專利名稱：硝酸鋁在苯酚類衍生物硝化中的應用的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及在芳環(huán)硝化中使用硝酸鋁的新方法，也即將鋁的硝酸鹽作為硝化試劑與苯酚類的衍生物進行親電取代反應得到相應硝化產物的工藝，具體地說，屬于有機合成范疇。
背景技術：
芳環(huán)的硝化廣泛應用于醫(yī)藥、農藥、炸藥、染料和顏料等精細化工產品以及其它有機化工產品的制備，是目前應用最廣的化工技術之一。傳統(tǒng)的硝化反應通常涉及使用如硝酸和/或硫酸等強酸，對設備有很大的腐蝕性，并且廢液對環(huán)境造成了嚴重的污染，同時在操作過程中，易發(fā)生安全事故，對人體的健康也有極大的危害。鑒于此，人們嘗試使用硝酸酯或硝酸鹽作為硝化劑來降低反應的酸度，使反應條件適中，易于控制，并防止腐蝕和污染。已有一些關于應用金屬硝酸鹽(含主族金屬、過渡金屬和稀土金屬的硝酸鹽)作為硝化劑的文獻報道，它們大多需要與酸(如硝酸、硫酸、鹽酸、磷酸、醋酸、三氟乙酸、高氯酸和甲磺酸以及三氟化硼等)、酸酐(如醋酸酐和甲磺酸酐等)或輔助劑(如蒙脫土或其它粘土等)共同作用進行硝化反應。有關以金屬鋁的硝酸鹽作為硝化劑的報道很少，特別是以硝酸鋁單獨作為硝化劑的更少見。Jean-Marie Poirier和CatherineVottero(Tetrahedron，1989，45，1415)曾報道過一系列金屬硝酸鹽單獨作為硝化劑的例子，其中包括水合硝酸鋁，不過反應僅涉及苯酚的硝化，產物為鄰位或對位硝基苯酚。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于提供一種作為硝化劑的金屬硝酸鹽——硝酸鋁，它可以在一定條件下與式(1)所示的含酚羥基的芳烴衍生物反應得到相應的硝化產物。該硝化方法操作簡單、條件溫和、安全，反應溶劑可回收，并且在一些反應中產物單一，具有較高的選擇性。除上述優(yōu)點外，硝酸鋁還較其它金屬硝酸鹽廉價，特別是反應后的鋁鹽具有易回收再生且可以重復使用的特性，既可減少三廢又可節(jié)省成本，因此該方法應用于工業(yè)化生產有很大的潛力。
式(1)式(1)中的取代基R1代表下述基團
-CnH2n+1、-OCnH2n+1、-NO2、-CHO、-COCH3、-CN、-COOH、-COOR2、-CH2CH2OH、-CH2CHO、-CH2CN、-CH2COOH、-CH2CONH2、-CH2COOR2、F、Cl、Br或I，其中烷基CnH2n+1的n＝1-9，R2代表-CmH2m+1的烷基，m＝1-4。
式(1)中的取代基R1在苯環(huán)的位置可以是羥基的鄰位、間位或對位。
上述化合物通過硝酸鋁硝化的產物由式(2)所示，產物可以是一硝基化合物(2a和2b)、二硝基化合物(2c和2d)或它們的的混合物；其中一硝基化合物可以是單一的鄰羥基異構體(2a)、對羥基異構體(2b)或它們的混合物，二硝基化合物可以是單一的異構體(2c)或異構體(2d)。
式(2)式(2)中的取代基R1如同式(1)所定義，代表下述基團-CnH2n+1、-OCnH2n+1、-NO2、-CHO、-COCH3、-CN、-COOH、-COOR2、-CH2CH2OH、-CH2CHO、-CH2CN、-CH2COOH、-CH2CONH2、-CH2COOR2、F、Cl、Br或I，其中烷基CnH2n+1的n＝1-9，R2代表-CmH2m+1的烷基，m＝1-4。
式(2)中的取代基R1在苯環(huán)的位置可以是羥基的鄰位、間位或對位。
本發(fā)明的另一個目的在于披露使用硝酸鋁硝化式(1)所代表的化合物的方法中的反應條件(i)硝化中所用的硝酸鋁是硝酸鋁水合物，適量水的存在有利于硝酸鋁的水解。
(ii)硝酸鋁水合物和反應物的摩爾比是2-0.5，比例小于0.5硝化不完全，比例大于2會帶來更多的副產物且消耗較多的硝酸鋁。實驗表明，硝酸鋁和反應物不同的比例可以使反應產物中異構體的比例發(fā)生變化，優(yōu)選硝酸鋁和反應物的比例是1∶1。
(iii)反應中所用的溶劑可以是醇類溶劑或醇-水混合溶劑，所用的醇類溶劑可以是C1-C3的烷基醇，但優(yōu)選甲醇和乙醇，特別是乙醇。醇類溶劑含少量水(醇∶水體積比大于95％)組成的混合溶劑有利于硝酸鋁的水解，從而有助于硝化反應進行，但水的比例過高不利于反應物的溶解和產物的分離。
(iv)上述所描述的硝化反應是在一定的溫度下進行，反應溫度一般控制在50-100℃之間，優(yōu)選在60-80℃之間。
(v)上述所描述的硝化反應時間在20分鐘至48小時。
本發(fā)明的最后一個目的在于說明使用硝酸鋁硝化式(1)所代表的化合物后所殘留的鋁鹽混合物，可以通過酸化再生使用。一般在反應完成后，首先分離除產物，然后在殘留液中加入適量的硝酸，所產生的硝酸鋁不用分離即可用于再次硝化。
本發(fā)明由下述實施例得到進一步的闡述，但這些說明并不是限制本發(fā)明。
按本發(fā)明所制備的化合物的結構已被不同的分析方法諸如紅外光譜(IR)、質子核磁共振光譜(HNMR)、陽離子或陰離子電噴霧質譜(ESI-MS)所證實。
反應產物的含量分析通過高效液相色譜(HPLC)確定。
以下為本發(fā)明方法制備一些代表性化合物的實施例。
具體實施例方式
實施例1對甲基苯酚與硝酸鋁(1∶1)的反應將1.08克對甲基苯酚溶于25毫升乙醇中，然后加入3.75克硝酸鋁水合物(Al(NO3)3·9H2O)，攪拌回流2小時，溶液呈棕色。旋轉蒸發(fā)回收溶劑，加入25毫升水，25毫升的乙醚萃取三次，無水硫酸鈉干燥，蒸掉乙醚，得到油狀液體1.10克?？偸章蕿?1.9％，其中鄰位產物含量為20.9％，二取代產物含量為79.0％。
ESI-MS m/z[M-H]-＝152.5(15％)，197.5(100％)。
實施例2鄰甲基苯酚與硝酸鋁(1∶1)的反應將1.08克鄰甲基苯酚溶于25毫升乙醇中，然后加入3.75克硝酸鋁水合物(Al(NO3)3·9H2O)，攪拌回流2小時，溶液呈棕色。旋轉蒸發(fā)回收溶劑，加入25毫升水，25毫升的乙醚萃取三次，無水硫酸鈉干燥，蒸掉乙醚，得到油狀液體0.95克?？偸章蕿?2.1％，其中鄰位產物含量為8.7％，對位產物含量為31.9％，二取代產物含量為57.8％。
ESI-MS m/z[M-H]-＝152.5(60％)，197.5(100％)。
實施例3間甲基苯酚與硝酸鋁(1∶1)的反應將1.08克間甲基苯酚溶于25毫升乙醇中，然后加入3.75克硝酸鋁水合物(Al(NO3)3·9H2O)，攪拌回流2小時，溶液呈棕色。旋轉蒸發(fā)回收溶劑，加入25毫升水，25毫升的乙醚萃取三次，無水硫酸鈉干燥，蒸掉乙醚，得到油狀液體0.95克?？偸章蕿?5.3％，其中鄰位產物含量為41.2％，對位產物含量為44.6％，二取代產物含量為13.5％。
ESI-MS m/z[M-H]-＝152.5(60％)，197.5(100％)。
實施例4對氯苯酚與硝酸鋁(1∶1)的反應將1.29克對氯苯酚溶于25毫升乙醇中，然后加入3.75克硝酸鋁水合物(Al(NO3)3·9H2O)，攪拌回流2小時。旋轉蒸發(fā)回收溶劑，加入25毫升水，有棕紅色固體析出。過濾，干燥，得棕紅色粉末1.63克。收率為94.0％，鄰位產物含量為94.0％。
ESI-MS m/z[M-H]-＝172.6(100％)。
實施例5鄰氯苯酚與硝酸鋁(1∶1)的反應將1.29克鄰氯苯酚溶于25毫升乙醇中，然后加入3.75克硝酸鋁水合物(Al(NO3)3·9H2O)，攪拌回流2小時。旋轉蒸發(fā)回收溶劑，加入25毫升水，25毫升無水乙醚萃取三次，無水硫酸鈉干燥，蒸掉乙醚，得到油狀液體1.72克?？偸章蕿?9.0％，其中鄰位產物含量為21.4％，對位產物含量為14.8％，二取代產物含量為22.4％。
ESI-MS m/z[M-H]-＝172.5(100％)。
實施例6對叔丁基苯酚與硝酸鋁(2∶1)的反應將3.00克對叔丁基苯酚溶于25毫升乙醇中，然后加入3.75克硝酸鋁水合物(Al(NO3)3·9H2O)，攪拌回流40分鐘。旋轉蒸發(fā)回收溶劑，加入50毫升水，50毫升無水乙醚萃取三次，無水硫酸鈉干燥，蒸掉乙醚，得到油狀液體3.80克?？偸章蕿?7.4％，其中鄰位產物含量為86.7％，二取代產物含量為4.6％。
ESI-MS m/z[M-H]-＝194.4(100％)，239.4(2％)。
實施例7對叔丁基苯酚與硝酸鋁(1∶1)的反應將1.50克對叔丁基苯酚溶于25毫升95％乙醇中，然后加入3.75克硝酸鋁水合物(Al(NO3)3·9H2O)，攪拌回流30分鐘。旋轉蒸發(fā)回收溶劑，加入25毫升水，25毫升無水乙醚萃取三次，無水硫酸鈉干燥，蒸掉乙醚，得到油狀液體1.90克?？偸章蕿?7.4％，其中鄰位產物含量為15.0％，二取代產物含量為57.0％。
ESI-MS m/z[M-H]-＝194.4(20％)，239.4(100％)。
實施例8對叔丁基苯酚與硝酸鋁(2∶1)的反應將3.00克對叔丁基苯酚溶于25毫升甲醇中，然后加入3.75克硝酸鋁水合物(Al(NO3)3·9H2O)，攪拌回流1小時。旋轉蒸發(fā)回收溶劑，加入50毫升水，50毫升無水乙醚萃取三次，無水硫酸鈉干燥，蒸掉乙醚，得到油狀液體3.51克?？偸章蕿?0.0％，其中鄰位產物含量為87.0％，二取代產物含量為5.4％。
ESI-MS m/z[M-H]-＝194.4(100％)，239.4(25％)。
實施例9對異丙基苯酚與硝酸鋁(2∶1)的反應將2.72克對異丙基苯酚溶于25毫升異丙醇中，然后加入3.75克硝酸鋁水合物(Al(NO3)3·9H2O)，攪拌回流40分鐘。旋轉蒸發(fā)回收溶劑，加入50毫升水，50毫升的無水乙醚萃取三次，無水硫酸鈉干燥，蒸掉乙醚，得到油狀液體3.12克?？偸章蕿?6.2％，其中鄰位產物含量為74.6％，二取代產物含量為9.8％。
ESI-MS m/z[M-H]-＝180.5(100％)，225.5(15％)。
實施例10對異丙基苯酚與硝酸鋁(1∶1)的反應將1.36克對異丙基苯酚溶于25毫升異丙醇中，然后加入3.75克硝酸鋁水合物(Al(NO3)3·9H2O)，攪拌回流40分鐘。旋轉蒸發(fā)回收溶劑，加入25毫升水，25毫升的無水乙醚萃取三次，無水硫酸鈉干燥，蒸掉乙醚，得到油狀液體1.56克?？偸章蕿?6.2％，其中鄰位產物含量為3.9％，二取代產物含量為95.8％。
ESI-MS m/z[M-H]-＝180.5(30％)，225.5(100％)。
實施例11對壬基苯酚與硝酸鋁(1∶1)的反應將2.20克對壬基苯酚溶于25毫升異丙醇中，然后加入3.75克硝酸鋁水合物(Al(NO3)3·9H2O)，攪拌回流1小時。旋轉蒸發(fā)回收溶劑，加入25毫升水，25毫升的無水乙醚萃取三次，無水硫酸鈉干燥，蒸掉乙醚，得到油狀液體2.34克?？偸章蕿?8.4％，其中鄰位產物含量為40.2％，二取代產物含量為59.1％。
ESI-MS m/z[M-H]-＝264.4(40％)，[M+C2H5OH-H]-＝309.4(100％)。
實施例12對羥基苯甲醛與硝酸鋁(1∶1)的反應將1.22克對羥基苯甲醛溶于25毫升乙醇中，然后加入3.75克硝酸鋁水合物(Al(NO3)3·9H2O)，攪拌回流9小時。溶液冷卻到室溫，有淡黃色固體析出。過濾，干燥，得淡黃色粉末0.69克。收率為40.7％，鄰位產物含量為99.7％。
ESI-MS m/z[M-H]-＝166.3(100％)。
實施例13水楊醛與硝酸鋁(1∶1)的反應將1.22克水楊醛溶于25毫升乙醇中，然后加入3.75克硝酸鋁水合物(Al(NO3)3·9H2O)，攪拌回流8小時。旋轉蒸發(fā)回收溶劑，加入25毫升水，有黃色固體析出。過濾，干燥，得黃色固體1.01克?？偸章蕿?0.0％，其中鄰位產物含量為42.1％，對位產物含量為21.8％。
ESI-MS m/z[M-H]-＝166.3(100％)。
實施例14對甲氧基苯酚與硝酸鋁(1∶1)的反應將1.24克對甲氧基苯酚溶于25毫升甲醇中，然后加入3.75克硝酸鋁水合物(Al(NO3)3·9H2O)，攪拌回流反應2小時。旋轉蒸發(fā)回收溶劑，加入25毫升水，25毫升的無水乙醚萃取三次，無水硫酸鈉干燥，蒸掉乙醚，得到油狀液體1.43克。收率為85.0％，鄰位產物含量為87.2％。
ESI-MS m/z[M-H]-＝168.5(100％)。
實施例15對羥基苯甲酸與硝酸鋁(1∶1)的反應將13.81克對羥基苯甲酸和37.51克硝酸鋁水合物(Al(NO3)3·9H2O)溶于70毫升無水乙醇中，攪拌回流48小時，冷卻至室溫，有大量的淡黃色固體析出，抽濾，干燥，得固體14.90克，收率82.0％，鄰位產物含量為86％。。
ESI-MS m/z[M+H]+＝184.2(100％)。
實施例16對羥基苯甲酸乙酯與硝酸鋁(1∶1)的反應將16.62克對羥基苯甲酸乙酯和37.51克硝酸鋁水合物(Al(NO3)3·9H2O)溶于70毫升無水乙醇中，攪拌回流2小時，冷卻至室溫，有大量的淡黃色晶體析出，抽濾，干燥，得固體15.82克，收率75.1％，鄰位產物含量為92.5％。
ESI-MS m/z[M+H]+＝212.0(100％)。
實施例17對羥基苯乙酸與硝酸鋁(1∶1)的反應15.20克對羥基苯乙酸和37.51克硝酸鋁水合物(Al(NO3)3·9H2O)溶于70毫升無水乙醇中，攪拌回流24小時，冷卻至室溫，有大量的淡黃色固體析出，抽濾，干燥，得固體15.80克，收率79.9％，鄰位產物含量為98％。
ESI-MS m/z[M+H]+＝198.4(100％)。
實施例18對羥基苯乙酸甲酯與硝酸鋁(1∶1)的反應16.62克對羥基苯乙酸甲酯和37.51克硝酸鋁水合物(Al(NO3)3·9H2O)溶于70毫升無水乙醇中，攪拌回流2小時，冷卻至室溫，有大量的淡黃色晶體析出，抽濾，干燥，得固體17.32克，收率82.2％，鄰位產物含量為93％。
ESI-MS m/z[M+H]+＝212.2(100％)。
實施例19對羥基苯乙酰胺與硝酸鋁(1∶1)的反應15.11克對羥基苯乙酰胺和37.51克硝酸鋁水合物(Al(NO3)3·9H2O)溶于70毫升無水乙醇中，攪拌回流4小時，冷卻至室溫，有大量的桔黃色晶體析出，抽濾，干燥，得固體16.70克，收率84.9％，鄰位產物含量為97.7％。
ESI-MS m/z[M+H]+＝197.4(100％)。
實施例20對羥基苯乙醇與硝酸鋁(1∶1)的反應13.81克對羥基苯乙醇和37.51克硝酸鋁水合物(Al(NO3)3·9H2O)溶于70毫升無水乙醇中，攪拌回流2小時，冷卻至室溫，有大量的桔黃色固體析出，抽濾，干燥，得固體13.63克，收率75.3％，鄰位產物含量為72％。
ESI-MS m/z[M+H]+＝184.2(100％)。
實施例21對硝基苯酚與硝酸鋁(1∶1)的反應13.91克對硝基苯酚和37.51克硝酸鋁水合物(Al(NO3)3·9H2O)溶于70毫升無水乙醇中，攪拌回流48小時，冷卻至室溫，有大量的淡黃色晶體析出，抽濾，干燥，得固體16.61克，產率90.2％，鄰位產物含量為99.97％。
ESI-MS m/z[M+H]+＝185.2(100％)。
實施例22 硝酸鋁在制備2-硝基-4-氯苯酚中的再生和使用將實施例4中分離出產物的濾液蒸去水后，加入1毫升濃硝酸，然后加入溶有1.29克對氯苯酚的25毫升乙醇，攪拌回流2小時，蒸餾回收乙醇，母液再加入25毫升水，有棕紅色固體析出。過濾，干燥，得產物1.51克。收率為87.1％，鄰位產物含量為98.0％。
重復上述步驟，得棕紅色固體產物1.49克，收率為86.0％，鄰位產物含量為98.5％。在該制備反應體系中，硝酸鋁的再生和使用可達4次以上，收率大于80.0％，鄰位產物含量不低于97.0％。
實施例23 硝酸鋁在制備4-羥基-3-硝基苯乙酰胺中的再生和使用將實施例19中分離出產物的濾液蒸去水后，加入10毫升濃硝酸，然后加入溶有15.11克對羥基苯乙酰胺的70毫升乙醇，攪拌回流4小時，蒸餾回收乙醇，母液冷卻至室溫，有大量的桔黃色晶體析出。過濾，干燥，得產物15.56克。收率為79.1％，鄰位產物含量為98.0％。
重復上述步驟，得桔黃色固體產物15.50克，收率為78.8％，鄰位產物含量為98.2％。在該制備反應體系中，硝酸鋁的再生和使用可達4次以上，收率大于75.0％，鄰位產物含量不低于98.0％。
權利要求
1.一種采用硝酸鋁與式(1)所示的含酚羥基的芳烴衍生物反應得到相應硝化產物的新方法，其特征是硝酸鋁為硝化劑；式(1)中的取代基R1代表下述基團-CnH2n+1、-OCnH2n+1、-NO2、-CHO、-COCH3、-CN、-COOH、-COOR2、-CH2CH2OH、-CH2CHO、-CH2CN、-CH2COOH、-CH2CONH2、-CH2COOR2、F、Cl、Br或I，其中烷基-CnH2n+1的n＝1-9，R2代表-CmH2m+1的烷基，m＝1-4；R1在苯環(huán)中的位置是羥基的鄰位、間位或對位。
2.如權利要求1所述的硝酸鋁與式(1)所示的含酚羥基的芳烴衍生物反應方法中的條件，其特征是所用的硝酸鋁是硝酸鋁水合物。
3.如權利要求1和權利要求2所述的硝酸鋁與式(1)所示的含酚羥基的芳烴衍生物反應方法中的條件，其特征是硝酸鋁水合物和反應物的摩爾比在2-0.5之間，優(yōu)選硝酸鋁和反應物的摩爾比是1∶1。
4.如權利要求1所述的硝酸鋁與式(1)所示的含酚羥基的芳烴衍生物反應方法中的條件，其特征是所用的溶劑可以是醇類溶劑或醇-水混合溶劑，醇類溶劑是C1-C3的烷基醇，醇-水混合溶劑中醇水體積比大于95％。
5.如權利要求1所述的硝酸鋁與式(1)所示的含酚羥基的芳烴衍生物反應方法中的條件，其特征是反應溫度在50-100℃之間，優(yōu)選反應溫度在60-80℃之間。
6.如權利要求1所述的硝酸鋁與式(1)所示的含酚羥基的芳烴衍生物反應方法中的條件，其特征是反應時間在20分鐘至48小時之間。
全文摘要
本發(fā)明公開了以硝酸鋁為硝化劑與含酚羥基的芳烴衍生物反應得到相應硝化產物的方法及其反應條件。
文檔編號C07C205/26GK1939888SQ20061012585
公開日2007年4月4日 申請日期2006年8月29日 優(yōu)先權日2005年8月30日
發(fā)明者茍少華, 胡大華 申請人:南京大學