亞鐵氰化鉀催化合成芳香族氰基化合物

芳香族氰基化合物是重要的合成化合物。它不僅可以溶解芳酸，還可以提取芳胺。廣泛應(yīng)用于農(nóng)藥、染料和醫(yī)藥領(lǐng)域。傳統(tǒng)氰基化試劑有NaCN,KCN,TMSCN(Trimethylsilylcyanide),Zn(CN)[8~13]22[8~13],CuCN,(CH3)2C(OH)CN。其中NaCN和KCN劇毒;Zn(CN)2和CuCN會造成重金屬污染;TMSCN容易吸潮,處理不方便,與(CH3)2C(OH)CN一樣均會在反應(yīng)過程中放出劇毒的氰化氫氣體,造成環(huán)境嚴(yán)重污染。近年德國化學(xué)家開發(fā)了在配體協(xié)助催化下以K4[Fe(CN)6]為氰化試劑的氰化反應(yīng),受到廣泛關(guān)注。因K4[Fe(CN)6]有氰根但沒有氰化物的毒性,而且廉價易得。亞鐵氰化鉀作為氰基化試劑無需經(jīng)過復(fù)雜的預(yù)處理,其6個氰根均可與鹵素交換,因此氰基化反應(yīng)不需要大量的亞鐵氰化鉀。同時反應(yīng)后處理簡單,不會對環(huán)境造成污染。本文以亞鐵氰化鉀為氰基化試劑,進(jìn)行了溴苯等鹵代芳烴的氰基化反應(yīng)?？疾炝宋锪媳?、反應(yīng)時間、反應(yīng)溫度、催化劑的用量、亞鐵氰化鉀粒徑、堿和溶劑對反應(yīng)的影響,確定了反應(yīng)條件。合成路線如Scheme1所示。1實驗部分1.1儀器和質(zhì)譜條件HP4890型氣相色譜儀(美國),HP-5彈性石英毛細(xì)管柱(30m×0.25mm),進(jìn)樣溫度260℃,初始溫度70℃(3min),升溫速率20℃/min,結(jié)束溫度250℃(15min),氫火焰離子化檢測器溫度290℃;TraceDSQ氣質(zhì)聯(lián)用儀(GC/MS)(美國),色譜柱為DB5彈性毛細(xì)管MS柱(30m×0.25mm×0.25m),進(jìn)樣溫度220℃,初始溫度50℃(1min),升溫速率20℃/min,結(jié)束溫度250℃(5min)。質(zhì)譜離子源為EI,電子轟擊能量為70eV,質(zhì)量掃描范圍(m/z)50～450。鹵代芳烴、亞鐵氰化鉀、Pd(OAc)2均為分析純試劑,其它試劑為化學(xué)純。1.2有機(jī)相roe的合成在25mL燒瓶中,加入6mmolPhBr、0.006mmolPd(OAc)2、10mLDMAc(N,N-dimethylacetamide)、1.2mmolK4[Fe(CN)6]·3H2O和6mmolNa2CO3,在N2氣保護(hù)下,130℃反應(yīng)一定時間。反應(yīng)結(jié)束后,降至室溫,加入20mL乙酸乙酯稀釋,過濾。濾液依次用水(15mL×2)、體積分?jǐn)?shù)為5%氨水(15mL×1)洗滌。所得有機(jī)相用無水Na2SO4干燥,用GC和GC/MS分析。MS(EI),m/z:103(M+)。2結(jié)果與討論2.1亞鐵氰化鉀體系中溴與溴的反應(yīng)當(dāng)反應(yīng)溫度為130℃,反應(yīng)時間為1.5h時,亞鐵氰化鉀的用量對氰基化反應(yīng)的影響,結(jié)果見表1。由表1可以看出,當(dāng)n(K4[Fe(CN)6]·3H2O)/n(PhBr)=0.167時,體系中CN與PhBr物質(zhì)的量相等,氰基苯的得率為85.6%,表明了亞鐵氰化鉀的6個氰根都可以與PhBr中的溴交換。因此,推測其機(jī)理如Scheme2所示。首先在共催化劑碳酸鈉和配體作用下,Pd(OAc)2還原為Pd(0),Pd(0)與溴苯反應(yīng)生成氧化加成產(chǎn)物(1),產(chǎn)物(1)中的溴與亞鐵氰化鉀中的氰根交換生成配合物(2),隨后配合物(2)還原消除生成氰基苯并得到Pd(0)。從表1可看到,隨氰基化試劑亞鐵氰化鉀用量增加,轉(zhuǎn)化率和得率逐步提高,當(dāng)n(K4[Fe(CN)6]·3H2O)/n(PhBr)=0.2時,轉(zhuǎn)化率和氰基苯得率基本趨于穩(wěn)定。2.2催化劑、反應(yīng)溶劑和用量對氰基化反應(yīng)的影響PhBr為6mmol,K4[Fe(CN)6]·3H2O為1.2mmol,Pd(OAc)2為0.006mmol,其它條件不變,考察了反應(yīng)時間對氰基化反應(yīng)的影響,結(jié)果見表2。由表2可以看出,反應(yīng)時間增加,轉(zhuǎn)化率和得率逐步提高,當(dāng)反應(yīng)時間為1.5h時,轉(zhuǎn)化率和氰基苯得率基本趨于穩(wěn)定。其它條件同前,考察了反應(yīng)溫度對氰基化反應(yīng)的影響,結(jié)果見表3。表中可見,反應(yīng)溫度<125℃時,轉(zhuǎn)化率和收率均比較低,說明氰根不易從亞鐵離子上轉(zhuǎn)移。當(dāng)溫度升到130℃時,氰基苯得率達(dá)到95.0%,因此選擇130℃作為氰化反應(yīng)溫度。其它條件不變,考察了催化劑用量對氰基化反應(yīng)的影響。結(jié)果見表4。表4中可見,當(dāng)催化劑Pd(OAc)2摩爾分?jǐn)?shù)為PhBr摩爾分?jǐn)?shù)的0.01%時,得率只有1.7%。隨著催化劑用量增加,轉(zhuǎn)化率和得率逐步提高,當(dāng)Pd(OAc)2摩爾分?jǐn)?shù)為PhBr摩爾分?jǐn)?shù)的0.1%時,轉(zhuǎn)化率和得率均達(dá)到最高值,但催化劑用量繼續(xù)增加時反而下降。這可能是與過多的催化劑致使鈀的聚集,形成鈀黑,導(dǎo)致催化劑失活有關(guān)。其它條件不變,在K4[Fe(CN)6]·3H2O用量不變的條件下,考察了亞鐵氰化鉀的粒徑對氰基化反應(yīng)的影響,結(jié)果見表5。表5中可見,隨著亞鐵氰化鉀平均粒徑減少,轉(zhuǎn)化率和得率逐步提高,當(dāng)平均粒徑在0.075～0.1mm時轉(zhuǎn)化率和氰基苯得率均很高且已基本趨于穩(wěn)定。說明亞鐵氰化鉀粒徑小,在反應(yīng)體系中分散越均勻,就增加與配合物(1)接觸機(jī)會,從而提高了反應(yīng)速率。堿作為共催化劑,廣泛應(yīng)用于過渡金屬催化反應(yīng)。它們可以把高價過渡金屬離子還原為低價,考察了常見堿對氰基化反應(yīng)的影響。結(jié)果見表6。由表6可見,Na2CO3作為堿反應(yīng)結(jié)果最好。這與最近報道的Suzuki-Type反應(yīng)相同,Na2CO3是很好的共催化劑。其它條件不變,采用不同反應(yīng)溶劑考察了氰基化反應(yīng)的影響,結(jié)果見表7。由表7可見,不同反應(yīng)溶劑對氰基化反應(yīng)有明顯的影響。用DMAc和NMP(N-Methyl-2-Pyrrolidone)為反應(yīng)溶劑,反應(yīng)的得率分別為95.0%和93.4%。DMF(N,N-dimethylformamide)為反應(yīng)溶劑時,只能得到中等得率。而甲酰胺與DMSO(Dimethylsulfoxide)為反應(yīng)溶劑時,幾乎不反應(yīng)。這是由于亞鐵氰化鉀在DMAc與NMP中溶解性較好,更能參與反應(yīng)。2.3亞鐵氰化鉀為氰基化試劑的用量考察了K4[Fe(CN)6]·3H2O作為氰基化試劑對其它鹵代芳烴的氰基化反應(yīng),結(jié)果見表8。表中的鄰硝基碘苯轉(zhuǎn)化率為92.2%,但得率卻不高,生成大量脫碘產(chǎn)物硝基苯。對于碘代芳烴,氰化反應(yīng)需要氰基化試劑過量很多(亞鐵氰化鉀的用量為底物的0.6)才能達(dá)到理想的轉(zhuǎn)化率。這可能是由于碘電子云密度較大,與氰根交換時難于亞鐵離子結(jié)合有關(guān)。表中結(jié)果表明,鹵代芳香族化合物中的鹵素離去能力是I,Br>Cl;芳烴上有吸電子基時,活性增加,有供電子基時,活性降低;苯環(huán)上其它取代基的位置也有影響,如溴代苯甲醚的氰化反應(yīng)中,由于