金屬配位誘導酚酸酯與氮氧化物的高選擇性直接重氮化方法與流程

本發明涉及一種由金屬配位誘導的酚酸酯化合物與氮氧化物直接反應，高選擇性地一步制備重氮化合物的方法。屬于化學化工中的有機和無機化學反應，也涉及到藥物合成和環境保護。
背景技術：
：重氮鹽是一類重要的有機合成中間體，通過重氮鹽可以在苯環上引入偶氮、鹵素、氰基、羥基等。重氮鹽是由亞硝酸和胺重氮化得到的。芳香烴一般要經過硝基化、還原成胺和重氮化三步才能得到重氮鹽。早期也有報道一步法直接重氮化，即通過芳香烴與過量亞硝酸或亞硝酸鹽與酸的混合物反應來實現。其中收率高的有應用價值的是1957年JMTedder報道的一步法合成高收率酚醚、酚、芳香叔胺重氮鹽的方法，該方法主要是先形成了亞硝基化物，亞硝基化物再與過量的亞硝酸再反應得到重氮化產物，且研究的是活性的苯或苯酚的衍生物。還沒見帶有鈍化基團的苯酚在其它重氮化試劑下的直接重氮化反應。帶有鈍化基團的苯酚類化合物三步法合成重氮鹽的報道很多。水楊酸就是研究的比較多的一種。水楊酸及其衍生物不僅在殺菌、消炎、解熱鎮痛、抗病毒等方面表現出很好的藥理活性，而且在信息儲存和生物分子環境探測上有很大的應用潛力。通過水楊酸重氮化再偶氮化得到的偶氮化物也大都有藥理活性，這些重氮化研究都是先引入氨基再用亞硝酸重氮化，沒有直接重氮化的報道。水楊酸酯衍生物也同樣在很多方面表現出很好的藥理活性，而對水楊酸酯的重氮化研究比較少。2010年，研究合成了水楊酸甲酯的四氟硼酸重氮鹽，該法是用5-氨基水楊酸甲酯與四氟硼酸重氮化得到的，還沒見水楊酸酯的直接重氮化報道。技術實現要素：本發明的目的是針對現有技術不足提供一種金屬配位誘導的酚酸酯與氮氧化物的高選擇性直接重氮化方法。本發明所述方法步驟如下：[1]將酚酸酯溶于有機溶劑中，并加入金屬鹽或金屬配合物，酚酸酯與金屬鹽或金屬配合物的摩爾比為2:1到0.5:1；[2]在-10～30℃溫度區間，將氮氧化物直接通入溶液中反應后放置，反應時間1-20小時，放置時間5-24小時，使形成的重氮鹽產物以固體形式析出；[3]過濾出固體重氮鹽產物后的溶液，補加相應的酚酸酯后調節溶液pH值在3-6之間，該溶液可以繼續用于與氮氧化物的直接反應，形成重氮化鹽；[4]循環反應多次的母液，溶液中主要含有金屬鹽，酚酸酯的硝基化產物及部分未反應的酚酸酯，通過加入水，水相主要含金屬硝酸鹽及高氯酸鹽，通過結晶重制成高氯酸鹽，可重復用于反應，有機相通過分離得到酚酸酯的硝基化產物可進一步通過還原成胺后重氮化生成重氮鹽；所述步驟[1]中的有機溶劑主要包括酯類、醇類和酮類等能溶解酚酸酯和金屬高氯酸鹽、氟硼酸鹽，且能以主客體相互作用而溶解吸收氮氧化物的一種或多種有機溶劑的混合物；其中，優選的是乙酸乙酯、乙酸丙酯、乙酸丁酯中的一種或多種的組合；所述步驟[1]和步驟中[3]中的酚酸酯包括水楊酸酯、沒食子酸酯、阿魏酸酯、水楊醛酯等包含鄰羥基苯甲酰結構單元的各類化合物；步驟[1]中的金屬鹽或金屬配合物主要是指一些2-4價的金屬高氯酸和氟硼酸鹽，例如稀土、鋁、鐵、鋅、鎂、鈣等；所述步驟[2]中通入的氮氧化物包括一氧化氮、二氧化氮、一氧化二氮、四氧化二氮、三氧化二氮、二氧化硫等化合物中的一種或多種氣體的組合；它們主要來源于用酸與亞硝酸鹽反應得到的各種氮氧化物和各種工業廢氣。本發明的有益效果：本發明可以直接通過酚酸酯與氮氧化物的一步反應，高選擇性地合成相應的重氮鹽，解決了以往重氮化反應需要經過三階段反應過程所導致的過程復雜，能耗高，收率低等問題。形成的產物以固體形式析出，易于分離，而且產物是高選擇性的酚羥基對位上取代的重氮鹽。使所用的金屬鹽可以在反應體系中重復使用，進一步提升合成產率。而且，所用的氮氧化物可以是來自各種工業廢氣，用于廢氣的處理。本發明提出了一條新的一步法合成重氮鹽的路線，不僅可以用于開發具有潛在藥用價值的新型化合物，而且可以為含氮氧化物的工業廢氣處理，包括含SO2,的廢氣的高效回收處理，應用前景廣闊。附圖說明圖1為水楊酸酯及高氯酸鹽混合物與氮氧化物反應制備重氮鹽的基本路線圖；圖中：MS：水楊酸甲酯；MS_Na：水楊酸甲酯的鈉鹽；有機相：主要含有硝基化水楊酸酯及部分未反應的水楊酸酯；圖2為氮氧化物制備及重氮化反應實驗裝置圖；圖3為水楊酸甲酯重氮鹽的單晶結構圖；圖4a為紫外光譜圖；圖4b為紅外光譜圖；圖5為不同溶劑中水楊酸甲酯重氮化產率的比較；圖6反應溫度對水楊酸甲酯重氮化產率的影響。具體實施方式實施例1水楊酸甲酯與高氯酸釔的混合物與一氧化氮的反應如圖2的反應裝置圖，在150ml氣體吸收瓶中，加入水楊酸甲酯1.52g、高氯酸釔4.52g于40ml乙酸乙酯溶液中，先通入氮氣30min除去裝置中的氧氣，再緩慢通入一氧化氮(一氧化氮，由亞硝酸鈉6.90g、硫酸亞鐵在酸性條件下制備，通過氫氧化鈉溶液及無水氯化鈣除去二氧化氮和水汽，得到干燥的一氧化氮)，反應溫度在控制10℃左右，由亞硝酸鈉產生的一氧化氮通完后，溶液無明顯變化；靜置24h，氣體吸收瓶中的液體也沒有明顯顏色變化，當向氣體吸收瓶中通入空氣，有棕色氣體在瓶內產生，隨著放置8h，吸收液顏色逐漸加深；并伴有細小透明顆粒結晶產生，結晶產物經過單晶衍射(圖3和表1)、紫外-可見光譜和紅外光譜(圖4a和圖4b)、核磁共振光譜(表2)等方法鑒定為5-重氮基-水楊酸甲酯高氯酸鹽。證明采用一氧化氮在密閉的無氧條件下與配合物反應不形成重氮鹽，但氧氣的介入則可以形成重氮鹽。產率較低，僅8.7％，溶液中檢測到硝酸根的存在，說明有部分氮氧化物轉化成了硝酸根。實施例2水楊酸甲酯與高氯酸釔的混合物與二氧化氮的反應在150ml氣體吸收瓶中，加入水楊酸甲酯1.52g、高氯酸釔4.52g于40ml乙酸乙酯溶液中，先通入氮氣30min除去裝置中的氧氣，再緩慢通入二氧化氮(二氧化氮，將濃硝酸緩慢滴加到銅片6.00g上制備，得到的棕色氣體通過無水氯化鈣除去水汽，得到干燥的二氧化氮)，隨著放置8h，吸收液顏色逐漸加深變為深棕色；并伴有細小透明顆粒結晶產生，結晶為5-重氮基-水楊酸甲酯高氯酸鹽，產率為：證明二氧化氮可以直接與水楊酸甲酯釔配合物反應形成重氮鹽，產率有所提高，達到12.5％。溶液中檢測到硝酸根的存在，說明有部分氮氧化物轉化成為了硝酸根。實施例3水楊酸甲酯與高氯酸釔的混合物與氮氧化物的反應在150ml氣體吸收瓶中，加入水楊酸甲酯1.52g、高氯酸釔4.52g于40ml乙酸乙酯溶液中，先通入氮氣30min除去裝置中的氧氣，再緩慢通入氮氧化物(氮氧化物，由亞硝酸鈉6.90g與濃硫酸反應來制備，通過無水氯化鈣除去水汽，得到干燥的氮氧化物)，反應溫度在控制10℃左右隨著氮氧化物的通入，溶液逐漸變成黃色，由亞硝酸鈉產生的氮氧化物通完后，溶液變為橙紅色；靜置12h，溶液中有較多的片狀結晶析出，為5-重氮基-水楊酸甲酯高氯酸鹽，產率得到大大提高，達26.3％。溶液中檢測到硝酸根的存在，說明有部分氮氧化物轉化成為了硝酸根。證明一氧化氮和二氧化氮的混合氣體更容易與水楊酸酯釔配合物發生直接的重氮化反應，形成重氮鹽產物。該反應可認為是氮氧化物二聚體(三氧化二氮，四氧化二氮)與配合物直接反應，在酚羥基對位加合上三氧化二氮后再與氮氧化物發生氧化還原反應，加合在酚環上的三氧化二氮上的氧不斷被后續通入的氮氧化物結合，分別形成重氮基和硝酸根。實施例4水楊酸甲酯與高氯酸釔的混合物與氮氧化物在不同溶劑中的反應在150ml氣體吸收瓶中，加入水楊酸甲酯1.52g、高氯酸釔4.52g于40ml不同溶劑乙酸丁酯、乙酸乙酯、丙酮、乙醇、乙醇/乙酸乙酯、乙腈溶液中，按照實施例3的過程進行反應。測定各溶劑中反應所得產物的量，計算產率，結果見圖5。證明溶劑對合成產率的影響較大，其中在乙酸丁酯溶液中有較高的產率。一方面乙酸丁酯能夠很好地吸收氮氧化物，產生足夠的產生重氮化反應的中間活性物質；另一方面，在乙酸丁酯溶液中，重氮鹽的溶解度相對乙酸乙酯要低，更有利于重氮鹽的析出。實施例5水楊酸甲酯與不同高氯酸鹽的混合物與氮氧化物的反應在150ml氣體吸收瓶中，按水楊酸甲酯與高氯酸鹽的摩爾比為1:1，取水楊酸甲酯1.52g于40ml乙酸乙酯溶液中，按照實施例3的過程進行反應。其結果如表3所示：證明各種金屬鹽，尤其是二價，三價金屬鹽的高氯酸鹽具有更好的合成產率。實施例6不同溫度下重氮化產物收率的比較以乙酸丁酯為溶劑，水楊酸甲酯與高氯酸釔的摩爾而配比為1:1(10mmol:10mmol)，氮氧化物通入量為100mmol(NOx通入量這里按亞硝酸鈉的投料量計)不變的條件下，不同溫度下重氮鹽的生成。從圖6可以明顯看出：隨著溫度的升高，重氮化物的量的降低比較明顯，低溫反應更利于重氮鹽的生成。實施例7水楊酸甲酯與高氯酸釔的混合物與含SO2的氮氧化物的反應在150ml氣體吸收瓶中，加入水楊酸甲酯1.52g、高氯酸釔4.52g于40ml乙酸乙酯溶液中，先通入氮氣30min除去裝置中的氧氣，再緩慢通入氮氧化物(氮氧化物，由亞硝酸3.50g與濃硫酸反應下制備，通過無水氯化鈣除去水汽，得到干燥的氮氧化物)，反應一段時間后再同時通入SO2(由亞硫酸鈉1.2g與硫酸反應制備)，反應溫度在控制10℃左右，隨著混合氣體的通入，溶液逐漸變成黃色，2h溶液變渾濁，并伴有片狀結晶析出，取渾濁液少許于水中后，水溶液澄清，加入BaCl2/H+有不溶白色絮狀物產生，說明SO2經過該體系變為硫酸根離子，由于硫酸鹽在乙酸乙酯溶液中溶解較小所以析出，同時通過紅外光譜儀測定片狀結晶主要是水楊酸甲酯的重氮鹽。說明二氧化硫也可以參與重氮化反應，起還原劑作用，使結合在酚環上的三氧化二氮被還原成重氮基，二氧化硫被氧化成硫酸根。實施例8反應液的循環使用在150ml氣體吸收瓶中，加入水楊酸甲酯1.52g、高氯酸釔4.52g于40ml乙酸丁酯溶液中，在室溫條件下進行。按實施例3進行，得到結晶(重氮鹽產率為28.5％)后，濾出反應液，在攪拌的條件下，緩慢加入水楊酸甲酯鈉。隨著水楊酸甲酯鈉的加入，溶液酸度降低的同時溶液逐漸變成墨綠色，在調節到pH值在4左右時，將溶液繼續通入相同的氮氧化物，放置相同的時間，反應液變成棕色同時有結晶析出，以兩次結晶總量比上兩次的水楊酸甲酯總量得到，總產率為54.2％。接著將第二次反應的溶液濾出，向其中加入水，振蕩分層后，有機相為黃色，通過核磁共振氫譜分析，主要是未反應的水楊酸甲酯、5-硝基水楊酸甲酯及3-硝基水楊酸甲酯，經過分離提純5-硝基水楊酸甲酯及3-硝基水楊酸甲酯備用或按文獻的方法對其進行硝基還原至胺再重氮化得到3位及5位的重氮鹽；水相顯黃棕色，主要是釔的硝酸鹽和高氯酸鹽及部分水溶性氮氧化物，通過沉淀、酸溶重新制備高氯酸釔用于金屬鹽的循環。實施例9各種酚酸酯合成重氮鹽的產率比較在乙酸丁酯溶液中，按酚酸酯與Y(ClO4)3＝10mmol：10mmol，NOx的通入量為100mmol；溫度10℃。放置12h后得到的結晶量計為重氮鹽產量，見表4。證明各種酚酸酯都可以發生這種直接重氮化反應。表1水楊酸甲酯重氮鹽的晶體學參數表分子式C8H8ClN2O7a9.4869(7)分子量279.6b8.8790(6)晶體結構單斜晶c13.7717(11)空間群P121/C1α90收集的反射點8392β106.42(0)°UniqueR(int)2708γ90T(K)296(2)V1112.76(67)R1,wR2[I>2(I)]0.0931,0.2728Z4GOF1.085θ范圍3.08～28.39表2水楊酸甲酯重氮鹽在以不同氘代試劑測試得到的氫譜數據表3不同金屬離子參與的水楊酸甲酯的重氮化反應表4不同酚酸酯參與下的重氮化產量當前第1頁1 2 3