| 第 44 卷第 5 期 |  | Vol. 44 No. 5 |
| 2014 年 10 月 | Oct 2014 |
微波輔助對硝基苯甲醚的合成研究
1 前 言
對硝基苯甲醚又稱(chēng)為對硝基茴香醚(簡(jiǎn)稱(chēng)PNA)，是對氨基苯甲醚合成的重要的前期物質(zhì)，在有機中間體中占有重要的地位，用于制取棗紅色基GP、色酚AS等染料，在醫藥、染料、紡織等領(lǐng)域都有很廣泛的應用。國內外針對合成對硝基苯甲醚的研究方法主要有3種：1) 對硝基苯酚催化甲基化。以對硝基苯酚為原料，硫酸二甲酯為甲基化試劑，具有毒性大、危險性高的缺點(diǎn)，不宜采用[1-2]；2) 對硝基氯苯催化甲氧基化。以對硝基氯苯、甲醇和氫氧化鈉為原料，無(wú)催化劑情況下，反應速率慢，耗時(shí)長(cháng)，且副產(chǎn)物多，對環(huán)境污染較為嚴重[3-4]；3) 苯甲醚的硝化：以苯甲醚和硝酸為原料，用硫酸催化進(jìn)行硝化，硝化過(guò)程中鄰位也被硝化，導致副產(chǎn)物生成，后處理較困難，所以此法不常用。另外，為了改善常規條件下有機合成中的耗時(shí)長(cháng)、收率低等缺點(diǎn)，近年來(lái)微波輔助技術(shù)在有機化學(xué)反應中也得到了廣泛的應用，它可以極大地促進(jìn)多種類(lèi)型的化學(xué)反應[5-7]。
筆者參考相關(guān)文獻，確定以對硝基苯酚為原料，碳酸二甲酯為甲基化試劑，聚乙二醇400為相轉移催化劑，在微波輔助條件下合成對硝基苯甲醚。目標產(chǎn)物結構經(jīng)核磁共振氫譜進(jìn)行確證。
2 實(shí)驗部分
2.1 合成路線(xiàn)
對硝基苯甲醚的合成路線(xiàn)如下：
2.2 儀器與試劑
儀器：MCR-3型微波化學(xué)反應器(鞏義市科瑞儀器有限公司)、RE-52A旋轉蒸發(fā)儀(上海亞榮生化儀器廠(chǎng))、FA2004電子分析天平(上海舜宇恒平科學(xué)儀器有限公司)、Bruker 400MHz型核磁共振儀（氘代氯仿為溶劑，德國B(niǎo)ruker公司）。
試劑：對硝基苯酚、碳酸二甲酯、PEG-400、PEG-600、PEG-800、PEG-1000（以
上試劑均為AR）。
2.3 對硝基苯甲醚的合成
分別將1.4 g(1 mol)對硝基苯酚、0.9 g(0.65 mol) 碳酸鉀、0.3 g(0.3 mol) PEG-400和5 mL(7 mol)DMC加入50 mL三頸瓶中，裝進(jìn)微波合成反應器，安裝回流裝置，開(kāi)通電源，設定時(shí)間750 s，溫度88℃，功率設定為360 W，啟動(dòng)反應，待反應結束，向三頸瓶中加入15 mL乙酸乙酯和20 mL水萃取兩次，分離出有機層并加入飽和氯化鈉溶液洗滌，加入無(wú)水硫酸鎂干燥，抽濾，旋蒸出乙酸乙酯，干燥得淺黃色晶體，得到對硝基苯甲醚，收率為80.64%（文獻[10]值62%）。1HNMR (400MHz, CDCl3)，δ：3.92 (3H，s)，為甲氧基上3個(gè)氫；8.21(2H，s)，為苯環(huán)上連接硝基的2個(gè)鄰位對稱(chēng)氫；6.97(2H，s)，為苯環(huán)上連接甲氧基的2個(gè)鄰位對稱(chēng)氫。
3 結果與討論
以對硝基苯酚為原料，在微波輔助的條件下，選擇不同分子量的PEG為催化劑，DMC為甲基化試劑，在實(shí)驗中，主要考察反應物投料比、PEG種類(lèi)、輻射時(shí)間和輻射溫度等因素對產(chǎn)物收率的影響。
3.1 對硝基苯酚與DMC不同投料比對產(chǎn)物收率的影響
反應按2.3實(shí)驗操作步驟進(jìn)行，反應時(shí)間為750 s，反應溫度為88℃，功率設定為360 W，考察對硝基苯酚與DMC不同投料比對產(chǎn)物收率的影響。結果如表1所示。
表1 對硝基苯酚與DMC投料比對產(chǎn)物收率的影響
Table 1 The effect of p-nitrophenol/DMC reactant on the yield of product
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序號 |
n（對硝基苯酚）: n (DMC) |
收率/% |
|
1 |
1﹕4 |
57.65 |
|
2 |
1﹕5 |
60.42 |
|
3 |
1﹕6 |
71.85 |
|
4 |
1﹕7 |
80.64 |
|
5 |
1﹕8 |
79.67 |
結果顯示，隨著(zhù)DMC量的逐漸增加，對硝基苯甲醚的收率逐漸提高，當投料比n（對硝基苯酚）: n (DMC)=1:7，其收率達80.64%。當比例超過(guò)1:7時(shí)，收率反而下降。原因是DMC沸點(diǎn)較低，隨著(zhù)DMC量的增加，達不到反應所需的溫度，導致反應不夠完全使收率降低。故投料比n（對硝基苯酚）: n (DMC)=1:7適宜。
3.2 碳酸鉀的用量對產(chǎn)物收率的影響
反應按2.3實(shí)驗操作步驟進(jìn)行，反應時(shí)間為750 s，反應溫度為88 ℃，功率設定為360 W，考察K2CO3的用量對產(chǎn)物收率的影響。結果見(jiàn)表2所示
表2 碳酸鉀的用量對產(chǎn)物收率的影響
Table 2 The effect of the amount of K2CO3 on the yield of product
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序號 |
n（對硝基苯酚）: n (碳酸鉀) |
收率/% |
|
1 |
1﹕0.50 |
54.54 |
|
2 |
1﹕0.55 |
62.77 |
|
3 |
1﹕0.60 |
72.39 |
|
4 |
1﹕0.65 |
80.64 |
|
5 |
1﹕0.70 |
76.38 |
由表2可知，隨著(zhù)碳酸鉀用量的增加，對硝基苯甲醚的收率也有所提高，當對硝基苯酚與碳酸鉀的投料比超過(guò)1:0.65后，產(chǎn)物的收率逐漸開(kāi)始降低。原因可能是由于隨著(zhù)反應物比例的增加，反應體系粘度增大，使反應速度變慢，導致收率降低。因此，最終確定n（對硝基苯酚）: n (碳酸鉀)= 1:0.65適宜。
3.3 PEG-400用量對收率的影響。
按照投料比為n(對硝基苯酚):n(DMC):n(K2CO3) =1:7:0.65，輻射時(shí)間750 s，輻射溫度88℃，考察PEG-400的用量對產(chǎn)物收率的影響，結果見(jiàn)表3。
表3 PEG-400用量對產(chǎn)物收率的影響
Table 3 The effect of the amount of PEG-400 on the yield of product
|
序號 |
n（對硝基苯酚）: n (PEG-400) |
收率/% |
|
1 |
1﹕0.1 |
67.7 |
|
2 |
1﹕0.2 |
70.4 |
|
3 |
1﹕0.3 |
80.6 |
|
4 |
1﹕0.4 |
72.6 |
|
5 |
1﹕0.5 |
68.2 |
由表3可知，隨著(zhù)催化劑用量增大，收率先升高，達到一定值后，收率反而下降，原因可能是PEG-400用量過(guò)多而引起的反應液乳化，產(chǎn)物難于分離而造成的產(chǎn)物收率降低。故確定對n（對硝基苯酚）: n (PEG-400)=1:0.3。
3.4 PEG種類(lèi)對收率的影響。
實(shí)驗過(guò)程中同時(shí)嘗試了選用不同分子量的PEG作相轉移催化劑，按照投料比為n(對硝基苯酚):n (DMC):n (K2CO3):n (PEG)=1:7:0.65:0.3，輻射時(shí)間750 s，輻射溫度為88℃，考察不同分子量的PEG作催化劑對產(chǎn)物收率的影響，結果見(jiàn)表4。
表4 不同分子量的PEG對產(chǎn)物收率的影響
Table 4 The effect of different molecular weight of PEG on the yield of product
|
序號 |
PEG |
收率/% |
|
1 |
PEG-400 |
80.6 |
|
2 |
PEG-600 |
70.6 |
|
3 |
PEG-800 |
65.7 |
|
4 |
PEG-1000 |
59.4 |
由表4可知，隨著(zhù)PEG分子量的增加，產(chǎn)物的收率明顯降低。原因是由于低分子量PEG多為液體黏稠狀，一些無(wú)機鹽或有機鹽在其中有較好的溶解度，而隨著(zhù)聚乙二醇分子量的增加，多呈固態(tài)，不易于無(wú)機鹽或有機鹽的溶解，從而收率下降，故實(shí)驗中有效的催化劑為PEG-400。
3.5 微波輻射時(shí)間對收率的影響
按照投料比為n(對硝基苯酚):n (DMC):n (K2CO3):n (PEG)=1:7:0.65:0.3，考察輻射時(shí)間對產(chǎn)物收率的影響，如表5所示。
表5 輻射時(shí)間對產(chǎn)物收率的影響
Table 5 The effect of radiation time on the yield of product
|
序號 |
時(shí)間/s |
收率/% |
|
1 |
550 |
53.3 |
|
2 |
600 |
64.2 |
|
3 |
650 |
73.6 |
|
4 |
700 |
79.4 |
|
5 |
750 |
80.6 |
|
6 |
800 |
83.4 |
由表5可知，輻射時(shí)間超過(guò)800 s，收率變化不明顯且略有下降；輻射時(shí)間少于800 s，反應不完全，收率不高，故輻射時(shí)間宜選750 s。
3.6 微波輻射溫度對收率的影響。
按照投料比n(對硝基苯酚):n (DMC):n (K2CO3):n (PEG)=1:7:0.65:0.3，輻射時(shí)間為750 s，考察輻射溫度對產(chǎn)物收率的影響，如表6所示。
表6 輻射溫度對產(chǎn)物收率的影響
Table 6 The effect of radiation temperature on the yield of product
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序號 |
溫度/℃ |
收率/% |
|
1 |
76 |
59.4 |
|
2 |
80 |
64.9 |
|
3 |
84 |
70.3 |
|
4 |
88 |
80.6 |
|
5 |
92 |
80.2 |
由表6可知，輻射溫度超過(guò)88℃，造成反應液揮發(fā)甚至炭化，副產(chǎn)物增加，導致收率下降；輻射溫度低于88℃，反應不完全，收率不高。故輻射溫度選擇88℃。
4 結 論
1) 選用DMC代替硫酸二甲酯或甲醇作為甲基化試劑，降低了反應危險性和毒性，同時(shí)使成本降低；PEG作為催化劑，充分顯示其穩定性好、毒性小的優(yōu)點(diǎn)。使合成對硝基苯甲醚的工藝操作更安全，更加綠色化。
2) 確定合成對硝基苯甲醚最佳合成工藝條件為n投料比n(對硝基苯酚):n (DMC):n (K2CO3):n (PEG)=1:7:0.65:0.3，微波功率360 W，輻射時(shí)間750 s。對硝基苯甲醚的收率為80.64%。
3) 微波輔助法能夠促進(jìn)對硝基苯酚的甲基化反應，避免劇毒試劑的使用，增加實(shí)驗操作的安全性，減少對環(huán)境的污染，促進(jìn)合成工藝的綠色化，同時(shí)縮短反應時(shí)間，提高反應效率[8-9]，降低了耗能，為芳甲醚類(lèi)化合物的合成奠定了研究基礎。
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