4-硝基-1,8-萘酐的实验室放大研究

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(长江大学化学与环境工程学院，湖北 荆州 424023)

4-硝基-1,8-萘酐的实验室放大研究

潘切，吴爱斌，秦少雄

(长江大学化学与环境工程学院，湖北荆州424023)

以苊为原料，经硝化、氧化反应合成了萘系荧光染料关键中间体4-硝基-1,8-萘酐。讨论了反应时间、温度、原料配比等因素对反应的影响，优化了合成反应条件，为该物质的工业化生产积累了重要的基础实验数据。并通过红外光谱、1H NMR、13C NMR对产物结构进行了表征。

苊；4-硝基-1,8-萘酐；硝化；氧化

1,8-萘酰亚胺及其衍生物是一类性能优越的荧光发色团，尤其在它的4-位或5-位上引入给电子基后可大大增强它所发生的荧光[1]。利用这一性质，人们开发出了许多以它为母体的荧光增白剂和荧光染料，广泛应用于纺织、印染、荧光探针、太阳能聚集器、液晶材料、激光材料、DNA嵌入剂、逻辑开关等传统和高新技术领域[2～8]。

纵观国内外萘系荧光染料的研究，4-位上给电子基团(如羟基、氨基)的引入一般由卤素取代基(溴或氯)置换而成。这种取代基的置换反应需要在特殊条件下才能进行，而且还会造成副产物的增多，导致对后续的分离纯化工作产生不利影响，也给生产设备带来了较高的要求[9]。如羟基的置换反应需要在700kPa压力下进行,氨基的置换反应(常称作Ullmann反应)需要在高沸点溶剂(如二氯苯、硝基苯、N,N-二甲基甲酰胺、N-甲基吡咯烷酮等)中加热到200～300℃，回流15h以上，有时还需要铜盐作催化剂才能进行。另一方面，4-位上硝基被胺(氨)亲核取代的反应一般在非质子溶剂如DMF、DMSO中较低温度(0～10℃)下就能进行，反应在较短时间内完成(1～2h)，反应结束后只需将反应物倒入水中即可析出产物[10]。而我国关于萘系荧光染料的研究大多都是直接购买4-溴-1,8-萘酐或者进行实验室微量合成4-硝基-1,8-萘酐。目前国内对4-硝基-1,8-萘酐合成放大研究还未见相关文献报道。因此，为了促进萘系荧光染料的进一步发展，弥补国内4-硝基-1,8-萘酐工业化生产不足，笔者进行了4-硝基-1,8-萘酐合成放大研究，取得了工业化生产必要的经验和基础实验数据。

1 试验部分

1.1试剂和仪器

1)试剂 苊、冰醋酸(CH3COOH)、发烟硝酸(HNO3)、二水合重铬酸钠(Na2Cr2O7·2H2O)，均为分析纯。

2)仪器 DLSB-10/30低温冷却循环泵(上海市禾汽玻璃仪器有限公司)、SZCL-A型 恒温磁力搅拌电热套(巩义市予华仪器有限责任公司)、傅里叶变换红外光谱仪(德国Bruker光学公司)、Varian INOVA400(400MHz)核磁共振仪(美国Varian公司，TMS为内标)。

1.2试验方案

以苊为原料，经硝化氧化两步反应合成得到4-硝基-1,8-萘酐。其路线如下：

1.2.1苊的硝化反应

在10000ml三口圆底烧瓶中加入4000ml冰醋酸，机械搅拌下加入300g苊，低温下反应，在30min内慢慢滴入400ml发烟硝酸和800ml冰醋酸的混合液，反应10h后过滤。

1.2.24-硝基苊氧化反应

在10000ml三口圆底烧瓶中加入5000ml冰醋酸，再加入一定量的 Na2Cr2O7· 2H2O，机械搅拌下慢慢加入358.66g 4-硝基苊，加热至回流(此时溶液变成墨绿色)。6h后反应结束，倒入冰水中，搅拌后静置过滤，水洗至无绿色，得到黄色固体。冰醋酸重结晶，得橙黄色固体。

2 结果与讨论

2.1硝化反应的影响因素研究

2.1.1温度对硝化反应的影响

表1 温度对硝化反应收率的影响

在10000ml三口圆底烧瓶中加入4000ml冰醋酸，机械搅拌下加入300g苊，在30min内慢慢均匀滴入400ml发烟硝酸和800ml冰醋酸的混合液。改变反应温度，发现不同温度下的收率不同，结果见表1。

由表1可见,改变反应温度，对合成4-硝基苊的收率有一定影响。温度太低，冰醋酸结冰导致反应不完全，且反应速率慢。温度太高，会使在混酸中溶解的4-硝基苊增加，收率降低。故反应温度控制在10℃较好。

2.1.2反应时间对硝化反应的影响

表2 反应时间对硝化反应收率的影响

在10000ml三口圆底烧瓶中加入4000ml冰醋酸，机械搅拌下加入300g苊，温度控制在10℃，在30min内缓慢滴入400ml发烟硝酸和800ml冰醋酸的混合液。改变反应时间，得到了不同的硝化反应收率，结果见表2。

由表2可见,改变反应时间，对合成4-硝基苊的收率有一定影响。反应时间太短，导致反应不完全。反应时间过长，会使在冰醋酸中溶解的4-硝基苊增加，收率降低。反应时间太长也会影响实验效率。故反应时间以10h较好。

2.1.3发烟硝酸用量对硝化反应的影响

表3 发烟硝酸用量对硝化反应收率的影响

在10000ml三口圆底烧瓶中加入4000ml冰醋酸，机械搅拌下加入300g苊，温度控制在10℃，在30min内缓慢滴入发烟硝酸和800ml冰醋酸的混合液，反应10h。改变发烟硝酸的用量，分别得到不同的收率，结果见表3。

由表3可知,改变发烟硝酸用量，对合成4-硝基苊的收率有一定影响。发烟硝酸用量太少，导致原料苊有剩余。发烟硝酸用量过多，会使在混酸中溶解的4-硝基苊增加，收率降低。而且发烟硝酸用量过多，不便于实验操作，也造成了硝酸的浪费。因此使用400ml发烟硝酸最佳。

2.1.4硝酸浓度对硝化反应的影响

表4 硝酸浓度对硝化反应收率的影响

表5 硝化反应合成放大收率

在10000ml三口圆底烧瓶中加入4000ml冰醋酸，机械搅拌下加入300g苊，温度控制在10℃，在30min内缓慢滴入400ml硝酸和800ml冰醋酸的混合液，反应10h。改变硝酸的浓度，发现不同浓度的硝酸硝化效率不同，结果见表4。

通过对反应时间、温度、硝酸浓度以及硝酸用量等因素对硝化反应影响的研究，得到了合成4-硝基苊的硝化反应实验数据，如表5所示。

从表5可知，随着反应原料的增加，硝化反应的收率呈上升趋势。当放大到一定量后，收率达到最大且趋于稳定。

将合成的产品进行红外光谱测定(KBr压片法)，并与实验试剂4-硝基苊(阿拉丁，纯度≥85.0%)在相同条件下进行红外光谱测定图谱进行对照，如图1所示，红色线条为购买4-硝基苊红外谱图，橙色线条为用发烟硝酸进行硝化反应后的产物红外谱图。从图1中可以看出，两者的红外图谱大致相同，故所合成的物质为4-硝基苊。经测定其熔点为101～103℃，与参考值相符。

图1 4-硝基苊红外图谱

将硝化反应所合成的物质，通过红外图谱的鉴定后，进一步进行了核磁氢谱和核磁碳谱的检测。结果如图2、图3所示。

从图2可以看出，1H NMRδH(400MHz，CDCl3)δH：3.448～3.515(m, J=26.8Hz,4H),δH：7.339～7.358(t, J=7.6Hz,1H)，δH：7.453～7.470(t, J=6.8Hz,1H)，δH：7.697～7.755(m, J=23.2Hz,2H),δH：8.505～8.524(d, J=7.6Hz,1H),δH：8.566～8.588(d, J=8.8Hz,1H),其中δH：3.448～3.515为2个亚甲基峰。以上数据与4-硝基苊标准图谱一致。

从图3可以看出，13C NMRδC(400MHz，CDCl3)质子宽带去耦谱中δ77三重峰为CDCl3的溶剂峰。谱图中有1种sp3杂化碳，10种sp2杂化碳，表明分子中有某些对称因素存在。δc：30.582，117.956，120.173，121.772，127.756，127.987，131.688，140.169，141.694，146.615，155.731。其中δc：30.582为2个sp3杂化碳原子，以上数据与4-硝基苊标准图谱一致。

2.2氧化反应

2.2.1Na2Cr2O7·2H2O用量对氧化反应收率的影响

表6 Na2Cr2O7· 2H2O用量对氧化反应收率的影响

表7 反应时间对氧化反应收率的影响

表8 氧化反应放大收率

在10000ml三口圆底烧瓶中加入5000ml冰醋酸，加入一定量的Na2Cr2O7· 2H2O，机械搅拌下慢慢加入358.66g 4-硝基苊，加热至回流(此时溶液变成墨绿色)。6h后反应结束。改变氧化剂的用量，分别得到不同的氧化收率，结果见表6。

由表6可见，Na2Cr2O7· 2H2O用量过低，与苊发生有效碰撞较小，反应不充分；Na2Cr2O7· 2H2O用量过高，副产物增多，收率反而有所降低。对氧化剂的用量也存在一定程度的浪费。因此，苊与Na2Cr2O7· 2H2O的物质的量的比以1∶3较好。

2.2.2反应时间对氧化反应收率的影响

在10000ml三口圆底烧瓶中加入5000ml冰醋酸，加入1610.32g Na2Cr2O7· 2H2O，机械搅拌下慢慢加入358.66g 4-硝基苊，加热至回流。改变反应时间，发现反应时间对合成4-硝基-1,8-萘酐的收率有一定影响，结果见表7。

由表7可见，反应时间太短，导致反应不完全。反应时间过长，副产物增多，收率降低。反应时间过长也会影响实验效率。因此，反应时间以6h为宜。

通过对Na2Cr2O7· 2H2O用量和反应时间对氧化反应影响的研究，得到了合成4-硝基-1,8-萘酐的氧化收率实验数据，如表8所示。

从表8可知，随着反应原料的增加，氧化反应收率呈上升趋势。当放大到一定量后，收率达到最大且趋于稳定。

图4 4-硝基苊氧化产品红外图谱

将硝化反应所合成的物质，通过红外图谱的初步鉴定后，进一步进行了核磁氢谱和核磁碳谱的检测。结果如图5、图6所示。

从图5可以看出，1H NMRδH(400MHz，DMSO)δH：8.126～8.148(t，J=8.8Hz，1H)，δH：8.563～8.583(d, J=8.0Hz,1H)，δH：8.631～8.677(q, J=18.4Hz,2H),δH：8.755～8.777(d, J=8.8Hz,1H),以上数据与4-硝基-1,8-萘酐标准图谱一致。

图6 4-硝基-1,8-萘酐核磁碳谱

从图6可以看出，13C NMRδc(400MHz，DMSO)质子宽带去耦谱中δ40的七重峰为DMSO的溶剂峰。谱图中有11种sp2杂化的碳，表明分子中有某些对称因素存在。δc：120.070，122.774，124.093，124.348，129.763，130.266，130.588，131.041，133.176，149.533，159.436，160.046。以上数据与4-硝基-1,8-萘酐标准图谱一致。

3 结论

1)合成4-硝基苊的最佳条件为：300g苊+4000ml冰醋酸，反应温度10℃，在30min内缓慢滴入400ml发烟硝酸和800ml冰乙酸的混合液，反应10h可得到黄色固体4-硝基苊，其收率约为87.45%。

2)合成4-硝基-1,8-萘酐的最佳条件为：7000ml冰醋酸，Na2Cr2O7· 2H2O与4-硝基苊的物质的量之比为3∶1，反应6h可得到黄色固体粉末，其收率为49.79%。

3)优化了合成4-硝基-1,8-萘酐的放大合成反应条件，为该物质产业化生产积累了一定的经验和重要的基础试验数据。

[1]杜丽. 1,8-萘酰亚胺配体及其配合物的合成、结构与性质研究[D]. 青岛：青岛科技大学, 2009.

[2] 孙朝晖, 王景国, 赵德丰,等. 1,8-萘酰亚胺类化合物的荧光光谱性能研究[J]. 染料与染色, 2004, 41(2):84～86.

[3] Benanti T L,Saejueng P,Venkataraman D. Segregated assemblies in bridged electron-rich and electron-poor pi-conjugated moieties[J]. Chemical Communications, 2007, 7(7):692.

[4] Qian H, Liu C, Wang Z, et al. S-heterocyclic annelated perylene bisimide: synthesis and co-crystal with pyrene[J]. Cheminform, 2006, 38(44):4587.

[5] Briggs M S J, Bruce I, Miller J N, et al. ChemInform Abstract: Synthesis of Functionalized Fluorescent Dyes and Their Coupling to Amines and Amino Acids [J]. Cheminform, 1997, 28(34):1051～1058.

[6] Hirose K, Takeshima H, Iino M, et al. Fluorescent indicators for inositol 1,4,5-trisphosphate based on bioconjugates of pleckstrin homology domain and fluorescent dyes[J]. Analytical Communications, 1999, 36(5):175～177.

[7] Meng X, Zhu W, Zhang Q, et al. Novel Bisthienylethenes Containing Naphthalimide as the Center Ethene Bridge: Photochromism and Solvatochromism for Combined NOR and INHIBIT Logic Gates[J]. Journal of Physical Chemistry B, 2008, 112(49):15636～45.

[8] Meng X, Zhu W, Guo Z, et al. Highly stable and fluorescent switching spirooxazines[J]. Tetrahedron, 2006, 62(42):9840～9845.

[9] 吴爱斌. 新型萘酰亚胺衍生物合成研究[J]. 长江大学学报(自科版), 2009, 6(2):29～33.

[10]严宏宾, 蔡良珍, 沈永嘉. 1,8-萘酐和1,8-萘酰亚胺中硝基和卤素基团的亲核取代反应[J]. 合成化学, 1998(3):319～323.

[编辑]赵宏敏

2017-08-12

湖北省教育厅优秀中青年项目(Q20111304)。

潘切(1991-)，男，硕士生，现主要从事精细化工方面的研究工作。

秦少雄(1965-)，男，博士，教授，现主要从事精细化工、催化氧化方面的教学与研究工作，qinshxiong@126.com。

引著格式潘切，吴爱斌，秦少雄.4-硝基-1,8-萘酐的实验室放大研究[J].长江大学学报(自科版)，2017,14(21)：17～23.

O625.61+5

A

1673-1409(2017)21-0017-07