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硕士论文芳烃的氯甲基化和苄氯的氧化反应研究 摘要 表面活性剂和相转移催化剂作为两种环境友好的催化剂，正在被人们认识与接受， 它们的水溶液可直接作为反应溶剂，同目前广泛使用的易挥发的有机溶剂相比有着不 可替代的优势。芳烃的氯甲基化和苄氯的氧化反应是有机合成中两类极其重要而且应 用非常广泛的反应，本论文将表面活性剂和相转移催化剂分别应用于催化芳烃的氯甲 基化和苄氯的氧化反应，从两个方面分别进行了详细的研究。 ( 1 ) 胶束催化芳烃的氯甲基化：以异丙苯( i p b ) 为反应底物，采用胶束催化法，考察 了表面活性剂的种类、表面活性剂的浓度、反应时间、氯甲基化试剂等因素对反应的影 响，优化工艺，找到了提高转化率和选择性( 包括单氯甲基化选择性和对位产物的选择 性) 的最佳工艺条件，实现了一系列芳烃化合物的氯甲基化，并研究了胶束催化氯甲基 化反应的机理。研究表明：胶束催化是实现芳烃( 尤其是较活泼芳烃) 的氯甲基化的有效 方法，阳离子表面活性剂，尤其是具有较长碳链的阳离子表面活性剂如十六烷基三甲基 溴化铵( c t a b ) 的催化效果最好，在1 4 倍c m c ，n ( 异丙苯) ：n ( 多聚甲醛) ：n ( n a c l ) = l ：1 2 ：2 ， 反应温度为8 0 和反应时间为4 h 的条件下异丙苯的转化率可达到9 8 o ，单氯甲基化选 择性可达到9 7 5 ，区域选择性( p a r a o r t h o ) 比率为1 0 1 ：1 。 ( 2 ) 相转移催化苄氯的氧化：在酸性条件下，采用相转移催化法，以氯化苄为反应 底物，用硝酸钾作为氧化试剂，优化工艺，考察了各种因素对氧化反应的影响。提高 氯化苄转化率和苯甲醛选择性的最佳工艺条件为：n ( 氯化苄) ：n ( i 烈0 3 ) ：n ( 阳离子交换树 脂0 0 1 7 ) = 1 ：1 1 ：1 5 ，p e g 6 0 0 作相转移催化剂，水做溶剂，n 2 保护回流6 l l 。在此条件 下，氯化苄的转化率为9 5 4 ，目标产物苯甲醛选择性和产率分别为9 9 o 和9 4 5 。将 此方法应用到一系列苄氯化合物的氧化，结果表明所有的苄氯都能成功的转化成相应 的醛或酮。 关键词：芳烃，氯甲基化，氧化，胶束催化，硝酸钾，相转移催化，苄氯，阳离子交 换树脂 硕士论文 a b s t r a c t s u r f a c t a n ta n dp h a s et r a n s f e rc a t a l y s ta r et w ot y p e so fe n v i r o n m e n t - f r i e n d l yc a t a l y s t s t h e i ra q u e o u ss o l u t i o n sc a nb ed i r e c t l yu s e da sr e a c t i o ns o l v e n t s c o m p a r e dw i mt h e t r a n d i t i o n a lo r g a n i cs o l v e n t s ，t h e yh a v em a n ya d v a n t a g e s c h l o r o m e t h y l a t i o no fa r o m a t i c h y d r o c a r b o n sa n do x i d a t i o no fb e n z y lh a l i d e sa r et w ot y p e so fi m p o r t a n tr e a c t i o n sa n dh a v e c o m p r e h e n s i v ea p p l i c a t i o ni no r g a n i cs y n t h e s i s i nt h i sp a p e r , s u r f a c t a n ta n dp h a s et r a n s f e r c a t a l y s tw e r er e s p e c t i v e l yu s e di nt h ec h l o r o m e t h y l a t i o na n dt h eo x i d a t i o n ( 1 ) c h l o r o m e t h y l a t i o n ：m i c e l l a rc a t a l y s i sw a se m p l o y e d f o rc h l o r o m e t h y l a t i o n i s o p r o p y lb e n z e n e ( i p b ) w a su s e da sm o d e ls u b a t r a t e t h ee f f e c t so fd i f f e r e n tf a c t o r ss u c h 嬲 t h et y p e so fs u r f a c t a n t s ，m i c e l l ec o n c e n t r a t i o n , 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 ，a n d c h l o r o m e t h y l a t i o nr e a g e n t sw e r ei n v e s t i g a t e dt oi m p r o v et h ey i e l da n dt h es e l e c t i v i t y t h e n t h e s ec o n d i t i o n sw e r ea p p l i e dt oc h l o r o m e t h y l a t i o nr e a c t i o no fa r o m a t i ch y d r o c a r b o n s t h e m e c h a n i s mo fm i c e l l a rc a t a l y s i sf o rc h l o r o m e t h y l a t i o no fi p bw a sa l s os t u d i e d t h er e s u l t s s h o wt h a t ：m i c e l l a rc a t a l y s i si sag o o dw a yf o rt h ec h l o r o m e t h y l a t i o na n dc a t i o n i cs u r f a c t a n t s ， e s p e c i a l l yt h o s ec o n t a i n i n gl o n g e rh y d r o p h o b i cc a r b o nc h a i n si e c t a b ，a r em o r ee f f e c t i v e t h eo p t i m u mc o n d i t i o n sw e r e 嬲f o l l o w ：n ( i p b ) ：n ( ( h c h o ) n ) ：n ( n a c l ) = 1 ：1 2 ：2 ，c t a b ( 1 4 c m c ) ，r e a c t i o nt e m p e r a t u r e8 0 。c ，r e a c t i o nt i m e4 h u n d e rt h i sc o n d i t i o n s ，9 8 o c o n v e r s i o no fi p bw a so b t a i n e d s e l e c t i v i t yr e a c h e dt o9 7 5 ，t h er a t i oo fp a r a o r t h ow a s 10 1 ：1 t h i sm e t h o dc a nb ea p p l i e dt oal a r g ea m o u n to fa c t i v e da r o m a t i ch y d r o c a r b o n s ( 2 ) o x i d a t i o n ：t h eo x i d a t i o no fb e n z y lc h l o r i d ew i t hp o t a s s i u mn i t r a t ec a t a l y z e db y p h a s et r a n s f e rc a t a l y s t si nb o t hh 2 s 0 4a n dc a t i o ne x c h a n g er e s i ns y s t e m sw e r ei n v e s t i g a t e d i no r d e rt oi m p r o v et h ey i e l da n ds e l e c t i v i t y , d i f f e r e n tf a c t o r sw e r ee x a m e dt os e a r c hf o rt h e b e s tr e a c t i o nc o n d i t i o n s t h eo p t i m u mr e a c t i o nc o n d i t i o n sw e r ea u sf o l l o w ：n ( b e n z y lc h l o r i d e ) ： n ( k n 0 3 ) n ( c a t i o ne x c h a n g er e s i n ：0 0 1x 7 ) ：n ( p e g 一6 0 0 ) = 1 ：1 1 ：1 5 ：o 0 5 ，h 2 012 0 m l m o l ， r e a c t i o nt i m e6 hu n d e rn 2a t m o s p h e r e u n d e rt h i sc o n d i t i o n s ，t h ec o n v e r s i o no fb e n z y l c h l o r i d ew a s9 5 4 a n ds e l e c t i v i t yi nb e n z a l d e h y d ew a s9 9 o t h i so x i d a t i o np r o c e d u r ec a n b ea l s oa p p l i e dt oal a r g er a n g eo f b e n z y lc h l o r i d e s k e yw o r d s ：a r o m a t i ch y d r o c a r b o n , c h l o r o m e t h y l a t i o n , m i c e l l a rc a t a l y s i s ，o x i d a t i o n , p o t a s s i u mn i t r a t e ，p h a s et r a n s f e rc a t a l y s i s ，c a t i o ne x c h a n g er e s i n , b e n z y l c h l o r i d e 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 研究生签名： 车弘 7 年徇棚 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名： c 7 年肪日 硕士论文胶束催化芳烃的氯甲基化及选择性氧化反应研究 1 绪论 1 1 氯甲基化反应综述 在无水氯化锌作用下芳香族化合物与甲醛( 或多聚甲醛) 和氯化氢作用生成氯甲基芳 香族化合物的反应称氯甲基化反应，也称布兰克( b l a n c ) 氯甲基化反应 1 】。常用的氯甲基 化试剂是三聚甲醛一氯化氢、多聚甲醛一氯化氢、甲醛缩二甲醇一氯化氢、氯甲醚等；有 效的催化剂有盐酸、硫酸、磷酸、乙酸等质子酸，氯化铝、氯化锡等l e w i s 酸。 1 1 1 氯甲基化反应机理 芳烃氯甲基化反应作为一个经典的有机单元反应，其机制常被拟定如下： ( 1 ) h c h o h c l 的反应历程： 在酸性条件下，氢离子与甲醛发生亲电加成反应生成羟甲基碳正离子，羟甲基碳正 离子再与芳香族化合物发生亲电取代反应生成苄醇类中间体，最后h c l 再与中间体作用 生成氯甲基芳香族化合物。反应历程如下所示： + h ，c = o + 矿； 兰c h 3 0 h c + h 2 0 h + 6 h 2 0 + 1 + 矿i j o h 氲- + 6 一 鱼凰c 1 一吱r 啦三n + 1 绪论 硕士论文 1 1 2 氯甲基化反应的应用 芳烃类诸如苯、萘、葸、菲及联苯等以及它们的衍生物的氯甲基化反应是有机合成 中一类极其重要而且应用非常广泛的反应。b l a n c 反应一直以来都是人们研究的热点， 因为这一反应能合成一系列工业上的重要中间体 2 】，通过该反应在底物分子中引入氯甲 基官能团c h 2 c 1 ，可以籍此官能团合成许多高价值的衍生精细化学品，如c h 2 0 h 、 c h o 、c h 2 c n 、- c h 2 n h 2 、c h 3 、c h 2 r 及其它基团，从而能容易地制得一系列新的 衍生物，实现物质功能的转变【3 ，4 】和产品性能的改善。 芳烃氯甲基化反应在有机合成中占据重要一席，在农药、医药、染料和香料合成中 应用广泛，尤其是在有机功能材料、高分子材料的合成中。氯甲基苯衍生物通常用于医 药加工、农用化学品、染料、香料、添加剂、聚合物的改性剂以及精细有机化学等领域。 如异丙基苄氯在香料行业可用于生产兔儿草醛，其衍生物在医药行业可用于生产抗糖尿 病药物那格列奈【5 ，6 】。对叔丁基苄氯是药物、染料和香精香料等精细化工产品和电子化学 品中的重要原料【7 8 】，特别在香精香料铃兰醛的合成中，需求量很大【9 1 0 1 。苯并环丁烯是 一类非常重要的化合物，可以衍生许多不同结构的树脂，苯并环丁烯同c 1 c h 2 0 c h 3 作用 生成稠环化台物是制备高性能聚合物的原料，由此合成的聚合物具有高熔点、高软化温 度、高模数、高刚性、抗溶剂、抗化学降解、柔韧性好等优点【1 1 1 。邻甲基苄氯裂解法是 最为可行的制备苯并环丁烯的方法【1 2 】。苄氯是基本化工原料之一，早在2 0 世纪7 0 年代开 始国际上己有利用苄氯合成香料的报道，主要利用苄氯合成苄基醇、醛、酮、酯类的香 料，且不少已实现商品化【1 3 1 。对氯氯苄是重要的医药、农药、香料、染料合成的中间体， 用其腈化可生产对氯苯乙腈，是药物乙胺嘧啶的中间体，也是农药拟除虫菊酯类杀虫剂 戊菊酯、腈戊菊酯、氟腈菊酯等品种的重要中间体；水解可生成对氯苯甲醇，可用于塑 料助剂的生产；氯化、氟化可制备对氯三氟甲苯，是合成含氟农药、医药、染料的重要 中间体；进一步氯化水解可生产对氯苯甲酸；与盐酸吡啶缩合可生产2 ( 对氯苯甲基) 吡 啶，是生产抗组胺药的中间体。此外，对氯氯苄还可以用于制备对氯苯甲酰氯( 可用于 医药产品消炎痛和非诺贝特的生产) 、对氯苯甲醛，对氯二苯甲烷( 是合成过敏类药物安 其敏的原料，也是抗凝血性鼠剂氯鼠酮的原料) 等精细化工产品【1 4 1 。经氯甲基化合成的 氢化聚苯乙烯一( 乙烯丁烯无规共聚物) 一聚苯乙烯三嵌段共聚物( s e b s ) 是一种性能优 良的热塑性弹性体，由于其结构明确，分子量均一，可引入含量可控的功能基团，在理 论研究方面具有重要意义【l 引。 氯甲基化反应在合成阴离子交换树脂方面应用广泛。该方法优点是简便，反应条件 温和、产率高、易获得高交换容量树脂，而且成本低廉，易于大规模工业生产，因此在 工业上得到了广泛的应用。聚苯乙烯型阴离子交换树脂强度高、性能优越、用途广泛， 是一类不可缺少的阴离子交换树脂，目前它的工业生产主要采用氯甲基化法【1 6 1 。氨基聚 苯乙烯功能材料烯可作为高分子载体，应用于有机合成【1 7 1 、制药工业和生物化学【1 9 】 2 硕士论文芳烃的氯甲基化和苄氯的氧化反应研究 等领域。常采用的制备方法是聚苯乙烯氯甲基化，再与有机胺进行胺化反应 2 0 - 2 2 1 。氯甲 基化法制备的高变联聚苯乙烯微球经官能化成离子型薄壳微球树指，可用作高效离子色 谱( h p i c ) 分离柱填料，是i c 的核心材料 2 3 1 。 1 1 3 氯甲基化反应及研究现状 氯甲基化反应在有机合成中是l 类及其重要的化学反应，这一反应研究报道的比较 多，不仅采用不同类型的氯甲基源、不同活性的催化剂和不同极性的溶剂，而且采用相 转移催化之类的新的合成技术。 1 1 3 1 采用不同类型的氯甲基化试剂 ( 1 ) 氯甲醚或双氯甲醚 传统氯甲基化反应的主要原料是氯甲醚或者是二氯甲醚，且用量很大。氯甲醚为致 癌物质，对人体危害很大。文献中多用于制造阴离子交换树脂和底物活性较小的化合物 2 4 】。葸用氯甲醚进行氯甲基化时，得到的产物是亚甲基连接的葸聚合物，该聚合物具有 很高的荧光特性【2 5 1 。 c 1 c h 2 0 c h 3 f e c l 3o rt i c l 4 伊l o o c t a s h i r o 等2 6 ，2 刀用二氯甲醚使二苯并环庚烯氯甲基化。 ( c l c h 2 ) 2 0 - - - - - c m e 3 m e 3 c 1 ( r = h ，r = c h 2 c i ) 2 ( r = r ，= c h 2 c i ) c m e 3 ( 1 ) h c h o 、( h c h o ) 3 、( h c h o ) n 与h c l 作为氯甲基化试剂。 近年来，主要在甲醛溶液和浓盐酸，或者多聚甲醛与浓盐酸的条件下进行氯甲基化 作用，以降低成本和降低对人的危害。此氯甲基源价格低、贮存运输方便、毒性较小， 文献中报道较多【2 8 】。w a n g 等 2 9 1 将5 取代的水杨醛衍生物用甲醛溶液和浓盐酸进行氯甲 i r 1 绪论硕士论文 基化，收率高达9 8 。反应通式如下： t - b u t y l m e t h y l n - n o n y l b r 4 ，4 - 二氯甲基联苯( 4 ，4 - b i s ( c h l o r o m e t h y l ) b i p h e n y l ) 是重要的有机合成中间体，可用 于合成荧光增白剂f p 和荧光增白剂c b s x 【3 3 2 1 。文献中对合成这一物质的报道很多 3 3 3 6 ，所有的改进都围绕两个目标：一是提高反应的产率，二是提高产物的纯度。方奇 等3 刀以联苯、多聚甲醛为原料，以氯化锌为催化剂，在氯化氢存在下氯甲基化合成该物 质，反应产率达到5 5 。 ( h c h o ) n ，h c l - 卜c i h 2 c 1 2 s 0 4 ，l e w i s 酸 c h 2 c 1 ( 3 ) 氯甲基烷基醚 氯甲基烷基醚沸点高、毒性低、活性高、易回收、无致癌作用，文献中有一定应用 报道【3 8 】。p i s a n e n k o 等鲫用c 1 c h 2 0 m e 作为氯甲基源，c c h 做溶剂，l e w i s 酸等不同的催 化剂催化苄基甲苯氯甲基化。 o t c 心o c 凡詈叫h 式i 户e ，= = 飞 1 1 3 2 采用不同的催化剂的氯甲基化方法 ( 1 ) 采用质子酸为催化剂 h 2 s 0 4 、h c l 、h 3 p 0 4 等质子酸都用作氯甲基化催化剂，这类催化剂价格便宜，催化 效果较好。齐进等 4 0 】采用氯化氢催化，对硝基苯酚为原料进行氯甲基化反应。葛洪玉 等【4 l 】以联苯、多聚甲醛为原料，在强极性有机酸催化下经氯甲基化反应合成4 ，4 二氯 甲基联苯，产品收率可达8 0 以上，产品的质量分数9 9 o 。 ( 2 ) 采用路易斯酸为催化剂 4 坚 一一舭。2 3 4 h 一 硕士论文 芳烃的氯甲基化和苄氯的氧化反应研究 z n c l 2 、s n c h 、f e c l 3 、a 1 c 1 3 以及第三、第四副族元素 4 2 】等l e w i s 酸都曾用作氯甲 基化反应的催化剂，尤其是底物活性不大的反应。 方奇等 3 4 】以联苯、多聚甲醛为原料，以氯化锌为催化剂，在氯化氢存在下经氯甲基 化反应合成t 4 ，4 二氯甲基联苯，反应产率达到5 5 。文献报道了以二氯化锡为催化剂 在1 2 0 - 4 0 度范围内用甲基氯甲基醚对苯并环丁烯进行氯甲基化研究，不仅收率低( 仅 为4 1 ) ，而且使用的氯甲基化试剂甲基氯甲基醚具有显著的致癌作用【l 。 ( 3 ) 质子酸与路易斯酸的并用 更多的氯甲基化反应采用质子酸与盐酸盐并用，催化效果更好。w e b e r 等【4 3 】用h 2 s 0 4 和f e c l 3 作催化剂，使聚苯乙烯氯甲基化生产离子交换树脂，较单独用h 2 s 0 4 时，产率 要高得多。在h c l 和z n c l 2 存在下，3 。4 二甲基仲己苯的氯甲基化产率为7 8 8 。 ( 4 ) 采用相转移催化剂 相转移催化剂能加速或者能使分别处于互不相溶的两种溶剂中的物质发生反应。反 应时，催化剂把一种实际参加反应的实体从一相转移到另一相中，以便使它与底物相遇 而发生反应，采用此方法能使反应顺利地进行，而且反应条件温和、操作简便、需用时 间短、反应选择性高、副反应少，并可避免使用价格高昂的试剂或溶剂。申东升等【删 采用季铵盐四乙基溴化铵作为相转移催化剂，以h c h o h c l 作氯甲基化试剂，使3 ，4 亚甲基二氧基正丙基苯氯甲基化反应的转化率达9 6 6 ，定位选择性达1 0 0 ，显著地 提高了胡椒基丁醚的产率。唐道裂4 5 】采用复配型a 相转移催化剂，以h c h o h c l 作氯 甲基化试剂，二氢黄樟油素氯甲基化反应的转化率为9 7 2 。 ( 5 ) 采用胶束催化 刘启发等m 】采用十六烷基三甲基溴化铵( c t a b ) 胶束催化聚苯乙烯氯甲基化，5 h 内 即可使聚苯乙烯大分子链中的苯环氯甲基化程度达到3 7 。牟莉娟等 4 7 】采用c t a b 胶束 催化l ，3 苯并二茂氯甲基化，底物转化率接近1 0 0 ，单氯甲基化产物高达9 8 以上。 ( 6 ) 采用离子液体催化 室温离子液体作为一种新型的绿色溶剂及催化材料，由于其环境友好性以及结构的 可塑性，近几年来一直受到人们的广泛关注，并已被广泛的应用于化学化工的各个领域。 w a n g 等t 4 8 j 采用离子液体 溅】b f 4 做催化剂实现了一系列芳香族化合物的氯甲基化反 应，转化率达到9 0 以上。张赛丹【4 9 】等自行合成了1 2 种离子液体，分别对乙基苯、邻二 甲苯、苯甲醚及吡啶进行了氯甲基化催化试探性实验，考察影响产物收率及离子液体催 化苯衍生物氯甲基化反应的规律。筛选出最佳催化效率的离子液体，并对其进行了单因 素考察，催化剂 c s m i m m b r 用量为1 0 时，乙基苯的氯甲基化产物( 4 乙基苄氯和2 乙基 苄氯) 的合收率可以达到最大5 4 1 ，邻二甲苯的氯甲基化产物的最大收率为8 9 8 。 1 1 - 3 3 采用不同极性的溶剂 5 1 绪论 硕士论文 芳烃的氯甲基化通常以过量芳烃作溶剂，但对于沸点较高或固体芳香烃，必须选择 合适的惰性溶剂。c h 2 c 1 2 、c h c l 3 、c c h 等氯化烃类，以及苯、环己烷、c s 2 、c h 3 n 0 2 、 a c o h 、a c 2 0 、c 2 h 5 0 h 等都可作为氯甲基化反应溶剂。如以c h c l 3 为反应介质，呋喃 衍生物可顺利的实现氯甲基化【5 0 1 。 m 3 c ) 3 3 1 ，2 3 ，4 x = c o o c 2 h 5 ( 1 ，2 ) ，c o c h 3 ( 3 ，4 ) v e s e l y 等5 1 以a c o h 、a c 2 0 为溶剂，使烷基碳数为1 啦! 8 的烷基苯通过氯甲基化反应 合成表面活性剂中间体。p i s a n e n k o 掣3 9 p a c c h 做溶剂，使苄基甲苯顺利实现氯甲基化。 1 2 苄氯氧化成醛或酮的方法综述 目前国内外关于苄氯氧化的研究很多，传统方法有s o m m e l e t 氧化法、h a s s b e n d e r 氧化法、k r o h n k e 和k o m b l u m 氧化法等，又有将氧化剂吸附在各种无机载体上或用离子 液体做反应介质进行苄卤氧化的新方法。 1 2 1s o m m e l e t 氧化法 s o m m e l e t 氧化法，即用乌洛托品氧化【5 2 】，法国化学家m c o m p t r e n d 于1 9 1 3 年首次 报道该方法。选用乙醇和乙酸做溶剂，在乙醇中加热，慢慢滴加乙酸回流。首先生成中 间体铵盐，不需分离即可直接水解生成芳醛。为使反应完全，补加一定量的浓盐酸。副 反应所生成的产物n 甲基芳甲胺可通过使用过量的乌洛托品或将苄基化合物滴入乌洛 托品中的方法加以抑制。该反应机理如下【5 3 j ： 6 a r c h 2 x + c 6 h 1 2 n 4 a r c h 2 n 4 c 6 h 1 2 + x + h 2 0 一a r c h 2 n h 2 + h c h o + n h 3 h c h o + n h 3 h 2 c - - n h + h 2 0 a r c h 3 n h 2 h 2 c = n h h 2 0 a r c h - - n h - - - - - - - - a r c h o - c h 3 n h 2 - n h 3 副反应：a r c h 2 n h 2 + h c h o 二a r c h 2 n h c h 3+ a 尤h = _ 2 丁十 + 硕士论文芳烃的氯甲基化和苄氯的氧化反应研究 w 曲一5 4 和g e l l i n g t 5 5 1 分别采用这种方法来合成1 溴2 萘甲醛和2 羟基一5 甲氧基1 ， 3 苯二甲醛。刘小凡、申东升等将烷基苄基氯与乌洛托品反应，合成t 4 种对烷基苯甲 醛一对甲基苯甲醛、对乙基苯甲醛、对异丙基苯甲醛、对叔丁基苯甲醛。探讨原料配比、 反应温度、催化剂等因素对反应的影响，确定了合成4 种对烷基苯甲醛的最佳反应条件， 收率达到8 8 9 2 【5 6 1 。 b r c h 2 b r 1n 4 ( c h 2 ) 6 - - - - - - - - - - - - i - 2h o a c h c l 6 4 b ro hb r 1n 4 ( c h 2 ) 6 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 25 0 c h 3 c o o h ，h 2 0h 3 3 c h o h 1 2 2k r o h n k e 氧化法 苄卤与吡啶形成盐，再用n ，n 二甲基对亚硝基苯胺氧化，继而水解可生成芳醛， 该法称为k r o h n k e 反应【5 7 1 。反应机理如下： o n a n h 2 e0 r c h 2 - - p yj r c h 呻竺竺- o h - h 3 0 r q yfe r c 取0 i 一9 j 暑 r - - c h o 一卜c 气 o 用这种方法可以合成一些用其它方法难以获得的醛，如硫茚2 ，3 - - - 醛： 2 c l 矿 吡啶 2 c 1 o c h o c h o 7 1 绪论硕士论文 1 2 3k o r n b l u m 氧化法 早在1 9 5 7 年，k o m b l u m 等人首次报道了用二甲基亚矾( d m s o ) 氧化各种苯甲酞亚 甲基澳为苯甲酞甲醛的反应，后来人们把利用d m s o 将烷基卤化物或甲苯磺酸酯氧化 为醛的反应称为k o m b l u m 氧化【5 8 1 ，这是一种温和方便的制各醛反应的方法。1 9 6 7 年， e p s t e i n 和s w e a t 对d m s o 氧化苄卤做了综述 5 9 1 。s y p d 6 0 1 等人受苄卤能够被d m s o 氧 化的启发，发明了与d m s o 具有类似功能的二甲基硒亚砜氧化苄卤的方法。反应通式 如下： a r c h 2 x + o = s c c h h ，3 高k 2 i - i p 0 4 卜h 厂扩o _ 詈c h h 3 ，0 1 一艄岬吗 浙江大学杨立荣等 6 l 】研究了此方法对烷基氯化物的氧化性能。通过对比十种不同氯 化物的反应结果，发现在常规加热条件下，芳环上带有给电子基团的苄氯化合物比较容 易反应，且收率很高；而带有吸电子基团的难反应，收率有所下降，脂肪族氯化物几乎 不反应。进而又考察了微波辐射对k o m b l u m 氧化的作用，发现微波不但可以极大的加快 反应速度，而且能对反应的动力学特性产生影响，使一些在常规条件下不反应的物质也 能够发生少量反应，开辟了在微波辐射条件下进行k o m b l u m 氧化的新路径。 1 2 4 氧化叔胺法 c h a n d r a s e k h a 等【6 2 】总结研究发现胺的氮氧化物分子上亲核性的杂原子和有碱性的原 子同时存在能增进反应活性，反应在温和的条件下就能进行。 b a r b r y 等t 6 3 】研究出了使用吡啶n 氧化物做氧化剂经微波辐射氧化苄卤，如： 啦一q _ 0 + 髓r 一。 但由于其亲核性较低，只能适用于反应活性高的底物。如采用三甲胺n 氧化物 ( t m a n o ) 或者4 ，4 二甲基氨基吡啶n - 氧化物( d m a p n o ) ，由于亲核性增加，可将卤及 脂肪族伯卤化物氧化【6 4 6 5 1 。如： 8 硕士论文芳烃的氯甲基化和苄氯的氧化反应研究 r c h 2 x + r 3 n o - 卜 r c h 2 0 n r 3 i x r c h o + r 3 n h x o h oe m u k a i y a m n 6 6 j 报道了在乙睛中以4 ，4 二甲基氨基吡啶n 氧化物( d m a p n o ) 为氧化 剂，将氯化苄、溴化苄、二苯基溴甲烷氧化成苯甲醛和二苯甲酮，收率均超过9 8 。室 温时在乙睛中以n 甲基吗啉- n 氧化物( n m o ) 也可将苄氯( 溴) 氧化成芳醛 6 7 1 。 1 2 5h a s s b e n d e r 氧化法 h a s s 和b e n d e r 等人【6 8 j 早在1 9 4 9 年就用2 硝基丙烷钠盐在乙醇溶液中氧化苄氯到醛。 这种方法广泛用于对位含有烷基、溴、三氟甲基、甲基的取代苯甲醛的合成。 苄卤化合物与2 硝基丙烷的钠盐在乙醇中反应，首先生成不稳定的中间体氮氧化合 物，继而分解成芳醛及丙酮肟。实验发现除了硝基苄氯几乎不被氧化外，其他的有机卤 化物都能被氧化。反应过程如下： c h 2 b r 0 吼胁一 审邶一妇 由于2 硝基丙烷用醇钠处理后生成的碳负离子具有亲核性，在对有的苄卤氧化时， 得到的是碳负离子直接取代卤原子的产物，而不是希望的芳醛。例如在氧化对硝基氯苄 时，得到的不是对硝基苯甲醛，而是2 硝基丙烷负离子亲核取代了氯原子的产物。这种 方法一般只限于相当简单的苄卤，对于一些多取代的或者在碱性介质中不稳定的底物， 产物的收率会很低，或者根本就不反应f 6 9 1 。k i r m s e t t o 在研究芳基卡宾的分子内反应活性 时采用这种方法合成了邻( 2 ，2 ，2 三氟乙基) 苯甲醛。 n 0 2 3 n a o e t r t , 1 5 h 8 8 1 2 6 双氧水氧化法 双氧水具有很强的氧化性，对有机物有很强的氧化作用，一般作为氧化剂使用的双 氧水含量分为3 0 和6 0 两种。t a n g 等 7 1 1 用3 0 双氧水为氧化剂，苄溴在乙醇溶剂中回 流反应2 - 1 0 h ，所得醛或酮的收率高达9 0 以上。由于该体系不能氧化脂肪族卤代烃， 9 l 绪论硕士论文 因此，反应可能经苄溴水解为醇，后经次溴酸氧化的途径。反应机理如下： h r - 一占一r 2 i b r 1 o h 2 o b r 3 近年来发展的以氧气或双氧水为氧化剂，以过渡金属或其复合物为催化剂的氧化体 系具有很好的应用前景。文献报道了在相转移催化齐u ( c h 3 ( n c s h l 7 ) 3 n + h s 0 4 ) 和4 a 分 子筛存在下，钨酸钠能催化3 0 的双氧水氧化苄卤，但所得的产品不是醛，而是相应的 酸【7 2 1 。 a r c h ，x ! 型黑a r c h 2 0 h 迅，觚。h 。i l 二= j 。- - ，、，、，、t 了 c h 3 ( n - c 8 h 1 7 ) 3 n 十h s 0 4 。 。1 4 趣v i s 9 0 1 2 7 含卤试剂氧化法 有机高价碘化合物由于具有低毒、易得、易操作、易固载化等优点，因此被广泛应 用于有机合中，特别是在氧化反应中。d a s 7 3 1 等人用n a l 0 4 d m f 在温和的条件下 ( 1 5 0 。c 4 0 - 6 0m i n ) 氧化不同的有机卤为醛和酮，收率为7 0 - - 。9 0 。 h n a l 0 4 d m f r ，_ 1 5 0 0 c 次氯酸钠和五氟化碘( i f 5 ) 是良好的氧化剂。o l a h 等a 硎以五氟化碘( 5 ) 为氧化剂 在1 ，l ，2 三氯三氟乙烷中氧化苄氯，将苄溴、对苯溴苄、邻甲基苄溴、二苯溴甲烷氧化 为醛或酮的收率分别为6 5 、2 7 、4 3 和8 6 。 k h u r a n a t 7 5 1 等人在超声波中以次氯酸钠为氧化剂，以乙睛为溶剂来氧化苄卤，但这 1 0 人 硕士论文芳烃的氯甲基化和苄氯的氧化反应研究 种方法的选择性不好，反应4 h 后，苯甲醛的含量只有1 5 ，7 9 的产物为酸。 1 2 8 含铬试剂氧化法 铬酸盐氧化法是苄卤氧化成芳醛或者芳酮常用的方法。铬酸盐离子可以作为亲核试 剂，在相转移催化剂二苯并- 1 8 - 冠醚6 存在下，于六甲基三磷酸酰胺( h m p t ) e p ，取代卤 原子，使苄卤氧化为醛 7 6 】。机理为： 嘲舯盼卜一h m p t 肛。扣一咖。 用这种方法氧化苄氯，得到的苯甲醛的收率是8 0 。由于此方法中用到的相转移催 化剂是冠醚，其价格昂贵、且毒性大，为解决这个问题，黄志真r 歹7 】等人尝试采用毒性较 小、廉价的工业产品聚乙二醇取代冠醚作为相转移催化剂，使伯卤代烃在h m p t 中与铬 酸钾反应，得到醛。用此方法氧化芳基取代的伯卤化物，芳醛的产率可达8 1 - 9 5 。 聚乙二醇可以折叠成螺旋结构，具有类似冠醚的性质，可与金属离子络合，而此络合离 子可与负离子形成离子对，在有机相中起到相转移催化的作用。 p e g a r c h 2 x + k 2 c r 0 4 。- - a r c h o h 田t 用三氧化铬也可以进行苄卤的氧化。越删 7 明等人将三甲基氯硅烷和三氧化铬混 合制备氧化剂三甲基氯硅烷一三氧化铬，将其作为氧化剂来氧化苄氯成苯甲醛，时间6h ， 收率6 5 。 c r 0 3 + c l s i h ( c h 3 ) 3 c 1 一q 一 s i ( c h 3 ) 3 o i 觚h 2 c l h 2 0 i a r c h o 一a r c h ( c 1 ) o 一幸r o - s i ( c h 3 ) 3 1 2 9 其他氧化方法 其他的氧化方法有以硝酸亚汞在乙二醇二甲醚中反应氧化苄溴，几乎以定量产率生 1 绪论硕士论文 成硝酸酯，进而用碱水解得到醛【7 9 1 。l e 0 【即】等人发明了卤硫杂化法，把苄氯转化为芳甲 醛。b e r g e r o n 8 1 】报道了以n 苯基三氟甲基磺酰胺f n p t m s a ) 来进行活泼卤原子的氧化。 最近几年，将氧化试剂吸附在各种无机载体上进行苄卤的氧化方法引起了关注。这种方 法的优点是：使用固体催化剂，反应完成后催化剂经过简单处理就可以再生，多次循环 利用，属于环境友好的氧化方法。章哲彦等将五氧化二钒负载在刚玉上对2 ，4 ，5 三甲基 苄氯进行了气相氧化研究【8 2 】，结果发现选择性不好，有一定量的酸酐生成。a k i c h i k ai 瞵3 j 等人报道了在光激发条件下，以中孔性的硅胶f s m 1 6 为可循环的氧化促进剂来氧化苄 溴成芳醛、芳酮或芳香羧酸。高锰酸钡也可以氧化苄卤成芳醛，虽然反应条件比较温和 而且芳醛产率较高( 5 5 7 5 呦，但同时还生成1 0 1 5 的( 取代) 苯甲酸峭引。 1 3 课题研究的背景及意义 芳烃氯甲基化传统的方法是使用氯甲醚和二氯甲醚在l e w i s 酸的催化作用下实现。 该法的最大优点是反应条件温和、产率高、成本低廉、易于大规模工业生产。缺点是氯 甲醚和二氯甲醚有强致癌性，使得这一方法的使用逐渐受到限制。因此只有开发出完全 避免使用氯甲醚或二氯甲醚的方法才能彻底消除它们的危害。 表面活性剂在其浓度超过临界胶束浓度后所形成的胶束能够将油相的反应物增溶 在水相中，极大地扩大了油相反应物与水相中进攻试剂的接触界面，在静电效应、局部 浓集效应等作用下【8 5 1 ，会显著加速油水两相间的反应速科8 6 】，而且可使反应条件变得 更加温和，还能有效地避免副反应的发生，提高合成效率，增加目标化合物的选择性 8 7 h 8 9 】。目前，胶束催化已应用于许多不同类型的反应1 9 0 - 9 7 。 本课题组通过大量的实验，发现在胶束水溶液中能够高效的实现芳烃的氯甲基化， 这一方法不会产生致癌性的氯甲醚和二氯甲醚，因为在水溶液中，氯甲醚和二氯甲醚产 生速度要比它们的水解速度慢得多。这一方法也符合绿色化学的理念，具有广阔的工业 运用价值和学术研究价值。 传统氧化苄卤的氧化剂有的具有很好的氧化效率，但是，将产生大量的废弃物，污 染环境。过渡金属或其复合物类氧化体系一般只停留在学术研究水平，只有少数实现了 工业化生产。原因是这类催化剂一般都比较昂贵，制备比较复杂，且有毒，仍然会对环 境构成威胁，显然不适合目前倡导的发展绿色化学的理念。 因此我们希望寻找一种较好的催化体系，该体系能够弥补已往氯甲基化反应的不 足，同时能探索出将苄卤化合物氧化为芳醛或者芳酮的新方法，使其具有条件温和、操 作简单、催化剂和氧化剂廉价、选择性好、收率高、无污染、符合绿色化学概念等优点。 1 4 本论文的主要研究内容 1 2 本论文主要针对简单芳烃的氯甲基化和苄氯的氧化展开，总结文献中方法的优缺 硕士论文 芳烃的氯甲基化和苄氯的氧化反应研究 点，寻找较好的实现芳烃的氯甲基化和苄氯的氧化的方法，通过大量的实验和分析确定 了较佳的工艺路线，并探讨了反应机理。在研究的过程中，本论文解决了以下几方面的 内容和问题： 1 胶束催化芳烃的氯甲基化：以异丙苯为代表物，采用胶束催化法，实现异丙苯的 氯甲基化，比较了各种表面活性剂的催化性能，优化工艺，找到了提高异丙苯转化率和 产物选择性( 包括区域选择性) 的最佳工艺条件，从而推广到一系列芳烃的氯甲基化反 应。通过比较不同表面活性剂对异丙苯氯甲基化反应的催化能力的差异，提出胶束催化 氯甲基化反应的机理。 2 相转移催化苄氯的氧化：采用相转移催化法，分别在质子酸( h 2 s 0 4 ) 和阳离子交 换树脂两种反应体系中用硝酸钾做氧化剂氧化苄氯成醛或酮。以氯化苄为代表物，考察 了各种因素对反应的影响，找到了提高氯化苄转化率和产物苯甲醛选择性的最佳工艺条 件，从而推广到一系列苄氯的氧化，并提出了氧化反应的机理。 2 实验部分 硕士论文 2 实验部分 2 1 实验试剂及仪器设备 2 1 1 试剂 论文所使用的化学药品试剂如表2 1 所示 1 4 表2 1 实验使用的药品试剂 硕士论文 芳烃的氯甲基化和苄氯的氧化反应研究 续表2 1 2 1 2 仪器设备 本论文所使用的仪器设备如表2 2 所示 表2 2 实验仪器 2 2 实验方法 2 2 1 胶束催化芳烃的氯甲基化 2 2 1 1 异丙苯在表面活性剂溶液中的增溶 以蒸馏水为溶剂，配制一定浓度的表面活性剂胶束水溶液。取一定量的透明澄清的 胶束溶液，恒定温度2 5 c ，在电磁搅拌下，用微量进样器向上述胶束溶液中加入异丙苯， 测定溶液由澄清变混浊时异丙苯的加入量，绘制增溶量一表面活性剂浓度曲线。 2 2 1 2 胶束催化芳烃的氯甲基化 本实验以异丙苯为代表物，胶束催化法进行氯甲基化，旨在同时提高氯甲基化的转 化率和区域选择性，实验中考察了表面活性剂种类、浓度、反应时间、反应温度、氯甲 1 5 2 实验部分硕士论文 基化试剂用量对反应的影响，并确定氯甲基化反应的最佳反应条件，从而推广应用到一 系列芳烃的氯甲基化。反应通式为： r + ( h c h o ) n g ! 坚至兰 m i c