CN103539631B - 一种卤素转换反应制备氯代芳香化合物的光化学合成方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于光化学有机合成技术领域，特别涉及一种卤素转换反应制备氯代芳香化合物的光化学催化合成方法。本发明是将溴代芳香化合物溶解在乙腈中，加入铁催化剂和无机氯盐构成反应体系，用光源照射反应体系，在空气、氧气或惰性气体气氛下进行反应，反应后得到高选择性的氯代芳香化合物，选择性达到90%以上。

Description

一种卤素转换反应制备氯代芳香化合物的光化学合成方法

技术领域

本发明属于光化学有机合成技术领域，特别涉及一种卤素转换反应制备氯代芳香化合物的光化学合成方法。

背景技术

氯代芳香化合物是一类重要的有机合成中间体，经常应用于制药与农用化学品工业中芳香类化合物的修饰，进而改进其生物活性。由于一些氯代芳香化合物难以通过直接氯化芳环获得，所以经常通过卤素转换反应，以更易获取的溴代芳香化合物为原料制备氯代芳香化合物。但是其通常使用的氯源，如氯气、次氯酸、硫酰氯，易于分解且具有一定毒性。而一些使用氯离子为氯源的卤素转换反应通常使用重金属铜、镍或钯为催化剂，这些重金属催化剂所带来的环境污染问题是不容忽视的。此外，上述催化反应还有诸多缺点，例如：数倍于反应物的催化剂量，复杂的催化剂配基，高温反应条件。这不仅使得生产成本较为昂贵，也给环境保护带来压力。况且，有些方法并不能获得令人满意的产率与选择性。因此，人们迫切需要一种能够有效，清洁，廉价地生产氯代芳香化合物的方法。

近年来，光催化有机合成以其节能、高效、环境友好等优点引起了人们的广泛关注，显示出了极大的潜在应用前景。铁是一种易于获取的，廉价，无毒的常见催化剂，广泛应用于光催化降解多种有机环境污染物。但由于其引发的自由基链式反应，不易控制产物选择性，铁催化剂较少应用于光催化有机合成领域。在本发明中，申请人以铁盐作为催化剂，常见氯盐作为氯源，将其应用于光催化溴代芳香化合物的卤素转换反应中，在常温常压的温和条件下，成功地实现了光催化卤素转换制备氯代芳香化合物的反应。

发明内容

本发明的目的是提供一种卤素转换反应制备氯代芳香化合物的光化学合成方法。

本发明的卤素转换反应制备氯代芳香化合物的光化学催化合成方法：将溴代芳香化合物溶解在乙腈中，加入铁催化剂和无机氯盐构成反应体系，用光源照射反应体系，在空气、氧气或惰性气体（如氩气）气氛下进行反应，反应后得到氯代芳香化合物。

所述的溴代芳香化合物在反应体系中的浓度优选为0.01～100毫摩尔/升。

所述的溴代芳香化合物是分子结构中具有溴代芳环、溴代稠环或溴代杂环的有机分子。它们具有以下结构式：

其中：

结构式1中的R₁～R₅独立地是H、Br、Cl、F、羟基、甲基、叔丁基、甲氧基、苯氧基、胺基、硝基、羧基或酰胺基。

所述的铁催化剂在反应体系中的浓度优选为溴代芳香化合物浓度的1%～100%。

所述的铁催化剂选自三价铁或二价铁的氯盐、溴盐、氟盐、硫酸盐、硝酸盐、高氯酸盐或磷酸盐中的一种。

所述的无机氯盐在反应体系中的浓度优选为溴代芳香化合物浓度的1～10倍。

所述的无机氯盐是氯化钠、氯化锂、氯化钾或氯化铵。

所述的光源是紫外光、可见光或者太阳光。

本发明的技术核心是溴代芳香化合物在紫外光、可见光或太阳光的诱导下，在铁催化剂的作用下，在乙腈介质中进行光催化卤素转换反应，高选择性地生成氯代芳香化合物，选择性达到90%以上。

具体实施方式

实施例1

使用上述溴苯作为初始反应物，将溴苯溶解在乙腈中，加入三氯化铁光催化剂以及氯化钠为氯源构成反应体系，其中，反应体系中的溴苯的浓度为1毫摩尔/升，三氯化铁光催化剂的浓度为溴苯浓度的20%，氯化钠的浓度为溴苯浓度的5倍；用紫外光（300W氙灯）照射反应体系，并使反应在空气气氛下进行反应10小时，在紫外光及三氯化铁光催化剂的作用下，溴苯的转化率为97.8%，产物氯苯的选择性为96.5%。

实施例2

使用上述1-溴-4-氯苯作为初始反应物，将1-溴-4-氯苯溶解在乙腈中，加入三溴化铁光催化剂以及氯化锂为氯源构成反应体系，其中，反应体系中的1-溴-4-氯苯的浓度为10毫摩尔/升，三溴化铁光催化剂的浓度为1-溴-4-氯苯浓度的100%，氯化锂的浓度为1-溴-4-氯苯浓度的10倍；用可见光（500W卤钨灯）照射反应体系，并使反应在氧气气氛下进行反应10小时，在可见光及三溴化铁光催化剂的作用下，1-溴-4-氯苯的转化率为93.5%，产物1,4-二氯苯的选择性为97.7%。

实施例3

使用上述4-溴苯酚作为初始反应物，将4-溴苯酚溶解在乙腈中，加入硫酸铁光催化剂以及氯化钾为氯源构成反应体系，其中，反应体系中的4-溴苯酚的浓度为0.01毫摩尔/升，硫酸铁光催化剂的浓度为4-溴苯酚浓度的1%，氯化钾的浓度为4-溴苯酚浓度的1倍；用太阳光照射反应体系，并使反应在氩气气氛下进行反应2小时，在太阳光及硫酸铁光催化剂的作用下，4-溴苯酚的转化率为93.3%，产物4-氯苯酚的选择性为99.4%。

实施例4

使用上述4-苯氧基溴苯作为初始反应物，将4-苯氧基溴苯溶解在乙腈中，加入氯化亚铁光催化剂以及氯化铵为氯源构成反应体系，其中，反应体系中的4-苯氧基溴苯的浓度为100毫摩尔/升，氯化亚铁光催化剂的浓度为4-苯氧基溴苯浓度的50%，氯化铵的浓度为4-苯氧基溴苯浓度的5倍；用紫外光（300W氙灯）照射反应体系，并使反应在空气气氛下进行反应10小时，在紫外光及氯化亚铁光催化剂的作用下，4-苯氧基溴苯的转化率为99.1%，产物4-苯氧基氯苯的选择性为97.6%。

实施例5

使用上述4-溴苯甲醚作为初始反应物，将4-溴苯甲醚溶解在乙腈中，加入硝酸铁光催化剂以及氯化铵为氯源构成反应体系，其中，反应体系中的4-溴苯甲醚的浓度为100毫摩尔/升，硝酸铁光催化剂的浓度为4-溴苯甲醚浓度的50%，氯化铵的浓度为4-溴苯甲醚浓度的5倍；用紫外光（300W氙灯）照射反应体系，并使反应在氩气气氛下进行反应2小时，在紫外光及硝酸铁光催化剂的作用下，4-溴苯甲醚的转化率为95.2%，产物4-氯苯甲醚的选择性为97.7%。

实施例6

使用上述1-溴-2-氯苯作为初始反应物，将1-溴-2-氯苯溶解在乙腈中，加入硫酸亚铁光催化剂以及氯化钠为氯源构成反应体系，其中，反应体系中的1-溴-2-氯苯的浓度为100毫摩尔/升，硫酸亚铁光催化剂的浓度为1-溴-2-氯苯浓度的20%，氯化钠的浓度为1-溴-2-氯苯浓度的5倍；用紫外光（300W氙灯）照射反应体系，并使反应在空气气氛下进行反应10小时，在紫外光及硫酸亚铁光催化剂的作用下，1-溴-2-氯苯的转化率为87.4%，产物1,2-二氯苯的选择性为97.9%。

实施例7

使用上述4,4’-二溴联苯醚作为初始反应物，将4,4’-二溴联苯醚溶解在乙腈中，加入磷酸铁光催化剂以及氯化钠为氯源构成反应体系，其中，反应体系中的4,4’-二溴联苯醚的浓度为100毫摩尔/升，磷酸铁光催化剂的浓度为4,4’-二溴联苯醚浓度的20%，氯化钠的浓度为4,4’-二溴联苯醚浓度的5倍；用紫外光（300W氙灯）照射反应体系，并使反应在空气气氛下进行反应60小时，在紫外光及磷酸铁光催化剂的作用下，4,4’-二溴联苯醚的转化率为98.2%，产物4,4’-二氯联苯醚的选择性为99.4%。

实施例8

使用上述1-溴萘作为初始反应物，将1-溴萘溶解在乙腈中，加入溴化亚铁光催化剂以及氯化钠为氯源构成反应体系，其中，反应体系中的1-溴萘的浓度为100毫摩尔/升，溴化亚铁光催化剂的浓度为1-溴萘浓度的20%，氯化钠的浓度为1-溴萘浓度的5倍；用紫外光（300W氙灯）照射反应体系，并使反应在空气气氛下进行反应4小时，在紫外光及溴化亚铁光催化剂的作用下，1-溴萘的转化率为72.4%，产物1-氯萘的选择性为97.4%。

实施例9

使用上述3-溴吡啶作为初始反应物，将3-溴吡啶溶解在乙腈中，加入高氯酸铁光催化剂以及氯化钠为氯源构成反应体系，其中，反应体系中的3-溴吡啶的浓度为100毫摩尔/升，高氯酸铁光催化剂的浓度为3-溴吡啶浓度的20%，氯化钠的浓度为3-溴吡啶浓度的5倍；用紫外光（300W氙灯）照射反应体系，并使反应在空气气氛下进行反应4小时，在紫外光及高氯酸铁光催化剂的作用下，3-溴吡啶的转化率为46.9%，产物3-氯吡啶的选择性为96.2%。实施例10

使用上述3-溴噻吩作为初始反应物，将3-溴噻吩溶解在乙腈中，加入高氯酸亚铁光催化剂以及氯化钠为氯源构成反应体系，其中，反应体系中的3-溴噻吩的浓度为100毫摩尔/升，高氯酸亚铁光催化剂的浓度为3-溴噻吩浓度的20%，氯化钠的浓度为3-溴噻吩浓度的5倍；用紫外光（300W氙灯）照射反应体系，并使反应在空气气氛下进行反应4小时，在紫外光及高氯酸亚铁光催化剂的作用下，3-溴噻吩的转化率为76.8%，产物3-氯噻吩的选择性为90.5%。

实施例11

使用上述4-溴喹啉作为初始反应物，将4-溴喹啉溶解在乙腈中，加入三氟化铁光催化剂以及氯化钠为氯源构成反应体系，其中，反应体系中的4-溴喹啉的浓度为100毫摩尔/升，三氟化铁光催化剂的浓度为4-溴喹啉浓度的20%，氯化钠的浓度为4-溴喹啉浓度的5倍；用紫外光（300W氙灯）照射反应体系，并使反应在空气气氛下进行反应4小时，在紫外光及三氟化铁光催化剂的作用下，4-溴喹啉的转化率为68.7%，产物4-氯喹啉的选择性为98.8%。对比例1

使用上述溴苯作为初始反应物，将溴苯溶解在乙腈中，加入三氯化铁光催化剂以及氯化钠为氯源构成反应体系，其中，反应体系中的溴苯的浓度为100毫摩尔/升，三氯化铁光催化剂的浓度为溴苯浓度的20%，氯化钠的浓度为溴苯浓度的5倍；采用不用光照射的暗反应体系，在空气气氛下进行反应10小时，在三氯化铁催化剂的作用下，溴苯的转化率小于1%，没有检测到氯苯的生成。

对比例2

使用上述1-溴-4-氯苯作为初始反应物，将1-溴-4-氯苯溶解在乙腈中，不加入光催化剂，只加入氯化锂为氯源构成反应体系，其中，反应体系中的1-溴-4-氯苯的浓度为10毫摩尔/升，氯化锂的浓度为1-溴-4-氯苯浓度的5倍；用紫外光（300W氙灯）照射反应体系，并使反应在氧气气氛下进行反应10小时，在紫外光的作用下，1-溴-4-氯苯的转化率小于1%，没有检测到1,4-二氯苯的生成。

对比例3

使用上述1-溴萘作为初始反应物，将1-溴萘溶解在乙腈中，加入三氯化铁光催化剂以及氯化钠为氯源构成反应体系，其中，反应体系中的1-溴萘的浓度为0.01毫摩尔/升，三氯化铁光催化剂的浓度为1-溴萘浓度的100%，氯化钠的浓度为1-溴萘浓度的5倍；采用不用光照射的暗反应体系，使反应在空气气氛下并加热至60℃进行反应4小时，在三氯化铁催化剂及加热的作用下，1-溴萘的转化率小于1%，没有检测到1-氯萘的生成。

Claims (6)

1.一种卤素转换反应制备氯代芳香化合物的光化学合成方法，其特征是：将溴代芳香化合物溶解在乙腈中，加入铁催化剂和无机氯盐构成反应体系，用光源照射反应体系，在空气、氧气或惰性气体气氛下进行反应，反应后得到氯代芳香化合物；

所述的铁催化剂选自三价铁或二价铁的氯盐、溴盐、氟盐、硫酸盐、硝酸盐、高氯酸盐或磷酸盐中的一种；

所述的无机氯盐是氯化钠、氯化锂、氯化钾或氯化铵。

2.根据权利要求1所述的光化学合成方法，其特征是：所述的溴代芳香化合物在反应体系中的浓度为0.01～100毫摩尔/升。

3.根据权利要求1所述的光化学合成方法，其特征是：所述的铁催化剂在反应体系中的浓度为溴代芳香化合物浓度的1％～100％。

4.根据权利要求1所述的光化学合成方法，其特征是：所述的无机氯盐在反应体系中的浓度为溴代芳香化合物浓度的1～10倍。

5.根据权利要求1、2、3或4所述的光化学合成方法，其特征是：所述的溴代芳香化合物具有以下结构式：

其中：

结构式1中的R₁～R₅独立地是H、Br、Cl、F、羟基、甲基、叔丁基、甲氧基、苯氧基、胺基、硝基、羧基或酰胺基。

6.根据权利要求1所述的光化学合成方法，其特征是：所述的光源是紫外光或可见光。