（分析化学专业论文）邻、对氯苯甲酸合成新方法研究及结构分析.pdf

虫直友生硬堂位论文 摘要 本论文主要包括以下三部分： 1 以对甲苯胺为原料，经重氮化反应和s a n d m e y c r 反应合成对氯甲苯。本实验对 该方法进行了如下改进：将c u s 0 4 5 h 2 0 和n a c l 分别溶解加热后再合并，避免一 起溶解加热时产生不溶性的白色粉末；往对甲苯胺溶液中加入少许冰块，使其保持 在o 5 ，并补充少许浓盐酸，以弥补加热时盐酸的损失和冰块溶解后的稀释，从 而保证溶液的酸度；用甲苯直接萃取对氯甲苯代替水蒸汽蒸馏。改进后的合成方法 取得了良好的效果，对氯甲苯的收率由文献报道的6 0 提高到了8 0 。 2 系统地研究了用p t c 山1 0 4 方法氧化邻、对氯甲苯合成邻、对氯苯甲酸。用 高锰酸钾氧化氯代甲苯时需要在水溶液中进行，由于氯代甲苯不溶于水，该反应属 于两相反应，因此反应不易进行彻底，收率偏低。相转移催化剂能将反应物从一相 转移到另一相，从而加速反应。工业级的季铵盐a l 在分离过程中不乳化，使产物 易于分离纯化，产物收率较高。本文采用季铵盐a 一1 作相转移催化剂，圈n o 。为 氧化剂，考察了不同p t c 试剂的催化性能、p t c 用量、反应温度、反应时间、k m n 0 4 用量、水的用量等对产物收率的影响。通过实验比较了8 种p t c 试剂的催化效果， 发现季铵盐a 1 对砌血0 4 氧化邻、对氯甲苯合成邻、对氯苯甲酸，具有最好的催 化活性。本实验的优化反应条件为：在中性反应体系中，物料比( 摩尔比) 为邻、 对氯甲苯：k m n 0 4 ：a 一1 ：h 2 0 = 1 ：2 6 ：o 0 5 ：3 0 0 ，反应温度为9 3 ，反应时间为2 5 h 。 在此反应条件下，邻、对氯苯甲酸的收率分别可达7 6 4 、7 6 9 。该方法具有反应 条件温和、反应时间短、操作简便等优点，具有良好的工业应用前景。 3 采用微波辐射结合p t c k m n 0 4 方法氧化邻、对氯甲苯合成邻、对氯苯甲酸。 微波有机合成是2 0 世纪8 0 年代后期兴起的一项有机合成新技术。微波辐射具有加 热速度快、加热均匀等特点，将微波辐射与相转移催化相结合，既可改善反应条件， 又可节省反应时间，从而节约宝贵的能源。实验考察了微波功率、反应时间、p t c 的选择、k m n 0 。用量、溶剂水的用量等因素对产物收率的影响。实验结果表明，本 实验的优化反应条件为：在中性反应体系中，物料比( 摩尔比) 为邻、对氯甲苯： k m n o 。：a 一1 = 1 ：2 4 ：o 0 6 ，水的用量为1 0 0 m 1 ，微波功率为4 5 5 w ，反应时间为 3 0 m i n 。在此反应条件下，邻、对氯苯甲酸的收率分别可达7 0 8 、7 2 5 。 【关键词l 重氮化反应；相蕉移催化氧化；季铵盐a ：1 j 高锰酸钾；微波辐射；邻、 对氯苯甲酸 虫直太生砸堂位论文 a b s t r a c t o ，p c t l i o m b e n z o i ca c i d sa r e 觚oi i n p o r t a i l tp r i m a r ym a t e r i a l so ri n t e i l e d i a t e sa n d h a v ee x t e n s i v ea p p l i c a t i o ni i lo 婚a n j cs y n t h e s i sr e a c t i o mo f p e s t i c i d e ，m e d i c i i l ea 1 1 dd y e e t c t h e yh a v e b e e ns y n t h e s i z c d 丘d mo ，p c h l o r o t 0 1 u e n ei i lt l l i sp a p e r b yt h ep r i n c i p l eo fd i a z o t 枷o na i l ds 卸缸c y e r 石o n ，p c 1 1 1 0 m t o l u c n ew a s o b t a i n e d1 i t hm ed e c o m p o s m o no fm ec o m p o 衄dw l l i c hw a sg o ta f t e ri n t e m i ) 【i n gt h e d i a z os a l t 研血c u p r o u sc h l o r i d es o l u t i o n i tw a sr 印o r t e dt b a tp c l l l o m t 0 1 u e n ew a sg o t a f t e rd i s t i l l a t i o nw i mw a c e rv a p o r m l i sp a p e r m a r l yr e 枷o nc o n d i t i o n sh a v eb e e n i m p r o v e d ，s u c ha sm i x i n gm es o l u t i o no f c u s 0 4 5 h 2 0a i 】dt h es o l u t i o no f n a c li n s t e a d o fm i x i n gc u s 0 4 。5 h 2 0a n dn a c lt oa v o i dt h eu n s o l v 曲l ew 协t ep o w d e r ，a d d i n ga1 i t t l e o fi c ei n t ot h ep t 0 1 u i d j n es o l u t i o nt oc o n 订o l t h et e m p e r a t i l r eb e 觚e e no 5 d 嘶n gt h e d i a z o t i z a t i o n ，a d d i n gs o m eh y d r o c h l o ca c i dt oe n s l l r em ea c i d i t yo ft 1 1 es 0 1 u t i o na n d d i r e c te x t r a c t i o no fp c h l o m t o l u e n ew i t ht o l u 0 1 i naw o r d ，t h ei m p m v e dm e t h o dh a sa 9 0 0 de f r e c t t h ep t c p o t a s s i 啪p e n n 粕g a l l a t eo x i d i z a t i 0 m e t h o dw a s印p l i e di i lt h e e x p c r i m e m ，i nw 1 1 i c hp o t a s s i 啪p e r m 卸g a n a t eo x i d i z e do ，p c h l o r o t o l u c n et op m d u c eo ， p c h l o r o b e n z o i ca c i d sw i mq u a t e m a r ya m m 础u ms a l ta - l a sp h a s en 强s f e rc a t a l y s t ( p t c ) u n d e rt h en e u t r a lr e a c t i o nc o n d m o 璐t h r o u g has 耐e so fe x p e r i m e m s ，m ee f k c t s o fd i f f 打e n tf a c t o r ss u c ha sd i f 衔e n tp t ca c t i v i 哆，p t cr e 蟛i n ta n l o u n t ，r e a c t i o n t e m p e r a t u r e ，r e a c t i o nt i m e ，p o t a s s i u mp e r m a n g a n a t ea m o u n ta i l dw a t e ra m o u n te t c w e r e i n v e s t i g a t e d u n d e rm eo p t i i n a lr e a c t i o nc o n d i t i o n si nw 1 1 i c ht h er e a c t i o nu n d e r w e n tf o r 2 5 ha t9 3 w i t ha 一1a sp t c r e a g e n t ，l ey i e l do f o ，p c h l o m b e n z o i ca i c d sw e r e7 6 4 ， 7 6 9 r e s p e c t i v e l y t h ee x p e r i m e mr e s u l t ss h o w e dm a tt 1 1 i sm e t h o dh a dt 锄p e r a t e r e a c t i o nc o n d i t i o n s ，s h o n e rr c a c t i o nt i m e ，s i m p l ee x p e m e n to p e r a t i o na n dl e s sc o s to f p r o d u c t i o ne ) 巾e n s e s t h e r e f o r c ，i th a sb e t t e rc o m p e t i t i v ea b i l i 母t h a i lt h em e t h o dw j t h m e t a lo x i d ea sc a t a l y s t ，a 1 1 dh a sab i i g h tf u t l l r ei n 恤ei n d u s 砸a 1m a n u f a c t u r e t h eu s eo fm i c r o w a v ei r r a d i a t i o ni no r g a n j cs y t h e s i si sak i n do fn e wt e c 1 r 1 0 l o g y h lt 1 1 i sp 印e r ，t h ei n i c m w a v ei 盯a d i a t i o nw a s 印p l i e d 、i t hp h a s et r a n s f 醯c a t a l y s i si nt h e o x i d i z a t i o no fo ，p c l l l o r o t o l u e i l et op m d u c eo ，p c h l o m b e n z o i ca c i d s t 1 1 i 0 u g has e r i e s o f e x p e r i m e m s ，m ee f f t s o fd i 髓r e i l t f a c t o r ss u c ha s 恤e p o w e ro f m i c m w a v e i m d i a t i o n ， r e a c t i o nt i m e ，d i f i 如n tp t c 枷嘶，p ，i r e a g e n ta m o 眦t ，p o t a s s i 哪p e m 缸g a n a t e a l o u n ta 1 1 dw a t e ra m o u n te t c w e r ei i l v e s t i g a t e d t h ee x p e r i m e n tr e s u l t ss h o w e dm a t u n d e rm e0 d t i m a lr e a c t i o nc o n d i t i o n si 1 1w l l i c h 血er e a c t i o nl l n d e r w e n tf o r3 0 m i na t 4 5 5 ww i t ha - 1a sp t cr e a g e n t ，m ey i e l do f o ，p c h l o r o b e z o i ca i c d sw e r e7 0 - 8 ，7 2 5 r e s p e c t i v e l y t h em e m o d h a sb e e np m v e dt ob es u c c e s s 如i i nt h i se x p e r i m e m k e yw o r d s ： d i a z o t i z a t i o n ；p h a s e 打a n s f e rc a t a l y s i so x i d a t i o n ；q u a t e m a w 姗o i l i u ms a l t a - 1 ；p o t a s s i u mp e 瑚a n g 锄a t e ；m i c m w a v ei 仃a d i a t i o n ；o ，p c h l o r o b e i l z o i c a c i d 虫亩太生硬生位论文 第一章文献综述 1 1 相转移催化反应 相转移催化( p h a s e 仃a n s f 打c a t a l y s i s ，简称p t c ) 是一种发展于2 0 世纪7 0 、 8 0 年代的有机合成新方法。许多有机反应在均相条件下容易进行，但在非均相条件 下难以发生，特别是在水和有机溶剂两相中，反应不完全或不发生反应，虽然搅拌 能增加反应物分子相互接触的机会，但有的反应仍不能进行。为了促使其反应，往 往采用极性溶剂，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。 而采用极性非质子溶剂能克服溶剂化作用，对反应产生良好的效果。但有些溶剂价 格昂贵，而且要在无水条件下进行，回收又有一定困难，如一般常用的二甲基亚砜 ( d m s o ) 、二甲基甲酰胺( d m f ) 、六甲基磷酰胺( h m p f ) 等就是如此峨 1 9 5 1 年，m j _ j 玎o u s s e 发现环己醇或苯己腈在二相体系中进行烷基化时，季铵 盐具有明显的催化作用。遗憾的是这一重要现象在当时并没有引起人们的关注。直 到1 9 6 5 年，波兰学者m m a k o z a 等人对季铵盐催化下的烷基化反应作了系统的研究， 人们才认识到，这类催化反应在有机合成上具有极为广泛的应用价值。研究表明， 季铵盐具有一种奇特的性质，它能够使水相中的反应物转移到有机相中，从而加速 反应、提高收率。季铵盐的这种性质就是现在广为应用的相转移催化作用。 与传统方法相比，相转移催化反应具有操作简便、溶剂消耗少、反应条件温和、 反应速度快、收率高，并且可在水和有机溶剂两相中反应等优点，因此在一些反应 中己收到明显效果。目前，p t c 已广泛应用于二氯卡宾反应、亲核取代反应、消除 反应、缩合反应、氧化反应、不对称还原反应、立体专一反应、烷基化反应、酰基 化反应、酯化反应、偶联反应等【2 】。近年来，人们对三相相转移催化、温控相转移 催化、相转移催化和其它合成方法相结合等进行了研究，并取得了定的进展。 扦一一j ：f q + n u + m + x ：i = = 二二二! m + n u + q 十x 一 水相 虫由太生鱼虫生位论文 式中q + 表示季铵盐阳离子；x 表示卤素负离子； m n u 表示溶于水相的反应试剂； n u 一表示反应试剂中的亲核基团。 季铵盐阳离子部分q - 既有亲水性又有亲油性。当q + 进入水相时，会与水相中 的阴离子n u 一发生作用，形成离子对q + n u ；由于q + 的亲油性，q _ _ n u 便转移到有机 相中，从而使n u 与r x 在有机相中发生取代反应，生成r - n u 。与此同时，从卤代烷 分子中置换出的卤素负离子x 一与q + 形成新的离子对( q + x 一) ，即生成新生季铵盐， 它将重返水相。如此循环反复，从而加速反应进程。 应当注意的是：在这一循环中，于有机相内再生的离子对q + x 一，并不一定要与 开始作为相转移催化剂而加入的离子对相同，其必要之处仅在于：在溶液中存在着 亲脂性的阳离子q + ，或者某种相当的阳离子溶剂化剂，并且无论x 是否相同，它必 须可与n u 发生交换。季铵盐和季鳞盐的氯化物也许是最通用的催化剂，氯离子容 易与不同的亲核试剂如氢氧化物、氰化物中的阴离子发生交换，从而使循环完成。 1 1 2 相转移催化剂分类 相转移催化剂共分为三大类【4 】：翁盐类、冠醚类和聚乙二醇类等，以及研究中 的三相相转移催化剂，也称负载型相转移催化剂。根据催化剂活性基团不同而具有 不同的催化活性。 1 1 2 1鳐盐类 这类催化剂中常用的有季铵盐( 以r 3 _ r r x 一表示) ，其次为季鳞盐、季砷盐， 最近报道的有季锑盐、季铋盐。季砷盐毒性比较大，一般不使用。 黠盐的催化| 生能当烷基相同时其排序如下： r 4 盯x _ r 4 p + x 一 r 4 a s + x r 4 s b 这与n 、p 、a s 、s b 元素的电负性和水溶液中负离子的结合力大小相关。 在这类催化剂中，阳离子( q + ) 的体积要适中，若体积太大，就会降低它在水 中的溶解度，进入有机相后很难回到水相，且容易形成胶束，产生乳化现象，分层 不清；若q + 的体积太小，它在水中的溶解度就会增大，而在有机相中的溶解性差。 这样都会影响相转移催化作用。通常，季铵盐分子中每个烷基的碳原子数为2 1 2 。 以季铵盐为代表的盐类化合物适用于液一液和固一液体系，并且价廉无毒，是上 述三类催化剂中应用最广的一种。其中尤以苄基三乙基氯化铵( b 1 1 e a c ) 、三辛基 甲基氯化铵( t o m a c ) 和四丁基硫酸氢铵( t b s b ) 最为常用。 1 1 2 2冠醚 冠醚是一种大环的醚类化合物，亦称为环聚醚。冠醚作为相转移催化剂与季铵 盐不同，它可在固一液体系中进行催化。另外，冠醚可以和盐形成复合物，如高锰酸 l 虫直太堂砸堂岔j 金文 钾被冠醚复合后，钾离子被冠醚环络合，而高锰酸根变成了裸负离子被暴露出来， 转移到有机相，增加了反应的活性。冠醚还可以催化固体物质的反应。 虽然冠醚具有络合金属及一些离子的能力，得到了广泛的应用，但是由于其合 成较为困难，收率低，毒性大，价格高，且不易回收，因此，工业上应用较少，主 要是作为实验室的试剂。 1 1 2 3聚乙二醇( p e g ) 聚乙二醇为非环的多醚类相转移催化剂，具有冠醚对金属离子产生络合作用的 类似性质。由于它价廉无毒，其应用价值逐渐为人们所认识。 p e g 分子结构呈链状，可以自由旋转和弯曲。它的环状弯曲构象形似冠醚，对 一些金属正离子具有一定的络合能力。例如，苯甲醛和正辛醛在p e g 催化f ，于 k o h 水溶液中进行缩合反应，p e g 和k + 发生络合并与0 h 一形成离子对；由于p e g 自身的脂溶性，o h 一便以离子对的形式顺利转入到有机相，从而提高了有机相中 o h 一的浓度和反应活性，进而催化缩合反应。 p e g 对金属阳离子的络合能力一方面与金属阳离子大小有关，另一方面取决于 自身的链长。一般说来，p e g 链较短时，其络合能力较差；当链太长时，则其水溶 性较差，这两种情形都会影响相转移催化效能。研究表明，p e g 平均分子量在 4 0 0 6 0 0 时，其螺旋型结构孔径大小适中，络合金属离子能力较强，催化效果较好， 所需的反应条件温和，操作简便，产物产率高，是相转移催化反应中理想的冠醚取 代物。 1 1 3 相转移催化反应技术的应用 相转移催化技术在有机合成中应用十分广泛，涉及许多不同类型的反应，例如 亲核取代反应、氧化反应、酯化反应等，而且其应用范围还在日益扩大。 1 1 3 1亲核取代反应 亲核取代反应是在相转移条件下研究得最多的一类反应，其通式为： r _ x + y 一j 马r _ y + 其中，y 一代表o h - 、n 0 2 一、b r 、r 、c n 、c h 3 c o o 。等；x 代表c l 、b r 、i 、 o s 0 2 c h 3 等。这类反应中，卤代烃的氰化反应是一个较典型的例子。其特点是操作 简便、反应速度快、产率高而且副反应少。反应中，除了使用季铵盐作催化剂外， 冠醚也可以作为有效的相转移催化剂，其特点是用量少、产率高，尤其适合于固一 液反应。 1 1 3 2 氧化反应 相转移催化技术应用于高锰酸钾氧化反应特别有效。在相转移催化反应中，由 虫亩堂砸士堂位论立 于季铵盐正离子与m n o o 形成离子对而进入有机相，从而促进反应。通常，烯烃 与k m n 0 4 的两相反应只能得到氧化裂解产物。而三乙基苄基氯化铵作催化剂，在 低温条件下碱性l 恤0 4 在c h 2 c 1 2 中能将一些烯烃氧化为邻二醇。 此外，由于冠醚对k 十具有良好的络合能力，它可以使k m n 0 4 顺利地溶入苯中 形成艳丽的紫苯溶液。该溶液可以用来氧化许多有机化合物。例如，反二苯乙烯在 紫苯溶液中，可以方便地转化为苯甲酸，收率近乎1 0 0 ，反应式如下： c 6 h 5 h o c + m n o i _ 三婴生坠主，c 沮5 c o o h h c 6 h 5 1 1 3 3 不对称合成 采用相转移催化技术进行不对称合成“1 是近年来人们在相转移催化合成领域里 的新尝试。最近，有报道用麻黄碱制备的季铵盐可催化不对称烷基化反应。有人以 苄基氯化奎宁作手性相转移催化剂，在甲苯，水两相体系中用过氧化氢对查耳酮进行 氧化，成功地得到了具有光学活性的环氧化物，其产率达2 5 。现在，已有许多反 应可用手性相转移催化剂催化合成手性化合物。 1 1 3 4 间接有机电氧化 异丁酸作为食用香料是已被f e m a ( 食用香料制造者协会) 确认的g r a s ( 一 般公认为安全) 一类的化学用品。工业上异丁酸有异丁醇在碱性介质中以高锰酸钾 为氧化剂氧化后精馏而成，产率仅为7 3 7 6 【6 】，成本高且有大量的m n 0 2 废渣， 污染环境。赵崇涛等 7 】采用间接电氧化合成的工艺路线，氧化媒质c r ( v i ) 在相转 移催化剂存在下氧化异丁醇为异丁酸，同时生成的c r ( i ) 可电解再生为c r ( v i ) ， 从而达到循环使用。 文献8 1 报道了相转移技术应用于有机酸和芳醛等问接有机电氧化合成的研究情 况、基本特点和对研究进展的一些看法。p t c 技术在间接有机电氧化中的应用，将 做到氧化剂和催化剂的重复使用，以低成本、无污染的工艺，代替原有的化学法生 产工艺。这将具有更为广阔的应用前景。 1 1 3 5 卡宾反应 在水有机相两相体系中制备二氯碳烯( 又称卡宾，：c c l 2 ) 是相转移催化反应 最令人瞩目的成功例子之一。以往制各二氯碳烯都要求体系严格无水，因此，有水 存在条件下制备二氯碳烯具有极大的工业应用价值。 以扁桃酸”1 的制备为例，如下图所示： 空直厶= 室劬土生擅论文 水相 q + c 1 _ + n a o h 有机相 q + c 1 一+ ：c c l 2 q + 0 h 一+ n a + c 1 p h c b q + c 1 3 c 一+ h 2 0 该反应机理是：氯仿在强碱作用下，首先发生a 一消除反应，生成三氯甲基碳负 离子，接着脱去一个氯负离子，产生活泼中间体二氯卡宾，然后二氯卡宾对苯甲醛 的羰基进行加成，加成产物再经重排、水解得扁桃酸。反应式如下： 一鲤，叮x 骂9 笋吲马乌 厂飞 f “o o “ 在无p t c 试剂存在时，有机相中的氯仿与水相中的氢氧化钠，在相界面处发生 n 一消除，生成离子对n a + c c l 3 一。加入p t c 试剂a 一1 后，其作用有两个：一是a l 在水相中进行离子交换，把o r 带入有机相：二是a 一1 在相界面解脱正离子q + ( q + 表示a - 1 中的正电荷部分) ，形成 q t c c l 3 一】，带入有机相，在有机相中发生n 一消 除、脱c 1 一、二氯卡宾的产生、羰基加成、加成产物重排、水解等一系列反应，变 非均相反应为均相反应，从而促进反应的进行。 1 1 3 6 杂环化学 p t c 已经在杂环化学中获得了广泛的应用，它为杂环化合物的合成和杂环分子 的修饰提供了非常方便的条件“。p t c 技术不仅在实验室内用来合成许多新型杂 环，而且它还广泛用于工业上，生产有用的医药、农药及其它有应用价值的杂环化 合物。 1 1 4 相转移催化反应技术新进展 1 1 4 1 三相相转移催化 相转移催化虽然产物收率较好，但一般存在相转移催化剂难以回收和重复使用 的缺点。三相相转移催化剂( t p p t c ) ( 固载化相转移催化剂) 是一类集高分子聚 合物和相转移催化剂优点于一身的新型催化剂，具有耐溶性好、机械强度高、无毒、 无污染等优点，解决了催化剂回收困难的问题，催化剂可以反复使用。 以聚苯乙烯树脂作为载体应用最为广泛。管春生等】应用聚苯乙烯固载聚乙二 醇一6 0 0 ( 以p s p e g 一6 0 0 表示) 为三相催化剂，以b 一萘酚与溴乙烷为原料合成了b 一 萘乙醚( 收率高达9 3 1 ) 。平伟军等 12 】以苯甲醛和丙酮为原料，在水一氢氧化钠体 虫直厶堂硇堂位论文 系中以聚苯乙烯一三乙醇胺树脂( p s t e a ) 为相转移催化剂合成了苄叉丙酮，收率达 9 2 5 。 1 1 4 2 温控相转移催化( t r p t c ) 均相络合催化的核心问题是过渡金属催化剂的分离及其循环使用。为解决该问 题多用水溶性膦配体，将均相催化剂动态“担载”在与产物互不相溶的水相而实现 了水有机两相催化。但以水溶性膦配体和过渡金属配合物为催化剂的水有机两相 催化体系受底物水溶性的限制。对此，金子林等【l3 首次合成出了既有水溶性，又显 示非离子表面活性剂的浊点特征的非离子水溶性膦配体，呈现逆反的温度一水溶性 特性( 即常温溶于水的非离子表面活性剂，在温度升高至某最低临界温度( 浊点) 时丧失水溶性) 。提出了“温控相转移催化”( 1 1 1 o r e g i l l a t e dp l l a s et r a n s f e r c a t “y s i s ) 的概念。 由非离子表面活性膦与过渡金属形成的络合催化剂在低( 室) 温时溶于水相， 与溶于有机相的底物分处于两相。当温度升至高于浊点温度时，催化剂从水相析出 并转移至有机相，催化剂与底物共存于有机相，反应在有机相中进行：反应结束并 冷却至浊点以下时，催化剂重获水溶性，从有机相返回水相，使最终存在于水相的 催化剂可通过简单的分离与含有产物的有机相分开。温控相转移催化过程与水有机 两相催化的本质区别在于，温控相转移催化反应不是在水相中进行，而是在有机相 中进行，因此，温控相转移催化反应不受反应底物水溶性的限制。 王艳华等 1 4 】以三一对羟基聚氧乙烯醚苯基瞵铑配合物t p p p 陆c 1 3 3 h 2 0 为催化 剂，研究了它在不同条件下对苯乙烯两相( 水有机) 氢甲酰化反应的催化性能，与 p h 2 p ( m c 6 h 4 s 0 3 k ) 和( t p p t s ) 相比，皿p p r h c l 3 具有更好的催化效果。 1 1 4 3 相转移催化与其它合成方法 1 1 4 3 1微波辐射( m w i ) 与相转移催化( p t c ) 微波辐射技术应用于有机合成发展十分迅速，目前已成为化学领域中一个引人 注目的分支一微波促进有机化学反应。将微波辐射用于相转移催化反应中，既可改 善反应条件，又能提高产率。其优点己在多种反应中得到证实。 具有广谱的生物活性的一些1 一羟基苯并三唑和4 硝基衍生物，多采用传统的回 流方法合成，反应时间长。谢筱娟等【1 5 】在常压下采用微波辐射与相转移催化相结 合的方法，以聚乙二醇一4 0 0 ( p e g - 4 0 0 ) 为催化剂，在饱和碳酸钠水溶液中，合成 了4 个未见文献报道的二( 苯并三唑基) 烷烃，产率比相应的相转移催化法合成高， 且反应时间短。 1 1 4 3 2超声波( u 1 t r a s o i l i c ) 与相转移催化( p t c ) 超声波既可以提高搅拌作用又可以降低反应温度和催化剂用量，使相转移催化 反应更有效更快速地进行。一般认为超声波可以产生强烈的空穴冲击波，并引起剧 虫直太生砸生位论立 烈的搅拌作用，可以减少相转移催化剂的用量，在某些有机反应中则完全取代相转 移催化剂。溶剂在超声波辐射相转移催化反应中起重要作用。加入有机溶剂，反应 产率均有不同程度的提高，并且按照非极性非质子溶剂、极性非质子溶剂和极性质 子溶剂的顺序增加。溶剂的表面张力、粘度、挥发性等也影响反应速度。 合成酰基硫脲类化合物常用的方法是固一液相转移催化法。李英俊等【”垛用了 超声波辐射与相转移催化法相结合的方法，以聚乙二醇一4 0 0 ( p e g 一4 0 0 ) 为催化剂， 二氯甲烷为溶剂，在常温下合成了1 0 种n 苯乙酰基- n 。一芳基硫脲新化合物，产率 大部分比相应的相转移催化法高。 1 1 4 - 3 3 相转移催化与过渡金属催化 1 9 7 6 年，c a s s a r 首次将相转移催化剂与过渡金属配合物用于催化有机合成反 应，近年来得到迅速发展，己广泛用于有机合成中的氧化、还原、羰基化、偶合等 反应口】。羰基化反应是在相转移催化剂存在下过渡金属催化反应中研究得最多的一 类反应。反应底物常是芳卤、乙烯基卤化物、烯丙基卤化物，也可是一些共轭烯烃、 炔烃等，金属催化剂主要是二氯化钯、二氰基镍、羰基钴、羰基铁等，相转移催化 剂有季铵盐、冠醚和聚乙二醇等。 相转移催化条件下过渡金属配合物催化有机合成反应具有相转移催化与过渡 金属配合物催化的优点，显示出许多特殊的功能，解决了产物与催化剂分离困难的 问题，且操作过程简化，降低能耗，克服选择性差等缺点，为合成一定立体选择性 和区域专属性的化合物( 尤其是天然有机化合物) ，提供了较简便、温和的合成方 法，如合成昆虫激素等。因其巧妙地合成出了许多用一般方法不能合成的化合物， 因此在有机合成中的应用越来越广泛，特别是在仿生有机合成中更有广阔的应用前 景。 1 一萘乙酸是一种植物生长调节剂，也是合成萘乙酸甲酯( 另一种优良的植物生 长调节剂) 的原料，其合成方法有多种。戴金水【l7 】报道了在常压下，利用c 0 2 ( c o ) 8 在相转移催化条件下，使1 氯甲基萘和一氧化碳直接反应为萘乙酸。 1 1 5 相转移催化剂季铵盐a - l 的催化性能 具有结构为( c 8 1 0 h 1 7 2 1 ) 3 n + c h 3 c 1 的季铵盐a 一1 是一种优良的相转移催化剂。 成本诚馆】曾对a - 1 在有机合成中的酯化、氧化和烷基化反应进行了系统研究，与其 它1 0 余种p t c 试剂相比较，发现工业级季铵盐a l 不仅具有良好的催化活性，而 且易于分离，还可循环使用。同时，它不仅可作为实验室有机合成的良好的p t c 试 剂，而且己应用于工业生产中，取得较好的效果。 1 1 5 1酯的合成 乙酸氯丙酯是纤维素酯类的优良溶剂，一般由1 一氯一2 一丙醇与乙酸钾作用后，再 与亚硫酰氯反应而制得。这里需要两步反应，原材料也较贵。作者1 8 1 以工业生 虫直太堂亟上堂位论文 产环氧氯丙烷的副产物i ，2 二氯丙烷和价廉的结晶乙酸钠为原料，以p t c 法一步 反应合成乙酸氯丙酯。 对一系列的相转移催化剂进行比较试验，每种催化剂的用量均为结晶乙酸钠的 7 ( 摩尔分数) ，1 ，2 一二氯丙烷为廉价的工业副产物，按理论值过量2 倍投料，它 同时也起着溶剂的作用，搅拌回流6 小时。实验结果表明，不加催化剂时，这一反 应根本不能发生；有催化剂时，都有酯生成。其中，以a 一1 的催化活性最好，其次 为季鳞盐h d t b p 即十六烷基三丁基溴化鳞及其它2 种季铵盐( 苄基三乙基氯化铵 b t e a c 和十六烷基三甲基溴化铵c t m a b ) ，再者为线型聚醚胺( o 1 和o 2 ) ，聚 乙二醇( p e g ) 的催化活性最差。 由氯代烃制备相应的乙酸酯一般均使用较活泼但价贵的无水乙酸钾，且必须在 无水条件下进行操作。文献总结的相转移催化酯化反应也几乎全是用活泼但价贵 的烯丙基型卤代烃( 主要是溴代烃) 和乙酸钾作用。为了检验a l 催化活性的普遍 适用性，作者【18 】用价廉但活泼性较小的结晶乙酸钠和饱和氯代烃为反应物，以a 1 为催化剂进行酯化，结果发现，除c h 3 c h 2 c h ( c h 3 ) o c o c h 3 的产率( 2 0 1 ) 较低 外，c l c h 2 c h 2 c l 、c h 3 c h 2 c h 2 c h 2 c l 、c 6 h 5 c h 2 c 1 的成酯产率均较高。 c h 3 c h 2 c h c l c h 3 的成酯产率低的原因是氯在二级碳原子上，空间位阻防碍了 c h 3 c o o 一的亲核取代反应。类似c h 3 c h 2 c hc 1 c h 3 的成酯反应，在k f 的作用下其 产率仅为2 。由此看来，a 一1 对位阻大的碳原子的催化亲核取代反应，其活性相对 来饼比较大。 1 1 5 2 氧化反应 以脂肪醇和l m n 0 4 为原料氧化合成羧酸，一般都在碱性条件下进行。如由2 一 乙基己醇和k m n o 。氧化制备2 乙基己酸( 异辛酸) ，是一种工业制法，产率在6 8 7 4 之间【2 0 1 。其缺点是k m n 0 4 耗量大，产生的m n 0 2 沉淀多，反应时间长达6 8 h 。而 用相转移催化氧化法制备异辛酸，其反应时间仅需2 5 h 。通过比较实验发现，a 一1 作为催化剂氧化所得到的羧酸产率最高，故在氧化反应中仍以a 1 的催化活性为最 好。以a 一1 为相转移催化剂，以k m 0 4 为氧化剂，在酸性条件下对c 7 9 的4 种脂 肪醇进行氧化，所得到的庚酸、辛酸、壬酸、异辛酸的产率均高于文献值【2 ”“。 对硝基苯甲酸( p n b a ) 一般由对硝基甲苯( p n t ) 氧化合成，k m n 0 4 氧化法 是其中的一种【23 1 。该法的优点是反应条件温和，操作较为方便；其缺点是要得到较 高的收率，k m n 0 4 溶液的浓度必须很小，产率也只有5 7 1 。而采用相转移催化法 ( p t c l 却具有很多优点。 不加p t c 试剂时，对硝基苯甲酸的收率为5 5 1 ：加入p t c 试剂后，其催化 效果依次为h d t b p a 一1 c t m a b b t e a c p e g 一8 0 0 。季鳞盐h d l l 3 p 的催化 活性最大，p n b a 的收率达7 6 6 。究其原因，可能是因为p 原子比n 原子体积大， 电荷相对分散，p 原子和m n 0 4 一的缔合力不如n 原子缔合得紧，m n 0 4 一活性较大。 o 虫直太：芏砸士堂位论文 在这几种季铵盐中，a 一1 由于其翁盐阳离子的碳原子数最多，且烷基碳链最长，所 以，其催化活性最佳，收率达7 4 3 。虽然h d t b p 的催化活性略高于a 一1 ，但由 于h d t b p 的价格昂贵，故选择价廉易得的季铵盐a 一1 作p t c 试剂。p e g 一8 0 0 的催 化效果差的原因，可能是由于它在结构上有多个醚键( c o c ) 以及存在一o h ，从 而水溶性大，使m n 0 4 在水相中络合，而难与有机相的反应底物p n t 反应。 在相转移催化反应中，催化剂的摩尔分数一般为o 5 1 0 ”。此反应中，当 a 一1 的用量为p n t 的量的4 ( 摩尔比) 时，产物收率最高。文献认为，当萃入 有机相的阴离子和底物的反应速度与催化剂的再生速度达到平衡时的p t c 用量，可 使相转移催化作用最好。加入过多或过少的p t c 试剂对反应均不利。 1 1 5 3丙二酸二乙酯的丁基化反应 正丁基丙二酸二乙酯为一重要医药中问体，一般以丙二酸二乙酯为原料，卤代 正丁基为烷基化试剂，以乙醇钠为碱进行制备。由于该反应使用金属钠在无水条件 下操作，不仅危险性大，反应条件苛刻，且某些试剂价格较高。以价廉的4 0 n a o h ( 质量分数) 水溶液代替乙醇钠，正溴丁烷为烷基化剂合成正丁基丙二酸二乙酯。 用不同的相转移催化剂进行初步探索，以二氯甲烷为溶剂，在6 0 下搅拌反应o 5 h 。 实验结果表明，在几种有代表性的相转移催化剂( p e g _ 8 0 0 ，c t m a b 、a 一1 ) 中，季铵盐a 一1 的催化活性是最好的，产率为4 5 5 。通过分析反应产物，发现产 生了大量的丙二酸二钠盐。这一事实说明p t c 试剂不仅催化了丙二酸二乙酯的丁基 化反应，也同时催化了它的水解反应，因而使目标产物的产率降低。 1 2 微波辐射在液相有机合成中的应用 微波化学是研究在化学中应用微波的门新兴的前沿交叉学科 2 “。人们从食物 在微波炉中可以得到快速加热受到启发，认识到这种加热方式潜在的其它用途。化 学家把这种微波加热方式应用于实验室研究甚至化学工业，取得了令人瞩目的成 就。在合成化学、分析化学、陶瓷烧结、橡胶工业、造纸工业、皮革工业、香料工 业和塑料工业等方面取得了广泛的应用。 自2 0 世纪7 0 年代中期，国外就将微波技术应用在分析化学中。而有机化合物 大多数沸点低、易挥发、具有易燃易爆的性质。在微波反应技术发展之初，有机物 的这种性质制约了微波场中的有机合成技术的发展。一般认为，微波有机合成的研 究始于1 9 8 6 年的一篇研究报告，l a u v e n t i a n 大学化学教授g e d y e 及其同事口6 】当时 比较了在微波炉内与常规条件下进行的酯化、水解、氧化和亲核取代反应的结果， 发现在微波炉密封管内进行的高锰酸盐氧化甲苯为苯甲酸的反应比常规回流快5 倍，而4 氰基酚盐与苯甲基氯的反应快2 4 0 倍。这一发现对于几个世纪以来惯用的 传统加热技术提出了挑战，给有机化学反应研究注入了新的思想。1 9 9 2 年在荷兰召 开了首届世界微波化学大会2 7 1 ，标志着微波化学这门新兴的交叉学科正式诞生，成 虫直厶= 堂匦土堂位论文 为化学领域中一门全新的分支一微波促进有机化学反应m i o r e c ( m i c r a w a v e i n d u c e d0 r g a i l i cr e a c t i o ne n h a l l c e m e n tc h e m i s t r y ) 。下面就微波辐射原 理及其在液相有机合成方面的应用作一简单介绍。 1 2 1 微波辐射原理 微波是频率在o 3 3 0 0 g h z 之间的电磁波，主要用于通讯、广播电视等领域。 当微波作用到物质上时，可能产生电子极化、原子极化、界面极化及偶极转向极化， 其中偶极转向极化对物质的加热起主要作用。 极性电介质的分子在无外电场作用时，偶极矩在各个方向的几率相等，宏观偶 极矩为零。在微波场中，物质的偶极子与电场作用产生转矩，宏观偶极矩不再为零， 这就产生了偶极转向极化。在通常情况下，这些极性分子呈杂乱状态，当微波炉磁 控管辐射出频率极高的微波时( 通常在工业和家用微波炉中，选定的频率一般是 2 4 5 0 m h z ) ，由于微波产生的交变电场以每秒2 4 5 亿次的速度不断地变换正负极性， 偶极转向极化不具备迅速跟上交变电场的能力而滞后于电场，从而导致材料内部功 率耗散，分子运动发生了巨变，分子排列起来并高速运动，互相碰撞、摩擦、挤压， 从而使动能微波能转化为热能【2 ”。 极性分子的介电常数较大，同微波有较强的偶合作用，非极性分子同微波不产 生或只产生较弱的偶合作用。在常见物质中，金属导体反射微波而极少吸收微波能， 所以可用金属屏蔽微波辐射，以减少对人体的危害：玻璃、陶瓷等能透过微波，本 身产生热效应极小，可用作反应器材料：大多数有机化合物、极性无机盐及含水物 质都能很好地吸收微波，温度升高，这为微波介入有机反应提供了可能性。 1 2 1 1关于微波加速化学反应的机理 关于微波加速有机反应的原因，目前学术界有两种不同的观点。一种观点认为， 微波促进化学反应的实验和检测手段还不够完善，所测定的动力学也没有在传统加 热反应中那么精确，所谓微波特殊效应是检测的系统误差造成的，虽然微波是种 内加热，具有加热速度快、加热均匀无温度梯度、无滞后效应等特点，但微波应用 于化学反应仅仅是一种加热方式，和传统的加热方式一样。对某个特定的反应而言， 在反应物、催化剂、产物不变的情况下，该反应的动力学不变，与加热方式无关。 微波用于化学反应的频率2 4 5 0 m h z 属于非电离辐射，在与分子的化学键发生共振 时不可能引起化学键断裂，也不能使分子激发到更高的转动或振动能级。微波对化 学反应的加速主要归结为对极性有机物的选择性加热，即微波的致热效应。文献p 2 】 报道的许多实验结果支持了这一观点。j a l l i l g e n 口3 j 研究了微波作用下a t p 水解反应， 得出的结论是微波加热与传统加热方式对反应的影响基本一致，反应动力学无明显 差别。r a n e v 【3 4 】对2 ，4 ，6 一三甲基苯甲酸与异丙醇酯化反应动力学有研究结果表明， 2 4 6 一三甲基苯甲酸的酯化速度与加热方式无关。 主直左堂鱼虫土堂位j 佥文 另一种观点认为，微波对化学反应的作用非常复杂，一方面是反应物分子吸收 了微波能量，提高了分子运动速度，致使分子运动杂乱无章，导致熵的增加；另一 方面微波对极性分子的作用，迫使其按照电磁场作用方式运动，每秒变化2 4 5 1 0 9 次，导致了熵的减小，因此微波对化学反应的作用机理不能仅用微波