（应用化学专业论文）杯芳烃化合物的合成及其在氟化反应中的相转移催化作用.pdf

中文摘要 本诒文合威了一系列的杯 6 】芳烃衍生物，并研究了其作为相转移催化剂用 于卤代芳烃氟化反应的牲能。 论文中以对叔丁基苯酚和3 7 的甲醛为原料，在氢氧化钾存在下，合成了对 叔丁基杯 6 芳烃，反应收率为6 5 + 8 ；以对叔丁基杯 6 】芳烃为原料，在无水三 氯化铝存在下，与苯酚发生反烷基化反应合成了对氢基杯 6 芳烃，反应收率为 6 2 0 以对氢基杯 6 】芳烃为原料，加入9 8 的浓硫酸进行磺化反应合成了对磺 酸基杯【6 】芳烃钠盐，反应收率为5 8 4 ；产品均经1 h - n m r 鉴定确认。 分别将上述化合物作为相转移催化剂应用于对硝基氯苯、四氧对苯二甲酰氯 和n 苯基四氯邻苯二甲酰亚胺等化合物的氟化反应中，必检测各催化剂的催化 性能。结果表明对叔丁基杯f 6 1 芳烃、对氢基杯 6 芳烃以及对磺酸基杯 6 芳烃钠 盐均对对氟化反应具有相转移催化能力，其中以对磺酸基杯【6 】芳烃钠盐的催化 效果最佳。论文中还探讨了上述各催化剂的结构与其催化性能的关系，对比丁各 催化剂在不同反应时间、反应温度下的催化效果，并讨论了各催化剂的用量。 关键词：杯芳烃相转移催化剂氟化反应四氯对苯二甲酰氯 n 一苯基四氯邻苯二甲酰亚胺 a b s t r a c t as e r i e so f c a l i x 6 a r e n e d e r i v a t i v e sh a v eb e e n s y n t h e s i z e d a n dt h e i r p e r f o r m a n c ea sp t ci nt h ef l u o r i n a t i o no fh a l o g e n a t e da r o m a t i cc o m p o u n d sh a sb e e n s t n d i e d p - t e r t b u t y l c a l i x 6 a r e n e i s s y n t h e s i z e db yp - t e r t b u t y l p h e n o l a n d 3 7 f o r m a l d e h y d e ，i nt h ep r e s e n c eo fk o h t h ey i e l do ft h i sr e a c t i o ni s6 5 8 t h e t e r t b u t y lg r o u p so fp - t e r t b u t y l c a i i x 6 】a r e n ea r er e m o v e dt op h e n o lb ya na 1 c 1 3 c a t a l y z e dt r a n s a l k y l a t i o nr e a c t i o nt op r o d u c ec a l i x 6 a r e n e t h ey i e l do ft h i sr e a c t i o n i s6 2 o t h eh e x a s o d i u ms a l to fc a l i x 6 a r e n e - p - h e x a s u l f o n a t ei ss y n t h e s i z e db yt h e s u l f o n a t i o nr e a c t i o nb e t w e e nc a l i x 6 a r e n ea n d9 8 s u l f u r i ca c i d t h ey i e l do ft h i s r e a c t i o ni s5 8 4 a l lp r o d u c t sa r ec h a r a c t e r i z e dw i t h1 h - n m r t h ep r o d u c t sa r eu s e da sp t ci nt h ef l u o r i d a t i o no f p c h l o r o n i t r o b e n z e n e ， t e t r a c h l o r o t e r e p h t h a l o y lc h l o r i d ea n dn - b e n z y l t e t r a c h l o r i d e p h t h a l i m i d et od e t e c tt h e p e r f o r m a n c eo f t h ed i f f e r e n tp t c s t h ec a t a l y t i ca c t i v i t i e so f c a l i x 6 a r e n e sf o rt h e s e t h r e er e a c t i o n sa r e p r o v e da n d t h er e s u l ti n d i c a t e st h a th e x a s o d i u ms a l to f c a l i x 6 a r e n e - p - h e x a s u l f o n a t eh a st h eb e s tc a t a l y s i sp e r f o r m a n c e i na d d i t i o n ，t h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e ns t r u c t u r ea n dp e r f o r m a n c eo ft h ec a t a l y s ti so b t a i n e d t h ey i e l d s o fr e a c t i o nw i t hv a r i e t i e so fc a t a l y s t s ，r e a c t i o nt i m e sa n dr e a c t i o nt e m p e r a t u r e sa r e c o m p a r e da n dt h eo p t i m u mc o n d i t i o ni sf o u n d k e yw o r d s ：c a l i x a r e n e ，p h a s et r a n s f e rc a t a l y s t ( p t c ) ，f l u o r i d a t i o n ， t e t r a c h l o r o t e r e p h t h a l o y lc h l o r i d e ，n b e n z y l t e t r a c h l o r i d e p h t h a l i m i d 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得鑫鲞盘茎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：碧龅 签字日期：朋耋年1 月f 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫叠盘茔有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫注盘茎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：身e i 狍 导师签名矽亚奇 签字日期：2 卯参年，月f r 日签字日期：鲥年，月，闻 日f j 舌 杯芳烃是由多个对烷基苯酚与甲醛缩合的寡聚大环化合物，它是继冠醚和环 糊精之后的第三代主体分子。由于杯芳烃与冠醚和环糊精相比具有许多优良的物 理、化学性质，因此它在金属离子的回收，镧系元素的螫合，中性有机分子的分 离，相转移催化，电子设备的离子清除等领域有广泛的应用前景。由于许多杯芳 烃化合物具有萃取和转移金属离子的能力，因此适当修饰的杯芳烃具有优良的相 转移催化性能。与常用的相转移催化剂比较，杯芳烃催化剂具有用量更少，反应 时间更短，活性更高等特点。 芳香族氟化物由于其特殊的生物活性，已经成为重要的医药、农药、染料中 间体被广泛应用于各个领域。例如：高效广普抗菌药“诺氟沙星”，低毒、选择性 高的“除草醚”等。 芳香族氟化物通常是由卤代芳烃经亲核置换氟化反应制得的，该方法具有原 料易得，反应简单和专一性高等优点。卤代芳烃氟化反应通常为非均相反应，加 入相转移催化剂可以很好提高f 。在反应液中的浓度，从而提高反应活性，加快反 应速度。然而常用的相转移催化剂都不理想，因此，我们努力寻找一种催化效果 好、热稳定性好的催化剂。杯芳烃化合物对k + 有较好的识别作用，且热稳定性 好，使其在相转移催化方面有着应用潜力。 本论文合成了一系列杯 6 芳烃化合物，并研究了其作为相转移催化剂在对 氯硝基苯、四氯对苯二甲酸以及n 苯基四氯邻苯二甲酰亚胺等的氟化反应中应 用。 第一章文献综述 第一章文献综述 1 1 杯芳烃化合物研究进展简介 1 1 1 杯芳烃化学简介 冠醚化学和环糊精化学一起开辟了超分子化学这一新兴研究领域，这两类化 合物在基础研究和应用研究领域中都取得了令人瞩目的成果，分别代表了第一代 和第二代超分子主体化合物。近些年来，杯芳烃这一类“新型”的具有独特空穴结 构的大环化合物，在超分子化学研究方面取得的成果受到了科学工作者的广泛重 视，被誉为是继冠醚和环糊精之后的第三代超分子主体化合物。 杯芳烃是由苯酚单元通过亚甲基在酚羟基邻位连接而构成的一类环状低聚 物。2 0 世纪年代，奥地利化学家z i n k e 设想用对位取代的酚代替苯酚与甲醛 的反应，以期能获得可溶性的线型酚醛树脂。在此过程中，分离得到一种高熔点 的晶体化合物，并确定它是环状四聚体( n = 4 ，r = t - b u ) ，这是杯芳烃的最初发 现【l 】。此后数十年中，对这类化合物虽有一些研究，如：k 甜n m e r e r 或h a p p e l 2 ) l 利用多步法合成了一些具有4 7 个苯环结构单元的类似物，但这类化合物的潜 在用途并没有引起广泛的兴趣。直到7 0 年代末期，随着冠醚、环糊精等大环化 合物广泛深入的研究，特别是作为模拟酶的应用引起了美国化学家g u t s c h e 4 1 的 极大的兴趣，并进行了系统且深入的工作，才使这类大环化合物引起化学界的注 意。由于杯芳烃四聚体的结构像一个酒杯，故名杯芳烃( c a l i x 源自希腊文酒杯， a r e n e 为芳香烃类) ，环中n 的数目则夹在c a l i x 与a r e n e 之间，六聚体即为 e a l i x 6 1 a r e n e 。杯芳烃结构通式如图1 1 所示： 叫废c h 下沿f 【_ l h 。n - 4 图1 1 杯芳烃化合物通式 f i g u r e1 1t h eu n i v e r s a ls t r u c n l r eo f c a l i x a r e n e s 第章文献综述 杯芳烃分子上缘由苯环的对位取代基组成，下缘由紧密而有规律地排列着的 酚羟基组成，中间是由苯环构成一个富电了憎水空腔。另外，通过控制不周的 反应条件，可以改变杯芳烃的空腔大小，对杯芳烃上缘的苯环对位、下缘的酚羟 基以及连接苯环单元的亚甲基进行备种选择 生官能化，可以获得多种具有高度选 择性的主体分子。 作为第三代超分子主体化合物，杯芳烃分子具有独特的空穴结构。与冠醚和 环糊精相比，杯芳烃化合物具有以下几个特征1 5 ：( 1 ) 合成较为简单，可望获 得较为廉价的产品。( 2 ) 具有由亚甲基相连的苯环所构成的空腔，而且空腔大 小可以根据不同的客体的要求来改变。目前已经合成了由4 2 0 个苯酚单元所构 成的不同空腔尺寸的杯芳烃。( 3 ) 通过控制不同的反应条件以及引入适当的取 代基，可以固定所需要的构象。( 4 ) 易于衍生化，化学修饰不仅可以在杯芳烃 下缘的酚羟基、上缘的苯环对位进行，而且还可以在连接苯环单元的亚甲基上进 行各种选择性功能化。这样就可能得到大量的具有独特性能的杯芳烃衍生物。( 5 ) 杯芳烃的化学稳定性和热稳定性好，在大多数溶剂中溶解度低、毒性低。并且其 溶解性可以通过衍生化反应来改变。( 6 ) 对离子和中性客体均有识别作用。通 常冠醚一般只与阳离子络合，而环糊精则主要络合中性分子。由于杯芳烃的上述 特点，近几十年来，杯芳烃化学得到迅猛发展。它的应用已经涉及到生命科学、 催化反应、分析分离、离子载体、环境化学等众多领域。 1 1 2 杯芳烃的合成方法 杯 n 】芳烃的合成方法主要有三种：一步法、多步法和片段缩合法。目自i 文 献报道的主要为n = 4 8 的杯【n 】芳烃化合物及其衍生物的合成。 1 1 2 1 一步合成法 一步法是指苯酚类化合物与甲醛( 或其它醛) 在碱催化下直接合成得到杯芳 烃。通过改变溶剂( 如二苯醚、二甲苯等) ，碱的种类( 氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧 化铷等) 以及碱的浓度等反应条件，可以控制成环的大小( 酚结构单元数) 。这一方 法是在最早合成的基础上几经改进得到的，其中g u t s c h e 【6 咽对一步法进行了细 致、深入的研究，使得杯1 4 、杯【6 、及杯 8 芳烃目前成为实验室中易得的原料， 对杯芳烃的发展作出了很大的贡献。 对杯芳烃的发展作出了很大的贡献。 第一章文献综述 n = 4 ，6 ，8 式l _ 1 对叔丁基杯 n 】芳烃的一步合成法 s c h e m el - lt h es y n t h e s i so f c a l i x n a l t n ei no n es t e p 一步法合成杯芳烃的优点是简单易行，反应步骤少，副产物少，反应收率高， 因此成为目前最为常用的合成杯芳烃的方法。但由于反应的机理较为复杂，虽然 经过一定的研究，不明之处仍很多，致使该法适应性较差。用一步法较难获得r l 为奇数的杯芳烃。因此对一步法合成中影响结构的因素及反应机理等，尚有进一 步深入研究的必要。 1 1 2 2 多步合成法 多步法最早是由h a y e s 和h l m t e r 【埘所研究的，他们由对甲基苯酚为起始物， 经过溴化、反复的羟甲基化和脱溴化得到线性四聚体，最后在高度稀释的条件下 成环生成对甲基杯 4 】芳烃，反应达1 0 步之多。 h c l h o a c c h ，o h 式1 - 2 多步法合成对甲基杯 4 芳烃 s c h e m e1 2t h es y n t h e s i so f p - t e r t m e t h y l c a l i x 4 a r e n e 4 一 m 审州 )伽 第一章文献综述 k 盐m e r e r 和t i a p p e l 等人1 1 0 1 2 l 经过1 6 步反应制备了对位上有不同取代基的 杯【7 】芳烃。 多步法可以合成具有特定单元数目以及苯环对位上拥有不同取代基的杯芳 烃，但这种方法存在着许多缺点，如：反应路线太长，环化反应需要在极低的浓 度下进行，反应收率低等。因此该方法在杯芳烃的合成中并不常用。 1 1 2 3 片断缩合法 德国化学家b f h m e r l l 3 叫5 1 对多步合成法进行了改进，即将杯芳烃的结构碎片 以“3 + 1 ”或“2 + 2 的方式通过共价键成环，他将这种方法称为“片断缩合法”。片 断缩合法与多步合成法最大的区别在于，前者是分子间关环反应而后者是分子内 关环反应。 1 基 式1 3 片段缩合法合成对叔丁基杯【4 】芳烃衍生物 s c h e n m e1 - 3t h es y n t h e s i so f p - t e r t u t y l e a l i x 4 h r e n ed e r i v a t i v e s b 5 h m e r 研究组 1 6 , 1 7 采用片“2 + 2 ”缩合制备了一类亚甲基桥上有取代基结构 的杯【4 】芳烃。t s u e 等人【1 8 1 用“7 + 1 ”缩合制备了第一个在上缘有不同取代基的杯 8 芳烃。 相对于多步合成法，片断缩合法缩短了反应路线的长度，提高了目的产物的 收率，对合成不对称杯芳烃以及设计手性杯芳烃主体化合物具有重要意义。 1 1 3 杯芳烃的构象 杯芳烃是一种构象不稳定的体系，在溶液中往往是多种构象的混合物。同一 杯芳烃或其衍生物的包合性能与构象有很大的关系，因此如何测定杯芳烃的构 象，以及在杯芳烃的合成和衍生反应中如何获得具有特定及稳定的构象，对杯芳 犬y 伽 胁 v 一 4 伽奉阮以 第一章文献综述 烃的化学性能及衍生反应来说都具有非常重要的意义。 对叔丁基杯 4 芳烃被g u t s c h e 等“”确定有四种构象，分别为：锥式、半锥式， 1 ，2 一交替式及l ，3 一交替式。而杯 6 芳烃可能存在8 种构象。1 ： 锥式半锥式 1 ，2 4 变替 4 一交咎 1 3 5 - 交替 图1 - 2 对叔丁基杯 6 芳烃可能存在八种构象 f i g u r e1 - 2t h ep o s s i b l ec o n f o r m a t i o no f p - t e r t b u t y l c a l i x 6 a r e n e a n d r e e t t i 等1 2 0 2 1 1 的晶体结构研究表明，在固态中杯 6 芳烃的构象接近于图 1 2 中的1 ，4 交替构象，1 ，4 苯环平面垂直于杯芳烃的轴线。g u t c c h e 将这种构象称 为“翼式”构象。 杯芳烃的多种构象使其在一些应用领域受到了限制，如何控制其构象也就成 为许多科学家感兴趣的课题。固定杯 4 】芳烃的构象最常用的方法是在其下缘羟 基上引入较大尺寸的取代基，这方面工作最早是由u n g a r o l 2 2 3 1 等进行的。在杯 芳烃的上缘或下缘引入各种类型的桥链也可以固定杯芳烃的构象。例如，b e e r 6 第一章文献综述 和k e e f e “”在三乙胺存在下将对叔丁基杯 4 芳烃与1 ，1 一双( 氯羟基) 二茂铁反 应，得到了平展式结构的杯芳烃。此外，杯芳烃的构象固定化作用还可以通过分 子内或分子间的氢键作用来实现。 1 2 杯芳烃的应用 杯芳烃应用领域日益广泛，目前在分子识别、生物模拟、催化以及分离分析 等多个领域都有着重要的应用。 1 2 1 杯芳烃在分子识别方面的应用 杯芳烃的空腔显示优良的识别、配合性能。近年来它作为多功能的主体而倍 受关注。杯芳烃结构灵活多变、易于修饰，在其上下缘进行修饰后可以得到具有 亲水性或亲油性的受体，因此杯芳烃能与不同大小、不同性质的客体分子相匹配。 杯芳烃化合物除可以进行分子内包合外，还能够进行分子闻包合。总之，借 助于氢键、静电作用、范德华力、疏水作用、阳离子一扎作用、n n 堆积作用 以及诱导楔合等非共价键协同作用，杯芳烃化合物可以很好的识别多种碱金属离 子、碱土金属离子、副族及过渡金属离子以及多种有机分子。 1 ，2 1 1 杯芳烃对中性分子的识别 杯芳烃化合物可以与许多种有机小分子形成内式或外式配合物。例如，对叔 丁基杯【4 芳烃与苯f 2 卯、对叔丁基杯【4 芳烃甲酰乙酯与乙腈【2 6 l 均可以形成内式配 合物，即客体分子处于杯芳烃空腔的中心。与此相反，对( 1 ，1 ，3 ，3 四甲基丁基) 杯 【4 】芳烃可与甲苯形成外式配合物，即甲苯处于杯芳烃分子之间。后者之所以形 成外式配合物是由于此杯芳烃对位取代基较高柔性而部分自包结进入其自身空 腔，从而阻止杯芳烃进一步容纳客体分子。 7 第一耄文献综述 图卜3 对叔丁基杯 4 芳烃与对二甲苯形成2 ：1 配合物 f i g u r e1 - 3t h e2 ：lc o m p l e xf o r m e db y p 4 e r t b u t y l c a l i x 4 a r e n ea n dp - d i m e t h y l b e n z e n e 1 2 1 2 杯芳烃对有机阳离子的识别 p a p p a l a r d o 和p a r i s i l 2 7 , 2 a j # 成t1 , 3 对叔丁基杯【5 】冠醚衍生物，并用核磁共 振法测定了其与烷基胺阳离子在c d c l 3 c d 3 0 d 中的配位作用。他们的研究结果 表明下缘取代基的空间阻碍作用以及客体阳离子的形状对配合物的稳定性有重 要影响。 s h i n k a i 研究组【2 9 3 0 1 率先展开了水溶性杯芳烃与有机阳离子的配位研究。他 们通过1 hn m r 光谱滴定法研究了水溶性杯【n 】芳烃( n = 6 ，7 ，8 ) 对三甲基苯基铵阳 离子客体的识别作用，发现对磺酸基杯 4 】和杯 6 】芳烃能与客体形成化学计量1 ：l 配合物，而对磺酸基杯 8 芳烃与客体形成化学计量1 ：2 配合物。 1 2 1 3 杯芳烃对金属阳离子的识别 杯芳烃本身具有紧密相邻的多个羟基和一个7 c 体系洞穴，使杯芳烃及其衍生 物几乎能与所有的金属形成配合物，因此杯芳烃类主体化合物被广泛用于对主族 金属、镧系、锕系以及过渡金属元素的识别研究。 i z a t t 等 3e , 3 2 基于液膜迁移实验最早成功地报道了对叔丁基杯 n 芳烃( n = 4 ， 6 ，8 ) 对n a + 、l i + 、k | + 、r b + 、c s + 和b a 2 + 等金属阳离子的包结行为。他们发现， 在强碱性溶液中，对叔丁基杯芳烃对碱金属离子具有显著的迁移效应。此外，他 们在控制实验中检测了对叔丁基苯酚对这些离子迁移的影响，发现这一单体对离 子无迁移作用。因此杯芳烃的环状结构对迁移作用有重要贡献。 第一章文献综述 b 6 h m e r 等1 3 3 较早报道了杯芳烃衍生物的离子载体行为，他们检验了3 , 6 二 氧庚醚基在对叔丁基杯【8 】8 芳烃下缘的全取代衍生物与阳离子的配合行为。 u n g a r o t 3 4 1 、m c k e r v e y 3 5 1 等随后也展开了此方面的类似工作。他们的研究结果表 明：( 1 ) 杯 4 】芳烃类化合物对n a + 显示最大的选择性；( 2 ) 所有研究的化合物 对l i + 迁移均无效；( 3 ) 杯【6 】芳烃化合物对k + 的亲和力大于n a + ，同时对r b * 和c s + 显示出很高的选择性；( 4 ) 对叔丁基杯 8 芳烃对碱金属离子均无亲和力 和选择性；( 5 ) 杯芳烃对位的叔丁基一定程度上增加了对n a 十的选择性。 此外，m c k e r v e y 、c h a l l g 等多位化学家 3 6 - 3 8 的研究结果表明，杯芳烃空腔 大小与离子大小的匹配性、杯芳烃构象与离子大小的匹配性、对位取代基的数目 和种类、杯芳烃下缘取代基的数目和种类等都是影响亲和力和选择性的相关因 素。研究者认为，杯芳烃衍生物对碱金属以及碱土金属离子具有选择识别作用， 可以作为输送阳离子的理想载体。 冠醚对金属离子的配位作用一直受到广泛关注，而将冠醚残基引入到杯芳烃 中所得到的杯冠醚，潜在地对金属离子具有选择性识别作用。u n g a r o l 荨1 3 9 】合成 了一系列的杯 4 】冠醚，发现当上缘取代基为叔丁基同时冠醚链长度为3 时，对k + 有较强的配位能力。 到目前为止，杯芳烃最突出的分子识别性能是对金属离子的识别，尤其对碱 金属离子的识别。世界上许多科研小组在此方面进行了卓有成效的研究。碱金属 离子是一种常见的球形客体，球形空腔主体对它们的识别能力优于平面主体。一 般来说，锥形结构的杯芳烃其下沿的酚羟基( 含衍生基团) 具有络合碱金属离子的 空腔，其选择性取决于空腔与金属离子的匹配程度，杯【n 】芳烃衍生物随着母体 苯酚单元的增多，对碱金属离子的选择性识别能力按离子半径增大次序增加。 1 2 14 杯芳烃对阴离子的识别 杯芳烃不仅可以识别中性分子和阳离子客体，并且合适的受体对阴离子也有 选择识别能力。b e e r 等 4 0 , 4 1 l 报导了下缘修饰的双胺二茂铁取代的杯 4 】芳烃作为阴 离子受体对h 2 p 0 4 一的识别作用。但是，杯芳烃对阴离子的识别作用不同于阳离 子：首先，阴离子的半径都很大，因此电子云密度较低；其次，他们具有不同的 几何构象，包括球型( 如f 。、c 1 一、b r 、l - ) 、直线型( 如n 。、c n 。和s c n - ) 、平面型f n 0 3 、 c 0 2 2 并n r c 0 2 _ ) 以及四面体型( 如p 0 4 、s 0 4 2 _ 和c 1 0 4 - ) ：此外，它们有很强的溶剂 化趋势，并且受酸度的影响很大，所以在设计配体时，应该将这些影响因素考虑 在内。 9 第一章文献综述 1 2 2 杯芳烃作为相转移催化剂的应用 由于许多杯芳烃及其衍生物具有萃取和转移金属离子的能力，因此其在相转 移催化研究方面有潜在的应用价值。高效的相转移催化剂要求化合物同时具有亲 脂和亲水性基团，可以在两相介质中进行物质的传递。在杯芳烃的上缘和下缘进 行适当的修饰后，可以满足这种需要( 如化合物1 ，2 ) 。 化合物l 化合物2 图1 - 4 化合物1 ，2 的结构 f i g u r e1 - 4t h es u u c t u r eo f c o m p o u n d1a n d2 早在1 9 7 7 年，b u r i k s l 4 2 】首次发现下端带乙氧链的杯芳烃化合物1 在非极性介 质中具有相转移催化能力，可以解决油一水乳化问题，并可应用于石油精馏。 在催化羧酸碱金属盐与卤代烃成酯的反应中，n o m u r a 4 3 发现：在使用4 a 分子 筛干燥的二氯甲烷作溶剂时，化合物l ( n = 6 ，m - - - - - 3 ) 可使对硝基苄溴与乙酸钾成 酯反应的转化率达到1 0 0 n ，优于季铵盐和冠醚。此外，化合物l ( n = 6 ，m = 3 ) 对于用高锰酸钾将烯烃、炔烃和伯醇氧化成羧酸、将仲醇氧化成酮的反应，以及 用氯仿和氢氧化钠作用生成二氯卡宾的反应均具有很高的相转移催化活性。 s h i n k a i i a 将化合物l 上端的叔丁基转化成亲油性更大的基团叔辛基，下端的 乙氧链较短时( m = 1 ) ，催化对硝基苄溴与正丁酸钠的成酯反应，其活性与二环己 并1 8 冠6 相当。 在下端含有酯基的杯芳烃也具有很好的相转移催化活性。丙烯酸正丁酯在醋 酸酯中用过硫酸盐催化聚合时，加入易得的含酯杯芳烃衍生物( 化合物2 ) ，能 使过硫酸盐进入有枫相，迅速引发自由基聚合反应，其效果比这类反应最佳的催 化剂1 5 - 冠5 还要好1 4 。 1 2 3 杯芳烃作为模拟酶的应用 杯芳烃及其衍生物还可以用作模拟酶，例如1 苄基- 1 ，4 二氢烟酰胺是烟酰胺 1 0 第一章文献综述 腺嘌呤二核苷酸的模型化合物，在酸性条件下加水生成1 一苄基。6 羟基1 ，4 ，5 ，6 一四 氢烟酰胺的反应，能被甘油醛3 磷酸脂脱氢酶所催化。催化剂的作用是稳定阳 离子中间体，并具有质子给予能力。s h i n k a i ”发现，对叔丁基杯 6 】芳烃及其衍 生物具有类似于甘油醛一3 一磷酸脂脱氢酶的催化效果，可以有效的催化上述反应。 g u t s c h e 等“7 i 发现上缘带有羧酸基的杯芳烃化合物4 也能催化上述反应，但 其效果比带磺酸基的效果差，这可能是因为羧酸与磺酸相比不易形成负离子，对 正电荷的稳定化作用较差。在几种不同环尺寸的杯芳烃中，杯 6 芳烃异构体给 出了最高的催化活性。 化合物4 ( n = 5 ，6 ，7 ，8 )化合物5 ( n = 4 ，6 ) 化合物6 图1 - 5 化合物4 ，5 ，6 的结构 f i g u r e1 5t h es t r u c t u r eo f c o m p o u n d4 ，5a n d6 s h i n k a i 等“”将杯芳烃季铵盐5 成功地用作水解酶模型，它能够催化十二烷 基对硝基苯酯的水解。研究中发现。易形成主一客配体的杯【6 芳烃比相应的不 易形成主一客配体的杯 4 芳烃有更高的催化活性，他们认为作用过程主要是通 过形成内式配合物进行的。 c a c c i a p a g l i a 等“将冠醚杯芳烃6 成功地用作水解酶模型。他们的实验结 果表明，化合物对乙酸酯的甲醇解在没有金属离子存在时反应极慢，但在加入少 量b a 2 + 后可以使反应加速一百万倍以上，这是因为主一客体配合物中的a a 2 + 能 稳定亲核加成时产生的负离子中间体，使亲核加成速控步的反应速率显著提高。 总之，杯芳烃及其衍生物表现出了很好的模拟酶性能，而杯芳烃金属配合物 作为模拟酶必将成为超分子化学研究的新热点。 第一章文献综述 1 3 氟化反应简介 1 3 1 芳香族氟化物的概况璐” 由于氟的化学修饰作用使许多芳环化合物显示出特殊的生物活性，使得具有 许多优良性能的含氟芳杂环化合物取得迅速发展，从1 9 8 1 年到1 9 8 6 年，世界范 围内就有1 - 3 万份有关于含氟医药和农药的专利申报。如今，芳香族氟化物在精 细化工应用领域的年消费量约在4 0 0 0 , - 4 5 0 0 吨。其中农业方面最大，占2 0 0 0 吨； 医药方面其次，占1 5 0 0 吨：其余是聚合物、染料、液晶方面，且整个市场需求 的年增长率在7 左右。同时有机氯及有机磷等农药因污染严重在生产和应用方 面受到限制，含氟农药得到了迅速发展，其主要用于合成除草剂和杀虫剂。 芳香族氟化方法可分为直接氟化、重氮盐转化、卤素交换法等。由于卤素交 换法具有原料易得、反应简单、专一性高等优点，其应用日益广泛。所谓卤素交 换法就是选用适当的氟化剂，对含有其它卤素( 如氯) 的芳香族化合物进行亲核 取代反应而制备含氟芳香族化合物的方法。合成中常用的氟化剂有氟的碱金属盐 类和氟化氢，其中以氟化钾最为常用1 5 “。 1 3 2 相转移催化剂在氟化反应中的应用 在卤素交换反应中，氟化剂k f 是无机盐，不能很好的溶于非质子极性溶剂； 而反应物卤代芳烃却易溶于这类溶剂。这样两种反应物就不能很好的接触，导致 反应效率较低，反应很慢。针对这一情况使用相转移催化剂能e 很z 好提高f 在反应 液中的浓度，从而提高反应的收率。但常用的相转移催化剂对氟化反应的催化效 果均不理想：季铵盐类催化剂高温下容易分解：冠醚类催化剂价格较高，不宜工 业生产中使用；聚乙二醇催化剂催化效果差。杯芳烃极其衍生物具有很好的转移 金属阳离子的能力，且热稳定性好，是一种较为理想的相转移催化剂。 本论文将对部分杯芳烃及其衍生物作为相转移催化剂应用于重要芳香氟化 产品的制备，并讨论其催化效果及可行性，研究其最佳反应条件。 1 4 实验方案的设计 前面已经对杯芳烃化合物的合成以及应用已经做了较为详细的介绍，从中 我们可以看出杯芳烃化合物具有优越的萃取和转移金属离子的能力。因此杯芳烃 化合物在相转移催化方面具有很大的应用潜力。因此，关于杯芳烃化合物用作相 1 2 第一章文献综述 转移催化剂方面的应用报道也很多。但将杯芳烃，尤其是带有磺酸基的杯芳烃化 合物，用做氟化反应的相转移催化剂的研究工作，文献中报道的很少。因此，本 论文试图做一部分探索性的工作以填补这一部分的空白，并希望研究成果能够促 进含氟精细化学品的发展。 1 4 1 杯芳烃类化合物的选择 杯芳烃化合物中较为简单易得的主要有杯【4 】芳烃、杯【6 】芳烃、杯【8 】芳烃三 类，据文献报道，它们对于不同的金属阳离子均有一定的识别能力，既在定条 件下均可以转移金属阳离子。但由于它们空腔大小以及金属离子直径的不囝，不 同杯芳烃化合物对不同金属离子的结合能力差异较大。据文献报道口”，对叔丁 基杯 n 】芳烃( n = 4 ，6 ，8 ) 的空腔直径如表2 1 所示： 表1 - 1 对叔丁基杯芳烃的空腔直径6 t a b l e1 - lt h ec a v i t yd i a m e t e r so f p t e r t b u t y l e a i x a r e n e s 8 空腔直径是由杯芳烃化合物羟基端测定的。 k + 的直径为2 7 6 x 1 0 o m ，其与对叔丁基杯【6 】芳烃的空腔半径相符，由此可 推测杯【6 芳烃对k + 的结合能力要优于杯【4 】芳烃化合物和杯【8 】芳烃化合物。l z a t t 1 3 2 的液膜迁移实验表明，在含有对叔丁基杯 6 】芳烃的碱液中，k + 的迁移流量是 含有对叔丁基杯【4 芳烃碱液的近2 倍，是含有对叔丁基杯【8 芳烃、1 8 一冠一6 或对 叔丁基苯酚的碱液的近2 2 0 倍。另外，本课题组张宝同学1 5 2 j 的研究论文中，曾 对对叔丁基杯 4 芳烃、对叔丁基杯 6 】芳烃和对叔丁基杯 8 】芳烃的相转移催化剂 进行了初步的探讨。通过比较对叔丁基杯 6 】芳烃的催化效果较好。因此，我们 拟合成对叔丁基杯 6 】芳烃、对氢基杯 6 】芳烃和对磺酸基杯 6 】芳烃等化合物做为 氟化反应的相转移催化剂。 1 4 。2 氟化反应的选择 本论文的主要目的是研究杯芳烃化合物作为相转移催化剂在氟化反应中的 应用，因此选择有代表性的氟化反应也是论文的关键所在。我们选用对硝基氯苯 的氟化反应作为检测催化氟化性能的基本反应。因为，对硝基氟苯是芳香族氟化 物中很有代表性的品种，其制备反应简单易行，几乎没有副反应发生，原料廉价 第一章文献综述 易得，反应原料和产品用气相色谱检测方便。 此外，为了进一步检测杯芳烃类相转移催化剂的有效性以及其应用的广泛 性，我们拟选择四氯对苯二甲酰氯和n 一苯基四氯邻苯二甲酰亚胺的氟化反应作 为检测催化剂性能的另外两个基本反应。因为四氟对苯二甲酰氟和n 一苯基四氟 邻苯二甲酰亚胺均为重要的农药及医药中间体，具有广泛的应用前景。此外，这 两个反应均为多氟化反应，具有一定难度。同时，本课题组从事过这两步反应的 研究，有定的实验基础，较易掌握反应操作条件。 1 4 第二章实验部分 2 1 实验原料及仪器 2 1 1 实验原料及试剂 第二章实验部分 表2 - 1 主要原料及试剂 t a b l e2 - 1m a i nm a t e r i a l sa n dr e a g e n t s 第二章实验部分 表2 - 1 续表主要原料与试剂 t a b l e2 - 1 ( c o n t i n u e d ) m a i nm a t e r i a l sa n dr e a g e n t s 2 1 2 分析仪器 ( 1 ) 薄层硅胶板：青岛海洋化工厂h s g ； ( 2 ) 熔点测定仪：y a n a c o ，m p 5 0 0m o d e l ，柳本制造所 ( 3 ) 核磁：b r u k e ra c - p3 0 0m h z ，化学位移以p p m 表示，偶合常数以h z 表示： ( 4 ) 红外：b i o r a df t s 3 0 0 0 ： ( 5 ) 气相色谱：采用a g i l e n tg c - - 6 8 9 6 n 型气相色谱仪分析。使用高纯氮为载 气，使用氢离子火焰离子化检测器( f i d ) ，色谱柱为a g i l e n t1 9 0 9 1 0 4 3 3 。 2 1 3 溶剂处理 2 1 3 1 环丁砜的处理 环丁砜熔点为2 8 。c 。购得的工业环丁砜常温常压下为淡黄色冰状固体，夏 季为淡黄色液体。工业环丁砜中含有的水和其它杂质会对反应造成影响，使用前 必须进行蒸馏精制。减压蒸馏，收集1 4 0 c 7 m m h g 馏分。精制后的环丁砜为无 色冰状固体，沸点2 8 7 。c 。 2 1 3 28 ，8 - 二甲基甲酰胺的精致 n ，n - 二甲基甲酰胺常含有水、乙醇、伯胺、仲胺等杂质，并能与2 分子水形 成h c o n ( c h 3 ) 2 h 2 0 ，因此要得到高纯度产品必须进行精制。首先采用1 1 0 体积的苯，常压下进行共沸蒸馏，再向其中加入无水硫酸镁( 2 5 9 l ) 干燥，减 压蒸馏，收集7 5 。c 7 m r n h g 馏分。 1 6 第二章实验部分 2 2 杯芳烃及其衍生物的合成 2 2 1 对叔丁基杯 6 芳烃的合成 将装有通n 2 装置、搅拌器、分水器、冷凝器的容积为1 0 0 0 m l 的四口瓶中， 向其中加入4 0 0 9 ( o 2 6 6 m 0 1 ) 的对叔丁基苯酚，5 0 m l 的3 7 ( o 7 2 0 m o i ) 的甲 醛溶液，6 0 9 ( 0 0 9 0 m 0 1 ) 粒状氢氧化钾溶液，外油浴加热，边加热边搅拌，1 5 m i n 后再缓慢的向反应器中通入n 2 ，搅拌下保持温度在1 3 0 c 下反应2 h ，观察到反 应器中的混合物变成了粘稠状的黄色固体。在反应过程中，有气泡产生，反应混 合物的体积先变大后又缩回到原来的体积。此时，再向其中加入2 5 0 m l 的二甲 苯，以溶解固体，从而得到黄色的溶液。继续通入n 2 ，将其加热至1 4 0 c 回流 3 0 m i n 后，有白色沉淀析出。继续回流反应3 h 。 将混合物冷却至室温后过滤，滤饼用二甲苯洗涤，得到3 3 o g 的白色的粗产 品，将粗产品碾碎放入锥型瓶中，加入o 8 l 的氯仿使之溶解，再加入1 2 0 0 m l 的盐酸，搅拌1 0 1 5 m i n ，溶液从黄色变成了亮橙色，再搅拌1 0 r n i n ，分出有机 相，水相用5 0 m l 的氯仿萃取两次后，将有机相合并，并用无水硫酸镁进行干燥。 过滤除去无水硫酸镁后将滤液浓缩至1 0 0 m l ，再加入1 0 0 m l 的热的丙酮溶液， 进行重结晶。静置过夜，过滤得到2 4 o g 的白色粉末状产品，收率为6 5 8 。 产品熔点大于3 2 0 。产品经核磁分析结果见( 附录一) 1 hn m r ( 3 0 0 m h z ， c d c l 3 ) 6 ：1 2 5 ( s ，5 4 h ，6 c 4 h 9 ) ，3 9 0 ( s ，1 2 h ，6 c h 2 ) ，7 2 5 ( s ，1 2 h ，6 a r i - i - 3 ，5 ) ，1 0 5 3 ( s ，6 h ，6 0 h ) 。文献值“1 为1 hn m r ( 4 0 0 m h z ，c d c l 3 ) 6 ：1 2 9 ( s ，5 4 h ，6 c 4 h 9 ) ，3 9 0 ( s ，1 2 h ，6 c h 2 ) ，7 1 6 ( s ，1 2 h ，6 a r h 一3 ，5 ) ，1 0 4 2 ( s ，6 h ，6 0 h ) 。 2 2 2 对氢基杯 6 芳烃的合成 在装有搅拌器、氮气保护装置、温度计和分水器的2 5 0 m l 四口瓶中加入1 0 5 9 ( 1 l m m 0 1 ) 对叔丁基杯 6 芳烃，8 3 9 ( 8 8 m m 0 1 ) 苯酚，1 1 7 9 ( 8 8 m m 0 1 ) 的无水 氯化铝以及1 0 0 m l 的甲苯。反应液呈红色。将反应物搅拌并外油浴加热至5 0 反应5 h 。 反应结束后向反应液中缓慢加入8 0 m l 的冰水，边加边搅拌，以保持反应液 温度在1 0 。c 以下。反应混合物中析出大量白色沉淀。将反应液移入至分液漏斗 中静止分层。上层是有机层，为淡黄色溶液；下层是水层，为白色乳浊液。充分 静置后分液，水相用2 0 m l 甲苯萃取两次后，合并有机相。而后将有机相移入茄 形瓶中，进行减压蒸馏，除去其中的甲苯。向所得粘稠状液体中加入5 6 m l 的无 水甲醇，可以观察到大量的白色沉淀析出。过滤后，滤饼用甲醇氯仿进行重结 第二章实验部分 晶，得到4 1 9 的白色粉末状产品，收率为6 2 0 。 产品熔点大于3 2 0 。c ，将产品经核磁分析结果见( 附录二) o l h n l v l r ( 3 0 0 m h z ， c d c l 3 ) 6 ：3 9 1 ( s ，1 2 h ，6 c h 2 ) ，6 8 3 化j = 7 ，5 h z ，6 h ，6 a r h - 4 ) ，7 1 4 ( d ，j = 7 5 h z ，】2 h ， 6 a r h - 3 ，5 ) ，1 0 。3 9 ( s ，6 h ，6 0 h ) 。 2 2 3 对磺酸基杯 6 芳烃钠盐的合成 将2 o g ( 3 i m m 0 1 ) 对氢基杯 6 】芳烃加入到1 0 0 m l 三口瓶中，量取1 5 4 m l 浓度为9 8 的浓h 2 s 0 4 倒入三口瓶中，将混合物加热至】o o 。反应3 h 后冷却 至室温。 将所得黑色反应液过滤后将滤饼溶于1 0 0 m l 水中。向所得水溶液中加入碳 酸钡，将溶液中和至中性，滤除硫酸钡沉淀。再向滤液中加入碳酸钠直至溶液的 p h 达到8 9 。过滤除去碳酸钡沉淀，将滤液用活性炭进行脱色。滤除活性炭后， 蒸除滤液中的水，得到的白色粉末状产品即为对磺酸基杯 6 】芳烃的钠盐1 5 9 ( 1 2 m m 0 1 ) ，收率5 8 4 。 产品熔点大于3 2 0 。产品红外分析结果( 附录三) ：i r ( k b r ) t o h = 3 4 4 1 c m ， 7 s 0 3 1 1 7 7 ，1 0 4 5 8 4 0c m 。文献值h 6 】为：i r ( k b r ) 7 0 h = 3 4 4 0 c m ，一s 0 3 11 6 0 ， 1 0 4 0 c m 。产品核磁分析结果( 附录四