1-硝基環(huán)己烯的合成方法改進(jìn)
徐海云*，馮翠蘭
( 商丘師范學(xué)院 化學(xué)系，河南 商丘 476000)
摘要: 環(huán)己醇在以濃硫酸和磷酸組成的混合酸催化作用下，脫水得到環(huán)己烯，且當(dāng)混合酸中濃硫酸和磷酸的體積比為1∶ 2時(shí)，環(huán)己烯的收率最高; 在乙二醇( EG) 作用下，亞硝酸鈉和碘在乙酸乙酯和水中硝化環(huán)己烯得到標(biāo)題化合物，其結(jié)構(gòu)經(jīng)1HNMR、IR 和元素分析表征。該“一鍋”合成法采用碘-乙二醇 / 亞硝酸鈉替代氯化汞 / 亞硝酸鈉硝化環(huán)己烯制備標(biāo)題化合物，不涉及用堿液對(duì)中間產(chǎn)物的處理，也避免了高毒性有機(jī)試劑的使用且反應(yīng)為均相體系，預(yù)處理簡單方便，產(chǎn)率較高。
關(guān)鍵詞: 環(huán)己醇; 混酸; 環(huán)己烯; 1-硝基環(huán)己烯; 工藝改進(jìn)
中圖分類號(hào): O625 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A 文章編號(hào):0258-3283( 2011) 10-0951-04
硝基化合物是一類數(shù)量龐大且具有很多用途的有機(jī)化合物，而其中的由烯烴經(jīng)硝化反應(yīng)得到的共軛硝基烯烴類化合物，在有機(jī)合成中可作為一種非常重要的有機(jī)中間體，也可用作合成雜環(huán)化合物的起始原料以及醫(yī)藥、農(nóng)藥合成的中間體［1］。例如，用 1-硝基環(huán)己烯通過 Barton-Zard［2］反應(yīng)可合成 2-乙氧羰基-3-甲基-4，5-四亞甲基吡咯等，它在卟啉的合成、藥物試劑、導(dǎo)電聚合物等方面起著極其重要的作用［3，4］。因此，關(guān)于共軛硝基烯烴化合物的合成研究已引起人們的極大興趣。迄今已報(bào)道了多種合成共軛硝基烯烴的方法，其主要是通過烯烴的硝化或通過 2-硝基醇的脫水反應(yīng)制得［5］。其中經(jīng)典的合成法主要有烯烴與硝酸反應(yīng)［6］; 烯烴與一氧化氮的反應(yīng)［7］; 烯烴與四氧化二氮的反應(yīng)［8］; 烯烴與亞硝酸銀( 或亞硝酸鈉、亞硝酸鉀) 的反應(yīng)［9，10］等。
對(duì)于制備 1-硝基環(huán)己烯的起始原料———環(huán)己烯，實(shí)驗(yàn)中通常采用濃硫酸或磷酸催化環(huán)己醇經(jīng)液相脫水制得，此法雖然經(jīng)典，但收率不高，一般只有 50% ～ 60% 左右，且濃硫酸腐蝕性強(qiáng)、碳化嚴(yán)重、污染環(huán)境，而磷酸雖無強(qiáng)氧化性但其催化效果較差、催化劑的消耗量較大。為克服以上缺陷，有不少文獻(xiàn)報(bào)道了采用固體超強(qiáng)酸、沸石、雜多酸 等 其 他 的 替 代 催 化 劑 來 催 化 合 成 環(huán) 己烯［11-13］，但這些催化劑有的制備困難，價(jià)格較貴，有的產(chǎn)品收率較低或不同程度上存在反應(yīng)時(shí)間較長或后處理復(fù)雜的缺點(diǎn)。本實(shí)驗(yàn)我們首先采用濃硫酸與磷酸組成的混合酸為催化劑催化環(huán)己醇合成環(huán)己烯，并考察兩種酸的不同體積比對(duì)環(huán)己烯收率的影響，研究結(jié)果表明: 當(dāng)兩者的體積比V( 濃硫酸) ∶ V( 磷酸) = 1∶ 2 時(shí)，其收率為最大，達(dá)78. 4% ，相比傳統(tǒng)方法其產(chǎn)率提高了約 20% ～30% ，且反應(yīng)能夠平穩(wěn)進(jìn)行、碳化現(xiàn)象較少。
文獻(xiàn)［10，14］曾報(bào)道在水溶液的非均相體系中，采用氯化汞/亞硝酸鈉硝化環(huán)己烯制備出具有較高產(chǎn)率的 1-硝基環(huán)己烯，但該法中需使用毒性強(qiáng)的氯化汞試劑，對(duì)人體非常有害且含有汞鹽的廢棄物也易造成環(huán)境污染; 同時(shí)，由于該反應(yīng)為非均相體系，在反應(yīng)過程生成的中間產(chǎn)物———硝基有機(jī)汞化物粘度較大且易結(jié)塊，另外還需要添加適量堿液來處理這種中間產(chǎn)物才能生成最終的產(chǎn)物，從而帶來后處理的繁瑣與不便利。本實(shí)驗(yàn)中，我們?cè)趯?duì)起始物環(huán)己烯的合成進(jìn)行改進(jìn)的基礎(chǔ)上，又對(duì)文獻(xiàn)中所報(bào)道的通過環(huán)己烯與亞硝酸鈉的硝化反應(yīng)制得 1-硝基環(huán)己烯的合成方法進(jìn)行了改進(jìn)，即采用碘-乙二醇/亞硝酸鈉替代氯化汞/亞硝酸鈉硝化環(huán)己烯制備 1-硝基環(huán)己烯，該方法盡管所得收率略低于文獻(xiàn)方法，但避免了大量有毒試劑的使用，也無需堿液處理中間產(chǎn)物，且反應(yīng)為均相體系，其后處理過程簡單方便。其合成路線如下所示。
1 實(shí)驗(yàn)部分
1. 1 主要儀器與試劑
Vector 紅外光譜儀 ( KBr 壓片法，掃描范圍400 ～ 4 000 cm－ 1，德國 Bruker 公司) ; ARX500 型核磁共振儀( TMS 為內(nèi)標(biāo)，氘代 CDCl3為溶劑，德國 Bruker 公司) ; 204B 型元素自動(dòng)分析儀( 美國Perkin-Elmer 公司) ; GC9790 型氣相色譜儀( 浙江福立分析儀器有限公司) ; WYA-2 型阿貝折射儀( 青島富勒姆科技有限公司) 。
環(huán)己醇( 杭州常青化工有限公司) ; 濃硫酸、磷酸( 天津市化學(xué)試劑一廠) ; 亞硫酸氫鈉( 濰坊凱龍化工有限公司) ; 六水氯化鐵( 溫州化學(xué)試劑廠) ; 乙酸乙酯、亞硝酸鈉( 開封市芳晶化學(xué)試劑有限公司) ; 碘、乙二醇、硫代硫酸鈉( 上海試劑公司) ; 無水氯化鈣、食鹽、二氯甲烷( 開封市化學(xué)試劑總廠) 等，除特別說明外，均為市售分析純或化學(xué)純?cè)噭?，使用前無需一步處理; 柱層析使用硅膠( 100 ～200 目，青島宇東硅能化工有限公司) 。
1. 2 化合物的合成
1. 2. 1 環(huán)己烯( 2) 的合成
在 100 mL 干燥的圓底燒瓶中，加入 19. 2 g20 mL( 0. 192 mol) 環(huán)己醇，在充分振蕩下慢慢滴加 3 mL 事先配制好的由濃硫酸和磷酸組成的混酸( V( 磷酸) ∶ V( 濃硫酸) = 2∶ 1) ，再加入幾粒沸石。燒瓶上裝一短的分餾柱作分餾裝置，接上冷凝管，用錐形瓶作接受器，外用冰水冷卻。將燒瓶在石棉網(wǎng)上用小火慢慢加熱，控制加熱速度使分餾柱上端的溫度不要超過90 ℃，餾出液為帶水的混合物。當(dāng)燒瓶中只剩下很少量的殘液并出現(xiàn)陣陣白霧時(shí)，即可停止蒸餾。將蒸餾液分去水層，加入等體積的飽和食鹽水，充分振搖后靜止分層，分去下面水層。上層粗產(chǎn)物用少量無水氯化鈣干燥至透明，再轉(zhuǎn)入到50 mL 干燥的圓底蒸餾瓶中，加入幾粒沸石，用水浴加熱蒸餾。收集80 ～85 ℃的餾分，得12. 4 g 無色透明液體，收率78. 4%，n20D=1. 445 2( 文獻(xiàn)［15］值: 1. 446 5) ; 用氣相色譜檢測純度為 96. 7%( 固定液用鄰苯二甲酸二壬酯) 。IR( KBr) ，ν，cm－ 1: 3 028( —CH) ; 2 932( —CH2) ;1 658( C C) ( 與文獻(xiàn)值一致) 。
1. 2. 2 1-硝基環(huán)己烯( 3) 的合成
在裝有磁力攪拌器的 150 mL 單口圓底燒瓶中加入 8. 2 g( 119 mmol) 亞硝酸鈉、4. 5 g( 72mmol) 乙二醇和 10 mL 水，攪拌下通過恒壓滴液漏斗滴加75 mL 溶有2. 0 g( 24 mmol) 環(huán)己烯的乙酸乙酯溶液，滴畢，再于 0 ℃ 左右一次性加入9. 2 g( 36 mmol) 碘，排出空氣后在氮?dú)獗Ｗo(hù)下室溫?cái)嚢璺磻?yīng)72 h。將反應(yīng)混合物轉(zhuǎn)移到分液漏斗進(jìn)行分層，將所得的有機(jī)層用水洗滌后，用足量的10% 硫代硫酸鈉水溶液洗滌( 直至溶液由紅棕色變成淡黃色為止) ，再用飽和食鹽水洗滌，用無水硫酸鈉干燥后經(jīng)減壓旋蒸除去溶劑。所得粗產(chǎn)物進(jìn)行柱層析分離( 用 100 ～ 200 目硅膠裝柱，二氯甲烷作洗脫劑) ，收集第一個(gè)餾分并經(jīng)減壓濃縮后得到 2. 0 g 淡 黃 色 液 體，收 率 65. 7%。IR( KBr) ，ν，cm－ 1: 1 668( w，C C) ; 1 514( s，C C—NO2) ; 1 332 ( s，C C—NO2) 。1HNMR( CDCl3) ，δ: 7. 28( t，1H，J =5 Hz ， CH) ; 2. 58 ～2. 63( m，2H，CH2) ; 2. 34 ～ 2. 40 ( m，2H，CH2) ;1. 57 ～ 1. 94( m，4H，CH2) 。元素分析，C6H9NO2，實(shí)測值( 計(jì)算值) ，%: C 56. 71( 56. 68) ; H 7. 11( 7. 13) ; N 11. 08( 11. 02) 。
2 結(jié)果與討論
2. 1 環(huán)己烯的合成
我們研究了由濃硫酸和磷酸組成的混合酸催化劑中兩種酸的體積比對(duì)環(huán)己醇脫水形成環(huán)己烯收率的影響，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果列于表 1。從表中可以看出，隨著磷酸含量的增加，其收率也增加，當(dāng)V( 濃硫酸) ∶ V( 磷酸) = 1 ∶ 2 時(shí)，收率達(dá)到最大值( 78. 0%) 。這是由于濃硫酸雖催化效果好，但易使環(huán)己醇發(fā)生碳化現(xiàn)象從而影響產(chǎn)率，而通過加入適當(dāng)比例的磷酸可在一定程度上稀釋濃硫酸從而減弱其強(qiáng)氧化性、減少碳化現(xiàn)象發(fā)生，使得其產(chǎn)率提高。另外，為了進(jìn)一步考察混合酸的催化效果，我們還選用了其他的一些催化劑來催化環(huán)己醇合成環(huán)己烯，所得結(jié)果見表 2。從表中的結(jié)果不難看出，我們所采用的混合酸催化劑相比較一些常見催化劑，其所得產(chǎn)物收率為最高，催化效果為最佳。
2. 2 化合物 3 的合成
由于該反應(yīng)所需時(shí)間較長，為抑制亞硝酸鈉在空氣逐漸被氧化為硝酸鈉而影響環(huán)己烯的硝化，反應(yīng)需要在無氧條件下進(jìn)行( 本實(shí)驗(yàn)用氮?dú)獗Ｗo(hù)球來提供惰性氣氛) 。另外，為了有效除去反應(yīng)液中未參與反應(yīng)的過量碘，必須用適量的10% 的硫代硫酸鈉溶液充分洗滌混合液，直至溶液顏色由原來的棕紅色變?yōu)榈S色，否則會(huì)造成經(jīng)柱層析分離后的產(chǎn)物顏色較深，影響產(chǎn)物的純度。本實(shí)驗(yàn)在參考相關(guān)文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，還著重考察了由環(huán)己烯合成化合物 3 的最佳反應(yīng)條件。
反應(yīng)條件同 1. 2. 2，考察了亞硝酸鈉用量對(duì)合成化合物 3 的影響，結(jié)果見表 3。由表 3 可見，n( NaNO2) ∶ n( 化合物 2) =6. 0∶ 1. 0 時(shí)，收率最大( 65. 7%) 。這是由于當(dāng)作為硝化試劑的亞硝酸
鈉用量過少時(shí)環(huán)己烯與其發(fā)生的硝化反應(yīng)不完全; 當(dāng)亞硝酸鈉用量過多時(shí)，需水量較大，從而使反應(yīng)濃度降低，影響反應(yīng)速率和產(chǎn)率。
文獻(xiàn)［16］曾報(bào)道，在該反應(yīng)中乙二醇起著非常重要的作用，若反應(yīng)起始物中缺少乙二醇，則該反應(yīng)獲得的主要產(chǎn)物是碘醇而并非 1-硝基環(huán)己烯。為進(jìn)一步研究乙二醇在該反應(yīng)中的作用，我們考察了乙二醇用量對(duì)合成化合物 3 的影響( 反應(yīng)條件同 1. 2. 2) ，其結(jié)果列于表 4。從表 4 可以看出，乙二醇對(duì)收率影響較大，隨著乙二醇用量的逐漸增加收率也明顯增加，當(dāng)乙二醇( EG) 用量即n( 乙二醇) ∶ n( 化合物 2) = 2. 5 ～ 3. 0 時(shí)，收率達(dá)到最大值; 若繼續(xù)增加乙二醇的量收率反而會(huì)下降。這可能是由于乙二醇與反應(yīng)物中被亞硝酸鈉飽和的水發(fā)生的強(qiáng)烈的分子間相互作用，從而使其抑制了次碘酸的產(chǎn)生卻促進(jìn)了硝基碘化物的生成( 硝基烯烴化合物的形成可能經(jīng)過硝基碘化物中間體)［17］，而當(dāng)乙二醇用量過多時(shí)，可能更易引起烯烴雙鍵的加成反應(yīng)生成羥基硝基化合物等副產(chǎn)物而影響產(chǎn)物的收率。
反應(yīng)條件同 1. 2. 2，考察了反應(yīng)時(shí)間對(duì)合成化合物 3 的影響，結(jié)果見表 5。由于該反應(yīng)需在常溫下進(jìn)行，反應(yīng)速率相對(duì)較慢，從表 5 可以看出，延長反應(yīng)時(shí)間有利于產(chǎn)物形成，隨著反應(yīng)時(shí)間的增長，該反應(yīng)的收率也不斷提高，當(dāng)反應(yīng)時(shí)間達(dá)72 h 時(shí)，環(huán)己烯的硝化反應(yīng)基本達(dá)到了平衡。當(dāng)反應(yīng)時(shí)間 ＞72 h 時(shí)，反應(yīng)產(chǎn)物的收率反而有所下降，這可能是由于隨著反應(yīng)時(shí)間的增加往往會(huì)得到更多的雙鍵加成等副產(chǎn)物。
3 結(jié)論
以濃硫酸和磷酸組成的混合酸為催化劑催化環(huán)己醇( 1) 制得化合物 2，且當(dāng)混合酸中濃硫酸和磷酸的體積比為 1∶ 2時(shí)，化合物 2 的收率最大; 在乙二醇( EG) 作用下，亞硝酸鈉和碘在乙酸乙酯和水中硝化化合物 2 得到化合物 3。較適宜的反應(yīng)條件 為: 24 mmol 化 合 物 2 及 36 mmol 碘，n( NaNO2) ∶ n( 化合物 2) =6. 0∶ 1. 0，n( 乙二醇) ∶n( 化合物 2 ) = 2. 5 ～ 3. 0，常溫反應(yīng) 72 h，收率65. 7% 。該方法采用碘-乙二醇 / 亞硝酸鈉替代氯化汞/亞硝酸鈉硝化環(huán)己烯制備化合物 3，盡管所得收率略低于文獻(xiàn)方法，但避免了大量有毒試劑的使用且反應(yīng)為均相體系，預(yù)處理簡單方便。
參考文獻(xiàn):
［1］KABALKA G W，VAMA R S． Syntheses and selected re-ductions of conjugated nitroalkenes-a review［J］． Org．Prep． Proced． Int． ，1987，19( 4 /5) : 283-328．
［2］BARTON D H R，ZARD S Z． A new synthesis of pyrrolesfrom nitroalkenes［J］． J． Chem． Soc． ，Chem． Commun． ，1985，16: 1 098-1 100．
［3］LASH T D，VONRUDEN A L． Synthesis and reactivity ofN-methyl and N-phenyl meso-unsubstituted N-confusedporphyrins［J］． J． Org． Chem． ，2008，73 ( 23 ) : 9 417-9 425．
［4］張琳，溫燕梅，謝建黃，等． 杯芳烴-卟啉化合物及其鋅、鈀配合物的制備與成膜性能研究［J］． 分子科學(xué)學(xué)報(bào)，2009，25( 5) : 361-364．
［5］RANGANATHAN D，RAO C B，RANGANATHAN S，etal． Nitroethylene: a stable，clean，and reactive agent fororganic synthesis ［J］． J． Org． Chem． ，1980，45 ( 7 ) :1 185-1 189．
［6］MEGGES R，WEILAND J，UNDEUTSCH B，et al． The ni-tration of canrenone with acetic anhydride / nitric acid［J］． Steroids，1997，62( 12) : 762-766．
［7］STREEKUMAR R，PADMAKUMAR R，RUGMIMI P．One-pot synthesis of nitroolefins using zeolite［J］． Tetra-hedron Lett． ，1998，39( 18) : 2 695-2 696．
［8］MCMURRAY J E，MUSSERJ H，F(xiàn)LEMING I，et al． Theγ-alkylation of enones using silyl enol ethers［J］． Org．Synth． ，1988，( VI) : 799-803．
［9］WALDAMAN S R，MONTE A P，BRACEY A，et al． One-pot Claisen rearrangement / O-methylation / alkene isomeri-zation in the synthesis of ortho-methoxylated phenyliso-propylamines［J］． Tetrahedron Lett． ，1996，37 ( 44 ) :7 889-7 892．
［10］COREY E J，ESTREICHER H． A new synthesis of con-jugated nitro cyclo olefins，unusually versatile syntheticintermediates［J］． J． Am． Chem． Soc． ，1978，100 ( 19) :6 294-6 295．
［11］張霞，吳鳳華，胡益民． 固體超強(qiáng)酸 SO2 －4-La2O3-TiO2催化合成環(huán)己烯［J］． 安徽師范大學(xué)學(xué)報(bào): 自然科學(xué)版，2006，29( 1) : 49-51．
［12］張 敏，袁先友． 脫鋁超穩(wěn) Y 沸石催化環(huán)己醇脫水制備環(huán)己烯［J］． 精細(xì)化工，2000，17( 5) : 287-289．
［13］李家其，尹篤林，郭軍，等． 鉬磷酸催化環(huán)己醇脫水制備環(huán)己烯［J］． 應(yīng)用化工，2008，37( 4) : 358-360．
［14］廖勇剛，宋建新，王立功，等． Barton-Zard 反應(yīng)合成 2-乙氧羰基-4，5，6，7-四氫異吲哚方法的改進(jìn)［J］． 化學(xué)試劑，2006，28( 11) : 663-667．
［15］章思規(guī)，章偉． 精細(xì)化學(xué)品及中間體手冊(cè)［M］． 北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2004: 431-432．
［16］COMFORTH J W，GREEN D T． Iodohydrins and epox-ides from olefins［J］． J． Chem． Soc． C，1970，6: 846-849．
［17］JEW S，KIM H，CHO Y，et al． A practical preparationsof conjugated nitroalkenes［J］． Chem． Lett． ，1986，15( 10) : 1 747-1 748．
來源：中國化學(xué)試劑網(wǎng)
