（有机化学专业论文）5氯23二氢1茚酮的新合成方法研究.pdf

中文摘要 论文的第一部分是5 一氯- 2 ，3 一二氢一l 一茚酮的新合成方法研究。5 一氯_ 2 ，3 一二 氢一l 一茚酮是一种重要杀虫剂茚虫威的中问体。这种中问体工业上是在三氯 化铝的催化下进行f r i e d e l - c r a f t s 酰基化反应得到。此方法虽然技术成熟，产率 高，但是缺点突出：无水三氯化铝用量大，遇水分解放热量高，使反应产物复杂 化；同时释放出大量的氯化氢气体，造成环境污染；并且这种富含铝的酸性溶液 在工业上难以处理。 本文正是从解决这个问题的角度出发，采用强酸代替无水三氯化铝作催化 剂，摸索实验条件，最后确定了直接将间氯苯丙酸在强酸中进行酰基化反应的方 法，制备了5 一氯一2 ，3 一二氢一l 一茚酮。步骤简单，后处理方便，产物纯度高。目标 产物经过核磁和红外光谱鉴定。 论文的第二部分是一类_ 一羟基化合物的合成。这类化合物可以用于催化烷 烃的氧化，但是实际应用中催化剂的用量较大，不适用于工业生产。本文正是从 优化催化剂性能的角度出发，改变脯基化合物的结构，合成了一系列彳i 同类 型的肛羟基化合物。包括酰亚胺化合物、苯甲酰胺化合物和磺酰胺化合物。产 物结构经过核磁和红外光谱鉴定。但是在对其催化性能进行测试时，并未得到预 期的结果。进一步的研究可以尝试合成其它结构的脯基化合物以及使用不同 的金属盐催化的方法，对这一课题进行完善。 关键词：茚酮，傅氏酰基化，_ 羟基化合物 a b s t r a c t t h ef i r s tp a r to ft h et h e s i sd e s c r i b e sp r e l i m i n a r ys t u d i e so i lt h en e w s v n t h e s i so f 5 - c h l o r o 之，3 - - d i h y d r o i n d e n - l - o n e ，w h i c hi sa ni m p o r t a n ti n t e r m e d i a t eo fl n d o x a c a r b t h i si n t e r m e d i a t ei sn o r m a l l ys y n t h e s i z e db yt h ec a t a l y s i so f a i c l 3w h i c he v 0 1 v e sa l a r g ea m o u n to fh c ia n da c i ds o l u t i o n t h e ya r eh a r m f u lt ot h ee n v i r o n m e n ta n dv e r y d i f f i c u l tt ow o r ku p t r i f l i ca c i dw a su s e dt oc a t a l y s tt h ef r i e d e l - c r a f t sr e a c t i o ni n s t e a do fa i c i t h e o p e r a t i o ni ss i m p l ea n dt h er e a c t i o ny i e l di se x c e l l e n t t h ep r o d u c tw a si d e n t i f i e db v i ra n d 】hn m r t h es e c o n dp a r to f t h et h e s i sd e s c r i b e st h es y n t h e s i so f10 n - h y d r o x yc o m p o u n d s ， s i n c ec a r b o nr a d i c a lg e n e r a t i o nf r o mh y d r o c a r b o n st h r o u g ha c a t a l y t i cp r o c e s su n d e r m i l dc o n d i t i o n sh a sb e e na c h i e v e db yt h eu s eo f n - h y d r o x y p h t h a l i m i d e ( n h p i ) a sa c a t a l y s t as e r i e so fd i f f e r e n tn - h y d r o x yc o m p o u n d sw e r ed e v e l o p e da n dt h e i r s t r u c t u r e sw e r ei d e n t i f i e db yi ro r1 hn m r f u r t h e rr e s e a r c h i sc o n t i n u i n gi nt h i s g r o u p k e yw o r d s ：f r i e d e l - - c r a f t s ，l n d e n o n e ，n - h y d r o x yc o m p o u n d 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和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤鲞盘堂或其他教育机构的! 事位或汁 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，f ， 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：篓穿 签字同期： 印7 年月 f f 1 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤鲞盘堂 有关保留、使用学位论义的舰定。 特授权苤盗盘鲎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，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：量宇 签字同期：) 口0 1 年6 月7 日 签字同期：) 口o1 年6 月7 日 黝躲亨彭 签字同期：歹嗣年否月卜 第一章绪论 第一部分5 一氯_ 2 ，3 一二氢一1 一茚酮的新合成方法研究 1 1 农药概况 第一章绪论 当今社会，耕地面积不断减少，人口数量不断增加，人类对生存环境的保护 意识不断增强，人口、粮食、环境已成为二十一世纪的突出问题，摆在了人类面 前。 人口增长需要更多的粮食。提高农业生产技术和复利，指数，加强优质高产作 物杂交品种的育种栽培，杀虫、抗病、除草农药的使用，已将世界作物的产量有 效地提高了3 倍，至2 0 4 0 年人类必须将世界上现宵农作物的产量再提高3 倍， 才能满足需要。 提高粮食产量离不开农药。当前，世界农业即使已经使用农药，每年仍有 3 5 的农作物损失，倘若离开农药则高达7 0 ，由此可见，农药已成为人类生存 和发展不可缺少的救灾物资【2 j 。 我国是一个农业大国，农药生产和使用量居世界第二位。使用农药每年可挽 回粮食损失约4 2 0 亿千克，棉花损失7 亿千克，带来极大的经济效益。 但是目前我国农药生产技术相对落后，在生产和使用过程中造成的资源浪费 和环境污染比较严重，因此，提高农药生产技术和开发新的农药品种已成为当务 之急。 1 2 新型杀虫剂茚虫威 1 2 1 茚虫威简介 第章绪论 图l l 茚虫威的结构 f i g 1 - 1s t r u c t u r eo fi n d o x a c a r b 茚虫威是美国杜邦公司于1 9 9 2 年开发，并于2 0 0 1 年登记上市的氨基甲酸酯 类杀虫剂。其通用名为l n d o x a c a r b ，商品名为a m m a t e ( 全垒打) 、v a t a r ( 安打) 。 化学名称为7 _ 氯- 2 ，3 ，4 a ，5 一四氢- 2 一 甲氧基羰基( 4 三氟甲氧基苯基) 氨基甲酰基 茚并 1 ，2 _ e 儿1 ，3 ，4 _ 恶二嗪- 4 a _ 羧酸甲酯l 引。 和传统的氨基甲酸酯杀虫剂不同，茚虫威为钠离子通道抑制剂，主要是通过 阻断害虫神经细胞中的钠离子通道，使神经细胞丧失功能，导致靶标害虫麻痹、 协调差，最终死亡。药剂通过触杀和摄食进入虫体，o 4 小时内昆虫即停止取食， 因麻痹，协调能力下降，故从作物上落下，一般在药后4 4 8 小时内麻痹致死， 对各龄期幼虫都有效。害虫从接触到药液或食用含有药液的叶片到其死亡会有一 段时间，但害虫此时已停止对作物取食，即使此时害虫不死，对作物叶片或棉蕾 也没有损害作用。由于茚虫威具有较好的亲脂性，仅具有触杀和胃毒作用，虽没 有内吸活性，但具有较好的耐雨水冲刷性能f 4 j 。 茚虫威对人畜十分安全，无致畸、致癌、致突变性，并且对鸟类及水生生物 和非靶标物也十分安全。茚虫威是近年崛起的结构新颖，作用机理独特的氨基甲 酸酯类杀虫剂。由于其活性高，对环境和作物十分安全，作为替代高毒、高残留 及高抗性杀虫剂的理想药剂，有望成为继吡虫啉、氟虫腈、溴虫腈等杀虫剂后的 又一个理想的重要杀虫剂品种。 1 2 2 茚虫威的合成【5 】 第一章绪论 c o c i o h _ _ _ _ _ - 。- o c l o o h 3 图1 _ 2 茚虫威的合成路径 f i g 1 - 2s y n t h e s i so fl n d o x a c a r b 1 3f r i e d e l - c r a f t s 酰基化反应 1 3 1f r i e d e l - c r a f t s 酰基化反应概述 f r i e d e i - c r a f t s 酰基化反应是有机合成中一类十分重要的反应，简称傅克酰基 化反应。即在l e w i s 酸存在下，酰基化试剂与芳香族化台物发生缩合，芳环中的 一个氢原子被酰基取代。反应中最常用的催化剂是无水a i c l 3 ，尚有f e c l 3 、s n c l 4 、 b f 3 、z n c l 2 、t i c l 4 、磷酸、聚磷酸( p p a ) 等都可催化该类反应。酰基化试剂最常 用的是酰卤和酸酐，除此之外还有羧酸、烯酮和酯等。酰氟、酰氯、酰溴和酰碘 第- 章绪论 都能用作酰基化试剂，其中多用酰氯，其活泼性顺序为i b r c i f ，当用酰 氯做酰基化试剂时，催化剂用量应稍微过量超过一克分子，原因是三氯化锚和酰 氯以等分子比相结合成络合物。 r c c lr c c l i i + a i c i ，- - 卜 i i o 。 o a i c i ， 三氯化铝与任何含有羰基的有机化合物皆生成相似的络合物，反应生成的酮 也与等当量的三氯化铝相结合着，该络合物在无水介质中稳定存在，当反应混合 物水解时，则析出酮。 a r c 9 a i c l 3 r h 2 0 a r c o r + a i ( o h ) c 1 2 + h c i 三氯化铝与酮配位后不再参加反应。因此a i c l 3 必须在生成络合物之后还有 剩余作为缩台反应的催化剂。 当用酸酐作酰基化试剂时，催化剂用量须超过两克分子。虽然产生的酮只和 一个当量的a i c l 3 结合，但是生成的羧酸却和另一个当量的a i c1 3 催化剂反应， 所以在合成酮时，对于一分子的酸酐应当使用多于两分子的a i c l 3 们。 r c o o h + a i c l 3 一 r c o o a i c l 3+hci 在傅克酰基化反应中所用的溶剂受到相当的限制，因为许多的有机化合物可 以与三氯化铝及反应巾所用的其他催化剂发生反应。主要制过量的芳香烃、二硫 化碳、石油醚或硝基苯等作为溶剂。芳环上的吸电子取代基对酰基化反应反应起 抑制作用。由于酰基是钝化基，在引入一个酰基后芳环被钝化，故不易再进一步 酰化生成多酰基取代的衍生物，因而酰化反应将只停留在元取代的阶段【7 】。 1 3 2f r i e d e l - c r a f i s 酰基化反应的应用 f r i e d e l - - c r a f t s 酰基化反应是一类重要的基础有机反应，可以很容易的在芳烃 上引入功能集团，生成芳香酮，然后进行还原或者不对称还原得到相应醇，用于 合成制备许多有用的药物。在医药、农药、塑料、液晶等工业生产上f r i e d e l - c r a f t s 酰基化反应都得到重要应用。从化学合成方面可以分为一下五类应用： ( 1 ) 合成简单的芳香酮，如苯乙酮、苯丙酮、2 ，4 二氟苯乙酮、2 ，2 ，4 _ 三氯 一4 一 第章绪论 苯乙酮等； ( 2 ) 在荼环、蒽环、菲环上引入羰基，如伊萘乙酮、9 - 萘乙酮等； ( 3 ) 在杂环化合物上引入羰基，如噻吩【8 】、吡咯【9 10 1 、吲哚【1 1 】、呋喃等的 酰基化反应： ( 4 ) 聚合反应，如聚芳醚酮等； ( 5 ) 其它反应，如二烷基二茂铁的二茂铁甲酰化、户环戊二酮类化合物的合 成等。 1 3 3f r i e d e l - c r a f t s 酰基化反应的催化剂 在f r i e d e l - - c r a f l s 酰基化反应中，传统的催化剂足用l e w i s 酸( 如a i c1 3 、f e c l 3 、 t i c h 、b f 3 等) 和质子酸( 如h f 、h 2 s 0 4 、h c i ) 1 3 】。其中无水三氯化氯催化活性 最强，在室温常压下能催化大多数酰基化反应，包括杂环、萘、蒽、菲以及带活 化集团的苯环和带钝化基团的苯环( 如问二氯苯、溴苯等) ，而且易制备，价格便 宜。所以现在工业上及实验室中进行酰基化反应合成中间体大部分还是采用无水 三氯化氯催催化剂，然而使用无水三氯化氯催在许多弊端： ( 1 ) 遇水迅速分解，释放出大量氯化氢气体； ( 2 ) 自身有腐蚀性，操作处理有危险性； ( 3 ) 在酰基化反应中选择性较差，会产生不同位置酰化的副产物； ( 4 ) 在酰基化过程中由于它能与产物形成等摩尔的络合物，故实际用量须超 出反应用量； ( 5 ) 遇水分解是高放热反应，使反应产物复杂化，释放人量氯化氢气体，造 成有机物的污染，这种富含铝的酸性溶液在工业上难以处理。 为了解决这些问题，尤其为了提供环境有好的催化剂，实现绿色生产，近几 年来，国内外已有较多的研究，并将研究重点放在催化剂方面，尝试不同种类的 催化剂，以提高酰基化反应的选择性、产率、催化剂的可回收性和使用寿命。近 些年来对此类反应催化剂的研究工作大体上可分为以下几方面内容。 1 金属氯化物类催化剂 p i v s a - a r t i l 4 j 分别采用a i c l 3 、l n c l 3 、s b c l 3 及其它过渡金属氯化物作催化剂， 对2 一甲氧基萘与酰氯的酰基化反应进行研究，结果发现a i c l 3 、z r c l 4 的选择性 较差，而i n c l 3 、t i c h 、m n c l 2 ，c o c l 2 、c u c l 2 等选择性、酰基化产物收率均很 高。如m n c1 2 作催化剂的选择性为3 a ：3 b ：3 c = 9 4 ：4 ：2 ，以3 a 为主，收率9 9 。 第一章绪论 o r 儿c i 2 o m e + r c a t p h n 0 2 1 6 0 ，3h ，n 2 ，5 7 9 9 o o m e 3 b 3 c r = p h ，舡- m e o p h ，m e ，p h c h 2 ，4 - b r p h ，c 6 h 1 3 o m e 其他催化剂如f e c l 3 、z n c l 2 、s n c l 4 等具有一定的选择性和较好的催化性能。 当需要得到3 a 产物时，可选用i n c l 3 ( 5 0 反应) 、t i c l 4 、m n c l 2 、c o c l 2 、c u c l 2 等，当需要得剑3 b 产物时，可选用i n c l 3 ( 1 6 0 反应) 、f e c l 3 、s n c l 4 、z n c l 2 等。 金属氯化物与高氯酸盐的混合物作催化剂能提高酰基化反应的选择性和产 率，缩短反应时间。m u k a i y a m a 在研究甲氧基苯与乙酸酐的酰基化反应时，使用 s b c l 5 - l i c l 0 4 ，g a c i 3 - a g c l 0 4 等作催化剂，对位产物收率分别达到8 5 和9 1 ， s b c i 3 - l i c l 0 4 可使该酰基化反应在3 0m i n 内完成。 c o r n e l i s 等使用陶土作载体的氯化锌( “c l a y z i c ”) 催化剂，k h a l i k a r l l 6 1 使 用硅胶作载体的氯化铁( “s i l f e r i c ”) 催化剂均大大提高了l e w i s 酸的催化活性 和使用寿命，其中s i l f e r i c 催化剂的使用寿命可长达2 个月以上。 这类催化剂在市场上可以购买得到，但是有的价格昂贵，有的要求较高的反 应条件，比如需要高温。 2 负载型催化剂 负载型催化剂有诸多优点，是现在的研究热点之一。催化剂负载在载体上容 易与反应混台液分离，也可以扩入催化剂比表面积，并且催化剂易再生。将催化 剂负载在载体上的传统方法主要有物理法的吸附法、包埋法等，化学法的载体结 合法、交联法等。 ( 1 ) 将l e w i s 酸负载于固体酸载体上的研究 c l a r k 等将三氯化铝负载于蒙脱十、沸石、粘土等载体上，研究它们对 f r i e d e l - - c r a f t s 反应的活性及选择性，结果表明负载后的催化剂的活性及选择性都 优于未经负载的催化剂。他们还将氯化铜、氯化镍及氯化锌负载于固体酸粘土上， 证实此类催化剂对f r i e d e l - c r a f t s 反应具有高活性【1 7 】。其他人也做了许多这方而 一6 一 第章绪论 的研究，如将氯化铁负载于蒙脱土上，用于f r i e d e l - c r a f i s 酰基化反应t 1 8 】。其中 对氯化锌进行负载的研究报道很多。如将氯化锌负载于经酸处理过的蒙脱土上， 用于f r i e d e l - - c r a f t s 烷基化反应，再有将氯化锌负载于h y 型沸石上对 f r i e d e l - c r a f t s 酰基化反应显示出了高选择性，使苯甲醚与乙酰氯的反应终产物甲 氧基苯乙酮的邻、对位体比例可达9 8 ：2 。以上报道均是将l e w i s 酸负载于粘土 等固体酸上，显示出此类负载型催化剂的高活性，这是由于以粘土、沸石、硅胶 等固体酸作催化剂具有以下特点： i 在一定条件下，这些固体酸内存着在活性的b r o n s t e d 酸与l e w i s 酸中心； i i 这些固体酸的结构内存在着细孔具有很强的吸附性能； i i i 这些固体酸的活性直接影响催化剂的活性。 ( 2 ) 将l e w i s 酸负载于硅胶载体上的研究 除上述用固体酸作载体的研究外，还有人用硅胶作载体制备f r i e d e i - c r a f t s 反应的催化剂。如将氯化铝通过微波辐射负载于硅胶介质上，对f r i e d e l - - c r a f t s 反应有显著的促进作用。将氯化锌利用溶胶凝胶包容作用负载于硅铝酸盐上，经 分析表明此类催化剂比未负载的氯化锌具有更高的活性。再有将氯化锌负载于硅 胶载体上用于f r i e d e l - c r a f i s 芳甲基化反应，具有很高的选择性，产物收率可达 9 7 。用硅胶作f r i e d e l - c r a f t s 反应催化剂的载体，具有如下优点： i 具有良好的机械性能，如抗磨损、抗冲击及抗压性等； i i 在反应与再生过程中，有足够的热稳定性； i i i 具有较人的比表面积及比孔容； i v 容易获得，价格低廉。 ( 3 ) 将l e w i s 酸负载于聚合物载体上的研究 另外一种载体是各种不同类型的聚合物，如有人将三氯化铝负载于聚苯乙烯 上，具有稳定的酸性催化性能【旧1 ；将l e w i s 酸负载丁聚苯乙烯( 或聚乙烯) 上，显 示出高催化活性1 2 0 】。理论研究表明，l e w i s 酸能够通过物理作用包容于聚苯乙烯 薄膜内，这可能是由于聚苯乙烯中苯环上的兀电子云与l e w i s 酸中的空轨道之问 的相互作用而保持了稳定。综上所述，负载于聚合物上的l e w i s 酸与未负载的 l e w i s 酸相比具有如下优点： i 具有再生性，清洁无污染，是绿色化工所追求的目标： i i 具有更高的活性： i i i 具有更好的局域选择性。 3 三氟甲磺酸盐类催化剂 h a c h i y a 等报道过甲苯或二甲苯与酸酐的酰基化反应，用h f ( o t 0 4 作催化剂， 效果良好1 2 。k u s a m a 等用r e b r ( c o ) 5 作催化剂，催化芳烃与酰氯的f r i e d e l - c r a f t s 第幸绪论 酰基化反应，产率达到8 0 以上。另外i z u m i 等人研究利用钛化合物，如 t i c l ( o t f ) 3 或t i c l 2 ( o t 0 2 作为f r i e d e l - c r a f t s 酰基化反应的催化剂，得到了良好的 效果。b i ( o t f ) 3 被发现是一种新型的对于f r i e d e l - c r a f t s 酰基化反应催化剂【2 2 】。 l n ( o t 0 3 - l i c l 0 4 对于f r i e d e l - c r a f t s 酰基化反应是一种可再生的催化剂。最近的 研究表明，金属三聚氟物如镧系化合物像钪、钇、锆和铪的三聚氟物等，都是很 好的f r i e d e l - c r a f t s 反应催化剂。 用于f r i e d e l - - c r a f t s 反应的各种类型三氟甲磺酸盐类催化剂具有以下共同特 点： ( 1 ) 在水中稳定性好，不分解，不吸湿； ( 2 ) 具有再生性，可循环使用； ( 3 ) 由于具有较低的l e w i s 酸性，只能促进与强供电子的芳烃反应，有局限 性； ( 4 ) 价格昂贵。 4 沸石类催化剂 沸石分子筛因具有活性高、选择性好、可再生、对环境无污染等突出优点， 从而有广阔的工业化前景。沸石具有与分子大小相称的独特的高均一性孔道，其 表面有较强的酸中心，同时晶孔内有强大的库伦场起极化作用，使其催化性能优 异。沸石的种类繁多，并可以通过后合成处理对酸性质和孔口尺寸进行调变，对 于各种芳环底物的酰化，都有可能通过研究找到合适的沸石分子筛催化反应。因 此，沸石分子筛是一种比较理想的f r i e d e i - c r a f l s 酰基化反应催化剂 2 3 】。 现在沸石已成为f r i e d e l - c r a f t s 反应催化剂的研究重点。沸石是高活性的水 合铝硅酸盐，在脱水的情况下，在理想的晶体内产生均匀的孔结构。沸石的类型 决定孔径的大小。近些年来关于用沸石作f r i e d e l - c r a f t s 反应催化剂的报道已有 很多，如s r e e k u m a r 等人对用h z s m 一5 型沸石催化苯或甲苯与酸酐的酰基化反应 作了详细的研究【2 4 】；而w a n g 等人将此类型沸石用于苯甲醚与羧酸的 f r i e d e l - c r a f l s 酰基化反应，也得到了良好的收率1 2 5 ；在h z s m 一5 型沸石催化下， 使苯甲醚与乙酸酐的反应，对甲氧基苯乙酮的收率可达9 8 9 ：f r e e s e 等人将不 同类型沸石用于苯甲醚与乙酸酐的反应中进行了筛选，最后优选出h p 型沸石催 化效果最佳，最终产品对甲氧基苯乙酮收率可达9 9 5 ，而m a 等人对苯甲醚与 羧酸或酸酐的酰基化反应所筛选出的沸石型催化剂进行了研究，其最佳类型为 h z s m 一5 型。由此可见不同的沸石结构对不同f r i e d e l - c r a f t s 反应的催化活性不 同。 沸石催化剂的特点有： ( 1 ) 表现出异常高的活性及选择性； 第一章绪论 ( 2 ) 催化专一。一种类型的催化剂仅适用于一种反应，推广性差。但鉴于沸 石类犁繁多，因此其应用前景还是十分广阔的。 5 杂多酸催化剂 杂多酸( h p a ) 型催化剂的基础及应用研究历史虽然不长，但是却在工业催化 的开发史上写下了光辉的一页。近些年来，几种不可溶的杂多酸催化剂已被应用 于f r i e d e l - c r a f t s 反应中，以取代传统的催化剂如三氯化铝及硫酸。例如k e g g i n 型杂多酸曾被证实在几类有机反应中具有比质子酸更高的催化活性，因此也应用 于f r i e d e l - c r a f t s 反应中，这类催化剂有负载型和非负载型，目前对f r i e d e t - - c r a f t s 用的杂多酸催化剂主要研究的是负载型，如用二氧化硅负载杂多酸作催化剂，对 其催化性能进行了考察和评估。我国学者赵振波等人进行了在杂多酸中添加 l e w i s 酸来催化异丁烷丁烯的烷基化反应的研究，表明由于在杂多酸内加入一 定量的l e w i s 酸，从而形成了共轭超强酸，提高了催化活性。 杂多酸之所以成为性能优异的催化材料，是冈为它具有传统催化剂所不具备 的优良特性，概括起来主要包括以下五方而： ( 1 ) 具有确定的结构。k e g g i n 结构和d a w = s o n 结构等。在这些结构中，构 成杂多阴离子的基本结构单元为含氧四面体和八面体，有利于在分子或原子水平 上设计与合成催化剂； ( 2 ) 通常溶于极性溶剂。可用于均相和非均相催化反应体系； ( 3 ) 同时具有酸性和氧化性。可作为酸、氧化或舣功能催化剂。在不改变杂 多阴离子结构条件下，通过选择组成元素( 配位原子、中心原子及反荷离子等) ， 对催化性能可系统地调控： ( 4 ) 具有独特的反应场。在固相催化反应中，极性分子可进入催化剂体相， 具有使整个体相成为反应场的“假液相”行为； ( 5 ) 杂多阴离子具有软性。杂多阴离子属软碱，作为金属离子或有机金属等 的配体，具有独特的配位能力，而且可使反应中间产物稳定化。 6 金属与非金属类催化剂 活性锌对富电子芳烃与体积较大的酰氯的酰基化反应有较好的选择性和催 化作用，收率较高【26 l 。如异丁基苯与新戊酰氧在活性锌的催化作用下发生酰基化 反应( 7 0 ，6h ) ，收率达9 0 ，而且未反应的锌在重新活化后町以再使用。 r a g 彳飞 = ： o c l 八r z np h m e 7 0 ，5 - 8h ，8 0 - 9 4 r a g = o m e ，i - b u ；r = m e 3 c ，c 1 5 h 3 1 ，o - - c i p h 一9 一 第一章绪论 石墨催化甲氧基苯、甲苯和邻二甲苯与酰氯的酰基化反应，收率也较高【2 7 】。 如甲氧基苯、甲苯、邻二甲苯、1 一甲氧基萘与p h c o b r 的酰基化反应在石墨催化 作用下收率分别为8 9 、8 6 、9 7 、9 3 ，且选择性好，均为对位产物。 r ， 飞 、= = _ 1 3 4 总结 o 儿r 2 g r a p h i t ，p ho r ( c h 2 c 1 ) 2 r e f l u x ，8ho r 2 4h ，6 1 - 8 9 r ， 燃： r i = o m e ，m e ；r 2 = p h ，p h c h 2 ，p r , c 5 h11 ；x = c i ，b r 综上所述，对于f r i e d e l - c r a f t s 酰基化反应，金属氯化物，尤其是无水三氯 化铝仍然是最重要和最常用的一类催化剂，它小仅催化活性强，能催化各种酰基 化反应。同时反应条件比较温和，一般在常温常压下进行反应，在适当的条件下 其选择性也很高。而且价格便宜，在工业应用上经济。但是其最大的缺点在于只 能一次性使用，无法回收，对环境污染严重，对提倡绿色环保是个很大的问题。 三氟甲磺酸盐尽管在水中稳定性好、不分解、不吸湿，具有再生性，可循环使用。 但由于价格高、制备难，工业生产应用受到限制。杂多酸类催化剂，金属或非金 属类催化剂尚处于研究阶段，这是有前景的催化剂。最有意义的是沸石类催化剂， 它具有选择性好、反应专一性强、活性高、使用寿命长、可回收、可再生、价格 便宜、种类繁多、不污染环境等诸多优点，非常适合于工业化生产应用，是一种 比较理想的f r i e d e i - c r a f t s 酰基化反应催化剂。然而沸石催化剂的工艺处理以及 对不同酰基化反应的催化剂筛选还需要投入更多的科学研究。另外在应用到如氯 苯，氟苯等带有钝化基团的芳香烃的酰基化反应也需要进一步的研究。 1 4 本课题立题思想 5 一氯- 2 ，3 一二氢一1 一茚酮在工业上是以间氯苯丙酸为原料，通过f r i e d e i - c r a f i s 酰基化反应关环得到的。而这一过程需要将原料酸先制成酰氯，再在无水三氯化 铝的催化下进行f r i e d e l - - c r a f i s 酰基化。这种方法虽然产率高，技术成熟，但是 无水三氯化铝用量大，遇水分解放热量高，使反应产物复杂化，同时释放出大量 的氯化氢气体，造成环境污染。并且这种富含铝的酸性溶液在工业上难以处理。 因此目前急切需要找到一种更好的、绿色的合成方法来代替这种古老的以无 水三氯化铝为催化剂的合成方法。本论文选题正足从解决这个问题的角度出发， 第章绪论 拟采用强酸代替无水王氯化铝作催化剂，设计实验方案、优化反应条件，希望能 够找到一种新的合成方法。 l e w i s 酸( 如a i c l 3 ) 催化f r i e d e l - c r a f t s 酰基化反应污染严重，后处理困难。 用强酸代替l e w i s 酸，可以简化反应过程，巧i 需将有机酸制备成酰氯而直接能够 进行酰基化反应，步骤简单。用三氟甲磺酸和浓硫酸为催化剂，这两种酸均溶于 水，反应后处理容易。本文将主要进行实验条件的摸索及优化。 第幸实验部分 2 1 实验方案设计 第二章实验部分 以三氟甲磺酸、浓硫酸为催化剂，尝试不同溶剂条件合成5 一氯_ 2 3 一二氢一1 一 茚酮。 2 2 实验操作 o o h c i o 2 2 1 以三氟甲磺酸为催化剂合成5 一氯_ 2 ，3 一二氢一1 一茚酮 o 二氟甲磺酸 o h 溶剂 c i o 表2 - 1 三氟甲磺酸为催化剂的不同实验条件 t a b 2 1t r i f l u o r o m e t h a n e s u l f o n i ca c i da st h ec a t a l y s t 第_ 章实验部分 在安装有回流冷凝管的1 0 0m l 烧瓶中加入2 0 0 0g 间氯苯丙酸，5d 三氟甲 磺酸和2 0 0m l 溶剂，搅拌中升到一定温度，t l c ( 展开剂：石油醚：二氯甲烷= l ：2 ) 跟踪检测。反应1 0h ，发现在这几种溶剂中均只有少量物质生成，而大部分原料 酸没有发生反应，说明这种方法不适用于此类茚酮的合成。 2 2 2 以浓硫酸为催化剂合成5 一氯_ 2 ，3 一二氢一1 一茚酮 o 浓硫酸 o h 溶剂 c i o 表2 _ 2 浓硫酸为催化剂的不同实验条件 t a b 2 - 1c o n c e n t r a t e ds u l f u r i ca c i da st h ec a t a l y s t 在安装有回流冷凝管的1 0 0m l 烧瓶中加入2 0 0 0g 间氯苯丙酸，1 0m l 浓 硫酸和2 0 0 m l 溶剂，搅拌中升到一定温度，t l c ( 展开剂：石油醚：二氯甲烷= 1 ：2 ) 跟踪检测。反应1 0h ，发现在这几种溶剂中均只有少量物质生成，而大部分原料 酸没有发生反应，说明这种方法不适用于此类茚酮的合成。 2 2 3 以浓硫酸为溶剂合成5 一氯_ 2 ，3 一二氢一1 一茚酮 o 浓硫酸 o h c i 在1 0 0m l 圆底烧瓶中加入2 0 0 0g 间氯苯丙酸，4 0 0m l 浓硫酸，室温搅拌， 第= 章实验部分 t l c ( 展开剂：石油醚：二氯甲烷= l ：2 ) 跟踪检测，1 0h 反应结束，将反应液缓慢倒 入约4 0 0m l 水中，即产生白色沉淀，过滤、水洗、干燥后得白色粉末0 4 5 1g ， 产率2 5 o 。 2 2 4 以发烟硫酸为溶剂合成5 一氯_ 2 ，3 一二氢一1 一茚酮 c o 发烟硫酸 o h c l 在1 0 0m l 烧瓶中加入2 0 0 0g 间氯苯丙酸，8 0 0 0g 发烟硫酸，室温搅拌， t l c ( 展开剂：石油醚：_ - 2 氯甲烷= 1 ：2 ) 跟踪检测，5m i n 即反应完全，将反应液缓 慢倒入约1 5 0m l 水中，产生白色沉淀，过滤、水洗、干燥后得白色粉末0 5 4 1g ， 产率3 0 o 。 2 2 5 以三氟甲磺酸为溶剂合成5 一氯2 ，3 一二氢一1 一茚酮 c o 三氟甲磺酸 o h c 在1 0 0m l 烧瓶o ；0 n a 4 9 0m g 间氯苯丙酸，2 0 0m l 三氟甲磺酸，室温搅拌， t l c ( 展开剂：石油醚：二氯甲烷= l ：2 ) 跟踪检测，3h 反应完毕，减压蒸馏蒸出大 部分三氟甲磺酸，剩余约4 0m l 稠状液体，加入少量水，过滤，固体用饱和n a 2 c 0 3 溶液洗涤3 次，水洗1 次，二1 ：燥得白色固体粉末3 6 0m g ，产率8 1 4 。1 hn m r 和i r 谱图解析见3 2 1 和3 2 2 。 第三章结果讨论与谱图分析 3 1 结果与讨论 第三章结果讨论与谱图分析 f r i e d e l - - c r a f t s 酰基化反应的传统方法是酰氯或酸酐在l e w i s 酸( 如a i c l 3 ) 的 催化下进行的。这样后处理困难而且造成很严重的环境污染。本文采用的方法是 直接将羧酸在强酸中进行酰摹化反应，步骤简单，后处理方便，产物纯度高。 3 1 1 以三氟甲磺酸为溶剂的实验结果讨论 将问氯苯丙酸直接在三氟甲磺酸中进行的f r i e d e l - c r a f i s 酰基化反应，步骤 简单、时间短、产率高、纯度好、后处理方便。只需室温搅拌3h 即反应完全： 实验结束，将反应液减压蒸馏( 6 5 ，2 0k p a ) 回收大部分三氟甲磺酸后，用水 处理剩余物质即得到较高纯度的产品。如实验2 2 5 中，初始加入j 氟甲磺酸2 0 0 m l ，反应结束后经减压蒸馏回收约1 6 0m l ，这些三氟甲磺酸可以继续使用。但 是由于其中含有的少量水分实验室条件无法分离，所以应用这些三氟甲磺酸进行 的下一次反应产率不高。如果能解决三氟甲磺酸的回收问题，此方法有望得到应 用。 3 1 2 以强酸为催化剂的实验结果讨论 虽然用三氟甲磺酸做溶剂的实验有诸多优点，但是其价格昂贵，不适用于工 业生产。在实验开始时我们尝试采用三氟甲磺酸和浓硫酸等强酸作催化剂，试验 不同溶剂，希望找到合适的条件合成目标产物。我们使用的溶剂有二甲苯、硝基 苯、氯苯、对氯氯苯和正庚烷。在用二甲苯作溶剂的实验中，我们使用油水分离 器及时分离出反应中生成的水，也尝试采用高沸点溶剂来提高反应温度的方法促 进反应进行，但是都没有达到预期结果。 3 1 3 以硫酸为溶剂的实验结果讨论 用浓硫酸与发烟硫酸进行的反应，虽然产物纯度较好并且后处理简单，但是 产率较低。可能是因为在反应过程中生成了较多的磺化产物。考虑到工业上硫酸 第三幸结果讨论与谱图分析 价格低廉，因此这种方法有一定的发展前途。 分析两个反应过程及结果发现，其中用浓硫酸进行的反应，时间较长且产率 更低。而在发烟硫酸中进行的反应时间很短，产率相对较高。由此推断在较长时 间的反应中生成了较多的副产物，说明室温下长时间反应对本反应不利。因此可 以从这个角度出发对实验进行改进。如可以通过提高硫酸浓度和硫酸的用量来缩 短反应时间。而在发烟硫酸中进行的反应，时间很短，由此可以进一步测试反应 温度对收率的影响，尝试在低温下进行反应，较低的反应温度或许可以使磺化产 物减少。 3 2 谱图解析 本文测试所用仪器为：b i o - r a df t s3 0 0 0 型红外光谱仪( 扫描范 围：4 0 0 0 4 0 0c m ，k b r 压片) ；5 0 0m h z 核磁共振仪。 3 2 15 一氯_ 2 ，3 一二氢一1 一茚酮的核磁共振氢谱解析 c d a b 表3 - 15 一氯- 2 ，3 一二氢一l 一茚酮的核磁共振氢谱数据( 附图1 ) t a b 3 11 hn m rs p e c t r u mo f5 - - c h l o r o - - 2 3 - d i h y d r o i n d e n 一1 叼n e 2 7 1 0 3 1 3 1 7 3 4 7 7 4 7 3 7 6 8 1 6 5 6 5 8 5 8 3 2 25 一氯- 2 ，3 一二氢一1 一茚酮的红外光谱解析 第三幸结果讨论与谱图分析 表3 _ 25 一氯- 2 ，3 一二氢一1 一茚酮的红外光谱数据( 附图2 ) t a b 3 - 2i rs p e c t r u mo f5 h l o 州3 - - d i h y d r o i n d e n - l - o n e 综上，通过对产物的1 hn m r 及i r 谱图分析，可以确定实验所得产物即目 标产物。 一1 7 一 第四章绪论 第二部分几种- 羟基酰胺类催化剂的合成 4 1 烃类氧化概况 第四章绪论 最近研究发现，用- 羟基邻苯二甲酰业胺( n h p i ) 做催化剂，在温和的条件 下，可以氧化烃类得到羰基化合物。这种方法应用广泛。通过这种n h p i 的催化 反应，烷烃可转变为醇、酮和羧酸。在氧气中，n h p i 和m n ( o a c ) 2 共同作用下， 环己烷可直接转变为脂肪酸，而对二甲苯被氧化成对苯二甲酸的收率达9 5 。同 时，在n h p i 的作用下，在二苯基甲醇和氧气中，烯烃可以被h 2 0 2 环氧化。 用烃类的氧化来生产醇、醛、酮、羧酸和环氧化物是非常经济有效的方法。 特别是直接从烃类氧化制备羧酸( 如脂肪酸) ，近来变得十分重要。因为目前脂肪 酸主要是依靠硝酸氧化k a _ o i l ( 环己酮和环己醇的混合物) 来实现，而这一过程 会产生大量的气体n 2 0 ，对环境造成破坏。另一个重要的反应是氧化对二甲苯制 备对苯二甲酸( t p a ) 。目前，世界上使用的大部分t p a 是由美国石油公司生产的， 他们使用c o m n b r 作为催化剂，乙酸为溶剂。然而这种方法需要较高温度 ( 1 7 5 2 2 5 ) 和较大压力( 1 5 3 0a t m ) ，并且要使用腐蚀性的溴作催化剂，所以反 应器必须要用昂贵的钛台金制成，而且反应中会生成溴代副产物。尽管这砦现象 引起了世界范围的广泛关注，但是目前仍没有找到有效的方式避免。因此，不使 用硝酸生产脂肪酸和不使用卤素来生产t p a ，是工业上急切需要实现的。 目前，有文章报道已经成功的开发出一种从烃类氧化得到羰基化合物的方 法。这种方法条件温和，是基于0 2 或钴盐存在的条件下，- 羟基邻苯二甲酰砸 胺自由基( p i n o ) 的催化反应。而p i n o 可以由- 羟基邻苯二甲酰亚胺( n h p i ) 得到( 如图4 _ 1 ) 例。 第四幸绪论 忖四一。一 一占一h ：鲨么芷一占 图4 _ 1n h p i 到p i n o 的转化 烷基苯的氧化在化学工业上是一个很有前途的课题。许多重要化学品，如对 苯二甲酸、苯酚、苯甲酸等都是通过类似的反应由氧气氧化制得。苯甲酸是生产 药物和杀虫剂的重要原料，而氧化甲苯是制备苯甲酸的一个重要方法。但这些氧 化反应通常是在高温高压下进行。寻找在温和条件下的更高选择性的氧化反应是 一个各国学者共同努力的目标。 目前，1 0a r m ，1 9 0 下c o ( o a c ) 2 催化甲苯氧化成苯甲酸在工业上的生产已 经成熟。常温常压，n h p i 存在下，用c o ( o a c ) 2 氧化甲苯为苯甲酸在实验室中也 已实现。例如甲苯的氧化中，乙酸为溶剂，n h p i ( 10m 0 1 ) 和c o ( o a c ) 2 ( 0 5m 0 1 ) 为催化剂，1a t m0 2 ，2 5 下反应2 0h ，得到苯甲酸( 9 6 ) 和苯甲醛( 4 ) ，转化 率为8 4 1 2 9 j 。图睨中给出了n h p i 和c o ( 1 1 ) 氧化烷烃的过程。 第四章绪论 l n c o l i lnco“cl举lncohl00割lncoill ( l n c o ”i - o - o - c o ”l n j l n c o 川o o h l o h 图4 _ 2n h p i 和c o ( 1 1 ) 氧化烷烃的过程 f i g 年- 2ap l a u s i b l er e a c t i o np a t hf o rt h ea e r o b i co x i d a t i o no ft o l u e n ec a t a l y z e nb y n h p lc o m b i n e dw i t hc o ( i i ) 4 2 本课题立题思想 肛羟基邻苯二甲酰亚胺可以用于催化烷烃的氧化，但是实际应用中催化剂 的用量较大，不适用于工业生产。本文正是从优化催化剂性能的角度出发，拟合 成了一系列不同类型的_ 并基化合物。包括酰亚胺化合物、苯甲酰胺化合物和 磺酰胺化合物，通过改变_ 羟基化