国内外合成β-MNQ的氧化方法及研究进展,化工论文

国内外合成β-MNQ的氧化方法及研究进展,化工论文2-甲基-1,4-萘醌〔又称-甲萘醌，-MNQ〕是合成维生素K类药物的重要中间体〔图式1〕,一般为亮黄色晶体，熔点105~107℃，属脂溶性维生素药物，不溶于水，易溶于苯、乙醇、氯仿、四氯化碳、植物油等；空气中较稳定，但遇光及铁质易分解，可与水蒸气一同蒸发；作为电子传递者，可介入生物氧化磷酸化经过和光合作用[1].在黄酶催化复原情况下，其醌型构造经循环诱导可产生活性氧O2-、H2O2和HO,毁坏肿瘤细胞中过氧化氢酶，使细胞中毒，抑制或毁坏肿瘤细胞生长[2].因而，人们常将-MNQ按一定比例与维生素C共同用于肿瘤病症临床治疗且效果显着。同时，K类维生素因具有促进血液凝结并可介入人体钙代谢经过等特性，被视为防治缺乏凝血酶原症的特效药物。由于维生素K3突出的止血活性，故常被作为添加剂参加到饲料中以实现调节动物体内血液凝固功能，避免饲料中所含抗菌素、激素造成的负面影响，有效防治家畜出血性疾病、骨骼矿化等[2].维生素K系化合物用处广泛且作用明显，但其生产原料-MNQ却难以从自然界直接提取，需要通过间接合成方式获得。本文综述国内外合成-MNQ所采用的不同氧化方式方法及研究进展，着重分析比拟各催化氧化合成体系的优势和缺乏，提出催化氧化法制-MNQ需研究改良的重点及建议，为-MNQ合成研究发展提供参考和借鉴。1传统工业生产-MNQ的方式方法及合成机理-MNQ的传统工业合成道路〔图式2〕是以-甲基萘〔-MN〕为原料，在氧化进程中，利用-MN分子上不同位置的甲基组分的活性不同这个特点，获得-MNQ产品；即-位的碳原子更活泼，也更易被诱导氧化成醌类基团，其轻度氧化产物就是-MNQ.该方式方法常以冰醋酸为介质，采用硫酸催化铬酸或重铬酸钠在60~90℃下进行氧化[3,4],并通过铬盐计量氧化-MN来实现，收率一般在30%~60%.但每生产1Kg目的产物的同时往往会有18Kg无机废料产生[5],对环境污染严重；除此之外，所用溶剂多为强酸类，对反响装置腐蚀性较强，对实验及工作人员人身安全也危害较大，且反响产物收率较低[6].2催化氧化合成技术体系及研究进展传统工业方式方法生产-MNQ经过因铬金属污染、生产效率低等问题[7,8]而与当下绿色化学生产要求格格不入。针对这些问题，人们在随后的工业化生产工艺中进行改良或采用新的合成方式方法，但各自仍存在很多亟待解决的难点〔见表1〕,因而，需要开发出新合成技术或道路以改良甚至替代当下-MNQ合成现在状况。2.1以-MN为原料直接合成-甲萘醌==-MN多存在于煤焦油馏分或石油裂解渣油中，易被直接提获得到；若采用有效氧化方式方法将其直接转化成-MNQ,可提高产品附加值。因而，以-MN为原料进行生产合成也是最为实际的发展方向。2.1.1液相化学氧化法液相氧化反响体系中，催化活性组分类别会对-MNQ的合成效果产生重要影响。就当前研究而言，人们普遍以为，利用H2O2的强氧化性，通过对醋酸氧化而生成的过氧醋酸中间物种〔式1〕可作为催化活性组分，通过对-MN的适度氧化可高效合成-MNQ.因而，研究者们多围绕对以H2O2作为氧化剂、冰醋酸为反响介质的催化氧化体系进行深切进入研究。CH3COOH+H2O2CH3COOOH+H2O〔1〕2.1.1.1非金属催化剂以往研究发现，在酸性介质条件下，通过向反响体系直接参加过氧乙酸并介入氧化反响的方式就能够获得目的产品-MNQ,收率为40%以上[9,10].但是，过氧乙酸本身物化性能并不稳定，极易发生分解，导致反响活性大幅降低；同时，高浓度H2O2与乙酸酐互相作用会生成易爆的二酰基过氧化物，存在安全隐患，操作条件苛刻[11].除此之外，部分方式方法以浓硫酸为酸性介质会对设备有腐蚀作用。Sankarasubbier等[12]经研究发现，若直接以醋酸为催化剂，H2O2为氧化剂，在一定反响条件下，收率最高可达86%.他们以为，醋酸强度对反响物转化率影响明显，即醋酸强度与反响物转化率成正比。之后，在这里基础上虽进行相关改良研究[7,13~21],但合成经过中，产物分离经过非常复杂且催化剂回收工序复杂、生产成本较高，不利于工业化生产。2.1.1.2金属催化剂利用金属催化剂活性高、易分离、环境友好等特点，研究者们在-MNQ合成反响中相继开发出一系列不同类别的金属催化剂并研究比拟各自在氧化反响中的催化性能。这华而不实包括：含有机配体的金属配合物催化剂、金属氧化物及金属盐催化剂、杂多酸催化剂、负载金属型催化剂、金属杂原子分子筛。〔1〕在含有机配体的金属配合物催化剂中，与配体键合的过渡金属物种具有将氧原子向反响底物传送的特性，因而，在有机化合物的选择氧化反响经过中，该类催化剂可显示出较好的催化氧化活性，正逐步遭到人们的关注。Yan等[22]以锰酞菁为催化剂，采用将稀H2O2与一定量过氧乙酸混合作为氧化剂的方式，对-MN进行氧化制-MNQ,产率最高达60.5%.为提高金属配合物催化剂的稳定性，Alexander等[23]将金属酞菁活性组分固载于中孔或无定形硅材料载体上，经研究发现，收率最高可达34%.随后，Serhan等[24]率先将含有机膦配体的金属铂的Pt-〔DIPAPTES〕Cl2或镍的Ni-〔DIPAPTES〕Cl2配合物固载在SiO2载体上，通过研究比拟发现，含有机膦配体的金属铂配合物氧化作用明显，-MN转化率为87.8%,产物收率最高达50.1%.固然含有机配体的金属配合物催化剂在氧化反响中具有较高催化氧化活性，但因其催化剂价格昂贵或难以回收再利用，制约了此类催化剂在工业中的应用。〔2〕在金属氧化物及金属盐催化剂的早期研究中，人们发现金属氧化物甲基三氧化铼对-MN氧化制-MNQ的反响具有极高的催化活性，进而引起研究者的关注。Adam等[25]以及Wolfgang等[26]先后考察了甲基三氧化铼对-MN的氧化活性，以H2O2为氧化剂条件下，均可获得反响物转化率90%以上的实验结果，但由于使用高浓度〔85%〕H2O2,反响经过易引发爆炸危险。1[27]和Kholdeeva等[28]分别报道了以三价铁为活性组分的金属盐为催化剂用于-MN的催化氧化反响，同样可获得较高的转化率。该反响氧化经过被普遍以为是，-MN在三价铁作用下，先生成2-甲基-1-萘酚，接着由H2O2再进一步氧化得到目的产物。然而，该方式方法对目的产物选择性并不高，导致产品收率非常低且反响经过中易产生难分离的副产物6-甲萘醌。〔3〕具有Keggin结构的磷钼钒〔H3+nPMo12-nVnO40〔HPA-n〕〕杂多酸及其盐类对MN氧化反响具有很好催化性能。其氧化反响一般在双相溶剂〔即含体积分数50%~90%乙酸和0.2~0.8mol/L硫酸〕水溶液中进行，在-MN与杂多酸摩尔比为2∶1~10∶1、反响温度120~140℃、氧气压力0.3~0.8MPa条件下，-MN转化率为78%,-MNQ选择性则可到达82%[29].Matveev等[30]以磷钼钒杂多酸H5PMo10V2O40为催化剂对-MN进行氧化反响，反响在水相和有机相的双相溶剂介质中进行，华而不实反响物及产物存在于有机相，催化剂存在于水相。反响后，-MNQ选择性最高到达89%.靳会杰等[31]则采用杂多酸H4PMo11V1O40为催化剂，在添加1%外表活性剂条件下，产物收率为15%左右。采用杂多酸催化剂进行催化氧化反响的优势在于所需反响温度较低，产物选择性较高；但其本身酸性较高对反响设备腐蚀性较大，且部分需加压进行氧化反响对设备密封性能要求较高，工业化应用较为困难。〔4〕负载金属型催化剂因在催化氧化有机分子方面具有选择性好、活性高以及多相易分离等特点，而成为近年来人们研究的热门之一。Yamaguchi等[13]报道了以负载型钯盐为催化剂，催化H2O2氧化-MN制-MNQ的方式方法。实验结果表示清楚，以高氯酸钯、硫酸钯或醋酸钯为活性组分均可使反响底物转化率到达91%以上，而收率最高为60%.按照此研究思路，李东军等[32]选用具有介孔孔径尺寸且热稳定性较好的HMS分子筛材料为载体，WO3为主要活性组分，以稀H2O2〔30%,质量分数，下同〕为氧化剂，-MNQ选择性及收率可分别到达51.7%和46.9%.从研究结果来看，负载金属型催化剂普遍在-MN液相氧化反响中具体表现出出较高氧化活性，但在目的产物选择性方面还有待进一步提高。〔5〕自Taramasso等[33]初次报道合成出B-Si-ZSM-5杂原子分子筛起，人们对金属杂原子分子筛的合成及应用就产生出极大兴趣，十分是其在对有机大分子部分选择氧化反响具有较高催化活性方面；其原因主要在于骨架金属杂原子与H2O2互相作用可生成过渡态的过氧化金属活性物种，如骨架钛活性物种〔图式3〕等，起到了可传输氧原子到反响底物分子上的作用。该催化特性也为制备-MNQ开拓出新的环境友好合成道路。刘兴泉等[34]提出以钛硅分子筛〔TS-1〕为催化剂，稀H2O2为氧化剂，冰醋酸为溶剂，在70~85℃下反响2~4h,目的产物收率可达78%以上。他们以为具有择形催化作用的钛硅分子筛对氧化性能提升起关键作用，但后续研究工作暂未见报道。Narender等[35]和Zi等[36]则分别以具有规则孔道及较大孔径的Se-MCM-41和La-MCM-41分子筛作为催化剂，目的产物收率均到达70%以上。若能够较好解决其分子筛水热稳定性较差的问题，则该种催化氧化体系将具有较好的应用前景。除此之外，研究者们对于该反响体系中-MN氧化生成-MNQ的反响机理经过也进行了分析和讨论。迄今为止，人们对此氧化反响经过持两种不同观点[11]:一是环氧化经过〔式2〕,即：在过氧乙酸作用下，-MN通过氧化反响，首先生成含二羟基的萘酚物种，随后，该物种将被进一步迅速氧化并生成最终产物-MNQ;另一为芳环取代经过〔式3〕,持这一观点的研究者以为，在强酸和氧化剂H2O2作用下，可先分别得到质子化物种CH3CO3H2+和H3O2+;而在-MN上则会发生由CH3CO3H2+引发的芳环上的亲电取代经过，同时在区域选择作用影响下，在富电子区域发生取代反响，得到产物-MNA.从当前研究来看，由于这两种观点均有相应的实验数据予以支持，因而，暂无法完全确定哪种观点更为确切。除此之外，研究者们还尝试采用其他不同氧化剂[37,38]及反响介质[39~41]对-MNQ的催化氧化合成进行研究，但在环境友好及反响效率等方面还需进一步改良。2.1.2气相直接氧化法采用液相化学氧化法进行氧化-MN制-MNQ的研究相对较多，但多为间歇式反响，无法实现连续生产经过，限制了其工业化应用。为解决这一问题，在20世纪80年代，Shapovalov等[42]以钒-钛为催化剂，在360~390℃下经活化后采用空气对-MN进行气相选择氧化，-MNQ收率为29%,但同时也存在邻苯二甲酸酐、马来酸酐、CO以及CO2等多个副产物。针对钒系金属氧化物对气相氧化-MN反响具有相对较高活性的特点，日本KogyoGijutsuin公司[43]研制出以V2O5负载的MgO和K2O为催化剂，在热空气条件下，获得12.1%单程转化率。庄淑娟等[44]则尝试以V2O5为活性组分，粗孔硅胶为载体，介入气相催化氧化制-MNQ反响中，-MN的转化率为69%,但目标产物选择性过低，仅为12%.从以上能够看出，该合成方式方法所得产品收率较低，进而导致以气相直接氧化合成-MNQ的研究报道并不多，但该方式方法却为直接氧化-MN合成-MNQ提供了新的思路。这种催化氧化方式方法不仅环境友好，符合国家节能减排需求，而且连续式氧化反响经过也与工业生产要求相吻合，若能够研制出适宜的高效催化材料则应用前景广阔。2.1.3间接电氧化法间接电氧化法是发展较快的清洁合成技术之一。该方式方法主要通过对含铬或铈等金属废液的电解再生，以实现氧化反响闭路可循环。之前的合成研究工艺大多采用价格昂贵的金属铂为阳极材料且反响中的副产物6-MNQ也未得到有效分离和回收利用[45,46].针对这一问题，徐海升等[47~50]进行改良，他们以Ti/PbO2为阳极，Pb为阴极，硫酸为支持电解质；采用Cr6+/Cr3+为氧化介质，四丁基溴化铵为相转移催化剂，进行槽外式间接电氧化-MN制-MNQ的研究并成功实现了工业化，-MNQ收率为62.5%.但该工艺仍存在反响步骤繁琐、设备投资大、反响体系中铬离子浓度过高、铬酐损耗量大等缺点。随后，宋成盈等[51]在其研究基础上采用槽内式间接电氧化法。该工艺可实现同一装置中原料连续参加和产品连续移出。在优化反响条件下，-MNQ选择性可达71.9%,明显高于槽外式间接电氧化法的合成效果；但该法仍不能有效避免铬金属对环境造成的较大污染。之后，虽以铈金属代替铬金属作为活性组分[52],生成的Ce3+可由电解氧化再生为Ce4+,进而解决含铬废液问题，-MNQ平均收率达68%;但由于MN不溶于水，致使两相间反响速度缓慢，而且铈盐价格较昂贵，溶剂消耗量较大。除此之外，副产物6-MNQ也没有能加以回收利用。2.1.4微波辐射法微波辐射可使部分化学分子通过吸收微波提供的能量以提升反响温度，加快反响速率，其加热效果优于普通热源加热。利用这一特点，人们将这一技术用于有机物催化加氢、烷基化等反响并获得不错反响结果。王龙龙等[53]采用这一技术研究稀H2O2对-MN的氧化效果。结果表示清楚，反响体系仅通过2min微波辐射就有-MNQ生成，产率最高可达61%,反响条件温和、反响速率高、操作简单，符合绿色合成要求。但该方式方法暂时还停留在基础研究阶段，需做深切进入研究。2.2以其他化合物为原料合成-MNQ==以-MN为原料生产-MNQ往往伴随有多种副产物生成，如6-MNQ及甲基氧化产物等，这导致目的产物收率偏低。因而，为获得更高层次生产效能，一些研究者转而选取-MN以外的其他化合物作为原料并开发相应的催化氧化合成体系；这华而不实，甲萘酚〔MNL或2MN-OH〕因其具有对目的产物高选择性及极少副产物的优势而获得较多关注。Gaudemer等[54]曾以有机钴为催化剂，氧气为氧化剂，由MNL成功合成出-MNQ且收率高达100%.Matveev等[30]则采用磷钼钒杂多酸或杂多酸盐作为可逆性氧化剂，目的产物收率同样很高，到达85%~90%.但因所使用催化剂皆含重金属原子，不符合绿色催化要求。为减少对环境的毁坏，同时也提高催化剂的可重复使用性，研究者们分别选用金属杂原子分子筛或通过固载化方式方法获得负载活性组分的材料作为催化剂，如Ti-MMM-2[55]、Ti-SBA-15、Ti-MCM-41[56]以及四磺酸基铁酞菁〔FePcS〕固载化制得的FePcS-SiO2、负载金组分的碳纳米管或聚苯乙烯[57~60]等，用于对-MNL的催化氧化研究。结果表示清楚，这些催化材料均可获得较高的目的产物收率，十分是以金属杂原子分子筛为催化剂情况下，-MNQ收率甚至高达90%以上，工业应用潜力宏大。除此之外，人们同时也开发出其他原料合成-MNQ的方式方法。例如，Gaertner等[61]采用乙酰丁二烯与2-甲基苯醌进行加成反响，通过脱乙酰基方式方法成功合成出-MNQ.Kim等[62]在乙腈/甲醇中采用有机钴络合物CH3CoB〔B为吡啶等〕对1,4-萘醌进行烷基化反响，获得产品-MNQ的收率最高达43%.Torii等[63]在酸催化作用下以丁二烯与2-甲苯醌为原料先合成出2-甲基-5,8-二氢-1,4-萘二酚中间体，后通过电化学方式方法在MeCN-t-BuOH〔9/1〕-LiClO4-Pt体系中再进一步反响得到-MNQ,产品收率高达90%以上。Joo等[64]在其专利中提到同样以2-甲苯醌和丁二烯为原料，通过Diels-Alder反响，产品-MNQ收率高达100%.周国权等[65]采用加压氧气对间甲酚进行催化氧化，先合成得到2-MNQ,后在加压和有二甲基亚砜存在条件下再与1,3-丁二烯进行Diels-Alder加成反响通过直接氧化脱氢生成产物-MNQ,产品收率为75%,但反响工艺经过过于复杂繁琐。选取除-MN以外化合物作为原料，在氧化合成-MNQ反响中均具有很高目的产物收率，为高效生产-MNQ提供新选择，但部分合成方式方法的工艺经过过于冗杂。3结束语固然采用除-MN以外的化合物为原料进行-MNQ合成生产