張婉瑩，石曉紅，于微微，孫志忠

（1.黑龍江大學(xué) 化學(xué)化工與材料學(xué)院，哈爾濱 150080；2.黑龍江省普通高等學(xué)校高效轉(zhuǎn)化的化工過程與技術(shù)重點實驗室，哈爾濱 150080）

0 引言

百里醌（thymoquinone）是中東國家的黑種草籽油中分離產(chǎn)物之一，其化學(xué)名稱是2－異丙基－5－甲基－1，4－苯并醌。近年來研究發(fā)現(xiàn)百里醌具有潛在的防癌和抑癌效應(yīng)，可抑制多種惡性腫瘤細胞生長和轉(zhuǎn)移［1－2］，并誘導(dǎo)細胞凋亡。合成百里醌的傳統(tǒng)工藝是以百里酚為起始原料通過硝化、催化氫化、重氮化等多步反應(yīng)［3］，該合成方法路線比較長，多步反應(yīng)總收率較低，污染較大。近年來采用不同氧化劑和催化劑對百里酚直接進行催化氧化合成百里醌引起了人們廣泛關(guān)注。常用的氧化劑有分子氧、過氧化氫和二氧化鉛等［4－6］，常見的催化劑包括鈷（Ⅱ）鹽、甲基三氧化錸、錳（Ⅲ）／卟啉配合物和金屬取代Keggin型雜多酸等［7－13］。Salen Co（Ⅱ）配合物具有結(jié)合氧的能力強、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、合成簡便等優(yōu)點，廣泛用于催化氧化反應(yīng)［14］和不對稱手性合成［15］。雙乙二胺水楊醛席夫堿合鈷是比較易于制備的Salen Co（Ⅱ）配合物，本文選擇以該配合物為催化劑，氧氣為氧化劑，百里酚為原料在DMF溶液中30℃催化氧化反應(yīng)制備百里醌。

1 實驗部分

1.1 Salen Co（Ⅱ）配合物的合成

按照文獻［16］方法通過乙二胺與水楊醛在甲醇中的縮合反應(yīng)制備席夫堿Salen（N，N′－雙（水楊醛乙二胺）），再與（CH3COO）2Co·4H2O 反應(yīng)制備Salen Co（II）配合物。其分子式為：C16H14O2N2Co，分子量為：325.25g／mol，結(jié)構(gòu)式如下：

1.2 百里醌的合成

向帶有溫度計、攪拌磁子的100mL 圓底燒瓶中加入3.00g（0.02 mol）百里酚，0.65g（2.0 mmol）Salen Co（Ⅱ）催化劑和30mL N，N－二甲基甲酰胺（DMF），在氧氣氣氛中置于30℃水浴鍋中攪拌，密閉體系進行反應(yīng)，采用GC 監(jiān)測反應(yīng)，反應(yīng)完畢，加入60 mL 乙醚，用0.1 mol／L鹽酸溶液60 mL 萃取混合物，分離有機層，再依次用60mL水、120mL飽和氯化鈉溶液洗滌。分液后得到有機層，用無水Na2SO4干燥，過濾，脫溶劑，得到3.25g 亮黃色產(chǎn)品，收率為99.1%，熔點42～46℃［文獻［3］43～45℃］。

反應(yīng)方程式如下：

2 結(jié)果與討論

2.1 催化劑的表征

對Salen Co（II）配合物進行紅外表征見圖1。

圖1 催化劑的紅外譜圖Fig.1 IR spectra of catalysts

圖1中，配體1的特征吸收峰1 637cm－1是C＝N 雙鍵的特征吸收峰，相比配體1，配合物2的C＝N特征吸收峰是在1 627cm－1，紅移10cm－1，可以證明席夫堿與金屬發(fā)生了配位。

對Salen Co（II）配合物進行元素分析見表1。

表1 催化劑的元素分析Table 1 Elemental analysis of catalysts

由表1 可見，催化劑中各元素的實際含量與Salen Co（II）配合物中各元素的理論含量基本一致，因此可以確定這個化合物是理想的Salen Co（II）配合物。

2.2 催化氧化最佳條件的確定

2.2.1 催化劑的選擇

以0.02 mol百里酚為原料，氧氣為氧化劑，反應(yīng)溫度30℃，DMF 為溶劑，反應(yīng)時間9h，分別以2.00 mmol（CH3COO）2Co·4H2O、2.00 mmol（CH3COO）2Co·4H2O 與2.00mmol Salen的混合物、2.00 mmol Salen Co（Ⅱ）為催化劑，考察了催化劑對反應(yīng)的影響，結(jié)果見表2。

表2 催化劑對反應(yīng)的影響Table 2 Effect of catalysts to reaction

由表2可見，在30℃，催化體系中單獨使用醋酸鈷或者將其與雙水楊醛乙二胺席夫堿等摩爾混合，對百里酚的氧化反應(yīng)均無法順利進行，只有Salen Co（Ⅱ）的存在下，反應(yīng)才順利進行，并且表現(xiàn)出非常好的選擇性。

2.2.2 催化劑量對反應(yīng)的影響

以0.02mol百里酚為原料，在30℃條件下，DMF為溶劑，氧氣為氧化劑，反應(yīng)9h，考察了催化劑Salen Co（Ⅱ）的用量對反應(yīng)的影響，分別加入0.60、1.20、1.40、1.60、1.80、2.00、2.20、2.40、2.60、2.80、3.60mmol的Salen Co（II）進行反應(yīng)，以確定最佳的催化劑用量結(jié)果見圖2。

圖2 催化劑用量對反應(yīng)的影響Fig.2 Effect of the different amount of catalyst to reaction

由圖2可見，隨著催化劑用量的增加，轉(zhuǎn)化率明顯升高，當(dāng)催化劑用量達到反應(yīng)底物摩爾數(shù)10% 時，反應(yīng)收率最高，產(chǎn)量為3.25g，收率達到99.1%。當(dāng)繼續(xù)增加催化劑用量，反應(yīng)的收率反而下降。因此，該催化氧化反應(yīng)的最佳催化劑用量為10% 。

2.2.3 溶劑對反應(yīng)的影響

以0.02 mol百里酚為原料，在氧氣存在下，30℃，使用10%的Salen Co（Ⅱ）為催化劑，反應(yīng)9h，分別考察了乙酸、乙酸乙酯、丙酮、環(huán)己烷、甲苯、乙腈、二氯甲烷、氯仿和N，N－二甲基甲酰胺等溶劑對反應(yīng)的影響，結(jié)果見表3。

表3 溶劑對反應(yīng)的影響Table 3 Effect of the different solvents to reaction

由表3可見，反應(yīng)在多數(shù)溶劑中都可進行，但在乙酸、乙酸乙酯、丙酮等溶劑中，反應(yīng)的效果都不好，尤其是乙酸幾乎不發(fā)生反應(yīng)，其可能原因是有羰基的存在。環(huán)己烷、甲苯、二氯甲烷、氯仿、乙腈和N，N－二甲基甲酰胺的極性逐漸增大，實驗結(jié)果與溶劑極性順序大致相同，隨著溶劑的極性增大，反應(yīng)收率提高，其原因可能在于極性溶劑中催化劑溶解性好。其中效果最好的是氯仿和DMF，氯仿由于毒性較大，因此選擇對環(huán)境友好的DMF為反應(yīng)體系的溶劑。

2.2.4 溫度對反應(yīng)的影響

以0.02 mol百里酚為原料，采用氧氣為氧化劑，DMF為溶劑，使用10%的Salen Co（Ⅱ）為催化劑，反應(yīng)時間9h，考察了溫度對反應(yīng)的影響，結(jié)果見圖3。

圖3 溫度對反應(yīng)的影響Fig.3 Effect of temperature to reaction

由圖3可見，隨著反應(yīng)溫度的升高，收率不斷增加，當(dāng)達到30℃時反應(yīng)收率達到最高，產(chǎn)量為3.25g，收率達到99.1%，隨著反應(yīng)溫度繼續(xù)增加反應(yīng)收率有所下降，因此30℃為反應(yīng)體系的較佳溫度。

2.2.5 氧化劑對反應(yīng)的影響

以0.02mol百里酚為原料，采用DMF 為溶劑，使用10%的Salen Co（Ⅱ）為催化劑，反應(yīng)時間9h，在30℃的條件下，分別考察了空氣和氧氣作為氧化劑對反應(yīng)的影響，結(jié)果見圖4。

圖4 氧化劑對反應(yīng)的影響Fig.4 Effect of oxidants to reaction

由圖4可見，氧氣作為氧化劑時，反應(yīng)9h就可以順利完成，當(dāng)用空氣作為氧化劑，雖然仍可進行百里酚的定量氧化，但反應(yīng)速度較低，并且轉(zhuǎn)化率也低，不能反應(yīng)完全。因此，與空氣相比，氧氣作為氧化劑表現(xiàn)出良好的優(yōu)越性。

3 結(jié)論

百里酚經(jīng)催化氧化合成百里醌的最佳反應(yīng)條件為：10mol%Salen Co（Ⅱ）配合物為催化劑，DMF為溶劑，在氧氣存在下30℃反應(yīng)9h，收率可達99.1%。該工藝實現(xiàn)了高效、高選擇性氧化百里酚，具有催化劑易得，溶劑污染小，反應(yīng)選擇性好，產(chǎn)品收率高等特點，具有工業(yè)化應(yīng)用前景。

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