（应用化学专业论文）非金属化物催化的活性芳香化合物氧气氧化溴代.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 溴代是重要的有机合成的基本反应。溴代化合物不仅是合成其它功能化合物的重要 前体，而且本身也可作为阻燃剂、抗菌抗病毒的药物等。传统的溴代方法，不仅有毒有 害，原子经济性不高，反应的选择性及转化率也不高。开展新方法进行芳香化合物的溴 代对这一传统的溴代产业具有重要意义。本文以2 ，2 ，6 ，6 一四甲基一哌啶基一1 一氧基( m p 0 ) 和n o 为催化剂，易得清洁的氧气为氧化剂，冰醋酸和水为溶剂，对活性芳烃进行了溴 代研究。 本文首先用硫酸二甲酯合成溴代底物甲基芳基醚，同时探讨了用环境友好的碳酸二 甲酯来进行醚化。以苯甲醚为底物，在压力反应釜中考察了不同溶剂体系对溴代的影响。 在确定冰醋酸和水的溶剂体系后，又考察了不同的冰醋酸酸和水的体积比对溴代收率的 影响。以对甲苯甲醚为底物，考察了时间、温度、溴化钠量等对收率及选择性的影响。 从而确定了较佳的反应条件体系：底物：溴化钠：t e m p 0 ( 摩尔比) 为l ：( 1 2 2 o ) ：o 0 0 3 ， 冰醋酸与水的体积比例为l o ：3 ，n o 为o 0 5 m p a ，氧气用量在o 4 o 5 m p a 。反应后变成 两相体系，未反应的底物和生成物在一相，可直接液液分离。并对催化循环的反应机理 进行了探讨。 在此反应体系中，通过调整反应温度、时间、溴化钠量等参数来提高底物溴代的收 率。各种不同取代基的芳香底物应用于此溴化体系中，发现反应基本遵循取代基的定位 规则。各种烷氧基取代的活性芳烃表现出r 高转化率及高区域选择性，烷基取代芳烃表 现中等转化率。 关t 词一氯化澳代l 活性芳烃lt 哪l 氯气 非金属化物催化的活性芳香化合物氧气氧化溴代 0 x y b m n l i n a t i o no fa c t i v a t e da r o 呦t i co ) i n p o u n d sc a t a l y z e db y 彻1 e n t a lc o m p o u n d sw i 山0 x y g e n 硒0 x i d a n t b 8 t r a c t b m r n i n a d o na st l l eb a s i cr e a c t i o nu n i ti sv e r yi m p c 帆a i i ti no r g a l l i cs y i l t l l e s i s ，h o m m a t e d a r o m a n cc o 1 p o u n d sa r en o to i l l yk e yp r e c u r s o r st oo m e rf u n c 吐o n a lc o m p o u n d s ，a l s oa s f l 砌e r e t a r d sa n da n t i f u n g a l ，a n d v i l a lp h 扣1 m c e u 吐c a l s f b rd a s s i c a lb r o i i l i n a t i o n ，ni st o x i c ， h a r m f l l la n dp o o ra t o me c o n o m y ，a n da l s ol i i 曲r e 百o s e l e c t i v i t ya n dc o n v e r s i o na r en o t o b s e r v 酣i ti ss i 鲥f i c a i l tf b r 吐l ec o n v e n d o n a li i l d u s 旬r yt od e v d o pan o v e l 眦e s so f b m t i l i n a d o n mt l l i sd a d i eb r o m i n a t i o n so fa c d v a c e da r e n e sa r ei n v e s t i g a t e di nt 1 1 es o l v e n t o fa c e t i ca c i da n dw a t e rw i t i l2 ，2 ，6 ，6 t e 皿m l e t i l y l - p i p 商d y l l _ o x y ( t e m p 0 ) a i l dn 0a s c a 伽y s t sa n do x ) 售e na so 】【i d a i l t i i l m a li n v e s t i g a t i o ni s 由es y n 血e s i so fm e 幽y la r y le t h e r sa ss u b 蜘砒e sw i md i m e 山y l s u l f a t e ，a 1 1 da l s ow i 也血ee n v i r o n r n 饥t a n yb e n i p 阻d i i n e l v lc a r b o n a t e t h ee f f e c to fd i v e r s e s o l v e n to nn l ec o n v e r s i o n0 fb r o m i l l a d o ni sc i i t i e do u tu s i n ga n i s o l ea ss u b s 姐t ei nv e s s c l a s c e n a i n i n ga c e 吐ca c i d 趾dw a t e ra ss 0 1 v e n t ，l e n 血e 甜b c to fd i f ! f i 嘲tv o l u m er a d oo f a c e t i ca c i dt ow a t e ro nc o n v e r s i o ni si n v e s d g a t 甜r e a c t i o nt i m e ，t e 唧e r a n j r ea n dq u a n t u mo f s o d i u ma r ee x a i i l i n e dw i mp i i l 劬y la i l i s o l ea ss u b m a t e t h eo p d m a lr e a c d v ec o n d i t i o n sa r e o b t a i n e da sf o l l o w ：t h em o l a rl a t i oo fs u b s 的t e ：s o d i u mb m i i l i d e ：t e m p oi s l ： ( 1 2 2 o ) ：o 0 0 3 ，t h ev o l u m er a d oo fa c e d ca d da i l dw a t e ri sl o ：3 ，t h ep r e s s u r eo fn 0i s o 0 5 m p aa n dt h a to fo x y g e ni su pt oo 4 一o 5 m p a a 船rr e a c t i o n ，m es y s t e mi sc o n v e r t e di n t o t w op h a s e s ，山eu n r e a c t e ds u b s t r a t ea n dp r o d u c t sa r ei nm es 啪ep h a s e ，a n dc a nb eo b t a i n e d 血m u g hl i q u i d l i q u i ds e p a m 曲n ap l a u 曲l eo v e r a l ll n e c h a i l i s mo ft 1 1 i sc a 叫皿cb m i i l i n a t i o n c i r c l ei sd e s c r i b e d a f t e rs y s t 锄a 吐co p t i i i l i 枷o no fr e a c 廿o nt 锄p 锄m r e ，d m ea n dq u a n t i l mo fs o d i u m ， h i g | l l ys d e c d v i t ya n dc o n v e r s i o nw a sa c 量l i e v e df o rd i 仃：e f e n ts u b s t i t i l t 酣a r o m a 娃cc o m p o u n d s ni sf o u n d 山a tm er e a c d o n sa b i d ew i t l lt l l eo r i e l l t a t i o nd h c to fs u b s d t i i t e d 掣o u p a l k a n o x y s u b s t i t u t e da r e n e se x h i b i ti l i g l lr e 垂o s e l e c d v i t ya 1 1 d1 1 i 曲c o n v e r s i o n ，m o d 蹦她c o n v e r s i o ni s f o ra u ( v ls u b s t i t u t e da n ：n e s k e yw o r d s lo x y b 阳m i n a t i 衄la c 伽a t e d 缸蛆e l t e 御o ；o x y g e n 大连理工大学硕士学位论文 引言 溴代芳香化合物不仅作为最终的功能性的化学品，如阻燃剂或抗菌抗病毒等的药 物，而且也是重要的官能团转化基团及有机金属化合物的前体。目前芳香化合物的溴代 一般还延用传统的用溴素结合路易斯酸或用n b s 进行溴代。用溴素溴代不仅有毒有害， 反应的原子经济性不高，而且溴代的转化率及选择性也不是很高。用n b s 的溴代也存 在着底物受限，后处理繁琐等的缺点。所以寻找原子经济性高的，高转化率及高选择性 的环境友好的溴代方法，将具有重要的理论及应用意义。 针对溴素或n b s 溴代本身的缺点，各种改进的溴代方法在近2 0 年来报道很多，在 提高溴代的转化率及选择性上取得了很大的进展。报道了各种含溴固体溴代试剂易于储 存处理操作，用沸石酸性催化剂来提高溴代的选择性，n b s 在不同溶剂中结合催化剂的 高效溴代等。特别随着生物化学的发展，对钒溴过氧化物酶在生物溴代中研究的深入， 出现了各种生物模拟溴代系统。b e f ts e l s 等m 1 9 9 9 年在n a t i l r e 上发表了一篇关于钒溴 过氧化物酶生物模拟的钨酸盐交换的分层双氢氧化物 w 0 4 2 ( m g a l ) l d h 】催化氧化溴代 和溴协助环氧化的文章，使生物模拟系统更臻完善，但离工业化还有一段距离。相对研 究比较多的，是用无臭无害的溴盐，结合氧化剂过氧化氢及钒、铼等的重金属氧化物催 化剂来进行的氧化溴代反应，也可直接用强氧化剂如硝酸铈铵、硝酸、高碘酸钠等结合 溴盐来进行氧化溴代，这些金属化物、强酸性氧化剂等不论从经济、反应的后处理还是 环保角度看都不是理想的。 作为廉价易得清洁的氧气一直是化学家研究氧化反应所青睐的氧化剂。各种卤代、 苯系等溶剂体系以及作为催化剂的金属化物等都是绿色化学要求中所要避免使用的。本 文遵循绿色化学的基本理念，构建了一种新的催化氧化溴代体系：用氧气为氧化剂， 2 ，2 ，6 ，6 一四甲基一哌啶基1 氧基( m p o ) 和n 0 为催化剂，用冰醋酸与水为溶剂，对活 性芳香化合物进行了氧化溴代反应的研究。考察了不同的溶剂体系、溴化钠和催化剂用 量、反应温度时间等参数对溴代反应的影响，确定了较优的反应体系。对不同供电性基 团取代的芳香底物进行了反应活性及体系适用范围的考察。发现羟基、氨基等特活性基 团取代芳烃在此体系不发生溴代，各种烷基、烷氧基取代芳烃的溴代遵循取代基的定位 规则，表现了较高的转化率及选择性。 冰醋酸和水为溶剂，氧气为氧化剂，非金属催化的活性芳香化合物的溴代反应，开 辟了一条新的经济绿色可行的有机反应途径，解决了化学工业对环境的污染，对实现经 济和社会的可持续发展具有重要的意义。 非金属化物催化的活性芳香化合物氧气氧化溪代 1 文献综述 1 1 概述 溴代是有机化学合成的基本反应单元。不仅大批量有机合成及溴代功能性化学品的 合成如阻燃剂、抗菌抗病毒药物等都包括溴代，而且溴也是重要的官能团转化基团，碳 溴键能发生多种类型的反应。由于溴素是个较好的离去基团，可与h 2 0 、n h 3 、r o 一、 r 、s h _ 、c n 一、s c n 。、n 0 2 。和r c 等亲核试剂发生亲核取代反应，是合成其它官能化 合物的前体。也是合成金属有机化合物的前体。特别随着现代偶联反应的发展，如 t a m a o k u m a d a ，s u z i l b m i y a u r a 和m i z o r o 百一h e c i ( 等反应，对起始原料溪代芳香化合物 的需求量急剧增加。 传统的溴代是直接用溴素，溴素不仅有毒有害，对环境人体造成危害，而且反应过 程中只用了一半溴，另一半以氢溴酸的形式废弃掉了。虽说氢溴酸可以回收利用，但是 从原子经济性及对设备的维护上来说都是不可取的。目前国内无论工厂及实验室进行的 溴代一般部还是传统的溴素方法，关于这方面的研究也很少，还主要停留在改变反应介 质，控制温度或滴加方式等来提高反应的选择性或转化率。随着世界对环境指数的要求 越来越高，绿色化学的兴起也使溴代这一传统的有机反应衍生出很多种不同的澳代形 式。特别是海洋生物化学的发展，使溴这一本来就来自海洋中的元素还原其本色，研究 其在海洋生物中她的转移形式，进而发展了全新的钒溴过氧化物酶的生物模拟系统。用 无毒无臭的溴化钠或滨化钾为溴源，结合氧化剂来进行的氧化溴代反应是这些年来溴代 研究的热点，对活性芳香底物的溴代在转化率及选择性上都取得了很大的进步。 本章旨在综述芳香化合物的溴代方法及其研究进展，并对其进行评价，重点论述国 内外研究现状。 1 2 芳香化合物的溴代方法与应用 1 2 1 芳香化合物的传统溴代方法 溴是第七族元素，在1 8 2 6 年由a 1 l 自d i n eb a l a r d 发现的。在室温下溴是密度大的可流 动的黑红色液体，溴是活泼元素，所以能在海水、盐湖、地壳中发现以碱金属和碱土金 属盐的形式存在。 传统的溴代方法是用溴素在路易斯酸催化下进行的，反应遵循取代基的定位规则， 反应的选择性及转化率不高。如直接用苯胺与溴水反应，不容易停留在一溴代或二溴代 大连理工大学硕士学位论文 阶。一溴代可以通过乙酰苯胺进行，反应完后可以通过酸性水解去保护，可以看出要达到 高的选择性一般都很繁琐。 另外一个使用比较多的是n b s ，n b s ( n _ b 1 0 m o s u c c i n i i i l i d e ) 即n 一溴代丁二酰亚胺。 早在1 9 1 9 1 9 2 0 年间，邬尔( w o l l l ，a ) 在研究烯丙位溴化时推荐以n 溴代酰胺类( 如 n 溴代乙酰胺，n 溴代邻苯二甲酰亚胺) 作为溴化试剂可避免双键卤素加成反应。而后 齐格勒( z i e 甜e r ，k ) 于1 9 4 2 年成功地用n 一溴代丁二酰亚胺代替上述试剂发展成为邬 尔一齐格勒反应1 2 】。n b s 主要用于烯丙位或苄基溴代，也有用来进行芳环取代反应的， 但反应时间长，收率中等f 3 】。相对溴来说，n b s 无毒无昧，但比溴要昂贵，而且反应后 处理麻烦。 当代的方法学概念要求化学反应要环境友好、清洁有效、定点选择、操作简单而且 要成本上可实施的。许许多多的化学家都在朝这个方向努力，而芳香化合物的溴代反应 也可谓是百花齐放，虽没有尽善尽美，但都各有其优点所在。以下主要是对溴代反应的 发展从几方面来进行论述。 1 2 2 澳素参与的反应 由于直接溴代的选择性不高，且用路易斯酸或硫酸催化，后处理麻烦。许多化学家 都在研究提高溴代的选择性，如通过研究反应机理，在低温或将溴溶于溶剂中滴加等方 式来提高选择性【4 l 。 文献曾1 5 报道了蹦n 0 3 ) 3 1 5 n 2 0 4 高选择高转化催化带供电基团的芳香化合物的澳 代与碘代。f n 0 3 ) 3 1 ，5 n 2 0 4 虽易吸漫，但承载在活性碳上就成为不吸湿易处理的粉末。 在室温，二氯甲烷溶剂中用溴素和碘素就能直接反应，而用溴盐和碘盐需要延长反应时 间。 在过去的二十多年，沸石引起了有机化学者的很大兴趣，而用多微孔的沸石等的催 化溴代也是研究比较热门的f 6 】。沸石作为固体酸，在反应后通过过滤活化处理等能重新 获得，使用方便并能循环应用几次，并且沸石规则的微孔结构可以作为控制有机合成的 一种工具。 在液相中用沸石h - b e 组催化，氯苯、甲苯、二甲苯用溴素进行的溴代，得到对位溴 代物。高活性高选择性可能源于它的高酸性，三维空间渠道结构和大极性孔隙。比传统 的用f e c l 3 催化溴代的活性稍弱，但有非常高的对位选择性l 7 1 。 t e s a l 【l ( i d u r a i 等f 8 】用a h y 沸石催化，用分子溴对甲苯、苯酚、氯苯等进行固态溴 代，显示了催化剂高选择性高转化率的催化活性。这里n a y 先催化选择溴代，随后h y 沸石可作为稍弱溴代选择的催化剂。 非金属化物催化的活性芳香化合物氧气氧化溴代 用沸石催化溴代时会发现选择性高而转化率很低，主要的因素是反应中生成的h b r 吸附在沸石催化剂的结构中。提高催化剂活性和选择性的一个有效的方法是除去h b r ， 人们使用了各种清除剂，如有机碱、醇类、羧酸等。j a l l a lm 等一报道了用s 0 2 c 1 2 为清 除剂，b r 2 和多微孔催化剂的一种新的催化溴代体系。以氯苯( c b ) 为底物的b r 2 溴代， 考察了几类微孔催化剂，如s i 0 2 ，a 1 2 0 3 ，沸石3 a ，4 a ，发光沸石，l z _ y 8 1 2 ，k s f 粘 土等。结果显示大孔径的沸石的催化效果比小孔径的要好，这可能是底物不能扩散通过 小孑l 径沸石的孔道或者是小孔径容不下溴和c b 反应的大体积的过渡态，所以微孔催化 剂的c b 转化率很低。又研究许多承载不同金属离子的粘土和沸石，发现c b 的转化率 大大提高了。用b 绑0 2 c 1 2 ，c a 2 + y 的催化溴代体系，c b 、b r 2 和s 0 2 c 1 2 的摩尔比为2 ：l ：i ， 催化剂用量o 0 0 5 i i l i n o l ，c b 转化率达到8 5 ，对位选择性为9 6 。这里s 0 2 c 1 2 可与 b r 2 反应生成b r c l 和s 0 2 ，也可与h b r 反应生成b r 2 ，重新生成b r 原子。间二甲苯、甲 苯或氟苯在此条件下的转化率和选择性也非常高。 钨磷酸( h 3 p w l 2 0 加) 属于k e g 酉n 类型的低表面积杂多酸，而它的铯盐有很高的表 面积，是比沸石更活泼的催化剂。h a b i bf i m u z a b a d i 【lo j 以杂多酸铯盐c s 2 5 h o 5 p w l 2 0 4 0 和 十六烷基三甲基溴化胺( c a l m ) 为催化剂，用b r 2 成功地对酚类进行高选择高转化率 对位单溴代，反应也很迅速。以苯酚为底物，确定p h o 彤b 叫c s 2 5 h o 5 p w l 2 ，c t a b 的最 佳摩尔比为l ：1 5 ：0 0 5 ：o 0 2 5 。c s 2 5 h o5 p w l 2 可循环1 9 0 次，而c a t b 可循环3 8 0 次。各 种取代酚、苯醚、胺、萘、葸等在此催化体系中都相对高选择高转化得到单溴代产物。 1 2 3n b s 的溴代反应 w o h l z i e 9 1 e r 反应很大程度上依赖于所选择的溶剂，在极性大或电离溶剂中n b r 键更易于异裂，所以更容易进行芳环溴代【1 1 1 2 】。 旺一溴代酮是合成上非常重要的中间体，l ( i y o s h i1 抽e 删m 等【l3 】报道了在中性催化剂 n h 4 0 a c 下，环类酮、a 位未取代的b 酮酯在乙醚中2 5 时用n b s 进行溴代，高产率 地生成相应的d 一溴代酮类。非环酮及q 位取代的b - 酮酯在c a 4 中8 0 用n b s 能有效地 溴代。以4 一叔丁基环己酮为底物，在不同的溶剂系统中，n 溴代酮的收率不同，在乙醚 中收率最高，可以看出溶剂对反应影响很大。如表1 1 所示： 各种甲氧基取代的苯及萘在c c 】4 中用n b s 进行苯环溴代，收率达到9 0 以上，而 在c h 3 c n 中，反应时间缩短并且收率也相应提高。而各种甲基取代的苯甲醚，在c c l 4 中发生侧链溴代，在c h 3 c n 中得到高收率的苯环溴代物。同样可以看出不同的溶剂对 n b s 进行的溴代反应历程是不同的“。 大连理工大学硕士学位论文 表1 1 不同溶剂对n b s 溴代收率的影响 t a b 1 1i n f l 岫n c eo f d i v e r s o l v e m0 n t l 圮y i e l d o f b r o n l i m d o n w i t l l n b s 活性芳烃用n b s 进行的苯环溴代一般在酸性催化下，文献报道了【l5 1 在c h 3 c n 中用 氟硼酸乙醚化物催化，n b s 对苯酚与苯醚类芳烃溴代，选择性与转化率都很高，推测四 氟硼酸溴嗡盐可能是溴代物质。 c e n tp a u l 【1 6 1 报道了h z s m 一5 ( s i o 必。1 2 0 3 = 4 0 ) 催化，在c c l 4 溶剂中，用n b s 进行的 活性芳香底物的溴代，收率及选择性很高，而二甲苯却发生侧链溴代，催化剂可循环使 用几次。 对于2 ，6 一二甲氧基苯甲酸的溴代，在酸性介质中可能引起去甲基化反应。j o s 印h a u e r b a c h 【1 7 j 发现在氢氧化钠水溶液中用n b s 就能实现溴代反应。 在c h 3 c n 、d m f 、c h a 3 等极性溶剂中用n b s 溴代，从工业角度考虑，回收这些 易挥发的水溶性的有机溶剂，不论从环境危害还是经济成本都是不可取的。离子液体特 有的溶剂特点可用到溴代溶剂，r r 司a g o p a l 【18 】用四氟硼的l ，3 一二正丁基的咪唑嗡盐 ( b b i m 】b f 4 ) 离子液体做溶剂，用n b s 对活性芳香底物溴代，反应非常迅速的在5 r n j n 内完成。只有甲苯生成苄基溴化物，苯不反应。溴代物用乙醚萃取，剩余物用乙酸乙酯 稀释，不溶的亚酰胺过滤出来，离子液体通过减压蒸去乙酸乙酯重新得到。使用四次反 应收率不变。如此神奇的迅速反应，通过研究n b s 在几、乙腈、d m f 中的”cn m r 发现，在几中羰基的化学位移变大。这可能是在极性离子液体中n b r 键强烈极化的 原因，所以反应很快。 1 2 4 含澳试剂的澳代反应 由于液体溴素的危害性很大，储存操作也很危险，所以人们开始开发固体溴代试剂， 如p y h b r 3 、( b u ) 4 n 协r 3 。、d b u h b r 3 等等容易处理的含溴试剂1 1 9 1 。本文仅就这几年研 究发现的溴代效果较好的含溴试剂作一概述。 非金属化物催化的活性芳香化合物氧气氧化溴代 s h i v 稚b 等刎发现用三氧化铬与4 7 h b r 及吡啶反应生成一种黑棕色结晶的含溴 试剂即溴代铬酸吡啶盐( p b c ) ，用于各种含羟基芳香底物的溴代，产率及选择性都很 高。反应体系的优点为：操作过程简单，产物分离容易，p b c 试剂处理容易，可称量无 危险，与羟基苯乙酮只发生亲核溴代，没有侧链溴代发生，但可以看出废液很难处理。 单溴异氰尿酸钠( s m b i ) 是和n b s 和二溴异氰酸钠( d b i ) 相似的溴固定试剂， 已经成为商业可购的白色无味粉末，在大部分有机溶剂中不溶，所以实验中容易处理。 用硫酸作溶剂，s m b i 与硝基苯，芳香酸、酯、醛等有吸电子基团化合物，在4 0 反应 1 2 小时都生成单溴代物，且收率很高，硝基苯达到9 5 ，但是间二氯苯和三氟甲基苯 在此条件下生成多溴代物。在甲磺酸和乙醚的混合溶剂中，苯、苯甲醚等中等活性的芳 香化合物在同样反应条件下生成单溴化物，收率一般都在6 0 以上，通过调配甲磺酸与 s m b i 的摩尔比，二氯苯和三氟甲基苯成功的得到了单溴代物。用硫酸、甲磺酸、三氟 乙酸等为介质研究发现，在酸性介质中，s m b i 能产生更活泼的亲电b r + ，所以通过调 整溶剂的酸性来控制反应的活泼性。对于电子丰富的酚类物质单溴代很难控制。用乙醚 作溶剂，苯酚与s m b i 反应，邻，对为8 9 ：1 1 高于用n b s 的6 4 ：3 6 ，但转化率偏低。 通过调整底物与s m b i 的比例来控制产物邻对位的比例。但反应在无水条件下不反应， 几滴水对反应体系非常重要。对甲酚在同样条件下达到3 7 的单溴代物口“。 o 州j l 。 jl 护毪 沁 s o d i u mm o n o b r o m o i s o c y a l i u r a t e ( s m b i ) c i n z i ac h i a p p e 等【2 2 j 报道了一种酸性三溴三甲基咪唑嗡盐离子液体【h i i l i m 】【b r 3 】在作 为溶剂的同时也作为溴代试剂，这种离子液体溶在介电常数象醇、乙腈、二甲基亚砜的 介质中，在氯代溶剂中微溶，在水、烷烃、甲苯及乙醚都完全不溶。对芳香化合物、醛、 酮、烯烃类都能发生亲电溴代，但高转化率要延长反应时间到2 4 小时，活泼底物选择 性不高。象不很活泼的萘或有位阻的化舍物也能溴代，萘的转化率选择性达到l o o 。 溴苯、碘苯、苯乙腈等完全不反应。反应后生成的【h i i l i m l 【h b 瑚唯一副产物即可以分离 出来作为其它反应的试剂，溶剂，也可以通过加入一定量的分子溴重新生成【抽 i l i m 【b r 3 】。 这也是一个可选的安全的易操作的无溶剂的绿色反应。 3 一m e t i l y l i m i d a z o l i u mt r i b r o m i ( i e 【h m i m 】【b r 3 】 6 洲 阶 够。 大连理工大学硕士学位论文 c l l r i s t o p h ec h a 鼹a i l l g 等在研究2 一甲氧基_ 6 一甲基吡啶的c 5 位置溴代时，发现l ，3 一 二溴- 5 ，5 一二甲基乙内酰脲( d b d m h ) 是一种选择好的溴代试剂，同时也与酸性体系 d b d m h 一1 m s o ，r f 的溴代进行了比较。d b d m h 只对活性芳香化合物能发生溴代，对甲 苯都不发生反应。 冷 l ，3 一d i b r o m o 一5 ，5 d i m e m y l h y d a n t o i n ( d b d m h ) 文献报道了f 2 4 1 二甲基亚砜和氢溴酸水溶液反应原位产生的溴代二甲基锍溴化物，发 现它是比溴素更温和、选择性更高的溴代试剂。对于甲苯等中等活性的芳烃不反应。用 乙酸做溶剂能加速反应，但反应活性不是很高。如苯甲醚类底物室温反应，时间都超过 1 2 小时，加热就会产生多溴代物，酚类加热回流都产生多溴代物，看来选择性不是很高。 许多溴代试剂一般都对括性芳香化合物反应，而对带有吸电子基团的芳香化合物没 有作用。加n j r a mg r o w e i s s 用n h b 哟3 对带有吸电子基团的芳香化合物进行了溴代研 究。在强酸性的水溶液中，在4 0 一1 0 0 ，得到8 5 9 8 的收率的间位溴代产物。 哇 廖。， h 2 s 0 4 妒 、r ， x = n 0 2 c 0 0 h ，c o o m e ，c h o ，f c f 3 ，e t c r i h ，f 。a 。e t c 虽说n a b 0 3 的价格是溴素的两倍多，但也有其自身的优点：对带有去活性基团的 芳香化含物是有效的溴代试剂，是商业可购的易处理的固体，反应中无h b r 生成且反应 在水溶液中无需昂贵或有毒的溶剂。以硝基苯的溴代为例比较了用溴索的溴代，显示了 b 0 3 溴代的优势所在。 表12 硝基苯用b o ，与b r 2 溴代的比较 t a b 1 2b r 0 l i 脑6 0 no fd j db e n z e n ew i 血s o d i u mp e f b o r a t ec o i n p a r e dw 曲b r o i n i n e 。由 阿 非金属化物催化的活性芳香化合物氧气氧化溴代 1 2 5 不同反应介质媒介的澳代反应 由于工业废液引起的人们对环境污染的关注已经使固态反应的研究得到了苏醒。 n b s 广泛应用在溴代反应中，但是很多反应都生成多种产品。在溶液中的反应一般观察 不到产物的选择性。已报道了固态n b s 进行的酚和氢醌的溴代，生成多种亲核溴代产 物和一些氧化产物。然而这些产物不同于在溶液中反应得到的产物，显示了另一类区域 选择性。j a g a l l 叩u d ia r p s a i l a 等 2 6 】研究探讨了一些羟基，氨基和硝基取代的化合物 进行固态溴代的有效性及一般性。除了取代基的本性外，其它两个重要的控制反应活性 和产物选择性的参数是反应时间和温度。反应温度的变化依据取代基和反应物的熔点。 芳环上有强活化基团，要降低温度控制反应，反应物的熔点低，也要降低温度避免熔化， 同时低温也得到好的选择性。如果反应物的熔点高或存在去活基团，反应温度和或时间 要提高加速反应。这显示了在固态时溴的扩散对控制反应的反应性的重要。苯环上有强 去活性基团，几乎不反应，不同的取代基调节苯环的活性，相应的得到单澳和多溴代化 合物。固态n b s 溴代是高区域选择性的完全亲核取代反应。 微波照射能加速有机反应，这也是此技术受化学家欢迎的主要原因。d b o g d a l 等【2 ” 发现在微波照射下，芳烃用h b r 和h 2 0 2 进行氧化溴代，反应时间大大缩短了，而且不 影响转化率及选择性。 文献报道了3 甲苯及取代甲苯通过两相电解进行电化学溴代生成相应的瑾溴代化合 物。反应体系用铂电极在o 氯仿溶剂中，用6 0 的溴化钠水溶液和催化量的h b r 反应 得到高产率高选择性的单溴代物。在两相电解体系中，水相中的溴离子通过电解形成的 反应物连续地进入到有机相中，然后与底物反应生成选择性高的产物。 h e n “s h a w 等【2 9 1 也研究了在环境友好的水介质中，甲苯、对二甲苯等能高产率的 进行侧链溴代。尽管反应适用底物有限，但打开了用水做溶剂进行自由基溴代的大门。 一般在均相或浓酸性条件下，酚类溴代产物分离是一个难题。s r d i pm l l l ( h o p a d h y a y 掣3 0 1 用液一液两相体系氧化溴代酚类，使产物的分离变得容易，底物溴代是在4 0 的 氢溴酸和二氯乙烷的两相中，用3 0 的h 2 0 2 实现的。 文献也报道了在微乳液中室温下用四甲基溴化胺进行的溴代【3 ”，在离子液体中硝酸 和卤化氢进行的氧化溴代口“。 1 2 6 钒溴过氧化物酶在海洋天然产物生物澳代中的作用 卤代海洋天然产物包括很大范围的化合物，从卤代吲哚、萜烯、酚类等等到一些简 单易挥发的大量卤碳氢化合物，如溴仿、二溴甲烷，甲基碘化物，溴代和氯代苯甲醚等。 大连理工大学硕士学位论文 一些海藻类的代谢物也是卤代天然产物，而且很多都具有药理学意义上的生物活性，包 括抗真菌的，抗病毒的，抗肿瘤的，抗炎的作用等等。如来自海绵中的具有抗菌作用的 化合物2 ( 2 ，- 溴酚氧基) 一3 ，4 ，5 ，6 四溴酚，最有名的溴代海洋天然产物之一是从海洋软体 动物中分离出来的提尔红紫f a j ( 古罗马、希腊使用的原在提尔生长的海螺中获得的 紫色染料) 。d j f a u l l 【n e r 【3 3 1 总结及评论了许多卤代海洋天然产物。在海洋生物体中发现 的如此丰富的卤代海洋天然产物以及其潜在的生物活性，这些化合物的生物合成几十年 来一直是海洋天然生物化学家所孜孜追求的。在u cs a n t ab a r b a m 大学工作的a l i s o n b u d e r 教授【3 4 。3 5 3 6 1 3 7 1 十多年来一直致力于海洋环境生物无机化学的研究，特别在钒溴过 氧化物酶的研究上成果很多。大约在三十年前，研究发现在某些卤代海洋天然产物的生 物合成中，显示出卤代过氧化物酶可能在起作用。从那以后，亚铁血红素和钒的卤过氧 化物酶在许多海洋生物体中被发现了，而对钒溴过氧化物酶( v b r p o ) 的研究一直很 盛行。钒溴过氧化酶都是和氨基酸结构相似的酸性蛋白质，现在已经分离纯化，并且 表征了结构 38 1 。利用光谱数据确认的整个v b r p 0 催化溴代的反应过程是： ，n h 3 + _ ( l y s ) 钒溴过氧化物酶催化溴代循环，劬mj a m c h 哪s o c ，2 0 0 4 ，1 2 6 ：1 5 0 6 0 - 1 5 0 6 6 ( 1 ) 过氧金属体的形成。( 2 ) 溴化物协助h 2 0 2 的歧化。( 3 ) 有机物的亲电溴代。 第一步是h 2 0 2 与v ”离子配位，产生一个v ”束缚的过氧部分。溴化物与过氧化配位物 反应，产生一个自由的二电子氧化溴形式。主要的氧化形式推测是o b r - ，然而它的难以 确立是由于与h o b r 、b r 2 、和b r 3 迅速平衡，或是酶束缚的溴嗡离子。随后的步骤是中 间体b r + 或者与适当的有机底物溴代反应，或者与另一等量的h 2 0 2 反应，形成激发的单 线态氧气和水，并重新生成溴离子。以一些海洋天然产物的生物模拟合成及一些硫化物 吲哚类萜烯类化合物为底物对v b r p o 的生物催化活性进行了研究，而且也逐步研究对 不同底物与不同反应条件的反应性。v b r p o 的x 射线晶体结构及反应性的研究，使人 们能够在一个分子水平上理解酶催化循环过程。 非金属化物催化的活性芳香化合物氧气氧化溴代 ( a ) oh 既摊 提尔红紫( 删a np u r p l e ) 1 2 7 生物模拟催化氧化溴代反应 随着生物无机有机化学的发展，对v b r p o 酶的结构与催化机理研究的逐渐明晰， 各种各样的生物模拟系统异军突起3 9 4 0 ，4 1 他4 3 1 。大部分生物模拟体系如表1 所示： 表1 3 钒溴过氧化物酶生物模拟体系 t 铀1 3b i o i i l i l l l i cs y s 衄no fv a n a d i u mb r o m o p e r o 虹d a s e s c a t a l y s t t o fh + c o n c e n t r a t i o ns 0 1 v e n t h 2 0 2 ： b r v 0 4 1 5 0 0 5 删c 1 0 2 5 m e o h 5 m m ：o 4 3 m v v o s b v v o s b k ( 1 8 一c r o w n 一6 ) 一v o ( 0 2 ) h e i d 8 v 0 4 m 0 0 4 m 0 0 d 2 m 0 0 ( 0 2 ) 2 ( o x ) ! 黼o o ( 0 2 ) 2 ( o x ) ： w 0 4 驿0 。： c h 。r e 如 t i - m n 一4 8 l ，3s t o i c h i o m e t r i cs b 2 80 0 1mh c l o 。 1 2 0o 0 0 5 mt r i f 】i ca c i d o 1 7o 1 z mh c l0 4 4 80 1 mh c l 0 4 1 8 1 0 ( a c e t a t eb u f f e r ) 1 7l o 一( o x a l a t eb u f f e r ) 3 21 0 一( o x a l a t eb u f f e r ) 9 50 5 mh c l 0 4 2 40 o l m l c l o t 8 5 i mh c 】o o 1 6 3 木1 0 一( h e p e sb u f f e r ) 4 m ：o 1 m 4 m m ：o 1 m 5 m m ：1 5 m m 2 0 m m ：0 0 5 m 1 5 m m ：0 5 m o 3 m m ：l m 一：l m 1 m m ：0 1 m l m m ：o 1 m 1 m m ：2 m 1 m m l o m m ：o 1 m t o f 三i n o l eb r _ o x i d i z e dp e rm o l ec a t a l y s ta n dp e rh s b = s c h i f fb a s e h e i d a = n 一( 2 - h y d r o x y e t h y l ) i m i n o d i a c e t a t e f r o mj o u 丌1 a lo fc a i a l y s i s ，2 0 0 3 ，2 1 6 ：2 8 8 2 9 7 有的模拟系统要求强酸介质，不同于生物酶的近中性介质。j e 町l a i n ev 等h 5 1 报 道了一种过渡金属离子嫁接的金属多孔水溶性硅酸盐材料t i m c m 一4 8 和删c m 一4 1 在 中性水溶液和有机溶剂中能催化氧化卤代反应，但催化活性中等。b e ns d s 等h 6 1 1 9 9 9 年在n a t u r e 上发表了一篇关于钒溴氧化酶生物模拟的钨酸盐交换的分层双氢氧化物 【w 0 4 2 ( m g a l ) l d h 】催化氧化溴代和溴协助环氧化的文章，使生物模拟系统更臻完善。 h m 州叫明 洲 帅 = 耋 ， ， ， ， t “ e e e e 岍|耋胁岫娜差毫l耄差耄 大连理工大学硕士学位论文 反应系统成本低，多相催化活性是均相类似系统的1 0 0 倍多，而且反应能在温和的条件 下进行。分层双氢氧化物( u ) h ) 由交替的阳离子m ( i i ) 1 ( i ) ，( 0 h ) ，+ 和阴离子 a ，z h 2 0 构成。催化剂是用钨酸盐与用氯饱和的( m g a l ) l d h 和( n i 柚) l d h 交换得 到，含量达1 2 。用w 0 4 2 。l d h 催化溴代的机理与钒溴过氧化酶催化溴代一样。h 2 0 2 与钨酸盐结合在u ) h 表面形成过氧钨酸盐，静电吸附把溴带到表面，利于活性氧原子 从钨酸盐转到br _ 。在溶液中反应生成2 电子氧化溴形式，发生溴代的同时也协助0 2 从h 2 0 2 中产生。用酚红作底物溴代氢谱确认完全得到溴代酚蓝。w 0 4 2 l d h 与几个均 相非均相的模拟酶催化剂进行了一下比较，见表1 4 表i 4w 0 4 2 一u ) h 与其它模拟钒卤过氧化酶的比较 ，r a b 1 4c o n l p a r eo f w 0 4 2 l d hw 曲o c h e rv a n a m u ml l a l o p e r o x i d a s e s 霉 u 掣3 掣嬲0 美张h h y 啊o f ( c i l r n o v e ff r e q u e n c y ) ：每厚尔金属每小时溴被氧化的摩尔数。 + s p e c i 缸a c b v i t y ：每催化剂总量每小时溴被氧化的摩尔数 # 达到1 2 的阴离子交换度。 f m mn a t u r e ，1 9 9 9 ，4 0 0 ：8 5 5 - 8 5 7 w 0 4 。( m g a l ) u ) h 虽然没有钒溴过氧化酶的催化活性高，修饰的酶要达到工业应用， 需要催化剂在提高温度和高浓度h 2 0 2 的情况下的能再利用与稳定，但其活性也大大降 低了至少1 0 0 倍，所以w 0 4 2 u ) h 模拟是一个很有吸引力的生物酶的替代品。w 0 4 2 。l d h 可用到非常宽范围亲核底物的亲电溴代( 如烯烃，1 ，3 一二酮，芳香化合物等) 。b e n 等 人 47 】也进一步研究了催化荆结构与反应条件对催化活性的影响。w 0 。厶u ) h 模拟催化系 非金属化物催化的活性芳香化合物氧气氧化溴代 统反应条件温和，可在近中性条件下反应，催化剂浸出少，在高h 2 0 2 浓度下稳定。原 子经济性高，它所催化的氧化溴代是可替代n b s 和b r 2 的。 b m c h o u d a r y 【4 蜘也研究了m g a l l d h - w 0 4 和n i a l l d h w 0 4 对双酚a ( b a ) 催化 溴代成四溴双酚a 的活性，在二氯乙烷溶剂中，以双酚a 4 3 8 m m o l 为计，h 舶叫b a 摩尔比为2 1 ，2 0 5 l ，催化剂用量5 i n g 为最好催化效果。催化溴代体系用于活性底物如 苯醚、苯胺、苯酚类，在7 2 反应o 5 1 小时能达到8 0 以上的收率。可以看出溴原 子达到了空前高的原子经济性。 最近发现r 一种钨酸盐的氧化锆，在中性水液中对酚红的催化溴代研究，作为钒溴 过氧化物酶的生物模拟，打开了这类有名的催化剂新的应用方向【4 。 1 2 8 溴离子、氧化剂进行的氧化溴代反应 溴素毒性大，有腐蚀氧化性，给存储和运输造成困难。溴素的制备一般用氯气将油 气田底下含溴卤水中的溴离子氧化成游离溴后，再用水蒸气蒸馏或空气吹出方式进行提 取【卯】。而溴盐广泛存在于自然界中，所以直接用易得无臭无害的溴盐来进行溴代是最简 单的方法r 。从化学上来讲，溴离子是可以被氧化成溴的，所以化学家用溴离子结合氧 化剂来进行氧化溴代的研究，近二十年来，这方面取得了