CN110803992B - 一种3-硝基-4-氟苯乙酸酯的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用微反应器制备3‑硝基‑4‑氟苯乙酸酯的方法，属于有机物合成技术领域，其中微反应器包括预冷模块和混合模块，具体包括如下步骤：(1)准备原料：配制4‑氟苯乙酸酯和浓硫酸的混合溶液、硝酸溶液；(2)预冷：对预冷模块和混合模块提前降温至反应温度，然后分别将4‑氟苯乙酸酯和浓硫酸的混合溶液、和硝酸溶液加入不同的预冷模块中；(3)混合：原料预冷完成后，加入混合模块中进行混合反应；(4)淬灭及后处理。本发明的方法可有效控制硝化反应的放热问题，安全性高；且能够高选择性地制备3‑硝基‑4‑氟苯乙酸酯，4‑氟苯乙酸酯转化率可达98.4％，选择性可达99:1。

Description

一种3-硝基-4-氟苯乙酸酯的制备方法

技术领域

本发明属于有机物合成技术领域，具体涉及一种3-硝基-4-氟苯乙酸酯的制备方法。

背景技术

二氢萘啶类化合物是一类治疗或者预防如胃肠道间质瘤、急性髓性白血病和***性肥大增生等疾病的激酶抑制剂。而在构建二氢萘啶类化合物时，3-硝基-4-氟苯乙酸酯是重要的中间体，但是合成3-硝基-4-氟苯乙酸酯的方法较为复杂，也鲜有文献报道。

文献(Synthesis of azide-fluoro-dehydrocoelenterazine analog as aphotoaffinity-labeling probe and photolysis of azide-fluoro-coelenterazine.M.Kuse et al.Tetrahedron,2005,61,5754-5762)中公开了一种以4-氟苯乙酸乙酯为原料，经过硝化反应得到3-硝基-4-氟苯乙酸乙酯的方法，具体制备过程是在传统的反应瓶中进行的硝化反应。而硝化反应的突出特点是强放热性，其放热集中，存在巨大的安全风险。热量的移除是传统反应器中控制硝化反应的突出问题之一。另外，芳烃的硝化反应存在多硝化和选择性差等问题。我们根据文献条件进行了重复试验，在200克级别的反应中，原料只能转化78％，剩余较多，且反应的选择性较差，2-硝基-4-氟苯乙酸乙酯与3-硝基-4-氟苯乙酸乙酯异构体的比例为31：69。这给目标产物的分离带来极大的困难，也难以实现规模化生产。

由于氟和亚甲基的邻位定位效应比较接近，传统的硝化工艺很难得到高纯度的邻位硝基硝化的产物。文献(Aluminum Chloride Catalyzed Nitration of Aromatics withSodium Nitrate/Chlorotrimethylsilane.George A.Olah et al.Synthesis,1994,1,468–469.)三氯化铝催化氟苯进行硝化反应，邻对位硝基氟苯的比例是：16：84，即使在催化剂的催化下硝化反应的选择性仍然差。文献(Aromatic substitution.48.Borontrifluoride catalyzed nitration of aromatics with silver nitrate inacetonitrile solution.George A.Olah et al.Journal of Organic Chemistry,1981,46,3533–3537.)三氟化硼催化氟苯进行硝化反应，邻：间：对硝基氟苯的比例是：27：1：72，即使催化硝化，硝化反应选择性也差。文献(Potent and selective CC chemokinereceptor 1antagonists labeled with carbon-13,carbon-14,and tritium.BachirLatli et al.Journal of labelled compounds and radiopharmaceuticals,2018,61,764–772.)在三氟乙酸酐/硝酸条件下对氟苯进行硝化反应，邻对位硝基氟苯的比例是12：88，选择性差。

微反应器可以很好地解决传统反应器中硝化反应存在的放热和选择性差的问题。微反应器是指用微加工技术制造的用于进行化学反应的三维结构元件，微反应器通常含有小的通道(直径在10μm～3.0mm)，流体在这些通道中流动，并在这些通道中发生所要求的反应。微反应器反应通道及其细微，通道内的流体比表面积远远大于传统的反应釜，微通道的热交换能力极强。由于微通道内反应物料滞留量很小，热交换能力强，从而可以有效地控制反应的放热，提高反应安全性。另外，微通道的热交换能力强，可以精确控制反应温度，有效地避免反应液传热不均匀造成的局部过热问题，避免一些副反应的发生，提高反应的选择性。微反应器可以很好地解决硝化反应存在安全性和选择性差的问题。

中国发明专利申请CN102432471A(一种利用微通道反应器进行氯苯硝基反应的方法)采用硝酸、硫酸、水、氯苯为起始原料，在微通道反应器内进行硝基反应，以硝硫混酸为硝化剂，控制硝酸和硫酸的摩尔比为1:1-1:10，氯苯与硝酸的摩尔比为1:1-1:2，控制反应温度和反应时间，最终氯苯的转化率可达96.5％，邻对位硝基氯苯比值大于0.6，可见由这种方法制备时，尽管原料转化率较高，但是得到的产物空间选择性仍较差。

中国发明专利申请CN106316859A(一种微反应器中合成2,4-二氯-3,5-二硝基三氟甲苯的方法)在微反应器中加入原料2,4-二氯三氟甲苯、浓硫酸与浓硝酸组成的硝化剂，通过硝化反应制备2,4-二氯-3,5-二硝基三氟甲苯，相比于传统的合成方法，反应时间大大降低，2,4-二氯三氟甲苯的转化率大于97％，同时生产效率得到明显提高，2,4-二氯-3,5-二硝基三氟甲苯的产率为40％。中国发明专利申请CN109970566A(一种1,3-二硝基卤苯化合物的合成方法)以卤苯化合物为原料，硝酸和硫酸的混合酸为硝化剂，首先在一级连续流微反应器中进行第一硝化反应，得到一硝基卤苯化合物，然后将其引入二级连续流微反应器中，进行第二硝化反应，最后将第二硝化反应产生的第二废酸回用至一级连续流微反应器中，进行第三硝化反应，重复进行第二硝化反应和第三硝化反应，可得到1,3-二硝基卤苯化合物，这种反应时间短、废酸少，可实现连续化生产。然而这两件专利主要是用来制备二硝基化合物的，并不适合用于制备单取代的3-硝基-4-氟苯乙酸酯。

上述的专利中给出的用微反应器进行硝化反应的方法并不适合用来由4-氟苯乙酸酯制备3-硝基-4-氟苯乙酸酯，本发明首次提出了以4-氟苯乙酸酯为原料，利用微反应器来制备3-硝基-4-氟苯乙酸酯。

发明内容

本发明欲解决的技术问题是现有技术中由4-氟苯乙酸酯制备3-硝基-4-氟苯乙酸酯的方法中，存在原料转化率低、及空间位置选择性差等技术问题。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种利用微反应器制备3-硝基-4-氟苯乙酸酯的方法，其中微反应器包括预冷模块和混合模块，制备方法具体包括如下步骤：

(1)准备原料：配制4-氟苯乙酸酯和浓硫酸的混合溶液、硝酸溶液；其中浓硫酸为质量浓度为98％的浓硫酸，硝酸为质量浓度为69％的硝酸。

(2)预冷：对预冷模块和混合模块提前降温至反应温度，然后分别将4-氟苯乙酸酯和浓硫酸的混合溶液和硝酸溶液加入不同的预冷模块中；

(3)混合：原料预冷完成后，加入混合模块中进行混合反应；

(4)淬灭及后处理：反应完成后，反应液进入淬灭罐中淬灭，经过萃取，碱洗，水洗。

进一步地，所述3-硝基-4-氟苯乙酸酯选自3-硝基-4-氟苯乙酸甲酯、3-硝基-4-氟苯乙酸乙酯、3-硝基-4-氟苯乙酸异丙酯、3-硝基-4-氟苯乙酸苄酯中的一种；相应地，所述4-氟苯乙酸酯选自4-氟苯乙酸甲酯、4-氟苯乙酸乙酯、4-氟苯乙酸异丙酯、4-氟苯乙酸苄酯中的一种。具体为：利用4-氟苯乙酸甲酯为原料，通过硝化反应制备3-硝基-4-氟苯乙酸甲酯；利用4-氟苯乙酸乙酯为原料，通过硝化反应制备3-硝基-4-氟苯乙酸乙酯；利用4-氟苯乙酸异丙酯为原料，通过硝化反应制备3-硝基-4-氟苯乙酸异丙酯；利用4-氟苯乙酸苄酯为原料，通过硝化反应制备3-硝基-4-氟苯乙酸苄酯。

进一步地，所述4-氟苯乙酸酯和硝酸的摩尔比是1:1.0-2.0。

进一步地，所述4-氟苯乙酸酯和硝酸的摩尔比是1:1.1。

进一步地，所述步骤(1)中4-氟苯乙酸酯和浓硫酸的混合溶液的配制方法为：将4-氟苯乙酸酯溶于浓硫酸中，浓硫酸相对4-氟苯乙酸酯的用量是1.1-4.0mL/g。

进一步地，所述浓硫酸相对4-氟苯乙酸酯的用量是1.4mL/g。

所述步骤(2)中预冷温度为0-10℃，预冷模块和混合模块的温度与硝化反应温度相同，温度由外部换热器进行控制。预冷模块降温到0-10℃后，将4-氟苯乙酸酯和浓硫酸的混合溶液和硝酸溶液通过两台恒流泵分别进料到两个平行的预冷模块中冷却至0-10℃。

进一步地，所述步骤(3)中混合模块降温至0-10℃后，预冷的4-氟苯乙酸酯和浓硫酸的混合溶液和硝酸溶液经预冷模块进入混合模块进行混合反应。4-氟苯乙酸酯和浓硫酸的混合溶液的加料流速为9-18mL/min，进一步地，为15mL/min。4-氟苯乙酸酯和浓硫酸的混合溶液与硝酸溶液的加料流速比为6-3:1，进一步地，为5.7:1。反应停留时间为20-80s，进一步地，为30-50s。

本发明中，设置提前将4-氟苯乙酸酯和浓硫酸溶液混合，再与浓硫酸溶液混合，调整各溶液的加入速率，能更好地控制反应速度；同时，调整其中一种溶液的速率，也需要同步调整另一种溶液的速度，以保证反应物能够按照接近1:1的摩尔比进行反应，充分利用物料，可减少物料的浪费。

本发明以4-氟苯乙酸酯和浓硝酸为原料，浓硫酸为催化剂，利用微反应器进行硝化反应制备3-硝基-4-氟苯乙酸酯。4-氟苯乙酸酯的浓硫酸溶液和硝酸经恒流泵打入到微反应器，经过预冷模块预冷到反应温度，然后进入混合模块发生硝化反应得到3-硝基-4-氟苯乙酸酯。本发明通过控制4-氟苯乙酸酯和硝酸的摩尔比、浓硫酸的用量，并提前将4-氟苯乙酸酯和浓硫酸混配在一起，再与硝酸进行混合，可有效避免化学反应过程中热量急剧散出，提高了反应的安全性。

本发明利用微反应器制备3-硝基-4-氟苯乙酸酯的方法，与现有技术相比，具有如下优点：

1、可有效控制硝化反应的放热问题，安全性高。

2、能够高选择性地区分氟与亚甲基邻位定位效应的差异，制备3-硝基-4-氟苯乙酸酯，原料4-氟苯乙酸酯转化可达率98.4％，邻位与间位选择性可达99；1。

3、与文献报道的传统的反应体系相比，反应时间大大缩短，产能明显提高，可以进行规模化生产。

附图说明

图1：二氢萘啶类化合物的化学结构通式

图2：3-硝基-4-氟苯乙酸乙酯的化学结构式

图3：以4-氟苯乙酸酯为原料制备3-硝基-4-氟苯乙酸酯的化学反应式

图4：硝化反应流程图

具体实施方式

下面通过说明书附图和具体实施例，对本发明的技术方案进行详细说明。

实施例1

(1)准备原料：取4-氟苯乙酸乙酯200g，溶于280mL 98％的硫酸中备用。取79mL69％硝酸备用。

(2)预冷：将预冷模块和混合模块降温至0-10℃。用两台恒流泵将4-氟苯乙酸乙酯的硫酸溶液和硝酸溶液打入两个平行的预冷模块进行冷却到0-10℃。

(3)混合：原料预冷完成后，进入混合模块混合反应，4-氟苯乙酸乙酯和浓硫酸的混合溶液流速设置为15mL/min，硝酸流速2.63mL/min，在混合模块中反应停留42s。

(4)淬灭及后处理：反应液进入淬灭罐中淬灭，淬灭罐中存有乙酸乙酯500mL，水500mL。反应液进入淬灭罐后淬灭，萃取，分出有机相，用饱和碳酸氢钠溶液洗涤，水洗，浓缩至干燥。反应后的产物记为S1。

实施例2-9

制备方法与实施例1相同，并固定4-氟苯乙酸乙酯的用量为200g，不同之处在于原料用量和部分工艺参数。同时，为了确保进入微反应器的混合模块中的4-氟苯乙酸酯和浓硫酸的混合溶液与硝酸溶液能够完全参与反应，同时也根据需要改变流速。反应后的产物记为S2-S9。

本发明还设置了利用其它4-氟苯乙酸酯来制备3-硝基-4-氟苯乙酸酯的实施例，以证明本发明的技术方案具有较广泛的适用性，具体如下实施例10-11所示。

实施例10

(1)准备原料：取4-氟苯乙酸甲酯185g，溶于280mL 98％的硫酸中备用。取79mL69％硝酸备用。

(2)预冷：将预冷模块和混合模块降温至0-10℃。用两台恒流泵将4-氟苯乙酸甲酯的硫酸溶液和硝酸溶液打入两个平行的预冷模块进行冷却到0-10℃。

(3)混合：原料预冷完成后，进入混合模块混合反应，4-氟苯乙酸甲酯和浓硫酸的混合溶液流速设置为14.8mL/min，硝酸流速2.63mL/min，在混合模块中反应停留42s。

(4)淬灭及后处理：反应液进入淬灭罐中淬灭，淬灭罐中存有乙酸乙酯500mL，水500mL。反应液进入淬灭罐后淬灭，萃取，分出有机相，用饱和碳酸氢钠溶液洗涤，水洗，浓缩至干燥。反应后的产物记为S10。

实施例11

(1)准备原料：取4-氟苯乙酸异丙酯216g，溶于280mL 98％的硫酸中备用。取79mL69％硝酸备用。

(2)预冷：将预冷模块和混合模块降温至0-10℃。用两台恒流泵将4-氟苯乙酸异丙酯的硫酸溶液和硝酸溶液打入两个平行的预冷模块进行冷却到0-10℃。

(3)混合：原料预冷完成后，进入混合模块混合反应，4-氟苯乙酸异丙酯和浓硫酸的混合溶液流速设置为15.2mL/min，硝酸流速2.63mL/min，在混合模块中反应停留42s。

(4)淬灭及后处理：反应液进入淬灭罐中淬灭，淬灭罐中存有乙酸乙酯500mL，水500mL。反应液进入淬灭罐后淬灭，萃取，分出有机相，用饱和碳酸氢钠溶液洗涤，水洗，浓缩至干燥。反应后的产物记为S11。

为了验证本发明制备方法的技术效果，设置了如下对比例。

对比例1

取2L三口瓶，加入4-氟苯乙酸乙酯200g，加入280mL 98％的硫酸溶液，降温0～10℃。滴加83mL 69％硝酸，30分钟滴加完毕。继续反应1h。向反应液中加入水500mL，乙酸乙酯500mL，萃取，分出有机相，用饱和碳酸氢钠溶液洗涤，水洗，浓缩至干燥。反应后的产物记为B1。

上述实施例1-11和对比例1的原料用量和部分工艺参数如下表1所示。

表1实施例1-11和对比例1的原料用量和部分工艺参数

通过HPLC对上述实施例和对比例反应后的产物S1-S11和B1进行含量测试，采用面积归一化记录结果。

表2给出了上述实施例和对比例的原料转化情况及产物含量。

表2实施例1-11和对比例1的原料转化率及产物含量

如图1所示，为二氢萘啶类化合物的化学结构通式，制备该类化合物的重要原料为3-硝基-4-氟苯乙酸酯，因此可见3-硝基-4-氟苯乙酸酯是一类重要的化学中间体化合物；图2给出了其中具体的一种化合物3-硝基-4-氟苯乙酸乙酯的化学结构式；图3给出了以4-氟苯乙酸酯为原料制备3-硝基-4-氟苯乙酸酯的化学反应式。图4给出的本发明中利用微反应器以4-氟苯乙酸乙酯通过硝化反应，制备3-硝基-4-氟苯乙酸乙酯的反应流程图。

从上表2可知，采用本发明的制备方法S1-S11时，与传统的硝化反应B1相比，4-氟苯乙酸乙酯的转化率高、且3-硝基-4-氟苯乙酸酯和2-硝基-4-氟苯乙酸酯的选择性也较高。

表2的数据显示，反应后的产物S1中4-氟苯乙酸乙酯的转化率最高、且选择性最高，是最优实施例。可见实施例1中通过限定4-氟苯乙酸乙酯和硝酸的摩尔比、浓硫酸的用量、4-氟苯乙酸乙酯和浓硫酸的混合溶液与硝酸溶液的各自流速及流速比，以及控制反应时间等，各种参数之间协同作用，得到了原料转化率高、空间选择性强的技术效果。

与S1相比，S2-S5在反应过程中，增大或降低了硝酸的用量，为了使4-氟苯乙酸乙酯和浓硫酸的混合溶液与硝酸这两种原料溶液能够同步地进入微反应器中进行硝化反应，相应地增大或降低了硝酸的流速，从而改变了4-氟苯乙酸乙酯和浓硫酸的混合溶液与硝酸溶液的流速比；S6-S7改变了浓硫酸的用量，相应地也改变了4-氟苯乙酸乙酯和浓硫酸的混合溶液与硝酸溶液的流速比；S8-S9改变了反应时间。即S2-S9的制备工艺参数均不是最优，因此导致原料转化率和空间选择性稍差，可见采用本发明的制备方法，通过不同工艺参数之间具有一定的协同作用，这些工艺参数之间的搭配对原料转化率、空间选择性具有较大的影响。

实施例10和11分别列出了利用4-氟苯乙酸甲酯制备3-硝基-4-氟苯乙酸甲酯、和利用4-氟苯乙酸异丙酯制备3-硝基-4-氟苯乙酸异丙酯的制备过程，采用了本发明的制备方法，从表2的结果也可看出，具有较高的原料转化率和空间选择性，可见本发明的制备方法具有较大的应用范围。

虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进。尤其是，只要不存在冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。

Claims (8)

1.一种3-硝基-4-氟苯乙酸酯的制备方法，其特征在于：所述制备过程在微反应器中进行，所述微反应器包括预冷模块和混合模块，具体包括如下步骤：

(1)准备原料：配制4-氟苯乙酸酯和浓硫酸的混合溶液、硝酸溶液；

(2)预冷：对预冷模块和混合模块提前降温至反应温度，然后分别将4-氟苯乙酸酯和浓硫酸的混合溶液和硝酸溶液加入不同的预冷模块中；

(3)混合：原料预冷完成后，加入混合模块中进行混合反应；

(4)淬灭及后处理：反应完成后，反应液进入淬灭罐中淬灭，经过萃取，碱洗，水洗；

所述3-硝基-4-氟苯乙酸酯选自3-硝基-4-氟苯乙酸甲酯、3-硝基-4-氟苯乙酸乙酯、3-硝基-4-氟苯乙酸异丙酯、3-硝基-4-氟苯乙酸苄酯中的一种；相应地，所述4-氟苯乙酸酯选自4-氟苯乙酸甲酯、4-氟苯乙酸乙酯、4-氟苯乙酸异丙酯、4-氟苯乙酸苄酯中的一种；所述步骤(3)中混合反应停留时间为20-80s。

2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述4-氟苯乙酸酯和硝酸的摩尔比是1:1.0-2.0。

3.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中4-氟苯乙酸酯和硝酸的摩尔比是1:1.1。

4.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中4-氟苯乙酸酯和浓硫酸的混合溶液的配制方法为：将4-氟苯乙酸酯溶于浓硫酸中，浓硫酸相对4-氟苯乙酸酯的用量是1.1-4.0mL/g。

5.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于：所述浓硫酸的用量是1.4mL/g。

6.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤(3)中4-氟苯乙酸酯和浓硫酸的混合溶液的加料流速为9-18mL/min。

7.如权利要求6所述的制备方法，其特征在于：所述步骤(3)4-氟苯乙酸酯和浓硫酸的混合溶液的加料流速为15mL/min。

8.如权利要求7所述的制备方法，其特征在于：所述步骤(3)4-氟苯乙酸酯和浓硫酸的混合溶液与硝酸溶液的加料流速比为6-3:1。

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