以苄醇和亚铁氰化钾为原料的芳腈合成新方法研究

吴 青,张永江,田欣哲,郑先福

(1.洛阳市质量计量检测中心,河南 洛阳 471000;2.河南中烟工业有限责任公司洛阳卷烟厂,河南 洛阳 471003;3.河南农业大学理学院,河南 郑州 450002)

0 引言

芳腈是一类重要的有机化合物，它们不仅是一些医药、农药和材料的结构单元[1],而且能够用于合成胺、酰胺、羧酸及N-杂环化合物[2-3].因此，化学界对芳腈的合成高度关注，并以芳基卤[4-5]、芳基胺[6]、芳基酰胺[7-8]、芳基肟[9]、芳基酮[10]、芳基硼酸[11]、芳基磺酰氯[12]、芳基乙酸[13]、芳基醛[14]、苄醇[15]等为反应底物，发展了众多合成芳腈的方法.在这些合成方法中，氰离子经历三键断裂提供氮源是一个颇具挑战性的课题.2016年,Wu Qian等[16]基于铜促进氰离子中三键的完全断裂,以芳基醛和K3[Fe(CN)6]为反应物，实现了芳腈的合成,其反应机理为

Gu Lijin等[17]报道了芳基乙酮与CuCN的反应,其反应机理为

Xing Aiping等[18]以K3[Fe(CN)6]为氮源,将该方法拓展到芳基乙酸向芳腈的转化反应中.

与芳基醛、芳基乙酮、芳基乙酸相比，苄醇的反应具有更大挑战性，而且该原料往往较为便宜易得；但至今鲜见以苄醇和K4[Fe(CN)6]为原料进行芳腈合成的报道.因此,本文试图将该方法拓展到苄醇向芳腈的转化中,反应机理为

实验发现在氧化亚铜催化和氧气存在的条件下,K4[Fe(CN)6]中的碳-氮三键能够发生完全断裂，使苄醇发生需氧氧化并转化为芳腈，这为一系列芳腈的合成提供一种经济有效的新方法.与相关方法相比，本文方法把反应物扩展到价格较便宜的苄醇,并且使用的催化剂Cu2O为多相催化剂,循环使用性能良好.

1 实验部分

1.1 主要仪器与试剂

仪器:上海仪电物理光学仪器有限公司WRR-Y 型显微熔点仪;Bruker 400 MHz型核磁共振仪(CDCl3为溶剂,TMS为内标)；日本岛津QP2020NX气相色谱-质谱联用仪;Varian CP-3800型气相色谱仪(CP-WAX 57CB毛细管柱).

试剂:K4[Fe(CN)6]·3H2O、二甲基亚砜(DMSO)及所有苄醇类试剂均购自上海阿拉丁生化科技股份有限公司;氧化亚铜、溴化亚铜、均四甲基苯,购自百灵威科技有限公司.所有试剂均为分析纯.

1.2 芳腈的合成

在40 mL高压反应釜中加入0.5 mmol芳基甲醇、0.75 mmol K4[Fe(CN)6]·3H2O、0.5 mmol Cu2O和2 mL DMSO,并向反应釜中充氧气,使瓶内气压达到1.5 MPa.然后在140 ℃下磁力搅拌反应40 h.在反应结束后冷却至室温,加入均四甲基苯内标物，进行气相色谱分析，确定产物的气相内标的产率.另一个平行实验经硅胶柱层析纯化得芳腈(洗脱剂:V(石油醚)/V(乙酸乙酯)=(10～20) /1),产物结构通过1H NMR和13C NMR表征.

2 结果与讨论

2.1 溶剂和催化剂对反应的影响

在1.5 MPa氧气和CuCl为催化剂的条件下，考察了一系列溶剂的效果(见表1).从表1可以看出:溶剂的类型对反应有着重要的影响.当以环己烷为溶剂时，仅有少量的苯甲醛生成，几乎没有得到目标产物苯腈(序号1).当以甲苯和环氧乙烷为溶剂时，得到的主产物是苯甲醇，苯腈的产率分别仅有9%和16%(序号2和序号3).当以四氢呋喃为溶剂时，主产物是苯甲酸.当以乙腈和DMF为溶剂时苯腈的产率分别为27%和31%(序号4和序号5).在筛选的溶剂中以DMSO的效果最好(序号7)，苯腈的产率为49%，副产物主要是苯甲酰胺.接着考察了不同的铜盐对反应的影响(见表1).当以CuBr为催化剂时,苯腈的产率为41%(序号8);CuBr2、CuCl2·2H2O、Cu(NO3)2·3H2O、Cu(acac)2等2价铜盐也能催化该反应的进行(序号9～13).按照常理，与均相催化剂相比，多相催化剂的分散度低，催化效率往往低于均相催化剂的.然而，在该反应中难以溶解的CuO和Cu2O却比铜盐效果更好.其中Cu2O是最佳催化剂，当以Cu2O作催化剂时苯腈的产率最高(73%,序号15).

表1 溶剂和催化剂对反应的影响

2.2 反应温度和氧气压强条件的优化

以Cu2O为催化剂，考察了不同温度对反应的影响,结果如表2所示.140 ℃是最佳反应温度(序号5),该温度低于相关文献使用的温度[16],如以芳基醛和铁氰化钾为原料合成芳腈的反应需要150 ℃的反应温度.当反应温度降低到120 ℃时，苯腈的产率仅为32%(序号4)；当继续降低反应温度到100 ℃时，反应几乎不发生(序号3);当提高温度到160 ℃时，苯甲醇能够转化完全，但目标产物的产率却降到65%(序号 6).这主要归因于过高的反应温度会导致较多苯甲酰胺副产物的生成.接着考察了氧气压强对反应的影响.从表2可以看出:1.5 MPa压强的

表2 温度和氧气压强的优化

氧气能够满足反应的需要，苯腈的产率为73%(序号 5).若氧气压强低于1.5 Mpa则会导致苯腈产率降低(序号7和序号8);若把氧气压强从1.5 Mpa提高到2.0 MPa、3.0 MPa和4.0 MPa时，目标产物的产率几乎保持不变(序号9～11).

2.3 不同结构苄醇的反应

在最佳反应条件下，考察了一系列苄醇的反应，所获产物芳腈的分离产率如表3所示.当以苯甲醇为底物时，苯腈的分离产率为69%(序号1)，该产率明显低于在相同反应条件下的气相产率.这主要归因于苯腈沸点较低，在分离过程中容易挥发损失.总之，反应能够容忍溴基、硝基、烷基、烷氧基、酯基等基团的存在(序号2～10)，反应的副产物主要是芳基酰胺.芳环的电子效应似乎对反应影响不大，在羟甲基的对位带有吸电子或给电子基团2种情况下，得到类似产率(序号2～8).在邻甲基苯甲醇的反应中，腈类产物的产率为41%(序号6);而反应点位阻较大的对甲基苯甲醇给出较高的产率(76%,序号5).这说明该反应对位阻效应具有一定的敏感度.2-萘甲醇和9-蒽甲醇也能有效地发生氰化，目标产物的产率分别为87%和77%(序号11和序号12).考察了杂环类芳基甲醇的反应，其中1-呋喃甲醇和1-噻吩甲醇是有效的底物，芳腈产物的产率分别为63%和55%(序号13和序号15).

接下来给出表3各产物的具体图谱数据.

表3 一系列苄醇的反应

苯腈(序号1):1H NMR(400 MHz,CDCl3):δ=7.71～7.56(m,3H),7.48(t,J=6.6 Hz,2H);13C NMR(101 MHz,CDCl3):δ=132.8,132.1,129.2,118.9,112.4.

4-溴苯腈(序号2):1H NMR(400 MHz,CDCl3):δ=7.65(d,J=8.7 Hz,2H),7.54(d,J=8.6 Hz,2H);13C NMR(101 MHz,CDCl3):δ=133.6,132.8,128.2,118.2,111.4.

4-硝基苯腈(序号3):1H NMR(400 MHz,CDCl3):δ=8.36～8.43(m,2H),8.06～7.76(m,2H);13C NMR(101 MHz,CDCl3):δ=133.5,124.3,118.4,116.8.

4-氰基苯甲酸甲酯(序号4):1H NMR(400 MHz,CDCl3):δ=8.16(d,J=8.5 Hz,2H),7.76(d,J=8.5 Hz,2H),3.98(s,3H);13C NMR(101 MHz,CDCl3):δ=165.4,133.9,132.2,130.1,118.0,116.4,52.7.

4-甲基苯腈(序号5):1H NMR(400 MHz,CDCl3):δ=7.56(d,J=8.1 Hz,2H),7.29(d,J=7.9 Hz,2H),2.44(s,3H);13C NMR(101 MHz,CDCl3):δ=143.7,132.1,129.0,119.2,109.3,21.9.

2-甲基苯腈(序号6和序号7):1H NMR(400 MHz,CDCl3):δ=7.71～7.53(m,1H),7.52～7.37(m,1H),7.36～7.14(m,2H);13C NMR(101 MHz,CDCl3):δ=141.9,132.7,132.5,130.2,126.2,118.1,112.8,20.5.

4-甲氧基苯腈(序号8):1H NMR(400 MHz,CDCl3):δ=7.61(d,J=7.2 Hz,2H),6.97(d,J=7.3 Hz,2H),3.88(d,J=1.3 Hz,3H);13C NMR(101 MHz,CDCl3):δ=162.9,134.0,119.2,114.8,104.0,55.6.

3,4,5-三甲氧基苯腈(序号9):1H NMR(400 MHz,CDCl3):δ=6.88(d,J=1.8 Hz,2H),3.91(m,3.92～3.89,9H);13C NMR(101 MHz,CDCl3):δ=153.6,142.4,119.0,109.5,106.7,61.1,56.4.

3,4-亚甲二氧基苯腈(序号10):1H NMR(400 MHz,CDCl3):δ=7.23(dd,J1=8.1 Hz,J2=1.0 Hz,1H),7.06(s,1H),6.89(d,J=8.1 Hz,1H);13C NMR(101 MHz,CDCl3):δ=151.6,148.1,128.2,118.9,111.4,109.2,105.0,102.2.

2-萘腈(序号11):1H NMR(400 MHz,CDCl3):δ=8.25(d,J=8.2 Hz,1H),8.09(d,J=8.2 Hz,1H),7.93(t,J=7.1 Hz,2H),7.71(dd,J=7.9,7.1 Hz,1H),7.64(t,J=7.5 Hz,1H),7.53(t,J=7.7 Hz,1H);13C NMR(101 MHz,CDCl3):δ=133.3,132.9,132.7,132.4,128.7,128.6,127.6,125.2,125.0,117.9,110.2.

9-氰基蒽(序号12):1H NMR(400 MHz,CDCl3):δ=8.67(s,1H),8.42(d,J=8.7 Hz,2H),8.08(d,J=8.5 Hz,2H),7.73(t,J=7.5 Hz,2H),7.60(t,J=7.2 Hz,2H);13C NMR(101 MHz,CDCl3):δ=133.2,132.7,130.6,128.9,126.3,125.2,117.2,105.4.

2-氰基呋喃(序号13):1H NMR(400 MHz,CDCl3):δ=7.59(s,1H),7.10(d,J=3.6 Hz,1H),6.54(t,J=1.8 Hz,1H);13C NMR(101 MHz,CDCl3):δ=147.5,126.1,122.1,111.6.

2-氰基噻吩(序号14和序号15):1H NMR(400 MHz,CDCl3):δ=7.66～7.51(m,2H),7.08(dd,J1=5.0 Hz,J2=3.8 Hz,1H);13C NMR(101 MHz,CDCl3):δ=137.57,132.92,127.81,114.32,109.63.

2.4 反应机理的研究

在表1的反应中能够检测到苯甲醛的生成，而且在图1(a)中实验结果表明苯甲醛能有效地转化为苯腈.这说明该反应经历苯甲醛中间体，即苯甲醇首先发生氧化脱氢生成苯甲醛,然后再转化为苯腈.为了探明在苯甲醇脱氢步骤中真正的催化剂，考察了在无K4[Fe(CN)6]或无Cu2O条件下的反应.如图1(b)和图1(c)所示，在该2种条件下，苯甲醛的产率都较低(分别为9%和11%).这说明在苯甲醇氧化脱氢步骤中铁盐和铜盐都起重要的催化作用.

图1 在机理研究中的控制实验

结合相关文献[16-17]报道，本文以苯甲醇的反应为代表，提出了苯甲醛为反应中间体的机理路径.在铁和铜的共同作用下，苯甲醇首先发生需氧氧化脱氢生成苯甲醛,苯甲醛在铜的催化作用下被氧气氧化成苯甲酰自由基,该自由基在铜作用下与氰离子和氧气反应生成苯腈[16].反应机理为

3 结论

在氧化亚铜催化和氧气存在的条件下，K4[Fe(CN)6]的碳-氮三键能够发生完全断裂，使苄醇发生需氧氧化并转化为芳腈，这为一系列苯腈、萘腈和呋喃甲腈的合成提供了新方法.本文研究了溶剂、催化剂、温度等条件对反应的影响，得出的最佳反应条件为0.50 mmol芳基甲醇、0.75 mmol K4[Fe(CN)6]·3H2O、0.50 mmol Cu2O、2 mL DMSO、1.5 MPa O2和140 ℃.在该反应条件下，芳腈的产率为62%～87%.该反应能够容忍氯基、溴基、氰基、烷基、烷氧基等基团的存在，反应的副产物主要是芳基酰胺,并提出了该反应的机理:芳基甲醇首先发生需氧氧化脱氢生成芳基甲醛,然后再转化为芳腈.