專利名稱：水溶液中芳基氰化物的合成方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及鈀催化的芳基氰化物合成的綠色方法，特別是涉及一種利用芳基氯化
物芳基磺酸酯與無毒亞鐵氰化物耦合的水溶液中芳基氰化物的合成方法。
背景技術(shù)：
苯腈類化合物是許多化工產(chǎn)品的重要組成部分，例如染料、除草劑、醫(yī)藥品以及 很多天然化合物，同時(shí)，苯腈也是重要的有機(jī)合成中間體，可以轉(zhuǎn)化為一系列的功能性物 質(zhì)，例如酸、酰胺、醛、酮、肟等。合成苯腈的方法很多，早期的方法為Rosenm皿d-von Braim 反應(yīng)和Sandmeyer反應(yīng)，使用化學(xué)當(dāng)量的CuCN，并造成重金屬污染。為了克服這種弊端，化 學(xué)工作者開發(fā)了一些腈化試劑，例如KCN、 NaCN、 TMSCN(Trimethylsilyl cyanide)。然而 KCN、NaCN劇毒，TMSCN在空氣中極易變質(zhì)，而且在反應(yīng)過程中會(huì)放出劇毒的氰化氫氣體。這 些問題嚴(yán)重地限制著芳基氰化反應(yīng)的工業(yè)應(yīng)用，那么尋找無毒、易于操作的氰化試劑應(yīng)該 是一項(xiàng)有意義的工作，2004年，Beller首次報(bào)道了使用亞鐵氰化鉀作為氰化試劑。與以前 的氰化試劑相比，K4[Fe(CN)6]無需經(jīng)過復(fù)雜的預(yù)處理，有氰根，但無毒。反應(yīng)后處理簡單， 不會(huì)造成環(huán)境污染，且采用的原料來源廣泛，價(jià)格便宜，因此近年來備受人們青睞，并得到 較為廣泛的研究。然而采用亞鐵氰化鉀作為氰化試劑的這些方法(包括使用水溶液)全都 需要比較苛刻的反應(yīng)條件，比如說，反應(yīng)溫度大于14(TC，使得芳基氰化反應(yīng)中許多官能團(tuán) 不能被保留，易于被破壞。因而開發(fā)溫和條件下的芳基氰化反應(yīng)，進(jìn)一步提高芳基氰化反應(yīng) 的適用范圍和對功能基團(tuán)的容忍度對于化學(xué)制藥，有機(jī)合成等是非常重要和具有重要經(jīng)濟(jì)
價(jià)值的。芳基磺酸酯可以方便的從相應(yīng)的苯酚制備，價(jià)格便宜，宜于大規(guī)模制備。而使用芳 基磺酸酯作為原料合成芳基氰還沒有被報(bào)道過，無論使用什么氰源。 水分布廣泛，價(jià)格便宜，易于處理，因而水溶液中的有機(jī)化學(xué)反應(yīng)是現(xiàn)代綠色化學(xué) 重要的研究領(lǐng)域之一。由于水具有很好溶解性和比較高的極性，許多有機(jī)化學(xué)反應(yīng)可以成 功的在水溶液中發(fā)生。而且，有時(shí)水溶液中的有機(jī)化學(xué)反應(yīng)甚至要遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于傳統(tǒng)有機(jī)溶劑 的化學(xué)反應(yīng)，比如水溶液的Suzuki，Sonogashira反應(yīng)等等。鈀催化的芳香鹵化物的活化反 應(yīng)是最重要的一類有機(jī)化學(xué)反應(yīng)，在有機(jī)合成，藥物化學(xué)，天然化合物等有著極其重要的意 義。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了改進(jìn)現(xiàn)有技術(shù)反應(yīng)條件比較苛刻等不足而提供了一種無毒 的綠色水溶液中芳基氰化物的合成方法。 本發(fā)明的技術(shù)方案為一種水溶液中芳基氰化物的合成方法，其特征在于將芳基 化合物、亞鐵氰化物和相轉(zhuǎn)移劑在堿性水溶液中，或者將芳基化合物和亞鐵氰化物在堿性
水與有機(jī)溶液的混合液中，控制反應(yīng)溫度為30°C -1401:，經(jīng)鈀催化劑催化耦合合成芳香氰 化物。 該催化氰化反應(yīng)可以由以下反應(yīng)式來代表。<formula>formula see original document page 4</formula>其中R為H、 CH3、 CHO、 CH3CH0、 C00H、 CN、 CH30、 CF3、 N02。X為I、 Br、 Cl、 CH3S03、 CF3S03、 C6H5S03、 CH3C6H4S03。上述的芳基化合物為芳基鹵化
物或芳香取代磺酸酯，其結(jié)構(gòu)式為
<formula>formula see original document page 4</formula>
其中R為H、 CH3、 CHO、 CH3CH0、 C00H、 CN、 CH30、 CF3、 N02 ;X為I 、 Br 、 Cl 、 CH3S03 (OMs) 、 CF3S03 (OTf) 、 C6H5S03 (OBs) 、 CH3C6H4S03 (OTs)。 上述的亞鐵氰化物與反應(yīng)物芳基化合物的摩爾比為(0. 17-1.0) : l;優(yōu)選所述的
亞鐵氰化物為亞鐵氰化鉀、亞鐵氰化鈉、四甲基亞鐵氰化銨、四乙基亞鐵氰化銨、四丙基亞
鐵氰化銨或四丁基亞鐵氰化銨。 上述的鈀催化劑是由鈀(II)與配體組成，鈀(II)與配體的摩爾比為1 : 1 6 ; 其中鈀(II)為醋酸鈀(Pd(0Ac)2)、氯化鈀(PdCl2)、三氟醋酸鈀(Pd(TFA)2)或三(二亞芐 基丙酮)二鈀(Pd2(DBA)3);配體為三苯基膦間三磺酸鈉(TPPTS)、2，6二異丙基聯(lián)苯二環(huán) 己基膦(Xphos) 、2，6 二異丙基聯(lián)苯二環(huán)己基膦的磺酸鈉(XPhosS03Na) ， TPPTS、 Xphos或 XPhosS03Na ;TPPTS、 Xphos和XPhosS03Na的結(jié)構(gòu)式如下圖所示； 優(yōu)選氰化反應(yīng)所使用的催化劑中鈀(II)與反應(yīng)物芳基化合物的摩爾比為
(o. oooi o. i) : i。
上述堿性水與有機(jī)溶液的混合液中有機(jī)溶劑和水的體積比為(o. i i) : i;其
中有機(jī)溶劑為1，4-二氧六環(huán)、N， N-二甲基甲酰胺、二甲亞砜、甲醇、乙醇、丙醇或丁醇中 的任意一種。反應(yīng)介質(zhì)的加入量為控制反應(yīng)物芳基化合物的濃度在反應(yīng)介質(zhì)中的濃度為 0.2-2. 0Mol/L。 上述相轉(zhuǎn)移劑為四丁基溴化銨、四丁基碘化銨或三丁基十六烷基溴化銨中的任意 一種，相轉(zhuǎn)移劑與反應(yīng)物芳基化合物的摩爾比為(0.2 2) : 1。 上述的堿為無機(jī)堿式鹽或無機(jī)堿，無機(jī)堿式鹽或無機(jī)堿與反應(yīng)物芳基化合物的摩 爾比為(O. 1 2) : 1 ;其中無機(jī)堿式鹽為碳酸鈉、碳酸鉀、碳酸銫、磷酸鈉、磷酸鉀或磷酸 銫；無機(jī)堿為氫氧化鈉、氫氧化鉀或氫氧化銫。
有益效果 本發(fā)明使用鈀催化劑，在水溶液中，30-14(TC下，高效的催化芳基芳香鹵化物和芳基磺酸酯的氰化反應(yīng)，反應(yīng)收率為60-99% 。使用無毒綠色的亞鐵氰化物作為合成芳基氰化 物的氰源，替代了原有工藝的劇毒氰化物，同時(shí)水溶液的氰化反應(yīng)也將減少有機(jī)溶劑應(yīng)用， 反應(yīng)產(chǎn)物易于分離，降低了芳基氰化物合成的環(huán)境污染問題。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例l:苯甲腈的合成 1. 1在25ml的Schlenk試管中加入2ml水與1，4_ 二氧六環(huán)，混合液(體積比 1 : 1)，再加入氯苯(lmmol ， 102 ii L) ， K4 [Fe (CN) 6] (0. 25mmol ， 92. lmg) ， K2C03 (0. 25mmol ， 34. 5mg) ， XPhosS03Na(2% mol， 10. 5mg) ， Pd(0Ac)2(l% mol，2. 2mg) ， ll(TC下反應(yīng)lOh，苯甲 腈產(chǎn)率為93. 6% (氣相色譜測定)。
1. 2在25ml的Schlenk試管中加入2ml水與1， 4_ 二氧六環(huán)，混合液(體 積比1.5 : 0.5)，再力B入氯苯(lmmol， 102ii L) ， K4[Fe(CN)6] (0. 20mmol，73. 7mg)， K2C03(0. 25mmol，34. 5mg) ， XPhosS03Na (2 % mol， 10. 5mg) ， Pd(0Ac)2(l% mol，2. 2mg) ， ll(TC 下反應(yīng)10h，苯甲腈產(chǎn)率為83.2X (氣相色譜測定)。 1. 3在25ml的Schlenk試管中加入2ml水與1， 4_ 二氧六環(huán)，混合液(體 積比1.2 : 0.8)，再力n入氯苯(lmmol， 102ii L) ， K4[Fe(CN)6] (0. 50mmol， 184. 2mg)， K2C03(0. 25mmol，34. 5mg) ， XPhosS03Na (2 % mol， 10. 5mg) ， Pd(OAc)2(l% mol，2. 2mg) ， ll(TC 下反應(yīng)10h，苯甲腈產(chǎn)率為94.0X (氣相色譜測定)。 1. 4在25ml的Schlenk試管中加入2ml水，再加入溴苯(lmmol， 105 ii L)， K4[Fe(CN)6] (0. 25mmol，92. lmg) ， K2C03 (lmmol ， 138mg) ， TPPTS (3 % mol， 17. 05mg)， Pd (OAc) 2 (1 % mol ， 2. 2mg)，四丁基溴化銨相轉(zhuǎn)移劑(前面沒交代過何種情況需要相轉(zhuǎn)移劑， 其加入量是否有要求？ ) (lmmol，322.4mg)ll(TC下反應(yīng)10h，苯甲腈產(chǎn)率為71.4^ (氣相色 譜測定)。 1. 5在25ml的Schlenk試管中加入2ml水與1，4_ 二氧六環(huán)，混合液(體積比 1 : 1)，再加入苯基對甲基苯磺酸酯(lmmol，248mg)， K4[Fe(CN)6] (0. 25mmol，92. lmg)， K2C03 (0. 25mmol ， 34. 5mg) ， XPhosS03Na (3 % mol ， 15. 7mg) ， Pd (OAc) 2 (1. 5 % mol ， 3. 3mg)， 14(TC下反應(yīng)10h，苯甲腈產(chǎn)率為61% (氣相色譜測定)。 實(shí)施例2 :2-甲基苯腈的合成 2. 1在25ml的Schlenk試管中加入2ml水與1，4_ 二氧六環(huán)混合液(體 積比1 : 1)，再加入鄰氯甲苯(lmmol，117iiL)， K4[Fe(CN)6] (0. 25mmol，92. lmg)，K2C03 (0. 25mmol ， 34. 5mg) ， XPhosS03Na (3 % mol ， 15. 7mg) ， Pd (OAc) 2 (1. 5 % mol ， 3. 3mg)，
120°〇下反應(yīng)1011，2-甲基苯腈產(chǎn)率為97% (氣相色譜測定)。
<formula>formula see original document page 6</formula> 2. 2在25ml的Schlenk試管中加入2ml水與N， N_ 二甲基甲酰胺，混合液(體 積比1. 5 : 0. 5)，再加入鄰氯甲苯(lmmol， 117ii L) ， K4[Fe(CN)6] (0. 25mmol，92. Img)， K2C03 (0. 25mmol ， 34. 5mg) ， XPhosS03Na (3 % mol ， 15. 7mg) ， Pd (OAc) 2 (1. 5 % mol ， 3. 3mg)， 120°〇下反應(yīng)1011，2-甲基苯腈產(chǎn)率為60% (氣相色譜測定)。 2. 3在25ml的Schlenk試管中加入2ml水與1 ， 4_ 二氧六環(huán)混合液(體積 比l : 1)，再加入鄰甲苯基_4-甲基苯磺酸酯(lmmol，262mg)， K4[Fe(CN)6] (0.25mmol， 92. Img) ， K2C03(1. Ommol， 138. Omg) ， XPhosS03Na(3 % mol， 15. 7mg) ， Pd(0Ac)2(l. 5 % mol， 3. 3mg) ， 14(TC下反應(yīng)10h， 2-甲基苯腈產(chǎn)率為89. 4% (由氣相色譜測定)。
<formula>formula see original document page 6</formula> 實(shí)施例3 :4-甲氧基苯腈的合成 3. 1在25ml的Schlenk試管中加入2ml水與1 ， 4_ 二氧六環(huán)混合液(體積 比1 : 1)，再力B入4-氯苯甲醚(lmmol， 123ii L) ， K4[Fe(CN)6] (0. 25mmol，92. Img)， K2C03 (0. 25mmol ， 34. 5mg) ， XPhosS03Na (3 % mol ， 15. 7mg) ， Pd (OAc) 2 (1. 5 % mol ， 3. 3mg)， 12(TC下反應(yīng)10h，4-甲氧基苯腈產(chǎn)率為96% (氣相色譜測定)。
<formula>formula see original document page 6</formula> 3. 2在25ml的Schlenk試管中加入2ml水與乙醇(體積比1. 5 : 0. 5)，再加入 4_氯苯甲醚(lmmol ， 123 ii L) ， K4 [Fe (CN) 6] (0. 5mmo1 ， 184. 2mg) ， K2C03 (0. 5mmo1 ， 69. Omg)， XPhosS03Na(2% mol， 10. 5mg) ， Pd(0Ac)2(0. 5% mol， 1. Img) ， 120。C下反應(yīng)10h，4_甲氧基苯 腈產(chǎn)率為45. 1 % (氣相色譜測定)。 3. 3在25ml的Schlenk試管中加入2ml水與1. Ommol四丁基溴化銨混合物，再加入 4_溴苯甲醚(1,1， 125ii L) ， K4[Fe(CN)6] (0. 25,1,92. Img) ， K2C03(0 . 25,1,34. 5mg)， TPPTS(3% mol， 17. Img) ， Pd(0Ac)2(l. 0% mol，3. 3mg) ， ll(TC下反應(yīng)10h，4_甲氧基苯腈產(chǎn) 率>99% (氣相色譜測定)。
<formula>formula see original document page 6</formula> 3. 4在25ml的Schlenk試管中加入2ml水與1 ， 4_ 二氧六環(huán)混合液(體積比 1 : 1)，再加入4-甲氧基苯基對甲苯磺酸酯(lmmol，123iiL)， K4[Fe(CN)6] (0.25mmol， 92. Img) ， K2C03 (0. 25mmol ， 34. 5mg) ， XPhos (3 % mol ， 14. 3mg) ， Pd (OAc) 2 (1. 5 % mol ， 3. 3mg)，12(TC下反應(yīng)10h，4-甲氧基苯腈產(chǎn)率為96% (氣相色譜測定)
八 Pd/Xphos
K4[Fe(CN)6]
實(shí)施例4 :2-甲氧基苯腈的合成 在25ml的Schlenk試管中加入2ml水與1， 4_ 二氧六環(huán)混合液(體積比1:1)， 再加入2-甲氧基苯基對甲苯磺酸酯(lmmol，268.4mg)， K4[Fe(CN)6] (0. 25,1,92. Img)， K2C03 (0. 25mmol ， 34. 5mg) ， XPhosS03Na (3 % mol ， 15. 7mg) ， Pd (OAc) 2 (1. 5 % mol ， 3. 3mg)，加熱 至14(TC下反應(yīng)10h，2-甲氧基苯腈產(chǎn)率為88% (由氣相色譜測定)。
Pd/XphosS03Na
■CN
K4[Fe(CN)6] 實(shí)施例5 :4-三氟甲基苯腈的合成 在25ml的Schlenk試管中加入2ml水與1， 4_ 二氧六環(huán)混合液(體積比1:1)， 再加入4-氯三氟甲苯(lmmol， 135 ii L) ， K4[Fe(CN)6] (0. 25mmol，92. Img) ， K2C03(0. 25mmol， 34. 5mg)， XPhosS03Na(3 % mol，15. 7mg) ， Pd (OAc) 2 (1. 5 % mol，3. 3mg) ， 100°C下反應(yīng)10h， 4_三氟甲基苯腈產(chǎn)率為94% (氣相色譜測定)。
^~" Pd/XphosS03Na
K4[Fe(CN)6] 實(shí)施例6 :3-三氟甲基苯腈的合成 在25ml的Schlenk試管中加入2ml水與1， 4_ 二氧六環(huán)混合液(體積比1:1)， 再加入3-氯三氟甲苯(lmmol， 135 ii L) ， K4[Fe(CN)6] (0. 25mmol，92. Img) ， K2C03(0. 25mmol， 34. 5mg)， XPhosS03Na(3 % mol，15. 7mg) ， Pd (OAc) 2 (1. 5 % mol，3. 3mg) ， 100°C下反應(yīng)10h， 3-三氟甲基苯腈產(chǎn)率為75.5% (氣相色譜測定)；
F《 F,C Pd/XphosSQ3Na *
K4[Fe(CN)6] 《 "CN 實(shí)施例7 :2-三氟甲基苯腈的合成 在25ml的Schlenk試管中加入2ml水與1， 4_ 二氧六環(huán)混合液(體積比1:1)， 再加入2-氯三氟甲苯(lmmol， 132 ii L) ， K4[Fe(CN)6] (0. 25mmol，92. Img) ， K2C03(0. 25mmol， 34. 5mg)， XPhosS03Na(3 % mol，15. 7mg) ， Pd (OAc) 2 (1. 5 % mol，3. 3mg) ， 100°C下反應(yīng)10h， 2-三氟甲基苯腈產(chǎn)率為100% (氣相色譜測定)；
,CF, ,CF，
實(shí)施例8 :對硝基苯腈的合成 在25ml的Schlenk試管中加入2ml水與1， 4_ 二氧六環(huán)混合液(體積比1:1)， 再加入對氯硝基苯(lmmol， 121 ii L) ， K4[Fe(CN)6] (0. 25mmol，92. lmg) ， K2C03(0. 25mmol， 34. 5mg) ， XPhosS03Na(3% mol， 15. 7mg) ， Pd(0Ac)2(l. 5% mol，3. 3mg) ， IO(TC下反應(yīng)lOh，對 硝基苯腈產(chǎn)率為95% (氣相色譜測定)。
權(quán)利要求
一種水溶液中芳基氰化物的合成方法，其特征在于將芳基化合物、亞鐵氰化物和相轉(zhuǎn)移劑在堿性水溶液中，或者將芳基化合物和亞鐵氰化物在堿性水與有機(jī)溶液的混合液中，控制反應(yīng)溫度為30℃-140℃，經(jīng)鈀催化劑催化耦合合成芳香氰化物。
2. 根據(jù)權(quán)利要求書l所述的方法，其特征在于芳基化合物為芳基鹵化物或芳香取代磺酸酯，其結(jié)構(gòu)式為其中R為H、 CH3、 CHO、 CH3CH0、 C00H、 CN、 CH30、 CF3、 N02 ;X為I 、 Br 、 CI 、 CH3S03 (OMs) 、 CF3S03 (0Tf) 、 C6H5S03 (OBs) 、 CH3C6H4S03 (OTs)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求書l所述的方法，其特征在于亞鐵氰化物與反應(yīng)物芳基化合物的摩爾 比為(0.17-1.0) : 1 ;所述的亞鐵氰化物為亞鐵氰化鉀、亞鐵氰化鈉、四甲基亞鐵氰化銨、 四乙基亞鐵氰化銨、四丙基亞鐵氰化銨或四丁基亞鐵氰化銨。
4. 根據(jù)權(quán)利要求書l所述的方法，其特征在于所述的鈀催化劑是由鈀(II)與配體組成，鈀(n)與配體的摩爾比為i : 1 6;其中鈀(n)為醋酸鈀、氯化鈀、三氟醋酸鈀或三(二亞芐基丙酮)二鈀；配體為三苯基膦間三磺酸鈉、2，6 二異丙基聯(lián)苯二環(huán)己基膦或2，6 二異丙基聯(lián)苯二環(huán)己基膦的磺酸鈉，分別簡稱為TPPTS、Xphos或XPhosS03Na ;TPPTS、Xphos 和XPhosS03Na的結(jié)構(gòu)式如下圖所示；
5. 根據(jù)權(quán)利要求書l所述的方法，其特征在于所使用的催化劑中鈀(II)與反應(yīng)物芳基化合物的摩爾比為o. oooi o. i : i。
6. 根據(jù)權(quán)利要求書l所述的方法，其特征在于堿性水與有機(jī)溶液的混合液中有機(jī)溶劑 和水的體積比為O. 1 1 : 1 ;其中有機(jī)溶劑為1，4-二氧六環(huán)、N， N-二甲基甲酰胺、二甲亞砜、甲醇、乙醇、丙醇或丁醇中的任意一種。
7. 根據(jù)權(quán)利要求書1所述的方法，其特征在于所述的相轉(zhuǎn)移劑為四丁基溴化銨、四丁 基碘化銨或三丁基十六烷基溴化銨中的任意一種；相轉(zhuǎn)移劑與反應(yīng)物芳基化合物的摩爾比 為0. 2 2 : 1。
8. 根據(jù)權(quán)利要求書l所述的方法，其特征在于水或水與有機(jī)溶液的加入量為控制反應(yīng) 物芳基化合物的濃度在反應(yīng)介質(zhì)中的濃度為0. 2-2. 0Mol/L。
9. 根據(jù)權(quán)利要求書l所述的方法，其特征在于所述的堿為無機(jī)堿式鹽或無機(jī)堿，無機(jī) 堿式鹽或無機(jī)堿與反應(yīng)物芳基化合物的摩爾比為O. 1 2 : 1 ;其中無機(jī)堿式鹽為碳酸鈉、 碳酸鉀、碳酸銫、磷酸鈉、磷酸鉀或磷酸銫；無機(jī)堿為氫氧化鈉、氫氧化鉀或氫氧化銫。
全文摘要
本發(fā)明是一種水溶液中芳基氰化物的合成方法，將芳基化合物、亞鐵氰化物和相轉(zhuǎn)移劑在堿性水溶液中，或者將芳基化合物和亞鐵氰化物在堿性水與有機(jī)溶液的混合液中，控制反應(yīng)溫度為30℃-140℃，經(jīng)金屬鈀催化劑催化耦合合成芳香氰化物。使用無毒綠色的亞鐵氰化物作為合成芳基氰化物的氰源和水作為綠色溶劑，替代了原有工藝的劇毒氰化物和有機(jī)溶劑，降低了芳基氰化物合成的環(huán)境污染問題。本發(fā)明利用水對于亞鐵氰化物好的溶解性及其強(qiáng)極性，極大地促進(jìn)芳基氰化反應(yīng)的發(fā)生，可在較低溫度下(30℃-140℃)完成氰化反應(yīng)，反應(yīng)收率高，提高了芳基氰化反應(yīng)的應(yīng)用范圍。
文檔編號B01J31/16GK101717350SQ200910232349
公開日2010年6月2日 申請日期2009年12月8日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月8日
發(fā)明者張俊麗, 張淵, 陳曉蓉, 黃軍 申請人:南京工業(yè)大學(xué)