一种三氯异氰尿酸参与的氯代芳烃类化合物的合成方法

专利名称：一种三氯异氰尿酸参与的氯代芳烃类化合物的合成方法
技术领域：
本发明涉及一种苯环氯代反应方法，特别涉及一种以三氯异氰尿酸为氯代试剂的氯代芳烃类化合物的合成方法，属于精细化工产品的制备和应用的技术领域。
背景技术：
氯代芳香化合物是重要的有机合成中间体，被广泛地应用于医药、农药等功能化学品的合成。氯代反应是有机合成中的重要基础反应之一，最为传统的氯代试剂是氯气，利用氯气在碱性条件下，对芳香族化合物进行具有选择性的一氯代(H. Shimizu, K.Shimizu, N. Kuboderaj T. Mikamij K. Tsuzakij H. Suwaj K. Haradaj A. Hiraidej Μ. Shimizu, K. Koyamaj Y. Ichikawa, D. Hirasawaj Y. Kitoj Μ. Kobayashij Μ. KigawajΜ. Katoj Τ. Kozonoj H. Tanaka，Μ. Tanabej Μ. Iguchi and Μ. Yoshidaj Org. ProcessRes. Dev. , 2005, 9，278.)但由于氯气毒性大，运输、生产、三废等处理困难，它的应用日益受到限制。亚硫酰氯也是一种传统的氯化试剂，因其反应性较高，副产物为气体，处理方便，所以常被实验室使用(F. Grein, A. C. Chen, D. Edwards and C. M. Crudden, J. Org.Chem. , 2006，71，861.)，但反应选择性较差，二氯代产物较多，一氯代庚酮的产率仅为59%，且副产物气体毒性较大。另外，次氯酸也具有一定的氯化作用，故也被用于氯代反应。有文献报道，次氯酸可以与I-甲基环已烯发生氯代加成反应，从而得到环状的β -氯醇(张合胜，化学通报，1991，11，21.)。反应在二氯甲烷中进行，产率较高，可达78%。其次，三甲基氯硅烷也被发现具有氯化作用，例如，在二甲亚砜(DMSO)中，三甲基氯硅烷与醇在室温下即可迅速发生羟基的取代反应，且产率为 88 96%。( D. C. Snyder, J. Org. Chem. , 1995，60, 2638.)。再次，氯化酮的氯代作用逐渐被人们认识关于氯化铜，胡艾希等曾报道其在醇溶剂中可以对6-甲氧基-2-酰基萘进行选择性氯代反应。该反应在加热回流的条件下进行，氯代物的产率最高可以达到98% (胡艾希，史文革，王先锋，陈科，应用化学，2004，21，174.)。不少传统氯代试剂都有毒性大、操作不便等有待改进之处，因此现有的氯代芳烃类化合物的合成方法也存在操作不够安全、反应选择性较低、污染物排放较多等缺点。

发明内容
本发明的目的为了解决上述的技术问题而提供一种三氯异氰尿酸参与的氯代芳烃类化合物的合成方法，即以三氯异氰尿酸(trichloroisocyanuric acid, TCCA)为氯代试剂，以无机盐为催化剂，以芳烃类化合物为底物进行氯代反应合成氯代芳烃类化合物。该合成方法使用了相对安全的氯代试剂，减少了污染物的排放，使廉价易得的芳烃类化合物在比较温和的条件下进行反应，有工业化规模生产的潜力。本发明的技术方案一种三氯异氰尿酸参与的氯代芳烃类化合物的合成方法，其合成过程的反应方程式如图I所示，即芳烃类化合物在乙腈存在的条件下，以无机盐为催化剂，以三氯异氰尿酸为氯代试剂进行氯代反应，所用的芳烃类化合物、三氯异氰尿酸和无机盐的用量按摩尔比计算，即芳烃类化合物三氯异氰尿酸无机盐为O. 5 I. 5 :1 0. 04 O. 5，氯代反应过程控制温度为70 90°C，优选85°C，时间I 24h，反应结束后冷却至室温，过滤除去固体，用旋转蒸发仪除去溶剂乙腈，即得到氯代芳烃类化合物；
图I中的芳烃类化 合物，其中官能团R基为CH30-、C2H5O-, C6H5O-, C6H5-, CH3-> C2H5-,Bn-或 NO2-。在上述的三氯异氰尿酸参与的氯代芳烃类化合物的合成方法中，因为芳烃类化合物中官能团R基的电子效应不同，使得芳烃类化合物氯代反应的活性也不相同
当R基为CH30-、C2H5O-, C6H5O-, C6H5-, CH3-> C2H5-, Bn-时，芳烃类化合物的反应活性较高，以廉价的硝酸铵(NH4NO3)作为催化剂，氯代反应可以顺利进行，其中所用的芳烃类化合物、三氯异氰尿酸和硝酸铵的用量按摩尔比计算，即芳烃类化合物三氯异氰尿酸=NH4NO3为 1:1. 2:0. 04。当R基为NO2-时，芳烃类化合物的反应活性较低，须以氯化铁为催化剂，氯代反应方可发生，其中所用的芳烃类化合物、三氯异氰尿酸和氯化铁(FeCl3)的用量按摩尔比计算，即芳烃类化合物三氯异氰尿酸=FeCl3为1:1.2:0. 5。本发明的有益效果
本发明是一种三氯异氰尿酸参与的氯代芳烃类化合物的合成方法，由于三氯异氰尿酸是一种固体化合物，使用方便，储存容易，因此，以三氯异氰尿酸为氯代试剂的氯代过程比传统的使用氯气的氯代过程更为方便、安全。进一步，虽然N-氯代丁二酰亚胺(NCS)和二氯海因(DCDMH)是两种已有的固体氯代试剂，在氯代反应中也十分常用，但和上述两种氯代试剂相比，三氯异氰尿酸有更高的含氯量，并且在相同摩尔量的情况下，三氯异氰尿酸可以提供更多的氯离子，使氯代反应的效率得以提高。另一方面，在许多有机反应中，三氯异氰尿酸常被作为廉价氧化剂使用，本发明将其用于氯代反应，拓展了这个廉价化合物三氯异氰尿酸的用途。进一步，本发明的一种三氯异氰尿酸参与的氯代芳烃类化合物的合成方法，以简单无机盐为催化剂。而现有的氯代反应往往需要使用固载催化剂等特制的催化剂，这些催化剂效果优异，但相对昂贵、不易获得。本发明所用的简单无机盐催化剂价格低廉、极易获得，对于氯代反应的顺利进行也有良好的催化效果，因此，用简单无机盐为催化剂可以有效降低氯代反应的成本，提高经济效益。进一步，本发明的一种三氯异氰尿酸参与的氯代芳烃类化合物的合成方法，三氯异氰尿酸发生氯代反应之后的副产物为三聚氰酸，由于三聚氰酸在室温下是固体，可以进行回收利用，因此本发明的一种三氯异氰尿酸参与的氯代芳烃类化合物的合成方法减少了氯代反应过程中的污染物排放量，可以有效利用资源，降低生产成本。综上所述，本发明的一种三氯异氰尿酸参与的氯代芳烃类化合物的合成方法具有操作简便、氯代试剂和催化剂廉价易得、减少了氯代反应过程中的污染物排放量、反应时间相对较短等优点，更有利于工业化规模生产。
具体实施例方式本发明具体实施方式
的一般表述为将芳烃类化合物底物溶于乙腈中，加入氯代试剂三氯异氰尿酸和无机盐催化剂，加热反应，待反应结束，过滤除去不溶物，用旋转蒸发仪除去溶剂乙腈，经过简单处理，得到氯代芳烃类化合物。因为芳烃类化合物氯代反应活性的不同，采用不同的催化剂，具体实施方式
可以分为方式A和方式B两类。方式A :当芳烃类化合物含有供电子基时，氯代反应活性较高，选用硝酸铵作为催化剂。方式A具体实施方式
如下
芳烃类化合物溶解在乙腈中，加入催化剂硝酸铵和氯代试剂三氯异氰尿酸，加热进行氯代反应，反应过程控制温度为85°C，时间I 12h，反应结束后冷却至室温，过滤除去固体，用旋转蒸发仪除去溶剂乙腈，即得到氯代芳烃类化合物。其中所用的芳烃类化合物、三氯异氰尿酸和无机盐NH4NO3的用量按摩尔比计算，即芳烃类化合物三氯异氰尿酸ΝΗ4Ν03=1:1· 2:0. 04。在表I中，编号广7所用的合成方法是方式Α，即将R基分别为CH30-、C2H5O-,C6H5O-, Bn-、C6H5-, CH3-和C2H5-的芳烃类化合物分别作为底物，分别以乙腈作为溶剂，以硝酸铵催化剂、以三氯异氰尿酸氯代试剂，分别控制温度为85°C，时间I 12h进行氯代反应，反应结束后冷却至室温，过滤除去固体，旋除溶剂乙腈，即得到相应的氯代芳烃类化合物；
下面的实施例I和实施例2也属于方式A。方式B:当芳烃类化合物含有吸电子基时，氯代反应活性较低，选用氯化铁作为催化剂。 方式B具体实施方式
如下
芳烃类化合物溶解在乙腈中，加入催化剂FeCl3和氯代试剂三氯异氰尿酸，加热进行氯代反应，反应过程控制温度为85°C，时间24h，反应结束后冷却至室温，过滤除去固体，用旋转蒸发仪除去溶剂乙腈，即得到氯代芳烃类化合物。其中所用的芳烃类化合物、三氯异氰尿酸和FeCl3的用量按摩尔比计算，即芳烃类化合物三氯异氰尿酸=FeCl3=I: I. 2:0. 5。在表I中，编号8所用的合成方法是方式B，即将R基为NO2-的芳烃类化合物作为底物，以乙腈作为溶剂，以FeCl3为催化剂、以三氯异氰尿酸为氯代试剂，加热进行氯代反应，反应过程控制温度为85°C，时间24h，反应结束后冷却至室温，过滤除去固体，用旋转蒸发仪除去溶剂乙腈，即得到相应的氯代芳烃类化合物。下面的实施例3也属于方式B。表I、不同的芳烃类化合物在三氯异氰尿酸作用下形成氯代芳烃类化合物的产率
编号I底物I反应时间(h) I氯代芳烃类化合物产物产率(％)—
1@ CEiO-的芳烃类化合物I—
2QHsO-的芳烃类化合物I%—
3@ C6HsO-的芳烃类化合物I力—
4Γ为Bn-的芳烃类化合物12'92
5@ C6Hs-的芳烃类化合物1292—
6@ CEr的芳烃类化合物-12 1—
7h QHs-的芳烃类化合物1292—
8Ir为NO,-的芳径类化合物|24|90表I中所述的氯代芳烃类化合物产物的产率=m7m2x 100%。m1为实际的氯代芳烃类化合物的产量;m2为理论产量。从表I中可以看出，对于含有供电子基的芳烃类化合物而言，硝酸铵有良好的催化作用，通过三氯异氰尿酸的氯代作用，可以顺利得到相应的氯代芳烃类化合物。对于含有吸电子基的芳烃类化合物而言，使用氯化铁才能起到催化作用，通过三氯异氰尿酸的氯代作用，也可以得到相应的氯代芳烃类化合物。综上所述，针对不同活性的芳烃类化合物底物，采用不同的简单无机盐作为催化齐U，以三氯异氰尿酸为氯代试剂，通过氯代反应，都可以得到相应的氯代芳烃类化合物，该相应的氯代芳烃类化合物产率为9(Γ96%。下面通过具体实施例对本发明进一步阐述，但并不限制本发明。
本发明的各实施例中，所用原料、试剂的相关信息如下
三氯异氰尿酸，CP,国药集团化学试剂有限公司；
硝酸铵，CP，上海试剂一厂；
氯化铁，CP，上海试剂一厂；
乙腈，CP,国药集团化学试剂有限公司；
苯甲醚，CP,国药集团化学试剂有限公司；
二苯醚，CP,国药集团化学试剂有限公司；
硝基苯，CP,国药集团化学试剂有限公司。本发明的各实施例中，所用检测仪器和设备的相关信息如下
化合物熔点由Yanano MP 500显微镜熔点仪测定，温度未经校正；
RE - 52C型旋转蒸发仪，由上海青浦沪西仪器厂生产；
1H NMR谱图由varian IN0VA-500型核磁共振仪测定，内标为四甲基硅烷(TMS)。实施例I
在装有磁力搅拌子、回流冷凝管的三颈瓶中，加入I. 08g( 10 mmol)苯甲醚(其中R基为CH3-)>2. 79g (12mmol)三氯异氰尿酸、O. 032g (O. 4mmol)硝酸铵、30mL 乙腈,升温至 85°C,反应lh，停止反应，冷至室温，过滤除去固体，用旋转蒸发仪除去溶剂乙腈后得1.35g无色油状液体 4-氯苯甲醚，产率95%。沸点199-201 °C( IOlKPaX文献值199_201°C( lOlKPa))。经检测,产物的物性数据均接近文献值。经核磁共振检测，获得氢谱数据，以表征产物结构。具体数据如下
1H NMR (CDCl3, 500 MHz) δ 3.84 (s, 3H, OCH3), 6.81 (d, /=7.6 Hz, 2H, ArH),
7.27 (d, /=7. 6 Hz, 2H, ArH)。实施例2
在装有磁力搅拌子、回流冷凝管的三颈瓶中，加入I. 70g (10 mmol) 二苯醚(其中R基为C6H50-)、2. 79g (12 mmol)三氯异氰尿酸、O. 032g (O. 4 mmol)硝酸铵、30mL乙腈,升温至85°C，反应lh，停止反应，冷至室温，过滤除去固体，用旋转蒸发仪除去溶剂乙腈后得1.96g无色油状液体4-氯二苯醚。产率96%。沸点283-285°C (IOlKPa)(文献值283_285°C(IOlKPa))
经核磁共振检测，获得氢谱数据，以表征产物结构。具体数据如下
1H NMR (CDCl3, 500 MHz) δ 6.90 (d, /=8.0 Hz, 2H, ArH)，6.99-7.05 (m, 3H,ArH)，7. 30-7. 33 (m, 2H, ArH)，7. 43 (d, /=8. O Hz, 2H, ArH)。实施例3
在装有磁力搅拌子、回流冷凝管的三颈瓶中，加入I. 23g (IOmmol)硝基苯(其中R基为N02-)、2. 79g (12mmol)三氯异氰尿酸、O. 81g (5_31)氯化铁、30!111^乙腈,升温至85°C,反应24h，停止反应，冷至室温。过滤除去固体，旋除溶剂乙腈后得I. 42g固体3-氯硝基苯。产率:90%。熔点:44-450C (文献值46°C)
经核磁共振检测，获得氢谱数据，以表征产物结构。具体数据如下
1H NMR (CDCl3, 500 MHz) δ 7. 53-7. 55 (m, 1H, ArH)，7. 68-7. 70 (m, 1H, ArH)，
8.12-8. 14 (m, 1H, ArH), 8. 23-8. 25 (m, 1H, ArH)。以上所述仅是本发明的实施方式的举例，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。
权利要求
1.一种三氯异氰尿酸参与的氯代芳烃类化合物的合成方法，其特征在于 芳烃类化合物在乙腈存在的条件下，以无机盐为催化剂，以三氯异氰尿酸为氯代试剂进行氯代反应，反应过程控制温度为70 90°C，时间I 24h，反应结束后冷却至室温，过滤除去固体，用旋转蒸发仪除去溶剂乙腈，即得到氯代芳烃类化合物； 所述的无机盐为硝酸铵或氯化铁； 上述的芳烃类化合物、三氯异氰尿酸和无机盐的用量按摩尔比计算，即芳烃类化合物三氯异氰尿酸无机盐为O. 5 I. 5 :1 :0. 04 O. 5。
2.如权利要求I所述的一种三氯异氰尿酸参与的氯代芳烃类化合物的合成方法，其特征在于所述的芳烃类化合物，其结构式如下rO其中 R 为 CH3O-、C2H5O-、C6H5O-、C6H5-、CH3-、C2H5-、Bn-或 NO2-。
3.如权利要求2所述的一种三氯异氰尿酸参与的氯代芳烃类化合物的合成方法，其特征在于对于反应活性较高的芳烃类化合物，即当R基为ch3o-、C2H5O-, C6H5O-, C6H5-, CH3->C2H5-或Bn-时，以硝酸铵作为催化剂。
4.如权利要求3所述的一种三氯异氰尿酸参与的氯代芳烃类化合物的合成方法，其特征在于其中所用的芳烃类化合物、三氯异氰尿酸和硝酸铵的用量按摩尔比计算，即芳烃类化合物三氯异氰尿酸硝酸铵为1:1. 2:0. 04。
5.如权利要求2所述的一种三氯异氰尿酸参与的氯代芳烃类化合物的合成方法，其特征在于对于反应活性较低的芳烃化合物，即当R基为NO2-时，以氯化铁为催化剂。
6.如权利要求5所述的一种三氯异氰尿酸参与的氯代芳烃类化合物的合成方法，其特征在于其中所用的芳烃类化合物、三氯异氰尿酸和氯化铁的用量按摩尔比计算，即芳烃类化合物三氯异氰尿酸无机盐氯化铁为I: I. 2:0. 5。
7.如权利要求1、2、3、4、5或6所述的一种三氯异氰尿酸参与的氯代芳烃类化合物的合成方法，其特征在于氯代反应过程控制温度为85°C。
全文摘要
本发明公开一种三氯异氰尿酸参与的氯代芳烃类化合物的合成方法，即芳烃类化合物在乙腈为溶剂的条件下，以无机盐为催化剂，以三氯异氰尿酸为氯代试剂进行氯代反应，反应过程控制温度为70～90℃，时间1～24h，反应结束后冷却至室温，过滤除去固体，用旋转蒸发仪除去溶剂乙腈，即得到氯代芳烃类化合物。对于反应活性较高的芳烃类化合物，以硝酸铵作为催化剂；对于反应活性较低的芳烃类化合物，以氯化铁为催化剂。本发明的三氯异氰尿酸参与的氯代芳烃类化合物的合成方法用安全、廉价的化合物为氯代试剂，减少了氯代反应过程中的污染物排放量，使廉价易得的芳烃类化合物在比较温和的条件下反应，有工业化规模生产的潜力。
文档编号C07C43/29GK102875271SQ20121040193
公开日2013年1月16日 申请日期2012年10月22日 优先权日2012年10月22日
发明者吴范宏, 吴玉锋, 陈梓湛 申请人:上海应用技术学院