还原性铁粉对具有酰胺键部分的硝基芳香化合物还原实验改进*

朱 鹏，马金文，李艳妮，杨艳华，王颖臻

(昆明学院化学化工学院，云南 昆明 650214)

在有机合成中，芳香族硝基化合物是重要的中间体，在后续的基团修饰中，大部分情况下都需要将硝基还原成氨基，且在惰性气体保护下进行反应。还原硝基芳香族化合物的方法有很多，包括Sn-HCl(浓)/HAc体系、H2、Pd/C体系、Brich还原反应、金属还原和Fe-HAc体系等[1]。在还原含有酰胺键的硝基芳香族化合物时，Sn-HCl(浓)/HAc体系易使酰胺键断裂、Pd/C体系成本过高，而H2还原对实验操作要求很高且具有较高危险性，不适合本科在校生操作。因此，Fe-HAc体系由于成本低、操作方便、效果好等特点，是本次实验还原芳香族硝基化合物的理想候选物质。

以4-硝基-N-(4’-硝基苯基)苯甲酰胺为例，还原性铁粉含有的铁化合价为零，在酸性条件下获得电子，将硝基依次还原成亚硝基和羟基胺，最后得到稳定存在的氨基，反应过程如图1所示。

图1 零价铁还原4-硝基-N-(4’-硝基苯基)苯甲酰胺的机理图

许多学者已经就铁还原效率的提高、环境保护等方面进行了探索。其中，最具代表性的是纳米铁还原，但纳米铁的制备过程条件要求高，且价格昂贵；应用铁泥处理土壤或水中的重金属离子，可达到降低环境污染的作用[2-9]，但很少有人关注简化铁屑还原的后处理操作。

目前，还原性铁粉在催化后形成的铁泥，主要是经硅藻土过滤，但效果不理想，一部分含铁离子的副产物还存在于滤液中，且还原后的氨基芳香族化合物会损失一部分附着在硅藻土上；得到的粗产物不纯净，须通过柱层析法提纯，但随着过柱时间的延长，粗产物的色素会随淋洗剂进入到产物中，使得每次纯化后的产物颜色不一样，不利于本科教学实验的开展。因此，对含有酰胺键的硝基芳香族化合物还原的后处理，是有机合成过程中的重要一环。

本实验开展铁屑还原酰胺键芳香族硝基化合物，反应条件温和，不会破坏酰胺键的结构，还原产物纯度高。常规抽滤后，使用二氯甲烷萃取，可除去大部分铁泥。旋蒸除去大部分有机溶剂后，加入正己烷析出固体，实际上简化了重结晶的操作，缩短了后处理时间，减少了溶剂使用，得到的固体纯度高。

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

旋转蒸发仪(RE-2000A，上海亚荣生化仪器厂)，集热式恒温加热磁力搅拌器(DF-101，巩义市予华仪器有限责任公司)，循环水多用真空泵(SHZ-D(III)，巩义市予华仪器有限责任公司)，电子天平(FA1004N，上海菁海仪器有限公司)，核磁共振仪(Bruker AscendTM 400 HMz，布鲁克(北京)科技有限公司)。

无水硫酸钠(99%，上海麦克林生化科技有限公司)，4-硝基苯胺(试剂级，上海鼎淼化学科技有限公司)，三乙胺(99%，上海鼎淼化学科技有限公司)和N，N-二甲基甲酰胺(99.5%，上海鼎淼化学科技有限公司)，4-硝基苯甲酰氯(99%，上海鼎淼化学科技有限公司)，还原性铁粉(98%，上海旭硕生物科技有限公司)，乙醇(试剂级，天津市风船化学试剂科技有限公司)，冰醋酸(试剂级，成都市科隆化学品有限公司)，二氯甲烷(试剂级，天津市风船化学试剂科技有限公司)，正己烷(试剂级，广东西陇科学股份有限公司)，氘代二甲亚砜(x=99.9% D，φ-0.03%TMS，Sigma-aldrich西格玛奥德里奇(上海)贸易有限公司)。

1.2 表征方法

1)反应监测：薄层色谱(TLC)，每 10 min 用TLC监测反应。展开剂∶V(乙酸乙酯)∶V(石油醚)=3∶1

2)生成物表征：均由1H NMR和13C NMR确认。

1.3 实验步骤

1)在 100 mL 装有磁力搅拌子的三口烧瓶中，依次加入4-硝基-N-(4’-硝基苯基)苯甲酰胺(0.287 g，1 mmol)、乙醇(40 mL)和蒸馏水(20 mL)。

2)加热至 60 ℃ 时加入还原性Fe粉(0.448 g，8.0 mmol)和冰醋酸(4 mL)。

3)60 ℃ 搅拌，TLC监测至反应物反应完全，冷却至室温。

4)后处理对照

1)常规操作——硅藻土过滤、柱层硅胶柱提纯：

布氏漏斗+滤纸+硅藻土，过滤2～3次除去大部分铁泥，滤液加入氨水中和至pH呈碱性，过滤，无水Na2SO4干燥，旋除溶剂，柱层层析法提纯。

2)改进方案——萃取除去铁泥：

布氏漏斗+滤纸，过滤除去固体，滤液倒入分液漏斗中，加入CH2Cl2，静置分层，如图2所示。收集有机层、加入氨水中和至pH呈碱性。无水硫酸钠干燥过滤，滤液用旋转蒸发仪旋除大部分溶剂，加入正己烷，继续旋蒸至析出大量固体、抽滤，滤饼用正己烷淋洗。

图2 CH2Cl2萃取装置

2 结果与讨论

2.1 原料4-硝基-N-(4’-硝基苯基)苯甲酰胺的制备

250 mL 三口烧瓶中加入4-硝基苯胺(2.81 g，0.02 mol)、三乙胺(3.5 mL)和N，N-二甲基甲酰胺(30 mL)，搅拌下滴加溶于N,N-二甲基甲酰胺(20 mL)的4-硝基苯甲酰氯(3.7 g，0.02 mol)，升温至 70 ℃，反应 6 h。反应结束后，反应液倒入 150 mL 乙醇溶液中、搅拌、静置，抽滤得淡黄色固体，烘干得粗产品。250 mL 三口烧瓶中放入粗品，加入 100 mL 乙醇，搅拌，升温至 50 ℃ 搅拌 30 min。将反应液冷却至室温后抽滤得淡黄色固体，烘干备用。1H NMR(400 MHz，DMSO-d6)δ：11.12(s，1H，-NH-)，8.42(d，2H，J=8.0 Hz，ArH)。8.32(d，2H，J=8.0 Hz，ArH)，8.23(d，2H，J=8.0 Hz，ArH)，8.08(d，2H，J=8.0 Hz，ArH).13C NMR(101 MHz，DMSO-d6)δ：165.19，149.93，145.43，143.31，140.32，129.99，125.35，124.14，120.58。如图3所示。

图3 4-硝基-N-(4’-硝基苯基)苯甲酰胺核磁氢谱图和碳谱图

2.2 目标产物4-氨基-N-(4’-氨基苯基)苯甲酰胺的合成

在150 mL三口烧瓶中依次加入4-硝基-N-(4’-硝基苯基)苯甲酰胺(0.287 g，1 mmol)、乙醇(40 mL)和蒸馏水(20 mL)，温度升至 60 ℃ 时，加入还原性Fe粉(0.448 g，8.0 mmol)和冰醋酸(4 mL)，60 ℃ 搅拌 1 h。抽滤，滤液倒入分液漏斗中，加入CH2Cl2(3×80 mL)，静置分层、收集下层有机层、加入氨水中和至pH呈碱性。无水硫酸钠干燥抽滤，滤液用旋转蒸发仪旋除大部分溶剂，加入正己烷(20 mL)，继续旋蒸至产生大量固体，静置后过滤，滤饼用正己烷(2×10 mL)冲洗。后处理时长为 45 min，目标产物 0.1106 g、产率为48.72%。1H NMR(400 MHz，DMSO-d6)δ：9.41(s，1H，-NH-)，7.67(d，2H，J=8.0 Hz，ArH)，7.34 (d，2H，J=8.0 Hz，ArH)，6.58-6.52(dd，4H，J= 12.0 Hz，J=8.0 Hz，ArH)，5.65(s，2H，-NH2)，5.04(s，2H，-NH2)。13C NMR(101 MHz，DMSO-d6)δ：165.07，152.14，144.68，129.47，122.55，122.09，114.34，112.98。如图4所示。

图4 4-氨基-N-(4’-氨基苯基)苯甲酰胺核磁氢谱图和碳谱图

2.3 产物分析

本实验得到的目标产物经1H NMR和13C NMR证实为4-氨基-N-(4’-氨基苯基)苯甲酰胺。

2.4 实验可行性与意义

实验后处理条件经优化后加快了实验进程，后处理时间为 45 min，后处理提纯用溶剂体积为：CH2Cl2240 mL、正己烷 40 mL，产率为48.72%。两种后处理提纯时间和产率对比如表1所示。

表1 不同后处理提纯方式的时间和产率

选用Fe-HAc体系在60℃下还原4-硝基-N-(4’-硝基苯基)苯甲酰胺，反应条件温和、还原效率高，避免了在高温和强酸作用下酰胺键的断裂，有利于得到目标产物。萃取反应液降低了产物损失，基本可除去所有铁泥，萃取使用的CH2Cl2在旋除后回收，用于下次实验萃取。后处理过程中涉及到的萃取、过滤和旋除溶剂等实验操作也是有机化学实验的基本操作，有利于学生实验技能的锻炼。

3 结语

采用4-硝基-N-(4’-硝基苯基)苯甲酰胺为底物、乙醇-水的混合溶剂和Fe-HAc体系还原，在无需高温和惰性气体保护情况下进行，使用CH2Cl2萃取反应液，提纯使用的有机试剂用量为 280 mL，降低了实验成本。该处理方式可有效除去铁泥的影响，且时长短，后处理时间不到 1 h，节约时间；通过萃取分离铁泥和粗产物、重结晶提纯产物，极大的简化了后处理的繁琐步骤，加快实验进程。同时，这些基本实验操作有效锻炼和提升了本科生对有机实验的操作技能。