卤代芳烃的氰基化反应_朱益忠

朱益忠.. 蔡.. 春*

( 南京理工大学化工学院.. 南京210094)

摘.. 要.. 以亚铁为氰基化试剂, 以醋酸钯为催化剂制备了芳香族氰基化合物。考察了原料比、时间、反

应温度、催化剂的用量等反应条件对反应的影响, 确定了较佳的反应条件。在n ( K4 [ Fe ( CN ) 6 ] .. 3H2O ) ..

n( PhBr) ..n( Pd( OAc) 2 ) = 200..1 000..1, 反应温度130 .. , 反应1.. 5 h条件下, 溴苯转化率达99%, 产物氰基苯

收率为95%。氰基化试剂亚铁与传统的氰基化试剂相比无毒, 无需经过复杂的预处理, 而且廉价易得。

这种氰基化反应催化体系简单, 无需添加昂贵的催化剂配体, 催化剂的用量少, 并且反应的后处理简单, 对环

境污染小, 是一种效益明显的氰化芳烃的制备方法。同时进一步考察了其它卤代芳烃的氰基化反应, 活泼的

溴代芳烃和碘代芳烃均能得到很好得率: 91% ~ 96%。

关键词.. 氰基化, 亚铁, 芳香族氰基化合物

中图分类号: O621. 2; O625. 6.. .. .. .. .. 文献标识码: A.. .. .. .. .. 文章编号: 1000..0518( 2007) 08..0888..05

2006..08..30收稿, 2007..01..08 修回

通讯联系人: 蔡春, 男, 教授, 博士生导师; E..m ai:l c. ca@i m ai.l n just. edu. cn; 研究方向: 精细有机化学品合成

芳香族氰基化合物是重要的有机合成中间体, 既可水解制备芳酸也可以还原成芳胺, 在农药、染料

和医药领域应用很广。传统氰基化试剂有N aCN[ 1~ 3] , KCN[ 4, 5] , TMSCN ( Trime thylsilyl cyan ide ) [ 6, 7] ,

Zn( CN ) [ 8~ 13]

2 , CuCN[ 14] , ( CH3 ) 2 C( OH ) CN[ 15] 。其中N aCN 和KCN剧毒; Zn( CN ) 2和CuCN 会造成重金

属污染; TMSCN 容易吸潮, 处理不方便, 与( CH3 ) 2C (OH ) CN 一样均会在反应过程中放出剧毒的氰化氢

气体[ 16] , 造成环境严重污染。近年德国化学家开发了在配体协助催化下以K4 [ Fe( CN ) 6 ] [ 16~ 20] 为氰化

试剂的氰化反应, 受到广泛关注。因K4 [ Fe( CN ) 6 ]有氰根但没有氰化物的毒性, 而且廉价易得。亚铁氰

化钾作为氰基化试剂无需经过复杂的预处理, 其6个氰根均可与卤素交换, 因此氰基化反应不需要大量

的亚铁。同时反应后处理简单, 不会对环境造成污染。本文以亚铁为氰基化试剂, 进行了

溴苯等卤代芳烃的氰基化反应。考察了物料比、反应时间、反应温度、催化剂的用量、亚铁粒径、

碱和溶剂对反应的影响, 确定了反应条件。合成路线如Scheme 1所示。

1.. 实验部分

1. 1.. 仪器和试剂

HP40型气相色谱仪(美国) , HP..5弹性石英毛细管柱( 30 m .. 0..25 mm) , 进样温度260 .. , 初始

温度70 .. ( 3 m in) , 升温速率20 .. /m in, 结束温度250 .. ( 15 m in) , 氢火焰离子化检测器温度290 .. ;

Trace DSQ 气质联用仪(GC /MS) (美国) , 色谱

柱为DB5弹性毛细管MS柱( 30 m .. 0. 25mm ..0..25m ),

进样温度220 .. , 初始温度50.. ( 1m in) , 升温速率20.. / m in, 结束温度250.. ( 5 m in)。质谱离子源为

E I, 电子轰击能量为70 eV, 质量扫描范围(m /z) 50~ 450。卤代芳烃、亚铁、Pd( OA c) 2均为分析

纯试剂, 其它试剂为化学纯。

第24卷第8期应用化学Vo .l 24 No. 8

2007年8月.. .. .. .. .. .. .. CH INESE JOURNAL OF APPL IED CHEM ISTRY.. .. .. .. .. .. .. Aug. 2007

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1. 2.. 卤代芳烃的氰化

在25mL烧瓶中, 加入6mmo lPhBr、0..006mmo lPd( OA c) 2、10mL DMAc(N, N ..dim ethylacetam ide)、

1..2mmo lK4 [ Fe( CN ) 6 ] .. 3H2O 和6 mmo l Na2CO3, 在N2 气保护下, 130 .. 反应一定时间。反应结束

后, 降至室温, 加入20 mL 乙酸乙酯稀释, 过滤。滤液依次用水( 15 mL .. 2 )、体积分数为5% 氨水

( 15mL .. 1)洗涤。所得有机相用无水Na2SO4干燥, 用GC 和GC /MS分析。MS( E I) , m /z: 103(M+ )。

2.. 结果与讨论

2. 1.. 亚铁用量对反应转化率和产物收率的影响

当反应温度为130 .. , 反应时间为1..5 h时, 亚铁的用量对氰基化反应的影响, 结果见表1。

表1.. n(K4 [ Fe( CN) 6 ] .. 3H2O) /n( PhBr)对氰基化反应的影响*

Table 1.. Effect of n(K4 [ Fe(CN ) 6 ] .. 3H2O) /n( PhBr) on the cyanation*

n ( K4 [ Fe( CN) 6 ] .. 3H2 O) /n ( PhB r) C onversion /% Y ield /% n ( K4 [ Fe( CN) 6 ] .. 3H2O ) /n ( PhB r) C onversion /% Y ield /%

0. 167 91. 8 85. 6 0. 200 98. 9 95. 0

0. 183 93. 3 87. 0 0. 208 99. 2 94. 8

0. 192 98. 6 93. 2 0. 217 99. 1 94. 6

.. .. * 0. 006mm ol of Pd (OA c) 2 w as u sed.

由表1可以看出, 当n ( K4 [ Fe( CN) 6 ] .. 3H2O) /n ( PhB r) = 0..167时, 体系中CN 与PhB r物质的量

相等, 氰基苯的得率为85. 6% , 表明了亚铁的6个氰根都可以与PhB r中的溴交换。因此, 推测其

机理如Scheme 2所示。

Pd( OA c) 2

L

Pd( 0) .. L: ligand(OA c- , solvent)

Pd( 0) + PhB r Ph.. Pd( 0) .. Br

..

1

Pd.. Pd( 0) .. B r+ [ Fe( CN ) 6 ] 4- Ph.. Pd( 0) .. CN

..

2

+ [ Fe( CN ) nB r6- n ] 4-

Ph.. Pd( 0) .. CN PhCN + Pd( 0)

Scheme 2.. Proposed mechan ism of pa llad ium..catalyzed cyanat ion ofA ry l

halides w ith K4 [ Fe( CN ) 6 ] .. 3H2O

首先在共催化剂碳酸钠和配体作用下, Pd( OA c) 2还原为Pd( 0), Pd( 0)与溴苯反应生成氧化加成

产物( 1) , 产物( 1)中的溴与亚铁中的氰根交换生成配合物( 2) , 随后配合物( 2)还原消除生成氰

基苯并得到Pd( 0)。

从表1可看到, 随氰基化试剂亚铁用量增加, 转化率和得率逐步提高, 当n (K4 [ Fe( CN ) 6 ] ..

3H2O ) /n ( PhBr) = 0..2时, 转化率和氰基苯得率基本趋于稳定。

2. 2.. 反应条件对反应转化率和收率的影响

PhBr为6mmo ,l K4 [ Fe( CN ) 6 ] .. 3H2O 为1..2mmo,l Pd(OA c) 2 为0..00

6 mmo,l其它条件不变, 考察

了反应时间对氰基化反应的影响, 结果见表2。

表2..

反应时间对反应的影响

Table 2.. Effect of reaction time on the cyana tion

Reaction t im e/h Conversion /% Y ield /% Reaction t im e/h C onversion /% Y ield /%

0. 5 51. 7 48. 9 1. 5 98. 9 95. 0

1 76. 4 73. 0 1. 75 99. 3 95. 6

1. 25 87. 4 83. 4 2 99. 0 95. 3

.. .. 由表2可以看出, 反应时间增加, 转化率和得率逐步提高, 当反应时间为1..5 h时, 转化率和氰基苯

.. 第8期朱益忠等: 卤代芳烃的氰基化反应8

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得率基本趋于稳定。

其它条件同前, 考察了反应温度对氰基化反应的影响, 结果见表3。

表3.. 反应温度对反应的影响

Table 3.. Effect of reaction temperature on the cyana tion

t /.. Convers ion /% Y ield /% t /.. Conversion /% Y ield /%

110 8. 0 7. 2 130 98. 9 95. 0

120 59. 9 55. 5 135 99. 5 95. 2

125 94. 3 . 7 140 99. 6 95. 3

.. .. 表中可见, 反应温度< 125 .. 时, 转化率和收率均比较低, 说明氰根不易从亚铁离子上转移。当温

度升到130 .. 时, 氰基苯得率达到95..0% , 因此选择130 .. 作为氰化反应温度。

其它条件不变, 考察了催化剂用量对氰基化反应的影响。结果见表4。

表4.. Pd(OAc) 2的量对反应的影响

Table 4.. Effect of the amount of Pd(OA c) 2 on the cyanat ion

x ( Pd( OAc) 2 ) * /% Conversion /% Y ield /% x ( Pd( OAc) 2 ) * /% C onversion /% Y ield /%

0. 01 1. 7 1. 7 0. 15 94. 6 90. 6

0. 05 85. 9 81. 7 0. 2 88. 2 84. 6

0. 1 98. 9 95. 0

.. .. * Mo lar rat io of Pd( OAc) 2 to PhBr.

.. .. 表4中可见, 当催化剂Pd( OA c) 2摩尔分数为PhBr摩尔分数的0..01% 时, 得率只有1..7% 。随着催

化剂用量增加, 转化率和得率逐步提高, 当Pd( OAc) 2摩尔分数为PhB r摩尔分数的0..1% 时, 转化率和

得率均达到最高值, 但催化剂用量继续增加时反而下降。这可能是与过多的催化剂致使钯的聚集, 形成

钯黑, 导致催化剂失活有关[ 21] 。

其它条件不变, 在K4 [ Fe( CN) 6 ] .. 3H2O用量不变的条件下, 考察了亚铁的粒径对氰基化反

应的影响, 结果见表5。

表5.. K4 [ Fe( CN ) 6 ] .. 3H2O的粒径对反应的影响

Table 5.. Effec ts of the different diameter s of particle ofK4 [ Fe(CN ) 6 ] .. 3H2O on the cyanation

D iam eter/mm Conversion /% Y ield /% D iam eter /mm C onversion /% Y ield /%

> 0. 35 94. 8 91. 1 0. 075~ 0. 1 98. 9 95. 0

0. 154 ~ 0. 35 96. 1 91. 5 < 0. 075 99. 5 95. 1

0. 1~ 0. 154 97. 8 93. 2

.. .. 表5中可见, 随着亚铁平均粒径减少, 转化率和得率逐步提高, 当平均粒径在0..075 ~

0..1mm时转化率和氰基苯得率均很高且已基本趋于稳定。说明亚铁粒径小, 在反应体系中分散

越均匀, 就增加与配合物( 1)接触机会, 从而提高了反应速率。

碱作为共催化剂, 广泛应

用于过渡金属催化反应。它们可以把高价过渡金属离子还原为低价[ 22] ,

考察了常见碱对氰基化反应的影响。结果见表6。

表6..

碱对反应的影响

Table 6.. Effects of different bases on the cyanation

Base Conversion /% Y ield /% Base C onversion /% Y ield /%

KOH 14. 8 13. 2 H COON a 14. 4 13. 3

CH 3COONa 43. 8 41. 4 K3 PO4.. 3H2O 46. 3 44. 3

CH3 CH 2ONa 0. 67 0 KF 60. 9 60. 3

t..BuOK 13. 4 12. 2 N a2CO3 98. 9 95. 0

.. .. 由表6可见, Na2CO3作为碱反应结果最好。这与最近报道的Suzuk i..Type

[ 23] 反应相同, Na2CO3是很

0 应用化学.. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. 第24卷..

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好的共催化剂。

其它条件不变, 采用不同反应溶剂考察了氰基化反应的影响, 结果见表7。

表7.. 溶剂对反应的影响

Table 7.. Effects of different solvents on the cyanation

So lvent Conversion /% Y ield /% Solven t C onversion /% Y ield /%

NM P 99. 5 93. 4 DMSO 1. 8 1. 8

DM F 71. 4 66. 8 HCONH2 0 0

DMAc 98. 9 95. 0

.. .. 由表7可见, 不同反应溶剂对氰基化反应有明显的影响。用DMA c和NMP(N ..M ethy l..2..Py rrolidone)

为反应溶剂, 反应的得率分别为95..0%和93..4%。DMF(N, N ..dim ethy lform am ide)为反应溶剂时, 只能得

到中等得率。而甲酰胺与DMSO ( D im ethylsulfox ide)为反应溶剂时, 几乎不反应。这是由于亚铁

在DMA c与NMP中溶解性较好, 更能参与反应。

2. 3.. 其它卤代芳烃的氰基化反应

考察了K4 [ Fe( CN) 6 ] .. 3H2O作为氰基化试剂对其它卤代芳烃的氰基化反应, 结果见表8。

表8.. 其它卤代芳烃的氰基化反应结果

Table 8.. Results of cyanation of other Aryl halides

R X Conversion /% Y ield /% R X C onversion /% Y ield /%

p..OCCHa3

B r > 99 91. 0 m..CHc

3 I > 99 93. 6

p..OCHb

3 B r 41. 9 39. 8 p..CHc

3 I > 99 92. 8

o..OCHb

3 B r 12. 4 10. 8 o..NOd2

I 92. 2 52. 6

Hc I > 99 91. 0 p..CFd

3 C l 69. 4 . 1

o..CH c

3 I > 99 96. 0

.. .. a. Reaction cond it ions: 1 equ iv of ary l halide( 6 mm ol) , 0. 2 equ iv ofK4 [ Fe( CN) 6 ] 3H 2O, 1 equ iv ofN a2 CO3, 0. 006mm olPd( OA c) 2,

10mL ofDMA c, 130 .. , 1. 5 h; b. React ion tem p. of150 .. w as requ ired; c. 0. 6 equ iv ofK4 [ Fe(CN) 6 ] .. 3H2 O w as requ ired; d. 0. 018mm ol

Pd (OA c) 2 and reaction temp erature of 150 .. w ere requ ired.

表中的邻硝基碘苯转化率为92..2% , 但得率却不高, 生成大量脱碘产物硝基苯。对于碘代芳烃, 氰

化反应需要氰基化试剂过量很多(亚铁的用量为底物的0..6)才能达到理想的转化率。这可能是

由于碘电子云密度较大, 与氰根交换时难于亚铁离子结合有关。表中结果表明, 卤代芳香族化合物中的

卤素离去能力是I, B r> C ;l芳烃上有吸电子基时, 活性增加, 有供电子基时, 活性降低; 苯环上其它

取代

基的位置也有影响, 如溴代苯甲醚的氰化反应中, 由于取代基的位阻效应, 对位甲醚的得率大于邻位的。

以上结果说明, 亚铁作为氰基化试剂与传统氰基化试剂相比, 亚铁

无毒, 无需经过复

杂的预处理, 而且廉价易得。无需昂贵的催化剂配体, 对一系列卤代芳烃的取代氰化均能取得较好的得

率, 反应的后处理简单, 对环境污染小, 是一种效益明显的氰化芳烃的制备方法。

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Cyanation of ArylHalides

ZHU Y i..Zhong, CA I Chun*

(Chem ical Eng ineering College, Nanjing University of Science& Technology, Nanjing 210094)

Abstract.. A cyanation process of ary l ha lides w ith K4 [ Fe( CN ) 6 ] 3H2 O as the cyanation reagen t in the

presence o f Pd(OA

c) 2 and N a2CO3 w as stud ied. Factors affect ing the reaction such as the rat io of reactants,

time, tempera ture, amount of catalyst on the cyanation w as investigated. Opt imal reaction condit ions w ere

determ ined to be: 130 .. , n ( K4 [ Fe ( CN ) 6 ] .. 3H2 O ) ..n ( A rB r) ..n ( Pd (

OAc ) 2 ) = 200.. 1 000..1, and

1..5 h. The conversion o f the bromobenzene cou ld reach 99% and cyanobenzene could be obta ined w ith a

y ie ld o f 95% . Compared w ith the traditiona l cyanat ing agents, po tassium hexacyanoferrate( .. ) is non..tox ic,

affordble and read ily ava ilab le w ithout the need of comp licated pre..processing. The pro toco l is proceeded in

the presence of sma ll amoun ts o f pallad ium catalyst and is easy to operate. It is no t necessary to add any

expensive ligand, and is less env ironment po lluting and apparently is econom ica lly beneficia.l Cyanation o f

other ary l halides w as also performed. Bo th active ary l brom ides and ary l iod ides gave the corresponding

benzonitriles w ith 91% ~ 96% y ie lds.

Keywords.. cyanation, K4 [ Fe( CN ) 6 ] 3H2O, ary l cyan ides

2 应用化学.. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. 第24卷..

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