吳翠敏，白金泉，侯巍巍

(北京工業(yè)大學(xué) 環(huán)境與能源工程學(xué)院 化學(xué)化工系，北京 100124)

喹啉-2-羧酸，作為喹啉衍生物［1］中的一種，是非常重要的有機(jī)合成中間體，它可以合成喹啉-2-甲腈［2-3］、喹啉-2-羧酸甲酯［4-5］等有機(jī)中間原料，還可以應(yīng)用于醫(yī)藥領(lǐng)域，合成保護(hù)腎上腺嗜鉻細(xì)胞瘤損傷的喹啉-多胺衍生物［6］，同時(shí)它也是合成具有殺菌殺蟲作用的有機(jī)錫羧酸酯化合物的重要原料［7］，工業(yè)上對(duì)于喹啉-2-羧酸的需求越來越大，并且其合成方法受到廣泛的關(guān)注。近年來，喹啉-2-羧酸的合成方法主要有化學(xué)合成法［8-9］和化學(xué)氧化法［10-11］，化學(xué)合成法存在反應(yīng)步驟繁瑣制約著產(chǎn)物的收率，并且反應(yīng)條件較為苛刻，而化學(xué)氧化法會(huì)造成環(huán)境污染、腐蝕反應(yīng)設(shè)備等缺點(diǎn)，因此，研究出一種溫和條件下，污染少且綠色高效的合成方法是很有必要且意義重大的。

然而目前，仿生催化在化學(xué)工業(yè)中有著越來越重要的地位。金屬卟啉作為細(xì)胞色素P-450 的模型催化劑，由于它很高的催化活性和環(huán)境友好性，在仿生催化領(lǐng)域備受關(guān)注［12-14］，成為了研究的重點(diǎn)。尤其，由于它在溫和、綠色的條件下可以活化分子氧，廣泛地應(yīng)用于各類氧化反應(yīng)中［15-18］。因此，以金屬卟啉類化合物作為催化劑的仿生催化技術(shù)，在催化氧化領(lǐng)域受到了廣泛的關(guān)注。然而，大多數(shù)研究者都致力于研究金屬卟啉仿生催化氧化烷烴［15］、芳香烴［19］的反應(yīng)，很少有人研究雜環(huán)化合物的催化氧化反應(yīng)，因此本課題組決定進(jìn)行一系列的雜環(huán)化合物的仿生催化氧化實(shí)驗(yàn)［20-22］。

本文以不同種類的金屬卟啉作為催化劑仿生催化氧化2-甲基喹啉，選擇出較高催化活性和選擇性的催化劑，并且對(duì)反應(yīng)條件進(jìn)行優(yōu)化，合成較高收率和選擇性的有機(jī)中間體喹啉-2-羧酸。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

金屬卟啉、卟啉類催化劑(≥99.8%)均為實(shí)驗(yàn)室合成;2-甲基喹啉、喹啉-2-甲酸、無水甲醇、無水乙醇、氫氧化鈉、氧氣(99. 9%)、鹽酸、乙腈均為分析純。

DF-101S 集熱式恒溫加熱磁力攪拌器;202 型電熱恒溫干燥箱;UV1900 系列紫外光譜儀;200 mL不銹鋼高壓釜;SHZ-D 水循環(huán)式真空泵;Aglient 1200 高效液相色譜儀;JA2003 型電子天平。

1.2 分析條件

使用高效液相色譜分析產(chǎn)物，HPLC 分析條件為:柱溫為25 ℃，色譜柱為XDB-C18(4. 6 mm ×250 mm×5 μm)，流動(dòng)相比例為V(甲醇)∶V(水)=80 ∶20，流 速 為0. 8 mL/min，紫 外 檢 測(cè) 波 長(zhǎng) 為234 nm。

1.3 金屬卟啉仿生催化氧化2-甲基喹啉

向200 mL 的高壓釜內(nèi)加入溶劑乙醇或者乙醇/水，不同濃度的2-甲基喹啉、氫氧化鈉和不同種類的金屬卟啉，在40 ～140 ℃、0.5 ～2.0 MPa 的氧氣壓力下磁力攪拌2 ～12 h，反應(yīng)完成后獲得的反應(yīng)液，進(jìn)行鹽酸中和，加入流動(dòng)相配樣，進(jìn)而注入液相色譜進(jìn)行分析，最后計(jì)算出2-甲基喹啉的轉(zhuǎn)化率和喹啉-2-甲酸的收率和選擇性。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同種類金屬卟啉對(duì)反應(yīng)的影響

反應(yīng)溫度120 ℃，反應(yīng)時(shí)間8 h，氧氣壓力1.5 MPa，2-甲基喹啉的濃度0.125 mol/L，催化劑的濃度4.0 ×10－5mol/L，NaOH 的濃度1.6 mol/L，乙醇30 mL 條件下，不同種類的金屬卟啉對(duì)2-甲基喹啉氧化為喹啉-2-羧酸反應(yīng)的影響結(jié)果見表1。

由表1 可知，所使用的催化劑都具有良好的活性，且目標(biāo)產(chǎn)物的選擇性和收率都比空白實(shí)驗(yàn)時(shí)要高很多，說明催化劑有著很好的催化性能。結(jié)果表明，當(dāng)取代基相同時(shí)，鈷卟啉的催化活性高于鐵卟啉和錳卟啉，這說明不同的中心金屬離子對(duì)催化劑的性能有影響。當(dāng)取代基和中心金屬離子都相同時(shí)，軸向帶氯結(jié)構(gòu)的金屬卟啉催化活性高于其它。這可能是由于軸向帶氯結(jié)構(gòu)可以提高催化劑的穩(wěn)定性，而且，這個(gè)催化氧化反應(yīng)是發(fā)生在均相體系中，催化劑的穩(wěn)定性對(duì)催化劑的活性有很大的影響。當(dāng)取代基不同時(shí)，帶—OCH3的催化劑活性高于—NO2，—Cl和—CH3基團(tuán)。綜上所述，T(p-OCH3)PPCoCl的催化活性和選擇性都較高，并且它催化氧化2-甲基喹啉反應(yīng)合成的喹啉-2-羧酸的收率最高。因此，選擇T(p-OCH3)PPCoCl 作為此氧化反應(yīng)的催化劑。

表1 不同種類催化劑對(duì)反應(yīng)的影響Table 1 Effect of different catalysts on the reaction

2.2 反應(yīng)溫度對(duì)反應(yīng)的影響

在催化劑T(p-OCH3)PPCoCl 4 ×10－5mol/L，反應(yīng)時(shí)間8 h，氧氣壓力1.5 MPa，2-甲基喹啉的濃度0. 125 mol/L，NaOH 的濃 度1. 6 mol/L，乙 醇30 mL 的反應(yīng)條件下，在40 ～140 ℃的范圍內(nèi)，不同反應(yīng)溫度對(duì)催化氧化2-甲基喹啉反應(yīng)的影響，結(jié)果見圖1。

圖1 反應(yīng)溫度對(duì)反應(yīng)的影響Fig.1 Effect of reaction temperature on the reaction

由圖1 可知，隨著溫度的不斷升高，2-甲基喹啉的轉(zhuǎn)化率呈現(xiàn)先緩慢升高，然后下降到最低值，而后又升高的趨勢(shì)，而喹啉-2-羧酸的收率和選擇性隨著溫度的升高也不斷升高，在120 ℃時(shí)，達(dá)到了最大值，超過120 ℃后，開始下降。上述現(xiàn)象表明，反應(yīng)溫度低時(shí)，不利于生成酸，但反應(yīng)溫度太高，則發(fā)生副反應(yīng)的幾率大大增加，同時(shí)會(huì)產(chǎn)生很多副產(chǎn)物，不利于生成喹啉-2-羧酸。綜上所述，反應(yīng)溫度為120 ℃為最佳的反應(yīng)條件。

2.3 反應(yīng)時(shí)間對(duì)反應(yīng)的影響

反應(yīng)時(shí)間影響著反應(yīng)進(jìn)行的程度，直接影響目標(biāo)產(chǎn)物的收率，所以控制反應(yīng)時(shí)間是至關(guān)重要的。催化劑T(p-OCH3)PPCoCl 4 ×10－5mol/L，反應(yīng)溫度120 ℃，氧氣壓力1. 5 MPa，2-甲基喹啉的濃度0.125 mol/L，NaOH 的濃度1.6 mol/L，乙醇30 mL的反應(yīng)條件下，考察了反應(yīng)時(shí)間在2 ～12 h范圍內(nèi)變化，對(duì)2-甲基喹啉的轉(zhuǎn)化率，喹啉-2-羧酸的收率和選擇性的影響結(jié)果見圖2。

圖2 反應(yīng)時(shí)間對(duì)反應(yīng)的影響Fig.2 Effect of reaction time on the reaction

由圖2 可知，隨著反應(yīng)時(shí)間的不斷增加，2-甲基喹啉的轉(zhuǎn)化率先是緩慢增加，又降低到最小，然后慢慢增大，而喹啉-2-羧酸的收率和選擇性隨著反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)，逐漸增加到最大值，然后開始下降，在反應(yīng)時(shí)間為8 h 時(shí)，喹啉-2 羧酸的收率和選擇性達(dá)到最大值。上述現(xiàn)象說明，反應(yīng)時(shí)間較短時(shí)，反應(yīng)環(huán)境不穩(wěn)定，不利于生成酸，可能生成了醛等副產(chǎn)物。而反應(yīng)時(shí)間過長(zhǎng)，會(huì)導(dǎo)致催化效果降低。因此，最適宜的反應(yīng)時(shí)間應(yīng)選擇為8 h。

2.4 反應(yīng)壓力對(duì)反應(yīng)的影響

在催化劑T(p-OCH3)PPCoCl 4 ×10－5mol/L，反應(yīng)溫度120 ℃，反應(yīng)時(shí)間8 h，2-甲基喹啉的濃度0.125 mol/L，NaOH 的濃度1.6 mol/L，乙醇30 mL的反應(yīng)條件下，不同的氧氣壓力對(duì)催化氧化2-甲基喹啉反應(yīng)的影響，結(jié)果見圖3。

由圖3 可知，2-甲基喹啉的轉(zhuǎn)化率隨著氧氣壓力的增加先增大，再減小，又增大。而喹啉-2-羧酸的收率和選擇性隨著反應(yīng)壓力的增加而逐漸增大，在1.5 MPa 時(shí)達(dá)到最大值。超過1.5 MPa，則開始呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)。結(jié)果表明，壓力太小，氧氣不能夠充分促進(jìn)反應(yīng)的進(jìn)行，并且考慮到實(shí)際的實(shí)驗(yàn)操作和安全以及工業(yè)化應(yīng)用，氧氣壓力不宜過高，因此，對(duì)于此催化氧化反應(yīng)，1.5 MPa 為最優(yōu)的反應(yīng)條件。

圖3 反應(yīng)壓力對(duì)反應(yīng)的影響Fig.3 Effect of reaction pressure on the reaction

2.5 NaOH 濃度對(duì)反應(yīng)的影響

在上述優(yōu)化的反應(yīng)時(shí)間、反應(yīng)溫度和氧氣壓力下，T(p-OCH3)PPCoCl 作為催化劑，考察了NaOH濃度在0 ～2.0 mol/L 范圍內(nèi)變化對(duì)反應(yīng)的影響，結(jié)果見圖4。

圖4 堿濃度對(duì)反應(yīng)的影響Fig.4 Effect of concentration of NaOH on the reaction

由圖4 可知，當(dāng)反應(yīng)體系中不加堿時(shí)，幾乎沒有喹啉-2-羧酸生成，說明堿的存在對(duì)于此反應(yīng)非常重要。而隨著堿的濃度的升高，喹啉-2-羧酸的收率和選擇性也越來越大，在濃度達(dá)到1.6 mol/L 時(shí)，它們都達(dá)到最大值。但是，當(dāng)加大堿的濃度到2.0 mol/L時(shí)，目標(biāo)產(chǎn)物的選擇性急劇下降，收率也開始緩慢下降。所以，最適宜的堿的濃度為1.6 mol/L。通過文獻(xiàn)調(diào)研，當(dāng)強(qiáng)堿存在時(shí)，甲基易失去質(zhì)子氫，在卟啉的催化下進(jìn)行氧化反應(yīng)，金屬卟啉和堿是相互協(xié)同的作用，堿是作為助催化劑催化反應(yīng)進(jìn)行的。

2.6 溶劑對(duì)反應(yīng)的影響

以T(p-OCH3)PPCoCl 為催化劑，催化劑的濃度4.0 ×10－5mol/L，在反應(yīng)溫度120 ℃，反應(yīng)時(shí)間8 h，氧氣壓力為1.5 MPa，NaOH 的濃度1.6 mol/L，2-甲基喹啉的濃度0.125 mol/L 的反應(yīng)條件下，考察了不同的溶劑對(duì)反應(yīng)的影響，結(jié)果見表2。

由表2 可知，3 種溶劑乙醇、乙腈和甲醇中，當(dāng)乙醇作為溶劑時(shí)，喹啉-2-羧酸的收率和選擇性明顯高于其它兩種溶劑很多。所以選擇乙醇作為此催化反應(yīng)體系的溶劑。而后，又進(jìn)行了乙醇與水以一定比例混合(總體積不變，30 mL)作為溶劑來催化這個(gè)反應(yīng)。因?yàn)椋谟袡C(jī)反應(yīng)體系中，如果水作為溶劑，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)又很理想，將是突破性的進(jìn)展。結(jié)果表明，乙醇與水的混合溶液作為溶劑，目標(biāo)產(chǎn)物的收率和選擇性并不高;而且，由表2 中可以看出，無論乙醇與水以何比例混合，產(chǎn)物的收率和選擇性都是堿存在的反應(yīng)體系高于無堿體系，這表明堿作為助催化劑存在反應(yīng)體系中，作用很大。同時(shí)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，T(p-OCH3)PPCoCl 是非水溶性催化劑。

表2 不同溶劑對(duì)反應(yīng)的影響Table 2 Effect of different solvents on the reaction

3 反應(yīng)機(jī)理

根據(jù)金屬卟啉以及堿濃度對(duì)反應(yīng)的影響，我們推測(cè)2-甲基喹啉催化氧化為喹啉-2-甲酸的反應(yīng)機(jī)理為經(jīng)典的自由基反應(yīng)。本實(shí)驗(yàn)所使用的鈷卟啉，與氧氣分子作用，生成高價(jià)鈷氧中間體PCoⅣO，它具有很好的催化活性來催化2-甲基喹啉為喹啉-2-甲酸，反應(yīng)機(jī)理如下:

首先2-甲基喹啉(a)在強(qiáng)堿溶液中，2 位取代的甲基脫去一個(gè)質(zhì)子，形成喹啉-2-甲基碳負(fù)離子(b)，(b)在高價(jià)鈷氧中間體PCoⅣO 的催化作用下，生成了喹啉-2-甲基自由基(c)，(c)會(huì)進(jìn)一步和O2作用形成喹啉-2-甲基過氧自由基(d)，(d)脫去一分子水生成喹啉-2-?；杂苫?e)，(e)在氧氣的作用下形成了喹啉-2-酰基過氧自由基(f)，(f)再和原料2-甲基喹啉(a)作用生成目標(biāo)產(chǎn)物喹啉-2-甲酸(g)和喹啉-2-?；杂苫?e)，從鏈引發(fā)到鏈終止(a)～(g)完成了整個(gè)自由基反應(yīng)歷程。

4 結(jié)論

本文研究了一種金屬卟啉作為催化劑仿生催化氧氣氧化2-甲基喹啉合成喹啉-2-甲酸的新方法。通過對(duì)影響反應(yīng)因素的考察，篩選出了最優(yōu)的催化劑和反應(yīng)條件。在不同種類的催化劑中，T(p-OCH3)PPCoCl 表現(xiàn)出較高的催化活性和選擇性。在最優(yōu)的反應(yīng)條件下:反應(yīng)溫度120 ℃，氧氣壓力1.5 MPa，反應(yīng)時(shí)間8 h，4 × 10－5mol/L 的T(p-OCH3)PPCoCl，NaOH 濃度1.6 mol/L，乙醇作為溶劑，2-甲基喹啉的轉(zhuǎn)化率達(dá)到了40.75%，喹啉-2-羧酸的選擇性和收率分別達(dá)到了24.59%和10.02%。并且推測(cè)出了該反應(yīng)的機(jī)理。本文提出的方法，符合工業(yè)要求的綠色環(huán)保，可持續(xù)發(fā)展，并且金屬卟啉催化劑，有近似酶的高活性和高選擇性，不會(huì)產(chǎn)生環(huán)境污染。因此，金屬卟啉仿生催化氧氣氧化2-甲基喹啉綠色合成喹啉-2-甲酸的方法，工業(yè)應(yīng)用前景十分廣闊。

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