苄氯氰化反应中氰化试剂无毒化研究

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苄氯氰化反应产物易于转化为胺基、酰胺、肟基、羰基或者杂环等类化合物,因此这类反应在有机合成中有着重要的地位,被广泛应用于医药、香料、染料及农药等产品的合成。苄腈的合成方法有多种,其中苄氯的取代法较为简便有效,使用的氰化试剂主要为NaCN、KCN;这类氰化物的剧毒性质严重地阻碍其工业应用,甚至威胁着我们的环境。针对这些问题,化学工作者将CuCN和TMSCN作为氰化试剂应用于苄氯的氰化。然而这两种化合物也有一定弊端,价格较为昂贵,而且有一定毒性。与上述氰化试剂相比,K4[Fe(CN)6]有着较多的优点,它无毒(曾用作食品添加剂),便宜(价格与NaCN相当)。然而在苄氯的氰化反应中,还未见使用K4[Fe(CN)6]作为氰化试剂的例子。本论文在对K4[Fe(CN)6]性质和苄氯氰化反应特点进行分析的基础之上,引入催化的方式,以无毒K4[Fe(CN)6]作为氰化试剂,实现了苄氯氰化反应中氰化试剂的无毒化,为苄氯向苯乙腈类化合物的转化探索了一种相对绿色的新方法,主要研究结论如下:通过使用PPh3/Pd(OAc)2催化剂体系,实现了K4[Fe(CN)6]与苄氯的反应。考察了加料次序、温度、添加剂、溶剂、配体、催化剂的量、溶剂含水量、时间等条件对反应的影响,规律如下:温度对反应的影响较大;如果温度过高,反应易于生成苯甲醇和1,2-二苯基乙烷等副产物,从而致使苯乙腈的产率较低(2%),若温度低则苄氯的转化率低(6%)。实验结果表明140℃的反应温度下,反应较为有利。虽然100℃下也可能以大于80%的产率得到苯乙腈,但重复性较差。反应也可能在1小时内完成,但这种条件下的结果重复性不高,因此我们使用10 h的反应时间。考察了水对反应的影响,一般情况下反应溶剂需要无水无氧处理。但少量的水对反应影响不大。如果水的量超过5.9 vol%,则有较多苯甲醇产物生成。碱的存在对反应的进行有着至关重要的作用。无碱的添加,反应几乎不能进行。在验证过的碱中,Na2CO3的效果最佳。PPh3与Pd(OAc)2的比值也对反应结果有着较大的影响,其中两者比值为3:1时,苯乙腈的产率较高。这里的研究表明,反应体系中微量氧的存在严重地阻碍反应的进行。尽管使用的催化剂为二价钯的化合物,但真正的催化活性物种可能是零价钯。这种高度分散的零价钯能够被氧气氧化,从而失活。因此反应前,溶剂需要严格地无氧处理。反应试剂的添加次序对反应结果影响较小,即使把所有反应试剂、催化剂前体及配体同时加入到反应体系中,也可能得到较高的产率。研究了DPPE/Pd(OAc)2等催化体系的催化效果,考察了在这个催化体系作用下配体、温度、K4[Fe(CN)6]的量、添加剂、溶剂含水量等条件对反应的影响。通过考察配体与催化剂的比例,发现DPPE与Pd(OAc)2摩尔比为1:1时催化效果较好。总之以钯类化合物为催化剂实现了无毒K4[Fe(CN)6]与苄氯的反应,应用这种方法,一系列取代或官能化苄氯的氰化也能顺利进行。最优的反应条件为: 1 mmol苄氯、0.3 mmol K4Fe(CN)6、0.02 mmol Pd(OAc)2、3:1的PPh3/Pd(OAc)2比、1.5 mmol Na2CO3、0.8 mL NMP溶剂、140℃反应温度、10 h反应时间,在此优化条件下,苯乙腈的产率为88%。
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