（有机化学专业论文）微波条件下αβ不饱和酮及查尔酮的合成反应研究.pdf

摘要 摘要 微波辐射技术现在已经成功的应用于有机合成化学。微波促进下的有机合 成反应的优点包括：反应速度得到极大的提高、温和的反应条件、更高的产率， 以及更好的产品纯度。同时，一些在常规加热条件下不能发生的反应，利用微 波辐射也能很好地进行。本文的主要工作就是在微波加热条件下合成q ，b 一 不饱和酮和查尔酮。 q ，b 一不饱和酮可以在微波条件下通过苯甲醛和丙酮在氢氧化钠溶液 中发生c l a i s e n s c h m i d t 反应合成。当把丙酮换成苯乙酮时，发生 c l a i s e n s c h m i d t 反应就生成了查尔酮。 我们以苯甲醛和丙酮的c l a i s e n s c h m i d t 反应为模型反应，对各种反应条件 对反应的影响进行了进一步的优化，并得出了最优化反应条件。并将最优化条 件用于合成其它的q ，b 一不饱和酮和查尔酮。我们也通过常规条件下制备 了1 1 ，1 3 一不饱和酮和查尔酮。通过对微波条件下和常规条件下合成产物的 产率比较，我们发现在微波条件下的产率要比常规条件高很多。 关键词：微波、羟醛缩合反应、q ，b 一不饱和酮、c l a i s e n - s c h m i d t 反应、查 尔酮 a b s t r a c t a bs t r a c t t h eu s eo fm i c r o w a v e h e a t i n g a sat o o lf o ro r g a n i cs y s t h e s i sh a sb e e na v e r y p r o m i s i n ga r e aa n dm i c r o w a v e - p r o m o t e dr e a c t i o n sh a v ep r o v e nt h ef o r c u so f m a n yr a c e n tr e s e a r c ha c t i v i t i e s n ea d v a n t a g e so ft h em i c r o w a v em e t h e do v e r c o n v e n t i o n a lt e c h n i q u e si n c l u d et h em u c hs h o r t e n e dr e a c t i o nt i m e ，m o r e e c o - f r i e n d l ya n d ，i ns o m ec a s e s ，h i g h e rp u r i t yo ff i n a lp r o d u c t st h a nc o n v e n t i o n a l r e a c t i o n s ，e v e ns o m er e a c t i o n sc a n to c c u ri nt r a d i t i o nc o n d i t i o n i nt h i sd i s s e r t a t i o n w ew i s ht or e p o r to u rr e c e n ti n v e s t i g a t i o n so nt h es y n t h e s i so fa ，b - u n s a t u r a t e d k e t o n ea n dc h a l c o n eu n d e rm i c r o w a v ec o n d i t i o n a ，b - u n s a t u r a t e dk e t o n ec a l lb e s y n t h e s i s e db y m i c r o w a v e i n d u c e d c l a i s e n - s c h m i d tr e a c t i o no fb e n z a l d e h y d ea n ds u b s t i t u t e db e n z a l d e h y d ew i t h a c e t o n ei ns o d i u mh y d r o x i d ea q u e o u ss o l u t i o n 胎c h a n g et h ea c e t o n ei n t o a c e t o p h e n o n e st h ec l a i s e n s c h m i d tr e a c t i o ng i v e sc h a l c o n e t h ec l a i s e n s c h m i d tr e a c t i o nb e t w e e nb e n z a l d e h y d ea n da c e t o n ew a su s e d a sm o d e lr e a c t i o n v 缸i o u sf a c t o r ss u c ha sm i c r o w a v e o u t p u tp o w e r 、 t e m p e r a t u r e 、t i m e 、b a s e 、s o l v e n t sw e r ei n v e s t i g a t e dt oo p t i m i z et h er e a c t i o n a t l a s t ，a no p t i m u mc o n d i t i o nf o rt h ec l a i s e n s c h m i d tr e a c t i o nu n d e rm i c r o w a v e c o n d i t i o nh a sb e e nd e v e l o p e d t h e nw es y n t h e s i so t h e ra ，b u n s a t u r a t e dk e t o n e a n dc h a l c o n eu n d e rt h eo p t i m u mc o n d i t i o n w ea l s os y n t h e s i s a ，b u n s a t u r a t e d k e t o n ea n dc h a l c o n eu n d e rr o u t i n ec o n d i t i o n t h r o u g ht h ec o m p a r i s o nb e t w e e nt h e m i c r o w a v ec o n d i t i o na n dr o u t i n ec o n d i t i o nw ef o u n dt h ep r o d u c t sd e s i r e du n d e r m i c r o w a v ec o n d i t i o nw i t hh i g hy i e l d s k e yw o r d s ：m i c r o w a v e ，a l d o lc o n d e n s a t i o n ，a ，b - u n s a t u r a t e dk e t o n e ，c h a l c o n e c l a i s e n s c h m i d t 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：同耳 。7 年弓月f 5 e l 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 年月日年 月日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下， 进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 学位论文的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没 有公开发表的作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献 的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原 创性声明的法律责任由本人承担。 签名：同军 u 习年弓月抄日 i 第1 章前言 第1 章前言 1 1 前言 近2 0 年来全球性环境污染、生态破坏、能源缺乏等问题引起了社会公众的 广泛关注。人类的生存和发展是利用和消耗自然资源的过程。这个过程的科学 基础就是化学，在这个过程中得到很大利益，同时也给我们赖以生存的这个地 球带来了无数的伤害。在此背景下，绿色化学应运而生。 近年来，水作为有机合成反应介质的报道相继出现。因为它是一种廉价、 安全、无污染的绿色溶剂，完全克服了大多数有机溶剂带来的易燃、易爆、易 挥发、容易污染环境的缺点，水相中的有机合成越来越成为有机化学研究的热 点。 微波辅助有机合成化学，作为一门全新领域，二十年来迅速发展，微波反 应以快速、高效、节能、环保等特点向人们展示了它独特的魅力，现在微波促 进的有机合成几乎已经应用到所有合成反应类型中，随着微波合成仪器的不断 进步，微波促进的有机合成技术无论在科学研究还是实际工业生产中都将展示 出广阔的应用前景。 本文下面将综述利用羟醛缩合反应制备q ，b 一不饱和酮、查尔酮的进展 和水相有机化学反应概况，简要介绍微波辅助有机合成化学的发展概况及本课 题的选题依据。 1 2a ，b 一不饱和烯酮及查尔酮的合成研究 q ，1 3 一不饱和酮具有良好的反应性能，常作为有机合成中的前体化合物 或关键中间体，是m i c h a e l 反应的良好受体，通过q ，b 一不饱和酮可以合成 许多重要的化合物。( 克莱森一施密特) c l a i s e n - s c h m i d t 反应是用一个无q 氢的芳香醛提供羰基和一个有q 氢的脂肪族醛、酮提供烯醇负离子，进行 混合的缩合反应，反应在氢氧化钠的水溶液或乙醇溶液内进行，得到q ， 1 3 一不饱和醛或酮。当丙酮换成芳香酮，它与芳香醛发生羟醛缩合反应就生 第1 章前言 成了查尔酮。查尔酮是非常重要的药物中间体，表现出多种药理作用，如 抗肿瘤作用、抗炎作用、镇痛作用、抗疟疾作用。查尔酮化学名为1 ，3 一二 苯基丙烯酮，以它为母体的天然化合物存在于红花、甘草等多种天然植物中， 有抗过敏、抗溃疡、抗肿瘤等药理作用乜1 。查尔酮也是合成天然化合物黄烷酮的 重要的有机合成中间体d 4 1 ，例如在合成异a 环带有羟基，b 环带有异戊烯基的黄 酮类化合物时，唯一的合成途径只能由相关的查尔酮关环得到。黄烷酮类化合 物广泛存在于自然界中，是多种药用植物有效成分之一。由于其显著的生物药 理活性及独特的可塑性结构，近百年来引起了化学工作者浓厚的研究兴趣。到 目前为止，许多文献上报道的黄烷酮合成方法多采用查尔酮的关环反应，常采 用例如三氟乙酸、k f 等催化剂或者光电催化合成法。 查尔酮的经典合成方法是使用强碱如氢氧化钠、醇钠或者强酸来催化苯乙酮 及其衍生物与芳香醛进行缩合反应而得到，但副反应多，产率较低。许多课题 组尝试加入一些催化剂、改变溶剂和碱性条件来提高反应的产率和缩短反 应的时间从而简化反应条件。 q ，b 一不饱和酮最初在氢氧化钠的水溶液中进行的。1 9 9 8 年，m l a k s h i m i k a n t a m 哺1 等人报道了使用一种碱催化剂：镁铝复合物来促进丙酮和取代苯 甲醛的缩合反应。他们后来又利用这个催化剂催化k n o e v e n a g e l c o n d e n s a t i o n 合成烯烃，也取得了不错的效果。 o r 少h 。竺lr o h 0 m e o 乓m e 叫r m e l 抽 ：肆m e + h 2 。 h 7v 2 第1 章前言 加利福尼亚的r y a nk z c i d a n 哺1 合成了一种酸碱双功能催化剂用于催化羟 醛缩合反应，生成了两种化合物，一种是羟基酮，另一种是羟基脱水后生 成的烯酮。 t a b 耙1 c a t a h md a t a o o + 人 t a b l e2 s u b s t r a t es c o p e oo r ，儿r 2 + r 3 足h 5 0 c a t a l y s t 0 h0 s 8 a 5 c a 5 0 2 0h r 0 a8 9 h00 r 3 人八r 2 + r 3 心少r 2 法国的c l l r i s t o p h ec u r t i 等人s 刚1 机理合成了q ，1 3 一不饱和酮和查尔酮，他 们用a 一溴代芳基酮和2 一硝基丙烷基锂在光照和n ：条件下反应后，又脱去一分子 h n 0 2 生成q ，1 3 一不饱和烯酮和查尔酮： 舸弋盼+ 昏竺卜酬三 3 c ，、c。 第1 章前言 s o f i as t k l i m c n to h r i d s l 【i 大学o 印y a np e t r o vy o r d a n k ai v a n o v a 等人报道了 使用s o c i 。e t o h 作催化剂合成查尔酮，虽然产物纯度比较高，但是产率不高。 r 1 q + 吼 0 r 2 s o c l 2 a b s ，e t o n 。r 。t r 1 o 2 0 0 1 年，s a i ds e b t i 等人阳1 报道了使用n a n o 。n p 作催化剂合成查尔酮，取得了很 好的效果： 艮9 渊。 r 2 h 岔岛 2 n a n 0 3 1 n p 3 2 0 0 2 年，他们又继续报道t l i n o j n p 作催化剂合成查尔酮n 们，l i n 0 3 n p 起到 了和n a n o j n p 类似的催化效果： r l c h 0 + h 扣坚r ， 4 第1 章前言 e l i z a b e t hp e r o z o r o n d o nn 门等人碱分子筛作催化剂合成查尔酮： b a s i c z e o l i t e r 四川大学程格、甘秋等人利用固态缩合反应合成查尔酮n 引，在室温下合 成了1 ，3 一二( 3 一溴苯基) - 2 - 丙烯- 1 - 酮： r h 其心r = 一h b r r n a o h 0 r 广西师范大学闭献树和杭州师范学院周宁怀n 3 1 在微波辐射条件下，用 k f a 1 。0 。作催化剂，缩短了反应时间，提高了反应产率。它以苯乙酮为原料， 与四种不同的醛反应，制备四种查尔酮： 弋3 + r 其1 。r ：a o m e ；b h - c g i ；d n 0 2 5 k f a l 2 0 3 徽铍辐射 r 第1 章前言 中南民族大学化学与环境保护工程学院的刘兴利、赵志刚n 引等人利用微波干 法以对硝基苯乙酮和取代苯甲醛为原料，在无溶剂微波辐射作用下对查尔酮的 合成进行了研究： n o 十渊c 日 k f - a 1 2 0 3 m v v l n o 南京工业大学理学院的郭成、孟志霞、戴冲之n 5 1 微波辅助合成螺嘧啶四酮， 利用的仪器是松下n n s 5 7 0 m f 型改装微波反应器( 2 4 5 0 m h z ，功率9 0 - 8 3 0 w ， 分九档) ，路线如下： o ，n a o h ( s ) h 3 c 儿c h ， 2 o 3 r ：a h b 2 o c h c 4 - o c h d 2 4 3 1 e 4 删3 g 4 - n 0 3 o o 4 淮阴师范学院化学系周建峰n 6 1 苯甲醛及对苯二甲醛与苯乙酮衍生物在碳酸 钠水溶液中，以四丁基溴化铵t b h j 3 为相转移催化剂，经微波辐射合成查尔酮 和双查尔酮，该法反应时间短，产率高，操作简便： 6 o - 孓zl蝴瓷肭 臼r 第1 章前言 白+ a r c o c h 3 n a c 0 3 ( a g ) i - 1 2 0 t 8 a b ，m i c r o w a v e a a f = 4 n o z c e h 4 b a r = - 3 n 0 2 c e h 4 c ：a r - - 4 c i c 6 h 1 4 d ：a r = 3 。4 一c h 2 0 2 c 6 h 3 + a r c o c h 3 n a c 0 3 ( a g y l - l z o a ：a f m c e h sb ：3 8 虻6 h 4c _ a r - - 4 n h 2 c 8 h 4 d ：a r = 4 c i c 6 h 4 e u r = 3 ，4 - ( m e ) 2 c 6 h 3 f ：a r = 4 一c h 3 0 c 6 h 4 延边大学医学院关丽萍等人n 刀以硼酸为催化剂，4 羟基苯乙酮或2 ，4 二羟基 苯乙酮与取代苯甲醛在乙二醇溶液中，于1 1 0 1 2 0 ( 2 反应6 h 再经柱分离精制得羟 基查尔酮衍生物；产物经红外光谱、核磁共振谱、质谱确认结构；此法合成虽然 收率不太高，但利用此法可更简便地一步合成出羟基查尔酮类衍生物。 9 鼍啪c o o h 三。 c o c h 3 3 ar = 3 ，4 - ( 0 h ) 23 br - - 4 一o h3 cr = 3 一o c h t 4 - o i t3 1r = 2 。扯1 23 er = 3 - n 0 2 3 fr = 2 n 0 2 3 9r = 4 - c i 3 hr = 4 - o c h 33 i r = 3 ，4 - o c h 2 03 jr - - 4 - n ( c h 3 ) 2 7 3 r 0 由 肿 肘 o q沾审啡 第1 章前言 。一去。h q ，一r ：2 ：、， 4 ar = 4 - o h 4 br - - - 4 一n t c h 3 ) 24 c r = 3 - o c h 一- 0 1 - 1 o 综上所述，近几十年来查尔酮的合成方法主要是以下几种： ( 1 ) 碱性催化剂催化合成( 2 ) 酸性催化剂催化合成 ( 3 ) 金属有机化合物催化合成( 4 ) 金属化合物催化合成 ( 5 ) 微波、超声波催化合成 在这几种合成方法中，使用强碱如醇钠或氢氧化钠溶液催化合成查尔酮的方 法，是目前实验室中最为常用的，但是产品收率较低( 1 0 一7 0 ) ，而且副产物 多：在以强酸为催化剂条件下，反应时间一般较长，而且产率不高：采用f r i d e l c r a f t s 酸基化制备查尔酮在有机合成中很少应用，主要是因为对底物要求严 格，而且产品的分离和纯也不方便，只适合较特殊的查尔酮的制备：有机金属合 成法一般产率较高，反应速度快，但是催化剂制备较困难，价格也比较昂贵：金 属盐催化合成法制备简单提纯方便，且可反复使用，缺点是反应时间太长，产 率不高：但与微波或超声波结合后，反应速度大大加快，产率也有很大提高，是 一种新兴的简便合成查尔酮的方法。 1 3 水相有机化学反应概述 一直以来，有机化学反应在有机溶剂中进行。在化学工业中使用溶剂是一 种非常普遍的现象。有机溶剂容易发生泄露、爆炸和起火，并污染环境，特别 是高挥发性溶剂，如氯仿、苯等对人体及环境有很大的危害性。某些有机溶剂 可以对环境造成极大的破坏，如氟利昂对臭氧层的破坏。绿色化学的提出和兴 起使新的无害溶剂的研究和开发引起了各方面的关注。新发展的一些溶剂是超 临界导体、水、聚合固定相溶剂、离子液体、无溶剂系统和减害有机溶剂。其 中，对水的利用具有重要的研究价值。 在自然界中，特别是在生命过程中几乎所有的化学反应都是在水溶液进行 8 第1 章前言 的，并且反应条件温和多为常温。从水相反应开始研究和模拟自然界的化学反 应，利用各种模拟酶催化反应，借以阐述生物化学反应的机理，将进一步加深 对生命科学的认识。 水作为溶剂有以下优点：廉价易得，安全可靠( 不会燃烧和爆炸) ，而且无 毒。在有机反应中可省略反应物的保护和脱保护的合成步骤。通过简单的相分 离即可得到产物。某些水相有机反应还有出人意料的化学选择性，大大减少副 产物的生成。 由水自身的一些物理性质分析，水分子的内聚能密度( c o h e s i v ee n e r g y d e n s i t y ) 及介电常数远远高于常用的有机溶剂n 引。而水作为有机反应的溶剂， 其最显著的特点是有机化合物在水相中在有些条件下所具有的们噌水性 。因此 针对水相中的有机反应，有人提出“增益憎水性作用 ( h y d r o p h o b i ce f f e c t ) 的概念，并建立了相应的数学模型，进而提出此种作用可以促使反应底物和有 机试剂尽量减少与溶剂分子之间的相互接触面积，使得有机分子的运动受到限 制，进而反应底物和有机试剂之间产生比在一般有机溶剂中更强的相互作用， 使反应在水相中得以进行。在水相中进行的有机反应与在有机溶剂中有明显的 不同，表现在立体化学方面，反应的选择性提高，反应速度加快和产率提高等。 进入二十世纪七八十年代，随着人们对水作为介质的有机反应的兴趣越来越 浓厚，发现有机物在水中存在的疏水效应可以极大的提高许多有机反应的速率， 而且水作为介质还可以控制反应的p h 值及使用环糊精和表面活性剂等添加剂促 进反应进行，同时有机反应在水中的低的溶解度又可以减少产物在溶剂中的损 失，相应的提高了反应的产率。 近十多年来，水相有机化学得到了快速发展。烷烃、烯烃、炔烃、芳香化 合物、羰基化合物、有机卤代物等几乎所有类型的有机化合物的绝大多数反应 都可以在水中进行，甚至一些有机相中不能发生的反应在水相中也能实现。2 0 0 5 年，l icj 对水相有机反应领域的进展进行了全面和深入的总结n 引，具体应用 在此不再赘述。 水相中的有机反应作为有机化学中的一个新的研究方向已引起愈来愈多 的化学家的兴趣，研究进展很快。同时也由于其发展历史很短，这一领域又充 满着挑战和机会，许多基本问题如反应的适用范围、反应机理、立体化学等尚 9 第1 章前言 未阐明，有待研究解决。随着研究的深入，有理由相信在不久的将来这一领域 会有更大的突破。 1 4 微波辅助有机合成概述 微波化学是研究在化学中应用微波的一门新兴的前沿交叉学科，是一门根据 电磁场和电磁波理论、电介质物理理论、凝聚态物理理论、等离子体物理理论、 物质结构理论和化学原理等利用微波技术来研究微波场作用下的物理和化学行 为的科学。微波场可以直接作用于化学体系从而促进或改变各类化学反应，这 就是通常意义上的微波化学。 微波是频率大约在3 0 0 m h z - 3 0 0 g h z ，即波长在l o o c m 至l m m 范围内的电磁波。 微波是一个十分特殊的电磁波段，一般条件下，微波可以方便的穿透某些材料， 如玻璃、陶瓷、某些塑料( 如聚四氟乙烯) 等，但同时又可以被一些介质材料 吸收而产生热，如水、炭、橡胶、食品、木材和湿纸等。因此微波作为一种能 源在家用、工业、科研和其它许多领域获得广泛的应用。 微波加热作用的特点是可以在不同的深度同时产生热。这种体加热作用不 仅加热更快速，而且更均匀，从而大大缩短了处理材料所需的时间，节约了能 源，并大大改善了加热的质量。由于微波的多种特殊性能，它在各个领域的应 用越来越广泛，前景看好。 将微波作为一种能源应用于科研乃至家庭是第二次世界大战结束之后的事 了。1 9 4 5 年美国雷声公司发现了微波的热效应，两年后他们研制出世界上第一 台采用微波加热食品的雷达炉。如今家用微波炉已经相当普及。目前，绝大部 分利用微波技术进行的有机化学反应都是在家用微波炉内完成的。微波技术应 用于有机合成始于1 9 8 6 年，r g e d y e 妇3 1 等在微波炉内进行酯化、水解、氧化和 亲核取代反应，发现在微波炉密封管内进行的高锰酸钾氧化甲苯为苯甲酸的反 应比常规快5 倍，而4 一氰基酚盐与苯甲基氯的反应比常规方法快2 4 0 倍。这一 发现给化学反应研究注入了新的思想，揭示了微波以独特的的方式在促进有机 反应中所具有的潜在价值。随后的二十年发展中，微波反应已经几乎应用到有 机合成的各个主要领域。 微波有机合成反应技术发展至今，主要有四种，即微波密闭合成反应技术、 微波常压合成反应技术、微波干法合成反应技术和微波连续合成反应技术。在 1 0 第1 章前言 本论文中所讨论的微波反应所应用的技术主要是微波常压合成反应技术和微波 干法合成反应技术。 微波干法作为- - , - j 新兴的技术也在迅速发展着。所谓干法，即是无溶剂的 有机反应，其载体为无机固体。由于微波可以穿透一些介质而不被吸收，所以 如氧化铝、硅胶、硅藻土、高岭土等多孔无机材料多被选来作为反应载体。其 操作方法为：将反应物浸渍在载体上，干燥后放入微波炉内反应，反应结束后 使用适当溶剂萃取并纯化。 大量实验数据表明微波作用下的有机反应较传统的方法有数倍、数十倍甚 至上千倍的增加。然而，为什么微波能够如此有效的促进有机反应呢? 这个问 题至今在有机化学界还没有一个统一的认识。目前学术界主要有两种不同点观 点。 一种观点认为，虽然微波是一种内加热，具有加热速度快、加热均匀无温 度梯度、物质后效应等特点，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。微波对于化学反应的加速主要归结为极性较大的有机物 的选择加热，即微波的热效应。 而另一种观点认为，微波对化学反应作用是非常复杂的，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，导致熵的减少，因此微波对化学反应的作用机理是不 能仅用微波致热效应来描述的。微波除了热效应以外还存在一种不是由温度引 起的非热效应，即微波作用下的有机反应改变了反应动力学，降低了反应活化 能。 虽然微波有机合成至今发展已经有二十年，但是对微波加速有机反应的机 理的研究应该说是一个新的领域，目前尚处于一个起步阶段。 微波在有机合成中的应用发展极为迅速。到目前为止，微波技术主要用于 优化一些已知的反应。但微波的特点是能在极端的时间内迅速加热反应底物， 这种内加热方式完全有可能使一些在常规加热回流条件下不能被活化而而无法 进行或难以进行的反应得以发生。微波促进有机化学反应的低能耗、快速高效、 高产率和优异的选择性等已经显示出巨大优越性，特别是随着绿色化学和组合 化学的蓬勃发展，微波技术已经应用到生态有好绿色合成、原子经济合成、化 合物库合成等新型的国际高新研究领域中，成绩斐然。同时也应该看到微波技 1 1 第1 章前言 术在有机化学反应中面临的挑战，例如微波技术促进化学反应的原理是什么， 如何将微波技术应用到实际工业生产中去，以及微波反应器的开发特别是大型 微波装置的研制与完善等问题，都需要诸多学者不断的探索，这也是本世纪微 波化学工作者要研究的重要课题。我们可以预测，在绿色、经济的2 1 世纪化学 工业发展中，微波技术在化学各分支学科及化工、医药、环保等领域有着广阔 的应用前景。 1 5 本论文的实用价值和意义 微波技术用于有机合成是自1 9 8 6 年发展起来的一门全新领域。微波促进下 的有机合成反应往往具有反应时间短、反应产率高、产品易纯化及操作简便等 优点。同时，一些在常规加热条件下不能发生的反应，利用微波辐射加热技术 也能够很好的进行；甚至会改变反应的选择性( 化学选择性、区域选择性、立 体选择性) 。常规制备a ，1 3 一不饱和酮和查尔酮是在常温下反应几个甚至十 几个小时，而且收率也不是很高。在微波条件下将会大大缩短反应时间， 产率和纯度也也会有很大的提高。综上所述，本文将微波应用于经典的羟 醛缩合反应中，以苯甲醛、对甲氧基苯甲醛、间硝基苯甲醛、邻氯苯甲醛 等取代芳香醛和丙酮、苯乙酮、取代苯乙酮等为原料，利用羟醛缩合反应 来制备a ，b 一不饱和酮、查尔酮。将微波技术应用到有机合成反应中，缩 短了反应时间，节约了能源，为查尔酮的合成开辟了一个新的领域。 1 2 第2 章课题内容 第2 章课题内容 2 1 微波促进下反应最优化条件的探索 q ，b 一不饱和酮是由无q 氢的芳香醛提供羰基和一个有q 氢的脂肪族醛、 酮提供烯醇负离子进行混合羟醛缩合反应得到的。c l a i s e n - s c h m i d t ( 克莱森一 施密特) 反应是用一个无q 氢的芳香醛提供羰基和一个有q 氢的脂肪族 醛、酮提供烯醇负离子，进行混合的缩合反应，反应在氢氧化钠的水溶液 或乙醇溶液内进行，得到q ，b 一不饱和醛或酮。本课题将常温下进行芳香 醛和酮的羟醛缩合反应转移到微波反应器内进行反应，短时间内反应就可 以完成。我们使用的主要仪器是m a s - i i 型常压微波合成萃取反应工作站， 它可在常压微波辅助下完成化学合成和物质萃取过程，它的主要技术创新 特点是实现了让红外测温探头可以直接测到目标物内部的温度。运用世界先 进的微波功率随反应温度自动变频控制技术，实现非脉冲式微波连续加热，使 反应物质在设定的反应条件下得到最大限度的微波作用，保证反应产物的均一 性和高产率。为方便存储和比较不同的反应环境，仪器可内置3 0 套不同的反应 条件，并可任意设定、编辑和存储。反应过程中，既可观察反应参数的变化， 又可实时显示反应物温度随时间变化的曲线，并通过彩色液晶显示器实时观察 和记录整个反应过程。过程可进行冷凝回流、滴液和分水等操作。理论最高工 作温度可达摄氏9 0 0 ( 需相应的反应容器和炉腔环境) ，实际推荐最高工作温 度也可达摄氏4 0 0 ( 需相应的反应容器) 。 为了比较微波反应与常规反应的效果，我们首先进行了常规反应，然后进 行微波反应，然后对于反应时间、产率进行对比。 先以最简单的苯甲醛和丙酮的羟醛缩合反应为例进行微波条件下的反应， 并利用这个反应对微波促进下的羟醛缩合反应进行条件的摸索，寻找产率高、 反应时间短、产品易于纯化的条件，特别是反应微波的输出功率，温度，溶剂， 时间，转速等。 第2 章课题内容 2 1 1 微波输出功率的选择 m a s - i i 型常压微波合成萃取反应工作站的输出功率可以在1 0 0 - 4 0 0 w 设置。我们首先按照常规反应进行时的原料配比在微波条件下进行反应， 功率设置选择功率从i 0 0w 开始，间隔1 0 0w ，其它条件不变，做平行实验， 比较在各个不同功率条件下的产率和纯度。通过尽可能多的试验，找出最 佳反应的微波功率3 0 0 w 2 1 2 微波反应器温度的选择 我们做的常规反应都是在室温条件下进行的。先设置好功率3 0 0 w 并保 持不变，苯甲醛和丙酮在微波反应器内进行反应，温度从3 0 开始，以1 0 为间隔，直到温度设置为1 0 0 c 。温度不能设置过高，温度过高，产物会分 解或者变质，不利于反应的进行。通过反应产物产率的计算得出7 0 为宜，产 率最高。 2 1 3 微波辐射时间的选择 常规反应往往需要搅拌几个小时，甚至十几个小时。当我们进行微波反 应的时候，在几分钟内就可以反应完全。我们需要对微波辐射时间进行选 择。首先我们先设置功率3 0 0 w ，温度7 0 ，时间为1 0m i n ，以后反应时间 递减，1m i n 为间隔。通过试验我们得出结论，3m i n 的微波辐射就可以很 好的完成反应。时间过长并没有得到好的效果。 2 1 4 磁子转速的选择 搅拌磁子的转速对反应也有影响，转速太慢就会起不到搅拌的作用，转 速太快就会是反应溶液黏附在反应容器壁上，使反应不充分，不利于反应 的进行。最后经过尝试，转速定为3 0 0 转分。 2 2 将最优化条件应用于合成其它的q ，b 一不饱和酮 在得到最优化条件后，以苯甲醛衍生物代替苯甲醛进行反应，即在苯甲醛的 苯环上连接不同的官能团，如硝基、甲基、对甲氧基、氯等，然后在同样的条 件下进行反应，希望能得到较好的效果。如果连接新的官能团后效果有所差别， 1 4 第2 章课题内容 我们还将对反应条件针对不同的底物进行相应的改变，期待能有好的结果。 2 3 微波条件下合成查尔酮 把底物丙酮换成苯乙酮和苯乙酮的衍生物后再与苯甲醛及苯甲醛衍生物发 生羟醛缩合反应就生成了查尔酮。合成查尔酮经典办法是苯甲醛和苯乙酮在碱 性醇溶液中进行常规搅拌，但是在这种条件下制备查尔酮产率很低，产物也不 纯。我们尝试在微波条件下进行水相的羟醛缩合反应制备，并通过改变溶剂条 件和碱性大小来获得高的产率。 2 4 常规反应和微波反应的比较 在分别通过常规反应和微波反应制备q ，1 3 一不饱和酮和查尔酮后，我们对这 两种条件下的产物进行比较，包括反应完成所需要的时间、产物的产率、纯度 等，从而得出微波反应相对于常规方法的优缺点。最后将微波辅助用于有机合 成的方法加以改进以期获得更好的结果。 第3 章实验部分 3 1 实验试剂 第3 章实验部分 名称分子式规格生产厂家 苯甲醛 c 7 h 6 0 a r国药集团化学试剂有限公司 丙酮 c 3 i - 1 6 0 a r国药集团化学试剂有限公司 对甲氧基苯甲醛c sh s 0 2 a r国药集团化学试剂有限公司 对氯苯甲醛 c 7h 5o c l a r莱盈化工试剂有限公司 对硝基苯甲醛 c 7h 5 0 3 a r国药集团化学试剂有限公司 苯乙酮c s h 8 0 a r国药集团化学试剂有限公司 对甲氧基苯乙酮c 9h 1 00 3 a r国药集团化学试剂有限公司 间硝基苯乙酮 c sh 7 0 3n a r国药集团化学试剂有限公司 间硝基苯甲醛 c 7 h 6 0 3 n c p上海化学试剂公司 邻羟基苯甲醛c 7h 6 0 2a r国药集团化学试剂有限公司 间氯苯甲醛c 7h 5o c la r 上海化学试剂公司 无水硫酸镁 m g s 0 4 a r上海化学试剂公司 无水乙醇 c 2 h 6 0 a r天津博迪化工有限公司 无水乙醚 c 4 h 1 0 0a r天津博迪化工有限公司 二氯甲烷 c 2 h 4 c 1 2 a r苏州协和电子材料厂长桥分厂 甲苯c 7 h 8 a r国药集团化学试剂有限公司 冰醋酸 c 2 h 4 0 2 9 9 5 国药集团化学试剂有限公司 丙酮 c 3 h 6 0 9 9 5 苏州协和电子材料厂长桥分厂 二甲亚砜 c 2 h 6 s o a r国药集团化学试剂有限公司 n ，n 二甲基甲酰胺c 3 h 7 n oa r国药集团化学试剂有限公司 甲醇 c h 4 0 a r苏州协和电子材料厂长桥分厂 金属钠n ac p国药集团化学试剂有限公司 氢氧化钠 n a o h a r国药集团化学试剂有限公司 1 6 第3 章实验部分 续表1 名称分子式规格生产厂家 对甲氧基苯乙酮 c 9 h 1 0 0 2a r 上海化学试剂公司 9 8 浓硫酸h 2 s 0 4 a r 国药集团化学试剂有限公司 盐酸 h c lc p 上海振兴化工二厂 氟化钾 k fa r 国药集团化学试剂有限公司 无水氯化锌 z n c l 2 9 8 0 国药集团化学试剂有限公司 无水氯化钙c a c l 2a r上海化学试剂公司 碳酸氢钠 n a h c 0 3 a r 国药集团化学试剂有限公司 碳酸钾 k 2 c 0 3a r 亭新化工试剂厂 乙酸乙酯 c 4 h 8 0 2a r上海有机所试剂有限公司 1 ，4 - 二氧六环c 4 h 8 0 2 a r 上海化学试剂公司 氯仿c h c l 3a r上海有机所试剂有限公司 石油醚6 0 9 0 c p上海化学试剂公司 3 2 实验仪器 上海新仪m a s i i 型常压微波合成萃取反应工作站；核磁共振由j e o l 公司j n m e c a - 4 0 0 m h z 型核磁共振仪测定( c d c l 3 为溶剂，t m s 为内标) ；红外 光谱由n e x u s 9 1 2 a 0 4 4 6 f 1 瓜型红外光谱仪测定；r 2 0 1 型旋转蒸发仪，9 4 2 型恒温磁力搅拌器，s h b i i i a 型循环水真空泵。 试剂纯化参照p u r i f i c a t i o no fl a b o r a t o r yc h e m i c a l s ：a r m a r e g o ，w l ea n d p e r d n ，d d ；b u t t e r w o r t hh e i n e m a n n ：o x f o r d ，1 9 9 7 。快速柱层析在硅胶h ( 1 0 4 0 u ) 或3 0 0 4 0 0 目硅胶上进行，所用石油醚为沸程6 0 9 0 馏分；薄层层析采用 g f 2 5 4 高效硅胶板：采用碘缸，高锰酸钾的碳酸氢钠水溶液加热显色。 m a s i i 型常压微波合成萃取反应工作站可在常压微波辅助下完成化 学合成和物质萃取过程，它的主要技术创新特点是实现了让红外测温探头 可以直接测到目标物内部的温度。运用世界先进的微波功率随反应温度自动 变频控制技术，实现非脉冲式微波连续加热，使反应物质在设定的反应条件下 1 7 第3 章实验部分 得到最大限度的微波作用，保证反应产物的均一性和高产率。为方便存储和比 较不同的反应环境，仪器可内置3 0 套不同的反应条件，并可任意设定、编辑和 存储。反应过程中，既可观察反应参数的变化，又可实时显示反应物温度随时 间变化的曲线，并通过彩色液晶显示器实时观察和记录整个反应过程。过程可 进行冷凝回流、滴液和分水等操作。理论最高工作温度可达摄氏9 0 0 ( 需相应 的反应容器和炉腔环境) ，实际推荐最高工作温度也可达摄氏4 0 0 ( 需相应的 反应容器) 。 3 3 实验步骤 为比较微波反应与常规反应的效果，我们首先进行常规反应，然后再进行 微波反应。它们在反应时间，产率，及结果上都有很大差距。 3 3 14 一苯基- 3 - 丁烯- 2 - 酮的合成 - i k o 义 n a o h m i c r o w a v e 微波方法：将苯甲醛1 0 6g ( 1 0m m 0 1 ) 、丙酮2 3 2g ( 4 0m m 0 1 ) 和1 0m l2 0 的氢氧化钠溶液加入长颈烧瓶中，向其加入搅拌磁子，置于微波反应器中与回 流冷凝水接通。在微波仪仪器面板上面设置反应的条件：预置温度7 0 ， 微波功率3 0 0 w ，预置时间3m i n ，转速3 0 0 转。设置完毕后，按下启动键和 运行键，反应开始。混合溶液开始沸腾并发生回流，反应结束后，溶液上 层有淡黄色油状液体产生。冷却到室温，将反应液倒入分液漏斗中，用l ： 1 稀盐酸中和反应物至中性。加入1 0m 1 乙酸乙酯，分液，再用1 0m l 乙酸 乙酯萃取两遍，合并有机相。有机相用无水硫酸钠干燥，减压蒸去乙酸乙 酯，得到粗产物，用硅胶( 2 0 0 - 3 0 0 目) 柱层析分离提纯得到1 1 7g 黄色 液体，产率8 0 1 。 1 8 第3 章实验部分 常规方法：装有温度计、磁力搅拌、回流冷凝管和滴液漏斗的三颈瓶中加入 1 0 6g ( 1 0m m 0 1 ) 苯甲醛，2 3 2g ( 4 0r m 0 1 ) 丙酮。搅拌下用滴液漏斗滴加5m 1 2 0 氢氧化钠溶液，控制滴加速度使反应温度维持在2 5 - 3 1 之间，必要时使用水浴 冷却。滴加完毕后室温继续搅拌2h 用1 ：1 稀盐酸中和反应物至中性。分离油 层，水层用乙酸乙酯萃取，合并油层和乙酸乙酯萃取液，用无水硫酸钠干燥。 水泵减压蒸去乙酸乙酯。油泵减压蒸馏得到0 7 4 8g 淡黄色液体，用真空泵抽 干溶剂得到淡黄色固体。产率5 1 2 1 h n m r ( 3 0 0 m h z ，c d c l 。) 6 ：2 4 0 ( 3 h ，s ) ，6 7 0 6 7 6 ( 1 h ，d ，j = 1 6 5 h z ) ，7 4 0 7 6 1 ( 5 h ，m ) 3 3 24 一( 4 - 甲氧基苯基) - 3 - 丁烯- 2 - 酮的合成 妙。以+ 叉 n a 0 h - - _ _ _ - h s c - o m i c r o w a v e 微波方法：将对甲氧基苯甲醛1 3 6g ( 1 0m m 0 1 ) 、丙酮2 3 2g ( 4 0m m 0 1 ) 和1 0m l2 0 的氢氧化钠溶液加入长颈烧瓶中，向其加入搅拌磁子，置于微波反 应器中与回流冷凝水接通。在微波仪仪器面板上面设置反应的条件：预置温 度7 0 c ，微波功率3 0 0 w ，预置时间3m i n ，转速3 0 0 转。设置完毕后，按下 启动键和运行键，反应开始。混合溶液开始沸腾并发生回流，反应结束后， 溶液上层有淡黄色油状液体产生。冷却到室温，将反应液倒入分液漏斗中， 用1 ：l 稀盐酸中和反应物至中性。加入1 0m l 乙酸乙酯，分液，再用1 0m 1 乙酸乙酯萃取两遍，合并有机相。有机相用无水硫酸钠干燥，减压蒸去乙 酸乙酯，得到粗产物，用硅胶( 2 0 0 - 3 0 0 目) 柱层析分离提纯得到1 4 8g 黄色液体，产率8 4 1 。 常规方法：装有温度计、磁力搅拌、回流冷凝管和滴液漏斗的三颈瓶中 1 9 第3 章实验部分 加入1 3 6g ( 1 0m m 0 1 ) 对甲氧基苯甲醛，2 3 2g ( 4 0m m 0 1 ) 丙酮。搅拌下用滴 液漏斗滴加5m 1 2 0 氢氧化钠溶液，控制滴加速度使反应温度维持在2 5 3 1 之 间，必要时使用水浴冷却。滴加完毕后室温继续搅拌2h 用1 ：1 稀盐酸中和反 应物至中性。分离油层，水层用乙酸乙酯萃取，合并油层和乙酸乙酯萃取液， 用无水硫酸钠干燥。水泵减压蒸去乙酸乙酯。油泵减压蒸馏得到0 9 3g 淡黄色 液体，用真空泵抽干溶剂得到淡黄色固体。产率5 3 1 。 1 h n m r ( 3 0 0 m h z ，c d c l 3 ) 6 ：2 3 6 ( 3 h ，s ) ，3