（有机化学专业论文）异佛尔酮氧化及丁酮氯化的新方法研究.pdf

摘要 氧化反应在香原料和医药中间体的合成中占有重要的研究地位。 在环境问题和经济因素压力下，传统地化学计量氧化反应已成为实现 可持续发展的重要障碍，这些精细有机化学品的绿色生产技术将成为 催化氧化研究中一个活跃的创新领域，本课题选用分子氧过氧化氢 为清洁氧源，分别研究了分子氧液相氧化异佛尔酮( 0 i p ) 制取氧化异 佛尔酮p ) ；过氧化氢氧化异佛尔酮制取3 ，3 二甲基5 己酮酸； h c l h 2 0 2 原位氯化丁酮制备3 氯丁酮。主要获得了以下几个方面的 研究成果： 1 ) 发现以乙酰丙酮作溶剂，c u c l 2 催化分子氧氧化0 c i p 制得k 的收率达5 7 。不仅降低了反应温度( 1 0 0 比1 5 0 ) 和缩短了反应 时间( 1 0h 比6 天) ，而且打破了以往集中在以钼催化剂的研究限制。 研究设计了一套催化氧化o c i p 制p 的反应装置，其突出优点在于 能够很好的分离出反应生成的水，有效地避免催化剂遇水失活。优化 了氧化反应的工艺条件并用密度泛涵理论( d f t ) 对催化物种进行了模 拟计算，提出了可能的反应机理。 2 ) 探索了以v 2 0 5 为催化剂，催化过氧化氢氧化仅i p 制取3 ，3 - 二甲基5 己酮酸，克服了传统的化学氧化法中存在的缺点。重点考 察了反应时间、溶剂、催化剂、反应物的摩尔比以及温度的影响规律， 得出了随着反应时间延长和过氧化氢量的增加，0 【的转化率和目标 产物的选择性逐渐升高，同时发现反应介质的酸碱性对3 ，3 二甲基 5 己酮酸和5 乙酰基4 ，4 二甲基2 二氢呋喃酮选择性有较大影响， 初步分析了可能的氧化反应机理。 3 ) 以新的环境友好氯化体系h c l h 2 0 2 ，原位氧化氯化制备3 氯 丁酮。最佳反应条件为：以c u c l 2 作催化剂，n ( 丁酮) ：n ( 盐酸) ：n ( 过氧 化氢) = 2 ：1 ：1 3 ，在7 8 下搅拌回流5h ，原料转化率可达到5 2 4 3 ，3 氯丁酮的选择性可达7 6 以上。利用密度泛涵理论( d f t ) 对反应产物 的选择性进行了理论解释。 关键词：氧化异佛尔酮，3 氯丁酮，3 ，3 二甲基一5 一己酮酸，催化氧 化，h c l h 2 0 2 a bs t r a c t 0 x i d a t i o nr e a c t i o nh a sb e e na ni n t e r e s t i n ga r e ao fr e s e a r c hi no r g a n i c s y n t h e s e s f o r p r e p a r i n gp h a m l a c e u t i c a l m a t e r i a l sa n d f l a v o r i n g s e n v i r o m e n t a la n de c o n o m i cp r e s s u r e sa r ef o r c i n gi n d u s t 巧u 聘e n t l yt o d e v e l o pn e wc l e a nc a t a l y t i ct e c h n o l o g i e st op r o d u c et | l e s ef i n ec h e m i c a l s t oo v e r c o m et h e s es t o i c h i o m e t r i co x i d a t i o n s w eu s e dm o l e c u l a ro x y g e n a i l dh y d r o g e np e r o x i d ea sa no x i d a n tb e c a u s em e ya r et i l em o s td e s i r e d o x y g e n s o u r c e t h e s er e a c t i o n ss u c h a s c a t a l y t i c o x i d a t i o no f 洳i s o p h o r o n e ( 仅一p ) t ok e t o i s o p h o r o n e ( k i p ) w i t hm o l e c u l a ro x y g e n ， o x i d a t i o no f 戗i pt o3 ，3 d i m e t h y l - 5 一o x o - h e x a n o i ca c i dw i t hh y d r o g e n p e r o x i d e ，a n do x i d a t i o n c h l o r i n a t i o no fb u t a n o n et o3 - c h l o r o 一2 - b u t a n o n e w i mh 2 0 2 h c lh a v eb e e ni n v e s t i g a t e di nt l l i st h e s i s a c q u i r e dr e s e a r c h r e s u l t sa sf o u o w s ： 乡 一 1 ) t h ec o p p e rc h l o r i d e - c a t a l y z e do x i d a t i o no f 反- i pw i t hd i o x y g e ni n a c e 够l a c e t o n eg a v e pi n5 7 y i e l d ，w i t hr e s p e c tt om er e m a r k a b l y s h o r tr e a c t i o nt i m e ( 1ohv e r s u s5d a y ) a n de v e ni i lt h el o w e rr e a c t i o n t e m p e r a t u r e ( 1 o o v e r s u sl5o ) t h en e wc a t a l y t i cs y s t e mb r o k e t 1 1 r o u g ht h el i m i to ft r a d i t i o n a lw a yi nh e t e r o g e n e o u sm o l y b d e n u mb a s e d s y s t e m s t h ee x p e r i m e n t a l 印p a r a t u sw a sd e v i s e df o ro x i d a t i o no f 仅- i pt o k 【p a na ( 1 v a n t a g eo fm e c o n c e p ti st h a ti ta v o i d sd e a c t i v a f t i o no fc a t a l y s t w i t hw a t e rf o m e dd u r i n go x i d a t i o np r o c e s s r e a c t i o nc o n d i t i o n sw e r e o p t i m i z e d ap o s s i b l em e c h a n i s m o fa e r o b i co x i d a t i o no 一i pc a t a l y z e db y c u c l 2w a sp r o p o s e db a s e do na ni n v e s t i g a t i o nb yd e n s i t ym n c t i o n a l m e o 拶( d f t ) 2 ) 0 口w a so x i d i z e dt o3 ，3 - d i m e t h y l - 5 一o x o _ h e x a n o i c a c i dw i t h h y d r o g e np e r o x i d ei nt h ep r e s e n to fc a t a l y s tv 2 0 5w i mt h ea i mo f 0 o v e r c o m i n gt h e s es t o i c h i o m e t r i co x i d a t i o n s t h ei n n u e n c e so fr e a c t i o n c o n d i t i o n ss u c ha ss o l v e n t ，r e a c t i o nt e m p e r a t u r e ，r e a c t i o nt i m e ，r a t i oo f r e a c t a n t s ，c a t a l y s tw e r ee x a m i n e di nd e t a i l t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt l l e i n c r e a s eo fa m o u n to fc a t a l y s ta n dp r o l o n g a t i o no fr e a c t i o nt i m ec o u l d e n h a n c et h e c o n v e r s i o n o f0 - i p a n d t h e s e l e c t i v i t y o f 3 ， 3 一d i m e t h y l 5 一o x o h e x a n o i c a c i d f u r t h e m o r e ，t h es e l e c t i v i t y o f 3 ， 3 一d i m e t h y l 一5 一o x o - h e x a n o i c a c i da n d5 - a c e t y l 一4 ， 4 一d i m e t h y l d i h y d r o - 如r a n 一2 ( 3 h ) 一o n ew e r ea c c e s s i b l et op ho fm es y s t e m am e c h a n i s mo f o x i d a t i o nw a sp r o p o s e df o rm ea b o v ep h e n o m e n o n 3 ) 3 一c h l o r o - 2 _ b u t a n o n ew a se c o 一丘i e n d l ys y n m e s i z e db yc h l o r i n a t i o ni n s i t uw i t hh c l h 2 0 2 t h eo p t i m u mp r e p a r a t i o nc o n d i t i o n sw e r ec u c l 2a s c a t a l y s t ，n ( b u t a n o n e ) ：n ( h c l ) ：n ( h 2 0 2 ) = 2 ：1 ：1 3 ，r e a c t i o nt e m p e r a t u r e7 8 a n dr e a c t i o nt i m e5h t h ec o n v e r s i o no fb u t a n o n ea m o u n t e dt o - 5 2 4 3 ，a n dt h es e l e c t i v i t yo f3 - c h l o r o - 2 - b u t a n o n ew a so v e r7 6 t h e s e l e c t i v i t yo fp r o d u c tw a si n t e 印r e t e db yu s i n gd e n s i t y 如n c t i o n a lm e o 巧 ( d f t ) 疗o mt h em o l e c u l a rf i g u r a t i o n 1 ( e yw o r d s ：k e t o - i s o p h o r o n e ，3 一c h l o r o 一2 - b u t a n o n e ，c a t a l y t i co x i d a t i o n h 2 0 2 一h c l ，3 ，3 一d i l i l e l y l 一5 一o x o _ h e x a n o i ca c i d - r 异佛尔酮氧化及丁酮氯化的新方法研究 第一章绪论 氧化反应是精细化学品生产中最重要的反应，通过氧化反应可以 使碳氢化合物或其衍生物氧官能团化，从而得到各种非常重要的有机 合成中间体，然而日益严重的环境压力【l 】，使得实现可持续发展成为 化学工业面临的重要挑战，因此精细有机化学品的绿色生产技术已成 为催化氧化研究中一个活跃的创新领域。据统计，用催化过程生产的 各类有机化学品，催化选择性氧化生产的产品约占2 5 【2 1 。寻找和开 发一个多用途的绿色催化氧化体系，无疑具有很高的工业实用价值和 广泛的应用前景，已是国际上开发绿色技术的主攻方向之一。 在氧化反应中，有机化合物氧官能团化产物中的氧元素来源于反 应所用的氧化剂。从适应于环境友好的化学过程和以产品为导向的化 工过程发展趋势来看，传统地化学计量反应的氧化剂显示了它的突出 缺点，根据其作用特点的不同，大致分为以下几种类型【1 。3 1 ： 1 ) 金属元素的高价化合物，例如，0 4 、m n 0 2 、m n 2 0 3 、c r 0 3 、 k 2 c r 2 0 7 、p b 0 2 、c e ( s 0 4 ) 2 和c e ( n 0 3 ) 4 等。这些氧化剂的主要缺点是 氧化性太强，不易控制，同时不仅反应条件苛刻，而且被还原的氧化 剂经常以金属离子形式作为废液排出，对安全生产和环境保护有着极 大的危害性，如工业上用重铬酸钾氧化对硝基甲苯制备对硝基苯甲酸 和高锰酸钾氧化3 一甲基吡啶制备烟酸等( e q s 1a n d2 ) 。 f h 3宁o o h 删n 0 4 州2 s 吣 一 + 唧4 m s 0 4 州z 刚， f h 3甲o o h n a 2 c r 2 0 7 + h 2 s 0 4 + 国“r 2 ( s 。4 ”n a 2 s 0 4 + h 2 0 ( 2 ) ，、 i n 0 2 肉o ， 硕士学位论文 2 ) 非金属元素的高价化合物，例如，删0 3 、n 2 0 4 、n a n 0 3 、 n a n 0 2 、h 2 s 0 4 、s 0 3 、n a c l 0 和n a c l 0 2 等。存在的缺点有腐蚀性强， 对环境产生有害的n o x ( n 0 ，n 0 2 和n 2 0 ) 和s 0 2 ，其中虽然n 0 和 n 0 2 可以被回收于生产斟0 3 的装置，n 2 0 却不能被有效回收利用而 成为主要的污染源，如工业上用硝酸氧化k a 油生产已二酸( e q 3 ) 。 l + h n 0 3 j c u s 0 4 ，n h 4 v 0 3 r ：殳z ：+ n o x f + h 2 0 ( 3 ) c 0 2 h 刮 一 3 ) 其它无机富氧化合物，例如，臭氧、过氧化钠、过碳酸钠和 过硼酸钠等。在这些氧化剂中，臭氧在操作和运输中需要一些特别的 反应设备，而过氧化钠、过碳酸钠和过硼酸钠等，它们的制备困难， 价格相对昂贵，如仅蒎烯的氧化开环制备蒎酮酸( e q 4 ) 。 4 ) 有机富氧化合物，例如，有机过氧酸、硝基苯、间硝基苯磺 酸和2 ，4 一二硝基氯苯等。它们的价格昂贵，生成的副产物易与反应 后的有机相产物混溶，不仅增加了产物分离提纯的难度，而且这些废 液排放也给环境带来了恶劣的影响，如用叔丁基过氧化氢氧化仅一异佛 尔酮制备氧化异佛尔酮( e q 5 ) 。 o o o + t - b u o h + h 2 0 ( 5 ) 5 ) 非金属元素，例如，卤素。由于卤素的剧毒性和强腐蚀性， 对操作人员和人居环境易构成安全隐患，如工业上生产a c 发泡剂( 偶 氮二甲酰胺) ，以氯气为氧化剂，在溴离子的存在下与联二脲反应制得 a c 。 h 2 n c o n h n h c o n h 2 + c 1 2 曼 + h 2 n c o n n c o n h 2 + 2 h c l( 6 ) 洲。 异佛尔酮氧化及丁酮氯化的新方法研究 为了解决氧化过程给环境带来的危害，无疑使用各类绿色氧化 剂，如氧气和过氧化氢来替代传统使用的各类化学计量氧化剂，是实 现环境友好的关键技术之一，它们的突出优点如下【6 。8 】：其一、分子 氧是一种取之不绝，用之不尽的可持续利用的自然资源，且使用成本 相当低，空气就含有2 1 的分子氧。更为重要的是在氧化反应中分子 氧的原子经济性高( 5 0 ) ，副产物为水，对环境不产生污染。其二、 h 2 0 2 活性氧含量较高( 4 7 ) ，反应活性强，催化氧化反应条件温和， 且反应副产物为水，是对以分子氧作氧化剂的一个较好补充。 目前，用分子氧和过氧化氢来催化氧化有机化合物的报道较多， 如关于烷烃、烯烃、醇、酚、醛、酮、含硫、含氮等有机化合物的氧 化研究【9 。，因此高效、高选择性、能够活化分子氧和过氧化氢的催 化剂研究开发已成为氧化反应中的研究热点。从简单的过渡金属盐到 金属配合物；从液相的均相催化剂到多相的固体催化剂的研究，但各 体系都存在一定的缺点和不足。如果能够应用自然界的氧分子和过氧 化氢，开发出符合绿色化学原则和原子经济概念的新的催化体系，必 将给化学工业带来新的革命，这还需要更多的努力和探索。 许多含有醇、醛、酮以及羧酸及其衍生物的有机化合物大都是重 要的香原料和药物中间体，这些官能团许多都可以通过氧化反应而得 到，由于分子氧和过氧化氢作一种清洁氧源有着无可比拟的优点，因 此在香原料和药物中间体的合成中应用备受广大学者的青睐。 本论文以酮类化合物1 异佛尔酮和丁酮为原料，以分子氧和 过氧化氢为绿色氧源，催化氧化合成高级香料氧化异佛尔酮、医药中 间体3 ，3 二甲基5 已酮酸和用于合成吡嗪、乙偶姻等香料的重要化 工原料3 氯丁酮，旨在克服传统的化学氧化方法带来的环境污染和化 学氧化剂残留对香原料及药物中间体质量的影响。同时也为有机合成 提供一些有意义的绿色化合成方法和思路。 硕士学位论文 第二章催化氧化异佛尔酮合成氧化异佛尔酮 2 1 引言 异佛尔酮( i s o p h o r o n e ) 是丙酮的一种深加工产品，有仅异佛尔酮 ( 3 ，5 ，5 一三甲基一2 环己烯1 酮，a i s o p h o r o n e ，仅一i p ) 和伊异佛尔酮 ( 3 ，5 ，5 一三甲基一3 环己烯一1 酮，伊i s o p h o r o n e ，伊口) 两种同分异构体， 结构式见图2 1 ，异佛尔酮是一种性能优良的高沸点溶剂，在聚氨酯， 胶粘剂，医药，涂料，弹性体和香料等行业中应用广泛，同时也是一 种重要的有机化工原料，由它经加氧制得的氧化异佛尔酮( 2 ，6 ，6 - 三甲 基2 环己烯1 ，4 二酮，k e t o i s o p h o r o n e ，p ) 是合成多种类胡萝卜 素，维生素，香料及脱落酸等化合物的重要中间体1 2 。13 1 ，结构简式见 图2 。1 ，同时本身也是一种天然香料，在各种烟草中都含有的重要香味 o o o k i p 图2 1a i p 、i p 和i 的结构简式 f i g2 1s t m c t u r eo f 仅一i p 、伊i pa n dk i p 表2 1i p 及姗的主要物理性质 t 拍1 e2 1p h y s i c sp r o p e 啊o f 口a n d p 成分，常温下是一种淡黄色液体，其纯品香气强烈，留香持久，香气为 。众阳 异佛尔酮氧化及丁酮氯化的新方法研究 微酸蜜甜的木香，干果香，对各种卷烟都有显著的加香效果【l4 1 ，异佛尔 酮及氧化异佛尔酮的主要物理性质见表2 1 【1 5 】。 氧化异佛尔酮是一种天然产物，它可以从绿色植物中直接提取， 但是这不仅需要大量的原料，而且产率也很低，如果能用人工合成的 方法制备，无疑将具有很大的意义。自2 0 世纪7 0 年代以来，用仅异佛 尔酮及伊异佛尔酮在催化剂存在下人工合成的氧化异佛尔酮在国内 外得到了广泛关注【1 6 】。 方法i ：由伉异佛尔酮制备氧化异佛尔酮( e q 1 ) 。 o o o k i p 目前，研究烯烃烯丙位氧化的催化剂主要集中在过渡金属化合物 17 1 ，特别锰盐和钴盐在自由基氧化反应中应用广泛，如工业生产过程 中，用溴和乙酸钴作催化剂，分子氧氧化对二甲苯制备对苯二甲酸【l 引。 同时该催化体系也能用于仅蒎烯的氧化，但对仅。异佛尔酮的氧化具 有更少的催化活性。随后，过渡金属化合物用来催化氧化及一异佛尔酮 制备氧化异佛尔酮展开了一系列的研究工作 1 引，但催化效果都不够理 想，氧化异佛尔酮的收率仅为2 0 。而且反应条件非常苛刻，如需要 更高的反应温度( 1 5 0 ) 和更长的反应时间( 5 天) ，因此该反应被认 为自由基机理。自从晰d m e r 等发现了磷钼酸，硅钼酸及在氧气环境 下，对仅异佛尔酮有较好的催化效果后，以铝形成的催化剂体系展开 了广泛研究( 表2 2 ) ，反应以磷钼酸，硅钼酸和硫酸铜作催化剂体系， 外加少量有机碱( 芳氨、) ，分子氧为氧化剂，氧化异佛尔酮产率达 4 7 【2 0 。2 3 1 ，但有许多副产物产生，催化剂用量很大，且有相当一部分不 能重新利用及反应时间长等弱点。值得一提是，日本学者h a n y u a t s u s h i u 2 4 】将磷钼酸盐负载在活性碳上，得到5 5 的f i p 产率。文中 硕士学位论文 研究了活性碳的孔径及酸性对f i p 和p 的区域选择性有着重要影 响。b e c k e r 等 2 5 】提出了一种由及异佛尔酮氧化制取氧化异佛尔酮的 方法，在v 、c o 及f e 络合物( 如乙酰丙酮和钒( i i i ) ) 催化剂存在下，用 分子氧作氧化剂进行氧化，此方法和前法有些类似，效率也不高。最 近，m 唧h y 等 2 6 】提出以d m s o 为溶剂，用磷钼酸作催化剂，少量有 机强碱( 叔丁醇钾) ，在一个大气压下用分子氧氧化a 异佛尔酮制得氧 化异佛尔酮，产率高达7 0 ，但是，产物氧化异佛尔酮与d m s o 沸 点相差不大，给分离带来困难。 表2 2 含钼的催化剂体系对a i p 氧化研究 t 由1 e2 20 x i d a t i o no f 玟- i p 、杭t hm o l y b d e n u mc a t a l y s t 日本h o s o k a w a 等阳发现以苯为溶剂，p d ( i i ) 盐，三乙胺和c u c l 为催化剂体系，用扣b u 0 0 h 氧化仅异佛尔酮，氧化异佛尔酮的产率 在4 9 5 5 之间，文中认为三乙胺对a 异佛尔酮烯醇化起了重要作用。 b 巧a n 等 2 8 】报道了在溶剂系统中，利用元素周期表中i b ，v i b ， i i 族金属化合物催化剂( m n ，f e ，c o ，c u ，v ) ，特别是在c u c l ，邻 苯二甲酸铵铜( i i ) ，v 2 0 5 ，f e c l 3 存在下，用高浓度h 2 0 2 ( 7 0 ) 作氧化 剂，对仅。异佛尔酮直接氧化生成氧化异佛尔酮。最佳优化条件：a 一 异佛尔酮摩尔分数为o 5 5 ，反应温度5 0 7 0 ，反应时间o 5 5 d 时，氧化异佛尔酮的产率为2 0 3 0 左右。另外，脚h y 等【2 9 】报 道了在一个大气压下，利用钒和锂的磷酸盐负载在分子筛上作催化剂 进行气相反应，氧化异佛尔酮的选择性达7 0 以上，但转化率只有 异佛尔酮氧化及丁酮氯化的新方法研究 1 7 。 方法i i ：由伊异佛尔酮制备氧化异佛尔酮( e q 2 ) 。 o o k l p ( 2 ) 由于仅异佛尔酮热力学上较为稳定，伊异佛尔酮一般经仅一异佛尔 酮异构化得到，为寻找较为合适的反应条件及有效的催化剂，国内外 已有一系列的专利或文献报道( 表2 3 ) 。由于异构化不是本课题的研 究重点，仅异佛尔酮异构为异佛尔酮的国外研究进展简要概述如表 2 3 【l5 i ，伉异佛尔酮和伊异佛尔酮之间的异构化是可逆反应，存在化学 平衡，只有不断通过反应蒸馏移走产生的异佛尔酮，才能使反应不 断朝有利的方向进行，同时只有设法提高催化剂的催化性能，才能有 效地提高异构化反应速率。因此，现有的异构化方法都采用反应蒸馏， 来提高反应产物的收率。 表2 3a i p 异构为伊i p 的国内外研究进展 r l b l e2 3s t u d yo fi s o m e r i z a t i o mo f 仅一i pt o 伊i p 在相同反应条件下，伊异佛尔酮比反异佛尔酮具有更强的反应活 性，因此，国外对伊异佛尔酮的氧化研究比较成熟( 如下表2 4 ) 。自 从b r e l m e r 【3 7 1 揭示了简单的金属盐( v ，c o ，f e ，l ，c r ，a 1 ) 及有机 碱( 吡啶) 对氧化。异佛尔酮有良好催化效果后，国外许多学者对此展 开了一系列研究，其中b e l l u t 【3 8 1 等考察了以乙酰丙酮合钒( i i ) 盐另加 ，j一 一 。众阳 m 一 硕士学位论文 吡啶作催化剂，在不加其它溶剂的条件下，用分子氧或含氧气体氧化 伊异佛尔酮制得氧化异佛尔酮，惊喜地发现通过使用这种配体催化剂， 只需加少量含氮碱且不用其他溶剂，这就降低了能耗。b a c k e r 【3 9 j 等将 锰和钴的催化剂固定在硅胶上，进行多相催化反应发现氧化异佛尔酮 的收率在2 8 4 7 之间，同时一个有意义的发现，在不加金属盐，只 用活性碳和三乙胺作催化反应体系也能顺利将一异佛尔酮氧化为氧 化异佛尔酮，收率达7 5 【4 0 1 。o s t o v i c 等【4 1 】人对金属卟啉催化分子氧 氧化伊异佛尔酮进行综述，综述中描述以乙二甲醚为溶剂，四苯基卟 表2 - 4 由伊i p 氧化为p 的国外研究进展 f b b l e2 4s t u d yo fo x i d a t i o no f 一i pt ok i p 啉( t p p ) 配体，结合n 缸( i i ，i i i ) ，f e ( i i ，i i i ) ，c u ( i i ) ，c o ( i i ) 等络合离子作催 化剂，另加少量水和三乙胺为助剂，进行催化反应，其中氧化异佛尔 酮的收率达9 3 ，其中以t t p c i 的催化效果最佳。又如以 m ( s a l e n ) ( m = m n ，f e ，c o ，c u ) 形成的催化剂 4 2 _ 4 4 1 ，在三乙胺，水和 溶剂体系中，分子氧能高效快速的将伊异佛尔酮氧化为氧化异佛尔 酮，其中以m n ( s a l e n ) 催化剂效果最好。同样以m n ( s a l e n ) ，乙二胺， 三乙胺为催化剂体系，在氧气氛下用t b 肿氧化伊异佛尔酮得到氧化 异佛尔酮，产率高达9 3 4 ，且无环氧化产物生成【4 5 1 。德国b a s f 公 司在中国申请的专利描述了在惰性溶剂和碱以及或c o s a l e n 衍生 物存在下，通过用分子氧氧化胁异佛尔酮可制得氧化异佛尔酮，并报 道了以或c o s a l e n 衍生物为催化剂，三丙基胺等为有机碱，特别推 荐以二甲基甲酰胺( d ) ，二甲基乙酰胺( d m a ) ，n 一甲基吡咯烷酮 异佛尔酮氧化及丁酮氯化的新方法研究 m ) 等有机溶剂中进行分子氧氧化制备氧化异佛尔酮的方法【4 叫7 l 。 近年来，文献h 8 1 描述了将m ( s a l e n ) ( m = 1 ，f e ，c o ，c u ) 键合在硅胶 上，进行多相催化氧化，但效果都不够理想。由于m ( s a l e n ) 配体对伊 异佛尔酮氧化具有独特的催化性能，国外学者以m n ( s a l e n ) ( m = m n ，f e ， c o ，c u ) 为催化剂，对伊异佛尔酮的氧化机理进行了深入研究， c o n s t a n t i n 等【4 9 1 认为异佛尔酮的氧化都要经过烯醇式中间态，且为反 应的决速步骤，但仅。异佛尔酮比异佛尔酮烯醇化更加困难，因此伊 异佛尔酮更易氧化。机理如下图2 2 ，首先氧的络合物与伊异佛尔酮 发生自由基加成，形成烯醇化的异佛尔酮，接着进行电子转移，重 新产生催化剂和生成氧化产物。同时h a l l i g u d i 等 5 0 】用 缸( i i ) 络合物 作催化剂，反应温度2 8 3 3 0 0k ，氧气分压为2 0 3 3 0 4l ( p a 条件下，分 子氧氧化口异佛尔酮生成氧化异佛尔酮的动力学进行了探索，实验结 o a i p o b a s e s 1 0 w o o + l m n ( 川) 一o h 一 o o m n ( 川) l o o o m n ( 川) l o o o m n ( 川) l o o o m n ( 川) l + l m n ( f j ) + o h 。 +l m n ( i ) o h o k l p 图2 2 反应机理 f i g2 - 2p r o p o s e dr e a c t i o nm e c h a n i s m 。众一 硕士学位论文 果表明伊异佛尔酮氧化速率与催化剂及伊异佛尔酮的浓度一次幂成 正比，与氧气分压的o 5 次幂成正比。 2 2 实验部分 2 2 。1 仪器和试剂 1 异佛尔酮( i s o p h o r o n e ， 9 9 ，湖南长沙卷烟厂提供) ； 2 乙酰丙酮( a c e t ) ，1 a c e t o n e ，a r ，上海陆都实业有限公司) ； 3 氯化铜( c o p p e rc h l o r i d e ，a r ，湖南师范大学化学试剂厂) ； 4 甲醇( m e m a n o l ，蝇湖南师范大学化学试剂厂) ； 5 乙酸乙酯( e t h y la c e t a t e ，皿湖南师范大学化学试剂厂) ； 6 三乙胺( t r i e t h y l a m i n e ，a r ，中国医药集团上海化学试剂公司) ； 7 苯( t 0 1 u e n e ，a r ，湖南师范大学化学试剂厂) ； 8 四氢呋喃( 唧ja r ，上海化学试剂厂) ； 9 氯苯( c h l o r o b e n z e n e ，a r ，湖南师范大学化学试剂厂) ； 1 0 吡啶( p y r i d i n e ，a r ，上海三浦化工有限公司) ； 1 1 氯化钴( c o b a l tc h l o r i d e ，a r ，广东台山化工厂) ； 1 2 氯化锰( m a n g a n e s ec h l o r i d e ，飓广东台山化工厂) ； 1 3 醋酸钴( c o b a l ta c e t a t e ，a r ，广东台山化工厂) ； l4 氯化钯( p a l l a d i u mc h l o r i d e ，a r ，a c r o s ，+ 4 7 5 p d ) ； 15 氯化铁( f e m cc h l o r i d e ，a r ，广东化工厂) ； 1 6 醋酸锰( m a n g a n e s ea c e t a t e ，氓上海陆都实业有限公司) ； 1 7 氯化亚铜( c u p r o u sc h l o r i d e ，a r ，广东化学试剂厂) ； 18 溴化铜( c o p p e r b r o m i d e ，蝇广东化学试剂厂) ； 19 碘化亚铜( c u p r o u si o d i d e ，a r ，天津大茂化学试剂厂) ； 2 0 醋酸铜( c o p p e ra c e t a t e ，a r ，广东化学试剂厂) ； 2 1 硫酸铜( b 1 u e s t o n e ，a r ，天津化学试剂厂) ； 异佛尔酮氧化及丁酮氯化的新方法研究 2 2 氯化钠( s o d i u mc h l o r i d e ，a r ，天津化学试剂三厂) ； 2 3 磷钼酸( p h o s p h o m o l y b d i ca c i d ，a r 中国医药集团上海化学试剂公 司) ； 2 4 氯化锂( l i t h i u mc h l o r i d e ，a r ，天津化学试剂三厂) ； 2 2 2 合成思路 反一异佛尔酮容易得到，热力学比较稳定。显然，由仅异佛尔酮氧化 制氧化异佛尔酮是更具有吸引力的工艺路线2 9 1 。在此基础上，我们探 索了一种新的催化氧化方法，以氯化铜为催化剂，乙酰丙酮为溶剂， 在分子氧作用下，一步氧化合成氧化异佛尔酮( 如下图2 3 ) 。 c u c l 2 0 2 a c e t ) ，l a c e t o n e 2 a 3 a k i pf i p 图2 3c u c l 2 催化分子氧氧化a i p s c h e m e2 3o x i d a t i o no fa i pw i t hc u c l 2 0 2 2 2 3 反应装置 反应装置分为四个部分：反应器，量气管，干燥管和恒流泵。首 先把氧气注入量气管，然后通过恒流泵将气体导入反应器，氧气能够 循环利用，干燥管( 内装4a 分子筛) 用来吸收反应过程中产生的水， 避免催化剂遇水失活( 图2 4 ) 。 2 2 4 实验操作 在一个反应器中加入一定浓度氯化铜的乙酰丙酮溶液，搅拌1 0 m i n ，然后再加入一定量的仅一i p ，通入氧气，在温度8 0 1 3 0 间反应， v 暑 硕士学位论文 记录氧气的消耗体积，反应中隔时取样，然后在液相色谱仪上分析。 图2 4 氧化异佛尔酮实验装置图 f i g 2 4e x p e r i m e n te q u i p m e n to fa i s o p h o - o n eo x i d a t i o n 2 2 5 反应产物的分析及组成 2 2 5 1 色谱分析产物的组成 反应产物经处理后用a 西e n t 1 l o o 高效液相色谱仪分析，检测器 为s p d 一6 a v 型紫外分光光度检测器，色谱柱为e c l i p s e 出一c 18 9 9 ( 4 6m m 2 5 0m m ，5u m ) 。通过与氧化异佛尔酮标样的保留时间对照 初步判断产物中是否有氧化异佛尔酮生成，并用外标法求出其浓度， 然后用色谱一质谱联用仪和液一质谱联用仪对产物定性。分离条件为： 流动相6 0 的甲醇，4 0 的水，分离柱温度2 9 8k ，进样量1 0p 1 ，检 测波长2 3 7 5 姗。 p 标准工作曲线的绘制：配制l o o o 肛咖n l 的p 标准溶液， 用二次蒸馏水稀释成2 5 、5 0 、1 0 0 、2 0 0 、5 0 0 i 酌：n l 的不同浓度溶液， 取1 0p 1 注入液相色谱，以进样的浓度为纵坐标，对应的色谱峰面积 为横坐标绘制标准工作曲线。其线性方程：y _ 9 0 5 0 0 6 4 + 7 6 1 4 1 7 x 异佛尔酮氧化及丁酮氯化的新方法研究 ( 1 0 1 ) ，其中x 代表p 的浓度，y 代表p 的峰面积。这说明p 浓度在5 1 0 0 0p 咖l 时，其浓度与色谱峰面积呈良好线性关系( 图 2 - 5 ) 。 由于反应时间较长，在加热情况下伉i p 有少量聚合，仅i p 转化 率和p 的选择性计算如下： 仅一i p 转化率：墼全量丝l 二二堕型塑燮10 0 投入量( g ) 1 3 8 k i p 选择性= k i p 的量电) 面 投入量( g ) 一未反应的量( g ) 图2 5 姗的标准曲线 f i g 2 5s t a n d a r dc u r v eo fk 妒 l o o 2 2 5 2 色谱一质谱联用仪 产品经气相色谱一质谱联用仪分析，气相色谱条件：采用d b 一5 的 毛细管柱( v a d 2 u 1 公司) ，3 0m ( 长度) o 3m m 内径o 2 5 肛m ( 膜厚) ，程 序升温，初温5 0 ( 保留1m i n ) ，升温速度6 m i n ，终温1 4 0 ，气 化室温度恒定2 0 0 ：质谱条件：离子阱质谱检测器，电子轰击源7 0 硕士学位论文 2 2 5 3 红外光谱 催化剂的红外光谱图是在n e x u s6 7 0 f t - i r e s p 红外光谱仪上 进行的，主要对催化剂的结构进行定性鉴定。 2 2 5 4 紫外一可见吸收光谱 产物的紫外一可见吸收光谱在g e n e r n a i ，t u 一1 2 2 1 紫外一可见光 谱仪上进行，产物均配成稀溶液。 2 2 6 产物的分离与提纯 先将所得反应产物进行过滤，分离出不溶物氯化亚铜，接着水泵 抽真空减压脱去乙酰丙酮溶剂。然后采用精馏工艺，精馏柱内径1 5 m m ，长6 0 0m m ，以拉西环作填料，真空由真空油泵获得，蒸发量通过 调节恒温磁力搅拌器的变压器电压来控制，塔顶冷凝器用室温自来水 冷却，釜温10 5 1 1 0 ，收集5 8 6 1 6 5 4p a 的馏分。 2 3 结果与讨论 由仅i p 一步氧化合成p ，国外相关报道大部分集中在以钼催化 剂的研究，反应中有许多副产物产生，催化剂用量很大，要求反应时 间长，且有相当一部分原料不能重新利用等弱点。根据元素周期表中 i b ，v b ，v i b ，v i i i 族金属化合物( m n ，f e ，c o ，c u ，v ) 在有氧反应 中用作常见的催化剂【5 1 1 ，另一方面，在伊i p 氧化反应中乙酰丙酮是一 种常用的助剂【5 2 巧3 1 ，于是，我们以乙酰丙酮为溶剂，不同过渡金属化 合物作催化剂进行了研究探索，试图发现一个较好的全新催化氧化体 系。 异佛尔酮氧化及丁酮氯化的新方法研究 2 3 1 不同金属盐作催化剂时的以一lp 氧化反应 表2 5 中可以看出，用氯化铜作催化剂时，仅i p 的转化率达7 6 ， p 的选择性为6 3 ，p 与f i p 的区域选择性之比为5 7 ，说明在分 子氧作用下，氯化铜在仅i p 氧化合成p 中具有独特的催化性能。 另一方面，通过空白实验比较说明，单独以乙酰丙酮为溶剂，以i p 氧 化反应很难发生，转化率仅为8 。同时我们也发现，在氧化反应中 氯化钯也表现了较高的催化活性，虽然转化率只有1 7 ，但p 的 表2 5 不同过渡金属盐对异佛尔酮氧化反应的影响 7 1 1 a b l l e2 5o x i d a t i o no f 反- i s o p h o r o n ec a t a l y z e db yd i 自眙r e n t 仃a n s i t i o nm e t a ic a t a l y s t s 1一8 28 8 51 46 3 2 2 c u c l ，7 6 66 2 51 1 5 6 8 3 c o c l ，1 1 52 8 23 8 7 4 4mcl，1 3 74 8 22 42 0 1 5 c o f a c ) 2 6 88 0 72 63 0 o 6 p d c l ，1 7 49 1 31 27 6 1 7 f e c l ，9 55 0 52 3 2 2 0 8 m n ( a c ) 2 3 77 0 o1 7 4 1 2 c o n d i t i o n ：仅一i s o p h o r o n e ( 2 9m m 0 1 ) ；c a t a l y s t ( 1 5m m 0 1 ) ；a c e 够l a c e t o n e ( 2 0m l ) ；t 2 1 0 0 ；仁1 0 h ：0 2b u b b l i n g 4d e t e 船i n e db yh p l c a n db a s eo nr e a c t e d 。【- i s o p h o r o n e os m a l la m o u n t s o fu n i d e n t i 6 e dp r o d u c t sb a s eo nr e a c t e ds u b s n a t e o s 2 a s 3 。s e l e c t i v i 够t ok e t o i s o p h o m n e ( 2 a ) f o m y l 一i s o p h o r o n e ( 3 a ) 选择性达到9 1 ，由于氯化钯催化活性相对太低，且价格非常昂贵， 因此在工业化生产中相对难以应用和推广。氯化钴、氯化锰、醋酸钻、 醋酸锰和氯化铁等金属化合物在氧化反应中是常见的催化剂，但在催 化氧化仅。i p 合成姗中，表现的催化活性太差( 4 一1 4 ) ，没有实际 应用价值。 2 3 2 不同金属铜盐作催化剂时的仅一ip 氧化反应 硕士学位论文 自然界的氧化还原酶，大多是金属酶，即其活性中心是金属离子； 在生命体活动过程中，氧化还原酶起到传输和利用氧的作用，而其中 金属铜离子表现的效果最好，于是，我们又探索了含不同阴离子的金 属铜盐，结果列于表2 6 。从表2 6 中我们可以看出，氯化亚铜也是 一种较好的催化