硅磺酸.doc

硅胶-磺酸在有机合成中的应用据统计，约有85%的化学品是通过催化工艺生产的，大量的催化剂的开发和应用，使化工工业得到了快速的发展。过去在研制新催化剂的制造工艺、活性、寿命及成本等，却极少考虑环境等隐性因素。进入21世纪以来，实现科技创新与环境保护相结合，实现企业高效和社会高效益的同步增长和可持续发展，逐渐成为人们追逐的目标，因此绿色催化工艺以及环境有好催化剂的开发，逐渐成为研究热点。以固体酸代替液体酸催化剂是实现环境友好催化应用的一条最重要的途径。另一方面，相对金属有机配合物来说，其制备容易， 反应后易与反应体系分离回收、反复使用，而且随着对固体材料表征手段的不断增强以及人们对固体材料理论理解的不断加深，可以设计出具有特殊性能的固体催化剂，如固体催化剂可用于不对称合成。 特别是有些固体催化剂具有特殊的结构，其活性的位置和取向， 赋予固体催化剂很好的活性和选择性，使得其具有特殊的性能。 因此，发展、研究固体酸催化剂催化有机反应具有重要的学术研究价值和广阔的应用前景。（1）硅胶- 磺酸，缩写为SSA，它是一种无机固体质子酸， 二氧化硅表面上的羟基与氯磺酸反应生成的二氧化硅- 磺酸( SiO2 - SO3H )具有高活性、高酸量( 2. 6mmol g- 1)和可重复使用性等优点，主要用作有机反应(如: 缩合、缩醛化、氧化、甲氧基化、醚化、烷基化和硝化等)中的酸催化剂，这种固体酸催化剂对于酸催化的反应(如、缩合反应、取代反应、酯化反应、氧化反应等)均表现出较高的反应活性和较好的选择性。并具有特有的酸性、高稳定性、廉价易得、无腐蚀、不挥发、无污染、易回收等优点, 是一类对环境友好的催化剂, 有着广泛的应用前景（2）。1 硅胶- 磺酸催化的取代反应硝化反应是制备芳香族硝基化合物的主要方法，多采用硝酸钠和稀硫酸的化合物代替稀硝酸，以减少酚在硝化过程中的氧化，但仍不可避免的有部分酚被氧化。然而， 酚类化合物采用亚硝酸钠与硅胶- 磺酸硝化体系进行硝化时, 可以取得良好的效果。反应中没有发生氧化反应( Scheme 1)（3）。Scheme 1Hajipour(4,5)研究发现，对位单取代的苯酚利用此反应条件进行硝化反应时，都会得到邻位硝化产物， 在硅胶- 磺酸催化下，芳香族化合物用Bi(NO3)3发生硝化反应， 同样取得了很好的结果( Scheme 2) 。Scheme 2磺化反应是在化合物中引入磺酸基的反应，也是重要的亲电取代反应，通常是在浓硫酸或发烟硫酸作用下发生磺化反应，但在反应过程中容易生成砜. 而使用硅胶- 磺酸为磺化试剂进行磺化反应克服了这一缺陷，使得整个磺化过程变得简单且具有很高的选择性( Scheme 3)( 6)。Scheme 32 硅胶磺酸催化的多组分反应三个或更多的化合物以一锅煮的反应方式，形成一个包含所有组分主要结构片断的新化合物的过程被称为多组分反应(multi- component reaction, MCR)，多组分反应本身所具有的高灵活性、高选择性、高收敛性、高原子经济性和易操作性。从近年来与多组分反应有关的研究论文数量可以看出其在有机合成中的影响力(7,8)，如2005年，Chen（9）报道了用SSA 固体酸催化醛、胺与三甲基硅腈的三元反应，室温下成功地合成了A- 氨基腈化物。研究发现无论是芳香醛还是脂肪醛都可以较好的得到产物，产率在86% 93% 之间，而酮类化合物却难发生反应；脂肪族伯胺、芳香族伯胺及环仲胺如吡咯及六氢吡啶均可很好反( Scheme 4)。Scheme 4Khodaei（10）利用催化剂量SSA 催化Dakin- West反应，该反应由芳香醛、芳香酮、乙酰氯及乙腈一锅法，80e 下成功的合成B- 乙酰氨基酮化物，此方法反应时间较短，无论芳香醛或是苯乙酮上的取代的吸电子(如硝基、氯、溴)，还是供电子(如甲基、甲氧基、羟基)基团, 一般2小时内均可完成( Scheme5)。Scheme 52, 3- 二氢喹唑啉是一类具有较高药理活性的化合物，Salehi(11)利用SSA 催化依托酸酐、伯胺与芳香醛一锅法合成2, 3- 二氢喹唑啉。该方法的脂肪胺反应速度比芳香胺的反应速度要快。无论接有吸电子的芳香醛还是接有供电子的芳香醛都可以较好的反应，但脂肪醛不发生此反应。2 - 芳基取代的2, 3- 二氢喹唑啉- 4- ( 1H) - 酮的合成可以利用碳酸铵代替伯胺，同样在催化剂量的SSA 的催化作用下，可以达到87%的产率( Scheme6,7)。硅胶- 磺酸在催化的多元反应中，可以重复使用多次而不损失催化活性。Scheme 6Scheme 7Biginelli反应是一个典型的多组分反应，合成的化合物被广泛用作药物及药物中间体。2003年Salehi(12)等报道了以硅胶- 磺酸为催化剂，醛、B- 酮酸酯和尿素为原料发生的三元反应合成了3, 4- 二氢嘧啶- 2- 酮类化合物( Scheme8)，无论芳香醛还是脂肪醛均可反应，反应的条件较为温和，羟基、硝基等基团对反应无影响，产率高达84% 96%，催化剂可以回收重复使用。Scheme 8在无溶剂条件下，同样该反应可以在硅胶- 磺酸催化下进行( Scheme 9)(13)。Scheme 93 硅胶- 磺酸催化的氧化反应3. 1 杂环化合物的氧化反应将二氢吡啶环氧化成吡啶环有较多文献报道，由于这类化合物对氧化剂和反应条件很敏感，使得氧化反应不能顺利地进行。而在硅胶磺酸- 亚硝酸钠氧化体系下可以较为便捷地氧化二氢吡啶，该方法简洁、干净且产率高( Scheme 10)(14,15)。Scheme 103. 2 醇的氧化反应对于醇的氧化反应，大都用过渡金属、高价态金属氧化物或矿物盐做催化剂。但这些催化剂大都存在产率低、副反应多、选择性低等缺点。以硅胶- 磺酸为催化剂，用重铬酸钾或高锰酸钾氧化醇则避免了副反应的发生，产率高达95% ( Scheme 11)(16)。. Scheme 11改用其它的氧化剂如KBrO3(17)，KClO3(18)及Na2Cr2O7(19)，同样可以得到较好的反应结果。比较特别的是Shaabani(20)利用KBrO3为氧化剂，对苄基位的氧化进行了较为新颖的研究，发现在无溶剂的条件下，可以发生氧化反应( Scheme12)。Scheme 12硫醇、硫醚在硅胶磺酸-亚硝酸钠(或溴酸钠)氧化体系下可以发生氧化反应，反应时间短，产率高( Scheme 13)(21,22)。Scheme 13其中硫醚可以在室温下通过控制过氧化氢和催化剂硅磺酸的用量，选择性的得到相应的亚砜或砜，反应清洁，高效，选择性好。（scheme14）（23）Scheme 144 硅胶- 磺酸催化C - O形成的反应4. 1 官能团的保护和脱保护4.1.1 缩醛和缩酮的保护与脱保护在硅胶- 磺酸催化下，醛或酮与乙酸酐作用生成1, 1- 二乙酸酯，以及1, 1-二乙酸酯裂解，进行羰基的保护及脱保护。此方法操作简单、反应时间短、产率高、催化剂活性稳定，不用再生，可重复使用( Scheme15)(24, 25, 26, 27,28)。 . Scheme 152006年，Hajipour等人在SYNTHESIS上报道了硫代缩醛或缩酮也可在硅胶磺酸的催化下进行羰基的脱保护。（scheme16）29Scheme164.1.2胺脱苄氧羰基保护苄氧羰基保护的胺是各种药品和天然产物有用的合成前体。然而，使用固体质子酸将胺的N-苄氧羰基进行保护，这很大程度上仍然未开发。近来，人们提出了有效的选择性苄氧羰基保护胺的绿色合成方法。其在室温和无溶剂条件下，用硅胶-硫酸催化即可进行，反应过程清洁，高效，无污染。（scheme17）（30）Scheme174. 2 酯化反应工业上酯化反应多采用浓硫酸或其它酸催化的传统工艺，其方法存在副反应多、收率低、设备腐蚀严重、催化剂必须中和才能被除去等缺点。利用硅胶- 磺酸为催化剂，在温和的条件下就可进行酯化反应，表现出了极高的催化活性。如4- 氯苯酚和醋酸酐在硅胶硫酸酯催化下于室温反应1分钟，就可生成乙酸酚酯，收率高达94% ( Scheme 18)(31,32)。. Scheme18 4. 3 醚化反应对称或非对称性芳醚的生成是有机合成中的重要反应，近年来引起了人们高度重视。在固体酸硅胶磺酸催化下，伯醇及仲醇均可脱水缩合成醚，由醇的三甲硅醚转化成醇的单纯醚，无重排、消除产物，操作简单，反应时间短，产率高( Scheme 16)(33,34,35,36)。Scheme165 总结与展望上述众多实验表明，固体酸硅胶- 磺酸催化剂具有其自身特有的酸性、催化活性、高转化率、高选择性，是一类环境友好的绿色催化剂。但是，由于缺乏足够的工业应用研究，实验研究虽涉及面较广，应用于工业生产还不普遍。我们相信，随着环保意识的增强，在可持续发展的要求下，开发和使用新型固体酸催化剂替代传统的无机液体酸催化剂必将成为化工生产的主流，今后，不仅要拓宽它的应用范围，探索其不同反应条件下不同反应的催化行为， 而且，应向多功能、高效方向发展，充分发挥其自身的超强性能的优势。参考文献:1 田部浩三,小野嘉夫.新固体酸和碱及其催化作用M. 北京: 化学工业出版社, 1992.2 Salehi, P., Zolfigol, M. A., Shirini, F., Silica sulfuric acid and silica chloride as efficient reagents for organic reactionsJ. Curr. Org. Chem., 2006, 10: 2171-2189.3 Zolfigol, M. A. , Mirjalili, B. F., Bamoniri, A., Karimi, M. A., Zarei, A., Khazdooz, L., Noei, J., Nitration of Aromatic Compounds on Silica Sulfuric AcidJ. Bull. Korean Chem. Soc., 2004, 25(9): 1414-1414.4 Zolfigol, M. A., Madrakian, E. ,Ghaemi, E., Silica sulfuric acid/NaNO2 as a novel heterogeneous system for the nitration of phenols under mild conditionsJ. 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