（有机化学专业论文）硝基苯类化合物在βcdnaoh体系中反应性研究.pdf

摘要 本学位论文以芳香族硝基化合物为反应底物，研究了它们在p 环糊精存在的条件下，在氢氧化钠水溶液中的反应性，并对其反应机 理进行了初步的探讨和研究。p 环糊精是由7 个葡萄糖单元以n 一( 1 ，4 ) 一 糖苷键相连而成的低聚糖，是略呈锥形的圆环状分子。其特点主要表 现为外围具有亲水性，而空腔内为疏水性。它的疏水空腔可以与其大 小、形状相适应的许多客体分子形成包结物，使反应在特殊的环境中 进行，具有较强的选择性，使6 一环糊精在有机合成方面得到了广泛 的应用。 环糊精在有机合成中的应用一直倍受化学家的关注，它在有机合 成中的化学行为主要有以下两个方面：其一，环糊精与反应试剂通过 共价键形成反应中i d - j 体，使其具有特定的化学反应性能和物理性能； 其二，环糊精的疏水空腔能够为反应提供一个特殊的反应场所。 本学位论文对一些常见硝基化合物在p 一环糊精碱性水溶液体系 中的反应进行了较为系统的研究，并对其反应机理进行了初步的探 讨。主要有以下两类： 第一，在b 一环糊精一碱性水溶液中生成氧化偶氮苯类化合物。 1 问硝基甲苯在上面条件下生成相应的氧化偶氮苯化合物； 2 间氯、对氯、间溴及间碘硝基苯分别在上而条件下生成相应 的氧化偶氮苯化合物； 第二，在b 一环糊精一碱性水溶液和四丁基溴化铵存在下发生歧化 反应生成对氨基苯甲醛类化合物。 1 对硝基甲苯在上面条件下生成相应的对氨基苯甲醛化合物； 2 4 - 硝基邻二甲苯及4 一硝基问二甲苯分别在上面条件下生成相 应的对氨基苯甲醛类化合物； 3 2 氯- 4 硝基甲苯及2 一溴一4 一硝基甲苯分别在上面条件下生成相 应的对氨基苯甲醛类化合物； 4 2 , 4 二硝基甲苯在上面条件下两个硝基均被还原为氨基，生成 2 , 4 一二氨基苯甲醛； 这两种反应的机理很难用目前的物理有机和超分子化学知识进 行解释。因此对其进行深入的研究，不仅能够填补物理有机和超分子 化学的空白，而且对丰富和发展有机化学和超分子化学有重要意义。 本论文的研究结果既丰富了环糊精化学的内容，又提供了较为简 便的合成方法，不仅具有一定的理论研究价值，而且具有一定的应用 前景。 关键词：芳香硝基化合物；p 一环糊精心a 0 吲四丁基溴化铵；歧化反应 a b s t r a c t i nt h et h e s i s ，w ei n v e s t i g a t e dc h e m i c a lr e a c t i v i t yo fa r o m a t i cn i t r o c o m p o u n d s i nt h e p r e s e n c eo f 3 - c y c l o d e x t r i n ( p c d ) i n s o d i u m h y d r o x i d es o l u t i o na n d t h et e n t a t i v er e a c t i o nm e c h a n i s m 1 3 - c di sc y c l i c o l i g o s a c c h a “d e sc o n s i s t i n g o f7 g l u c o s e u n i t sc o n n e c t e d b y c c 一1 ，4 一g l y c o s i d eb o n d s a n dc dm o l e c u l eh a st h es h a p eo fat r u n c a t e d c o n e ，t h ee x t e r i o ro fc y c l o d e x t r i ni sh y d r o p h i l i c ，h o w e v e gt h ei n t e r i o ro f c y c l o d e x t r i ni sh y d r o p h o b i c 3 - c dw i t hh y d r o p h o b i cc a v i t yc o u l df o r m i n c l u s i o nc o m p l e x e sw i t hav a r i e t yo fg u e s tm o l e c u l e s t h ec o m p l e x a t i o n d e p e n d so nt h es i z e ，s h a p ea n dh y d r o p h o b i c i t yo ft h eg u e s tm o l e c u l e 1 3 - c di sw i d e l yu s e di no r g a n i cs y n t h e s i sb e c a u s eh y d r o p h o b i cc a v i t yc a n e x e r tm i c r o e n v i r o n m e n t a le f f e c t sl e a d i n gt os e l e c t i v er e a c t i o n s i nc h e m i c a lb e h a v i o r s o fo r g a n i cc h e m i s t r y , c dh a sm a i n l yt w o c h a r a c t e r s ：f i r s t ，c dh a ss p e c i a l l yp e r f o r m a n c eo fc h e m i s t r ya n dp h y s i c s b yb o n d i n go fc da n dc h e m i c a la g e n t s e c o n d ，h y d r o p h o b i cc a v i t yo f c dc o u l dp r o v i d eap e c u l i a rr e a c t i o nl o c a t i o nf o rr e a c t i o n i nt h et h e s i s ， w e i n v e s t i g a t e d c h e m i c a l r e a c t i v i t y o fs o m ef a m i l i a ra r o m a t i cn i t r o c o m p o u n d sw i t hp c d n a o hs y s t e ma n dp u t f o r w a r dt h et e n t a t i v e r e a c t i o nm e c h a n i s m t w oa c q u i r e dr e s e a r c hr e s u l t sa sf o l l o w s ： ( 1 ) m o s to fa r o m a t i cn i t r oc o m p o u n d sw e r es e l e c t i v e l yo x i d a t e dt o t h ec o r r e s p o n d i n ga z o x yc o m p o u n d sw i t h 3 - c d n a o hs y s t e m ，w h i c h c a no f f e ran e ws y n t h e t i cm e t h o d o l o g yo f a r o m a t i ca z o x yc o m p o u n d s ( 2 ) m o s to fa r o m a t i cn i t r oc o m p o u n d sw e r ed i s p r o p o r t i o n a t e dt o p a m i n o p h e n y l a l d e h y d ec o m p o u n d s w i t h p c d n a o h t e t r a b u t y l a m m o n i u mb r o m i d es y s t e m t h e s er e a c t i o nm e c h a n i s m sw e r ee x p l a i n e dd i f f i c u l t l yb ya c t u a l k n o w l e d g eo fp h y s i c a lo r g a n i cc h e m i s t r ya n ds u p r a m o l e c u l a rc h e m i s t r y s ot h ep r o f o u n dr e s e a r c ho ft h e s en o to n l ys u p p l i e dt h es p a c eo fp h y s i c a l o r g a n i cc h e m i s t r ya n ds u p r a m o l e c u l a rc h e m i s t r yb u ta l s oh a di m p o r t a n t s i g n i f i c a n c eo ne n r i c h i n ga n dd e v e l o p i n gp h y s i c a lo r g a n i cc h e m i s t r ya n d s u p r a m o l e c u l a rc h e m i s t r y t h er e s e a r c hr e s u l t so ft h et h e s i sn o to n l ye n r i c h e dt h ec o n t e n t so f c y c l o d e x t r i nc h e m i s t r yb u ta l s oo f f e r e dh a n d ys y n t h e t i cm e t h o d s ，w h i c h m a yh a v ep o t e n t i a l i t yi nt h e o r ya n da p p l i c a t i o n k e y w o r d s ： a r o m a t i cn i t r o c o m p o u n d s ；p - c d n a o h t e t r a b u t y l - a m m o n i u mb r o m i d e ；d i s p r o p o r t i o n a t i o n 第一章概述 1 1 环糊精化学概述 第一章概述 环糊精( c y c l o d e x r i n ，简称c d ) 早期叫沙丁格糊精，是由环糊精葡萄糖转移酶 ( c g t ) 作用于淀粉所产生的一组环状低聚糖。1 9 0 3 年至1 9 1 1 年期间，薛定锷 ( s c h a r d i n g e r ) 完成了确定c d 结构的研究，从而为c d 化学的开创奠定了基础【1 州。 1 1 1 环糊精的发现与发展 自18 9 1 年v i l l i e r s 发现环糊精至今己逾百年，目前它已经发展成为超分子化学 最重要的主体，其间包含着众多科学家和科技工作者的智慧和劳动。v i l l i e r s 最早从 芽孢杆菌属( b a c i l l u s ) 淀粉杆菌( b a c i l l u sa m y l o b a c e t e r ) 的l 奴淀粉消化液中分离 出3 9 可以从水中重结晶的物质，确定其组成为( c 6 h m 0 5 ) 23 h 2 0 。由于没有还原性和 能被酸分解，叫它“木粉”( c e l l u l o s i n e ) ，当时还不能确定它的结构和许多特殊性质。 1 2 年后，s c h a r d i n g e r 在1 9 0 3 年用分离的菌株消化淀粉得到两种晶体化合物，确认它 们与v i l l i e r s 分离出的“木粉”是同一种物质。为了区别，把与碘碘化钾反应生成蓝 一狄色晶体的叫做a 一环糊精( c 【c y c l o d e x r i n ) ，生成红棕色晶体的叫做1 3 环糊精 ( 3 - c y c l o d e x r i n ) 。s c h a r d i n g e r 成功地分离出纯芽孢杆菌，取名软化芽孢杆菌( b a c i l l u s m a c e r a n s ) ，至今仍然是生产和研究中经常使用的菌种。为了纪念他对建立环糊精化 学基础的贡献，环糊精也曾叫“s c h a r d i n g e r ”( 沙丁格) 糊精。继s c h a r d i n g e r 之后在 j a ：糊精化学研究中起领导作用的是p r i n g s h e i m ，他发现这种结晶性糊精和它的乙酰化 产物能结合各种有机化合物生成复合体( c o m p l e x s ) ，由于使用不适宜的方法确定分 子量，以及许多推测缺乏事实依据，这一时期的研究工作进展很慢【4 j 。 环糊精化学的第二个发展阶段大概是从2 0 世纪3 0 年代中期到6 0 年代末。 f r e u d e n b e r g 最先得到纯的环糊精，并和他的合作者根据乙酰溴和多甲基化反应产物 的水解结果汇同文献报道的数据，提出s c h a r d i n g e r 糊精是葡萄糖单元以麦芽糖方式 结合的环状分子，分子内只含一1 ，4 配糖键。随后于1 9 3 6 年提出了这些结晶性糊精 的结构。在1 9 4 8 1 9 5 0 年问f r e u d e n b e r g 和c r a m e r 又发现了v 一环糊精并确认了结构 5 - 6 1 。1 9 5 3 年f r e u d e n b e r g 和c r m n e r 共同获得一项德国专利，文中概括了目前在药剂 中应用的重要方耐7 1 。在这一时期平行加盟此项研究的还有f r e n c h l 8 埽口c r a m e r 9 1 两个 研究组，他们分离表征了环糊精的物理化学性质，指出还可能存在环更大的分子以 及与其他有机分子生成的复合体。这一时期的研究结果使人们认识到环糊精极有可 硝基苯类化台物在b c d n a o h 体系中反应性研究 能应用于工业。虽已建立实验室规模制备工艺，但由于对毒刑的判断尚存在争议， 妨碍了在应用领域中的开拓研究。 从2 0 世纪7 0 年代初到现在，环糊精化学的研究进入了鼎盛时期。在有法定资 格的单位出示毒理学研究结果之后，消除了人们的疑虑，从此发表的有关环糊精的 研究论文数目逐年上升。 1 1 2 环糊精的结构与性质 环糊精是以d 一吡哺葡萄糖为单元，由( 1 ，4 ) 一糖苷键相连的( 图1 ，1 ) 环状分子， 通常含有6 1 2 个葡萄糖单元，常见的有、b 、y - 环糊精三种，分别由6 个、7 个、8 个葡萄糖单元组成。其中6 一c d 因其价格相对较低而最为普遍易得。环糊精分子中 o h o 6 h 。i 。n 图1 ic d 的基本结构 ( n = 6 ，7 ，8 ) d 一吡喃葡萄糖单元都处于椅式构象，由于在椅式构象中各 糖单元不能围绕糖苷键自由旋转，因此环糊耩的分子形状 都是略呈锥形的圆环。其c 2 和c 3 原子上的仲羟基均位于 这锥形环较大的开口端，而c 6 上的伯羟基则处于较小的 开口端。c 2 上羟基与邻接糖环c 3 上的羟基形成氢键网络 【l ，进一步稳定着分子构象。整个环糊精分子形成一个空 腔，空腔内侧由两圈氢原子及一圈糖苷键的氧原子处于 c h 毽的屏蔽之下，所以环糊精内腔是疏水的，而环糊精分子的外侧边框则由于羟 基的聚集而呈亲水性。即环糊精为两亲分子。d - c d 的分子结构如图1 2 所示。 s i t e s 图1 2b c d 的分子结构 环糊精可以贮存多年而不会变质，它在碱乃至强碱性溶液中都是稳定的，但酸 可使环糊精部分水解生成葡萄糖和系列非环麦芽糖。环糊精由于没有还原末端，对 酸的稳定性比线状糊精高2 5 倍，可见环糊精的水解是一个比较慢的过程。不同温 度和酸度下的b c d 酸水解速度常数”。1 ，结果列于表1 1 中。结果表明在一定温度 下降低酸浓度或酸浓度固定而降低反应温度都可以减缓b - c d 酸水解速度。 第一章概述 表1 1 p - c d 酸水解速度常数 温度( )h c l 浓度t o o l l 1 k y c l 。批i n x l 0 3 m i n 一1 1 1 54 8 0 l o o 0 1 1 52 1 o 0 1 1 5o 1 3 1 1 53 7 8 0 0 1 50 1 9 6 0 l ，15 o2 7 2 3 0 0 0 6 4 0 1 1 50 0 l 2 65 o o0 2 0 c d s 没有一定的熔点，当温度升至2 0 0 。c 时开始分解，其热稳定性顺序为：b c d 2 不 3溶3溶溶溶7溶2；，： c；碱卜不不不，不， ， ： ： 吣稀刈稀稀稀，稀舛：，。 硝基苯类化台物在1 3 - c d n a o i - i 体系中反膨性研究 表1 - 4 旺，b ，一- c d 的结构特征和重要的物理参数陋1 9 性质a c d b - c d? - c d 葡萄糖单元 678 分子量9 7 21 1 3 51 2 9 7 比旋光度1 5 0 5 - - + 0 51 6 2 5 0 ，51 7 7 4 - - + 0 5 溶解度 1 4 51 8 5 2 32 0 ( 室温，1 0 0 m 1 ) 空腔直径( a ) 47 5 ，2 6 0 647 5 培3 外部直径( a ) 1 4 6 o 41 54 4 - 0 a 1 7 5 0 4 空腔深度( a )6 7 7 0 7 0 结晶形状针状棱柱棱柱 含结晶水数 6 7 51 l 1 2 1 3 3 熔点2 9 5 3 0 0 ( 分解)2 9 0 3 0 0 ( 分解) 3 0 0 稳定；( 2 ) 稳定对热、光、空气不稳定的物质：( 3 ) 改变物质的物理和化学性质：( 4 ) 改变被包络物的反应性能。因此，环糊精可广泛应用于医药、农药、食品以及轻工 业和目用化学工业等许多行业，而且在构筑人工酶、人工膜、生物分离、有机合成 和分析化学等领域有着广阔的前景眇2 0 1 。 1 1 5 环糊精在有机合成中的应用 环糊精具有“内疏水，外亲水”的分予结构，其疏水空腔可以包结许多客体分 子，使反应在特殊的环境中进行，具有较强的选择性，使其在有机合成方面得到了 广泛的应用2 “。环糊精在有机化学反应中的作用主要表现为两种类型：第一，环糊 精与反应物通过共价键形成反应中间体，反应依据m i c h a e l i s m e n t e n 反应类型进行， m i c h a e l i s m e n t e n 反应式可表示为： e+si k le s 且e 州：旦e + p - + p z e 为c d 或g c d ，s 为底物，p 1 、p 2 为产物。 第二，环糊精的疏水空腔为反应物提供了特殊的微环境，从而提高反应产率和 反应选择性，而环糊精本身与反应物不形成共价键。因而，环糊精可用于各种有机 反应中，包括氧化、还原、羧化、氢化、脱氧、水解、加成反应等，可以改变通常 6 第一章概述 有机反应的规律，使反应效率提高，立体选择性增强，产物专一，为有机合成和仿 生科学的发展开辟了新的领域。 1 1 5 1 氧化反应 目前，环糊精参与的氧化反应主要集中在硫醚的不对称氧化。在含有过量环糊 精的水溶液中，不同取代的硫醚化合物被过氧化氢氧化成对应的亚砜，反应在水介 质中进行，且可获得旋光率。亚砜传统的合成在吡啶水溶液中进行，通常旋光率小 于1 ，很难观察到。下面为有关环糊精对不同化合物的氧化反应具体实例： ( 1 ) 烯烃氧化成酮的反应 烯烃氧化成酮类物质主要是靠w a c k e r 催化剂( p d c l 2 c u c l 2 ) 来实现的【2 ”。p 一环 糊精对端烯烃和内烯烃的氧化均表现出了较高的催化活性。 p d c l 2 c u c l 2 ，c d o i | r + 1 彪0 2 而一少c h 3 ( 2 ) 烯烃的环氧化 在二氯甲烷的水溶液中，加入b 环糊精，苯乙烯在 c r ( s a l e n ) ( h 2 0 ) c i p h o i 的催 化作用下，能被有效地氧化为环氧化物，反应5 h ，环氧化物的收率可达2 2 。4 - 甲 基吡啶和b 环糊精的协同作用，可进一步提高环氧化物的收掣2 3 。 g 叫 c h 2 c r ( s a l e n ) ( h 2 0 ) c l ，p h 0 1 p - c d ，c h 2 c 1 2 h 2 0 2 2 ( 3 ) 芳醇的氧化 由于芳醇不溶于水，冈此在n a c i o 的水溶液中芳醇氧化比较困难，若加入p 环 糊精，可以很容易地实现芳醇的氧化2 4 1 。其反应活性和底物的形状有很大的关系，一 环糊精对阳j ( 对) 甲基苄醇的氧化有活性，而对邻甲基苄醇的氧化却没有活性。 o h 15 2 还原反应 r + n a c l o ! ! ：! ! 竺 5 h 4 7 一8 9 o r 硝基苯类化合物在1 3 - c d n a o h 体系中反应性研究 环糊精诱导下的还原反应开始于三氟甲基苯基酮的还原。在碱性介质和硼氢化 钠催化下，三氟甲基苯基酮被还原为相应的酮。这一反应的发现为不对称催化反应 提供了一种有效的方法。在环糊精存在下，不对称催化反应可以在水相中进行，并 且反应对映选择性大大提高。最新报道，在环糊精水溶液中，硼氢化钠将取代芳香 酮区域选择性还原。实质上，区域选择主要取决于底物和还原剂与环糊精大e l 端羟 基的相互作用。下面为环糊精存在下的几类还原反应： ( 1 ) 酮的还原 以水为反应介质，在d 一环糊精存在时，用n a 2 s 2 0 4 可使酮发生不对称还原，得 到醇的光学产率( e e 值) 最高可达1 4 4 ，较一般有机溶剂为好【2 “。 八。吣詈a ，足h ， 在二甲基甲酰胺( d m f ) 水溶液中加入b 一环糊精，n a 2 5 2 0 4 可选择性地还原薄 荷酮，产物的收率可达7 6 ，产物薄荷醇与新薄荷醇之比为1 ：3 6 【2 6 j 。 h h 3 之秣h z ah c h 啦3 5 95 n a 2 s 2 0 4 ，1 3 - c d d m f h ，o + h h 3 65 ( 2 ) 溴代甲氧基苯的还原 在n a o h 水溶液中，b 一环糊精存在时，p d c 催化甲酸钠还原溴代甲氧基苯生成 甲氧基苯的活性有所提高”1 。反应4 h ，溴代甲氧基苯的转化率为9 6 ，甲氧基苯的 收率为6 8 。若不加入1 3 - 环糊精，其转化率仅为2 2 ，甲氧基苯的收率为1 3 。 第一章概述 。嚣+ + h c o o n 8 1 五i 赢i i i i 、：】+ o c h 3 屿c c h ， 1 1 5 3 羧化反应 在n a o h 水溶液中，b 一环糊精存在时，铜粉为催化剂，苯甲酸的羧化反应活性 显著提高，在没有3 - 环糊精存在时，该羧化反应不能发生【2 引。在相同情况下，萘 2 9 1 、 苯甲酸也能被高效率地转化为羧酸。 毋吲。等 艿一 11 5 4 氢化反应 当3 - 环糊精存在时，共轭二烯在c o c l 2 + 6 h 2 0 催化剂的作用下能发生氢化反应3 单烯烃的收率可达5 9 ，a b 产物比为9 ：1 。 c o c l 26 h 2 0 ，1 + - c d c 6 h 6 ，2 m o l lk o h h 3 c 、，c h 3 h 3 cc h ) ab 芳香酮在d 环糊精存在下也能发生催化氢化反应，p - 环糊精能显著提高反应的 选择性f 3 2 。 o h ， p t c ，1 3 - c d o h 扩+ 5941 卧由 群心 硝基苯类化台物在f l - c d n a o h 体系中反应性研究 b 环糊精对水溶性铱膦配合物催化苯乙烯氢化反应有明显的促进作用( 3 3 】。 g 删心偈 i r c l ( c o ) 一( t p p t s ) 2 b - c d ，h 2 0 。c h 2 c h 3 1 1 5 5 羧酸酯的水解反应 由于邻苯二甲酸酯不溶于水，在通常情况下，其水解反应较为困难，加入催化 量的b 环糊精，可促进邻苯二甲酸酯的水解，反应0 5 h ，邻苯二甲酸的收率为7 0 o ， 无b 一环糊精时，邻苯二甲酸的收率仅为3 2 1 3 4 _ 3 5 1 。 + h 2 0 1 面 ll5 6 烯丙型醇的脱氧反应 在k o h 水溶液巾，以b 环糊精为催化剂，烯丙型醇在h c o ( c n ) 5 3 - 阴离子( 由 c o c l 2 ，k c n ( c n 。：c o = 5 2 ：1 o ) ，k c l 生成) 作用下的脱氧反应，其产物的收率有所提 高，c n 与c o 之比对产物的收率影响较大。当c n 。与c o 比为6 1 ：1 0 或7 0 ：1 ，0 时， 反应不发生f 3 6 】。 8 。h 蒜器箸罟r 叭r r l 4 5 9 1 1 1 57 烯烃的弪汞化脱汞反应 b 一环糊精i 以促进烯烃的不对称羟汞化脱汞反应，合成光学活性的伸醇吲。 a 令r 半a 凡r 竺学时是r h g o a c 3 4 5 e e 1 1 5 8 异构化反应 嘎 拶艿 第一章概述 在水体系中，反应温度为9 5 时，l r c l 3 催化4 一烯丙基苯甲醚异构化反应的初始 速率为0 0 4 5 m m o l - d m - 3 m i n l ，反应4 h ，其转化率为4 0 。若加入3 - 环糊精，反应的 初始速率为0 3 6 5 m m o l d n l - 3 m i n - 1 ，反应2 5 h ，其转化率可达9 0 ，顺反产物之比为 7 ：1 【3 8 。 眦。肜删f 肛删鼍筹 11 5 9 开环反应 在固态条件下，外消旋的环氧化物与b 一环糊精形成包结物，与胺作用转化为p - 氨基醇，收率为7 0 7 9 【3 9 】。 h 2 n c h ( c h 3 ) 2 。膨。犬哥 。犬。 在b 环糊精的水溶液中，室温下，环氧化物在h x 或l i x 的作用下开环，生成 卤代醇，产率可达7 5 9 8 4 0 】。 o j r r x ，r t r 1 一a l k y l ，a r y l o x y ，p h e n y r = h ，l i ；x = c i ，b ra n d i o h r 。x 早麓膨 莹1 吣 早婶hg 莹】 硝基苯类化台物在p c d n a o h 体系中反麻性研究 1 1 5 1 0 加成反应 在水体系中，于室温下，p - 环糊精一硫醇包结物与共轭烯烃发生m i c h a e l 加成反 应，产率可达9 0 9 8 ，当口- 环糊精不存在时，这些反应不能发生f 4 l j 。 3 - c d r - s h + 沁x 瓦磊 r 3 a r y l ，c y c l o h e x y l x 2 c h o ，c o m e ，c n , c 0 2 m e ，c o n h 2 综上所述，由于环糊精具有疏水性空腔，对反应底物有一定的识别能力，使反 应物分子处于一个低介电常数的微环境中，使有机反应的速率明显增加，并且有特 异选择性，所以，在环糊精存在下的有机合成方法是很有发展前景的仿生合成。可 以预料，随着人们研究的不断深入，必将有更多的在经典有机合成中难以进行的反 应在环脚精存在下而实现。 1 , 1 6 环糊精在食品及化妆品中的应用 从1 8 9 1 年v i l l i e r s 发现环糊精已逾百年，历史仍处于不断创新发展的过程之中。 期间在应用推广中所几个制约点是：确定结构、性质：研究毒性、使用限度和范围， 获得相关政府部门审批；能提供符合要求规格的产品：价格大幅度下降，以及应用 研究的积累。 长期的应用研究结果证明，在食品、化妆品方面应用环糊精显示出以下有利点： ( 1 ) 保持活性成分，使免于遭受以下作用而损失： 一氧化作用； 一光诱导反应； 一热分解、自分解反应； 一挥发、升华。 ( 2 ) 消除或减少以下成分和性质： 一不希望有的嗅味或口味； 一微生物污染； 一不希望有的成分； 一吸湿性。 第一章概述 ( 3 ) 技术和品质上的改进： 组成稳定及可标准化； 一简化剂量标定： 一便于堆积和贮存； 一节约人力及更经济的技术过程。 116 1 在食品方面的应用 通常植物中的天然芳香物质，作为食品添加剂直接应用时存在以下闯题： 一组成和芳香成分常因栽培条件而变化： 一挥发性或不稳定成分在处理、制备和贮存过程常易损失； 一易被微生物污染； 一处理和制备过程常会遇到麻烦，如洋葱的刺激性。 将芳香物质制成c d s 的包结物使用，可以克服上述问题： ( 1 ) 简化家庭烹调荠可以在很大范围内选择香型和品昧，而且各种片状或粉状 芳香成分或香辛料可以长期贮存而不至损失活性成分。在植物或某些蔬菜的茎、叶、 根中的芳香油主要成分是单萜类( m o n o t e r p e n e ) 用作营养或调味成分，在接触空气 中氧或受光、热作用容易分解变质而损失。如香兰桑( v a n i l l i n ) 与葡萄糖混合物( 含 量6 2 ) 在敞开的盘中放置2 4 0 天已损失殆尽，而同样含量的3 - c d 包结物在同样 条件下其残留量可保持在7 5 以上。 ( 2 ) 在餐饮业，可以减少处理芳香原料时的人工操作，节省贮存空间，避免损 失，并可任意调配各种品味。 ( 3 ) 从营养和医护角度考虑，如果直接使用含芳香成分的调料易引起对胃肠的 刺激，使用其包结物则可避免，并因人而宜。 ( 4 ) 在惕箔包装的食品和肉制品工业中采用，如脱水汤料或香肠。易使芳香成 分操作标准化，没有微生物污染的危险，并便于采用各种彤式包装以抵抗环境恶化 的影响。 ( 5 ) 在畜牧业，用于各种特殊或高档饲料配制，解决高分散饲料中活性成分的 稳定咀及各种饲料成分的调配问题。 1 16 2 在化妆品方面的应用 c d s 在化妆品原料中用作稳定剂、乳化剂、去味剂等，应用日渐增加。早期技 术以旺一，b c d 为主，近来逐渐为溶解性更好的一c d s 或分支c d s 所代替。 硝基苯类化合物在b - c d n a o h 体系中反应性研究 化妆品中除尘粉( d u s t i n gp o w d e r ) 是一种外用细粉，除含适宜的稀释剂外，含 l 也种药物和香精以及有色成分。稀释剂如滑石粉不仅起扩大体积和载体的作用，还 必须符合一系列要求：吸湿和脂质体、粘附于表面、不被微生物污染、可多次灭菌 并具有确定的无菌性。稀释剂( 也叫粉基) 可以用无机也可以用有机( 各种淀粉) 材料。淀粉有很大吸附性，但也是在人皮肤上生长微生物的极好营养物，直到1 9 9 0 年都还没有找到可以代替淀粉的有机粉基。此后发现c d s 代替淀粉可以使除尘粉的 许多重要性质得到改进，即稳定组成中的香精药物，以及由于c d s 的增溶作用使皮 肤表面含湿层中的有效成分浓度增加。如有多余未包结客体的c d s 。还可以结合皮 肤分泌的脂质体，这在一定程度上可以防止皮肤炎症，也能消除一些臭味。在皮肤 上涂擦时，包结的香味成分即释放出来。使用c d s 最重要的先决条件是要保证这些 环状低聚糖不为微生物提供媒介。 总之，在化：段品和卫生用品领域中，目前主要用于增溶香精，防止挥发损失， 使用c d s 可以控制对皮肤有刺激表面活性剂的使用量。增加化妆品透明感，并不产 生组成中油分的离析现象。 环糊精还用于日用品、医药、农药以及环境保护等方面。 1 2 芳香族硝基化合物还原和歧化反应研究进展 1 2 1 芳香硝基化合物的还原 芳香族硝基化合物是一类重要的含氮化合物，主要作为中间体和炸药，在有机 化学的基础研究及工业生产上具有重要的作用。 芳香族硝基化合物有以下三个重要的化学性质： ( 1 ) 芳香族硝基化合物的硝基，尤其是连接在苯环上的硝基很容易被还原，生 成不同的产物。 ( 2 ) 由于硝基的吸电子性，使环上的电子云密度降低，因此在环上的各种亲电 取代反应很难发生；由于硝基是很强的第二类定位基，所以新的基团总是进入它的 问位。 ( 3 ) 由于硝基的吸电子性，使它的邻位和对位碳原子上的电子云密度降低，使 这些位置上的基团容易被亲核试剂取代。 芳香族硝基化合物最重要的化学性质是能发生各种各样的还原反应。在经典的 有机化学反应中硝基化合物在还原时由于反应条件和还原剂的用量不同可以生成不 同的产物。例如，在不同条件下还原硝基苯可以得到亚硝基苯、n 一苯基羟胺、氧化 1 4 第一章概述 偶氮苯、偶氮苯、氢化偶氮苯以及苯胺。 为了选择性还原硝基化合物，得到单一的产物，人们已经进行了大量的研究， 并找到了许多还原剂m 4 9 1 。至今，对硝基化合物的选择性还原仍然是人们感兴趣的 课题。 芳香硝基化合物的选择性还原产物偶氮苯及氧化偶氮苯类化合物，是重要的有 机原料和中间体，在工业中主要用于染料和指示剂，近来作为合成液晶材料的中间 体，引起了更多化学工作者的关注，重新成为研究热点。由芳香硝基化合物一步转 化为偶氮苯及氧化偶氮苯类化合物( s c h e m e1 1 ) 的方法有很多，主要集中在催化剂和 溶剂的选择方面，如表1 5 所示。 9 。纱卷 。玲l = n q 。9 妗溶剂蔽一蚶r s c h e m e1 1 表1 5 芳香硝基化合物一步合成偶氮苯及氧化偶氮苯类化合物的方法 催化剂 序号溶剂温度( )时间产物备注 ( 还原剂) 二甘醇二甲 1 t 5 0 n a b h d9 0 - 1 0 06 h 氧化偶氮苯 醚 d m s o 或偶氮苯或 2 n a b h d8 5 - 1 1 01 5 4 4 h 环丁砜 氧化偶氮苯 乙醇回流 2 4 h 个别为 3 1 5 2 k b h d ，k o h 氧化偶氮苯 吡啶9 0 2 4 h 4 8 h 室温 6 8 h 氧化偶氮苯 4 5 3 1b i k o h 甲醇 微波 6 - 8 m i n 偶氮苯 z n c r a 8 t h f 6 51 6 6 h 氧化偶氮苯 5 1 5 4 1 c d c r a bt h f6 51 6 6 h 偶氮苯 6 i s s l ( p h t e ) 2 - n a b h 4 e t 0 h n a o h2 57 。4 0 h 氧化偶氮苯n 2 保护 硝基苯类化台物在3 - c d n a o h 体系中反应性研究 回流3 - 4 8 h 偶氮苯n 2 保护 7 1 5 6 c 2 h 5 0 n a 苯水浴 2 h 氧化偶氮苯 8 5 7 n i 甲苯，乙醇回流 1 0 5 h 氧化偶氮苯 9 t 5 8 1 c d c l 2 - z n 乙腈 6 0l 1 5 h 氧化偶氮苯n 2 保护 1 0 f 5 9 1 b i c l 3 一z n 乙腈 2 51 2 h 氧化偶氮苯n 2 保护 1 1 1 6 0 1 n a b h 4 - b i 甲醇冰水浴 o 5 h 氧化偶氮苯n 2 保护 1 2 1 6 1 i t l 乙醇回流 1 5 一1 2 h 氧化偶氮苯 1 3 e 6 2 】 p h 3 乙醇1 0 一2 01 5 - 3 h氧化偶氮苯 n 2 保护 电化学 1 4 1 6 3 1汞电极 e t 0 h h 2 s 0 4 氧化偶氮苯 还原 1 5 1 6 4 m g - e t o h 液氨氧化偶氮苯 “z n c r a ：n a i l ，p e n t o n a ，z l l c l 2 ，m g b r 2 ( 7 ：1 ：1 ：1 ) 6 c d c r a ：n a h ，p e n t o n a ，c d c l 2 ( 7 ：1 ：1 ) 由表l 4 可以看出：合成这类化合物的方法大多数在易燃易挥发的有机溶剂中进 行，并且要使用一定的金属或非金属催化剂，其中有些方法存在着一些副反应( 脱 卤，聚合等) ，使应用范围受到了限制：还有些反应需要氮气保护即要求在无氧条件 f 进行，不仅造成了环境的污染和资源的浪费，而且使生产成本增加，工艺复杂， 操作繁琐。 而当今社会，环境保护日益受到重视，发展新型的无污染的绿色合成方法势在 必行。因此，目前存在的问题主要集中于选择适当而有效的催化剂和反应体系，从 而使合成方法变得简单易行，并且减少污染，最终达到理想状态即无污染或少污染 合成。 1 2 1 芳香硝基化合物的歧化 芳香硝基化合物的歧化，主要是针对对硝基甲苯类化合物而言的，这是一个很有 趣的反应，通过分子内的氧化还原直接生成对氨基苯甲醛类化合物。对氨基苯甲醛 类化合物的合成方法很多，但由对硝基甲苯类化合物一步转化为对氨基苯甲醛类化合 物是目前合成对氨基苯甲醛类化合物最常用的方法。该反应是在多硫化钠与乙醇一水 溶液中进行的6 s - 6 7 。以对硝基甲苯为例，反应方程式如下所示： 第一章概述 n a ，s x + n a o h - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - h 2 0 e t o h c h o 在此反应中，对硝基甲苯类化合物分子内的个基团被还原( n 0 2 一n h 2 ) ，而 另一个基团则被氧化( c h 3 一c h o ) 。主要起作用的是多硫化钠( n a 2 s x ，它是由硫 化钠溶液溶解单质硫而生成的) ，对与这类反应的机理有多种解释，然而，这种方法 既要用到大量的有机溶剂乙醇，要求反应容器的体积大，致使工业应用上遇到乙醇 回收问题及生产规模难以扩大的问题；反应中又要用到多硫化钠，这就不可避免地 要造成环境的污染和资源的浪费。 1 3 本论文的研究内容及意义 氧化偶氮苯及偶氮苯类系列化合物，是重要的有机原料和中间体，在工业中主 要用于燃料和指示剂，近来作为合成液晶材料的中间体，重新成为研究热点。从硝 基苯类化合物一步转化为氧化偶氮苯及偶氮苯系列化合物的研究和应用，一直备受 人们关注。虽然合成和大规模生产这类化台物的方法有各种各样，但仍然摆脱不了 环境污染、合成步骤复杂和后处理麻烦的困难。因此，目前存在的问题主要集中于 如何使合成方法变得简单易行，并且减少污染，最终达到理想状态即无污染合成的 目的。本课题研究硝基苯类化合物在b 一环糊精一碱性水溶液中的反应性，主要有以下 两类： 第一，硝基苯类化合物的还原反应：即在b 环糊精碱性水溶液中生成氧化偶氮 苯类化合物。 1 间硝基甲苯在上面条件下生成相应的氧化偶氮苯化合物： 2 间氯、对氯、间溴及间碘硝基苯分别在上面条件下生成相应的氧化偶氮苯化 合物； 第二，对硝基甲苯类化合物的歧化反应：即在b 环糊精一碱性水溶液和四丁基溴 化铵存在下生成对氨基苯甲醛类化合物。 1 对硝基甲苯在上面条件下生成相应的对氨基苯甲醛化合物： 2 4 硝基邻二甲苯及4 一硝基间二甲苯分别在上面条件下生成相应的对氨基苯甲 t 7 硝基苯类化合物在8 c d n a o h 体系中反廊性研究 醛类化合物； 3 2 氯一4 一硝基甲苯及2 一溴，4 一硝基甲苯分别在上面条件下生成相应的对氨基苯甲 醛类化合物： 4 2 , 4 - 二硝基甲苯在上面条件下两个硝基均被还原为氨基，生成2 ，4 二氨基苯甲 醛： 这两类反应主要是以水为介质，在第二类反应中采用相转移催化剂一四丁基溴化 钱，这就避免了有机溶剂的大量和使用多硫化钠造成的污染问题。通过对各种硝基 苯类化合物进行研究，探讨它们在水溶液中和超分子存在下的反应机理和般反应 规律。这两种反应的机理很难用目前的物理有机和超分子化学知识进行解释。因此 对其进行深入的研究，不仅能够填补物理有机和超分子化学的空白，而且对丰富和 发展有机化学和超分子化学有重要意义。 第二章实验部分 第二章实验部分 2 1 主要试剂 b 一环糊精分析纯( a r ) 天津市津科精细化工研究所 氢氧化钠 分析纯( a r )天津市天新精细化工开发中心 无水硫酸镁分析纯( a r )上海试四赫维化工有限公司 间硝基甲苯 化学纯( c r )北京金龙化学试剂有限公司 问溴硝基苯 分析纯( a r )北京化工厂 间碘硝基苯实验试剂( l r ) f l u k a a gb u c h ss g 对氯硝基苯化学纯( c r ) 上海市化学试剂公司工厂 间氯硝基苯化学纯( c r )中国医药集团上海化学试剂公司