催化转移氢化还原芳硝基化合物及反应机理研究

摘要

还原芳硝基化合物是制备芳胺的主要方法，其中催化转移氢化法具有环境友好、反应条件温和、操作简便、收率高等优点，因而近年来备受人们关注。而非均相催化剂由于易回收循环使用，在催化氢转移还原反应中使用较多。本论文正是在这样的背景下研究了非均相催化转移氢化法还原芳香族硝基化合物及其还原机理，具体的研究内容及主要结论分为如下三个方面:
　　 (1)对Pd/C-HCO2NH4体系催化转移氢化还原4-硝基苯甲酸酯类化合物的反应进行了两方面的研究:(a)以4-硝基苯甲酸乙酯为硝基底物模型，考察了溶剂、催化剂用量和氢供体对反应的影响后，确定最佳反应条件为:Pd/C(5.0 mg/mmol)，EtOH(2.5 mL/mmol)，HCO2NH4(3.6 eq)，常压室温下反应。并且将该反应在实验室放大至60 mmol后，产品质量和产率仍优异。该还原体系还可将多种4-硝基苯甲酸烷基酯还原:直链烷烃酯所需Pd/C(5.0 mg/mmol)，反应1-2h，收率在98％以上;支链烷烃酯所需Pd/C(10.0mg/mmol)，反应1-6h，收率96％-98％。(b)以4-硝基苯甲酸苯酯为硝基底物模型，考察了添加剂无水MgSO4、催化剂用量和反应温度对反应的影响，优化后的反应条件为:Pd/C(15.0 mg/mmol)，EtOH(2.5 mL/mmol)，HCO2NH4(3.6 eq)，常压室温下反应。最后考察了该还原条件的适用范围，实验表明:4-硝基苯甲酸芳酯和类苄酯均可被还原，反应3-10h，收率为50％-95％。
　　 (2)研究了Pd/C-HCO2NH4体系的还原机理。以4-硝基苯甲酸乙酯为模型硝基化合物，研究了中间体化合物在该还原体系中的直接还原产物。实验中HPLC-MS监测结果表明硝基化合物首先被还原成亚硝基中间体，而亚硝基的转化路径有三条:(a)亚硝基直接被还原成羟胺，羟胺再进一步还原成芳胺。(b)在碱性条件下，亚硝基先自身缩合生成氧化偶氮化合物，再进一步还原成偶氮、氢化偶氮中间体，最终被还原成芳胺。(c)亚硝基与羟胺交叉缩合也可生成氧化偶氮中间体，但亚硝基与芳胺不能发生交叉缩合得到偶氮中间体。另外，氢化偶氮在该还原体系中发生的是歧化反应，产物为氧化偶氮和芳胺。
　　 (3) FeO(OH)-N2H4·H2O体系选择性单还原4-取代基-2，6-二硝基苯酚的反应研究。以4-氯-2，6-二硝基苯酚为硝基底物模型，考察了溶剂、铁催化剂种类和用量、N2H4·H2O用量和温度对反应的影响，确定了反应最佳条件:FeO(OH)(1.0 mol％), N2H4·H2O(1.6 eq), EtOAc(2 mL/mmol),80℃下反应6h，目标产物收率高达99％。以此为还原条件，考察了FeO(OH)-N2H4·H2O体系选择性单还原4-(卤素或烷基)-2，6-二硝基苯酚的普适性，目标单还原产物收率为88％-94％。

目录

声明

摘要

第一章 文献综述

1．1 课题研究的背景和意义

1．2 剂量型还原法

1．2．1 金属还原法

1．2．2 金属氢化物还原法

1．2．3 金属硫化物还原法

1．2．4 其他还原法

1．3 催化型还原法

1．3．1 加氢还原法

1．3．2 CO／H2O还原法

1．3．3 转移氢化还原法

1．4 催化作用机理与还原机理

1．4．1 催化剂的作用机理

1．4．2 硝基的还原机理

1．5 课题选择与研究内容

第二章 Pd／C-HCO2NH4还原体系合成苯佐卡因及其衍生物的研究

2．1 引言

2．2 Pd／C-HCO2NH4还原法合成苯佐卡因反应的发现

2．3 结果与讨论

2．3．1 溶剂的影响

2．3．2 催化剂用量的影响

2．3．3 氢供体的影响

2．3．4 4-硝基苯甲酸烷基酯的还原

2．3．5 4-硝基苯甲酸苯酯的还原

2．3．6 4-硝基苯甲酸芳基酯的还原

2．3．7 4-硝基苯甲酸类苄基酯的还原

2．3．8 放大反应研究

2．4 本章小结

第三章 Pd／C-HCO2NH4体系的还原机理研究

3．1 引言

3．2 反应中间体的发现

3．3 结果与讨论

3．3．1 HPLC-MS检测反应中间体

3．3．2 标准样品的HPLC参考数据

3．3．3 4-亚硝基苯甲酸乙酯的自身缩合反应

3．3．4 4-亚硝基苯甲酸乙酯的还原反应

3．3．5 4，4’-甲酸乙酯氧化偶氮苯的还原反应

3．3．6 4，4’-甲酸乙酯氢化偶氮苯的还原反应

3．4 本章小结

第四章 水合肼选择性还原二硝基芳香化合物的反应研究

4．1 引言

4．2 水合肼选择性还原反应的初步探索

4．3 结果与讨论

4．3．1 溶剂的影响

4．3．2 催化剂用量的影响

4．3．3 催化剂种类的影响

4．3．4 水合肼用量的影响

4．3．5 反应温度的影响

4．3．6 普适性研究

4．4 本章小结

第五章 实验部分

5．1 实验试剂及仪器

5．1．1 试剂

5．1．2 仪器

5．2 GC-MS和HPLC-MS分离条件

5．2．1 GC-MS分离条件

5．2．2 HPLC-MS分离条件

5．3 苄醇和2-噻吩甲醇的制备

5．4 单硝基底物的制备

5．4．1 对硝基苯甲酸甲酯和乙酯的制备

5．4．2 对硝基苯甲酸正丁酯的制备

5．4．3 对硝基苯甲酸叔丁酯的制备

5．4．4 其他单硝基底物的制备

5．6 中间体化合物标准样品的制备

5．6．1 制备4-亚硝基苯甲酸乙酯

5．6．2 制备4-羟氨基苯甲酸乙酯

5．6．3 制备4，4’-甲酸乙酯氧化偶氮苯

5．6．4 制备4，4’-甲酸乙酯偶氮苯

5．6．5 制备4，4’-甲酸乙酯氢化偶氮苯

5．7 中间体进一步还原反应的典型实验操作步骤

5．8 二硝基底物的制备

5．9 催化剂FeO(OH)的制备

5．10 FeO(OH)-N2H4·H2O体系选择性还原反应典型实验操作步骤

全文总结

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢