朱益忠.. 蔡.. 春*
( 南京理工大学化工学院.. 南京210094)
摘.. 要.. 以亚铁为氰基化试剂, 以醋酸钯为催化剂制备了芳香族氰基化合物。考察了原料比、时间、反 应温度、催化剂的用量等反应条件对反应的影响, 确定了较佳的反应条件。在n ( K4 [ Fe ( CN ) 6 ] .. 3H2O ) .. n( PhBr) ..n( Pd( OAc) 2 ) = 200..1 000..1, 反应温度130 .. , 反应1.. 5 h条件下, 溴苯转化率达99%, 产物氰基苯
收率为95%。氰基化试剂亚铁与传统的氰基化试剂相比无毒, 无需经过复杂的预处理, 而且廉价易得。
这种氰基化反应催化体系简单, 无需添加昂贵的催化剂配体, 催化剂的用量少, 并且反应的后处理简单, 对环
境污染小, 是一种效益明显的氰化芳烃的制备方法。同时进一步考察了其它卤代芳烃的氰基化反应, 活泼的
溴代芳烃和碘代芳烃均能得到很好得率: 91% ~ 96%。
关键词.. 氰基化, 亚铁, 芳香族氰基化合物
中图分类号: O621. 2; O625. 6.. .. .. .. .. 文献标识码: A.. .. .. .. .. 文章编号: 1000..0518( 2007) 08..0888..05 磺胺脒
2006..08..30收稿, 2007..01..08 修回
通讯联系人: 蔡春, 男, 教授, 博士生导师; E..m ai:l c. ca@i m ai.l n just. edu. cn; 研究方向: 精细有机化学品合成
芳香族氰基化合物是重要的有机合成中间体, 既可水解制备芳酸也可以还原成芳胺, 在农药、染料
和医药领域应用很广。传统氰基化试剂有N aCN[ 1~ 3] , KCN[ 4, 5] , TMSCN ( Trime thylsilyl cyan ide ) [ 6, 7] ,
Zn( CN ) [ 8~ 13]
2 , CuCN[ 14] , ( CH3 ) 2 C( OH ) CN[ 15] 。其中N aCN 和KCN剧毒; Zn( CN ) 2和CuCN 会造成重金
属污染; TMSCN 容易吸潮, 处理不方便, 与( CH3 ) 2C (OH ) CN 一样均会在反应过程中放出剧毒的氰化氢
气体[ 16] , 造成环境严重污染。近年德国化学家开发了在配体协助催化下以K4 [ Fe( CN ) 6 ] [ 16~ 20] 为氰化
试剂的氰化反应, 受到广泛关注。因K4 [ Fe( CN ) 6 ]有氰根但没有的毒性, 而且廉价易得。亚铁氰
化钾作为氰基化试剂无需经过复杂的预处理, 其6个氰根均可与卤素交换, 因此氰基化反应不需要大量
的亚铁。同时反应后处理简单, 不会对环境造成污染。本文以亚铁为氰基化试剂, 进行了
溴苯等卤代芳烃的氰基化反应。考察了物料比、反应时间、反应温度、催化剂的用量、亚铁粒径、
碱和溶剂对反应的影响, 确定了反应条件。合成路线如Scheme 1所示。
1.. 实验部分
1. 1.. 仪器和试剂
HP4890型气相谱仪(美国) , HP..5弹性石英毛细管柱( 30 m .. 0..25 mm) , 进样温度260 .. , 初始
温度70 .. ( 3 m in) , 升温速率20 .. /m in, 结束温度250 .. ( 15 m in) , 氢火焰离子化检测器温度290 .. ;
Trace DSQ 气质联用仪(GC /MS) (美国) , 谱
柱为DB5弹性毛细管MS柱( 30 m .. 0. 25mm ..0..25m ),
美洲虎xk8进样温度220 .. , 初始温度50.. ( 1m in) , 升温速率20.. / m in, 结束温度250.. ( 5 m in)。质谱离子源为
E I, 电子轰击能量为70 eV, 质量扫描范围(m /z) 50~ 450。卤代芳烃、亚铁、Pd( OA c) 2均为分析
纯试剂, 其它试剂为化学纯。
第24卷第8期应用化学Vo .l 24 No. 8
2007年8月.. .. .. .. .. .. .. CH INESE JOURNAL OF APPL IED CHEM ISTRY.. .. .. .. .. .. .. Aug. 2007
1. 2.. 卤代芳烃的氰化
在25mL烧瓶中, 加入6mmo lPhBr、0..006mmo lPd( OA c) 2、10mL DMAc(N, N ..dim ethylacetam ide)、
1..2mmo lK4 [ Fe( CN ) 6 ] .. 3H2O 和6 mmo l Na2CO3, 在N2 气保护下, 130 .. 反应一定时间。反应结束
后, 降至室温, 加入20 mL 乙酸乙酯稀释, 过滤。滤液依次用水( 15 mL .. 2 )、体积分数为5% 氨水
( 15mL .. 1)洗涤。所得有机相用无水Na2SO4干燥, 用GC 和GC /MS分析。MS( E I) , m /z: 103(M+ )。
2.. 结果与讨论
2. 1.. 亚铁用量对反应转化率和产物收率的影响
当反应温度为130 .. , 反应时间为1..5 h时, 亚铁的用量对氰基化反应的影响, 结果见表1。
表1.. n(K4 [ Fe( CN) 6 ] .. 3H2O) /n( PhBr)对氰基化反应的影响*
Table 1.. Effect of n(K4 [ Fe(CN ) 6 ] .. 3H2O) /n( PhBr) on the cyanation*
n ( K4 [ Fe( CN) 6 ] .. 3H2 O) /n ( PhB r) C onversion /% Y ield /% n ( K4 [ Fe( CN) 6 ] .. 3H2O ) /n ( PhB r) C onversion /% Y ield /%
0. 167 91. 8 85. 6 0. 200 98. 9 95. 0
0. 183 93. 3 87. 0 0. 208 99. 2 94. 8
0. 192 98. 6 93. 2 0. 217 99. 1 94. 6
.. .. * 0. 006mm ol of Pd (OA c) 2 w as u sed.
由表1可以看出, 当n ( K4 [ Fe( CN) 6 ] .. 3H2O) /n ( PhB r) = 0..167时, 体系中CN 与PhB r物质的量
相等, 氰基苯的得率为85. 6% , 表明了亚铁的6个氰根都可以与PhB r中的溴交换。因此, 推测其
机理如Scheme 2所示。
Pd( OA c) 2
L
Pd( 0) .. L: ligand(OA c- , solvent)
Pd( 0) + PhB r Ph.. Pd( 0) .. Br
..
1
Pd.. Pd( 0) .. B r+ [ Fe( CN ) 6 ] 4- Ph.. Pd( 0) .. CN
..
2
+ [ Fe( CN ) nB r6- n ] 4-
Ph.. Pd( 0) .. CN PhCN + Pd( 0)
Scheme 2.. Proposed mechan ism of pa atalyzed cyanat ion ofA ry l
halides w ith K4 [ Fe( CN ) 6 ] .. 3H2O
首先在共催化剂碳酸钠和配体作用下, Pd( OA c) 2还原为Pd( 0), Pd( 0)与溴苯反应生成氧化加成
产物( 1) , 产物( 1)中的溴与亚铁中的氰根交换生成配合物( 2) , 随后配合物( 2)还原消除生成氰
基苯并得到Pd( 0)。
从表1可看到, 随氰基化试剂亚铁用量增加, 转化率和得率逐步提高, 当n (K4 [ Fe( CN ) 6 ] ..
3H2O ) /n ( PhBr) = 0..2时, 转化率和氰基苯得率基本趋于稳定。
2. 2.. 反应条件对反应转化率和收率的影响
PhBr为6mmo ,l K4 [ Fe( CN ) 6 ] .. 3H2O 为1..2mmo,l Pd(OA c) 2 为0..00
6 mmo,l其它条件不变, 考察
了反应时间对氰基化反应的影响, 结果见表2。
表2..
反应时间对反应的影响
化学之歌Table 2.. Effect of reaction time on the cyana tion
Reaction t im e/h Conversion /% Y ield /% Reaction t im e/h C onversion /% Y ield /%
0. 5 51. 7 48. 9 1. 5 98. 9 95. 0
1 76. 4 73. 0 1. 75 99. 3 95. 6
1. 25 87. 4 83. 4 2 99. 0 95. 3
.. .. 由表2可以看出, 反应时间增加, 转化率和得率逐步提高, 当反应时间为1..5 h时, 转化率和氰基苯
.. 第8期朱益忠等: 卤代芳烃的氰基化反应889
得率基本趋于稳定。
其它条件同前, 考察了反应温度对氰基化反应的影响, 结果见表3。
表3.. 反应温度对反应的影响
Table 3.. Effect of reaction temperature on the cyana tion
t /.. Convers ion /% Y ield /% t /.. Conversion /% Y ield /%
110 8. 0 7. 2 130 98. 9 95. 0
120 59. 9 55. 5 135 99. 5 95. 2
125 94. 3 89. 7 140 99. 6 95. 3
新台网
.. .. 表中可见, 反应温度< 125 .. 时, 转化率和收率均比较低, 说明氰根不易从亚铁离子上转移。当温
度升到130 .. 时, 氰基苯得率达到95..0% , 因此选择130 .. 作为氰化反应温度。
其它条件不变, 考察了催化剂用量对氰基化反应的影响。结果见表4。
表4.. Pd(OAc) 2的量对反应的影响
Table 4.. Effect of the amount of Pd(OA c) 2 on the cyanat ion
x ( Pd( OAc) 2 ) * /% Conversion /% Y ield /% x ( Pd( OAc) 2 ) * /% C onversion /% Y ield /%
0. 01 1. 7 1. 7 0. 15 94. 6 90. 6
0. 05 85. 9 81. 7 0. 2 88. 2 84. 6
0. 1 98. 9 95. 0
.. .. * Mo lar rat io of Pd( OAc) 2 to PhBr.
.. .. 表4中可见, 当催化剂Pd( OA c) 2摩尔分数为PhBr摩尔分数的0..01% 时, 得率只有1..7% 。随着催
化剂用量增加, 转化率和得率逐步提高, 当Pd( OAc) 2摩尔分数为PhB r摩尔分数的0..1% 时, 转化率和
得率均达到最高值, 但催化剂用量继续增加时反而下降。这可能是与过多的催化剂致使钯的聚集, 形成
钯黑, 导致催化剂失活有关[ 21] 。
其它条件不变, 在K4 [ Fe( CN) 6 ] .. 3H2O用量不变的条件下, 考察了亚铁的粒径对氰基化反
应的影响, 结果见表5。
表5.. K4 [ Fe( CN ) 6 ] .. 3H2O的粒径对反应的影响
Table 5.. Effec ts of the different diameter s of particle ofK4 [ Fe(CN ) 6 ] .. 3H2O on the cyanation
D iam eter/mm Conversion /% Y ield /% D iam eter /mm C onversion /% Y ield /%
> 0. 35 94. 8 91. 1 0. 075~ 0. 1 98. 9 95. 0
0. 154 ~ 0. 35 96. 1 91. 5 < 0. 075 99. 5 95. 1
0. 1~ 0. 154 97. 8 93. 2
.. .. 表5中可见, 随着亚铁平均粒径减少, 转化率和得率逐步提高, 当平均粒径在0..075 ~
0..1mm时转化率和氰基苯得率均很高且已基本趋于稳定。说明亚铁粒径小, 在反应体系中分散
越均匀, 就增加与配合物( 1)接触机会, 从而提高了反应速率。
碱作为共催化剂, 广泛应
系统部署方案用于过渡金属催化反应。它们可以把高价过渡金属离子还原为低价[ 22] ,
考察了常见碱对氰基化反应的影响。结果见表6。
表6..
碱对反应的影响
Table 6.. Effects of different bases on the cyanation
Base Conversion /% Y ield /% Base C onversion /% Y ield /% 全后汉文
KOH 14. 8 13. 2 H COON a 14. 4 13. 3
CH 3COONa 43. 8 41. 4 K3 PO4.. 3H2O 46. 3 44. 3
CH3 CH 2ONa 0. 67 0 KF 60. 9 60. 3
t..BuOK 13. 4 12. 2 N a2CO3 98. 9 95. 0
.. .. 由表6可见, Na2CO3作为碱反应结果最好。这与最近报道的Suzuk i..Type
[ 23] 反应相同, Na2CO3是很
890 应用化学.. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. 第24卷..
好的共催化剂。
其它条件不变, 采用不同反应溶剂考察了氰基化反应的影响, 结果见表7。
表7.. 溶剂对反应的影响
Table 7.. Effects of different solvents on the cyanation
So lvent Conversion /% Y ield /% Solven t C onversion /% Y ield /%
NM P 99. 5 93. 4 DMSO 1. 8 1. 8
DM F 71. 4 66. 8 HCONH2 0 0
DMAc 98. 9 95. 0
.. .. 由表7可见, 不同反应溶剂对氰基化反应有明显的影响。用DMA c和NMP(N ..M ethy l..2..Py rrolidone)
为反应溶剂, 反应的得率分别为95..0%和93..4%。DMF(N, N ..dim ethy lform am ide)为反应溶剂时, 只能得
到中等得率。而甲酰胺与DMSO ( D im ethylsulfox ide)为反应溶剂时, 几乎不反应。这是由于亚铁
在DMA c与NMP中溶解性较好, 更能参与反应。
2. 3.. 其它卤代芳烃的氰基化反应
考察了K4 [ Fe( CN) 6 ] .. 3H2O作为氰基化试剂对其它卤代芳烃的氰基化反应, 结果见表8。
表8.. 其它卤代芳烃的氰基化反应结果
Table 8.. Results of cyanation of other Aryl halides
R X Conversion /% Y ield /% R X C onversion /% Y ield /%
p..OCCHa3
B r > 99 91. 0 m..CHc
3 I > 99 93. 6
p..OCHb
3 B r 41. 9 39. 8 p..CHc
3 I > 99 92. 8
o..OCHb
3 B r 12. 4 10. 8 o..NOd2
I 92. 2 52. 6
Hc I > 99 91. 0 p..CFd
3 C l 69. 4 64. 1
o..CH c
3 I > 99 96. 0
.. .. a. Reaction cond it ions: 1 equ iv of ary l halide( 6 mm ol) , 0. 2 equ iv ofK4 [ Fe( CN) 6 ] 3H 2O, 1 equ iv ofN a2 CO3, 0. 006mm olPd( OA c) 2,
10mL ofDMA c, 130 .. , 1. 5 h; b. React ion tem p. of150 .. w as requ ired; c. 0. 6 equ iv ofK4 [ Fe(CN) 6 ] .. 3H2 O w as requ ired; d. 0. 018mm ol
Pd (OA c) 2 and reaction temp erature of 150 .. w ere requ ired.
表中的邻硝基碘苯转化率为92..2% , 但得率却不高, 生成大量脱碘产物硝基苯。对于碘代芳烃, 氰
化反应需要氰基化试剂过量很多(亚铁的用量为底物的0..6)才能达到理想的转化率。这可能是
由于碘电子云密度较大, 与氰根交换时难于亚铁离子结合有关。表中结果表明, 卤代芳香族化合物中的
卤素离去能力是I, B r> C ;l芳烃上有吸电子基时, 活性增加, 有供电子基时, 活性降低; 苯环上其它
取代
基的位置也有影响, 如溴代苯甲醚的氰化反应中, 由于取代基的位阻效应, 对位甲醚的得率大于邻位的。
以上结果说明, 亚铁作为氰基化试剂与传统氰基化试剂相比, 亚铁
无毒, 无需经过复
杂的预处理, 而且廉价易得。无需昂贵的催化剂配体, 对一系列卤代芳烃的取代氰化均能取得较好的得
率, 反应的后处理简单, 对环境污染小, 是一种效益明显的氰化芳烃的制备方法。
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Cyanation of ArylHalides
ZHU Y i..Zhong, CA I Chun*
(Chem ical Eng ineering College, Nanjing University of Science& Technology, Nanjing 210094)
Abstract.. A cyanation process of ary l ha lides w ith K4 [ Fe( CN ) 6 ] 3H2 O as the cyanation reagen t in the
presence o f Pd(OA
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