第 44 卷第 5 期Vol. 44 No. 5
2014 年 10 月Oct 2014
所属栏目：染料、颜料及涂料

微波辅助对硝基苯甲醚的合成研究
周淑晶 ，顾雪菲，韩保嘉，周 实，张秀梅
摘　要：以对硝基苯酚为原料，选用碳酸二甲酯(DMC)为甲基化试剂，聚乙二醇(PEG)为催化剂，在微波辅助条件下合成对硝基苯甲醚，确定优化工艺条件为n (对硝基苯酚): n (DMC): n (K2CO3):n(PEG-400)=1:7:0.65:0.3，对硝基苯甲醚的收率为80.64%。其结构经1H NMR确证，此合成方法避免了剧毒试剂的使用，增加了实验操作的安全性，简单易行，使合成工艺进一步得到优化。
关键词：对硝基苯酚；碳酸二甲酯；聚乙二醇；对硝基苯甲醚
中图分类号：TQ016　　文献标识码：A　　文章编号：1009-9212(2014)05-0009-03
Study on the Synthesis of P-Nitroanisole by Microwave Assisted
ZHOUShu-jing,GUXue-fei,HanBao-jia,ZhouShi,ZhangXiu-mei
Abstract：To the nitro phenol as raw material, DMC as methylating reagent, polyethylene glycol (PEG) as the catalyst, under the condition of microwave assisted synthesis of nitrobenzene methyl ether and its structure were confirmed by 1H-NMR analysis. To determine the best process conditions for n(p-nitrophenol):n(DMC):n(K2CO3):n(PEG-400)=1:7:0.65:0.3；the yield of p-nitrophenol; reached 80.64%. The use of this synthetic method avoids the poisonous reagent, increase the safety of experimental operation, the synthesis method is simple, the synthesis process was optimized.
Key words：p-nitrophenol; DMC; PEG; p-nitroanisole
基金项目：黑龙江省自然科学基金项目（B201111），黑龙江省教育厅项目（12541830）
作者简介：周淑晶（1968-），女，黑龙江庆安人，硕士，教授，主要从事新药合成及工艺优化（E-mail：zhshj2003@163.com）。
收稿日期：2014-07-28
1  前  言
对硝基苯甲醚又称为对硝基茴香醚(简称PNA)，是对氨基苯甲醚合成的重要的前期物质，在有机中间体中占有重要的地位，用于制取枣红色基GP、色酚AS等染料，在医药、染料、纺织等领域都有很广泛的应用。国内外针对合成对硝基苯甲醚的研究方法主要有3种：1) 对硝基苯酚催化甲基化。以对硝基苯酚为原料，硫酸二甲酯为甲基化试剂，具有毒性大、危险性高的缺点，不宜采用[1-2]；2) 对硝基氯苯催化甲氧基化。以对硝基氯苯、甲醇和氢氧化钠为原料，无催化剂情况下，反应速率慢，耗时长，且副产物多，对环境污染较为严重[3-4]；3) 苯甲醚的硝化：以苯甲醚和硝酸为原料，用硫酸催化进行硝化，硝化过程中邻位也被硝化，导致副产物生成，后处理较困难，所以此法不常用。另外，为了改善常规条件下有机合成中的耗时长、收率低等缺点，近年来微波辅助技术在有机化学反应中也得到了广泛的应用，它可以极大地促进多种类型的化学反应[5-7]。
笔者参考相关文献，确定以对硝基苯酚为原料，碳酸二甲酯为甲基化试剂，聚乙二醇400为相转移催化剂，在微波辅助条件下合成对硝基苯甲醚。目标产物结构经核磁共振氢谱进行确证。
2  实验部分
2.1  合成路线
对硝基苯甲醚的合成路线如下：
2.2  仪器与试剂
    仪器：MCR-3型微波化学反应器(巩义市科瑞仪器有限公司)、RE-52A旋转蒸发仪(上海亚荣生化仪器厂)、FA2004电子分析天平(上海舜宇恒平科学仪器有限公司)、Bruker 400MHz型核磁共振仪（氘代氯仿为溶剂，德国Bruker公司）。
    试剂：对硝基苯酚、碳酸二甲酯、PEG-400、PEG-600、PEG-800、PEG-1000（以
上试剂均为AR）。
2.3  对硝基苯甲醚的合成
分别将1.4 g(1 mol)对硝基苯酚、0.9 g(0.65 mol) 碳酸钾、0.3 g(0.3 mol) PEG-400和5 mL(7 mol)DMC加入50 mL三颈瓶中，装进微波合成反应器，安装回流装置，开通电源，设定时间750 s，温度88℃，功率设定为360 W，启动反应，待反应结束，向三颈瓶中加入15 mL乙酸乙酯和20 mL水萃取两次，分离出有机层并加入饱和氯化钠溶液洗涤，加入无水硫酸镁干燥，抽滤，旋蒸出乙酸乙酯，干燥得浅黄色晶体，得到对硝基苯甲醚，收率为80.64%（文献[10]值62%）。1HNMR (400MHz, CDCl3)，δ：3.92 (3H，s)，为甲氧基上3个氢；8.21(2H，s)，为苯环上连接硝基的2个邻位对称氢；6.97(2H，s)，为苯环上连接甲氧基的2个邻位对称氢。
3        结果与讨论
    以对硝基苯酚为原料，在微波辅助的条件下，选择不同分子量的PEG为催化剂，DMC为甲基化试剂，在实验中，主要考察反应物投料比、PEG种类、辐射时间和辐射温度等因素对产物收率的影响。
3.1 对硝基苯酚与DMC不同投料比对产物收率的影响
反应按2.3实验操作步骤进行，反应时间为750 s，反应温度为88℃，功率设定为360 W，考察对硝基苯酚与DMC不同投料比对产物收率的影响。结果如表1所示。
 
表1  对硝基苯酚与DMC投料比对产物收率的影响
Table 1  The effect of p-nitrophenol/DMC reactant on the yield of product
序号
n（对硝基苯酚）: n (DMC)
收率/%
1
1﹕4
57.65
2
1﹕5
60.42
3
1﹕6
71.85
4
1﹕7
80.64
5
1﹕8
79.67
 
 
结果显示，随着DMC量的逐渐增加，对硝基苯甲醚的收率逐渐提高，当投料比n（对硝基苯酚）: n (DMC)=1:7，其收率达80.64%。当比例超过1:7时，收率反而下降。原因是DMC沸点较低，随着DMC量的增加，达不到反应所需的温度，导致反应不够完全使收率降低。故投料比n（对硝基苯酚）: n (DMC)=1:7适宜。
3.2 碳酸钾的用量对产物收率的影响
     反应按2.3实验操作步骤进行，反应时间为750 s，反应温度为88 ℃，功率设定为360 W，考察K2CO3的用量对产物收率的影响。结果见表2所示
 
表2  碳酸钾的用量对产物收率的影响
Table 2  The effect of the amount of K2CO3 on the yield of product
 
序号
n（对硝基苯酚）: n (碳酸钾)
收率/%
1
 1﹕0.50
 54.54
2
 1﹕0.55
 62.77
3
 1﹕0.60
 72.39
4
 1﹕0.65
 80.64
5
 1﹕0.70
 76.38
 
由表2可知，随着碳酸钾用量的增加，对硝基苯甲醚的收率也有所提高，当对硝基苯酚与碳酸钾的投料比超过1:0.65后，产物的收率逐渐开始降低。原因可能是由于随着反应物比例的增加，反应体系粘度增大，使反应速度变慢，导致收率降低。因此，最终确定n（对硝基苯酚）: n (碳酸钾)= 1:0.65适宜。
3.3  PEG-400用量对收率的影响。
按照投料比为n(对硝基苯酚):n(DMC):n(K2CO3) =1:7:0.65，辐射时间750 s，辐射温度88℃，考察PEG-400的用量对产物收率的影响，结果见表3。
 
表3  PEG-400用量对产物收率的影响
Table 3  The effect of the amount of PEG-400 on the yield of product
序号
n（对硝基苯酚）: n (PEG-400)
收率/%
1
 1﹕0.1
67.7 
2
 1﹕0.2
70.4 
3
 1﹕0.3
80.6
4
 1﹕0.4
72.6 
5
  1﹕0.5
68.2 
 
由表3可知，随着催化剂用量增大，收率先升高，达到一定值后，收率反而下降，原因可能是PEG-400用量过多而引起的反应液乳化，产物难于分离而造成的产物收率降低。故确定对n（对硝基苯酚）: n (PEG-400)=1:0.3。
3.4 PEG种类对收率的影响。
实验过程中同时尝试了选用不同分子量的PEG作相转移催化剂，按照投料比为n(对硝基苯酚):n (DMC):n (K2CO3):n (PEG)=1:7:0.65:0.3，辐射时间750 s，辐射温度为88℃，考察不同分子量的PEG作催化剂对产物收率的影响，结果见表4。
 
表4  不同分子量的PEG对产物收率的影响
Table 4  The effect of different molecular weight of PEG on the yield of product
序号
 PEG
收率/%
1
 PEG-400
 80.6
2
 PEG-600
 70.6
3
PEG-800
 65.7
4
 PEG-1000
 59.4
 
 
由表4可知，随着PEG分子量的增加，产物的收率明显降低。原因是由于低分子量PEG多为液体黏稠状，一些无机盐或有机盐在其中有较好的溶解度，而随着聚乙二醇分子量的增加，多呈固态，不易于无机盐或有机盐的溶解，从而收率下降，故实验中有效的催化剂为PEG-400。
3.5 微波辐射时间对收率的影响
按照投料比为n(对硝基苯酚):n (DMC):n (K2CO3):n (PEG)=1:7:0.65:0.3，考察辐射时间对产物收率的影响，如表5所示。
 
表5  辐射时间对产物收率的影响
Table 5  The effect of radiation time on the yield of product
 
序号
时间/s
收率/%
1
550
53.3
2
600
64.2
3
650
73.6 
4
700
79.4 
5
750
80.6
6
800
83.4
 
 
 
由表5可知，辐射时间超过800 s，收率变化不明显且略有下降；辐射时间少于800 s，反应不完全，收率不高，故辐射时间宜选750 s。
3.6  微波辐射温度对收率的影响。
按照投料比n(对硝基苯酚):n (DMC):n (K2CO3):n (PEG)=1:7:0.65:0.3，辐射时间为750 s，考察辐射温度对产物收率的影响，如表6所示。
 
表6  辐射温度对产物收率的影响
Table 6  The effect of radiation temperature on the yield of product
序号
温度/℃
收率/%
1
 76
 59.4
2
 80
 64.9
3
 84
 70.3
4
 88
 80.6
5
 92
 80.2
 
 
由表6可知，辐射温度超过88℃，造成反应液挥发甚至炭化，副产物增加，导致收率下降；辐射温度低于88℃，反应不完全，收率不高。故辐射温度选择88℃。
4  结  论
1) 选用DMC代替硫酸二甲酯或甲醇作为甲基化试剂，降低了反应危险性和毒性，同时使成本降低；PEG作为催化剂，充分显示其稳定性好、毒性小的优点。使合成对硝基苯甲醚的工艺操作更安全，更加绿色化。
2) 确定合成对硝基苯甲醚最佳合成工艺条件为n投料比n(对硝基苯酚):n (DMC):n (K2CO3):n (PEG)=1:7:0.65:0.3，微波功率360 W，辐射时间750 s。对硝基苯甲醚的收率为80.64%。
3) 微波辅助法能够促进对硝基苯酚的甲基化反应，避免剧毒试剂的使用，增加实验操作的安全性，减少对环境的污染，促进合成工艺的绿色化，同时缩短反应时间，提高反应效率[8-9]，降低了耗能，为芳甲醚类化合物的合成奠定了研究基础。
 
参考文献：
 
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