石星星，顧承志，馬曉偉，代斌

（石河子大學化學化工學院/新疆兵團化工綠色過程重點實驗室，新疆 石河子 832003）

直接氧化芳烴成醌是非常重要的化學轉換，因為醌類衍生物作為重要的有機中間體或產品廣泛應用于精細化學、食品化學以及農藥、醫(yī)藥工業(yè)。目前傳統(tǒng)的氧化工藝基本上都要使用化學計量的重金屬鹽、硝酸、硫酸等氧化劑或者貴金屬催化的高溫高壓下的空氣氧化法[1]。

由于采用的氧化工藝本身原子經濟性差，反應條件苛刻，催化劑重金屬流失嚴重，反應選擇性差，并且氧化深度難以控制，從而造成生產成本高、能耗高、設備腐蝕嚴重，并且?guī)韲乐氐沫h(huán)境污染問題。例如，從2-甲基萘氧化得到的2-甲基-1，4-萘醌即vitamin K3，作為凝血劑常用于動物飼料添加劑，其氧化工藝路線就是在濃硫酸介質用三氧化鉻做氧化劑，2-甲基-1，4-萘醌的收率為35%-60%，但是每生產1 kg 2-甲基-1，4-萘醌產物，就伴隨18 kg含高濃度鉻廢水排放[2]?？紤]到環(huán)境壓力和經濟效應，在過去幾十年中相當多的研究者關注于發(fā)展催化氧化體系，Adam等[3]首次以甲基三氧化錸（MTO）為催化劑，雙氧水為終端氧化劑實現2-甲基萘的氧化，2-甲基-1，4-萘醌得產率可達40%，Chi等[4]以釕卟啉[RuⅣ(2，6-Cl2tppCl2)]為催化劑，2，6- 二氯氮氧吡啶（2，6-Cl2pyNO）為終端氧化劑，2-甲基萘的轉化率達到80%，相應的得到46%的2-甲基-1，4-萘醌和 10%的 6-甲基 -1，4-萘醌，Beller[5-6]設計非血紅素釕復合體+雙氧水的催化體系，2-甲基-1，4-萘醌的分離產率可達64%，此外非金屬催化氧化版本也有報道，Thiel等[7]組合濃硫酸和雙氧水在冰乙酸中實現了2-甲基萘的氧化，2-甲基-1，4-萘醌的產率達到80%。

上述催化體系中仍存在環(huán)境不兼容的問題，如貴金屬錸和釕的生物兼容性，高濃度雙氧水的安全性等，基于此，本研究在前期仿生氧化的工作基礎上[8]，以過硫酸氫鉀（oxone）為終端氧化劑（過硫酸氫鉀為固體，相對于雙氧水認為是更安全的氧化劑，并且其還原產物硫酸氫鉀可以直接排放），生物兼容的鐵卟啉為催化劑，室溫下2-甲基萘仿生氧化生成 2-甲基 -1，4-萘醌和 6-甲基 -1，4-萘醌的反應如圖1所示。

圖1 2-甲基萘的選擇性氧化Fig.1 The selective oxidation of 2-methylnaphthalene

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

儀器：IKA加熱磁力攪拌器，IKA 機械攪拌器，Agilent7890A-5975C氣質聯用儀，Bruker AvanceⅢ400 HD核磁共振儀，Thermo Scientific LTQ Orbitrap XL高分辨質譜儀，Bruker X-射線單晶衍射儀。

試劑：五氟苯甲醛，吡咯，2-甲基萘，四丁基碘化銨，三氟化硼乙醚溶液，二氯甲烷，均為分析純。

1.2 實驗步驟

1.2.1 位阻卟啉合成

位阻卟啉合成如圖2所示，主要過程如下：真空線上連接充分干燥配有回流冷凝管的1 L三頸圓底燒瓶，磁力攪拌，抽真空，充氮氣重復操作3次以上，在氮氣氛圍下快速加入位阻苯甲醛（1.5 mL，10 mmol）和新蒸的吡咯（0.75 mL，10 mmol）如圖 2 所示，加大氮氣量，快速加入500 mL無水處理過的二氯甲烷（CaH2回流處理），此時氮氣充分吹掃5 min后，用注射器向上述溶液滴加三氟化硼乙醚溶液（新蒸，3.3 mmol，0.42 mL）調節(jié)氮氣流速，稍有正壓即可。避光常溫攪拌4 h后迅速加入二氯二氰基苯醌（DDQ）1.0 g，繼續(xù)常溫攪拌 1 h，再用注射器加入三乙胺（CaH2處理）1 mL終止反應。繼續(xù)攪拌30 min，反應液用旋轉蒸發(fā)儀濃縮干，粗產品用硅膠拌樣進行柱層析分離，收集紫色組分，旋干，所得物質進一步用二氯甲烷和甲醇重結晶，最終獲得具有金屬光澤紫色產品，稱重。產率15%-40%。

圖2 位阻卟啉合成Fig.2The synthesis of sterically hindered porphyrin

1.2.2 位阻金屬卟啉合成[9]

位阻金屬卟啉合成如圖3所示，主要過程如下：稱取 0.5 mmol卟啉和 2.5 mmol金屬鹽類（MnCl2，FeCl2）于250 mL三頸燒瓶中，上方連接回流冷凝管并連接干燥管，加入100 mL DMF（N，N-二甲基甲酰胺）加熱回流6-12 h，點板監(jiān)測反應如圖3所示。待原料點消失，停止加熱，減壓蒸餾蒸出DMF，冷卻至室溫加入稀釋過的鹽酸50 mL和二氯甲烷50 mL磁力攪拌1 h。用30 mL二氯甲烷反復萃取三次，合并有機相，用無水硫酸鈉干燥。將有機相濃縮蒸干，加少量DCM溶解并加入少量硅膠拌樣，進行柱層析分離，收集組分，旋干，所得棕黑色物質為相應金屬卟啉。產率90%。

圖3 位阻金屬卟啉合成Fig.3 The synthesis of sterically hindered metalloporphyrin

1.2.3 2-甲基萘的氧化

稱取 2-甲基萘 1.0 mmol（142 mg） 為原料，3 mmol Oxone （1.842 g） 作 為 氧 化 劑 ，0.25 mmol%TPPF20-FeCl（2.7 mg）為催化劑，0.1 mmol Bu4NI（36.9 mg）為相轉移催化劑，于反應管中，加入10 mL MeCN，20℃攪拌12 h。終止反應，將反應液用小硅膠柱預處理，再用MeCN反復清洗3次。收集有機相，旋轉蒸發(fā)儀上旋干濃縮，硅膠拌樣，柱層析分離，洗脫劑PE∶EA=50∶1（V∶V）。收集相應色帶，最終得到黃色固體2-甲基-1，4-萘醌和6-甲基-1，4-萘醌，稱重。

2 結果與討論

2.1 位阻卟啉的合成

嚴格按照經典的Lindesy位阻卟啉合成標準條件操作，都得到相應的位阻卟啉。下面以5，10，15，20-四（2，3，4，5，6- 五氟苯基）卟啉（TPPF20）的合成為例詳細介紹其結構表征。

TPPF20的4個中位苯環(huán)上全部氟化，導致該卟啉分子結構對稱性好，因此氫譜（圖4a）上只出現8個低場β-H信號與2個高場N-H信號；其碳譜（圖4b）顯示，由于多氟而造成碳多重裂分復雜；由于中位上苯環(huán)上全部氟化，應出現3個氟信號，其氟譜（圖4c）顯示；TPPF20的結構最終經單晶表征確認如圖4d所示。

圖4 TPPF20的 1H NMR(a)、13C(b)、19F NMR(c)和單晶結構(d)譜圖Fig.4 The1H NMR spectrum(a)，13CNMR spectrum(b)，19F NMR(c)and crystal structure(d)of TPPF20

2.2 位阻金屬卟啉的合成

位阻金屬卟啉由于中心金屬Fe或Mn具有順磁性，因此無法用核磁表征，結構只能用X單晶衍射表征，同時，由于相應反應為經典反應，且化合物都是文獻報道的，本研究僅測試了相應金屬卟啉的XPS，通過結合能與標準數據比較以說明相應中心金屬的存在及相應的氧化價態(tài)，以氯化5，10，15，20-四（2，4，6- 三甲基苯基）鐵卟啉（TMP-FeCl）和氯化5，10，15，20-四（2，4，6-三甲基苯基）錳啉（TMP-MnCl）的XPS結果給予說明，如圖5a中711.85 ev為Fe3+2p 2/3軌道結合能，398.75 ev為N 1s軌道結合能，284.6 ev為C 1s軌道結合能，198.5 ev為Cl 2p 2/3軌道結合能。錳卟啉的XPS結果如圖5b所示。

圖5 TMP-FeCl（a）、TMP-MnCl（b）的XPS表征Fig.5 The XPS of TMP-FeCl(a)and TMP-MnCl(b)

2.3 金屬卟啉篩選及反應條件優(yōu)化

以1 mmol 2-甲基萘為底物，分別對該反應的催化劑、催化劑量、溶劑、相轉移催化劑、相轉移催化劑的量（PTC）、反應溫度以及時間進行了優(yōu)化，結果如表1所示。由表1可知：

（1）金屬卟啉的種類對萘氧化的轉化率和選擇性有著較大影響。若沒有催化劑參與，則2-甲基萘不發(fā)生反應，轉化率產率為0。

（2）金屬卟啉取代基，中心金屬離子的不同，影響著萘氧化的結果，吸電子基要優(yōu)于給電子基，而中心金屬離子鐵要優(yōu)于中心金屬離子錳，其中5，10，15，20-四（2，3，4，5，6- 五氟苯基）鐵卟啉（TPPF20FeCl）效果最佳。

（3）PTC的有無、種類、負載量都會對2-甲基萘氧化的結果產生影響，經過篩選0.1 mmol的四丁基碘化銨（Bu4NI）為最佳。

（4）溶劑、反應溫度、反應時間都會對實驗結果有較大影響。

（5）金屬卟啉催化氧化萘生成 2-甲基 -1，4-萘醌（同環(huán)氧化產物）和 6-甲基 -1，4-萘醌（異環(huán)氧化產物）的最佳反應條件如下：0.25 mmol%TPPF20FeCl、0.1 mmol Bu4NI、3 mmol Oxone、10 mL MeCN 常溫攪拌 12 h，2-甲基 -1，4-萘醌分離產率為18%，6-甲基-1，4-萘醌分離產率為52%，總產率為80%。

（6）相應異構體的比例接近1∶3，而當氧化劑換成過硫酸四丁基銨鹽時，產率提高到88%。

（7）該氧化劑為Oxone與PTC的復合鹽，實驗再次證明了PTC對該金屬卟啉催化氧化萘反應的必要性。由于Oxone四丁基銨鹽復合鹽價格昂貴，沒有選擇作為該反應的氧化劑。

表1 金屬卟啉篩選及反應條件優(yōu)化Tab.1 The screening of metallporphyrin and the optimization of reaction condition

注：a 為反應條件:2- 甲基萘 (1.0 mmol)，Bu4BI(0.1 mmol)，Oxone(3.0 mmol)，Catalyst(0.25 mmol%)MeCN(10 mL)，40 ℃，12 h；b為基于 2+3分離產率；g為 Bu4NI 5 mmol%；c TPPF20FeCl 0.1 mmol%；h Bu4NI 20 mmol%；d TPPF20FeCl 0.25 mmol%；I為反應時間 6 h；e為TPPF20FeCl 1 mmol%；J為反應時間9 h；f為Bu4NI 1 mmol%；K為反應時間 24 h；l為氧化劑為 Oxone四丁基銨鹽，無PTC。

2.4 產品分析及結構表征

2.4.1 2-甲基-1，4-萘醌

2-甲基-1，4-萘醌，收率為18%，黃色固體，熔點：105-107 ℃。1H-NMR (400 MHz，CDCl3)δ 8.11-8.05(m，2H)，7.74-7.71(m，2H)，6.84(q，J=1.4 Hz，1H)，2.20(d，J=1.2 Hz，3H)。13C-NMR(101 MHz，CDCl3)δ 185.6，185.0，148.2，135.7，133.7，133.6，132.3，132.2，126.5，126.1，16.5.2-甲基 -1，4-萘醌的結構進一步經二維核磁確證，其HSQC和HMBC如圖6所示。

圖6 2-甲基 -1，4-萘醌的 HSQC譜圖（a）、2-甲基 -1，4-萘醌的 HMBC（b）譜圖Fig.6 The HSQC(a)and HMBC(b)of 2-methyl-1,4-naphthoquinone

2.4.2 6-甲基-1，4-萘醌

6-甲基-1，4-萘醌，收率為52%，黃色固體，熔點：90-91 ℃。1H-NMR(400 MHz，CDCl3)δ7.98(d，J=8.0 Hz，1H)，7.88(d，J=0.8 Hz，1H)，7.55(d，J=8.0 Hz，J=0.8 Hz，1H)，6.94(s，2H)，2.50(s，3H)；13C-NMR(101 MHz，CDCl3) δ 185.4，185.0，138.7，138.5，134.6，131.8，129.7，126.8，126.6，21.9。

3 結論

氯化 5，10，15，20-四（五氟苯基）鐵卟啉組合四丁基碘化銨和過硫酸氫鉀室溫下能夠有效地實現2-甲基萘的仿生氧化，生成2-甲基-1，4-萘醌和6-甲基-1，4-萘醌，總產率達到80%，并且其區(qū)域選擇性為1∶3。這與文獻報道的結果相反，推測位阻效應起主要因素，該催化體系反應條件溫和環(huán)境友好，有望應用于工業(yè)生產。

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