一种肼类化合物氧化为偶氮化合物的方法
阅读说明：本技术 一种肼类化合物氧化为偶氮化合物的方法 (Method for oxidizing hydrazine compound into azo compound ) 是由 王健 于 2021-09-13 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种肼类化合物氧化为偶氮化合物的方法,其包括以下步骤,将肼类化合物在混合溶剂或无溶剂条件下,用无机非金属催化剂、以及无机氧化剂进行氧化反应,得到偶氮化合物；所述肼类化合物的结构式如下,R-(1)-NH-NH-R-(2)；其中,R-(1)、R-(2)分别为取代或未取代烷基、取代或未取代芳基、取代或未取代杂芳基、取代或未取代羧基、取代或未取代羰基；或者,R-(1)和R-(2)之间共价连接以形成3～10元环。本发明的方法通过优化反应条件中的催化剂、氧化剂和溶剂条件,避免了金属催化剂的使用带来的物料成本升高的问题以及有机氧化剂的使用带来的分离纯化方面的问题。(The invention relates to a method for oxidizing hydrazine compounds into azo compounds, which comprises the following steps of carrying out oxidation reaction on the hydrazine compounds by using an inorganic non-metal catalyst and an inorganic oxidant under the condition of mixed solvent or no solvent to obtain azo compounds; the structural formula of the hydrazine compound is shown as follows, R 1 ‑NH‑NH‑R 2 (ii) a Wherein R is 1 、R 2 Each is substituted or unsubstituted alkyl, substituted or unsubstituted aryl, substituted or unsubstituted heteroaryl, substituted or unsubstituted carboxyl, substituted or unsubstituted carbonyl; or, R 1 And R 2 Covalently linked to form a 3-10 membered ring. The process of the invention is carried out by optimizing the catalysis in the reaction conditionsThe conditions of the agent, the oxidant and the solvent avoid the problem of material cost increase caused by the use of a metal catalyst and the problem of separation and purification caused by the use of an organic oxidant.)
技术领域
本发明涉及有机合成的技术领域，尤其是涉及一种肼类化合物氧化为偶氮化合物的方法。
背景技术
偶氮类化合物是由偶氮基与两个烃基相连而形成的化合物。由于偶氮基能够吸收一定波长的可见光，其被广泛应用于染料、颜料、食品添加剂、自由基反应的引发剂和药物治疗剂等领域。偶氮化合物应用广泛，其方法主要有以下几种：重氮偶联反应、Mills反应、苯胺氧化法、肼类氧化法等。
其中，重氮偶联反应是在低温下将芳香伯胺初步重氮化，然后与富电子的苯酚发生亲核反应，形成偶氮化合物。这种方法虽然反应时间短，但是对pH值有严格的要求，否则会使重氮盐转变成不能进行偶联反应的其它化合物。而Mills反应是在酸性介质中，将芳香族亚硝基衍生物与苯胺发生反应，形成偶氮化合物。上述方法的氧化速度很快，容易过氧化，从而存在中间体不稳定、工艺复杂、产物分离困难等问题。
公开为CN107311888A的中国专利公开了一种偶氮化合物的制造方法，其采用苯胺氧化法，使1种以上的含氨基化合物与氧化合物在金属成分存在下发生反应，形成偶氮化合物；金属成分是选自过渡金属单质和含有它的化合物中的至少1种。上述方法采用了昂贵的金属成分作为催化剂，这些金属成分不易回收，会对后续产物分离提纯造成影响，进而导致生产成本的增加。
肼类氧化法是部分偶氮化合物的合成必要的方法，例如，公开号为CN110041223A的中国专利公开了一种以肼类化合物为原料氧化合成偶氮类化合物的方法，是以肼类化合物为原料，三氯异氰尿酸为氧化剂，在有机溶剂中反应，即得偶氮类化合物。肼类氧化法具有反应方法简单、操作便捷等优势，解决了上述三种方法步骤复杂、操作不便的问题，但是上述方法使用的是有机氧化剂，还有一些肼类氧化法使用的是昂贵的金属催化剂，仍然存在不便于催化剂回收、有机杂质去除、产物分离纯化等问题，进而导致偶氮化合物的生产效率和收率受到影响。
综上所述，采用肼类氧化法在合成偶氮化合物上具有较大的优势，但由于其反应条件的问题，容易影响产物中各组分的回收、分离和提纯，此外，目前的肼类氧化法常限制于芳香偶氮化合物或对称型偶氮化合物的合成。因而，寻找一种条件温和、高效便捷、适用性广、高收率及选择性地合成偶氮化合物的方法，是目前迫切需要解决的问题。
发明内容
本发明要解决的问题是针对现有技术中所存在的上述不足而提供一种肼类化合物氧化为偶氮化合物的方法，其通过优化反应条件，解决了现有方法生产效率和收率不高的问题，并达到了适用于多种类型的偶氮化合物合成的效果。
本发明的上述发明目的是通过以下技术方案得以实现的：
一种肼类化合物氧化为偶氮化合物的方法，包括以下步骤，将肼类化合物在混合溶剂或无溶剂条件下，用无机非金属催化剂、以及无机氧化剂进行氧化反应，得到偶氮化合物；所述肼类化合物的结构式如下，R1-NH-NH-R2；其中，R1、R2分别为取代或未取代烷基、取代或未取代芳基、取代或未取代杂芳基、取代或未取代羧基、取代或未取代羰基；或者，R1和R2之间共价连接以形成3~10元环。
通过采用上述技术方案，以廉价的无机非金属催化剂代替金属催化剂，直接解决了原先催化剂成本高的问题，同时无机非金属催化剂和无机氧化剂便于与偶氮化合物分离，具有较好的环保性和经济性；另外，无机非金属催化剂以反应肼类化合物摩尔当量为基准，无机非金属催化剂的使用量可以是催化量、等当量或过当量，以起到促进剂、增效剂、催化剂和/或功能助剂的作用；本发明的方法适用于芳香偶氮化合物、对称型偶氮化合物、不对称型偶氮化合物等多种偶氮化合物的制备，且各类偶氮化合物的收率达到88-98%，具有较好的高效性和通用性；综上所述，本发明的方法通过优化反应条件中的催化剂、氧化剂和溶剂条件，避免了金属催化剂的使用带来的物料成本升高的问题以及有机氧化剂的使用带来的分离纯化方面的问题，且氧化反应收率高、分离方便，并具有较好的环保性、简单性、高效性、温和性和低成本经济性。
进一步地，所述混合溶剂为有机溶剂、水、离子液、超临界二氧化碳中的至少两种的组合物；所述有机溶剂为取代或未取代C1~C24的芳香烃、脂肪烃、砜、亚砜、酰胺、醚、酯、酮、腈、羧酸、胺中的一种或几种的组合物。优选采用有机溶剂/水、或者离子液/超临界二氧化碳作为混合溶剂，以便在搅拌条件下促使肼类化合物、无机非金属催化剂、以及无机氧化剂均匀分散，以充分进行氧化反应。
优选地，所述有机溶剂为乙腈、四氢呋喃、二甲基亚砜、二甲基砜、苯甲基亚砜、苯甲基砜、环丁亚砜、环丁砜、三氯硅烷、二氯甲烷、二氯乙烷、氯仿、四氯化碳、苯、甲苯、二甲苯、三甲苯、四甲苯、乙苯、二乙苯、氯苯、二氯苯、苯甲醚、硝基苯、庚烷、己烷、石油醚、1，4-二氧六环、甲基叔丁基醚、乙二醇二甲醚、双缩乙二醇二甲醚、三缩乙二醇二甲醚、丙二醇甲醚醋酸酯、三乙胺、三丁胺、二甲基异丙胺、吡啶、N，N-四甲基乙二胺、N-烷基吗啉、N-烷基吡咯、N，N-二甲基甲酰胺、甲酰吗啉、N，N-二乙基甲酰胺、N-甲基吡咯烷酮中的一种或几种的组合物。
进一步地，所述无机非金属催化剂为卤化氢、卤素单质中的一种或几种的组合物。这些无机非金属催化剂主要为质子酸及能与水反应原位生成质子酸的单质及化合物组合，主要呈液态或气态，便于通过萃取等方式进行分离提纯。
优选地，所述无机非金属催化剂为溴化氢、碘化氢、溴单质、碘单质、氯气、氯化氢中的一种或几种的组合物。
进一步地，所述无机氧化剂为双氧水或过硫酸氢钾复合盐。通过使用上述两者无机氧化剂，一方面能消除有机氧化剂带来的不便于分离提纯的问题，另一方面能在无机非金属催化剂存在的环境下，有效控制氧化反应进程，避免过氧化现象的产生，从而获得较高的收率。
优选地，所述氧化反应中，控制反应温度为-20~100℃.
优选地，所述氧化反应中，控制反应压力为0.1~20atm.
进一步地，所述方法包括以下步骤，在常温常压下，混合肼类化合物、无机非金属催化剂、10:1体积比的有机溶剂和水的混合溶剂，然后升温至50℃，加入无机氧化剂，保温反应1h；反应完成后，加入饱和亚硫酸钠溶液淬灭反应，再用乙酸乙酯萃取、分液、合并有机相后，用硫酸钠干燥、浓缩，得到偶氮化合物。本方法的制备过程就是肼类化合物到偶氮化合物的氧化反应过程，该过程需要无机非金属催化剂的参与。氧化时，双氧水、过硫酸氢钾复合盐等无机氧化剂先将无机非金属催化剂中的卤素离子氧化为卤素单质，随后卤素单质将肼类化合物氧化为偶氮化合物，10:1的有机溶剂和水的混合溶剂的使用能够提高无机氧化剂和整个反应液的混合程度，从而大大提高反应速率与产率。
优选地，所述肼类化合物、无机非金属催化剂和无机氧化剂的摩尔比为1:0.05:1.3。在该比例下，偶氮化合物的收率较高，且反应成本较低。
综上所述，本发明的有益技术效果如下：本发明的方法通过优化反应条件中的催化剂、氧化剂和溶剂条件，避免了金属催化剂的使用带来的物料成本升高的问题以及有机氧化剂的使用带来的分离纯化方面的问题，且氧化反应收率高、分离方便，并具有较好的环保性、简单性、高效性、温和性和低成本经济性。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与作用更加清楚及易于了解，下面结合具体实施方式对本发明作进一步阐述。
实施例1：为本发明公开的一种肼类化合物氧化为偶氮化合物的方法，包括以下步骤，
将式A的肼类化合物在混合溶剂条件下，用无机非金属催化剂、以及无机氧化剂进行氧化反应，控制反应温度和反应压力，得到式B的偶氮化合物。其中，R1、R2分别为取代或未取代烷基、取代或未取代芳基、取代或未取代杂芳基、取代或未取代羧基、取代或未取代羰基；或者，R1和R2之间共价连接以形成3~10元环。
本实施例的方法在混合溶剂条件下进行时，其具体实现方式如下。
在常温常压下，将0.1mol肼类化合物、0.005mol无机非金属催化剂、200ml有机溶剂和20ml水的混合溶剂依次加入到500毫升三口瓶中，充分搅拌30分钟。然后升温至50℃，并且在充分搅拌情况下逐步加入0.13mol无机氧化剂，在50℃的反应温度和1atm的反应压力下，保温反应1h。反应完成后，加入饱和亚硫酸钠溶液淬灭反应，再用乙酸乙酯萃取、分液、合并有机相后，用硫酸钠干燥、浓缩，得到偶氮化合物。
其中，肼类化合物为1-甲酸叔丁酯-2-苯基肼，偶氮化合物为1-甲酸叔丁酯-2-苯基二氮烯，即R1为苯基，R2为-COO-C(CH3)3；0.005mol无机非金属催化剂为1.01克40%氢溴酸；有机溶剂为1，4-二氧六环；0.13mol无机氧化剂为14.7克30%双氧水。
另外，经过氢谱碳谱验证，并得到目标产物1-甲酸叔丁酯-2-苯基二氮烯19.6克，产率95%。1H NMR(400 MHz，CDCl3)δ7.90(d，J=8.0 Hz，2H)，δ7.58−7.47(m，3H)，δ1.66(s，9H).13C NMR(101 MHz，CDCl3)δ161.2，151.6，133.3，129.2，123.6，85.0，27.9。
实施例2：为本发明公开的一种肼类化合物氧化为偶氮化合物的方法，与实施例1的不同之处在于，肼类化合物的种类、氧化反应的条件和偶氮化合物的产率如表1所示。
实施例3：为本发明公开的一种肼类化合物氧化为偶氮化合物的方法，与实施例1的不同之处在于，肼类化合物的种类、氧化反应的条件和偶氮化合物的产率如表1所示。
实施例4：为本发明公开的一种肼类化合物氧化为偶氮化合物的方法，与实施例1的不同之处在于，肼类化合物的种类、氧化反应的条件和偶氮化合物的产率如表1所示。
经过氢谱碳谱验证，并得到目标产物1-甲酸叔丁酯-2-（4-苄氧基）苯基二氮烯27.1克，产率87%。1H NMR(400 MHz，CDCl3)δ7.93(d，J=9.0 Hz，2H)，7.49–7.34(m，5H)，7.07(d，J=9.0 Hz，2H)，5.15(s，2H)，1.66(s，9H)；3C NMR(101 MHz，CDCl3)δ163.3，161.2，146.1，136.0，128.7，128.3，127.5，126.11，115.2，84.4，70.4，27.8。
实施例5：为本发明公开的一种肼类化合物氧化为偶氮化合物的方法，与实施例1的不同之处在于，肼类化合物的种类、氧化反应的条件和偶氮化合物的产率如表1所示。
经过氢谱碳谱验证，并得到目标产物1-甲酸叔丁酯-2-萘基二氮烯23.8克，产率93%。1H NMR(400 MHz，CDCl3)δ8.88–8.78(m，1H)，8.07(d，J=8.1 Hz，1H)，8.00–7.89(m，1H)，7.80(dd，J=7.6，1.1 Hz，1H)，7.66(ddd，J=8.5，6.8，1.4 Hz，1H)，7.60(ddd，J=8.2，6.8，1.4 Hz，1H)，7.54(t，J=7.9 Hz，1H)，1.71(s，9H).13C NMR(101 MHz，CDCl3)δ161.3，146.8，134.2，133.9，131.5，127.9，127.6，126.8，125.2，123.3，112.6，84.9，27.9。
实施例6：为本发明公开的一种肼类化合物氧化为偶氮化合物的方法，与实施例1的不同之处在于，肼类化合物的种类、氧化反应的条件和偶氮化合物的产率如表1所示。
经过氢谱碳谱验证，并得到目标产物1-（3-乙酰基苯基）-2-苯基二氮烯20.6克，产率92%。1H NMR(400 MHz，CDCl3):δ8.47(t，J=1.9 Hz，1H)，8.18–8.05(m，2H)，8.01–7.91(m，2H)，7.62(t，J=7.8 Hz，1H)，7.58–7.46(m，3H)，2.69(s，3H).13C NMR(101 MHz，CDCl3):δ197.5，152.6，152.4，138.1，131.5，130.2，129.4，129.1，127.0，123.0，122.9，26.8。
实施例7：为本发明公开的一种肼类化合物氧化为偶氮化合物的方法，与实施例1的不同之处在于，肼类化合物的种类、氧化反应的条件和偶氮化合物的产率如表1所示。
经过氢谱碳谱验证，并得到目标产物1-（4-甲氧基苯基）-2-苯基二氮烯20.8克，产率98%。1H NMR(400 MHz，CDCl3)δ7.98–7.93(m，2H)，7.93–7.88(m，2H)，7.54–7.49(m，2H)，7.46(d，J=7.2 Hz，1H)，7.03(d，J=9.0 Hz，2H)，3.89(s，3H).13C NMR(101 MHz，CDCl3)δ162.1，152.7，147.0，130.3，129.0，124.8，122.5，114.2，55.5。
实施例8：为本发明公开的一种肼类化合物氧化为偶氮化合物的方法，与实施例1的不同之处在于，肼类化合物的种类、氧化反应的条件和偶氮化合物的产率如表1所示。
经过氢谱碳谱验证，并得到目标产物1-（4-氟苯基）-2-苯基二氮烯17.8克，产率89%。1H NMR(400 MHz，CDCl3)δ8.05–7.87(m，4H)，7.60–7.45(m，3H)，7.21(t，J=8.6 Hz，2H).13C NMR(101 MHz，CDCl3)δ164.4(d，J=250 Hz)，152.5，149.2(d，J=3Hz)，131.0，129.1，124.8(d，J=9Hz)，122.8，116.0(d，J=23Hz).19F NMR(377 MHz，CDCl3)δ-109.3。
实施例9：为本发明公开的一种肼类化合物氧化为偶氮化合物的方法，与实施例1的不同之处在于，肼类化合物的种类、氧化反应的条件和偶氮化合物的产率如表1所示。
经过氢谱碳谱验证，并得到目标产物1-苯甲酰基-2-苯基二氮烯19.7克，产率94%。1H NMR(400 MHz，CDCl3)δ8.07(dd，J=8.1，1.5 Hz，2H)，8.03–7.94(m，2H)，7.67(t，J=7.5Hz，1H)，7.64–7.50(m，5H).13C NMR(101 MHz，CDCl3)δ182.0，152.1，134.5，133.4，130.8，130.6，129.3，128.9，123.6。
实施例10：为本发明公开的一种肼类化合物氧化为偶氮化合物的方法，与实施例1的不同之处在于，肼类化合物的种类、氧化反应的条件和偶氮化合物的产率如表1所示。
经过氢谱碳谱验证，并得到目标产物（顺）-5，6-二氢二苯并[c,g][1,2]环二氮辛烯19.7克，产率95%。1H-NMR (400 MHz, CDCl3): 7.13 (ddd, J = 7.8, 7.0, 1.8 Hz,2H), 7.01 (td, J = 7.3, 1.3 Hz, 2H), 6.97 (dd, J = 7.7, 1.7 Hz, 2H), 6.82(dd, J = 7.8, 1.2 Hz, 2H), 3.09–2.68 (m, 4H). 13C-NMR (100 MHz, CDCl3):155.6, 129.7, 128.2, 127.2, 126.8, 118.8, 31.8。
表1
实施例1
实施例2
实施例3
实施例4
实施例5
肼类化合物
1-甲酸叔丁酯-2-苯基肼
1-甲酸叔丁酯-2-苯基肼
1-甲酸叔丁酯-2-苯基肼
1-甲酸叔丁酯-2-（4-苄氧基）苯基肼
1-甲酸叔丁酯-2-萘基肼
混合溶剂
1，4-二氧六环/水
乙醇/水
乙腈/水
乙二醇/水
甲基叔丁基醚/水
无机非金属催化剂
40%氢溴酸
40%氢溴酸
碘单质
碘单质
溴水
无机氧化剂
30%双氧水
30%双氧水
30%双氧水
30%双氧水
过硫酸氢钾复合盐
反应温度
50℃
50℃
50℃
100℃
30℃
反应压力
1atm
1atm
1atm
2atm
0.1atm
收率
95%
88%
93%
87%
93%
表1-续
实施例6
实施例7
实施例8
实施例9
实施例10
肼类化合物
1-（3-乙酰基苯基）-2-苯基肼
1-（4-甲氧基苯基）-2-苯基肼
1-（4-氟苯基）-2-苯基肼
1-苯甲酰基-2-苯基肼
（顺）-5，6-二氢二苯并[c,g][1,2]环二氮辛烯
混合溶剂
N-甲基吡咯烷酮/水
丙二醇甲醚醋酸酯/水
1，4-二氧六环/水
1，4-二氧六环/水
1，4-二氧六环/水
无机非金属催化剂
氯气
40%氢溴酸
40%氢溴酸
40%氢溴酸
40%氢溴酸
无机氧化剂
过硫酸氢钾复合盐
过硫酸氢钾复合盐
30%双氧水
30%双氧水
30%双氧水
反应温度
-20℃
-5℃
60℃
70℃
70℃
反应压力
1atm
20atm
3atm
10atm
10atm
收率
92%
98%
89%
94%
95%
由表1可得，本实施例1-5的方法的制备过程就是肼类化合物到偶氮化合物的氧化反应过程，该过程需要无机非金属催化剂的参与，氧化时，双氧水、过硫酸氢钾复合盐等无机氧化剂先将无机非金属催化剂中的含卤质子酸氧化为卤素单质，随后卤素单质将肼类化合物氧化为偶氮化合物，10:1的有机溶剂和水的混合溶剂的使用能够提高无机氧化剂和整个反应液的混合程度，从而大大提高反应速率与产率。因此，本发明的方法适用于芳香偶氮化合物、对称型偶氮化合物、不对称型偶氮化合物等多种偶氮化合物的制备，且各类偶氮化合物的收率达到88-98%，具有较好的高效性和通用性。另外，以廉价的无机非金属催化剂代替金属催化剂，直接解决了原先催化剂成本高的问题，同时无机非金属催化剂和无机氧化剂便于与偶氮化合物分离，具有较好的环保性和经济性。综上所述，本发明的方法通过优化反应条件中的催化剂、氧化剂和溶剂条件，避免了金属催化剂的使用带来的物料成本升高的问题以及有机氧化剂的使用带来的分离纯化方面的问题，且氧化反应收率高、分离方便，并具有较好的环保性、简单性、高效性、温和性和低成本经济性。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
- 上一篇：一种医用注射器针头装配设备
- 下一篇：一种氯舒隆的合成方法