專利名稱：苯酚類化合物的綠色硝化方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及一種有機化學合成方法，具體地說是苯酚類化合物的綠色硝化方法，是一種金屬鹽或金屬氧化物負載型催化劑催化苯酚類化合物的硝化方法。
背景技術(shù)：
芳香族化合物的硝化反應是一類十分重要的化工反應，其中苯酚類化合物的硝化在工業(yè)生產(chǎn)和藥物合成等領域有著重要的作用。例如，硝基酚是一類碳鋼緩蝕劑，對氯鄰硝基苯酚是藥物氯唑沙宗的中間體。對硝基苯酚的還原產(chǎn)物對氨基酚，是撲熱息痛和安妥明等藥物的中間體，同時還應用于顯影劑、抗氧化劑、乙烯基單體組聚劑等方面。
苯酚類化合物是一類非常易于硝化的化合物，但苯酚類化合物本身又易于被氧化，故在硝化方法的選擇上有一定困難。如在工業(yè)生產(chǎn)中，硝基苯酚一般都是由間接法生產(chǎn)的，這主要是苯酚直接硝化時易發(fā)生氧化反應，硝化產(chǎn)物的得率很低，且生成的氧化產(chǎn)物呈油狀物，使產(chǎn)品的分離、純化變得困難。
為了解決苯酚類化合物的硝化問題，今年來有許多關于這方面的研究報道。使用AgNO3/BF3為硝化劑，在CH3CN中進行硝化反應(Olah，G.A.；Narang，S.C.；Olah，J.A.；Lammertsma，K.；Proc.Nal.Aacad.Sci.，U.S.A 1982，4487)。使用NaNO3和HNO3做為硝化劑在芳香族溶劑中進行硝化(Thompson，M.J.；Zeeger，P.J.；Tetrahedron，1991，47，8787)。使用硝酸鈣為硝化劑，用濃硫酸催化苯酚類化合物的硝化(Bisarya，S.C.；Joshi，S.K.；Holker，A.G.；Synth.Commun.，1993，23(8)1125-1137)。使用100％HNO3在醋酸酐中，以Cu(NO3)2/K10為催化劑進行硝化反應(Gigante，B.；Prozeres，A.O.；Marcelo-Curto，M.J.；Cornelis，A.；Laszlo，P.；J.Org.Chem.，1995，3445-3447)。使用Fe(NO3)3·1.5N2O4、Cr(NO3)3·2N2O4和Cu(NO3)2·N2O4為硝化劑進行硝化(Firouzabadi，H.；Iranpoor，N.；Zolfigol，M.A.；Synth.Commun.，1997，27(19)，3301-3312 and Iranpoor，N.；Firouzabadi，H.；Zolfigol，M.A.；Synth.Commun.，1998，28(15)，2773-2781)。使用N2O4為硝化劑，在18-冠-6溶劑中進行硝化(Iranpoor，N.；Firouzabadi，H.；Heydari，R.；Synth.Commun.，1999，29(19)，3295-3302)。使用硝酸鉍為硝化劑，蒙托土KSF為催化劑在THF溶劑中進行硝化(Susanta，S.；Frederick，F(xiàn).B.；Bimal，K.B.；Tetrahedron，2000，41，8017-8020)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種苯酚類化合物的綠色硝化方法，具體地說是一種金屬鹽或金屬氧化物負載型催化劑催化苯酚類化合物的硝化方法。
在有機溶劑中和金屬鹽或金屬氧化物負載型催化劑存在下，硝酸和分子式為RR1Z的苯酚類化合物在0-70℃反應為0.5-20小時，其中金屬鹽或金屬氧化物，硝酸、苯酚類化合物摩爾比為0.05-0.5∶1-2∶1，以金屬鹽或金屬氧化物，硝酸、苯酚類化合物摩爾比為0.05-0.5∶1-2∶1為佳。所述的其中金屬鹽或金屬氧化物負載型催化劑為金屬鹽或金屬氧化物0.1mmol負載于載體500-2000mg上，R＝H、C1-5的烷基、鹵素、C6H5，R1＝酚羥基，Z＝苯基、萘基、四氫萘基、蒽基、芴基。
在對硝化反應的研究中發(fā)現(xiàn)，Bi(NO3)3/蒙托土(簡稱KSF)是一種很好的硝化催化劑。以Bi(NO3)3/蒙托土(KSF)為硝化催化劑，以濃度為65％硝酸為硝化劑，在本發(fā)明中使用了不同的溶劑，尤其以醚類有機溶劑好，如乙醚、乙二醇二甲醚、二氧六環(huán)、四氫呋喃(THF)等溶劑中都能較好的進行反應，在乙醚溶劑中對間苯二酚進行硝化，得到了60％以上的硝化產(chǎn)率，反應式、反應條件和結(jié)果見反應式1和表1。
反應式1
表1不同有機溶劑對Bi(NO3)3/KSF催化間苯二酚硝化反應的影響序號 溶劑 小時產(chǎn)率(％)1Et2O 1.0 502Et2O 16 613THF1.0 524THF16 705二甲基乙二醚 16 686石油醚 16 不反應7EtOH 16 不反應在本發(fā)明中相同的反應條件下，硝酸濃度為10-100％，當硝酸濃度降低到20％時，該硝化反應仍能進行，但載體蒙托土KSF的使用量需要放大，硝化產(chǎn)率約50％左右。當硝酸濃度提高到95％時，在0℃下反應時，產(chǎn)率為75％，而在室溫下反應較為劇烈，副產(chǎn)物較多，反應式、反應條件和部分結(jié)果如反應式2和表2。
反應式2 表2.硝酸濃度對Bi(NO3)3/KSF催化間苯二酚的硝化反應影響序號 硝酸濃度，％ KSF用量 產(chǎn)率(％)1 60％ 500mg 612 60％ 500mg 603 60％ 500mg 714 20％ 1000mg 535 20％ 1500mg 50
另一方面，負載于蒙托土KSF上的硝酸鉍可以多次回收重復使用，仍具有催化活性，且其回收十分方便，只需過濾后加熱活化，即可重復使用。如表2中，序號2-5是回收重復使用的催化劑進行催化反應，經(jīng)四次回收重復實驗，都得到了較好的結(jié)果。
本發(fā)明中金屬鹽或金屬氧化物負載型催化劑，所述的金屬第四、五、六主族金屬的氧化物、鹵化物或它們的無機酸鹽，如Ge，Sn，Pb，As，Sb，Bi，Se或Te，其中以鉍的氧化物和它的無機酸鹽是較好的催化劑，其硝化產(chǎn)率可達70％以上，反應式、反應條件和結(jié)果如反應式3和表3所述。
反應式3 表3.不同金屬/KSF催化間苯二酚的硝化反應影響序號 催化劑 產(chǎn)率(％)1- 272Bi(NO3)3713Bi2O3734BiCl3585SeO2526Sb2O3607GeO2608Sn(NO3)4519As2O35310 PbCl245在本發(fā)明中可以采用蒙托土、分子篩、氧化硅、氧化鋁或上述二種氧化物的混合物為載體。不同的載體影響如反應式4和表4所述，其中Bi(NO3)3/SiO2在較高的溫度下可以催化硝化反應，但Bi(NO3)3/蒙托土KSF催化劑在室溫下具有最佳的效果。
反應式4 表4.用含不同載體的？Bi(NO3)3/載體催化間苯二甲的硝化反應序號載體溫度(℃) 產(chǎn)率(％)1 - 室溫 不反應2 - 70 513 KSF 室溫 714 KSF 50 705 KSF 70 626 SiO2室溫 不反應7 SiO250 758 4A分子篩50 10本發(fā)明中還測試了其對多種底物的催化效果。大部分底物都以較好的收率得到硝化產(chǎn)物，其中對氯苯酚和對叔丁基苯酚的硝化產(chǎn)率達95％以上，部分結(jié)果見反應式5和表5。
反應式5
表5.用Bi(NO3)3/KSF催化對各種取代苯胺的硝化反應影響產(chǎn)率(％)序號 R 時間(h)(1)(2)1 H 16 6612 Cl498 -3 Br16 70 -4 t-Bu 475 715 t-Bu 16 50 386 OMe 16 - 717 Me16 53 268 4 7621)產(chǎn)物2-硝基苯酚(31％)and 4-硝基苯酚(35％)。
2)產(chǎn)物是1，4-二甲氧基-2-硝基-苯。
該苯酚類化合物的硝化方法具有許多優(yōu)點。首先，該硝化方法是使用較低濃度的硝酸做為硝化劑，相對于發(fā)煙硝酸及其他硝化劑在生產(chǎn)上較為經(jīng)濟和安全。同時，硝酸鉍和蒙托土KSF都是普通的化工產(chǎn)品，且在硝化反應中可重復使用，回收方便。另一方面，該硝化方法以乙醚或四氫呋喃等醚類做為溶劑，其對環(huán)境的危害性大大低于鹵代烷烴或硝基烷烴。最重要的是，該消化反應使用的硝化催化劑對環(huán)境無污染，是一種經(jīng)濟，綠色的硝化催化劑。
所以，本發(fā)明的方法是一種經(jīng)濟的、無污染的綠色的硝化方法，
實施例1
將蒙托土KSF(500mg)加入反應器，加熱抽氣活化。四氫呋喃(solvent，5mL)，間苯二酚(165mg，1.5mmol)，硝酸鉍(39mg，0.1mmol)加入反應器，攪拌混合。滴加65％的濃硝酸(0.15mL，2.1mmol)，室溫下攪拌16h。反應混合物水洗后用二氯甲烷萃取，在旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀上旋干、過柱。得到黃色固體170mg，產(chǎn)率73％。4-硝基間苯二酚IR(KCl)ν1532，1397cm-1(NO2)，1255cm-1(ArOH)；1H-NMR(CDCl3，TMS)δ6.47(1H，dd，J＝9.2Hz，3.4Hz，Ar)，6.52(1H，d，J＝3.4Hz，Ar)，8.05(1H，d，J＝9.2Hz，Ar)，10.97(1H，s，ArOH)；MS(EI)m/z 155(M+)分析值155.1082；元素分析C6H5NO4，實測值C，46.48；H，3.44；N，9.02％.計算值C，46.46；H，3.25；N，9.03％。
實施例2將蒙托土KSF(1000mg)加入反應器，加熱抽氣活化。四氫呋喃(solvent，5mL)，間苯二酚(165mg，1.5mmol)，硝酸鉍(39mg，0.1mmol)加入反應器，攪拌混合。滴加20％的濃硝酸(0.40mL，1.8mmol)，室溫下攪拌16h。反應混合物水洗后用二氯甲烷萃取，在旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀上旋干、過柱。得到黃色固體170mg，產(chǎn)率56％。
實施例3將蒙托土KSF(500mg)加入反應器，加熱抽氣活化。四氫呋喃(solvent，5mL)，間苯二酚(165mg，1.5mmol)，氧化鉍(23mg，0.05mmol)加入反應器，攪拌混合。滴加65％的濃硝酸(0.15mL，2.1mmol)，室溫下攪拌16h。反應混合物水洗后用二氯甲烷萃取，在旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀上旋干、過柱。得到黃色固體170mg，產(chǎn)率73％。
實施例4將蒙托土KSF(500mg)加入反應器，加熱抽氣活化。四氫呋喃(solvent，5mL)，間苯二酚(165mg，1.5mmol)，氧化硒(11mg，0.1mmol)加入反應器，攪拌混合。滴加65％的濃硝酸(0.15mL，2.1mmol)，室溫下攪拌16h。反應混合物水洗后用二氯甲烷萃取，在旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀上旋干、過柱。得到黃色固體120mg，產(chǎn)率52％。
實施例5將蒙托土KSF(500mg)加入反應器，加熱抽氣活化。四氫呋喃(solvent，5mL)，間苯二酚(165mg，1.5mmol)，氧化銻(30mg，0.1mmol)加入反應器，攪拌混合。滴加65％的濃硝酸(0.15mL，2.1mmol)，室溫下攪拌16h。反應混合物水洗后用二氯甲烷萃取，在旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀上旋干、過柱。得到黃色固體140mg，產(chǎn)率60％。
實施例6將蒙托土KSF(500mg)加入反應器，加熱抽氣活化。四氫呋喃(solvent，5mL)，間苯二酚(165mg，1.5mmol)，氧化鍺(10mg，0.1mmol)加入反應器，攪拌混合。滴加65％的濃硝酸(0.15mL，2.1mmol)，室溫下攪拌16h。反應混合物水洗后用二氯甲烷萃取，在旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀上旋干、過柱。得到黃色固體139mg，產(chǎn)率60％。
實施例7將SiO2(500mg)加入反應器。四氫呋喃(solvent，5mL)，間苯二酚(165mg，1.5mmol)，硝酸鉍(39mg，0.1mmol)加入反應器，攪拌混合。滴加65％的濃硝酸(0.15mL，2.1mmol)，油浴加熱至50℃，攪拌16h。反應混合物水洗后用二氯甲烷萃取，在旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀上旋干、過柱。得到黃色固體174mg，產(chǎn)率75％。
實施例8將蒙托土KSF(500mg)加入反應器，加熱抽氣活化。四氫呋喃(solvent，5mL)，苯酚(0.13mL，1.5mmol)，硝酸鉍(39mg，0.1mmol)加入反應器，攪拌混合。滴加65％的濃硝酸(0.15mL，2.1mmol)，室溫下攪拌30min。反應混合物水洗后用二氯甲烷萃取，在旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀上旋干、過柱。得到黃色液體65mg，產(chǎn)率31％，2-硝基苯酚，和淡黃色固體102mg，產(chǎn)率49％，4-硝基苯酚。2-硝基苯酚IR(KCl)ν1522，1416cm-1(NO2)，1240cm-1(ArOH)；1H-NMR(CDCl3，TMS)δ7.00(1H，dt，J＝7.5Hz，1.5Hz，Ar)，7.16(1H，d，J＝7.4Hz，Ar)，7.59(1H，dt，J＝7.5Hz，1.5Hz，Ar)，8.12(1H，dd，J＝7.5Hz，1.5Hz，Ar)，10.60(1H，s，ArOH)；MS(EI)m/z 139(M+)分析值139.1088；4-硝基苯酚IR(KCl)ν1522，1416cm-1(NO2)，1240cm-1(ArOH)；1H-NMR(CDCl3，TMS)δ6.08(1H，s，ArOH)，6.92(1H，dd，J＝7.1Hz，2.1Hz，Ar)，8.18(1H，dd，J＝7.1Hz，2.0Hz，Ar)；MS(EI)m/z 139(M+)分析值139.1088；元素分析C6H5NO3，實測值C，51.73；H，3.73；N，10.04％，計算C，51.80；H，3.62；N，10.07％。
實施例9將蒙托土KSF(500mg)加入反應器，加熱抽氣活化。四氫呋喃(solvent，5mL)，對氯苯酚(1.0mL，1.0mmol)，硝酸鉍(39mg，0.1mmol)加入反應器，攪拌混合。滴加65％的濃硝酸(0.1mL，1.4mmol)，室溫下攪拌16h。反應混合物水洗后用二氯甲烷萃取，在旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀上旋干、過柱。得到黃色固體170mg，產(chǎn)率98％。2-硝基對氯苯酚IR(KCl)ν1522，1416cm-1(NO2)，1240cm-1(ArOH)；1H-NMR(CDCl3，TMS)δ7.14(1H，d，J＝9.4Hz，Ar)，7.54(1H，dd，J＝9.4Hz，2.5Hz，Ar)，8.11(1H，d，J＝2.5Hz，Ar)，10.48(1H，s，ArOH)；MS(EI)m/z 173(M+)計算值173.5536；元素分析C6H4ClNO3，實測C，41.58；H，2.36；N，8.10％，計算值C，41.52；H，2.32；N，8.07％。
實施例10將蒙托土KSF(500mg)加入反應器，加熱抽氣活化。四氫呋喃(solvent，5mL)，對溴苯酚(173mg，1.0mmol)，硝酸鉍(39mg，0.1mmol)加入反應器，攪拌混合。滴加65％的濃硝酸(0.1mL，1.4mmol)，室溫下攪拌16h。反應混合物水洗后用二氯甲烷萃取，在旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀上旋干、過柱。得到黃色固體150mg，產(chǎn)率70％。2-硝基對溴苯酚IR(KCl)ν1532，1412cm-1(NO2)，1249cm-1(ArOH)；1H-NMR(CDCl3，TMS)δ7.08(1H，d，J＝9.2Hz，Ar)，7.67(1H，dd，J＝9.2Hz，2.5Hz，Ar)，8.26(1H，d，J＝2.5Hz，Ar)，10.49(1H，s，ArOH)；MS(EI)m/z 219(M+)，計算值218.0049；元素分析C6H4BrNO3，實測值C，33.34；H，2.08；N，6.35％，計算值C，33.06；H，1.85；N，6.42％。
實施例11將蒙托土KSF(500mg)加入反應器，加熱抽氣活化。四氫呋喃(solvent，5mL)，對叔丁基苯酚(150mg，1.0mmol)，硝酸鉍(39mg，0.1mmol)加入反應器，攪拌混合。滴加65％的濃硝酸(0.15mL，2.1mmol)，室溫下攪拌16h。反應混合物水洗后用二氯甲烷萃取，在旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀上旋干、過柱。得到黃色固體90mg，產(chǎn)率38％，2，6-二硝基對叔丁基苯酚，和黃色液體110mg，產(chǎn)率56％，2-硝基對叔丁基苯酚。2，6-二硝基對叔丁基苯酚IR(KCl)ν1532，1367cm-1(NO2)，1265cm-1(ArOH)；1H-NMR(CDCl3，TMS)δ1.37(9H，s，CH3)，8.32(2H，s，Ar)，11.29(1H，s，ArOH)；MS(EI)m/z 240(M+)，計算值C10H12N2O5(240.2128)]；元素分析C10H12N2O5，實測值C，50.07；H，5.06；N，11.59％，計算值C，50.00；H，5.04；N，11.66％。2-硝基對叔丁基苯酚IR(KCl)ν1532，1397cm-1(NO2)，1255cm-1(ArOH)；1H-NMR(CDCl3，TMS)δ1.33(9H，s，CH3)，7.11(1H，d，J＝9.8Hz，Ar)，7.65(1H，dd，J＝9.8Hz，3.4Hz，Ar)，8.08(1H，d，J＝3.4Hz，Ar)，10.47(1H，s，ArOH)；MS(EI)m/z 195(M+)分析值C10H13NO3(195.2152)；高分辨質(zhì)譜，計算值M，195.0895，實測值M+195.0899。
實施例12將蒙托土KSF(500mg)加入反應器，加熱抽氣活化。四氫呋喃(solvent，5mL)，對甲氧基苯酚(124mg，1.0mmol)，硝酸鉍(39mg，0.1mmol)加入反應器，攪拌混合。滴加65％的濃硝酸(0.15mL，2.1mmol)，室溫下攪拌16h。反應混合物水洗后用二氯甲烷萃取，在旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀上旋干、過柱。得到黃色固體130mg，產(chǎn)率71％。2，6-二硝基對甲氧基苯酚IR(KCl)ν1537，1358cm-1(NO2)，1243cm-1(ArOH)；1H-NMR(CDCl3，TMS)δ3.91(3H，s，OCH3)，7.86(2H，s，Ar)，11.00(1H，s，ArOH)；MS(EI)m/z 214(M+)分析值214.1324；元素分析C7H6N2O6，計算值C，39.26；H，2.82；N，13.08％，實測值C，39.38；H，2.69；N，12.87％。
實施例13將蒙托土KSF(500mg)加入反應器，加熱抽氣活化。四氫呋喃(solvent，5mL)，對甲氧基苯甲醚(138mg，1.0mmol)，硝酸鉍(39mg，0.1mmol)加入反應器，攪拌混合。滴加65％的濃硝酸(0.15mL，2.1mmol)，室溫下攪拌16h。反應混合物水洗后用二氯甲烷萃取，在旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀上旋干、過柱。得到黃色固體140mg，產(chǎn)率76％。2-硝基對甲氧基苯甲醚IR(KCl)ν1527，1354cm-1(NO2)；1H-NMR(CDCl3，TMS)δ3.71(3H，s，OCH3)，3.81(3H，s，OCH3)，6.91(1H，d，J＝9.6Hz，Ar)，7.01(1H，dd，J＝9.6Hz，3.1Hz，Ar)，7.28(1H，d，J＝9.6Hz，Ar)；MS(EI)m/z 183(M+)分析值183.1614，元素分析C8H9NO4，實測值C，52.49；H，4.95；N，7.62％，計算值C，52.46；H，4.95；N，7.65％。
權(quán)利要求
1.一種苯酚類化合物的綠色硝化方法，其特征是在有機溶劑中和金屬鹽或金屬氧化物負載型催化劑存在下，硝酸和分子式為RR1Z的苯酚類化合物在0-70℃反應0.5-20小時，其中金屬鹽，硝酸、苯酚類化合物摩爾比為0.05-0.5∶1-2∶1，所述的金屬鹽或金屬氧化物負載型催化劑中金屬鹽是第四、五或六主族金屬的金屬氧化物、鹵化物或它們的無機酸鹽，R＝H、C1-5的烷基、鹵素、C6H5，R1＝酚羥基，Z＝苯基、萘基、四氫萘基、蒽基、芴基。
2.一種苯酚類化合物的綠色硝化方法，其特征是所述的金屬鹽負載型催化劑中金屬是Ge，Sn，Pb，As，Sb，Bi，Se或Te。
3.一種苯酚類化合物的綠色硝化方法，其特征是所述的反應溫度為0℃-室溫。
4.一種苯酚類化合物的綠色硝化方法，其特征是所述的載體是蒙托土、分子篩、氧化硅、氧化鋁或上述二種氧化物的混合物。
5.一種苯酚類化合物的綠色硝化方法，其特征是所述的金屬鹽負載型催化劑中，每0.1mmol金屬鹽負載于500-2000mg載體上。
6.一種苯酚類化合物的綠色硝化方法，其特征是所述的有機溶劑在醚類有機溶劑。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種苯酚類化合物的綠色硝化方法，在有機溶劑中和金屬鹽或金屬氧化物負載型催化劑存在下，硝酸和分子式為RR
文檔編號C07C201/00GK1410415SQ02145268
公開日2003年4月16日 申請日期2002年11月13日 優(yōu)先權(quán)日2002年11月13日
發(fā)明者施敏, 崔世聰 申請人:中國科學院上海有機化學研究所