（有机化学专业论文）3芳氧基12丙二醇的合成研究.pdf

摘要 摘要 由于化石能源日益枯竭以及出于环境的考虑，寻找可替代的能源已经受到 人类很大的关注。生物柴油可作为石油燃料的替代品，具有可再生性、易生物 降解、无毒、含硫量低等优点，属于环境友好的燃料，可具有潜在降低大气污 染，减少温室效应。但由生产成本高，制约了其发展空间。生产生物柴油是将 植物油和甲醇或乙醇通过酯交换反应制备，同时副产大量的丙三醇。如将丙三 醇制备出高附加值产品，将能降低生物柴油生产成本，突破制约生物柴油发展 的瓶颈。3 芳氧基1 ，2 丙二醇是一种重要的有机合成和医药中间体，用于合成 如起释缓神经作用的5 芳氧甲基2 唑烷酮等。 本文以甘油为原料经二步法和以丙烯醇为原料经双氧水环氧化制备缩水甘 油，进而与苯酚反应合成3 芳氧基1 2 丙二醇。研究了工艺条件对反应的影响， 探讨了可能的反应的机理。实验结果表明，碱催化剂对一元氯代甘油成环反应 制备缩水甘油有较大的影响；w m c m - 4 1 分子筛催化剂能有效催化h 2 0 2 氧化 丙烯醇制缩水甘油，反应的最佳工艺条件：w m c m 4 1 催化剂5 0 m g ，a a llm l ， h 2 0 22 7 m l ，h 2 05 m l ，3 2 3 k 和10h ，缩水甘油的产率为9 2 ；碘化钠用作缩水 甘油与苯酚反应的催化剂，以摩尔比为l ：1 2 ，在环己烷为溶剂，碘化钠催化剂 3 0 m g ，温度7 2 ，反应时间为3h 的条件下，3 苯氧基1 ，2 丙二醇的产率为7 6 。 不同类型的酚和缩水甘油反应的实验结果显示，以环己烷作溶剂，碘化钠作催 化剂，较适合于此类型反应。 关键词：丙三醇；缩水甘油；烯丙醇：环氧化；3 芳氧基1 ，2 丙二醇 n a b s t r a c t a b s t r a c t p e t r o l e u mr e s o u r c e sa r ei n c r e a s i n g l ye x h a u s t e d t h el i v i n ge n v i r o n m e n ti nt h e w o r l di sd e t e r i o r a t i n gd u et oal o to ft h em o b i lv e h i c l e se m i s s i o na n dt h eg r e e n h o u s e g a se m i s s i o n b i o d i e s e l ，w h i c hi st h ec l e a nr e n e w a b l e ，n o n t o x i ce n e r g ya n dat y p i c a l “g r e e ne n e r g y ”，c a nb ea st h ea l t e r n a t i v ee n e r g yo fp e t r o l e u mt or e s o l v et h ee n e r g y a n de n v i r o n m e n tp r o b l e m s h o w e v e r , t h eh i g h p r o d u c t i o nc o s t s r e s t r i c t e dt h e d e v e l o p m e n to fb i o d i e s e li n d u s t r y b i o d i e s e li ss y n t h e s i z e db yt r a n s e s t e r i f i c a t i o no f v e g e t a b l eo i l sw i t ha l c o h o l s al a r g ea m o u n to fg l y c e r o li sb y p r o d u c t sf r o mt h e t r a n s e s t e r i f i c a t i o nr e a c t i o n i ti sn e c e s s a r yt op r o d u c ep r o d u c t sw i t hh i g ha d d e dv a l u e i no r d e rt or e d u c et h ec o s t so fb i o d i e s e lp r o d u c t i o na n db r e a ko u tt h eb o r l e n e c k s 3 - a r y l o x y 1 ，2 - p r o p a n e d i o li st h ei m p o r t a n to r g a n i cs y n t h e s i sa n dp h a r m a c e u t i c a l i n t e r 、m e d i a t e w h i c hc a nb eu s e di ns y n t h e s i so f5 - ( a r y l o x y m e t h y l ) 一2 - o x a z o l i d i n o n e a n ds oo n i nt h et h e s i st h es y n t h e s i so fg l y c i d y la n d3 - a r y l o x y 一1 ，2 - p r o p a n e d i o lw e r e s t u d i e d g l y c i d y lw a ss y n t h e s i z e db yt w om e t h o d s o n ew a st w o s t e pm e t h o du s i n g g l y c e r o la sm a t e r i a l ，a n da n o t h e rw a se p o x i d a t i o nm e t h o du s i n ga l l y la l c o h o la s m a t e r i a l 3 - a r y l o x y 1 ，2 - p r o p a n e d i o lw a ss y n t h e s i z e df r o mg l y c i d y la n dp h e n o l s w e s t u d i e dt h ee f f e c t so ft e c h n o l o g i c a lc o n d i t i o n so ns y n t h e s i sr e a c t i o na n dd i s c u s s e dt h e s y n t h e s i sm e c h a n i s mo f3 - a r y l o x y 一1 ，2 - p r o p a n e d i 0 1 t h er e s u l t so ft e s ts h o w e dt h a t b a s ec a t a l y s t sh a dg r e a t l yi n f l u e n c e so nt h es y n t h e s i so fg l y c i d y lf r o mc h l o r i n e g l y c e r i n eb yc y c l i z a t i o nr e a c t i o n w m c m - 4 1c a ne f f e c t i v e l yc a t a l y z et h eo x i d a t i o n f r o ma l l y la l c o h o la n dh 2 0 2t of o r mg l y c i d y l t h eo p t i m u mc o n d i t i o n st of o r m g l y c i d y lu s i n gw m c m 一41c a t a l y s tw e r ea sf e l l o w ：w m c m 41c a t a l y s t5 0m g a a l 1 m l ，h 2 0 22 7 m l ，h 2 05 m l ，r e a c t i o nt e m p e r a t u r e5 0 ca n df e e d i n gt i m e l 0 也 g l y c i d y ly i e l dc a nr e a c h9 2 t h eo p t i m u mc o n d i t i o n st of o r m3 - a r y l o x y 一1 ， 2 - p r o p a n e d i o lu s i n gc y c l e h e x a n ea ss o l v e n tw e r ea sf e l l o w ：n a ic a t a l y s t3 0m g ，t h e r a t i oo fp h e n o lt og l y c i d y l1 ：1 2 ，r e a c t i o nt e m p e r a t u r e7 2 。ca n df e e d i n gt i m e 3h ， 3 - p h e n o x y - 1 ，2 - p r o p a n e d i o ly i e l dc a nr e a c h7 6 t h er e s u l t so ft e s ti m p l i e dt h a tt h e i i i a b s t r a c t c o n v e r s i o nr a t ea n dy i e l do fd i f f e r e n tk i n d so fp h e n o l sr e a c t i n gw i t hg l y c i d y l ，o nt h e w h o l e ，w e r eb e t t e rw i t hc y c l e h e x a n ea ss o l v e n t ，n a ia sc a t a l y s t k e yw o r d s ：g l y c e r o l ；g l y c i d y l ；a l l y la l c o h o l ；e p o x i d a t i o n ；3 - a r y l o x y 一1 , 2 一p r o p a n e d i o l s i v 学位论文独创性声明 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。据我所知，除了文中特另j , i n 以标注和致谢的地方外，论文中不包 含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得直昌太堂或其他教 育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名( 手写) ：i 汉篑 签字日期： a 。易 年，二月1 铲日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解南昌大学有关保留、使用学位论文的规定，有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借 阅。本人授权直昌太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编本学位论文。同时授 权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 刀 学位论文作者签名( 手写) ： 。秀弘贵 导师签名( 手写 签字日期：知d 睥f 人月甲日 第1 章绪论 第1 章绪论 随着全球性的工业化的不断提高和人口的不断增长，能源需求现在正在不 断地急剧增长【l 】。人类现在的主要的能源仍然是石油、天然气及煤炭。然而， 人类目前使用的这些化石燃料是不可再生的资源，正在不断的枯竭，而且使用化 石能源，会带来了大气污染、产生的二氧化碳的量不断地增多，就会形成温室效 应。为解决能源的危机，保护环境，实现可持续的发展，人类必须要寻找、开 发新的能源或者可替代的能源。 生物质可再生能源热点之生物柴油【2 】，它是由1 5 个碳链组成的烃，而 植物油一般由1 4 1 8 个烃链组成，可以用菜油等可再生的植物油加工制备。 生物柴油作为石油燃料的替代品，具有可再生、易生物降解、无毒、含硫 量低、可降低大气污染，减少温室效应【3 , 4 , 5 】等优点，属于环境友好的燃料。具 体表现在以下六个方面：( 1 ) 具有优良的环保特性。生物柴油硫含量低，可使二 氧化硫和硫化物的排放量减少约3 0 ( 有催化剂时为7 0 ) 。生物柴油不含对环 境造成污染的芳香族烷烃，其废气对人体的损害低于石化柴油；( 2 ) 具有较好的 低温发动机启动性能，无添加剂冷滤点达2 0 ( 2 。( 3 ) 具有较好的润滑性能，可降 低喷油泵、发动机缸体和连杆的磨损率，延长其使用寿命。( 4 ) 具有较好的安全 性能，生物柴油由于闪点高，在运输、储存和使用方面有显而易见的优点。( 5 ) 具有良好的燃料性能。生物柴油十六烷值高，燃烧性好于普通柴油，燃烧残留 物呈微酸性，可延长催化剂和发动机机油的使用寿命。( 6 ) 具有可再生性。与石 油资源不同，生物柴油作为一种可再生能源，其资源不会枯竭。 对于生物柴油生产和制备，国内外已经进行了大量的研究。制备生物柴油， 常采用的方法有：化学反应法、物理方法和生物合成方法。化学方法是目前生 产生物柴油的主要方法。在化学方法分为高温裂解法和酯交换法1 6 1 等，其中以 酯交换法研究比较多。酯交换法制备生物柴油，是以植物油与低级醇( 甲醇、乙 醇等) 进行酯交换反应【7 j ，生产过程中副产大量的丙三醇( 缩水甘油) 。 目前制约生物柴油发展的主要因素是生产成本较高，一方面是植物油原料 成本较高，另一方面，反应受到催化剂、原料的纯度、反应温度和反应的溶剂 等种种条件的影响，这些因素制约了生物柴油的发展的空间【2 】。如何降低生物 第1 章绪论 柴油的生产成本，克服其应用的瓶颈，成为当今我们需要认真面对的工作。增 加产品附加值是解决这一问题的重要手段之一。因此，如何有效利用生物柴油 的副产品，将成为今后一个重要的研究课题。 1 1 甘油概述 早在1 7 7 9 年，由瑞典化学家k w s h e e l e 偶然从橄榄油与一氧化铅的反应中发 现了丙三醇1 8 1 。并于1 8 1 1 年由法国人c h e v r e u l 命名为( g l y c e r 0 1 ) 甘油。 甘油有比较高的沸点( b p ：2 9 0 。c ) 、具有相对的稳定性，可以作为许多耐高 温反应的溶剂。甘油也是一种重要的轻化工业原料，可大量用于化工和树脂工 业当q je 9 , 1 0 】，在医药、化妆品等领域有着广泛的应用。例如：l 、护肤作用，根 据甘油吸水性强的特性，对皮肤无刺激作用，可直接涂在皮肤上用以滋润皮肤， 也可以甘油为原料加工成护肤品。2 、甘油在医药工业用作溶剂、保湿剂、甘油 单酯。用甘油制作的硝化甘油直到扩张心脏冠状动脉的作用，可用作治疗心绞 痛。3 、甘油在国防工业的重要用途是制取三硝酯甘油脂( 硝化甘油) 。4 、由于 甘油甜味、无毒，在食品工业上可作为甜味添加剂。甘油具有很强吸水性，皮 革用其处理后可以防霉、不变硬，使皮革柔软。还可以在许多软膏制品( 如牙膏、 香脂、医用软膏等) 中加入一定量的甘油后以防止干结。 现在以甘油作原料，开发出来了一系列的新的产品i l l 】：经酶法制取甘油多 元酯，可用作乳化剂、润滑剂以及表面活性剂；以甘油为原料，经发酵法制取生化 聚合物，如多羟基羧酸酯，可用作塑料生物型增塑剂，以替代石化型增塑剂；或制 取生化表面活性剂，如：s o p h o r o l i p o d s 与p h a m n o l i p i d ，以替代石化型表面活性剂。 此外，新开发二丁氧基甘油可作为新型燃料氧化剂，有利于减少柴油引擎造成黑 烟微细拉子排放量；而甘油聚合物也可替代石化型塑料产品。这些生化型新产品 不仅有利于扩大甘油新用途，同时也有利于环境保护。 尽管甘油有如此广泛的用途，但是从总体而言，甘油总量需求量并不很大。 近年来，世界各国开始从环境保护和资源再生考虑，开始逐步推广生产生物柴 油，以致甘油生产过剩，价格下跌，这一趋势受到油脂业界的关注。如何进一 步开发甘油新的用途，进而提高生物柴油生产的附加值，成为当务之急。 将甘油在一定的反应条件下合成缩水甘油，然后制成一系列衍生物，如芳 氧基醚醇，是提高甘油附加值的途径之一。 2 第l 章绪论 1 2 缩水甘油 1 2 1 缩水甘油的性质及用途 缩水甘油是一种重要双功能化的末端环氧醇类化合物，分子中含有烷氧基 和羟基两个官能团。这两种官能团化学性质比较活泼，可以发生末端环氧化合物 的亲核开环反应、具有醇所具有的一些反应。缩水甘油分子可以概括地能发生 四种不同类型的反应【1 2 】：进攻c 3 原子上，发生亲核加成反应；保护1 位上的羟 基，然后在c 2 或在c 3 上的加成反应。激活l 位上的羟基，然后在c 2 或在c 3 上的加成反应。羟基发生氧化反应，产生醛或者羧酸。 缩水甘油的反应类型如下： x o 缩水甘油作为一种重要的化工原料，可以用来合成表面活性剂、树脂、弹 性体、塑料、油漆、染料，在医药、农业、生物产品和精细化学品有着广泛的 应用1 4 ，15 1 。手性缩水甘油作为光学活性化合物的一种重要中间体，可以合成心 3 第1 章绪论 血管药物、b 阻滞剂、治疗艾滋病的h i v 蛋白酶抑制剂、抗病毒药物及许多具 有生物活性的手性内酯和甘油磷脂。 缩水甘油也是一种重要的化工半成品，常常用于合成表面活性剂? 这些试 剂是形成化妆品的成分，起到湿润、清洁皮肤的作用( 中性化妆品) ，也可用于 洗发香波、洗浴露、牙膏以及漱口剂。这种表面活性剂可用于生产人造黄油、 冰淇淋、植物油的食品添加剂。缩水甘油及其衍生物，在树脂和橡胶中作分散 剂、可塑剂；在石油工业中用作清洁剂。缩水甘油作为一种比较有价值的化合 物，是一种很宽范围的萃取剂，用于动植物和矿物质的萃取过程。另外，缩水 甘油可以制备许多有用的有机物质，比如聚醚多元醇，多元醇酯，羰基化合物， 缩水甘油醚以及甘酞树脂等。 1 2 2 末端环氧化合物的化学反应活性 末端环氧化合物，是一种重要的合成中间体，具有很高的化学活性，可以 发生重排反应，生成羰基化合物或烯丙醇，能被还原为醇或烯烃【1 6 ，17 1 。反应过 程如下所示： r 1，h ( r ) r ：) 舀r 。 o h r 2 r o r 3 lii h + ill 一( f 式一( _ 一_ 宁i 叶一 l i 一 _ t v t o 6 h 邺令一冬叱再 7 x = n u 二尊i 4 三一 lc， 一v o“v 一 ici 第1 章绪论 末端环氧化合物和亲核试剂发生亲核开环反应，可以生成外消旋和内消旋 产物。在这些对映体产物当中，有些是非常有用的药物中间体。合成一系列乒 有化学区域选择性同时还具有对映选择性的此类产物，就必须寻找合适的催们 剂、合适的溶剂、反应条件、底物的浓度，以及选择合适的分离手段，如利用 重结晶，以及合适的物理方法和化学方法来拆分【1 9 1 。 1 3 芳氧基醚醇 1 3 。1 芳氧基醚醇的性质及应用 芳氧基醚醇从结构上可视为二大块：母体酚，以及未端环氧化合物。构成 的分子称为3 芳氧基1 ，2 丙二醇。当r _ h ，则未端环氧化合物是由缩水甘油。 3 芳氧基1 ，2 丙二醇一种重要的化学中间体，性质比较活泼，可以和很多物质 发生反应。 r o h l o 人o h 芳氧基醚醇 芳氧基醚醇在很多重要的药物的合成中起关键的作用【2 0 】。总体上，合成这 类中间体可用芳氧基酰酮【2 1 】还原、未端环氧化合物和酚的亲核加成反应等多种 不同的路线。其中后者是比较直接、有用的方法，尽管在合成上受到反应条件 的影响，而受到了很大的限制，因酚和未端环氧化合物反应在一般的条件下， 反应比较苛刻瞄】，往往要高的反应温度、很强的极性溶剂，且产物的产率较低， 对于较敏感的底物不适合此类反应。 因为在合成上，可以用酚类和缩水甘油反应，生成3 芳氧基1 ，2 丙二醇， 然后，生成的3 芳氧基1 ，2 丙二醇与不同胺等物质反应生成不同的物质，因此， 芳氧基醚醇可以看成是缩水甘油的衍生物【2 3 1 ，它们当中有很多是有用的药物和 中间体。当r 为氨基甲酸酯、氨基醇及其衍生物，可以起释缓神经作用，例如： 5 芳氧甲基2 唑烷酮【2 4 矧： 第l 章绪论 。一c h m on h 丫 o 5 - 芳氧基一2 - 唑烷酮 这种化合物具有肌肉松弛、镇静和解热镇痛的作用。其中善美他沙酮 ( 5 ( 3 ，5 二甲基苯氧) 甲基2 唑烷酮) 是一种唑烷类的新药，具有很好的中枢性 肌肉松弛及镇静作用，临床用作为炎症、外伤等到引起的局部肌肉疼痛的辅助 用药。 再如p 肾上腺受体阻滞剂2 6 , 2 7 , 2 8 1 ( 1 3 肾上腺受体阻滞剂市场上仍以外消旋 形式出售，。尽管需要分离成手性形式) 也是由芳氧基醚醇合成而来的。d 肾上 腺受体阻滞剂最早是由p o w e l l 和s l a t e r 研究和发展起来的。 心得安 还可以广泛用于心血管疾病【2 9 1 ，可治疗心绞痛、心肌梗死、高血压、心律 失常等等。比如：心得安【3 0 1 ，又称恩特来，能抑制心肌自动节律性，传导功能 和心肌收缩力，降低心肌耗氧量。对抗交感神经的支气管平滑机有扩张作用， 特别是对支气管哮喘有效，用于治疗心律失常，也可用于室性早搏和心绞痛。 合成心得安f 2 们，可以用萘酚和缩水甘油反应，生成醚醇，然后再与二氯亚 砜反应，最后加扩异丙胺反应制得，反应如下所示： 曲。丈。埘 二卜n 心 6 尸y 巳 第1 章绪论 其他如磷酸二酯酶抑制剂【2 0 1 ( p d e ) ，有如下所示结构。该类化合物用于 治疗心脏病。 p 几 o u r 2 r 1 2 f ，r 2 = h 精神分裂症被认识是由于神经元的多巴胺极度活跃引起的症状【3 1 】。在治疗 上，研究发现，可用下面的药物，可以通过多巴胺的调节来实现。不同类型的 取代基的以下药物有不同程度的效果和产生的副作用。 。丫 x = o h h m e m e o 在农业上，芳氧基醇醚，它可作为一种重要的药物中间体药物，用来合成 昆虫生长的调节剂【3 2 】( 如下图所示) 。 9 。q l o r 1 , 2 2 h ，a l l k y l r 3 = h ，c h 3 r 4 = h f ，c i n 21o r 2 1 3 2 芳氧基醚醇的研究进展 7 第1 章绪论 c y r u so g u s $ 3 3 , 3 4 】最早报道芳基乙醚醇类的合成。 岔c 铲+ 岔。h 口( 1 ：。h o c 6 h 5 利用水或二氧杂环乙烷作为溶剂，以氢氧化钠、金属钠和对甲基苯磺酸分 别作为催化剂，反应在1 0 0 水浴或者2 0 0 。c 水浴。实验发现当以对甲基苯磺酸 为催化剂或无催化剂时的收率较低，而用氢氧化钠及金属钠作催化剂时的收率 相对要好一些。他还探索了这类反应的机理，认为甲基官能团的释放电子行为， 他还用过渡态共轭效应来解释生成几种产物的原因。 w e n d e ll n e l s o n 等利用天然廉价的产物甘露醇首先氧化，然后合成了芳 氧基醇醚、芳氧基醇氨等产物【2 3 1 ，并用圆二色光谱对生成的对映异构物做了表 征： hm欧g-x ghl33chch ， i 2 d b h 2 0 a r 一卜- 0 h o h r d 卜( 7 - 影- h 2 0 a r 卜( _ o h c h 2 n h r m a u r i c ec a r o n 等 3 5 1 报道了用l e s i s 酸t i ( o i p r ) 4 作催化剂，合成下面反应： o 蚣o r 3n u 天删+ 以。h ； 、1 。 叫，o h + v y u n t i ( o i - p r ) 4 n i ： h 占 此反应绝大数的亲核试剂进攻在3 位碳上。反应的机理是，缩水甘油作为配 体，与t i ( o i p r ) 4 作用，生成五元环，然后，和亲核试剂进攻开环。该反应具有良 好的区域选择性，但是生成物中以水作为溶剂中有中等的溶解性，使产物不容 8 o c 第1 章绪论 易分离。 三氟磺酸金属配合成具有高效选择性。此类配合成一方面具有强的l e w i s 酸 的性质，另一方面它与其他过渡金属l e w i s 酸具有明显的不同，就是它们当中有 些具有较好的稳定性，也就是在水溶液中不容易水解【3 6 1 ，在大多数有机溶剂中 具有良好的溶解性。三氟磺酸与不同的过渡金属配位络合，可得到 h f ( o t f ) 4 ，z n ( o t f ) 4 ，y b ( o t f ) 3 ，b i ( o t f ) 4 ，c e ( o t f ) 4 等催化剂【3 7 ，3 8 3 9 1 。a 1 1 1 1 1 e dk a m a l 等【3 s l 以三氟磺酸铋作为催化剂，例如： 够+ 嘎焉一i j ( o r f ) 3 r + 嘎寸：l 一 v 此反应条件温和，产率达到9 0 左右。 有关其他金属配位催化剂，有很多相关的报道【4 0 , 4 1 】。常见的配体中心有： g a , c o ，但c o 用得较多。j o s e p hm 等选用c o ( i i i ) 作配位中心，反应得到很好的产 率及对映选择性，但配体催化剂的成本较高： 9 洲+ 1 r ( r ，r ) - 3 3 表面活性剂是一种重要的化学物质，当其达到一定i 临界浓度时，表面活性剂 聚集成胶束，表面活性剂非极性端朝内聚在一起，开成疏水空腔，而极性端朝 外，使基团能稳定地溶于水。n i r a n p o o r 等 4 3 j 利用表面活性剂作为该类反应的媒 介，反应以l e w i s 酸c e ( o t f ) 4 作催化剂，发现表面活性剂的种类对反应的产率有 重要的影响。以活性表面活性剂s d s ( 十二烷基硫酸钠) 、c t a b ( 十六烷基溴化胺) 和t r i t o n ( 聚乙烯乙二醇异辛酚醚) 作实验对照，同时结合试剂的市场价格，发现 9 天 2 第1 章绪论 s d s 反应的时间较短，同时反应产率较好，一般是8 5 9 2 。 弋c e ( o t f ) 4 又 一t 2 + b ，n u d e o ) h i l e ，r t r c h ( n u ) c h 2 0 h 7 r c h ( o h ) c hn usdss o l u t i o nn u d e o p h i l er t 2 将催化剂负载在离子交换树脂上，进行催化反应，可以使反应容易操作， 易于分离回收溶剂和催化剂，反应条件温和，但存在催化剂容易失去活性的问 题。b t a m a m i ，n i r a n p o o r 和r r e z a e i 用此方法，用未端环氧化合物和酚类反应【删， 得到很好的产率，而且反应时间较短，一般是1 2 小时。 - - - c s h , c h 囊( c h 3 ) 。赫 e t o h - - - - - - - - - - - l h e a t o h 碱性物质可用于催化酚和未端环氧化合物的反应。无机碱有许多，比如 n a o h k o h 等，在八十年代用于呱芬那辛【4 5 】的合成；九十年代时，s t e p h e np a l e r m o 等m n a o h 催化合成3 芳氧基1 ，2 丙二醇【4 6 1 ，反应在7 5 8 0 c ，但反应时间较长。 有机碱，比如吡啶、三乙胺、喹啉、n ，n 二甲基苯胺等【4 7 】。j i 锄c h e n l 4 8 】和w i l 衔e d s h u m 用三乙胺作为催化剂，用缩水甘油和酚类作为反应底物，以乙醇作为溶剂， 反应加热回流的条件下进行，用手性高效液相色谱仪来分析反应产物中的旋光 异构体，发现利用反应得到的产物，在热乙醇中重结晶，最好是重复结晶一到 三次，发现提纯物中的手性物质有很高的纯度，一般在8 7 2 至9 9 8 ，但反应的 产率不是很高。 鼽，o h | + 0 h r i e l a nr o 。一洲 一r 十：l e t o h 多 环式糊精是一种很好的催化剂。糊精是呈环状的低聚葡萄糖，通常是由6 个、7 个或8 个葡萄糖单元通达a ，1 - 4 键环状相连接的结晶体，分别称a 、p 、 y 环糊精。环糊精具有一定的孔径，可选择性地和一些有机分子形成包合物， 可以包含非极性分子，而形成的包合物却能溶于极性溶剂，可以作相转移催化 剂。 k s u r e n d r a 掣4 9 】以环式糊精作催化剂，用于未端环氧化合物的开环反应。 反应是把环式糊精溶于水，用苯酚钠作亲核进玫试剂，反应在6 0 。c 进行，反应 具有很强的区域选择性，亲核试剂进攻位阻较小的碳原子；亲核试剂进攻开环 l o 瞽 第1 章绪论 的方向是反式开环。反应收率较好，在7 7 9 6 。 r 趔 1 3 一c d h 2 0 a r 0 n a 6 0 。l j 肿 一“。 近年来，有报道相转移催化剂，用哌啶盐酸盐【5 0 】作相转移催化剂，催化缩 水甘油和酚类的反应，反应的手性选择性很好。 最近b i s w a n a t hd a s 等1 5 0 l 用末端环氧化合物和苯酚钠反应，研究发现，p e g - - 4 0 0 是这类很好的溶剂，此时反应无需催化剂，反应条件温和，室温下可以进 行反应，反应的产率也很好。反应条件温和可能是由于p e g 通过与未端环氧化合 物中的氧形成了氢键而加快了酚氧离子的亲核进玫。但是p e g 聚合物作为有机反 应的溶剂而用在有机合成方面仍十分的有限。此外，文章也没有对对映选择性 进行讨论。 1 4 本论文研究内容和意义 本论文设计的3 芳氧基1 ，2 丙二醇合成路线为：先将甘油制取缩水甘油， 再用缩水甘油和酚反应制成不同的3 芳氧基1 ，2 丙二醇，并对反应的产物进行 相关的表征。主要研究内容如下： ( 1 ) 合成缩水甘油：一般来说，直接用甘油一步生产缩水甘油，比较困 难，相关的文献较少。本文尝试直接用甘油为原料，分为两步来合成缩水甘油。 首先甘油和浓盐酸反应，控制反应温度和反应时间，进行卤代反应，在一定的 条件下，产物主要为一元卤代物，无论取代那一个羟基，对最终生成的产物没 有什么影响。第二步，主要产物在碱性条件下脱去氯化氢，合成出缩水甘油。 本还研究了以丙烯醇作反应原料，用双氧水作氧化源进行环氧化，以不同的固 体附载催化剂催化反应，合成缩水甘油。 ( 2 ) 合成3 芳氧基l ，2 丙二醇：用缩水甘油和苯酚反应，合成在药物上 非常重要的中间体。为了提高反应的产率，考察催化剂、溶剂、反应时间和反 应温度等方面对反应的影响，找出反应的优化条件。实验还将考察用不同种类 的酚( 含有供电子和吸电子) 和缩水甘油反应，探讨空间效应或立体效应对反 应转化率和产率的影响，反应合成路线如下： 第l 章绪论 h o h - - - - - - - - 一h c i o h 。 - - - - - - h c i c h i = c h c h 2 0 h + l - - c l e 吕： + o d o h o d o h 【o 】 c a t r o d o h r = 1h ，2 0 n o z ，3 0 - a o 4 呜，5 p - c h , 6 m - n 0 2 ，7 吣8 1 礤氧基9 硝；氧罄 1 2 巨臣巴一 第2 章实验试剂和仪器 2 1 实验仪器 第2 章实验试剂和仪器 上海亚荣生化仪器厂r e 5 2 a a 旋转蒸发仪 美国热电尼高力公司n i c o l e t 3 8 0 f t i r 傅里叶变换红外光谱仪 g c l 0 1 型气相色谱和在线工作站 t g l 1 6 高速离心机 英国b e d edi 系统多功能x 射线衍射仪 美国安捷伦公司有限公司a g l i e n t l 2 0 0 液相色谱仪 桂林光学仪器厂x - 5 型显微熔点测定仪( 温度未经校正) 上海天平仪器厂f a l0 0 4 型电子分析天平 天津市华北实验仪器有限公司g z k - 3 0 型电热真空干燥箱 江苏金坛市市荣华仪器制造有限公司j j 6 0 w 型精密电动搅拌器 巩义市英峪予华仪器厂s h b b 型循环水多用真空泵 上海泵业有限公司s 型输油泵 上海电压调整器厂2 5 0 v 接触调压器 2 2 实验试剂 烯丙醇化学纯，中国医药集团上海化学试剂公司 双氧水分析纯，天津市大茂化学试剂厂 丙三醇分析纯，天津市大茂化学试剂厂 氢氧化钠分析纯，天津市大茂化学试剂厂 氢氧化钾分析纯，上海桃浦化工厂 乙醚分析纯，天津市大茂化学试剂厂 盐酸分析纯，天津市大茂化学试剂厂 醋酸分析纯，天津市大茂化学试剂厂 十六烷基溴化铵分析纯，成都科龙化工试剂厂 正硅酸乙酯分析纯，天津市福晨化学试剂厂 1 3 第2 章实验试剂和仪器 钨酸钠化学纯，警后天山化工厂分厂 氨水 分析纯，上海炎晨化工实业有限公司 碘化钠分析纯，成都科龙化工试剂厂 四甲基氢氧化铵化学纯，北京朝福化工实验厂 氯化锌分析纯，上海青析化工科技有限公司 氟化钾 分析纯，大茂市大茂化学试剂厂 活性氧化铝8 0 1 0 0 目，国药集团化学试剂有限公司 苯酚分析纯，上海试剂一厂 邻硝基苯酚化学纯，广东六山化工厂 邻甲氧基苯酚化学纯，佘山化工厂 问甲基苯酚 化学纯，上海国药集团化学试剂有限公司 问硝基苯酚指示剂，上海试剂一厂 对硝基苯酚化学纯，苏州市吴江县桃源试剂厂 对甲基苯酚化学纯，上海试剂一厂 甲萘酚 化学纯，南京市恒鑫化工有限公司 乙萘酚 分析纯上海卓锐化工有限公司 环已烷分析纯，上海炎晨实业有限公司 1 4 第3 章缩水甘油的合成 第3 章缩水甘油的合成 生物柴油的副产品甘油，它是合成缩水甘油的原料之一。产品能否顺 利、高效地合成将是本章研究的焦点，为此我们首先利用甘油尝试合成缩水甘 油，然后试用其它的方法合成缩水甘油。 缩水甘油，通常有下面几种方法制备。 方法一：用3 氯1 ，2 丙二醇，在碱性的条件下，脱去一分子的氯化氢，生 成缩水甘油。 方法- - ：用甘油二步合成方法，首先以醋酸作为催化剂，用盐酸对甘油进 行一元卤代，生成的产物减压蒸馏，提纯产物，经过再次的减压蒸馏，再次提 纯产物；然后在碱性的条件下，脱去一分子氯化氢得到缩水甘油。 方法三：丙烯醇，在催化剂的条件下进行环氧化反应。常用的氧化剂有过 氧酸、双氧水、次氧酸钠等氧化剂等。 3 1 从甘油制取 3 1 1 实验原理 由甘油制备缩水甘油，一步法反应很难制取，目前还没有见到相关的文献 报道，一般是经过两步法来制备缩水甘油。首先用甘油和浓盐酸反应，在一定 的条件下，得到主要有邻位和间位单取代一元氯代甘油，产物是通过s n 2 亲核 取代反应生成的。实验中必须控制反应底物的量和反应温度等，以防止二取代 卤代、三取代卤代反应发生。第二步，生成的一元氯代甘油，在碱性的条件下， 氯取代基形成中性离去基，形成缩水甘油。 缩水甘油合成的化学反应方程式如下： 1 5 第3 章缩水甘油的合成 3 1 2 实验步骤 e 。o 三一臣+ 巳 户 飞，o h o o h 甘油一氯代反应：9 6 甘油1 0 0g , 3 0 的盐酸3 3 0m l ，醋酸l o m l ，加热反 应1 2 h ，蒸去过量的氯化氢、水和醋酸后，真空蒸馏，收集沸点在1 3 0 1 4 0 ，得 到黄色粘稠的液体，产率为7 8 。 取所制得的一元氯代甘油5 0 m l 加入2 5 0 m l 的圆底烧瓶中，加乙醇l o o m l ， 将圆底烧瓶放入冰水冷却，然后慢慢滴加氢氧化钠0 5 m o l ，慢慢滴加( 1 h ) ， 滴加结束后，再反应6 8 h ，然后用稀盐酸中和过量的氢氧化钠，过滤，母液用 油泵真空减压蒸馏，收集7 0 8 0 馏份。分别用乙醇钠、金属钠和碳酸钠和氢氧 化钠作催化剂，操作与上述类似，用金属钠作催化剂时用无水乙醚作溶剂。 3 1 3 结果与讨论 本实验考察了不同碱催化剂对用一元氯代甘油合成缩水甘油的影响，实验 结果如表l 所示。 表3 1 不同种类的碱性催化剂对反应的影响 从表3 1 结果可以看出，不同的碱性催化剂对反应产率高低有一定的影响， 在相同的条件下，以金属钠作催化剂时的产率最高。 由甘油经两步法合成缩水甘油，其产率不是很高，可能是反应的条件不好 控制，如第一步反应中可能产生2 ，3 二氯丙1 - 醇、l ，2 ，3 三氯丙烷和烯丙醇 1 6 h h o c 0 e 第3 章缩水甘油的合成 等副产品。而在第二步反应中，卤代甘油容易水解，生成醇类副产物。导致总 产率不是很高。 3 2 从烯丙醇制取 由于从甘油合成缩水甘油时的产率不是很高，我们试图改变反应的合成路 线，用烯类化合物一丙烯醇进行环氧化反应制备。 关于烯烃制取环氧化合物，一般是通过烯烃与氧化剂反应来进行的，化学 反应方程式如下所示： 0 1 - - - - - - - c a t 目前使用的氧化剂有很多，但大多是以过氧化合物作为氧化剂，如最常用 的是间氯过氧苯甲酸( m c p b a ) ，这是一个非常稳定的白色固体，已商品化。 可以和绝大数的烯烃进行环氧化反应。 c l m c p b a ooh 除了间氯过氧苯甲酸外，三氟过氧乙酸的氧化性更强，可以氧化q ，1 3 一 不饱和的酸或酯。其它的还有过氧乙酸、过氧叔丁酸等。 用过氧酸如m c p b a 作氧化剂，并非都能得到理想的结果。对酸敏感的基 团，包括预期的目标产物本身对酸敏感，将不能适应于环氧化反应。而对某些 物质的反应活性( 如缺电子的烯烃) 而言，过氧酸的活性不够，此外，纯的m c p b a 易发生爆炸。 氧气、过氧化氢、次氯酸钠等试剂，都可能作为过氧酸的替代品，尽管这 些氧化剂的反应活性在没有催化剂的情况下，活性较低，反应速率较慢。与过氧 酸相比，它们的价格更便宜，并且副产物是惰性的，容易处理，因而有一定的竞争 力。在催化剂如金属盐或配合物作用下，它们的环氧化的活性会得以提高。目 前催化剂主要集中在过渡金属上，如催化剂钒( v ) 、钼( ) 、钛( i v ) ，用配合物 1 7 第3 章缩水甘油的合成 ( 如二酰丙酮、一氧化碳等) 的作为金属的配体。 过氧化氢是一种环保、廉价的氧化剂，可以用于多种氧化反应。分子筛具 有很大的比表面积，负载过渡金属制成负载型催化剂，产物易于分离。本实验 制备了m c m 4 1 分子筛负载w 催化剂，用于丙烯醇环氧化反应。 3 2 1 实验原理 烯烃环氧化受到内部因素和外部因素的共同影响。内部因素即烯烃自身的 结构，主要是双键的电子密度的大小，而双键的电子密度会与邻近基本的性质 有关系，一般而言，供电子基或原子会使电子密度增大，活性增强，而吸电子基或 原子，烯烃的活性大大降低。外部因素主要是反应的介质，即反应的溶剂的极性， 反应的温度，反应的催化剂等等。 烯烃的主要特征是含有双键，而双键则是由一个。键一个兀键组成，其中丌键 易断裂，易受亲电试剂的进攻，可以发生氧化反应，氧化在强的反应条件下，双键 会破坏，生成羧酸、醛或酮，而在相对温和的条件下，会发生环氧化反应。 关于烯烃的环氧化反应机理上，人们现在还没有对其有比较肯定的认识， 但现在接受较多的观点，那就是认为，烯烃的环氧化反应是由过氧酸对烯烃双 键的亲电进攻而发生反应的。反应机理如下： h 、 ，0 h 淹 = 彳 h 2 0 根据这一反应机理，如果过氧化酸上有吸电子基团或者烯烃上的双键上有 给电子的基团都可以加速氧化反应。单取代的末端烯烃与绝大数的过氧化物反 应都比较慢，而且反应速度随烷基取代数目的增加而加快。 3 2 2 实验步骤 a 催化剂w m c m 4 1 的制备【5 1 1 将一定量的十六烷基溴化铵溶于去离子水中，搅拌加一定量的氨水，调节 1 8 第3 章缩水甘油的合成 p h 值为1 l ，控制水浴温度为3 0 3 k 。向上述溶液滴加一定量的t e o s ，在剧烈 搅拌下反应3 h 。将混合溶液转移到内衬聚四氟乙烯的水热釜中，密封，在烘箱 中于3 9 3 k 晶化2 d 。晶化后，将固体产物与母液分离，用去离子水洗涤至中性， 在3 7 3 k 干燥得到m c m 4 1 原粉。在5 4 3 k 焙烧l h ，除去分子筛表面上的水分， 然后放在7 7 3 k 下继续焙烧5 h ，即可得到介孔分子筛样品。所用的溶胶配比为： n ( t e o s ) ：n ( c n h e n + l ( c h 3 ) a n h 4 b r ) ：n ( n h 3 h 2 0 ) ：n ( h 2 0 ) = i ：o 15 ：9 2 ：8 2 。将制得 的分子筛取0 5 9 ，在搅拌下加入0 18 m o l l 以n a 2 w 0 4 溶液6 m l ，搅拌均匀，然后 放在超声波震荡1 h ，静置2 4 h 。1 0 0 干燥后，在6 0 0 下焙烧4 h ，即得到一定 量的含钨介孔分子筛，放在干燥器中备用。 b 合成缩水甘油 在装有温度计、冷凝管的三口烧瓶中加入l m l 烯丙醇，加入5 m l 的去离 子水作溶剂，加热搅拌，加入催化剂，滴加3 0 的双氧水，反应一段时间j 反 应结束后，倾入离心试管，用离心机分离去除催化剂，剩余的清液用气相色谱 分析。分析条件是：2 r e x 3 m m 不锈钢柱子，以p e g 1 0 0 0 0 为固定液，进样量为1 ul ，气化室温度为1 7 0 ，柱温为