有催化剂的氟化反应4h产物收率为77.44%。由此可见，对叔丁基杯[4]-冠-5在卤素交换氟化中具有良好的相转移催化活性，可以作为相转移催化剂用于卤素交换氟化反应。

2.2 反应时间对氟化反应的影响

从表 1中可知，对叔丁基杯[4]-冠-5的加入提高了反应速率，因此探讨了反应时间对氟化反应的转化率和产率的影响，反应体系中投料比 n(KF)∶n(PCAD)=2，溶剂为20mLDMSO，反应温度190℃，催化剂由于分子量较大均添加0.1g，反应过程中取样由气相色谱检测，并与不加催化剂做比较，结果见图2和图3。

从图2中可知，没有催化剂存在下，氯化物在6h时接近反应完全，氟化产物收率达到最高，继续延长反应时间，产物收率有所下降；在体系中添加了对叔丁基杯[4]-冠-5，3h时转化率到达96.53%，产物收率为90.8%，4h时反应物反应完全，产物收率反而有所下降，为 90.3%，可知在添加催化剂时最佳反应时间为3h，没有添加催化剂的最佳反应时间为6h，这主要是反应时间延长，原料继续反应使转化率增加，但随着反应时间的延长，增加了副产物的生成机会，反而使得反应收率下降。从图2和图3的对比试验可知，在对叔丁基杯[4]-冠-5催化下的氟化反应反应速率大大提高，反应时间缩短一半，并且提高了氟化反应的收率。

2.3 反应温度对氟化反应的影响

卤素交换氟化通常需要较长的反应时间和较高的反应温度，在这样的体系中反应的选择性较低，副反应较多。因此如果能降低反应温度或缩短反应时间，将减少副产物的生成。在相同的氟化体系中，研究了对叔丁基杯[4]-冠-5催化下不同温度对氟化产物收率的影响，结果见表2。

较高的温度有利于氟化反应的进行，温度降低可能导致反应难以进行。表2中显示在对叔丁基杯[4]-冠-5的催化下，温度降低反应仍具有一定的反应速度，150℃反应6h，产物产率仍有51.84%。在没有催化剂的作用下，170℃反应6h产物产率只有36.4%。在低温下反应速度较慢，延长反应时间导致副产物增多，190℃反应4h与3h相比，由于反应时间延长导致选择性下降。从表2中可知，在较低的温度下，对叔丁基杯[4]-冠-5仍有较好的催化活性。

2.4 不同催化剂催化合成对氯硝基苯

表1 对叔丁基杯［4］-冠-5的催化性能

图2 不同反应时间转化率的变化

图3 不同反应时间产率的变化

表2 温度对产物收率的影响

表3 不同催化剂对产物收率的影响

2.5 对叔丁基杯［4］-冠-5催化氟化反应机理的探讨卤素交换氟化反应是一个非均相体系，体系中存在有机相、微水相、固相，由于KF难溶于有机相，导致氟化反应难以进行，因此需要在相转移催化下进行反应。对叔丁基杯[4]-冠-5在合成对氟硝基苯时起到相转移催化的作用，如图 4，对叔丁基杯[4]-冠-5将 K+络合使 F–裸露形成“裸氟离子”，对叔丁基杯[4]-冠-5将K+和F-从微水相萃取到有机相，增加了有机相中的氟离子浓度，从而使氟化反应迅速进行。

图4 对叔丁基杯[4]-冠-5与K+的配位作用

3 结 论

卤素交换氟化是合成含氟化合物最常用的方法，本文合成了对叔丁基杯[4]-冠-5，并将对叔丁基杯[4]-冠-5用于催化合成对氟硝基苯，在氟化反应中对叔丁基杯[4]-冠-5具有良好的催化活性，与常用的相转移催化剂相比，在对叔丁基杯[4]-冠-5催化下，反应速率大大提高。杯芳冠醚的热稳定性和化学稳定性好，催化活性高，因此可以作为卤素交换氟化反应的相转移催化剂。

参考文献

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[5] 罗勤慧.大环化学[M].北京：科学出版社，2009：130-134.

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[7] GUSTCHE C D，IQBAL M.p-tert-Butylcalix[4]arene[J].Organic Syntheses，1990，68：234-237.

第一作者：李成龙（1991—），男，本科。联系人：徐珍，讲师，研究方向为精细有机化学的合成研究。E-mail：xuzhen@wust.edu.cn。

中图分类号：TQ 246.1

文献标志码：A

文章编号：1000-6613（2016）07-2109-05

DOI：10.16085/j.issn.1000-6613.2016.07.024

收稿日期：2015-10-12；修改稿日期：2015-12-01。

基金项目：2014年湖北省大学生创新创业训练计划项目（201410488033）。

Synthesis of calixcrown ethers and its catalytic activity in synthesis of 4-fluoronitrobenzene

LI Chenglong，XU Zhen，LÜ Zaosheng，YAN Ruokang，LIU Qiuge，WU Yang
（Chemical Engineering Academy of Wuhan University of Science and Technology，Hubei Coal Conversion and New Carbon Materials Key Laboratory，Wuhan 430081，Hubei，China）

Abstract：Halogen-exchange fluorination is the main method to synthesize fluorinated aromatics.Phase transfer catalysts(PTCs) are essential for the halogen-exchange fluorination.The p-tert-butylcalix[4]-arene- crown-5 was synthesized from p-tert-butylcalix[4]arene and tetraethylene glycol ditosylate in the presence of K2CO3，and it was used as the phase transfer catalyst in the fluoridation of chlorine nitrobenzene to investigate its performance in the fluorination.The influences of fluorination reaction conditions，such as the reaction time，temperature and different catalysts were investigated.The catalytic activities of p-tert-butylcalix[4]arene- crown-5 were verified.It was found that the yields of the reaction with p-tert-butylcalix[4]arene-crown-5 as PTC were improved.Catalyzed by p-tert-butylcalix[4]arene-crown-5 for 3 h，the reaction had a conversion of 96.53% and the yield of 4-fluoronitrobenzene was 90.8%.

Key words：organic compounds；halogen exchange fluorination；catalysis