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《有機化學雜志》2016年第三期
摘要
首次報道了以五氯化磷為氯化劑，在不同的反應條件下，可將芳香醛轉變為相應的二氯甲基芳香烴和/或三氯甲基芳烴。該反應在有氧氣參與下有利于二氯甲基芳烴的生成；如加入偶氮異丁腈則促進生成三氯甲基芳烴。此方法可用于制備二氯甲基芳烴或三氯甲基芳烴，具有簡單，高效，產率高的特點。
關鍵詞
五氯化磷；氧氣；偶氮異丁腈；二氯甲基芳烴；三氯甲基芳烴
二氯甲基芳烴或三氯甲基芳烴化合物是有機合成領域中重要的中間體，前者可以應用于一些C—C化學鍵的形成，如在金屬Pd的催化下發生二聚化并脫氯合成烯烴[1]，后者可水解得到相應的芳香酸[2]。此外，它們還可以轉化成為在農藥、醫藥上有重要用途的二氟甲基或三氟甲基芳烴化合物[3]。目前，合成這兩類化合物的方法主要有兩種：一種是以含芳甲基的化合物為原料，在高溫和催化劑或光照的條件下通氯氣進行復雜的自由基取代反應來實現[4]。但該類方法往往存在選擇性和重復性差的弊端，特別是鹵代芐結構由于性質相近且熱穩定性差而造成在分離提純上的窘迫限制了其工業上的應用。另一種是以芳香醛為原料經氯化劑如五氯化磷[5]、二氯亞砜[6]、三苯基二氯化膦[7]、草酰氯[8]、三氯化硼[9]及六氯化鎢[10]處理的二氯甲基芳烴；或以芳香羧酸為原料，采用苯膦酰二氯和五氯化磷組成的氯化體系將芳環上的羧基轉化為三氯甲基芳香烴[11]。該類方法所用的氯化劑雖然價格較貴，但由于選擇性好，產物單一往往為人們所采用。
課題組在運用PCl5對對氯苯甲醛進行氯化以得到1-氯-4-二氯甲基苯的過程中發現，該反應主產物中總伴隨著一種雜質產生，并隨著反應溫度的升高其含量而增大。該雜質經過分離，鑒定可確認為1-氯-4-三氯甲基苯。該雜質是如何產生？反應的發展趨勢如何？為此，筆者對此進行了一系列具體的探討，結果發現該反應在不同的條件下的行為是不一致的。
1結果與討論
1.1溫度對反應收率的影響課題組以對氯苯甲醛為底物與五氯化磷進行氯化反應，主要考察了溫度對反應收率的影響。反應條件:對氯苯甲醛（100mmol）；五氯化磷（300mmol）；a蒸出反應體系低沸物以保持所需反應溫度，反應時間：9小時；b液相色譜檢測的相對含量。從上表可知，隨著反應溫度增加，對氯苯甲醛轉化率的提高，產物A的收率先是呈上升趨勢，但當反應溫度至100℃以上，其收率呈下降趨勢；而產物B的收率隨溫度升高而增加，于160℃反應時其含量超過物質A形成主產物。
1.2氯化反應機理的推測為了探討這其中的反應機理，課題組將分離得到1-氯-4-二氯甲基苯（A）與等摩爾量的五氯化磷于160℃下反應，得到了主產物1-氯-4-三氯甲基苯（B）。如上述反應是按自由基機理進行的，那么在反應體系中加入自由基抑制劑或引發劑應該會影響該反應。為此課題組進行了進一步的探討，其實驗結果如下表2。反應條件:對氯苯甲醛（100mmol）；五氯化磷（300mmol）；蒸出反應體系低沸物以保持所需反應溫度，反應時間：9小時；c反應過程中不斷的通入氧氣，d加入自由基引發劑AIBN（10mmol），f為液相色譜檢測的相對含量。由上表可知，如果在體系中加入自由基捕獲劑則可抑制B的生成，而加入自由基引發劑則可促進B的生成。為此，課題組認為該過程先進行的是取代反應，而后進行的是自由基反應，其可能的反應機理如下。由上圖可知，該反應機理可能是一個基于膦氧的氯代和自由基取代的串聯反應過程，首先芳香醛先與五氯化磷反應得到的二氯甲基芳香烴。之后，隨著反應溫度的升高，五氯化磷在高溫條件下分解成氯氣，氯氣裂解得到氯原子自由基，后者再進攻二氯甲基芳香烴反應生成三氯甲基芳烴。
1.3反應底物的拓展研究基于上述反應的可能機理，課題組設計了下列實驗以拓展研究一些含不同取代基的芳香醛底物的氯代反應，其結果如下表3。由上表可得知，在較高溫度下（160℃左右），以五氯化磷為氯化劑，對于含弱鈍化基和弱活化基（R=H、Ph、F、Cl、Br、I）的芳香醛底物是完全可以通過不同的反應條件得到二氯甲基芳烴和/或三氯甲基芳烴。因此，該反應條件對于含弱鈍化基的芳香醛底物是具有一般適用性的。另外，課題組也考察了含有強供電子基及強吸電子基的芳香醛底物同等反應條件下的不同結果。實驗通過GC-MS跟蹤反應表明：含有強吸電子基團（R=NO2）的底物只能生成二氯甲基芳烴（entries10,11,12）；含有供電子基團（R=OCH3）的底物則生成三氯甲基芳烴及復雜的苯環上發生氯代的產物，且難以分離(entry13)。這樣也從另一方面證明了這個反應是一個自由基反應的歷程，強吸電子基團不利于單電子自由基中間體的形成；而相反強供電子基利于其形成，但是同時可能增加了苯環的電子云密度，活化了苯環結構，導致苯環上的氫發生氯代，得到復雜的反應產物。
2實驗部分
2.1儀器與試劑AVANCEAV400MHz/FTNMRDigital核磁共振波普儀（瑞士BRUKER公司），OptiMelt全自動Mpa100熔點儀（上海譜生分析儀器)，0.09/cm/Nicolet5700傅立葉紅外光譜儀(美國熱電公司),氣相質譜聯用GC:6890N/MS:5973I（美國安捷倫公司），實驗所用原料及試劑均為分析純或化學純。
2.2實驗方法
2.2.1二氯甲基芳香烴的合成向裝有溫度計的50ml的三口瓶中依次加入底物芳香醛（100mmol）和五氯化磷（300mmol）,攪拌并向反應溶液中持續性的通入氧氣。然后慢慢升溫至160℃，反應2小時以上，TLC跟蹤反應進程，盡量地蒸除副產物三氯氧磷。反應完畢后冷卻至室溫，將反應液慢慢倒入冰水中，用飽和碳酸氫鈉調節pH至7-8，最后用乙酸乙酯萃取一次，飽和食鹽水水洗一次，無水硫酸鈉干燥后，真空蒸除乙酸乙酯，得到目標化合物。
2.2.2三氯甲基芳香烴的合成在裝有溫度計的50ml的三口瓶中依次加入底物芳香醛（100mmol）和五氯化磷（300mmol）和偶氮異丁腈（5mmol）,攪拌并慢慢升溫至160℃，反應2小時以上，TLC跟蹤反應進程，盡量地蒸除副產物三氯氧磷。反應完畢后冷卻至室溫，將反應液慢慢倒入冰水中，用飽和碳酸氫鈉調節pH至7-8，最后用乙酸乙酯萃取一次，飽和食鹽水水洗一次，無水硫酸鈉干燥后，真空蒸除乙酸乙酯，得到相應的目標化合物。
作者：吳江 周俊鵬 石亞磊 朱錦桃 單位：浙江理工大學理學院化學系，杭州 310018）