环氧化物的开环反应研究

1、-环氧化物的开环反应研究 河北师范大学硕士学位论文 姓名：刘玉衡申请学位级别：硕士专业：有机化学指导教师：张占辉 20090409 摘要 摘要 随着现代有机合成化学的发展，杂环化合物在有机合成中的作用越来越重要，尤其是环氧化合物。环氧化合物是指含三元环的醚及其衍生物，其化学性质很活泼，它们是合成药物的重要中间体之一，在医学、药学等领域起着十分重要的作用。环氧化合物之所以有这么广泛的用途，是因为分子内存在较大张力，在酸或碱的催化下，容易与亲核试剂进行开环反应形成各种不同的产物。关于环氧化合物在有机合成中的重要性，化学家们一直在进行着不懈的探索和研究。 首先，根据不同的反应类型综述了环氧化合物不同

2、的合成方法，如：分子内反应法、反应法、烯烃的过氧化物氧化法等。我们用羰基化合物与锍盐反应方法，合成了不同类型的环氧化合物。然后，对环氧化合物在有机合成中的应用进行了综述。 过氧醇类化合物是一种多官能团化合物，具有非常活泼的过氧羟基和羟基基团，它们可以和许多缺电子基团发生亲核反应。这些过氧醇类化合物不仅广泛存在于天然产物中，而且在医学和药物学等领域有很大的用途，尤其是利用过氧醇合成的，禾三氧杂环己烷，可以作为一种抗疟药物。据报道，环状过氧化合物经过光解或热解能够产生双氧自由基，具有杀菌的作用。因此，这些过氧醇类化合物的应用越来越受到重视。通过实验我们成功发现一种温和高效的合成过氧醇类化合物的方法

3、，这种方法具有利用廉价易得的催化剂、高产率、反应时间短等优点，并采用瓜、和元素分析对合成的化合物进行了结构表征。 吲哚和吡咯及其衍生物不仅是重要的杂环化合物，而且还是重要的精细化工原料，广泛用于医药、农药、香料、食品饲料添加剂、染料等领域，关于其应用研究一直持久不衰，新的应用领域仍在不断被开发出来。尤其是烷基吲哚类衍生物具有显著的生物学和药理学活性。通过实验我们发现蒙脱土能催化含氮杂环化合物的傅克氏烷基化反应，而且该催化剂能回收利用。该方法不仅产率高，操作简便，反应时间短，区域选择性好，而且反应在无溶剂条件下进行，消除了有毒溶剂的排放，符合绿色化学的要求。 河北师范大学硕七论文 烷氧基醇也是重

4、要的合成中间体之一，它可以用来氧化合成烷氧基酮或烷氧基酸以及一些特殊的药物中问体化合物。此外，它还可以有选择性的保护羟基，增加有机合成的选择性。经过实验我们发现固体酸催化剂（）在超声波条件下，能催化一级、二级、三级醇类化合物与环氧化物的开环反应，从而合成烷氧基醇类化合物。由此发展了一种合成烷氧基醇类化合物的新方法。 总之，环氧化合物的开环反应在有机合成以及药物合成等方面表现出了很多优越性。如：（）利用其易于制备和开环的特点，用作保护基；（）利用开环反应的立体、区域选择性高的特点，立体、区域选择性地合成有机化合物；（）利用开环反应将其直接转化为带有新官能团的链状化合物；（）以小分子开环反应为基础

5、，合成具有生物活性的天然物质。 本课题在总结前人的基础上，研究了三种不同类型的环氧化合物开环反应，此项工作的开展将对经典有机化学中的酸碱理论进一步补充和扩展，为寻找新理论、新方法奠定基础和开拓道路，从而更好地促进有机合成化学的发展。关键词：环氧化物过氧醇吲哚衍生物烷氧基醇三氯化锑超声波 ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ，一， 嬲 ? ， ， ， 河北师范火学硕：论文 ， ， ，一鹪， ，：（），；（），；（），；（）?， ， ：， 学位论文原创性声明 本声明的法律后果由本人承担。 磊刁影 诳伊文曰丫艏年者：签月 名，衡指导教师确认（签名）：彦凝善需。垂跏年月日 学位

6、论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解河北师范大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权河：！范大学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，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。 （保密的学位论文在年解密后适用本授权书） 论文作者（签名）： 年月日指导教师（签名）：年月日 第一章环氧化合物的合成及在有机仑成中的应用 第一章环氧化合物的合成及在有机合成中的应用 环氧化合物的合成 环氧化合物，主要是指含三元环醚及其衍生物。其化学性质很活泼，是药物合成的重要中间体之一，在医学、药学等领域【，环氧化合物起着十分重要的作用

7、。环氧烷化合物易于制备，尤其是光学活性环氧烷化合物，可以通过环氧化反应、生物催化等方法合成。本论文对环氧化合物常用的合成方法进行简单介绍。 分子内反应法 分子内反应的实质是在碱的催化下卤代醇的消去反应，形成环氧等【】在三乙胺催化下合成（，），环氧基马来酸二乙酯 卧卜 弋 图 等【用具有关学纯的一羟基丁内酯，在三甲基碘硅烷作用 玲妄： 。， 图 羟基磺酸酯消去反应也可以生成环氧化合物，这种方法与分子内化合物。碱一般可用无机碱如氢化钠、碳酸钾和有机碱如三乙胺、二乙基胺基锂等。（图）。下选择性开环，得到相应的碘醇，然后在氧化银的作用下，生成相应光学纯的，环氧酯。反应是十分相似的，是一种通过，二醇制备

8、环氧化合物的新方法【。 河北师范大学硕：论文 。一警 蔷芦沙、队一 图 反应法 反应实质上是羰基化合物与【卤代酸酯在碱的催化下发生缩合反应生成，环氧酯类化合物。羰基化合物一般是芳香醛和酮，常用的碱有乙醇钠、叔丁醇钾、氢化钠和氨基钠等。对于部分脂肪醛类化合物在碱性条件下，易发生羟醛缩合反应，使得反应产率比较低。 等【】在室温条件下，用氨基钠作催化剂，苯乙酮和氯乙酸酯在苯作溶剂条件下反应，合成相应的【，环氧酯。 弋 羔业 图 随后，等【】在叔丁醇钾的催化下，环己酮与氯乙酸酯缩合生成化合物。 。吼。刚一瓯 图 同样，在仪位碳上连有其他的吸电子基团，如仪卤代酮、腈、砜等也能发生类似的反应。当采用相转移

9、催化技术时，即使在氢氧化钠的水溶液中也能顺利进行反应。等【报道环己酮与氯代乙腈在氯化三乙基苄基铵相转移试剂和的氢氧化钠的催化下，顺利合成了，环氧腈。 卢 几型曼趣生坠竺基、 图 烯烃的过氧化物氧化法烯烃用过氧化物氧化时，不同的实验条件下，既可以生成环氧乙烷衍生物， 第一章环氧化合物的合成及在有机合成中的应用 又可以进一步转变为，二醇，因此，这种方法实际生产操作中比较困难。常用的过酸有过苯甲酸、过邻苯二甲酸、间氯过苯甲酸等。通常此反应，烯烃分子中含有给电子基团，而过酸分子中具有吸电子基团时，能增加反应速率。 由于对甲羰基过苯甲酸在多种溶剂中都有良好的溶解性，等【】用对甲羰基过苯甲酸与烯烃反应，生

10、成环氧化合物。唧。育。唧 图 一般来说末端烯烃的环氧化反应是比较困难的，等利用多组分体系，在非卤代溶剂及水两相体系中，用的双氧水氧化末端烯烃，成功地合成了末端环氧化物，其收率为。 【（）￥ ，令？警裂， 图 如果是不饱和醛酮及其衍生物，由于羰基的一效应，从而降低了环氧化的速度，因此在遇到【，不饱和醛酮环氧化时，要用像三氟过乙酸这样的强酸才能使反应顺利进行。等【】报道用二氯甲烷作溶剂，衣康酸二甲酯与三氟过乙酸磷酸二氢钠反应，能够以的收率生成相应的环氧化合物。 睇。乒鲨声 图 不对称环氧化反应 环氧化反应 环氧化反应实质上是烯丙醇的不对称环氧化反应，以为氧化剂，四异丙氧基钛和酒石酸二乙酯（）为催化

11、剂，能够得到以上的光学产率的环氧化物，如香叶醇的不对称环氧化反应，得到大于值光学活性的化合物。 河北师范大学硕士论文 ！：曼竺丝！强生！）。 。 （ 图 环氧化反应起初使用的是化学计量的酒石酸钛络合物促进剂，后来经过研究发现，在分子筛存在下，用催化量的四异丙醇钛和就可使反应顺利完成【。 （）（，人鸫 图 非烯丙醇的环氧化反应 手性络合物，】与由果糖制备的手性酮【】均可催化烯烃的不对称环氧化反应，常用亚碘酰苯（溶于有机溶剂）、次氯酸钠水溶液以及过硫酸氢钾制剂（）为氧化剂。这些反应可用于顺、反式二取代或三取代烯烃以及各种共轭烯炔等进行不对称环氧化反应，均能获得高的区域和立体选择性。 ，厂弋尸 有文

12、献报道【共轭烯炔烃的环氧化反应选择性的发生在烯键上，对映选择性达到。 ，影 一一钐酽图 第一章环氧化合物的合成及在自机合成中的应用 双分子醛的半还原环化法 双分子醛的半还原坏化实质上是指两分子芳香醛在六甲基亚磷三酰胺（）的还原下发生双分子缩合反应，生成环氧化合物。该方法适合分子中含有易被氧化的基团，如含有呋喃、噻吩、吡啶等体系，以及邻、对位含有吸电子取代的芳香醛等化合物。有文献报道用邻氯苯甲醛来合成，（邻氯苯基）环氧乙烷。 。（）一 【（） 图 等用芳香族二醛化合物在上述条件下分子内发生环氧化关环，合成一种新的环氧化合物。 【（）一 图 羰基化合物与重氮烷反应 醛、酮化合物与重氮甲烷反应，即有

13、可能生成环氧化合物，又有可能生成酮。比例越大，当有吸电子基团时，有利于生成环氧化合物。有文献报道【】用氧化铝 （） 图 羰基化合物与含硫叶立德反应这要取决于空间和电荷等因素。在醛、酮中，烷基碳原子数越多，环氧化合物的（）做催化剂，使仅雄烷醇酮与重氮甲烷反应，能以的产率合成相应的环氧化合物。 河北师范大学硕：论文 、 羰基化合物与硫叶立德反应能高产率的合成环氧化合物，而且操作方便，产生的副产物少。然而，前人用的硫叶立德（，）大部分都不稳定，即使比较稳定的硫叶立德在惰性气体的保护下，也只能保存几个月。 由于以上的不足之处，许多化学家及工作者都在孜孜不倦的探索新的含硫叶立德，以改善反应条件，扩大硫叶

14、立德在合成环氧化合物方面的应用范围。 等采用易得的光学活性的硫叶立德，】合成具有一定光学活性的环氧化合物。 邺。一 ， 图 有文献报道用环丙基硫叶立德与羰基化合物反应，合成重要的中间体氧代螺戊烷矧。 嶙司。芸珠 图 由于大部分硫叶立德不仅不稳定，而且要求在无水的条件下反应，因此，实验操作起来不方便。等【】经过探索，发现一种价廉，简单易得的锍盐化合物，这种盐不仅稳定，而且在相转移试剂的催化下，可以高产率的合成多种环氧化合物。 （） 时 图 后来有许多学者和化学家做了这方面的工作，经过比较各种环氧化合物的合成方法，我们觉得用这种方法合成环氧化合物比较实用，合成方法如下： 第一章环氧化合物的合成及在

15、有机合成中的应用 甲基硫酸三甲基锍盐的制备： 在冰浴的条件下，将二甲基硫醚（，）到装有硫酸二甲酯，）的圆底烧瓶中，然后，在条件下迅速搅拌，再将温度缓慢升至室温，会慢慢地有白色晶体析出，继续搅拌后，将完全变为白色固体，得到甲基硫酸三甲基锍盐。 ，、 （）捣 图 环氧化合物的合成：。删晶眦磊 ， 图 环氧化物在有机合成中的应用 随着现代有机合成化学的发展，杂环化合物在有机合成中的作用越来越重要，尤其是环氧化合物，主要是指含三元环的醚及其衍生物，它的化学性质很活泼，是药物合成的重要中间体之，在医学、药学等领域，环氧化合物起着十分重要的作用。如最简单的环氧化合物一环氧乙烷是高效灭菌剂，临床上用于医疗器

16、械消毒。再如近几年研究表明花生四烯酸细胞色素单氧化酶代谢产物环氧二十碳三烯酸（），它作为内皮衍生性超极化因子，可以调节多种血管张力，抑制血小板的聚集，促进有丝分裂【】。 环氧化合物中由于分子内存在张力很大的三元氧环，化学性质活泼，在酸或碱的催化下，容易与亲核试剂进行开环反应形成各种不同的产物。因此，该类化合物在有机合成中被广泛用于：（）利用其易于制备和开环的特点，用作保护基； 关于环氧化合物在有机合成中的重要性，化学家们一直对环氧化合物的有关（）利用开环反应的立体、区域选择性高的特点，立体、区域选择性地合成有机化合物；（）利用开环反应将其直接转化为带有新官能团的链状化合物；（）以小分子开环反应

17、为基础，合成具有生物活性的天然物质【捌。 河北师范大学硕十论文 反应进行着不懈的探索和研究。近年来，这方面的研究取得了很大进展，许多环氧化合物的新反应、新方法被陆续提出。本文主要是就关于环氧化台物开环反应方面的研究，进行综述如下。 含氧化合物的合成 卤代醇的合成 卤代醇是有机合成中的一种重要中间体之一，被广泛应用到许多重要的合成反应中，因此，卤代醇的合成历来都受到广泛的关注。但传统的合成方法大都存在着副反应多、区域选择性不好或者反应条件苛刻、产率不高等缺陷。因此，需要发展一种条件温和、简单高效的新方法来合成卤代醇。等【提出了在乙氰中用或等做催化剂，使环氧烷烃开环的方法（图），为卤代醇的合成提供

18、了一条理想的合成路线。 。卅一。丈图 在等人的努力研究下，起初用（）作催化剂，氯代醇和溴代醇的收率还可以，但是碘代醇收率很低，经过研究发现（）把碘离子氧化成碘单质了。后来改用（）作催化剂，以卤化铵作为卤代反应物，干燥的乙腈作溶剂，其中碘代醇的收率在以上，对于氯代醇、溴代醇的收率在以上【】。 等人经过努力地研究，发现了一种很好的化学选择性试剂就是二溴硼烷二甲硫醚试剂，它只与环氧化合物反应，化合物中的其他官能团包括烷基、烯丙基、芳基、苯醚、吡喃缩醛、半缩醛，以及容易被还原的基团，如氯、醛、酮、叠氮化物、酯、腈和叔氨基酯等，在环氧开环的过程中几乎都不会受到影响。这个反应不仅具有化学选择性，还有一定地

19、区域选择性。总收率一般能达到以上，与的区域选择性比为，其他的环氧化合物开环的区域选择性要更好。具体反应如图】： 第章环氧化合物的合成及在有机合成中的应用 ，亍人卧 ，）伊，。） 砒足畅。 图 目前，由于有机氟化合物具有广泛的化学、物理和生物活性，因此发展便捷，高效的氟化方法一直倍受关注。其中氟化氢是最基本的氟化亲核试剂，但是氟化氢有剧毒，虽然改良的方法得到了一定发展，如使用吡啶、和树脂等，操作起来得到了改善，但仍存在着一定的困难。最近，离子液体在有机合成中得广泛的重视，经过等人的不懈努力，发现一种离子液体，乙基甲基咪唑溶入少量的氟化氢（），相当于作为氟化氢载体试剂进行一些有机氟化反应，并不需要

20、向反应体系中加入水，只利用空气中少量的水蒸气就可以。具体反应情况如图和图： （）掣 、埝飞 斧瓦晶￥ （）等人报道环氧化物与铋（）盐在，二氧六环溶剂中室温条件下反应，有很好的反应收率时有很好的区域选择性和立体选择性【。具体见图反应： 河北师范人学颂：论文 ?（） ， ， 图 当前，在无溶剂条件下有机合成反应倍受广大化学工作者的关注，尤其是在 课题组经努力的研究，发现用，三甲基 的反应，总收率在之间【。具体情况参见图的反应式： 封 ，肆 图 烷氧基醇的合成 环氧化合物能够与不同的亲核试剂发生开环反应，生成取代的不同醇类化此反应是从上个世纪年代才开始的，后来，到年代初期才陆续有化学首先是等人开始研

21、究的，他们用磺酸树脂酸做催化剂，进行环氧绿色有机化学的研究中。苯磺酰氯（）与环氧化合物反应在高氯酸锂的催化下，无需溶剂参加合物，因此，它是重要的有机合成及药物中间体】。其中，环氧化合物与醇反应合成的烷氧基醇类化合物是重要的有机溶剂，有机中间体以及药物中间体，在酸或碱性条件下通过环氧化合物开环反应合成烷氧基醇类化合物，由于温度过高，易于发生聚合反应或选择性低【。因此，许多化学家和工作者都努力在这方面工作筛选了许多催化剂，如【，（），【】，（）】等，又有好多人做这方面的工作，然而，这些催化剂都存在着不同方面的不足，有些的催化剂具有一定的安全隐患，有些则是价格昂贵，有些催化剂需要特殊条件的准备工作，

22、有些催化剂使得副产物多，选择性比较低，需要时间长，反应温度高等。家开始研究这方面的合成工作。化开环反应合成烷氧基醇，这种树脂具有的优点是酸性比较强，可回收利用， 第一章环氧化合物的合成及在有机合成中的应用 反应条件温和，但是，该反应的收率不是很高【。之后，研究小组又进行了关于合成一烷氧基醇的研究工作，他们用聚磷酸有机锡酯类化合物作为催化剂，具体结构式如图： 甲甲？、，、，。？、甲甲一。一宁一。一下一。一一乍一。一甲一。一一？、 叮?甲一。一胃一甲一 ？，誓箩 图 此催化剂能够使环氧化合物进行区域选择性开环反应，但是主要针对具有极性官能团才有一定的选择性，对那些极性较小的选择性却很差，因此该催化

23、剂的适用范围比较窄。虽然该催化剂容易回收，但是这种催化剂难于制备，而且催化剂用量稍微过量就会发生过氧化物聚合反应，从而使得副产物增加，收率较低等不足【伽。具体反应方程式如图： 型入。，入 （?）十 图 以上的化学家们用干燥的氧化铝、有机磷锡聚合物以及用等只能应用在较小的范围，因此，在年，两人连续发表了两篇文章关于环氧化合物开环反应，其中一篇是用，二氯，氰基一对苯醌（）做催化剂【，此反应虽然报道具有很好的选择性，但是操作起来非常不方便，随后同一年他们又报道了另一种催化剂）盐，此种催化剂效果虽然比上一篇文章好点，但价格上比较昂贵【。催化反应机理如图和图： 河北师范人学硕：论文 脊一 冰一脊 图 （

24、、，） ） 汰（） ）￥棋 图 从图中可以看到该反应是单电子转移机理。后来又有好多化学家和学者做这方面的工作研究，详细情况参见本论文中关于烷氧基醇的合成部分。 图 过氧醇的合成 由于环氧化合物可以和多种亲核试剂进行区域选择性和立体选择性的开环反应，得到各种不同的取代的醇类化合物，因此，它是非常重要的一类有机合成中间体【踟】。环氧化合物与过氧化氢反应合成过氧醇类化合物是最简单直接的合成路线。这些醇类化合物在药物学和天然产物领域有很大的用途，尤其是利用过氧醇合成的，氧杂环己烷，经过研究检测发现可以作为一种抗疟药物，】。它们还可以作为氧化烯醇类高效的三氧化物原料【，。在文献中，这类反应可以在【】、“

25、、乙酰丙酮钼催化下进行。 第一章环氧化合物的合成及在有机合成中的应用 也， 图 然而，上面的合成方法存在着不足之处，如利用强酸，收率低或者制备特殊的催化剂等。因此，发展一种方便的环氧化合物转化为相应的过氧醇的合成路线仍在不断的研究之中。 扩环反应 内酯的合成 丫螺环内酯是存在于许多生物活性物质中的亚结构单元，在抗痉挛药、抗癌药以及构象半刚性甘油二酯模拟物中都含有该物质。因此，合成丫一螺坏内酯进而合成各种具有生物活性的药物就成为合成化学家所面临的一个重大挑战。研究表明，环氧烷化合物的亲核开环反应可以合成螺环内酯，等【】报道用不同的亲核试剂进攻环氧化合物，得到了系列的一螺环内酯衍生物。具体情况见图

26、： ：?一 ， 图 另外，等【删报道了另外一种利用环氧烷合成丁内酯的路线（图）。 ，虽厂、，鲈一。 氯，二氢吡喃衍生物的合成 河北师范大学硕：卜论文 许多天然产物中含有取代的吡哺环结构，因此，取代的二氢吡喃化合物是合成众多的天然产物的重要中间体。这些含有吡哺环的天然化合物中，很大部分都具有一定的药效和药用价值，因此，找到一种能够有效合成毗哺环衍生物的方法和条件是非常重要的。经过等人的努力研究，发现用四氯化锆做催化剂，环氧化合物与丁炔醇发生加成反应可以合成这类化合物（图）。此反应条件温和，有很好的区域选择性和收率，开创了吡喃环合成的一条新途径【】。 乞 咧 图 该反应的机理如图所示：确叮、竺 图

27、 四氢呋喃和六氢吡喃衍生物的合成 四氢呋哺和六氢吡喃衍生物的结构单元也广泛存在于天然有机化合物当中，而且许多此类化合物都显示出一定的生物活性【石饥。然而，要合成这些化合物就要从其基本杂环结构开始研究【。】。其中被广泛应用于合成四氢呋喃和六氢吡喃杂环结构的方法之一就是单电子自由基关环的方法【】。其中，等【】在前人的经验指导下经过努力，发现用（做催化剂在较温和的条件下成功地实现了自由基关环反应，利用环氧化合物合成了四氢呋哺和六氢吡哺衍生物，具体情况如图和图所示： 第一章环氧化合物的合成及在有机合成中的应用 。！：进兰！ 二；。， 嬲君冀队队眇沙。爿卅 图 、仝父， 三 图 羧酸酯类化合物的合成 双

28、羧酸酯的合成 在有机合成中，环氧化合物是最有用的中间体之一。环氧化合物非常容易制备，在亲和试剂的进攻下很容易开环反应，得到有区域选择性的开环化合物等。，双羧酸酯可以做仪，邻二醇的保护基团，而且可以省去合成邻二醇的步骤，这样子可以缩短反应路线，提高总收率【】。所以，双羧酸酯的合成方法在有机合成过程中就显得至关重要了。像上述的反应，在以前由环氧化合物合成，双羧酸酯，几乎很少研究【】，而且都或多或少存在着不同的缺点和不足，如使用无水溶剂，湿度敏感的催化剂，昂贵或危险试剂，必须在强酸性条件下反应，长的反应时间，收率不高等。因此，探索出简单和方便地处理试剂，提高收率就显得十分必要矧。 稀土中的金属盐催化

29、剂是应用比较广泛的，等人经过研究发现，用的三氟甲磺酸铒（）做催化剂，在室温条件环氧化物和乙 河北师范人学硕士论文 酐就可以反应，得到化合物，而且有较好的收率】。 尸 （）?缸。觥 图 反应机理如图所示： 图 等人经过研究发现用（）做催化剂，室温条件下反应，环氧化物和乙酐反应得到的平均收率在以上瞰，矧。 ，加脑 八， 图 随后的一年里，等人报道，用高氯酸锂作催化齐（），在无溶剂的条件下反应，能够得到很好的收率，最高收率能达到，且该反应在立体选择性上比以前有了一定的改进。具体反应式如图所示： 八， ，。八、 图卤代羧酸酯的合成 第一章环氧化合物的合成发在有机合成中的臆用 在有机合成上，环氧化合物作为重要的有机合成中间体之一，在引入新官能团和对官能团的保护等方面都起到了不可忽视的作用。其中，在合成仪卤代羧酸酯化合物时，等人筛选出另一种合成方法，用三苯基磷、三氯异氰尿酸（）、和等，在作溶剂的条件下进行合成【卤代羧酸酯类化合物。 。，。， ；图 不久，等经过研究又发现一种廉价高效的催化剂，它能够在短时间内，高效的合成甜卤代羧酸酯类化合物。