博士学位论文-吡啶鎓盐系列等相转移催化剂的合成、固载化及催化活性研究.pdf

浙 傲口丈 学博 创匕 学位论文 吐咤猫鼓系列等相转移催化剂的合成 、 固载化及催化它舌性祠开究 朱英 红 鹰荞必万 郑小明教授 、 楼辉教 授 专 洲它 有 机 催 化 浙 三工 大 学催 丫 七 祠开 究 所 二二零零三三年一月 尹叽匆 一 妙 一 加 , 饰 妙 刀改 刀 , 了 , 尸 “ , 荣类生犷 , 柳泛三大 一学博 士学应珍戈 若刀录夕 目录 中文摘要 英文摘要 一一一 一一一一一一 一一 一 一 一 一 一 一 一一一一一一 一一 一 一一 一一一 一一 一 一一 一一一 一 一 一 一 一 一一一一一一 一 一一一一 一一 一一 第一部分 毗咤蹋盐系列相转移催化剂作用下芳香氟化物的合成 一 第一章 绪论 一 第一节含氟芳香族化合物的性质及其应用 一 含氟芳香族化合物的性质 一 含氟芳香族化合物的应用市场分析 一 第二节含氟芳香族化合物的合成进展 一 氟取代反应 一 重氮化法 一 卤交换反应 一 第三节相转移催化技术研究进展 一 发展过程 一 相转移催化反应机理 一 影响相转移催化反应的因素 一 第四节 毗咤蹋盐作为相转移催化剂的研究进展 一 第五节 立题依据和研究内容 一 第二章毗淀踢盐系列相转移催化剂作用下芳香氟化物的合成 一 第一节前言 一 第二节实验部分 一 主要试剂和仪器 一 组分分析和产率计算 一 催化剂的制备 一 催化剂的反应活性研究 一 催化剂的热稳定性研究 一 反应动力学研究 一 装类直 尹勃二 应丈学溥于学应旨丈丫刀录夕 第三节结果与讨论 一 磺酸酷与催化剂的结构鉴定 一 各种催化剂对不同底物的催化活性研究 一 一 烷基 一一 二 甲基氨基 日 比咤锚盐系列相转移催化剂中烷基对催化剂 活性的影响 一 一烷基一一 二甲基氨基毗咤踢盐系列相转移催化剂 中阴离子对催化 剂活性的影响 一 舒 的量对催化剂活性的影响 一 反应时间对催化剂活性的影响 一 工 乙 、 溶剂对催化剂活性的影响 温度对催化剂活性的影响 勺白 勺 、 不 同底物对催化剂活性的影响 一犯 在 一节基一一 二甲基氨基 毗淀踢盐作用下对氯苯睛氟化反应研究一 一节基一一 二甲基氨基毗咤踢盐催化剂的分析 一 各因素对反应产率的影响 一 对氯苯睛氟化反应动力学研究 一 反应机理研究 一 第一部分小结 一 第一部分 参考文献 一 第二部分 固一固一液三相相转移催化酷化反应研究 一 第三章绪论 一 第一节 乙酸节酷 的用途和合成研究 一 第二节固一固一液三相相转移催化研究进展 一 概述 一 二氧化硅载体的应用 一 一 在精细有机合成非均相催化中的应用 一 无机组分改性的介孔 一 分子筛催化剂及其应用 一 有机官能化方法改性的杂化 一 及其应用 一 第三节 立体依据和研究内容 一 未返毛性犷 尹 公 才左丈学厚毖学扮夕羚丈 尽录夕 第四章以气相法二氧化硅为载体的三相相转移催化剂的合成及其在酷化反应中 的应用 一 第一节前言 一 第二节实验部分 一 化学试剂与仪器 一 组分分析和产率计算 一 催化剂的制备 一 气相法二氧化硅 固载氨基毗咙催化剂的制备 一 气相法二氧化硅固载季按盐催化剂的制备 一 气相法二氧化硅固载催化剂作用下乙酸节酷 的合成研究 一 气相法二氧化硅固载催化剂作用下乙酸节酷的合成 一 反应动力学研究 一 第三节结果与讨论 一 催化剂的表征 一 元素分析的测定结果 一 一 的狈定结果 一 分析 一 气相法二氧化 硅固载相转 移催化 剂作用下乙酸 节 酷的合成研究 一 以气相法二氧化硅固载氨基砒陡为三相相转移催化剂的乙酸节酷的 合成研究 一 以气相法二氧化硅 固载季按盐为三相相转移催化剂的乙酸节醋的合 成研究 一 第五章以 一 为载体的三相相转移催化剂的合成及其在酷化反应 中的应用 一 第一节 第二节 前言 一 实验部分 一 化学试剂与仪器 一 组分分析和产率计算 一 荣类直 欲赵万大 一学厚士学夕 老丈 一 月录夕 一 分子筛的制备 一 催化剂的制备 一 一 固载季按盐催化剂的制备 一 一 固载氨基毗陡催化剂的制备 一 一 固载催化剂作用下乙酸节酷的合 一一 一 固载催化剂作用下乙酸节酷 成研究 的合成 一 反应动力学研究 一 第三节 结果与讨论 一 一 分子筛的表征 一 的测定结果 一 比表面积和孔径分布的测定结果 一 的测定结果 一 催化剂的表征 一 元素分析的测定结果 一 一 的测定结果 一 分析 一 的测定结果 一 勺勺一 内 一 固载催化剂作用下乙酸节酷的合成研究 一 以 一 固载季铰盐为三相相转移催化剂的乙酸节酷 的合成研究 一 以 一 固载氨基砒睫为三相相转移催化剂的乙酸节醋 的合成研 究 一 第二部分小结 一 第二部分 参考文献 一 第三部分不对称硫醚的合成 一 ,闷 勺 争 一 曰胜 第六章不对称硫醚的合成 一 第一节月 日茜 一 硫醚的性质 一 不对称硫醚的用途 一 荣若立 廖 兄呈义 一 贾厚全学应 了 爹灵丫刀录夕 硫醚 的制备方法 第二节实验部分 一 伪二 ,且 试剂与仪器 一 不对称硫醚的合成 第三节实验结果与讨论 一 合成 的不对称硫醚的鉴定 反应机理研究 一 第三部分 参考文献 一 一 本论文创新点 一 一 厚士期阿发裹脚趁戈 几 一 亥彭 一 荣奔立蔚泛万大学厚少学应旨戈“礴要夕 摘要 相转移催化技术 一 是在世纪年代初发展 起来的有机合成新技术 , 已被广泛地应用于聚合物 、 医药 、 农药 、 精细化学品等 的合成 。 相转移催化具有许多优点 , 如反应条件温和 , 可提高反应速率和产率等 。 相转移催化剂固载化可 以解决产物分离困难 、 催化剂重复使用等问题 , 是 当前研 究的热点之一 。 本论文对传统相转移催化氟化和固一固一液三相相转移催化酷化 反应进行了系统的研究 。 第一部分研究内容 含氟芳香族化合物是农药 、 医药等的重要 中间体 , 其特殊的应用价值和潜在 的经济价值 , 引起了许多研究工作者和化工生产厂家的注意 。 通过卤离子交换法 制备含氟芳香族化合物是目前颇受重视的方法 , 但反应需在较高的温度下进行 。 由于 一二 烷基氨基毗徒中供电子 的二烷基与毗淀环共振 , 使正电荷分散于多个 原子中 , 稳定性比毗咙增加 。 论文系统研究了具有高热稳定性和催化活性的毗陡 踢盐系列新型相转移催化剂 。 成功地合成了 一二 甲氨基毗咤环 中 一烷基分别为正 丁基 、 一 乙基己基 、 三苯甲基 、 节基 、 正十二烷基的毗咙踢盐系列相转移催化剂 。 通过 、 、 对催化剂进行了结构鉴定 。 差热分析表明该系列催化剂具有较好 的耐高 温性能 。 研究了该系列催化剂在芳香氯化物与的卤离子交换氟化反应 中的催化活 性 , 表明其具有良好的反应活性和热稳定性 。 通过系统地考察的用量 、 催化 剂中 一烷基 的结构 、 催化剂中阴离子的结构 、 反应溶剂 、 反应温度 、 芳香氯化 物的不 同取代基等对催化剂活性的影响等 , 筛选出催化活性最好的催化剂为 二 甲氨基 一一一 乙基己基砒咤踢盐 。 在该催化剂作用下 , 只需反应小时 , 对氯硝基苯氟化为对氟硝基苯的得率即可高达 。 第二部分研究内容 乙酸节酷是一种重要 的香精配料 , 具有新鲜果香的茉莉型香气 , 应用 非常广 荣 二 奔渗经 浙乏 五才学户戴去学应忿丈树要 夕 泛 , 在国内外市场前景广 阔 。 目前广泛采用氯化节和醋酸钠在相转移催化剂存在 下反应的合成方法来制备 。 论文系统地总结了固一固一液三相相转移催化的研究进展 。 用水热 晶化法合 成了无机载体 一, 通过 、 等检测手段对 一 进行了 表征 。 首次利用气相二氧化硅 、一 表面 的轻基 , 通过表面烷基化技术分别合 成了气相二氧化硅固载季钱盐 、 氨基毗睫 、一 固载季钱盐 、 氨基毗陡等三 相相转移催化剂 。 通过分析考察了固载型相转移催化剂的热稳定性 , 发现在 相同载体的情况下 , 固载砒咙踢盐催化剂的失重区域温度比固载季钱盐催化剂的 失重区域温度高 , 对不同载体固载相 同功能基催化剂的失重区域进行比较 , 发现 以 一 为载体的催化剂失重区域的温度更高 。 系统研究了每个催化剂的用量 、 搅拌速度 、 反应温度 、 底物浓度 、 水的含量 等因素对催化剂活性的影响 , 并进行了动力学研究 。 本文发现对固一固一液三相相转移催化酷化反应体系 , 加入一定量的水可使 酷化反应的得率大大提高 。 根据这一现象 , 提出了水首先在醋酸钠表面形成水膜 的反应机理 。 由于无机载体对水具有亲和性 , 易于溶解无机盐中的阳离子 , 使无 机盐中阴离子更易与相转移催化剂中阳离子结合而形成离子对参与反应 , 两者的 协同作用使得反应顺利进行 。 本论文工作中 , 加入的水量相对于底物 中固体盐 的 质量高达 , 完全没有必要再对体系进行无水处理 , 大大降低了对反应设备 、 反应条件 的要求 , 具有很好 的工业应用前景 。 第三部分研究内容 首次提出了不对称硫醚的新的合成方法 。 在 卤离子交换氟化法制备芳香氟化 物的反应中 , 发现通过适 当改变反应条件 , 可以一步合成芳香不对称硫醚 。 根据 检测到的反应中间体 , 提出了二 甲基亚飒自身歧化产生活性中间体而参与反应的 反应机理 。 关类二立 , 了娜 飞立又 一学得气 芳笋应 旨丈阴川 一 , , , ,一 一一一, 刀 厂 一 扣 ,一 一困,一一 , , 刚 , , , 一, ,一,一一 一 夕 一 关类立 筋泛乙才学厚士学脸 了 旨戈 阴 介 了 为 一 ,一一一 一 , , 一 一 一 一 且 , , 一 他 , , 一 荣类立 夕挤江 狡 一学分 尊泣若学应玲戈 一 署 一章夕 第一部分毗陡蹋盐系列相转移催化剂作用下芳香氟化物的合成 第一章绪论 第一节含氟芳香族化合物的性质及其应用 含氟芳香族化合物主要是作为医药 、 农药等生理活性物质及染料 、 液晶 、 试 剂 、 助剂等精细化学品的中间体 。 含氟芳香族化合物所特有的性质是由氟元素属 性所致 , 因此芳香族化合物 中氟原子的引入 , 可使最终产物的生理活性倍增 。 含氟芳香族化合物的性质 模拟效应 氟原子的范德华半径与氢原子接近 , 生物体对其分辨不 清 , 会误把含氟化合物当作氢化合物摄入组织并参与代谢过程 , 这个作用称其为 模拟效应 。 月 旨溶性渗透效应 含氟芳香族化合物对细胞组织 、 细胞壁和细胞膜具有很高的脂溶性渗透性 能 , 促使活性成分易于吸收和传递 , 引起生理作用发生变化 , 从而达到防治细菌 、 杀虫及除草之目的 , 而且具有用量少 、 毒性低 、 药效高 、 代谢能力强等特性 。 电子效应 由于氟原子具有最大的电负性 , 在分子中引入原子后会改变分子内 部 电子密度的分布 , 影响化合物 内部结构的酸碱性 , 进而使含氟芳香族化合物 的 生物活性增加 。 阻碍效应 由于 一 键的键能 一比一 键的键能大 , 因此同氟原子结合的部位稳定性高 , 其代谢过程受到阻碍 , 结果使病菌 、 害虫 、 杂草等有害生物的成长受到阻碍而导致死亡 。 另外由于 一 键的键能大 、 键长 短 、 无伸缩性 、 折光率小等特点 , 由含氟芳香族化合物合成的染料反应活性高 、 稳定性好 , 使被染物具有色泽鲜艳 、 耐晒 、 耐烟熏 、 不易褪色等优点 。 含氟芳香 族化合物作为试剂 、 液晶 、 助剂等 , 其活性 、 稳定性 、 光泽性也比相应的不含氟 芳香族化合物要好得多 。 正是 由于如此多独特的性质 , 为含氟芳香族化合物的研 荣类直 脚决工式 一笋夕 辱全学应不诊才 乙 第一章夕 制开发创造了新的机遇 。 含氟芳香族化合物的应用市场分析 用途分类 含氟芳香族化合物主要应用于化学工业 、 医药 、 农药 、 染料 、 电子信 自 、等 领 域 , 见 图 。 化学工业 有机合成 高分子材料 微生物感染药 解热消炎镇痛药 心脑血管治疗药 消化系统药 神经系统药 抗肿瘤药 呼吸系统药 昌体激素药 杀菌剂 杀虫杀瞒剂 除草剂 植物生长剂 液晶显示器 染料 均相双官能剂 聚胺酉旨固化剂 七 业 一 丁 户 才 药农 厂 、七 业 一 丁 产 八 它其 图含氟芳香族化合物的各种用途 价格与需求量 含氟芳香族化合物的价格范围很宽 , 由每公斤多元至 一 元不等 , 视品种而定 , 较对应不含氟芳香族化合物的价格高数十倍至数百倍 。 国内由于无 序竞争导致了含氟芳香族化合物价格 的大幅滑落 , 如氟苯年月价格为 元瓜 , 至年降为元左右再如四氟苯甲酸年上半年 的元 , 到年则不足元 。 这在一定的程度上给生产厂家带来了更严峻 荣类宜沥泛愁攻学溥全学应 甘戈 第一章夕 的考验 , 使得他们必须选择合适 的合成路线来降低成本 、 提高产率 。 在通过卤交 换反应合成含氟芳香族化合物的工艺路线甲 , 选择合适的相转移催化剂也就更有 潜在的竞争价值 。 含氟芳香族化合物在化学工业 、 医药行业和农药行业的需求量 占全部需求量的以上 。 在化学工业 中的应用 含氟芳香族化合物经一系列基本有机反应如硝化 、 还原 、 烷基化 、 卤代 、 重 氮化 、 酉旨化等可制得一系列的含氟芳香族化合物的衍生物 , 如氟苯经硝化可得 邻 、 对位硝基氟苯 , 邻 、 对位硝基氟苯经还原可得邻 、 对位胺基氟苯 。 从氟苯出 发经过一系列反应可制得各种一级衍生物 、 二级以上衍生物等 。 在医药行业 中的应用 由于含氟化合物表现出的特殊生理活性 , 引起了人们对含氟医药开发的浓厚 兴趣 , 目前已商品化和正在开发的产品有百种之多 。 如氟呱酸 、 环丙沙星 、 氧氟 沙星 、 氟咤酸 、 二氟呱酸等含氟喳诺酮类广谱型抗菌药已自成体系 , 并因其卓越 的疗效而成为大吨位的品种二氟尼柳是一种用于风湿病消炎镇痛的药物 , 被誉 为超阿司匹林 , 默克公司仅这一产品的销售额已超过亿美元在神经系统药物 中 , 氟斯必灵 、 匹莫奇特都是极好的含氟镇静药和抗抑郁药氟代他汀钠是一种 新型的血脂调节药 , 用于脑血栓 、 高血压和心脏病的治疗 一 氟尿嚓绽 、 卡莫氟 、 去氧氟尿普等均是高效的含氟抗肿瘤药物此外在消化系统和呼吸系统等方面也 己开发出具有新颖作用机理的药物 。 目前我省是国内氟哇诺酮类抗菌药的最大生 产基地 。 在农药行业 中的应用 由于用氟原子和含氟基团如三氟甲基 、 三氟甲氧基 、 二氟甲基 、 二氟甲氧 基等取代芳环上的其它基团 , 能显著提高农药活性 , 使得含氟农药得到空前发 展 。 世界上正在研制的含氟农药有多个品种 , 其 中己有多个品种实现了 商品化 , 而且平均每年有 一 个新含氟农药被筛选出来 , 这些商品化的含氟农 药中主要为除草剂 、 杀虫剂 、 杀菌剂 。 商品化的除草剂很多 , 如克阔乐 、 果尔 、 虎威 、 氟乐灵 、 速收等 。 公司研制的 , 用量仅为 一 澎 含氟杀虫剂以含氟苯甲酞脉类为主 , 己有除虫脉 、 氟嫡脉等十多 个品种商品化杀菌剂有 、 氟陡胺等 , 植物生长调节剂有 一 荣奥亥 一 了 生势泣二又 一 学了尊毖学应 珍才 介筹一章夕 竺宝呈 在其它行业 中的应用 含氟染料主要系列产品有单氟均三噢活性染料和二氟一氯嚓陡活性染料 。 前 者可用于纤维素及混纺织物的染色 , 固色率可达一 , 后者与纤维反应 生成的化学键能耐酸碱水解 , 因此湿处理牢度较好 。 染料分子上导入一或一 基 , 则可显著提高染料的耐光性并制得色彩鲜艳的染料 。 此外芳香氟化物还可用 于液晶显示器即氟化液晶 、 聚氨酷固化剂和均相双官能剂等 。 第二节含氟芳香族化合物的合成进展 芳香族有机氟化物可以通过多种途径合成得到 , 主要有取代 、 重氮化 、 卤交 换反应等 。 氟取代反应 用氟直接对芳烃进行取代是十分剧烈的反应 , 一般氟气必须在氮气或氨气的 稀释下 , 在很低的温度下通入到芳烃的惰性溶剂稀溶液中进行反应 。 这类反应机 理类似于其它 卤素分子的亲电取代反应 。 此外也可以通过 自由基历程用或 作为氟化剂进行芳香烃的氟化 。 如苯用和进行氟化可制得氟苯 圣色迎军 己 由于直接进行反应不易控制 , 副反应较多 , 且反应条件及对设备的要求比较 苛刻 , 因此这类反应较少用于含氟芳香族化合物的合成 。 重氮化法 重氮化法也称为西门法 , 即先将芳胺转化成重氮盐 , 然后转化成不溶性 的重 氮氟硼酸盐或重氮氟磷酸盐 , 再加热分解得到氟代芳烃 。 也可 以将芳胺直接用亚 硝酸钠和氟硼酸进行重氮化 , 再加热分解制得氟代芳烃 , 后一种方法收率较高 , 但只有氟苯等极少数氟代芳烃可以用这种方法来制备卜 , 如 若类直 一 脚诀 立丈 一 学溥全学应忿丈 第一章夕 占 一 召 奈 召 、己 占 黑粉导 心 耳涤黑黔 篡 一 收邑 带 二小 人 , 气少 尽管有些氟代芳烃可 以由相应的氨基化合物来制备 , 但重氮化法存在许多缺 点 , 如环境污染严重 , 对设备及反应条件要求较高 , 且所用的氟硼酸有毒 、 刺激 性强等 , 这些因素客观上限制了该法在工业生产上的应用 。 卤交换反应 卤交换反应主要指在卤代芳烃中 , 分子中的 卤素或其它取代基被氟离子取 代 , 形成相应的含氟化合物 , 这是一类典型的芳香烃亲核取代反应目前这类反 应有 卤离子交换氟化和脱硝氟化两种 。 与重氮化法相比 , 卤交换法最具工业应用 价值 。 这是因为该途径采用廉价的卤代芳烃为原料 , 在反应 中避免了使用氟气或 氟化氢 。 目前 , 有机合成工作者将微波技术引入到这类反应 中 , 尝试以微波诱导 催化 卤交换氟化反应制备一些放射性药物 。 卤离子交换氟化 年 , 人们发现, 一 二硝基氯苯与作用 , 可以生成, 一 二硝基氟苯 。 到目前为止 , 该类卤离子交换反应在氟代芳烃的合成中仍有广泛的应用 。 反应通 常以无水氟化钾为氟化剂 , 季按盐为相转移催化剂 , 在 、 等高沸点 、 非质子性极性溶剂中进行降 荣 云芝立 脚泣几才学厚毖学应了旨戈丫第一章夕 份 一 一一一 卜 , 芳环上 的卤素能否被其它基团活化是 卤交换反应能否顺利进行的关键 。 一般 来说 , 当芳环上有强 的吸电性基团或 卤取代基的邻 、 对位有强的负共扼效应的取 代基存在时 , 卤交换反应较易进行 , 这些基团主要包括一 、 一 、 一 、 一 和一等 。 脱硝氟化 众所周知 , 芳香族化合物上的硝基通常也是不稳定的 , 在某些情况下硝基甚 至比氯取代基更活泼 。 近年来的研究表 明 , 可 以用一些易得的 、 廉价的硝基化合 物为原料 , 通过脱硝氟化合成含氟芳香族化合物 , 如间硝基氟苯可以通过下列途 径合成 诀拼 久子 一 一 ,奋 资拼 欠了 脱硝氟化提供了另外一种合成含氟芳香族化合物的方法 , 分子中的硝基被其 它基 团活化仍是取代反应发生的必要条件 。 正如 ,一 二硝基氯关分子中氯被硝基 活化一样 , 硝基同样可 以被具有强吸 电子性的卤素取代基活化 , 如, ,一 四氯 硝基苯的脱硝氟化 刃主 可 丫 一 , 止望奋 可 丫 一 , 一以汉、夕卜 一火咯尹一 然而 , 由于硝基的吸电子性比氯强 , 因此在相同的活化条件下 , 硝基将比氯 优先活化 。 例如间硝基氯苯氟代时 , 间硝基氟苯的得率很低 。 卤交换反应 中溶剂的选择 理论上在无溶剂存在下进行 卤交换氟化也是可能的 , 但反应需要在高温 、 长 时间条件下进行 。 在反应体系中引入溶剂会表现出许多优越性 。 优点之一是反应 可 以在相对较低 的温度下进行 , 其次是增加了反应过程的安全性 , 如 一硝 基邻苯 荣龚生红麟飞 空丈学厚士学游老丈第一章夕 二甲酸配 的脱硝氟代在溶剂中进 行可避免温度失控 。 当然溶剂的选择对卤交换反 应也是很重要 的 , 选择溶剂时应考虑到以下几点 弱亲核性若溶剂的亲核性较强 , 易发生如下的竞争反应 八罕 一一一弓卜 下 丫 ,一 非质子性溶剂无质子 , 以免和氟形成氢键而降低底物接受亲核试剂的能力 。 热稳定性好由于反应温度较高 , 溶剂需有较好 的热稳定性和高的沸点 。 溶解性好 一在溶剂中 的浓度影响氟化反应的速度 , 故溶剂还必须具有溶解 碱金属氟化物的能力 。 物 “ 等利用发射光谱测定了在部分溶剂中的 溶解度 , 见表 。 表 、 在部分溶剂中的溶解度 仁 , 或 , 溶剂 加冠醚 冬 月 拜 产, 的 乙月 青 丙酮 四氢吠喃 二甲基甲酞胺 一 一冠一 一 一冠一 一 一冠一 一 一冠一 一 , 一冠一 一冠一 , , 环己烷 一冠一 止 关奥飞 尹勃弓 业丈学詹奢 士学左爹丈 第一章夕 卤交换氟化反应 中氟化剂的选择 为了有效地获取含氟化合物 , 氟化学工作者长期以来一直在研究如何将氟引 入到化合物结构中的方法 , 常用 的氟化剂有 , , , 一 ,一 氟 一一月 比陡酮及 一 氟代毗咤踢盐【 等 。 利用碱金属氟化物如进行卤交换反应是近年来氟 代芳烃合成化学中最活跃的领域之一 。 通过 卤代芳烃的氟化反应获得氟代芳烃 , 一般从两个方面入手 , 一是选择活性 更好的氟化试剂 , 二是选择性能更好的催化剂 。 , 物 和 研究了相转移催化条件下烷基 卤化物和金属 卤化物 的卤离子交换反应 , 发现在 固一液相转移催化反应 中金属阳离子所起的作 用比阴离子更重要 , 而一般情况下认为在相转移过程中阴离子起主要作用 。 “等报道 了以聚乙烯基毗咯烷酮作为相转移催化剂 的 芳基卤化物与苯酚盐 的亲核取代反应 , 发现用苯酚钾的反应速率比用苯酚钠高 一 倍 , 而且发现钠盐会使该类催化剂中毒 , 反应结果见表 。 表作用下对氯硝基苯与苯酚盐反应中阳离子的影响 刀几 一 气 今 气 乙勺 白,一勺 日门 , 、 户、门 勺 矛 口 月 一 、 自 尸、厂 由于 十半径大 , 使的反应活性高于 , 而又比廉价易得 , 故一 般用无水作为氟化剂 , 但是不同的干燥方法对的粒度和比表面影响较大 , 因而也对交换反应产生很大的影响 。 的干燥方法有焙烧法 。 将无水 荣王 若兰空脚 二了互大 学溥全学应爹丈 州筹一薰夕 加热至 , 然后加入无水 , 利用 反应所得的使生成的颗粒疏松 比表面可达 。 工业上常用水溶液加入氟化钱 , 然后除 去生成的碳酸氨 , 进行焙烧脱水而得 一, 比表面约为 , 应用效果 较差粉碎法 。 对氯硝基苯在相同量不 同粉碎方法和中回流 后 , 用超雾粉碎机粉碎或在惰性溶剂中湿式粉碎的可得对氟硝基苯 , 而用研钵研碎的仅得到了 , 冷冻干燥法 。 利用的稀水溶液 如进行冷冻干燥 , 可得比表面为 、 粒子直径为的 一。 颗粒大小随溶液的浓度增大而增大 。 】 和日本的木村芳一 等用 冷冻干燥法处理的 , 以对氯硝基苯为反应底物 , 在二 甲亚矾中反应都得到了较 高的产率喷雾干燥法 。 将的水溶液经 一 的喷雾干燥 , 可 得粒子直径为 一 、 比表面为的 灯 一 。 用 一 与对 氯硝基苯在中回流 , 即可得对硝基氟苯 , 而用 一 仅能得到 的产率 。 在水溶液中加入的含氟表面活性剂如 , 在喷雾干燥 , 可得比表面积为 、 粒子直径为 的 , 其反应活性更高脚 。 卤交换反应中的催化剂比较 芳香 卤化物 与氟化钾反应生成芳香氟化物的反应为非均相反应 , 为使反应顺 利进行 , 往往需要利用相转移催化剂将氟离子转移到有机相中与芳香卤化物进行 亲核取代反应 。 传统 卤离子交换氟化反应中所用的相转移催化剂一般为季铰盐 。 一般地 , 季钱盐很易发生如下反应 一 一 、 一 一 一 、凡 如 一,一,一 等传统季按盐在氯苯溶液中回流几乎完全分解 。 表中列出了部分季钱盐 的半衰期和分解产物比 。 采彭 直 , 脚泛乙大 一学厚士学应忿丈 石 第一章夕 表氯苯溶液中部分季钱盐的半衰期与分解产物比 曰八 甘 刁,月人曰闷,上月, 一 一 一 、 气 第三节相转移催化技术研究进展 许多有机合成反应在均相条件下容易进行 , 而在非均相条件下不容易进行 , 特别是在水和有机溶剂两相 中 , 反应不完全甚至不发生反应 , 虽然搅拌能增加相 互接触的机会 , 但效果不是很明显 。 一般地 , 为了促使其反应 , 往往采用极性溶 剂 , 使其成为均相反应 , 但用质子性溶剂能使反应物产生溶剂化作用 , 影响其反 应速度 , 采用极性非质子性溶剂能克服溶剂化作用 , 但价格高且需在无水条件下 进行 , 回收又有一定的困难 , 因而相转移催化技术的出现成为必然 。 相转移催化技术 一一 是年代初发展起来的应用在有 机合成中的新技术 。 由于相转移催化剂 一一, 简称能使 反应速度加快 , 产率明显提高 , 反应条件温和 , 以及能使反应在非均相系统 中进 行 , 因此相转移催化这一技术发展很快 , 已在实际应用中取得 明显效果 , 如在农 药和医药系统应用相转移催化剂逐渐增多 。 相转移催化剂存在下的有机合成从 早期的亲核取代反应 , 己发展到现在的缩合反应 、 加成反应 、 扩环反应 、 高分子 合成 、 金属有机化合物合成等方面 。 在有机合成方面还可 以应用相转移催化剂分 离光学异构体 , 这对于研究生物化学起到了很大的作用 。 大环醚催化剂络合钙离 子能溶于烃类溶剂 中 , 这种作用 与钙穿过细胞膜进入烃类环境中的传递过程相 似 , 用此方法可 以研究神经机理和肌肉的功能 , 有的冠醚化合物可作为植物生 长调节剂 。 荣若直 脚趁 石才学厚员 一学方 公戈 案一草夕 发展过程 相转移催化的最早例子是年 梦 。等利用 四甲基按阳离子和三苯甲 基离子或菊离子形成 的离子对 , 在无水 的醇溶液中进行烷基化反应 。 随后又有文 献 一 简单地报道了一些起催化作用的季按盐 , 但没有进行系统的解释 。 相转移催化技术首先 由波兰等在年进行了系统的研究 。 年 瑞典抓从物理化学和分析化学的观点出发 , 发表了离子对萃取在制备 有机化学中的应用的文章 。 年美国石油公司的发表了在 多相反应 中季按盐催化转移阴离子反应的文章 。 年 口 又发表了在相转 移催化下氰化物置换 一 卤代辛烷的动力学文章 , 首先提出了相转移催化这一名 词 。 相转移催化反应机理 相转移催化反应机理包括几个连续的阶段 , 为了充分掌握这方面 的技术 , 必 须对每一阶段 的影响因素加 以了解 。 总的来看 , 相转移催化反应包括两个基本步 骤如 图将一种物质从一相转移到另一相中 , 被转移的物质和 另一种物质发生反应 。 如对于反应 、 止些导 。 、 可用 以下图示表示 图相转移催化反应机理 一 在此反应中包括三个平衡过程 , 首先催化剂和被转移的阴离子形成离子对 一 的平衡过程 , 其次是形成的离子对转移到有机相的平衡过程 , 最后是和有 荣奥崖 子 抓业丈学厚少学应 了 艺 七之 第一章夕 机相 的取代烷烃反应生成 十一 和催化剂踢盐再转移到水相 的平衡过程 。 在这三 个平衡过程 中 , 很重要 的一步就是阴离子从水相进入有机相中 , 这就要求催化剂 中的阳离子具有 “ 有机 的结构 ”, 使阳离子在有机相 中的溶解度大于在水相中的 溶解度 。 一般地 , 因此 , 催化剂亲 “ 油 ” 性 的强弱必然是影响催化效果的一个重要因素 。 催化剂的亲油性能随着阳离子碳数的增加而增加 。 有机相后必须具有活性 , 已有许多实例证 明负离子 的钾盐 、 当然 , 负离子转移到 钠盐 , 能转移到非极 性溶剂如 ,一 二氧六环中 , 但活性低 , 反应非常慢但负离子能和许多踢盐 阳离子缔合 , 钾 、 钠阳离子也可与冠醚复合 , 然后再转移到有机相 , 它们在非极 性介质中依然有很高的活性 。 这些高活性的物质就成为有效的相转移催化剂 。 相转移催化剂的溶解性不同 , 表现出具体的反应机理也有所不 同 。 以反应 。 、 。 为例 , 相转移催化反应机理可归结 为以下三类 一 升 工 在两相体系中 , 当相转移催化剂分布于有机和无机两相之间时 , 相 转移催化剂中阳离子将 一转移到有机相 中发生置换反应 军 一 十 、 兰匕一 一 、 泊 一 二井 二二卜 孔 当相转移催化剂溶于无机相时 , 由于有机底物只能溶于有机相中 反应在两相的界面上进行 , 幸 一 十 毛子 。 , 卒 目一一知卜 二帐井二二己匕 , 一 升当相转移催化剂既不能溶解于有机相也不能溶解于水相时 , 该相 转移催化剂将存在于第三相中 , 因而两种反应物均转移到第三相中 , 在第三相中 两种反应物相互溶解 , 浓度很高 , 可表现出很高的反应活性 , 使得反应速度明显 提高 。 求买胜红澎么二久学屠犷于学应忿戈 一 第一章夕 十 竺冬扣 一 二二二竺 一 飞 一车 二一 一 一一 灵 沙 舟 一 影响相转移催化反应 的因素 虽然影 响相转移催化反应的因素较多 , 但主要决定的因素有催化剂 、 有机相 溶剂 、 搅拌速度 、 水的浓度等 。 有机相中催化剂对反应的影响 在许多相转移催化反应 中 , 当改变有机相 时 , 会增加或减少催化剂阳离子在有机 相 的分配 , 从而影响在有机相中的反应速度 。 因而对于同一反应来说 , 选择不同 的催化剂其反应速度的常数相差很大 。 催化剂用量对反应的影响 在相转移催化反应 中 , 增加催化剂用 量一般对反应速度有所提高 , 但多数反 应的用量为反应物的 一 摩尔 。 但也有随着催化剂用量 的增加反应速率反而下 降的刚 。 溶剂对催化反应的影响 无论有机反应物是 固体还是液体 , 一般都需要溶剂 。 溶剂影响离子对的溶解 度 , 以及由水相转移到有机相中的负离子是否被溶剂化 。 一般应采用对于离子对 萃取能力强的溶剂 , 使离子对容易转移到有机相中 , 另外 , 还要求溶剂本身有一 定的稳定性 。 搅拌速度对催化反应的影响 在有机合成反应中往往 为了使反应物的均匀分散或使两相物质增加接触的 机会 , 搅拌是必不可少的 。 在两相催化过程中 , 搅拌也是必须的 。 搅拌可以使水 相的负离子和催化剂形成的离子对迅速向有机相转移 , 一般地反应速度随着搅拌 速度的增加而提高 , 但当搅拌速度达到可 以消除两相 的浓度梯度的数值时 , 相转 移催化反应不受搅拌速度的影响 。 盯 , 对 一 卤代辛烷与氰化钠在相转移催化 剂催化下的反应动力学进行了研究 , 测定了不 同搅拌速度对反应速率常数的影 响 , 结果如 图 。 关姿兰欲几 经丈学厚全学世旨二之 津 一章夕 尸 念 乞二工 攀 乍 瓮卜 别 。 ” 巨 三 一 加 揽拌速度 丫 图搅拌速度与反应常数的关系 但对于不 同的反应 , 消除两相之间浓度梯度的最低搅拌速度也是不 同的 , 不 同的 作者研究结果见表 。 表消除两相之间浓度梯度的最低搅拌速度 作者最低搅拌速度 、 【 , , 水对催化反应的影响 在两相反应中 , 有时为使反应物溶解或离子化 , 需要加入少量的水 , 但是水 量过多会降低反应物浓度而使反应速度下降 。 图为固一液两相反应体系 的反 应速率随水 的含量变化 的情况 。 随着反应物 、 催化剂 、 溶剂 、 反应温度的不同 , 变化曲线及最高峰的位置都会有所不 同 。 荣若兰新乏万大 一学厚毖学方了 玲之 第一章夕 助 刹 洲 州 卜 创卜 洲 卜。 。 衬 囚 国叫 俐 。司。 洲 叫 再 曲 图水对相转移催化反应的影响 由图可见 一 水 的含量相对于固体盐的质量 , 在绝对无水的条件下 , 反应速 率为零 , 随着痕量水 的加入 , 反应速率急剧上升 , 这是由于在绝对无水的情况下 相转移催化剂不能与固体亲核试剂发生离子交换形成 , 从而不能将 亲核试剂 中的阴离子带入有机相中 , 致使反应不能进行 , 而水可以通过溶解或水 合的形式在亲核试剂表面形成一层水膜 , 增大表面积 , 克服晶格能 , 加快反应离 子的传质速度 , 使反应速率加快 。 有文献报道 一 用极性溶剂如 、 等代替水也可以在亲核试 剂的表面形成一层薄膜 , 致使反应进行 。 约 一 水 的含量 , 虽然在固体盐的表面形成水膜 , 加快参加反应 的阴 离子的传质速度 , 但同时由于水被带入到有机相中 , 亲核体的水合程度加大 , 反 应活性急剧下降 。 一 水的含量 , 反应速率几乎不能随水的加入而变化 , 无机盐仍以 固体形式存在 , 有机相中的水处于饱和状态 。 一 水的含量 , 随着水 的加入 , 整个反应体系成为液一液两相体系 , 反应速率 漫慢下降 。 一 水的含量 , 已经有足够量的水使无机盐 以均相 的液态存在 , 阴 离子完全水合 。 如果所用 的催化剂水溶性较强 , 则催化剂在水相中的分布也增大 , 若芝二立 矛 夯 尹笙伏 学厚班学莎心丈 乙舅一章夕 催化效果明显降低 。 。【 等报道了在相转移催化反应中 , 当相转移催化剂既不能溶解于有机相 也不能溶解于水相 时 , 在体系 中加入适量 的水 , 将会形成第三相 。 在第三相中两 种反应物相互溶解 , 浓度很高 , 可表现出很高的反应活性 , 使得反应速率明显提 局 。 噜研究了固一固一液三相氟代反应中水对反应速率作用 , 见 图 。 图中表示未额外加水的氟代反应的反应速率变化情况 , 表示加 入一定量的水 的反应情况 , 中由于水量的增加 , 反应物种负载在聚合物 上的氟代季麟盐的水合程度加大 , 氟代反应本身的反应速率比未额外加水 的要 低 , 另一方面 , 由于有较多的溶于水膜中 , 离子交换速率增大 , 综合这两个 因素 , 致使加过量水的反应起初 的反应速率比未额外加水的还快 , 但最终的转化 率仍然下降 。 子 诚 。一 一 、 、 、 、 、 朋 、, 公公公 、 、 一卜, 必 、 几目比几 君 图固一固一液三相相转移催化反应中水对反应速率的影响 , 采 二 戈熟多澎 云立丈 一 李厚毖学应 了 甘才第 ,一章夕 第四节毗咙踢盐作为相转移催化剂的研究进展 相转移催化技术已被广泛地应用于聚合物 、 医药 、 农药 、 精细化学品等的工 业生产 。 相转移催化剂可以使反应不需要在昂贵的非水或质子性溶剂中进行 , 操作方便 , 反应条件温和 , 并可提高反应速率和产率 。 相转移催化剂的研究已涉 及到许多领域 , 如冠醚化学 、 多聚物载体化学 , 等 。 但目前常用的相转移催化 剂在实际应用中仍很不理想 , 如季胺盐 、 季磷盐的热稳定性都较差 , 在强亲核试 剂存在下季磷盐还易于进行亲核取代反应而失活 , 当这一类催化剂应用于 以上的反应体系时 , 消耗量很大 , 在反应过程 中需不断补充 。 冠醚是一种较稳定 的相转移催化剂 , 但也存在不少缺点 一“ 有很强的结构适应性要求 , 往 往一种冠醚只能对某种特定的阳离子才表现出较好的活性 , 如 一冠一只能 对 , 一冠一只能对 , 一冠一 、 二苯并 一冠一只能对 表现出 较好 的活性溶解性较差 , 只能溶于几种特定的溶剂价格昂贵 , 并 有毒 , 由此冠醚的应用受到限制 。 近年来人们试图研究开发毗徒踢盐系列相转移 催化剂以适应高温及强亲核试剂存在下 的亲核取代反应 。 郭锡坤等 研究了邻苯二 甲酸单丁酷钠节酷化反应 , 以毗咙作为相转移催 化剂 , 发现毗咤的用量存在一个最佳值如图 , 他们认 为可能是 由于毗咤先 与节氯反应生成氯化 一节基毗咤 , 然后由锡盐起相转移催化作用的缘故 。 当毗 咤的用量低于图中所示的最佳值时 , 由于生成 的锡盐太少 , 催化剂用量不足 , 增 塑剂的产率较低 。 当毗陡 的用量高于最佳值时 , 则会生成大量的踢盐 , 由 于催化剂的作用有一定的限度 , 锡盐的量继续增大也只能保持一定的催化效果 , 而且由于生成的踢盐较多 , 消耗掉节氯的量也较大 , 在节氯与邻苯二甲酸配投料 比恒定 的情况下 , 会导致节氯的量不足 , 反而使产率下降 。 为验证上述推测 , 郭等以等摩尔量 的毗陡与节氯的混合物作 为相转移催化 剂 , 催化合成 , 结果如图 。 可见毗陡和节氯混合后形成 的踢盐的催化效 果 良好 , 且避免了因毗咤过量改变节酷酷化原料比而导致产率的下降 。 若多孚直抓泛工又 一 学厚全夕应甘灵丫第一章夕 神卯 亡东 汉 闰闪 闷 洲 书 翻间 白 国 澎 钓拍 八 东 试 闷自 。 月 。 劝韧 间 幽 晌 。 留 已禅 叨 了 吸 为 图毗淀用量与增塑剂 产率的关系 公 , 云如 ” 沦 ,云击阮 叭 刃 卜肠 图毗陡与节氯混合物用量与 增塑剂产率的关系 户叭 十 一厂 板洲 一 气 十 、 交 一一岁 一 交 一一岁 飞 、 闷咬一一 拿 一 、了 闪 一 日 含 日, 图锡盐的相转移催化行为 一 锡盐的相转移催化行为如 图 。 等 研究了空间位阻对季按盐稳定性的影响 , 设计路线如图 若多孚直抓泛工又 一 学厚全夕应甘灵丫第一章夕 神卯 亡东 汉 闰闪 闷 洲 书 翻间 白 国 澎 钓拍 八 东 试 闷自 。 月 。 劝韧 间 幽 晌 。 留 已禅 叨 了 吸 为 图毗淀用量与增塑剂 产率的关系 公 , 云如 ” 沦 ,云击阮 叭 刃 卜肠 图毗陡与节氯混合物用量与 增塑剂产率的关系 户叭 十 一厂 板洲 一 气 十 、 交 一一岁 一 交 一一岁 飞 、 闷咬一一 拿 一 、了 闪 一 日 含 日, 图锡盐的相转移催化行为 一 锡盐的相转移催化行为如 图 。 等 研究了空间位阻对季按盐稳定性的影响 , 设计路线如图 采几姿立 渤呈久学厚去学应不旨丈 乙 第一章夕 很慢 , 实用价值不大 , 如双酚的钠盐等 琶 。 第五节立题依据和研究内容 含氟芳香族化合物的特殊应用价值及其存在 的潜在经济价值 , 引起了许多研 究工作者和化工生产厂家的注意 。 通过 卤离子交换氟代反应的方法来制备有机芳 香氟化物 , 工艺简单 , 原料易得 , 成本低廉 , 已受到广泛的重视 。 由于在芳香氯 化物的氟化法中 , 碱金属不能在有机溶剂中溶解 , 使得加入相转移催化剂是必不 可少的 。 另外 , 由于该类反应需在较高的温度下进行 , 传统 的季钱盐和季磷盐在 反应温度下已基本分解 , 因此研究开发具有高热稳定性和高活性的相转移催化剂 迫在眉睫 。 利用 一二 烷基氨基毗徒中供电子的二烷基和毗咤环共振 , 使正电荷分 散于多个原子中 , 同时通过改变 一烷基来增加 空间位阻以提高相转移催化剂的 热稳定性和催化活性 , 本部分对该系列相转移催化剂的热稳定性和催化活性进行 了系统 的研究 , 主要研究了以下几方面 的内容 、 合成一系列 一 二甲氨基砒徒环上具有不 同取代基的毗咤踢盐系列相转移 催化剂 、 研究不同取代基对催化剂热稳定性和催化活性的影响 , 探索其变化规律 性 , 根据其规律性筛选出具有较好应用前景的新型相转移催化剂 、 研究不 同底物结构对催化剂活性的影响 , 系统地研究了反应温度 、 溶剂 、 反应时间等因素对氟化反应的影响 , 并对该固一液相转移催化体系 的速率常数 、 反应级数 、 活化能等动力学性质进行研究 , 探讨了可能的反应机理 。 荣类直 筋 二 应久 一 学厚士学应旨 戈第二章夕 第二章毗陡给盐系列相转移催化剂作用下芳香氟化物的合成 第一节前言 芳香氟化物在精细化工中占有重要地位 , 是合成农药 、 医药的一个重要中间 体 。 如在 合成一些 作为 性能 良好 的热塑 塑 料的芳 香性多芳基 醚 如多酮 醚 , 、 多矾醚 , 时 , 价廉的芳香氯化 物反应活性低 , 必须用活性较大但很昂贵的芳香氟化物单体才能使聚合反应良好 地进行 , 合成芳香氟化物具有巨大的经济意义 。 通过卤离子交换氟代反应的方法 来制备有机芳香氟化物 , 工艺简单 , 原料易得 , 成本低廉 , 具有较大的应用价值 。 相转移催化反应是现代化学工业 中新近发展起来的一类很重要 的化学反 应 , 它在有机精细化工的合成方面有着十分广阔的应用前景 。 特别是在一些必须 用价格昂贵的非质子极性溶剂 中才能进行的反应中 , 相转移催化技术更显重要 一 。 由于卤离子交换氟代反应需在较高的温度下进行 , 传统的季钱盐和季麟盐 在反应温度下己基本分解 , 因此研究开发具有高热稳定性和高活性的相转移催化 剂迫在眉睫 。 一烷基越一 二 甲氨基 日 比陡踢盐系列衍生物分子中 , 供电子的二 甲氨基与砒陡环共振 , 使正电荷分散于多个原子 间如下式所示 , 因而可能是 一种具有高热稳定性和高反应活性的新型相转移催化剂 入 、 吸 、 ,、 拭 义炎丈工 叹、少一 味断 少 一 贬 召 少一 飞 沪 一见 尸 一 口 直攻 、 有文献 报道 一一 乙基己基 一一 二 甲胺基毗咤锡盐在的氯 苯中经巧小时后几乎没有明显分解 , 它在对硝基氯苯的氟化反应中的用量只需 澳化四丁基胺的十分之一 。 等研究了以 场 一 冠 一 为体系的对氯苯甲醛的氟化反应 在 。下只得到中等的转化率 。 他们 还报道 了 以二乙烯基苯交联聚苯乙烯 凝胶作为载体的毗陡踢盐系列催化剂而且解决了催化剂的回收问题 , 在对氯硝基 苯的氟代反应中有更好的热稳定性 。 本文拟通过改变 十 一 基上 的烷基以改变 十 一 键的极性 、 基团的疏水性 、 空间位阻等以提高热稳定性和催化活性 。 余类直 一 脚左丈李傅全学应旨灵 月筹 丁 章夕 第二节实 验部 分 主要试剂与仪器 主要试剂 甲基磺酞氯 对甲苯磺酞氯 一 二 甲基氨基毗陡 正丁醇 异辛醇 正十二醇 节氯 三苯基氯甲烷 毗陡 十六烷基三甲基澳化钱 二甲亚矾 环丁矾 氟化钾 对氯硝基苯 对氯苯月青 对 一 氯苯甲醛 对氯苯甲酸甲酉旨 ,一 二氯苯甲醛 ,一 二氯苯月青 碳酸钠溶液 饱和氯化钠溶液 其余各种溶剂均为分析纯试剂 仪器 一 气相色谱仪 喷雾干燥 上海化学试剂公司 上海群力化工厂 上海化学试剂公司 瓶窑医药化工试剂厂 上海化学试剂公司 上海化学试剂公司 上海双喜香料助剂厂 西安化学试剂厂 中国医药集团上海化学 试剂公司 上海菲达工贸有限公司 上海试剂一厂 浙江东阳化学公 司 上海试剂一厂 实验室 自制 实验室 自制 实验室 自配 实验室自酉己 日本岛津 , 石英毛细管柱 , 小 氢火焰检测器 荣云叁之欲尾丈笋尊全学应 了 艳乳之月碧二章夕 一 气相色谱仪 色 一质联 用仪 熔点测定仪 核磁共振仪 质谱仪 红外分析仪 丁 型综合热分析仪 山东鲁南 , 有机柱测磺酸酷 、 , 一 填充柱测氟化物 一 一 作 内标 ,一 作溶 剂 压片法 美国公司 组分分析和产率计算 氟代芳烃是本章实验 中的目标产物 。 反应进程中的组分检测采用气相色谱的 相对面积归一法 。 在