專利名稱：硝酸鋁在芳環(huán)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的衍生物進行親電取代反應得到相應硝化產(chǎn)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(nóng)藥、炸藥、染料和顏料等精細化工產(chǎn)品以及其它有機化工產(chǎn)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，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路易斯酸三氟化硼等)、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。但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Catherine Vottero(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(chǎn)物為鄰位或對位硝基苯酚。

發(fā)明內(nèi)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(chǎn)物，并且該硝化方法操作簡單，條件溫和。
式(1)式(1)中的取代基R1基團可以是C1-5的直鏈烷基或側鏈烷基、C1-5的直鏈烷氧基或側鏈烷氧基、甲醛基、鹵素原子F、Cl、Br或I，取代基R1基團在芳環(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(chǎn)物由式(2)所示，產(chǎn)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基團如同式(1)所定義，可以是C1-5的直鏈烷基或側鏈烷基、C1-5的直鏈烷氧基或側鏈烷氧基、甲醛基、鹵素原子F、Cl、Br或I，取代基R1基團在芳環(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揭示一種新的化學反應及其產(chǎn)物，反應方程式由式(3)表示，即硝酸鋁在一定條件下與含酚羥基的芳烴衍生物(3a)發(fā)生硝化反應，得到硝化產(chǎn)物(3b)，其特征是式(3)所示的反應物芳環(huán)中的R2基團被硝基所取代。
式(3)式(3)中的R2基團可以是C1-5的直鏈烷基或側鏈烷基，X可以是CH基團或N原子，Y可以是CH基團或N原子，Z可以是CH基團或N原子，Q可以是CH基團或N原子，其中X、Y、Z和Q必需至少有一個為CH基團，同時X、Y、Z和Q必需至少有一個為N原子。
由XYZQ和一個N原子構成的不飽和五員雜環(huán)可以由式(4)所示的一些含氮雜環(huán)代表，但不僅限于這些化合物。
式(4)本發(fā)明的第三個目的在于披露這些硝化反應的條件(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)反應物和硝酸鋁的摩爾比范圍是2-0.5，比例大于2硝化不完全，比例小于0.5會帶來更多的副產(chǎn)物且消耗較多的硝酸鋁。實驗表明，反應物和硝酸鋁不同的比例可以使反應產(chǎn)物中異構體的比例發(fā)生變化，通常反應物和硝酸鋁的比例是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(chǎn)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，一般的反應溫度控制在50-100℃，最佳控制溫度在60-80℃之間。
(v)上述所描述的硝化反應時間在20分鐘至10小時。
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(chǎn)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)，回流2小時，溶液呈棕色。旋轉蒸發(fā)除去溶劑，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(chǎn)物含量為20.9％，二取代產(chǎn)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)，回流2小時，溶液呈棕色。旋轉蒸發(fā)除去溶劑，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(chǎn)物含量為8.7％，對位產(chǎn)物含量為31.9％，二取代產(chǎn)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)，回流2小時，溶液呈棕色。旋轉蒸發(fā)除去溶劑，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。總收率為753％，其中鄰位產(chǎn)物含量為41.2％，對位產(chǎn)物含量為44.6％二取代產(chǎn)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)，回流2小時。旋轉蒸發(fā)除去溶劑，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(chǎn)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)，回流2小時。旋轉蒸發(fā)除去溶劑，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(chǎn)物含量為21.4％，對位產(chǎn)物含量為14.8％，二取代產(chǎn)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)，回流40分鐘。旋轉蒸發(fā)除去溶劑，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(chǎn)物含量為86.7％，二取代產(chǎn)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)，回流30分鐘。旋轉蒸發(fā)除去溶劑，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(chǎn)物含量為15.0％，二取代產(chǎn)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)，回流1小時。旋轉蒸發(fā)除去溶劑，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(chǎn)物含量為87.0％，二取代產(chǎn)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)，回流40分鐘。旋轉蒸發(fā)除去溶劑，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(chǎn)物含量為74.6％，二取代產(chǎn)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)，回流40分鐘。旋轉蒸發(fā)除去溶劑，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(chǎn)物含量為3.9％，二取代產(chǎn)物含量為95.8％。
ESI-MS m/z[M-H]-＝180.5(30％)，225.5(100％)。
實施例11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)，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(chǎn)物含量為99.7％。
ESI-MS m/z[M-H]-＝166.3(100％)。
實施例12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)，回流8小時。旋轉蒸發(fā)除去溶劑，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(chǎn)物含量為42.1％，對位產(chǎn)物含量為21.8％。
ESI-MS m/z[M-H]-＝166.3(100％)。
實施例13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)，回流反應2小時。旋轉蒸發(fā)除去溶劑，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(chǎn)物含量為87.2％。
ESI-MS m/z[M-H]-＝168.5(100％)。
實施例144-甲基-2，6-二(N-咪唑甲基)苯酚與硝酸鋁(1∶1)的反應將2.68克4-甲基-2，6-二(N-咪唑甲基)苯酚溶于25毫升無水乙醇中，然后加入3.75克硝酸鋁水合物(Al(NO3)3·9H2O)，回流2小時。溶液呈黃色并伴有棕黃色沉淀產(chǎn)生。過濾，干燥，得到棕黃色固體[4-硝基-2，6-二(N-咪唑甲基)苯酚]2.39克(產(chǎn)率80.0％)。
IR(KBr)3423s，3151w，3064m，1383s，1352s，636s1H-NMR(DMSO/TMS)δ5.48(m，4H)，7.70(m，4H)，8.33(m，2H)，9.15(m，2H)ESI-MS m/z[M+H]+＝300.0(100％)。
實施例154-異丙基-2，6-二(N-咪唑甲基)苯酚與硝酸鋁(1∶1)的反應將2.96克4-異丙基-2，6-二(N-咪唑甲基)苯酚溶于25毫升無水乙醇中，然后加入3.75克硝酸鋁水合物(Al(NO3)3.9H2O)，回流2小時。溶液呈黃色并伴有棕黃色沉淀產(chǎn)生。過濾，干燥，得到棕黃色固體[4-硝基-2，6-二(N-咪唑甲基)苯酚]2.39克(產(chǎn)率80.0％)。
IR(KBr)3423s，3151w，3064m，1383s，1352s，636s1H-NMR(DMSO/TMS)δ5.48(m，4H)，7.70(m，4H)，8.33(m，2H)，9.15(m，2H)ESI-MS m/z[M+H]+＝300.0(100％)。
實施例164-叔丁基-2，6-二(N-咪唑甲基)苯酚與硝酸鋁(1∶1)的反應將3.10克4-叔丁基-2，6-二(咪唑甲基)苯酚溶于25毫升無水乙醇中，然后加入3.75克硝酸鋁水合物(Al(NO3)3.9H2O)，回流1小時。溶液呈黃色并伴有棕黃色沉淀產(chǎn)生。過濾，干燥，得到棕黃色固體[4-硝基-2，6-二(N-咪唑甲基)苯酚]2.62克(產(chǎn)率87.5％)。
IR(KBr)3423s，3151w，3064m，1383s，1352s，636s1H-NMR(DMSO/TMS)δ5.48(m，4H)，7.70(m，4H)，8.33(m，2H)，9.15(m，2H)ESI-MS m/z[M+H]+＝300.0(100％)。
實施例174-叔丁基-2，6-二(N-1，2，4-三唑甲基)苯酚與硝酸鋁(1∶1)的反應將3.12克4-叔丁基-2，6-二(N-三唑甲基)苯酚溶于25毫升無水乙醇中，然后加入3.75克硝酸鋁(Al(NO3)3·9H2O)，回流1小時。溶液呈棕黃色并伴有棕色沉淀產(chǎn)生。過濾，干燥，得到棕色固體[4-硝基-2，6-二(N-1，2，4-三唑甲基)苯酚]2.27克(產(chǎn)率75.5％)。
IR(KBr)3425s，3151w，1387s，1352s，688s1H-NMR(CDCl3/TMS)δ9.62(br，l H)，8.34(s，2H)，7.89(s，2H)，7.19(s，2H)，5.27(s，4H)ESI-MS m/z[M-H]-＝300.3(100％)。
實施例184-叔丁基-2，6-二(N-四唑甲基)苯酚與硝酸鋁(1∶1)的反應將3.14克4-叔丁基-2，6-二(N-四唑甲基)苯酚溶于25毫升無水乙醇中，然后加入3.75克硝酸鋁水合物(Al(NO3)3·9H2O)，回流1小時。旋轉蒸發(fā)除去部分溶劑，有棕色沉淀產(chǎn)生。過濾，干燥，得到棕色固體[4-硝基-2，6-二(N-四唑甲基)苯酚]2.14克(產(chǎn)率70.5％)。
IR(KBr).3425s，3153w，1385s，1352s，685s1H-NMR(CDCl3/TMS)δ9.60(br，1H)，8.33(s，2H)，7.90(s，2H)，5.25(s，4H)ESI-MS m/z[M-H]-＝302.3(100％)。
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在一定條件下反應得到相應硝化產(chǎn)物的新工藝，其特征是硝酸鋁為硝化劑；式(1)中的R1基團可以是C1-5的直鏈烷基或側鏈烷基、C1-5的直鏈烷氧基或側鏈烷氧基、甲醛基、鹵素原子F、Cl、Br或I，R1基團在芳環(huán)的位置可以是羥基的鄰位、間位或對位。
2.一種采用硝酸鋁與式(2)所示的含酚羥基的芳烴衍生物在一定條件下反應得到式(3)所示硝化產(chǎn)物的新工藝，其特征是反應物芳環(huán)中的R2基團被硝基所取代；式(2)中的R2基團可以是C1-5的直鏈烷基或側鏈烷基，X可以是CH基團或N原子，Y可以是CH基團或N原子，Z可以是CH基團或N原子，Q可以是CH基團或N原子，其中X、Y、Z和Q必需至少有一個為CH基團，同時X、Y、Z和Q必需至少有一個為N原子。
3.如權利要求2所述的式(3)所示的硝化產(chǎn)物；在式(3)中，X可以是CH基團或N原子，Y可以是CH基團或N原子，Z可以是CH基團或N原子，Q可以是CH基團或N原子，其中X、Y、Z和Q必需至少有一個為CH基團，同時X、Y、Z和Q必需至少有一個為N原子。
4.如權利要求1和權利要求2所述的硝酸鋁與式(1)和式(2)所示的含酚羥基的芳烴衍生物的反應條件，其特征是所用的硝酸鋁是硝酸鋁水合物，反應物和硝酸鋁的摩爾比范圍是2-0.5，通常硝酸鋁和反應物的比例是1∶1。
5.如權利要求1和權利要求2所述的硝酸鋁與式(1)和式(2)所示的含酚羥基的芳烴衍生物的反應條件，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％。
6.如權利要求1和權利要求2所述的硝酸鋁與式(1)和式(2)所示的含酚羥基的芳烴衍生物的反應條件，其特征是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，最佳控制溫度在60-80℃之間。
7.如權利要求1和權利要求2所述的硝酸鋁與式(1)和式(2)所示的含酚羥基的芳烴衍生物的反應條件，其特征是反應時間在20分鐘至10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(chǎn)物的工藝，以及一種新的化學反應，即硝酸鋁在一定條件下與含酚羥基和咪唑、三唑或四唑五員雜環(huán)的芳烴衍生物發(fā)生硝化反應，得到硝化產(chǎn)物，其特征是反應物芳環(huán)中的烷基基團被硝基所取代。
文檔編號C07C201/00GK1736976SQ20051009410
公開日2006年2月22日 申請日期2005年8月30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