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4-氯-3-氟甲苯和4-溴-3-氟甲苯的合成

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第24卷第1期 2007年1月 精细石油化工 SPECIALITY PETROCHEMICALS 叫 。 4一氯一3一氟甲苯和4一溴一3一氟甲苯的合成 赵昊昱 薛叙明 蒋 涛 (常州工程职业技术学院化工系,江苏常州213164) C /摘要:以红色基GL(邻硝基对甲苯胺)为原料,采用“高温”重氮化反应分别经Sandmeyer反应、还原反应和 H Schiemann反应可制得纯度≥99.9 (Gc)的4一氯一3一氟甲苯和纯度≥99.0%(Gc)的4一溴一3一氟甲苯,总收率分 别为33.8%和33.9%。其中重氮化氯代反应的最佳反应条件为:反应温度5O℃,反应时间2.5 h, (红色基 GL):n(CuC1)一1:0.55,保温温度7O℃;重氮化溴代反应的最佳条件为:反应温度5O℃,反应时间4 h, (红色基GL):n(CuBr)一1:0.60,保温温度6O℃。产物经IR和GC-MS验证符合预期结构。此“高温”重 氮化法可扩大至中试生产。 关键词:4一氯一3一氟甲苯 4一溴一3一氟甲苯 Sandmeye反应 还原反应 Schiemann反应 中图分类号:TQ242 文献标识码iA N 吼. \ Ⅱ b a 吼. \20世纪80年代以来随着新型、功能型医药 和农药的迅速发展,中国化工行业对芳香族有机 氟产品的需求量迅速增加。4一氯一3一氟甲苯是一种 无色透明油状液体,在医药、农药等领域有应用, 目前国内未见该化合物合成方法的报道;4-溴-3- 利[1]提出了以4一氨基-3-氟甲苯氢溴酸盐为原料 的合成方法,但原料价格昂贵。笔者提出了以邻 硝基对甲苯胺(染料红色基GL)为原料,采用“高 吼人 a Jz Ⅲ 吼 温”重氮化方法合成了4一氯-3-氟甲苯和4一溴-3-氟 甲苯,改进了传统反应温度控制在0~5℃的低温 操作,有利于工业化生产,成本低,产物纯度好,质 。 氟甲苯是一种无色透明有刺激性气味的液体,是 一a ) 种有机合成中间体,主要用于制备医药L1]。专 CH3 量稳定 其合成路线为: \F NaN02/HCl CuCI/HC1.5O℃ NaN02/HC HBF4 №NHz  № Hz 2BF4 ) CH3 NaNO2/HBr CuBr/HBr.50℃ H2 NaN02/HC1 HBF4 _垒+ 2BF Br F ) (Ⅶ) 1 实 验 CP,上海润捷化学试剂有限公司;还原铁粉,60 目,上海昂新贸易有限公司;氯化铵,AR,国药集 1.1试剂及仪器 红色基GL,工业级,江阴富达化工厂;亚硝 酸钠,工业级,常州市启程化工有限公司;盐酸,工 团化学试剂有限公司;氟硼酸,工业级(42 ),昆 山市花桥教育助剂厂。 收稿日期:2006—08—02;修改稿收到日期:2006一l1一O6。 业级(36 ),上海顺强生物科技有限公司;氢溴 酸,工业级(40 ),国药集团试剂有限公司;氯化 亚铜,工业级,上海富蔗化工有限公司;溴化亚铜, 作者简介:赵昊昱(1971一)女,江苏省常州市人,讲师,从事 精细有机合成教学及科研工作。E—mail:hyzhao@email.czie.net。 维普资讯 http://www.cqvip.com

40 精细石油化工 2007年1月 97902 lI型气相色谱仪,浙江温岭;GCMS- QP2OlO型色质联用仪,El本岛津;SP X I FT-IR 型红外光谱仪,美国Perkin Elmer。 1.2合成 1.2.1 4-氯-3-氟甲苯(Ⅳ) 1.2.1.1 3一硝基-4-氯甲苯(I}rz ̄42 在250 mL四口烧瓶中加入100 mL盐酸、70 mL水及57.0 g(O.375 too1)红色基GL,在8O~ 90℃搅拌1.5 h后,降温至50℃,加入20.4 g (0.206 too1)氯化亚铜,搅拌0.5 h,在此温度下滴 加由41.0 g(O.696 too1)亚钠和80 mL水混 合成的水溶液,控制滴加速度以不产生大量红棕 色二氧化氮气体为宜。滴完后在70℃保温至原 料转化完全为止(气相色谱跟踪分析)。降温,静 置,取油层水洗,再用5 NaHCO。水溶液洗至 pH值为中性,得红棕色油状液体粗品工59.6 g, 含量为97.81 9/6(GC),收率为92.6 。 1.2.1.2 2-氯-5-甲基苯胺(Ⅱ) ] 在250 mL四口烧瓶中加入75 mL蒸馏水、 28.0 g(0.50 too1)还原铁粉、5 mL浓盐酸和0.5 g(0.O1 too1)NH Cl,升温回流1.5 h进行预蚀 生成Fe抖。然后在回流温度下滴加10.9 g (0.062 5 too1)工粗品,滴加速率控制在保证有回 流,但无剧烈反应现象为宜。滴完后回流反应约 3 h,以反应液滴于滤纸上无黄色渗圈现象判定为 反应终点。 用饱和Na CO。水溶液调节混合物碱性至 pH一9~10,趁热抽滤除去铁泥,水蒸气蒸馏滤 液,收集油层。将水层中加入饱和食盐水进行盐 析,将所得油层与上述油层合并,得淡黄色油状液 体粗品Ⅱ5.8 g,含量为98.86 (GC),收率为 65.5%。 1.2.1.3化合物lgI-8 ̄1o] 在2 000 mL四口烧瓶中加入400 mL HC1 和200 mL水溶液,加入lI 141.6 g(1.00 too1), 升温至80℃搅拌1 h,再降温到5℃,进行 Schiemann反应。向烧瓶中滴加由72.0 g(1.04 oto1)亚钠和120 mL水混合成的溶液。保温 30 min,抽滤得澄清透明的重氮液。在5℃向重 氮液中滴加260.0 g(1.20 too1)HBF4,滴完后保 温2 h。将析出的白色盐类化合物用甲醇洗涤2 次,然后真空干燥,得白色固体氟硼酸重氮盐(1lI) 128.0 g。 将干燥的氟硼酸重氮盐分批投入圆底烧瓶 内,在2.66 kPa、120℃分馏,得无色透明油状液 体Ⅳ80.7 g,含量为99.96 (GC),收率为 55.8%。 IR(液膜法),a/cm_。:3 074.7(v—c.H); 2 924.3,2 862.2(va—ScH );1 608.2,1 584.3, 1 492.5( cH。,苯环的骨架振动);1 492.5 (v一 ,与苯环的骨架振动重叠),可确定该分子 结构中可能含有苯环与一CH。。1 221.8(C—F 敏感谱带),574.7(vc.. 与环变形),可确定该分子 结构中苯环上可能有氟取代。1 044.8(C—C1), 465.5(环变形),可确定该分子结构中苯环上可能 有氯取代。906.1,807.4(&一 ,苯环上不对称三 取代),可确定该分子结构中苯环上可能是不对称 三取代,分别是一CH。、一F与一Cl。 MS,m/z:144是分子离子峰;144与146丰 度比约3:1,确认该分子结构中可能含有1个Cl 原子。109是分子离子失去一个 Cl或”Cl的碎 片峰(也是基峰),因此该分子结构中含有1个Cl 原子。 综上所述,目标产物Ⅳ的结构符合预期设想。 1.2.2 4-溴-3-氟甲苯(Ⅶ) 1.2.2.1 3一硝基-4-溴甲苯(V}rn ̄132 在250 mL四口烧瓶中加入30 mL水、80 mL 40 HBr溶液及22.8 g(0.15 too1)红色基 GL,在80~90℃搅拌1.5 h后,降温到50℃加 入13.0 g CuBr(0.09 too1)。搅拌0.5 h后,滴加 由10.8 g(0.157 too1)NaNOz和20 mL水混合 成的水溶液,控制滴加速度以不出现大量红棕色 二氧化氮气体为宜。滴完后在60℃保温至原料 转化完全为止。降温,静置,取油层,先水洗再用 5 NaHCO。水溶液至pH值为中性。得红棕色 油状液体粗品V 25.8 g,含量为92.10 (GC), 收率为79.6 。 1.2.2.2 2-溴-5-甲基苯胺(Ⅵ) 向250 mL四口烧瓶中加入50 mL蒸馏水, 14 g(0.25 mo1)还原铁粉,2 mL HC1和0.5 g (0.01 too1)NH Cl,升温回流1.5 h进行预蚀生 成Fez 。然后保持回流温度滴加13.5 g (0.062 5 too1)V粗品。滴完后回流反应约3 h, 以反应液滴于滤纸上无黄色渗圈现象判定为反应 终点。 在烧瓶中加入30 mL甲苯,在回流温度下搅 维普资讯 http://www.cqvip.com

第24卷第1期 赵吴昱,等.4一氯一3一氟甲苯和4一溴一3一氟甲苯的合成 41 拌20 min,然后用饱和Na。CO。水溶液调节混合 物至pH一9~10。趁热过滤收集滤液,滤饼用5 V的合成也采用了正交实验法,因素及水平 见表3,结果见表4。 mL甲苯浸洗2次,合并滤液,分出油层。常压蒸 馏除去溶剂甲苯,再减压蒸馏得红棕色固体粗品 Ⅵ7.6 g,含量为98.O0 (GC),收率为65.4 。 1.2.2.3化合物Ⅶ[ .1 在2 000 mL四口烧瓶中加入200 mL水和 400 mL HCl,加入Ⅵ186 g(1.00 mo1),升温到 80℃搅拌1 h,降温到5℃以下做Schiemann反 应。向烧瓶中滴加由72.0 g(1.04 mo1)NaNOz 和120 mL水形成的溶液。滴完保温30 min后, 抽滤得澄清透明的重氮液。5℃以下向重氮液中 滴入260 g(1.20 mo1)HBF ,滴完后保温约2 h。 将析出的淡黄色盐类化合物抽滤,再用甲醇洗涤 1 2 3 4 5 6 7 8 9 滤饼2次后,真空干燥得淡黄色固体粉末氟硼酸 重氮盐(Ⅶ)。 将干燥的氟硼酸重氮盐分批投入圆底烧瓶 内,在2.66 kPa,100℃分馏,得无色透明油状液 体Ⅷ123.2 g,含量为99.01 (GC),收率为 65.2%。 IR(液膜法), /cm_。:3 070.6( :c—H); 2 928.8,2 864.8( cH );1 608.8,1 582.7, 2 1 486.7(苯环的骨架振动);1 486.7( cH ,与苯 环的骨架振动重叠),可确认该分子结构中可能含 有苯环与一CH。。1 237.4(C—F敏感谱带), 574.2( ;c一 与环变形),可确定该分子结构中苯 环上可能有氟取代。1 067.9(C—Br敏感谱带), 400以下的吸收峰( 与环变形),可确定该分 子结构中苯环上可能有溴取代。872.9,805.6 (&一n,苯环上不对称三取代),可确定该分子结构 中苯环上可能是不对称三取代,分别是一CH。、一 F与一Br。 MS, / :188是分子离子峰,188与190丰 度约1/1,可确认该分子结构中可能含有1个Br 原子;109是分子离子失去一个 。Br或虬Br的碎 片峰(也是基峰),因此该分子结构中含有1个Br 原子。 综上所述,目标产物Ⅷ的结构符合预期设想。 2结果与讨论 2.1 重氮化氯代与重氮化澳代反应条件的优化 根据预实验,从重氮化反应温度、反应时间、 红色基GL与CuC1摩尔比、保温温度4因素设计 正交实验合成I,见表1和表2。 表1正交实验因素及水平 表2正交实验结果与数据处理 序号 A B C D 收率,% R 注:收率均为粗品收率(以下同)。 3 2 2 3 表3正交实验因素及水平 表4正交实验结果与数据处理 序号 A B C D 收率, 1 2 3 1 2 3 1 2 3 184.5 204.9 189.8 6.8O 1 23 28 2维普资讯 http://www.cqvip.com

42 精细石油化工 2007年1月 2.2重氮化氯代、溴代反应温度对I及V收率的 影响 用传统的直接法l】 投料,对重氮化氯代和溴代分 别做了2组对照实验,结果见表5。 在O~5℃时,重氮化氯代反应得到粗品I的 由表2和表4可知,重氮化反应温度在5O℃ 时,可得到较高收率的I和V。 一含量和收率与“高温”重氮化方法得到的结果相 般来说,重氮化的反应温度均在O~5℃的 当;重氮化溴代反应得到粗品V,含量虽提高到 94.5O (GC),收率却降低到73.4 。为了降低 能耗,把重氮化氯代、溴代的反应温度控制在5O ℃,有利于工业化生产;但是,温度超过5O℃后, 生成物中杂质增多,如酚类等,不易于分离提纯。 低温状态下进行。但实验发现,当把催化剂Cu 先加人反应体系中,原料中氨基与NaNO 反应 生成重氮基后,立即被取代为一Cl或一Br,从而 避免重氮盐高温易分解这一不利因素。这种“高 温”重氮化方法操作简便,有利于节能,对工业化 生产特别有利。 采用“高温”重氮化法将制备I和V的投料数 据分别放大1O倍和2O倍后进行中试,I和V的 含量和收率有所降低,结果见表6。 将反应温度降到0~5℃,原料用量不变,采 表5传统重氮化方法与“高温”法比较 (粗品), (放大1O倍) 97.63 96.45 94.38 92.71 粗品收率,%(放大1O倍) (粗品), (放大2O倍) 粗品收率, (放大2O倍) 95.8 96.31 96.1 92.0 97.01 93.8 78.6 92.36 79.1 74.3 91.49 75.0 2.3重氮化氯代、溴代反应时间对I和V收率的 影响 2.5保温温度对I和V收率的影响 由表2可知,保温温度在7O℃时,I的收率 较高。由表4可知,保温温度在6O℃时,V的收 率较高。 2.6 Ⅱ和Ⅵ还原方法的比较 由表2和表4可知,重氮化氯代、溴代的反应 时间分别为2.5 h和4 h时,I和V的收率较高。 时间过短,原料来不及转化完全;时间过长,会生 成二卤化物、酚等杂质。 2.4,l(红色基GL):,l(CuX)对I和V收率的影 响 利用Na S还原法也可把一NO 还原成 一NHzIn,z1,此方法理论上可行,但实验中采用此 方法回流12 h以上仍无法检测出产物的存在。 由表2可知,CuC1用量增加,产物收率也增 原因可能是:受邻位卤原子位阻效应影响,导致 一加,在 (红色基GL): (CuC1)一1:0.55时收 率较高。 由表4可知,CuBr用量增加,收率也增加。 但由于CuBr价格相对昂贵,为节约生产成本,选 NOz无法顺利还原成一NH 。实验选用铁粉还 原法合成出Ⅱ和Ⅵ,此法应用较为广泛,工艺成 熟,操作简单易行,但铁泥污染环境。 2.7 Ⅱ和Ⅵ精制方法的比较 择 (红色基GL):n(CuBr)为1:0.60为宜。 利用水蒸气蒸馏法提纯,可得含量为98.86 维普资讯 http://www.cqvip.com

第24卷第1期 赵昊昱,等.4一氯-3-氟甲苯和4一溴-3-氟甲苯的合成 43 (GC)的II;而采用同样方法在提纯Ⅵ时却发生了 聚合现象,改用经溶剂萃取后常压去溶剂,再减压 蒸馏的方法得到了含量为98.OO (GC)的2一溴一 5一甲基苯胺。 3 结 论 2徐克勋.精细有机化工原料及中间体手册[M].北京:化学工 业出版社,1998.3-51,3-451 3 Marvel C S,McElvain S M.D—Chlorotoluene and P—chlorotol— uene.Organic Syntheses[J].1941,1:170 4章思规.精细化学品技术手册[M].北京:科学技术文献出版 社,2000.103 a.首先提出了经重氮化氯代、还原和 Schiemann反应3步反应合成出了4一氯一3一氟甲 苯,采用价廉的红色基GL为原料经重氮化溴代、 还原和Schiemann反应3步反应合成出了4一溴一 5樊能廷.有机合成事典[M].北京:北京理工大学出版社, 1992.676 6邓洪,陈红飙,林原斌,等.2,3一二氯甲苯的合成[J].中国医 药工业杂志,2003,34(1):4~6 7段长强,孟庆芳,张泰,等.现代化学试剂手册[M].第1分 册.北京:化学工业出版社,1988.326~327 8 Schiemann G,WinkelmOller W.4,4 一Dinuor0bipheny1.0r- 3一氟甲苯。其中在重氮化氯代和溴代反应中,采 用反应温度为5O℃的“高温”重氮化法来替代传 统的O~5℃低温操作,降低了生产能耗,方便了 操作过程。 ganic Syntheses[J].1943,2:188 9 Bennett E L,Niemann C.The synthesis of 2-fluoro-DL—tyro— b.在3步合成步骤中,所得中间体不需精制 可直接用于下一步合成,对最终产物的纯度没有 较大影响。 sine and 2-fluor ̄4一methoxy-DL-phenylanine[J].Journal of the American Chemical Society,1950,72:18O6~1807 10 Roe A,Teagus C E.The preparation of heterocyclic luorifne compounds by the Schiemann reaction.1lI.some monoflu— C.采用本法合成4一氯一3一氟甲苯和4一溴一3一氟 甲苯,成本低,生产操作方便,纯度高,具备工业化 生产的潜力。 致谢:吴静玉,马广明是常州工程职业技术学院精细 化工专业0311班学生,为本研究做了大量基础实验工 作,特此感谢。 or0isoquino1ines[J].Journal of the American Chemical Soci— ety.1951,73:687~688 11马志军,徐丽红.2一氟一4一溴甲苯、2一氟一4一溴苄基溴的合成与 研究[J].有机氟工业,2003,(4):26 ̄29 12 Bigelow L A.D—Bromotoluene.Organic Syntheses[J]. 1941,1:135 13 Bigelow L A.p-Bromotoluene.Organic Syntheses[J]. 1941,1:136 参考 文 献 14马志军,翁兴嫒,徐丽红.2一氟一4一硝基甲苯、2一氟一6一硝基甲苯 的合成研究[J].有机氟工业,2003,(2):5~7 詹家荣施险峰徐军,等.4一溴一3一氟甲苯的制备方法[P].中 国,CN 2OO31O1O9O35 0.2005 15何海兰.精细化学品大全染料卷[M].杭州:浙江科学技术 出版社,2000.77 SYNTHESIS OF 4一CHLORo一3一FLUoRoToLUENE AND 4一BRoMo一3一FLUoRoToLUENE Zhao Haoyu,Xue Xuming and Jiang Tao (Changzhou Institute of Engineering Technology,Changzhou 213164,Jiangsu,China) Abstract:4-Chloro一3一fluorotoluene and 4-bromo一3一fluorotoluene were synthesized from 0一nitro-p—to1ui— dine(Fast Red Base GL),through diazo reaction at high temperature,Sandmeyer reactionreduction 、and Schiemann reaction.The purity of 4-chloro一3一fluorotoluene and 4-bromo一3一fluOrotoluene were≥ 99.9 (GC)and≥99.0 (GC),respectively,while the overall yield were 33.8 and 33..9 , respectively.The optimal conditions for diazo—chlorination were:50℃,reaction time 25 h,竹(Fast Red Base GL) 。n(cuprous chloride)一1:0.55 and reaction temperature 70℃.The oDtima1 condi— tions for diazo—bromization were:50℃,reaction time 4 h,竹(Fast Red Base GL)。竹(cuDrous bro— mide)一1:0.60 and reaction temperature 60℃.The structures of the products were confirmed bv IR . and GC-MS.The high temperature diazo reaction could be scaled upKey words:high temperature;4-chloro一3一fluorotuene;4-bromo一3一fluOrotoluene; Sandmeyer reaction; reduction;Schiemann reaction 

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