（应用化学专业论文）取代四苯基双核铁卟啉两步加酸合成方法的研究.pdf

摘要 摘要 本论文在本课题组前期工作的基础上，针对现有的两步合成法在合成取代四 苯基双核铁卟啉过程中存在的反应时间长、环境污染大、合成成本高等缺点，深 入地研究了取代四苯基双核铁卟啉的合成方法，提出一种反应时间短、环境污染 小、合成成本低的新方法两步加酸合成方法，并对一锅法进行了深入研究。 采用以上两种方法合成了一系列取代四苯基双核铁卟啉，并经元素分析、红外、 紫外等手段表征其结构。具体研究内容及结果如下： 采用两步加酸合成方法成功地合成了一系列取代四苯基双核铁卟啉，并研究 了铁盐中铁元素的价态和铁盐种类对目标产物合成的影响、硫酸亚铁的用量对目 标产物收率的影响及酸的用量对金属化时间的影响，最终优化了反应条件。 两步加酸合成方法的研究结果表明：a ) 只有采用不含氯离子的二价铁盐进 行金属化时才能够合成目标产物；b ) 以d m f 和乙酸的混合液为溶剂，使卟啉 配体的金属化时间从1 0 h 减少到2 0 m i n 左右，大大缩短了目标产物合成的反应时 间；c ) 具有恶臭气味的d m f 用量的减少降低了对环境的污染；d ) 铁盐、d m f 用量的减少及反应时间的缩短，大大降低了目标产物的合成成本。在优化条件下， 以d m f 和乙酸的混合液为溶剂( v ( 乙酸) ( 乙酸+ d m f ) = 4 0 ) 、f e s 0 4 7 h 2 0 与 卟啉配体的摩尔比为2 5 ：1 、金属化时间为2 0 r a i n 左右时，目标产物的收率均达 9 1 以上，其中 t p c h 3 ) p p f e 2 0 的收率最高为9 6 4 ( 以卟啉配体计算，若以吡 咯计算则为2 4 左右) ，上述研究结果尚未见文献报道。 针对目前合成取代四苯基双核铁卟啉普遍存在的合成步骤繁琐、收率低等问 题，本论文在课题组前期研究成果的基础上也对一锅法进行了深入的研究，合成 了一系列取代四苯基双核铁卟啉，并对吡咯与芳香醛的反应时间、氧化剂用量、 溶剂配比等反应条件进行了优化。结果表明，在优化条件下，吡咯与芳香醛的反 应时间为6 0 m i n ，氧化剂用量为1 1 m o l l 时，目标产物的收率均在1 6 以上，其 中 t ( o c h 3 ) p p f e 2 0 的收率最高为2 1 3 0 似以吡咯计算) 。 关键词取代四苯基双核铁卟啉；合成；两步加酸合成方法；一锅法 北京t 业人学t 学硕 学位论文 a bs t r a c t t h e p r e s e n t 也e s i sa i m s t o s t u d ys y n t h e t i cs t r a t e g i e s o fs u b s t i t u t e d b i s t e t r a p h e n y l p o r p h i n a t o i r o n b a s e do nt h ep r e v i o u ss t u d i e sr e p o r t e di nl i t e r a t u r e ， c o n s i d e r i n gt h a tt h et w o s t e ps y n t h e t i cm e t h o do fb i s t e t r a p h e n y l p o r p h i n a t o i r o n 】h a d l o t so fd i s a d v a n t a g e ss u c ha sl o n g e rr e a c t i o nt i m e ，m a j o rp o l l u t i o n ，h i g h e rc o s ta n ds o o n an o v e lm e t h o d ，n a m e dt w o s t e pa d d i n ga c i d ss y n t h e t i cm e t h o d ，w a sp r o p o s e d ， w h i c hh a dl o t so fa d v a n t a g e ss u c ha ss h o r tr e a c t i o nt i m e ，e n v i r o n m e n t ef r i e n d l y , l o w c o s ta n ds oo n o n e - p o tm e t h o dw a sa l s os t u d i e di nt h ep r e s e mt h e s i s b ya d o p t i n gt h e a b o v es t r a t e g i e s ，as e r i e so f t r p p f e 2 0w e r es y n t h e s i z e d ，a n dt h es t r u c t u r e so ft h e s e c o m p o u n d sw e r ec h a r a c t e r i z e db ym e a n s o fe l e m e n t a la n a l y s i s ，i l lu v 二s s p e c t r o s c o p y t h er e s e a r c hr e s u l t so b t a i n e dc o u l db ed i v i d e di n t ot w op a r t sa sf o l l o w s ： o n ew a st w o s t e pa d d i n ga c i dm e t h o d e f f e c t so fd i f f e r e n tf a c t o r s ，i n c l u d i n g i n f l u e n c eo fv a l e n c ea n ds p e c i e so fm e t a ls a l t so nt h es y n t h e s i so f 【t r p p f e 2 0 ， i m p a c to ft h ed o s a g e so ff e s 0 4 7 h 2 0o nt h ey i e l d so f 【t r p p f e 2 0a n de f f e c to f t h e d o s a g e so fc h 3 c o o ho nt h em e t a l l i z e dt i m eo f t r p p f e 2 0 ，w e r ei n v e s t i g a t e d s y s t e m a t i c a l l y i tw a so b s e r v e dt h a to n l yd i v a l e n ti r o ns a l t sw h i c hd i d n tc o n t a i nc i 。 c o u l db eu s e df o r t h es y n t h e s i so f 【t r p p f e 2 0 ，i na d d i t i o n ，t h ed o s a g e so fd m f 、研t h n a s t ys m e l la n di r o ns a l t sw e r er e d u c e dal o t i ts h o w e dt h a ty i e l d s o ft a r g e t c o m p o u n d sa v e r a g e da b o v e91 ( c a l c u l a t e do nt h eb a s i so ft r p p h 2 ) n eo t h e rw a so n e 。p o tm e t h o d w i t hp y r r o l e ，a r o m a t i ca l d e h y d e s ，f e s 0 4 7 h 2 0 a n dt o t u l e n ea sr a wm a t e r i a l s ，t h e 【t r p p f e 2 0y i e l do fa b o v e16 ( c a l c u l a t e do nt h e b a s i so fp y r r o l e ) c o u l db eo b t a i n e du n d e rt h ef o l l o w i n go p t i m u mc o n d i t i o n s ：t h e r e a c t i o nt i m e so fp y r r o l ea n da r o m a t i ca l d e h y d e sa r r a n g e df r o m6 0t o8 0m i n ，t h e d o s a g e so f o x i d a n tw e r e1 1l k e y w o r d s s u b s t i t u t e db i s t e t r a p h e n y l p o r p h i n a t o i r o n ，s y n t h e s i s ，t w o s t e pa d d i n g a c i d sm e t h o d ，o n e - p o tm e t h o d 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 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。 签名：王鱼醯日期：回k 当f 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：至受硷导师签名： 第1 章绪论 l i _ ii iii 第1 章绪论 i i 仿生催化的研究背景 1 1 i 工业催化现状 当今化学工业中约5 0 的关键步骤是氧化过程，而氧化过程中又有约9 0 是催化氧化过程。因此，催化剂的使用占有重要地位。在石油化工中尤为突出， 通过催化氧化石油化工中所得的各类碳氢化合物可以得到许多大吨位的有机化 工原料和小吨位的精细化学品。由于烃类化合物的c h 键极性较小，键能较大， 活化较困难，使得烃类的官能团化不易实现，大多数烃类的催化氧化只能通过传 统的重金属氧化剂的化学计量氧化法或高温高压下的催化空气氧化法来实现。遗 憾的是，传统的化学催化存在着环境不友好和催化效率低等缺点，因而在化学工 业上，尤其在碳氢化合物的氧化工业方面受到了较大的限制。 实现碳氢化合物的选择氧化，特别是氧气液相氧化的关键是要研制选择高活 性的催化剂，目前工业方法都是采用重铬酸钠或硝酸等化学氧化剂，在酸性介质 中于高温高压下反应而得，在应用这些催化剂的反应中，由于反应条件过于强烈， 不仅存在着环境污染与设备腐蚀严重、能耗高等问题，而且烃类选择性氧化的目 标产物极易发生深度氧化生成二氧化碳和水，使得产物选择性降低。自然界中存 在的酶催化，不仅能够取代传统的化学催化，而且具有高活性、高选择性、常温 常压等温和条件下反应、催化活性可自动调节等化学催化望尘莫及的优点。但是， 天然酶在外界环境中较为敏感，容易失活，酶的合成又比较困难，这极大的限制 了其在工业上的大规模应用。因此，在传统化学催化剂和天然酶催化剂之间找到 一种既具备化学催化剂的合成分离简单、稳定性好等优点，又具备酶催化剂高效、 专一、催化活性可调控等特点的新型催化剂一直是一个极为重要且又富有挑战性 的课题f l 】。 1 1 2 本课题的研究目的和意义 金属卟啉化合物由于其独特的结构，特殊的物理、化学性质，使得其在生物 酶模拟催化氧化【2 l 、特种材料3 1 、抗癌药物州、微量分析【5 1 等众多领域的应用前景 非常广阔。目前国内外对卟啉类化合物的研究十分活跃，特别是金属卟啉模拟生 物酶在催化氧化方面的研究受到了广泛关注，并取得了许多突破性的进展【6 ，7 】。 北京t 业大学t 学硕十学位论文 但这些催化体系所采用的催化剂一般都是单核金属卟啉。随着对单核金属卟啉的 进一步研究表明，四苯基单核金属卟啉在溶液中不稳定，在催化烃类底物的加氧 反应中，容易发生氧化降解等反应，使催化活性降低，阻碍了它们在催化氧化反 应中的应用【8 , 9 1 ；而双核金属卟啉具有催化活性一般高于相应的单核金属卟啉， 在催化氧化过程中无须另加助催化剂和共还原剂，不易氧化降解等优点【l0 1 。因此， 近年来国内外对双核金属卟啉的研究越来越广泛【l 。 目前取代四苯基双核金属卟啉的合成方法仍然十分有限，主要采用传统的三 步合成法。以合成取代四苯基双核铁卟啉为例，首先采用吡咯与芳香醛合成卟啉 配体( 或卟吩) ，然后将卟啉配体( 或卟吩) 与铁盐反应合成出相应的四苯基单 核铁卟啉，最后四苯基单核铁卟啉在碱性条件下水解得到相应的取代四苯基双核 铁卟啉。该合成方法存在着收率低、合成步骤繁琐、产物不纯等缺点，极大地限 制了其应用。因此，对取代四苯基双核铁卟啉合成方法学的研究不仅具有重要的 学术价值，而且具有广阔的应用前景，如可以作为高活性、高选择性的仿生催化 剂在温和条件下绿色合成有机中间体。 1 2 取代四苯基双核金属卟啉简介 四苯基双核金属卟啉是由两个四苯基单核金属卟啉单体通过共价键连接的大 分子，连接体的结构特征主要有两大类型：一是柔性“开放”型双卟啉，最常见的 是两个卟啉环的m c s o 苯基以共价柔性单键连接；二是“刚性”双卟啉，所谓“刚性”， 是因为连接体为乙炔基、苯环、乙烯基等自身是共轭体系的基团，或者两个卟啉 单体的卟吩核上的碳与碳直接键联的双卟啉。所以，“刚性”双卟啉又可分为两类： 共轭基团键联的双卟啉和直接键联的双卟啉。随着新型卟啉二聚体不断被合成出 来，其连接体的结构变得多样化，其中通过两个卟啉环的中心金属离子的氧桥链 连接的取代四苯基双核金属卟啉( 如图1 1 所示) 是一类具有较高生物活性的化 合物，能够模拟细胞色素p 4 5 0 单加氧酶对分子氧的活化。因此，近年来国内外 对通过两个卟啉环的中心金属离子的氧桥链连接的取代四苯基双核金属卟啉的研 究越来越广泛。 第1 章绪论 m 代表中心金属离子，r l ，r 2 ，r 3 ，r 5 为取代基 图1 1取代四苯基双核金属卟啉的结构 f i g u r el 一1m o l e c u l a rs t r u c t u r eo f s u b s t i t u t e dm e t a l l o t e t r a p h e n y l p o r p h y r i n 1 3 取代四苯基双核金属卟啉对细胞色素p 4 5 0 的模拟 1 3 1 细胞色素p 4 5 0 催化氧化机理 生物体内广泛存在的细胞色素p 4 5 0 单加氧酶是一类以铁卟啉为辅基的结 合蛋白酶，是目前在生命体中唯一发现能使碳氢化合物官能团化的酶催化剂。它 可以在常温常压即温和的条件下实现对氧分子的活化，并使烃类发生选择性氧 化，总反应如下式u 2 l ： r h + q + r 器r - o h + 印 式中n a d p h ( 烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸盐) 的作用是传递氢原子和电子至细 胞色素p 4 5 0 活性中心即在轴向位置有半胱氨酸残基的s 配位的铁卟啉配合物。 近年来，经过众多科学家的不懈努力，总结出细胞色素p 4 5 0 催化底物氧化 反应的过程，如图1 2 所示 1 3 j s l ： 扎尿i 业八子1 子刊! i 孑世吧义 r o h 、 f，。，h 十e i i i 鼬。少x # o - x 。 之； f e “ 舳j 扩79 r 0 2 父毒翌 “ h 2 0 r s ：h 1 图1 - 2p - 4 5 0 催化底物单加氧作用机理 f i g u r ei - 2t h ec a t a l y t i cm e c h a n i s mo fp - 4 5 0 该催化氧化过程可表述为：n a d p h ( 还原型辅酶i i ，烟酰胺腺嘌呤二核甘 酸磷酸盐) 提供两个电子，一个电子先通过还原酶蛋白从n a d p h 向铁转移，使 f e 计原卟啉还原成f e 2 + 原卟啉，这时通过吸收分子氧，形成亚铁( p 4 5 0 ) 0 2 络合物，然后再转移第二个电子形成超氧络合物或过氧络合物，然后发生结合底 物r h 的羟基化作用。亦即n a d p h 与氧化型细胞色素p 4 5 0 之间组成一套完整的 电子传递系统。 1 3 2 取代四苯基双核金属卟啉催化氧化机理的研究 细胞色素p 4 5 0 单加氧酶专一的羟基化功能在实际应用中是非常吸引人的， 国内外很早就采用卟啉类化合物来模拟生物氧化酶细胞色素p 4 5 0 。e l l i sp e 和 l y o n sj e 等【1 6 】提出了一个与p - 4 5 0 在生物体内催化氧化机理相类似的单核铁卟 啉仿生催化氧化机理( 图1 3 ) 。 f e i i i x i - x 图1 3 铁卟啉催化分子氧氧化有机物羟基化的假设机理 f i g u r e1 3t h eh y p o t h e t i c a lc a t a l y t i cc y c l ef o r a l la l k a n e t oa l la l c o h o lu s i n ga ni r o np o r p h y r i nc o m p l e x 4 第l 币绪论 皇暑曼曼曼! ! ! 曼曼皇曼曼! 曼曼曼曼曼曼i；i 一 一ii ii i 曼曼曼皇 从图1 3 中可以看出其作用机理是：三价铁卟啉首先失去轴向配体自由基而 还原为二价铁卟啉，二价铁卟啉与分子氧结合形成超氧铁卟啉络合物f e n l 0 2 ( 图 1 - 3 a ) ；f e u l 0 2 再与二价铁卟啉结合生成双核铁卟啉络合物f e u l 0 2 f e n l ( 图1 3 b ) ； f e m - 0 2 f e l l l 断裂并生成稳定的高价铁氧络合物f e l v = o ( 图1 - 3 e ) ，f e l v = o 氧化 有机底物( 如烃类r h ) 使之发生羟基化，与此同时，f e l v = o 还原为三价铁羟基 络合物f e 1 0 h ( 图1 - 3 d ) ；f e 1 0 h 转化为游离三价铁卟啉( 图1 - 3 e ) ，三价铁 卟啉再从体系中得到一个e 变成二价铁卟啉( 图1 - 3 f ) ，实现了一个完整的催化循 环。但在整个反应过程中有一个干扰反应，即f e l v = 0 与f e 结合极易转化成双 核单氧络合物f e 1 o f e u l ，这使得一般结构的铁卟啉不能成为可逆的氧载体或活 泼的氧分子活化剂。 而双核铁卟啉的催化氧化机理则是以上述循环圈中的副反应为主反应：双核 单氧络合物f e l l l o f e u l 分解成稳定的高价铁氧络合物f e l v = o 和二价铁卟啉，其 中高价铁氧络合物f e = o 直接氧化有机底物( 如烃类r h ) 使之发生羟基化，而 另一部分分解产物二价铁卟啉则经过与单核铁卟啉相同的循环步骤从而实现整 个循环圈。金属卟啉催化氧化的机理进一步从理论上验证了双核金属卟啉相对与 单核金属卟啉的优越性。 要顺利完成整个催化循环过程，必须解决好两个问题：第一是防止活性物种 f e l v = o 与二价的铁卟啉( f e 。1 ) 的结合反应即双核单氧络和物( f e l o f e l l l ) 分解 的逆反应。第二是如何使f e 1 卟啉顺利的被还原为f e 卟啉。目前设计的模拟p 4 5 0 的金属卟啉多采用在卟啉环上引入苯基作为环上的取代基，利用体积较大的苯基 来阻止金属卟啉分子间的聚合。同时，在苯环上引入吸电子基降低了卟啉环上的 电子密度，减少卟啉中心金属受到其他更高价铁物种的亲电进攻，提高- j f e m f e 儿 的氧化还原电位，使f e u l 卟啉可以顺利的从底物中得到一个电子被还原成从f e 儿 卟啉，从而完成了整个循环过程。 1 4 取代四苯基双核金属卟啉在仿生催化领域的应用 l y o n s 等和e l l i s 等【1 5 1 7 1 在研究全卤代金属卟啉的催化性能时，发现一直被 认为无催化活性的氧桥链连接的双核金属卟啉对一些烃类的催化氧化反应具有 催化活性。用全卤代的氧桥链连接双卟啉铁化合物 f e ( t p p f 2 0 ) 2 0 作催化剂用 于异丁烷和丙烷的氧化，有较好的催化活性转换数。 r o s e n t h a l 等【8 - 2 3 】合成并研究了一种缺电子p a c m a n 式氧代双铁卟啉光催 化烯烃环氧化和饱和烷烃羟基化。以长波段可见光催化分子氧氧化，无需共还原 剂，典型反应式如反应式1 1 所示： 北京t 业人学t 学硕l j 学位论文 毒o ： 反应式l - l 可见光照射下( d p d f ) f e 2 0 催化氧气氧化烯烃化合物 s c h e m el - 1p h o t o c a t a l y t i co x i d a t i o no fa i k e n eb y ( d p d f ) f e 2 0 0 2a n dv i s i b l el i g h t 郭灿城等【2 6 】用取代四苯基双核金属卟啉单独做催化剂在常压下催化空气、 氧气、p h i o 、n a c i o 、h 2 0 2 或过氧乙酸等氧化剂氧化烷烃、芳烃、环烷烃、烷基 环己烷、六碳环化合物、烯烃、苯酚、苯胺、萘或它们的衍生物成功地制备了相 应的醇、醛、酮、酸或酯等含氧有机物。研究结果表明取代四苯基双核金属卟啉 不仅具有较高的选择性，而且具有良好的催化活性，且反应条件温和，有效地避 免了烃类化合物的深度氧化，产物易于分离提纯，易于工业化生产。 以取代四苯基双核铁催化空气氧化乙苯的反应【4 6 1 为例，如反应式1 2 所示， 在常压、温度为7 0 0 c 时有较高的选择性，氧化产物为苯乙醇和苯乙酮，其总的活 性转化数为8 7 8 。 懒掬 _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ 啼 触( i 麓蛾 6 0 v ： 酽古 b 飞铂 囟+ 囝 器镩氏，1 o n g g 反应式1 2 - 氧代双卟啉铁化合物温和条件下催化空气选择性氧化乙苯 s c h e m e1 - 2s e l e c t i v eo x i d a t i o no fe t h y l b e n z e n ew i t ha i rc a t a l y z e db y - o x od i m e r i c p o r p h y r i n a t o i r o nu n d e rm i l dc o n d i t i o n s 近年来，本课题组在取代四苯基双核金属卟啉在仿生催化领域的应用方面也 作了大量有意义的探索，并取得了一些成果。 烯烃环氧化产物是一类用途极广的有机中间体，广泛应用于石油化工、精细 化工和有机合成等领域。目前，除环氧乙烷外，工业上大部分环氧化合物的生产 方法还是采用传统的对环境有害的卤醇法和哈康法，且一般需要在高温条件下以 贵金属为催化剂完成环氧化反应。由于反应对碳碳双键的选择性差，导致副反应 多，副产物复杂，主产物收率不高。本课题组以二氯甲烷或乙醇为溶剂，在1 0 - 8 0 a 艿 第1 帝绪论 ii_iii_ mi o c 常压下反应0 5 - 1 0 h 采用取代四苯基叔核金属卟啉催化氧气氧化玟烯烃高选 择性高收率地得到了环氧化合物。以a 辛烯制备1 ，2 环氧辛烷为例，a 辛烯的转 化率、环氧化物的选择性和收率分别可达9 4 、9 8 和9 3 4 7 1 。 影 a 反应式1 - 3 t r p p m 2 0 催化氧气氧化伽烯烃制备环氧化合物 s c h e m e1 - 3s y n t h e s i so fe p o x yb yo x i d a t i o no fa o l e f i n sw i t h 【t r p p m 2 0a sc a t a l y s t 本方法反应条件温和，有效地避免了烯烃的深度氧化，具有广阔的工业应用 前景。 对以环己烷本身为溶剂，采用取代四苯基双核金属卟啉催化氧气氧化环己 烷，在温和的条件下以氧气( 空气) 作为氧源，液相催化氧化环己烷制取有机及 精细化工中间体p - 酸的反应进行了系统的研究。结果表明，环己烷的转化率以 及己二酸的选择性和收率分别达到5 1 0 、6 1 1 和3 1 1 【4 8 】。 ( 0 2 ( 0 5 - - 3 5m p a ) , 1 2 0 , - - 1 6 0 。c h o o c c o o h 一 一 vv 反应式1 - 4 【t r p p m 2 0 催化氧气氧化环己烷制备己二酸 s c h e m e1 - 4p r e p a r a t i o no f a d i p i ca c i db yo x i d a t i o no f c y c l o h e x a n ew i t h t r p p m 2 0a sc a t a l y s t 本课题组发明了一种以甲醇为溶剂、取代四苯基双核金属卟啉为催化剂，在 2 0 , - , 6 5o c 、0 5 3 o m p a 条件下催化氧气氧化邻对硝基甲苯制取邻对硝基苯甲醛 的方法1 4 9 , 5 0 。邻、对硝基甲苯的转化率和邻、对硝基苯甲醛的收率分别达到7 3 、 9 0 和3 7 、7 0 ； c 3 丫h u 争n 篙篙： n o z 特别是目前，几乎所有的化学研究者都认为由氧气或空气氧化反应是自由基 反应，并且一致认为只有在有机溶剂中才能有效的控制反应的进程，而在水溶液 中自由基类型的氧化反应则难以进行，这是由于水是公认的自由基湮灭剂。而本 课题组成功地以4 0 9 5 的乙醇水溶液为溶剂，反应温度为3 5 5 5o c ，采用取 代四苯基双核金属卟啉催化氧气氧化邻对硝基甲苯，高选择性地得到了邻对硝 北京t 业大学t 学硕1 ：学位论文 基苯甲酸1 ) k j 。本方法打破了自由基氧化反应一般不在水中进行的一般规律，使 邻对硝基甲苯氧化介质实现了从有机溶剂到水溶液的跨越；邻、对硝基甲苯的 转化率和邻、对硝基苯甲酸的收率分别可达9 4 、9 8 和7 9 、9 0 。 n 0 2 ! 些! ：竺! ! ：坚：! 竺! 竺：垒 i t r p p m z 0 1 2h 反应式1 - 6 【t r p p m 2 0 催化氧气氧化硝基甲苯制备硝基苯甲酸 s c h e m e1 - 6p r e p a r a t i o no fn i t r o b e n z o i ca c i db yo x i d a t i o no fn i t r o t o l u e n ew i t h 【t r p p m 2 0 1 5 取代四苯基双核金属卟啉合成方法的研究 目前，文献报道的取四苯基双核金属卟啉的合成方法主要分为以下两种：两 步合成法和三步合成法( 包括传统的三步合成法、柱色谱合成法及自氧化法) ，其 中应用最广泛的为传统的三步合成法。 1 5 1 两步合成法 郭灿城课题组【5 3 1 报道了一种以吡咯和芳香醛为原料两步合成取代四苯基双 核铁卟啉的新方法。该合成方法第二步反应条件为：以d m f 为溶剂，卟吩( 或 卟啉) 及f e c l 2 4 i - 1 2 0 为起始原料，反应的p h 值在8 - 1 1 左右，最终可得收率高 达9 4 0 8 的目标产物。具体合成路线如反应式1 7 所示： 反应式l - 7 两步法合成 t p p f e 2 0 s c h e m e1 - 7s y n t h e s i so f t p p f e 2 0b yt w o - s t e pm e t h o d 进一步研究表明1 5 4 】，采用芳基卟吩和锌芳基卟啉的混合物与金属盐在碱性条 件下亦可合成一系列的取代四苯基双核金属卟啉，收率可达9 0 0 旷9 5 。合成路 线如反应式1 8 所示： 第1 审绪论 r r p h 7 r 1r 反应式1 - 8 两步法合成氧代四苯基双核金属卟啉 s c h e m el 8s y n t h e s i so f t r p p m 2 0b yt w o s t e ps y n t h e t i cm e t h o d 近年来，本课题组对两步法进行了大量的研究，发现在第二步反应中加入适 量的h 2 0 代替碱也可生成相应的取代四苯基双核铁卟啉【5 5 5 7 】。以合成 t p - c h 3 ) p p f e 2 0 为例，合成路线如反应式1 - 9 所示： f e s q i 7 h ：o 。d m f 斗 h 2 0 反应式1 - 9 两步法合成对甲基四苯基双核铁卟啉 s c h e m e1 - 9s y n t h e s i so f 【t ( p - c h 3 ) p p f e 2 0b yt w o s t e ps y n t h e t i cm e t h o d 该方法与郭灿城课题组提出的两步法相比具有许多突出的优点： 1 ) 反应物可在较高浓度下进行反应，便于大批量生产； 2 ) h 2 0 的加入使得所生成的目标产物很容易沉淀完全，并且过量的 f e s 0 4 7 h 2 0 很容易被热水除去； 3 ) 以f e s 0 4 7 h 2 0 代替普遍使用的f e c l 2 - 4 h 2 0 ，避免了c l 。的干扰； 4 ) 以h 2 0 代替碱，避免了中心金属离子的脱落；简化了合成工艺，避免了 、o ，q戮 北京t 业大学t 学硕十学位论文 中间产物四苯基单核铁卟啉的分离，减少了不必要的损失。 1 5 2 三步合成法 1 5 2 1 传统的三步合成法 传统的三步合成法最早由f l e i s c h e r 等提出【5 8 】，后经i k e z a k i 5 9 1 ，d o l p h i n 6 0 , 6 1 1 ， 郭灿城 6 2 , 6 3 1 等人改进，其具体差异如表1 1 所示： 表l 1 f l e i s c h e r , i k e z a k i ，d o l p h i n ，郭灿城改进的合成方法的比较 t a b l e1 - 1c o m p a r i s o no fs y n t h e t i cm e t h o d si m p r o v e db yf l e i s c h e r , i k e z a k i d o l p h i na n dg u o 以t p p h 2 合成 t p p f e 2 0 为例，传统的三步合成法的反应过程可表示为： 第一步先由吡咯与芳香醛反应生成卟啉配体( 或卟吩)( a ) 第二步金属化，即卟啉配体( 或卟吩) 与亚铁盐反应合成出相应的四苯基单核 铁卟啉： t p p h 2 + f e c l 2 + 0 2 _ t p p f e c l + h c i + h 2 0 ( b ) 第三步四苯基单核铁卟啉在碱性条件下水解1 6 4 舶】： t p p f e c l + o h 。_ t p p f e o h + c i 。 2 t p p f e o h 一 t p p f e 2 0 + h 2 0( c ) 由于传统的三步合成法适用范围较广，因此目前合成取代四苯基双核金属卟 啉主要采用此方法。但在传统的三步合成法中，四苯基单核金属卟啉一般需要在 碱性溶液中水解，而在碱性环境中，中心金属离子容易脱落，从而影响目标产物 的纯度及收率，因此对所合成的粗产品一般需要经过一次或多次色谱柱进行分离 提纯，这就使得分离步骤较为繁琐，不宜用于大批量生产。 针对传统的三步合成法操作步骤烦琐、收率低等缺点，本课题组经过多年的 探索，研究开发了一种以毗咯、芳香醛及f e s 0 4 7 h 2 0 为起始原料，中间不需要 分离提纯卟啉和金属卟啉，一锅合成四苯基双核铁卟啉的新方法一锅法【6 7 】。以 合成 t p p f e 2 0 为例，合成步骤如反应式1 1 0 所示： 第1 章绪论 i ! i i i i 皇曼曼曼曼皇曼皇鼍量曼曼蔓 反应式1 1 0 一锅法合成取代四苯基双核铁卟啉 s c h e m el 10s y n t h e s i so f t r p p f e 2 0b yo n e p o ts y n t h e t i cm e t h o d 本方法与传统的合成方法相比具有以下显著优点： ( 1 ) 本方法以吡咯、芳香醛为起始原料直接合成最终产物，避免了中间产物( 如 卟啉配体等) 的分离和提纯，不仅大大简化了工艺流程，而且减少了不必要 的损失； ( 2 ) 本方法是在非碱性条件下进行的，因而避免了铁离子的脱落，便于分离： ( 3 ) 本方法采用硝基苯或其衍生物代替气相中的空气作为氧化剂，且反应在均相 体系中进行，非常有利于将吡咯与芳香醛反应所得的中间体卟啉原迅速氧化 为卟啉。 1 5 2 2 自氧化法 据报道【6 8 捌】二价四苯基单核铁卟啉容易发生自氧化作用生成相应的取代四 苯基双核铁卟啉。因此，可利用二价四苯基单核铁卟啉的自氧化作用合成相应的 取代四苯基双核铁卟啉。以合成【t p o r ) p p f e m 2 0 为例【7 0 l ，合成路线可表示为： o r o r 反应式1 11 自氧化法合成取代对烷氧基四苯基双核铁卟啉 s c h e m e1 - 1 1s y n t h e s i so f s u b s t i t u t e d p - a l k o x y t r a p h e n y l p o r p h i n a t o ) i r o nb ya u t o o x i d a t i o n m e t h o d c o h e n 等川提出了二价四苯基单核铁卟啉的自氧化机理，可表示为： 2 t r p p f e l l + 0 2 _ t r p p f e u l 0 2 f e i i i t r p p t r p p f e m - 0 2 f e l l l t r p p 一2 t r p p f e o t r p p f e l v o + t r p p f e n _ t r p p f e l i i 2 0 北京t 业大学t 学硕 j 学位论文 由以上自氧化机理可知，整个反应并不需要在碱性条件f 进行，这就使得中 心金属离子不易脱落，产物纯度较高。但是，此方法以三氯甲烷与d m f 或三氯 甲烷与吡啶的混合物为溶剂，由于c l 。的存在干扰了取代四苯基双核铁卟啉的生 成，极大地限制了自氧化法的应用。 本课题组利用二价四苯基单核铁卟啉的自氧化作用合成了一系列的取代四 苯基双核铁卟啉【7 2 】。以合成 t p p f e 2 0 为例，合成过程如反应式1 1 2 所示： nf e s 0 4 7 h 2 0 d m f - _ _ _ _ - _ _ 。- i 。- mt o b u l e n e 反应式1 1 2 自氧化法合成取代四苯基双核铁卟啉 s c h e m e1 12s y n t h e s i so fs u b s t i t u t e dt e t r a p h e n y l p o r p h i n a t o i r o nb ya u t o o x i d a t i o nm e t h o d 本方法以d m f 代替三氯甲烷与d m f 或三氯甲烷与嘧啶的混合溶液，避免 了c 1 。的干扰，因此收率较高，以 t p p f e 2 0 为例，收率高达9 0 9 。 1 5 2 3 柱色谱合成法 据b u r k e 掣7 3 】报道，用氯仿作为洗脱剂，将t p p f e c i 过f i s h e ra - 5 4 0a 1 2 0 3 柱可得至i j t p p f e 2 0 ；郭灿城等7 4 ，7 5 】采用a d l e r 法合成t p p f e c i 时发现元素分析 值与计算值不符，进一步研究表明，这是由于t p p f e c i 经中性a 1 2 0 3 ( 或s i 0 2 ) 柱 层析提纯时有 t p p f e 2 0 生成，从而提出了一种制备氧代四苯基双核铁卟啉的 新方法。由于此法仍然需要三步才能从吡咯合成目标产物，因此也将其归为三步 合成法。 采用柱色谱合成法制备氧代四苯基双核铁卟啉时，目标产物的收率受色谱 柱中a 1 2 0 3 ( 或s i 0 2 ) 表面吸水量的影响。实验表明，当a 1 2 0 3 ( 或s i 0 2 ) 表面处于无 水状态时，几乎无目标产物生成；当表面吸水量在5 7 时，- 氧代四苯基双 核铁卟啉的收率较高；而当吸水量低于5 或高于7 时，都将使目标产物的收 率下降。这是由于t r p p f e c i 首先吸附在a 1 2 0 3 ( 或s i 0 2 ) 表面上，使得f e - c l 键被 削弱，然后在水分子的作用下最终转化为目标产物( 其中h c i 被a 1 2 0 3 或s i 0 2 吸 附) 。整个反应过程如下： t r p p f e c i + a 1 2 0 3 ( 或s i o z ) 一t r p p f e o 妫( 或s i 0 9 t r p p f e l - i a d 贼s i 0 9 + 1 4 2 0 t r p p f e 2 0 + h c l + a 勋o b ( 或s i o 吩 值得注意的是“氧代四苯基双核铁卟啉能与含氯的溶剂在空气中反应缓慢 地转化为相应的四苯基单核铁卟啉，所以采用柱色谱合成法合成一氧代四苯基双 核铁卟啉时不能使用含氯的溶剂做洗脱液，且走柱速度要慢，以保证四苯基单核 第1 章绪论 铁卟啉允分地转化为目标产物。 柱色谱合成法操作简单，目标产物不仅收率较高而且纯度高。实验表吲7 6 】， t p p f e c i 通过柱色谱合成法可得到收率高达9 8 的 t p p f e 2 0 ，因此该方法被越 来越多的研究人员采用。石卫等将溶有四苯骈单核铁卟啉的d m f 溶液通过碱性 舢2 0 3 柱层析得到了氧络双四苯骈双核卟啉铁 f e ( t b p ) 2 0 ；i v a s h i n 等【7 7 】将 f e ( o e p ) c i 用碱性a 1 2 0 3 柱层析得到了【f e ( o e p ) 2 0 。 但是，柱色谱合成法也有其自身的局限性：由于目标产物的收率依赖于色谱 柱中a 1 2 0 3 ( 或s i 0 2 ) 表面的吸水量，本方法最重要的是控制色谱柱中a 1 2 0 3 ( 或s i 0 2 ) 表面的吸水量，但是对表面吸水量的控制难度比较大。 1 6 本论文研究的主要内容 1 6 1 研究内容 本论文主要是对两步加酸合成法进行探讨。考察酸的用量、铁盐的用量、 铁盐种类、铁盐的价态等因素对取代四苯基双核铁卟啉收率的影响，优化反应条 件。 ， 其次，对吡咯、芳香醛、f e s 0 4 7 h 2 0 、甲苯为起始原料的一锅法进行研究。 考察吡咯与芳香醛的反应时间、氧化剂用量、溶剂配比等反应条件对取代四苯基 双核铁卟啉收率的影响，优化反应条件。 同时通过红外光谱、紫外一可见光谱及元素分析等表征手段对产物进行了表 征。 北京t 业大学t 学硕1 1 学位论文 a 曼曼曼曼曼蔓蔓曼曼曼曼皇曼詈鼍曼皇曼曼皇曼曼皇璺皇曼曼曼曼鲁曼曼曼曼曼皇曼舅舅曼曼曼皇曼曼曼曼皇曼皇 1 6 2 研究方案 1 7 本章小结 本章综述了取代四苯基双核金属卟啉的应用及合成进展，在总结各种合成方 法优缺点的基础上，引出了本论文的研究内容和研究方案。 第2 章实验部分 曼曼曼詈曼蔓舅曼皇i , i m 蔓曼曼篡曼量鼍 第2 章实验部分 2 1 实验所用主要化学试剂和设备的名称、规格、生产厂家 2 1 1 实验所用主要化学试剂的名称、规格、生产厂家 苯甲醛，a r ，北京益利精细化学品有限公司 对甲基苯甲醛，a r ，a c r o so r g a n i c s 邻甲基苯甲醛，a r ，m e r c k s c h u c h a r d t 。g e r m a n y 邻氯苯甲醛，a r ，m e r c k - s c h u c h a r d t ，g e r m a n y 毗咯，a r ，国药集团化学试剂有限公司 n ，n 一二甲基甲酰胺( d m f ) ，a r ，北京化工厂 甲醇，a r ，天津市福晨化学试剂厂 无水乙醇，a r ，北京世纪红星化工有限责任公司 二氯甲烷，a r ，北京化工厂 中性氧化铝，1 0 0 2 0 0 目，中国医药( 集团) 上海化学试剂公司 冰乙酸，a r ，北京化工厂 、 丙酸，a r ，北京益利精细化学品有限公司 丁酸，a r ，北京化工厂 戊酸，a r ，北京化工厂 七水合硫酸亚铁，a r ，天津市福晨化学试剂厂 四水合氯化亚铁，a r ，天津市福晨化学试剂厂 甲苯，a r - ，北京化工厂 邻硝基甲苯