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四川大学硕士学位论文 喹啉和苄叉丙酮的加氢反应研究 有机化学专业 研究生陈骏指导老师陈华教授 摘要 喹啉及其衍生物在染料和药物合成中起着十分重要的作用，喹啉的部分 加氢产物1 ，2 ，3 ，4 - 四氢喹啉及完全加氢产物十氢喹啉也是重要的药物中间 体，广泛应用于制造农药、染料等。本文制备了负载型8 r u z r o 。纳米催化 剂，用于喹啉选择性加氢反应的研究。用h r t e m 和x p s 对还原后的r u z r o 。 催化剂进行了表征，表明钌处于高分散低价态，其平均粒径为1 0 衄。考察了 温度、压力、反应时间、溶剂等反应条件对喹啉加氢反应的转化率和选择性 的影响。在比文献报道的反应条件温和的情况下，实现了喹啉高选择性加氢 成十氢喹啉。在8 0o c 、4m p a 、2 5 h 、异丙醇为溶剂时，反应的主产物为部 分加氢产物1 ，2 ，3 ，4 - 四氢喹啉。升高反应温度和压力，延长反应时间，不 需要补加催化剂，喹啉可完全氢化为十氢喹啉，其转化率 9 9 5 ，选择性为 9 5 。并对喹啉的加氢机理进行了探索。 具有光学活性的烯丙基醇是合成许多生理活性药物的重要中间体，前手 性酮不对称加氢反应是制备具有光学活性仲醇的一种重要方法。本文合成了 一种非手性单膦、手性二胺与钌形成的配合物r u c l 2 p ( c 地) 。 r ( s ，s ) 一d p e n ， 以此为催化剂、异丙醇为溶剂，在k o h 存在下，考察了反应温度、氢气压力、 碱的浓度、底物和催化剂摩尔比等反应条件对苄叉丙酮加氢反应催化活性的 影响。在优化的反应条件下，苄叉丙酮加氢反应的转化率大于9 9 0 5 ，生成， b 一不饱和醇的选择性大于9 9 0 5 、对殃选择性达到了5 8 5e e 以上。 四j l l 大学硕士学位论文 关键词：负载型r u 催化剂：催化加氢：喹啉：1 ，2 ，3 ，4 - 四氢喹啉：十氢喹啉；钌配 合物；不对称加氢；a ，b 一不饱和酮 四川大学硕士学位论文 t h es t u d yo ft h ec a t a l y t i cb e h a v i o ro nh y d r o g e n a t i o no f q u i n o l i n ea n db e n z a l a c e t o n e m a j o r ：o r g a n i cc h e m i s t r y g r a d u a t es t u d e n t ：c h e r tj u na d v i s o r ：p r o f c h e nh u a t h e h y d r o g e n a t i o no f q u i n o l i n ea n di t sd e r i v a t i v e si so f h i g hi n d u s t r i a lr e l e v a n c e , w i t ha p p l i c a t i o n si nt h ep e t r o c h e m i c a l ，f i n ec h e m i c a la n d p h a r m a c e u t i c a li n d u s t r i e s t h e8 r u - z r 0 2 n a n o c o m p o s i t ec a t a l y s tw a sp r e p a r e db yc o p m c i p i t a t i o no f r u t h e n i u mt r i c h l o r i & a n dz i r c o n i u mo x y c h l o r i d ew i t ha m m o n i a , f o l l o w e db y h y d r o g e nr e d u d i o ni np r o p a n 0 1 b yu s eo f t r a n s m i s s i o ne l e c t r o nm i c r o s c o p y ( t e m ) ， a n dx - r a yp h o t o e l e c t r o ns p e c t r o s c o p y ( x p s ) ，t h ec a t a l y s tw a sc h a r a c t e r i z e d t h e z i r c o n i u md i o x i d es u p p o r u 姐r u t h e n i u mw a sr e d u c e dt ol o wv a l e n c ea n dt h ea v e r a g e p a r t i c a ld i a m e t e ro fr uc r y s t a l l i t e sw a sl on mt h eh y d r o g e n a t i o np a r a m e t e r s ：s u c h a st e m p e r a t u r e ，h y d r o g e np r e s s u r ea n dt h ec a t a l y s tc o n c e n t r a t i o no nt h er e a c t i v i t y w e i n v e s t i g a t e d u n d e rt h em i l dr e a c t i o nc o n d i t i o n s ：8 0o c ，4 0m p a ，2 5h ， p r o p a n o la st h es o l v e n t , t h em a i np r o d u c to b t a i n e dw a s t h ep a r t i a l l yh y d r o g e n a t e d l ，2 ，3 , 4 - t e t r a h y d r o q u i n o l i n e w h e nt h ep 佗s s u r ca n dt e m p e r a t u r er i s et o1 6 0o c ， 6 m p a , q u i n o l i n ec o u l db ef u n yh y d r o g e n a t e dt od e c a h y d r o q u i n o l i n ew i t h o u t 舶s h c a t a l y s t t h eh y d r o g e n a t i o nm e c h a n i s mo f q u i n o l i n ew a s d i s c u s s e d n ea s y m m e 订i ch y d r o g e n a t i o no f p r o c h i r a lk e t o n e si so n eo f t h em o s te f f i c i e n t m e t h o d so f p r o d u c i n ge n a n t i o m e r i c a l l ye n r i c h e ds e c o n d a r ya l c o h o l s t h er u t h e n i u m c o m p l e xr u c l 2 田( c 6 h 5 ) 3 2 - ( s ，s ) - d p e n ( d p e n = l ，2 - d i p h e n y l e t h y l e n e - d i a m i n e ) w a sa p p l i e dt ot h ea s y m m e t r i ch y d r o g e n a t i o no fb e n z a l a c e t o n e t h ee f f e c t so f “i 一 四川大学硕士学位论文 r e a c t i o nt e m p e r a t u r e ，h y d r o g e n p r e s s u r e ，a n dm o l a rr a t i oo f b a s et oc a t a l y s to nt h e a c t i v i t ya n de n a n t i o s e l e c t i v i t yw e r ei n v e s t i g a t e di na ni s o p r o p a n o ls o l u t i o no f k o h t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h ei n c r e a s ei nt h et e m p e r a t u r ea n dp r e s s u r ea c c e l e r a t e dt h e r e a c t i o nb u ts l i g h t l yd e c r e a s e dt h ee n a n t i o s e l e c t i v i t yf o ru n s a t u r a t e da l c o h 0 1 u n d e r t h eo p t i m u mr e a c t i o n c o n d i t i o n s ，：b e n z a l a c e t o n e ：r u ：k o h = 1 0 0 0 ：l ：2 0 ( m o l a r r a t i o ) ，2 胁，3 0 ，a n d2h ，m ec o n v e r s i o na n dt h es e l e c t i v i t yt o w a r dt h e u n s a t u r a t e da l c o h o lw a sr e a c h e d9 9 a n d 9 9 ，r e s p e c t i v e l y a n dt h ee ev a l u eo f u n s a t u r a t e da l c o h o lw a so v e r5 8 9 k e y w o r d s ：z r 0 2s u p p o r t e dr uc a t a l y s t ；h y d r o g e n a t i o n ；q u i n o l i n e ；l ，2 ，3 , 4 - t e t r a h y d r o q u i n o l i n e ；d e c a h y d r o q u i n o l i n e ； r u t h e n i u m c o m p l e x ； a s y m m e t r i ch y d r o g e n a t i o n ；u n s a t u r a t e dk e t o n e s 四川大学硕士学位论文 声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得四川大学或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡 献均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 本学位论文成果是本人在四川大学读书期间在导师指导下取得的，论文成 果归四川大学所有，特此声明。 学生签名：陈骏 四川大学硕士学位论文 第一章文献综述 1 1 概论 喹啉系萘状含氮杂环化合物，即在1 位上n 代替了c h ，故可叫氮杂萘。 它也可看成由纯碳苯环和杂环吡啶并合而成，称做苯并 b 毗啶。其结构及成环 原子编码如下： 6 7 54 3 2 图1 1 喹啉 喹啉，最早是r u n g l 于1 8 3 4 年从煤焦油中分离得到的。稍后，用碱干馏抗 疟药物奎宁( q u i n i n e ) 也得到了该化合物，因而得名喹啉。喹啉的衍生物在自然 界中存在很普遍，例如金鸡纳树皮生物碱类( c i n c h o n aa l k a l o i d s ) ，其中尤以 奎宁的药用价值最大( 治疟疾) 。 喹啉具有和萘一样的分予结构，根据分子轨道理论，分子中十个p 电子是 互相交叠的。但由于在环节中有一个电负性很强的氮原子，故它更象毗啶分子， 环上电子云密度下降了，它发生亲电取代反应的能力比萘要小得多，它的共振 能值也比萘小，但比吡啶还是大许多。这说明在喹啉分子中，毗啶环和苯环的 所有环上电子( 包括氮上p 电子) 是存在着一个相互交叠的大键的。按照价 键学说，喹啉分子中的双键位置远不如苯那样，是有一定程度的“定域化”的， 环上各点的电子云密度是不相等的。 喹啉在结构上是吡啶和苯的耦合体，但在化学反应中的行为却象吡啶和苯 的混血儿。亲电取代几乎仅发生于苯环，亲核取代发生于吡啶环。这些取代都 要受到环氮的影响和进攻分子的不同位置极性的影响。环氮上的反应类似于吡 啶，环碳上亲电反应和亲核反应都比吡啶容易。 四川大学硕士学位论文 1 2 喹啉类化合物的应用 喹啉及其衍生物在染料和药物合成中起着十分重要的作用，它们还可广泛 地用作分析试剂、缓蚀剂、农业化学品、催化剂等精细化学品“1 。世界上美国、 日本及西欧一些国家都有喹啉的生产，其观模在百吨一千吨级水平。我国鞍钢、 上海、石家庄的焦化厂也有少量的生产。这类化合物也是广泛的存在于天然产 物中，如金鸡纳皮中就含有喹啉，它具有抗疟作用。邻位取代的四氢喹啉衍生 物存在于一种叫v e n e z u l a n 的灌木中，它具有退烧的作用。这类化合物广泛应 用于药物中间体、农用化学品及染料。同时这类化合物还应用于酮类化合物的 不对称催化氢化反应”( 图1 2 ) 。 图1 2g a i i p e i n e 医药 许多喹啉化合物都是合成药物的中间体，故它们在医药上有着广泛的应用。 喹啉本身最初就是从抗疟药物奎宁经干馏得到并因此而命名的。 ：抗疟药：有补疟喹、磷酸氯喹、磷酸伯胺喹、胺酚喹啉等，补疟喹的结构如 图1 3 ， 图1 3 补疟喹 ：解热镇痛药，如辛可芬，其结构式如图1 4 ，系由p f i t z i n g e r 合成， 四川大学硕士学位论文 c o o n a 一戒；三娓 图i 4 ：局部麻醉药：例如盐酸地布卡因，其结构式如图1 5 ，系以2 一羟基一喹啉 - 4 一羧酸为原料，经与p c i 。一同处理得2 一氯一喹啉一4 一甲酰氯，再以h z n c h 2 - c 删( 呱) 。及丁醇钠一次处理，即得地布卡因。 + 足h 。蒜o ； c l 一 图1 5 ：抗阿米巴病药( 肠道杀菌) ：有喹碘仿，氯碘喹啉和双碘喹啉等。它们都是 以8 一羟基喹啉为原料，经磺化和碘化，以三氯化碘处理而得，其结构式如图1 6 。 图1 6 此外，许多取代的喹啉n 一氧化物也是重要的药物。例如4 - 氨基一5 一硝基喹啉 n 一氧化物有抑制肿瘤生长的作用：甲基喹啉n - 氧化物和它的4 一硝基一3 一氯一4 - 硝基衍生物，喹哪啶酸( o u i n a l d i ca c i d ) n - 氧化物等都有显著的抗细菌和抗真 菌药效。 四川大学硕士学位论文 染料 作为染料的喹啉化合物是一类在2 一位或4 一位带取代基的有色物质，如最 简单的黄苯胺( f l a v a n i l i n e ) 为2 一( 4 一氨基一苯基) 一4 一甲基喹啉。最初的光敏剂 及喹啉类花青染料现仍是彩色照像的重要的光敏物质，比噻唑类花青染料重要 得多。它们通常是两个喹啉核以一c h = 相接的化合物，为一些含大共轭体系喹 啉盐类化合物。随着共扼体系大小和结构的不同，对光的敏感区域也不同。因 此，选择适当的不同化合物的组成，就可使对光的敏感区域从紫外光直到红外 光或其中任一段。现在瑞士s a n d o z 公司生产的酸性黄3 ( 图1 7 ) 、美国 c y a n a m i d 公司和a i h e d 公司生产的溶剂黄3 3 ，都是在2 一位上含有醌型酞酮 ( q u i n o p h t h a l o n e ) 发色团的喹啉染料。 a c i dy e l l o w3 图1 7 食品饲料添加剂 喹啉氧化可以得到烟酸。烟酸是一种重要的维生素，可以合成多种烟酸系药 物，如烟酸胺、强心剂、兴奋剂等。除了合成多种药物外，还广泛应用作食品和 饲料添加剂，近年来国内烟酸发展非常迅速。 农药 喹啉许多衍生物为重要的农药品种，如7 一氯喹啉_ n 一氧化物可作为谷物种植 中阔叶杂草的除草剂：取代8 一氨基喹啉具有植物性毒素活性，可以制备除草剂： 由n - 取代的二硫化氨基甲酸的喹啉酯制得的除草剂，活性较好，而且毒性和残 留性较低：氨基甲酸的喹啉酯、喹啉一8 一羧酸衍生物及其盐都具有较好杀虫性 能：8 - 羟基喹啉的铜盐是非常有效的杀菌剂。 四川大学硕士学位论文 抗氧化剂 大多数含喹啉环的抗氧化剂都是1 ，2 - 二氢喹啉的衍生物，多种l ，2 一二氢烷 基喹啉都是国内外早已生产与应用的优良抗氧剂，可以作为抗臭氧化剂、防老剂 应用于橡胶加工业中，也可以用作食品抗氧剂及润滑油添加剂等。如目前全球橡 胶抗氧化剂三大主导品种之一的橡胶防老剂就含有喹啉环结构。 化学助剂 喹啉及其衍生物可以作为多种助剂，如喹啉及离子形成络合物，作为重要的 分析化学试剂使用：多种喹啉化合物可作为缓蚀剂，如在水泥中加入喹啉或其铬 酸盐，可以防止混凝土中钢筋腐蚀；金属采用8 一羟基喹啉可以抑制或减缓其腐 蚀：汽车抗冻液中加入2 一氯喹啉、 氨基喹啉、8 一硝基或羟基喹啉作为缓蚀剂 效果明显；喹啉衍生物作为催化剂在多种石油工业合成中应用，如喹啉的锂络合 物可作为丙烯其衍生物的n - 氧化物都能作为配位体和许多金属醛和甲基丙烯 醛的1 ，4 加成聚合的催化剂。 冶金上的应用 喹啉及其某些衍生物常应用于电镀浴中，例如8 一羟基一2 一甲基喹啉业已作为 软锌电镀浴的组份：2 位或4 - 甲基喹啉与醛的反应产物可以加入含氯化物、硫酸 盐和镍的镍电镀浴中以提高电积层的延性、亮度和流平性：喹啉与表卤醇的反应 产物可用于铜电镀浴中作为可溶性有机流平剂。金属离子的提取往往取决于8 一 羟基喹啉的鳌合能力。于非混溶的溶剂中，用8 一羟基喹啉作鳌合剂进行处理， 可从酸性硫酸盐溶液中提取出n i ，c 0 ，c u 和z n ；卤代的8 羧基喹啉与肟合用可以 用来回收水溶液中的c u 和z n 。利用喹啉8 一羟酸可从水溶液中移除重金属如 h g ，c d ，c u ，p b ，z n 等( 含量在0 2 , g l 水平上) ，它们最后被吸附在碳、硅胶或 s i 0 2 一a 1 2 0 。上。 利用喹啉一2 一羧酸，在柠檬酸盐和酒石酸盐的存在下，可以从c a ( 稼) 和i n ( 铟) 中分离出锌：利用该喹啉酸或8 一羧基喹啉作络合剂处理矿物，可从氧化物 矿中分离开铅和锌，即沥滤出铅和用有机相萃取锌。利用8 一磺酞胺喹啉可有 效地萃取分离c o ，n i 和c u 。采用喹啉从4 m n a o h 溶液中进行提取和用1 ：1 水和 氯仿体系进行反提取，可从过量1 0 0 倍的w 中提取分离微量的r e 四川大学硕士学位论文 1 。3 喹啉类杂环化合物的化学合成方法 鉴于喹啉类化合物在化工业和医药业中越来越重要，其应用也越来越广泛。 近年来人们对此类杂环化合物的合成方法进行了大量的研究。一是通过化学方 法来合成此类杂环化合物。喹啉环的合成理论上有：先有苯环后有吡啶环，先 有吡啶环后形成苯环，苯环和吡啶环同时形成，但实际上只有第一种途径是普 遍实用的。第一条路径的合成方法的设计有如下几种： s k r a u p 合成 将苯胺和甘油的混合物与硝基苯和浓硫酸一起加热，即可生成喹啉。1 8 8 0 年s k r a u p 首先报导了这一反应，故以此命名。该法目前是工业上代表性的合成 方法。反应过程首先是甘油在高温下受浓硫酸作用脱水形成丙烯醛；这是q ，b 一不饱和醛，它立即与苯胺发生m i c h a e l 加成；再关环、脱氢而得喹啉，硝基苯 被还原为苯胺。 h o c h 2 c h c h 2 0 h ! ! ! 竺：- c h 2 c h = c h o h 1 3 0 。c h 2 s 0 4 n h 2 +c h 2 c 麟h o - t r i e d l a n d e r 合成 邻氨基苯甲醛或酮和一个含有亚甲基酮结构反应，可得2 ，3 或4 一取代的 喹啉。反应可在酸或碱的催化下进行，但所得产品不同。 嗷一呶 p f i t z i n g e r 合成 p f i t z i n g e r 合成系指靛红在碱性环境中与甲基或亚甲基酮生成喹啉环的 反应法： - 6 一 一 5 h q o i c 一 3 hc + 四川大学硕士学位论文 h 3 c 。吨兰岫叫。一岫的c o o h 洲6 0 c h 3 矿飞八、o h 其它的一些合成方法 c 殒_ c 濉一c ： 从上面列举的几种合成路线可以看出，用于制备喹啉类衍生物的化学合成 法，其合成路线较长，操作也较为复杂，工业生产困难较大，其生产成本较高， 并且在合成过程中会排放大量的对环境有害的化学溶剂及一些副产物。近年来， 世界各国对环境越来越重视，对化学工作者提出要实现环境友好的化工生产。 这就要求化学合成的方法要尽量简单，并且要实现零排放，而上述的合成喹啉 及其衍生物的方法，无论是从工业生产成本考虑，还是环境友好方面考虑，可 行性都不大。 1 4 喹啉类杂环化合物催化加氢反应研究 喹啉类化合物是一类重要的芳香杂环化合物，大量存在于自然界的煤炭、 石油和生物体内。催化氢化芳香杂环化合物为获得饱和或部分饱和的杂环化 合物提供了一种简单有效的方法，尤其是一些具有手性的杂环化合物，它们是 生物活性分子中常见的结构单元和一些药物中间体，或本身就具有一定的生理 活性，而这些化合物难以通过其它化学合成的方法获得m 1 。目前，对芳香杂 环化合物进行催化氢化还存在着一定的困难，氢化的条件比较苛刻。这可能与 芳香杂环化合物的芳香性有关，要破坏其芳香性在能量上是不利的啪1 。f i s h ”1 四川大学硕士学位论文 小组和m u r a h a s h i t m 】，j 、组对稠环的含氮芳香杂环化合物的催化氢化进行了深入 的研究，并取得了一些进展，引起了人们对芳香杂环化合物催化氢化研究的兴 趣。由于需求量在增加，人们开始研究用催化的方法来制各氮杂环化合物有机 合成中的催化加氢，按反应物和催化剂的存在形态，大体上可以分为：多相催 化加氢反应和均相催化加氢反应。在实际应用中，它们互相补充，形成了比较 理想的有着各自特点的催化加氢体系。并且这两种催化过程体现在工业生产中 都有实现年产数百万吨量的应用实例。催化加氢反应使用的催化剂主要是过渡 金属及其化合物( 如氧化物、氢氧化物及络合物等) 。催化加氢反应的催化剂 通常可分为两类：一类是不溶于反应介质的固体催化剂，称为多相催化剂，其 中负载催化剂是最常用的重要的一类固体催化剂；另一类是溶于反应介质的催 化剂，即催化剂与反应物处于同一相，这样的催化剂称为均相催化剂。目前， 此类化合物的催化反应有两大类，即对其底物加氢转化或加氢脱氮移去氮原子。 下面分别介绍这两种加氢反应。 1 4 1 喹啉类杂环化合物的加氢脱氮反应 氮杂环化合物的加氢脱氮反应( 皿n ) 就是将氮原子从氮杂环上移去，同 时环发生加氢反应。一方面高氮含量的重油和某些矿物燃料的加工处理已成大 势所趋，由于保护环境的需要，对煤炭、石油及其相关产品中的氮杂环化合物 含量的限制日益严格，这就需要减少煤炭、石油及其产品中的氮杂环化合物的 含量，为了达到降低环境污染的要求，工业上采用在高温( 4 0 0 - - 6 0 0o c ) 、高 压( 2 0 0 0p s i ) 下“卅，使煤炭、石油及其产品中的氮杂环化合物发生加氢脱氮 反应。这样就可以生产出绿色燃料，避免这些燃料在燃烧时对环境产生危害： 另一方面，微量氮化物的存在抑制油品的深度h d s ( 加氢脱硫) 及h a d ( 加氢脱 芳) 。通过h d n ( 加氢脱氮) ，不但可以减少汽车尾气中n o x 的排放，还能够减 少或避免下游酸性催化剂和金属催化剂的中毒，进而生产性能稳定和高品质的 产品”。总之，h d n 是值得深入研究的重要课题。 因此，对杂环类化合物的加氢脱氮反应的研究具有重要的意义，也是迫急 之举。g i o i af 等嘲研究了苯并噻吩、喹啉在n i o - m 0 0 3 h 1 ：嘎上单独加氢反应和 混合加氢反应，发现当苯并噻吩和喹啉混合加氢时，反应速率和反应类型相对 于单独加氢有所变化，加氢脱氮所受影响很小，但加氢脱硫过程由于氮杂环化 合物的存在受到的影响很大。其原因是氮杂环化合物呈碱性，强烈地吸附于催 - 8 一 四川大学硕士学位论文 化剂的表面，尤其是喹啉的加氢产物十氢喹啉有很强的吸附性，导致加氢脱硫 过程停止，当反应时间长一些，温度高一些，促使加氢脱氮快速完成，最终可 使加氢脱硫过程被重新激活。 近年来，对喹啉的加氢脱氮反应研究也较多。喹啉同时含有苯环和吡啶环， 可视为吡啶的苯并同系物，但是两者的h d n 机理却不尽一致降捌。喹啉h d n 的 反应网络如图1 8 所示。喹啉( q ) 脱氮大体上可以归纳为两条路径：其一是 1 ，2 ，3 ，4 一四氢喹啉( t h q 一1 ) 一邻丙基苯胺( o p a ) ：其二是十氢喹啉( d h q ) 一邻 丙基环已基胺( o p c l a ) 。首先喹啉加氢，可以形成1 ，2 ，3 ，4 一四氢喹啉( t h q 一1 ) 或5 ，6 ，7 ，8 - - 四氢喹啉( t h q 一5 ) ，但由于喹啉中吡啶环较苯环的较低芳香性故 毗啶环易于加氢，因而加氢主要以q t h q 一1 为主h 帕。在第一条反应路径 中，t h 铲1 经高活性邻丙烯基苯胺中间体开环加氢成邻丙基苯胺( o p a ) ：然后o p h 可以直接脱氨形成丙苯或其苯环加氢为邻丙基环己基胺( o p c h a ) 。但在喹啉类 型分子( q 、1 1 1 q 、d h q ) 存在时其反应性明显受抑制，因而喹啉h d n 主要依赖后一 路径1 。计算表明，在n i m o ( p ) p a l 。q 催化剂上3 7 0 、3 m p a 和6 1 5 k p ah 墨条 件下大约4 0 的喹啉h d n 通过t h q i o p a 路线进行1 。在第二条路径中，饱 和中间体d h q 经开环消除形成邻丙烯基环己基胺活性中间体，然后快速加氢为 o p c h a 。由于该化合物的较高反应性使其很快脱氨产生丙基环己烯( p c 旺) ，然后 加( 脱) 氢为丙基环己烷( 丙苯) ，但产物以前者为主。 图1 8 喹啉脱氮的两条路径 对喹啉加氢脱氮反应，b a r a l te 等“羽用均相催化剂 c p r h ( i i2 - 1 i g a n d ) ( c i 3 c n 2 ) 3 2 + ( c p p e n t a m e t h y l c y c l o p e n t a d i e n y l ) r h o d i u m t i s ( a c e t o n i t r i l e ) ) 用于喹啉的加氢脱氮反应的研究。在该文献中提出了如下 图1 9 的可能的反应机理。同时还考察了喹啉、2 一甲基喹啉、5 ，6 一二苯基喹 。旷旷资 冈 南 。8 - 8 一 四川大学硕士学位论文 啉及7 ，8 一二苯基喹啉的加氢脱氮反应的速率。结果表明喹啉及衍生物加氢脱 氮反应的速率顺序为：7 ，8 一二苯基喹啉 喹啉 5 ，6 一二苯基喹啉 2 一甲基喹啉。 h m+ n h 3 图1 9 喹啉加氢脱氮反应的机理 f i g 1 1 0t h ei d e a ip a t h w a yo fh y d r o d e n i t r o g e n a t i o no fq u i n o li t i e 1 4 2 喹啉杂环化合物的均相催化氢化进展 对稠环的芳香化合物，比如萘、吲哚、喹啉、异喹啉、喹喔啉、苯并呋喃、 苯并噻吩等及其衍生物进行氢化时，一般只得到部分氢化的产物，而且稠环与 单环相比，氢化稠环相对容易。例如同样条件下氢化萘和苯，得到四氢萘比得 到环己烷容易。这是因为部分破坏稠环的芳香性比完全破坏单环的芳香性所需 能量低。另外，芳香杂环化合物的氢化比芳香烃类化合物容易，这一方面因为 杂原子对所在的环有活化作用；j 另一方面，杂原子上的孤对电子可参与和催化 剂的金属原子配位，使催化活性中心靠近底物从而发生氢化反应。所以在芳香 稠杂环化合物氢化时，一般都是含杂原子的环被氢化嘲。杂原子的存在有时也 是不利的，如含硫的芳香化合物一般能使氢化催化剂中毒。 从喹啉出发，通过氢化的方法来获得四氢喹啉是一个简单、方便的方法。 1 ，2 ，3 ，4 - 四氢喹啉及其衍生物不仅是一类重要的有机合成中间体和具有生理 活性的化合物，而且是众多喹啉类生物碱的结构单元h 钔，因此引起人们的关注。 例如化合物6 一氟一2 一甲基一1 ，2 3 ，4 - 四氢喹啉是抗菌剂f l u m e q u i n e 的重要中间 体，( s ) 一构型的活性高于( r ) 一构型，目前只有通过拆分的方法来获取单一的对 映异构体。 四川大学硕士学位论文 近年来，对喹啉化合物均相加氢反应的研究逐渐增多。文献报道中所用的 均相催化剂主要有： r h ( c o d ) c 1 ：嘲、 r h t c l ：( c o e ) 。p h o s p h i n e 、 r h ( c o d ) ( p p h 。) ： p f ；、 i r ( c o d ) c 1 3 ：删、 c p i r c l ： 。叫、 r u h c i ( t p p t s ) 2 ( l ) ： 嘲、 r u h 。( c o ) ：( p _ b u ) 。 。嘲、c o ( s t e a r a t e ) 2 - e t a l 叫等。均相反应的条件较 为温和，对喹啉加氢反应的选择性和转化率都较高。 a l v a r a d o 等“7 3 报道用不同的金属配合物催化喹啉的均相加氢，加氢产物 均为部分加氢产物，即：1 ，2 ，3 ，4 - 四氢喹啉。该反应的条件为 c a t a l y s t s u b s t r a t e = 1 ：5 0 ，= 1 0 0o c ，以h 2 ) = 5 0 0 p s i ，甲苯为溶剂结 果见下表1 1 4 ，从表中可以看出， r h ( c o d ) c 1 。催化喹啉加氢的活性最高。而 t p i r ( e t h y l e n e ) 2 的活性最差。 t a b l e1 1d i f f e r e n t 伯t a l y s t 舯b y d r o g e n a t i o no fq u i n o li n e 表1 1 不同的催化剂用于喹啉的氢化反应的研究 r o b e r t oa 等用 j i l l ( c o d ) ( p p h 。) ： p f 6 作为催化剂前体，用于喹啉( q ) 均 相加氢反应机理的研究。使用该配体时，加氢的产物为1 ，2 ，3 ，4 - 四氢喹啉 ( d h o ) 。作者提出如下的喹啉加氢反应机理( 图1 1 0 ) 。首先喹啉上的氮原 子与金属r h 配位，加氢是发生在氮环一侧的c = n 上，然后r h 再与氮环上的碳 碳双键配位。当得到1 ，2 ，3 ，4 - 四氢喹啉后，由于r h 与1 ，2 ，3 ，4 - 四氢喹啉上的 氮原子配位，从而使反应停留在1 ，2 ，3 ，4 一四氢喹啉这步，而不会继续反应得到 十氢喹啉。 四川大学硕士学位论文 图1 1 0 喹啉均相加氢的反应机理 f i g1 1 0p r o p o s e dm e c h a n i f o rr e g i o s e l e c t i v eh y d r o g e n a t i o no f0t ot h f 1 4 3 喹啉类杂环化合物的不对称氢化反应进展 在均相催化体系中，第一例报道的喹啉类杂环化合物的不对称氢化是在 1 9 8 7 年，m u r a t a 嘲等使用原位产生的( + ) - ( d i o p ) r h h 作催化剂，乙醇作溶剂， 室温下对2 一位取代的喹喔啉进行不对称氢化( e q 1 ) ，反应3 6 7 2h ，产物2 一甲 基一l ，2 ，3 ，4 - 四氢喹喔啉只有3 e e 值( 表1 2 ，e n t r y1 ) 。虽然e e 值很低，但 q ：) 一。 臧一 。 必1 展强 四川大学硕士学位论文 毕竟实现了对芳香杂环化合物的均相不对称氢化，为后来致力于研究芳香杂环 化合物不对称氢化的工作者开辟了道路。 1 9 9 8 年，b i a n c h i n i 呻1 研究小组利用邻位金属化铱的二氢复合物f a c - e x o - ( r ) 一 i r h 2 c 扎c * h ( m e ) n ( c h 2 c h 2 p p h ：) ：) ( l 1 ) 作催化剂，实现了对2 一甲基喹喔啉 的高对映选择性氢化，取得了高达9 0 e e 值( 表1 2 ，e n t r y2 ) ，但转化率只有 5 4 ，当转化率为9 7 时，e e 值降为7 3 ( e n t r y3 ) ，反应要在1 0 0o c 进行，甲 醇和异丙醇是最好的溶剂选择。这是目前对2 甲基喹喔啉不对称氢化取得的最 好结果。同一研究组在2 0 0 1 年报道了用 ( r ) 一( r ) 一印p b z p i r ( c 0 d ) o t f 和 ( r ) 一( r ) - b d p b z p r h ( n b d ) o t f 作催化剂对2 一甲基喹喔啉的氢化，但e e 值不 理想，分别为2 3 和1 1 ( e n t r i e s4a n d5 ) 。在实验中，他们发现铑的活性比 铱的高，但对映选择性低。 表1 22 - 甲基噻喔啉不对称氧化 t a b l e1 2a s y m n e t r i ch y d r o g e n a t i 0 1 1o f2 - m e t h y i q u i n o x a ii n e a ：c | b 0 ha f ts o l v e n t b ：i p r o ha ss o l v e n t c ：t - b u o h8 88 0 i v e n t 誓、 b n p 辩m 墩 p 岫 h 州、八 p a r 2 l h ，n 十 a r = x y x y l l 1f a c - e x o , - ( r ) 1 2 ( r ，r _ b d p b z p1 _ 3 ( s k x y f h e x a p h e m p s ，s 卜d a c h 2 0 0 3 年，h e n s c h k e 等使用n o y o r i 的r u c l 2 ( d i p h o s p h a n e ) ( d i a m i n e ) 催化 体系，以2 一甲基喹喔啉的氢化为模型反应，5 0 0 c ，3 0m p a 的氢气压力下，对 鹭 四川大学硕士学位论文 一系列的手性双磷配体和手性二氨的组合进行了筛选，结果发现 ( s ) 一x y l - h e x a p h e m p ( l 3 ) 和( s ，s ) - d a c h 的组合取得了较好的结果( 7 3 e e ) ，( 表 1 2 ，e n t r y6 ) ，所有反应2 0 h 内转化率都在9 4 以上，且s c 为1 0 0 0 1 。该催 化体系的活性很好，但对映选择性只有中等嘲3 。同年，z h o u t 9 等使用 i r ( c 0 d ) c 1 z 作催化剂，在加入手性双膦配m e o - b i p h e p 和i ：的情况下成功实 现了喹啉类化合物的不对称催化的高对映选择性( e q 2 ) 。在此实验中，i 。是必 不可少的添加剂。 如t o l u e n e , h e q 2 r 在z h o u 的基础上，大量的手性双膦配体被筛选用于喹啉类化合物的不对称 氢化反应研究，其中文献报道配体( s ) 一f l b _ b i n a p ol 。7 5 删k ( r ) - b i n a p ol 2 ( 图 1 1 2 ) 表现出比m e o - b i 曲e 1 ) 更好的对映选择性。 ( s ) - h s - b i n 印。日r ) - b 缸a p o 图1 1 1 鉴于二茂铁衍生的手性硫膦配体便于合成以及二茂铁作为配体骨架的优点 m 1 ，以二茂铁衍生的手性硫膦配体在喹啉不对称氢化中的应用也有文献报 道x u 等呻1 报道了铱的络合物 i r 2 ( c o d ) c 1 ：p - p h o s i ：催化的喹啉衍生物，并用 聚乙二醇二甲醚和己烷的混合溶剂实现了催化剂的循环使用( e q 3 ) 四川大学硕士学位论文 r ，罴2 d a ， 对于氮杂环类化合物的催化氢化反应，主要有均相催化和多相催化这两 类。其中以多相催化为主。所用的多相催化剂中，用n i 作为催化剂的文献及专 利报道的最多，如r a n e y 镍m 耐、n i 硅藻土“”、n i - a l 合金“”、n i - c r “”1 、 n i - w a 1 2 ( h t 2 1 、n i a 1 2 0 。嘲等。喹啉的多相催化加氢反应采用的催化剂有p d m l 、 n i 嘲、r h 删、r u 嘲等。多相加氢在不同的条件下，加氢产物较为复杂，其加氢 产物可以是l ，2 ，3 ，4 - 四氢喹啉和5 ，6 ，7 ，8 - 四氢喹啉的部分加氢产物，也可以是 全加氢产物十氢喹啉( 图1 1 2 ) 。鉴于这个原因，目前，对喹啉的多相加氢研究 较少。 1 2 3 牛四氢噎啉5 。6 , 7 鼻四氢喹啉 图1 1 2 喹啉多相催化加氢可能的产物 c a m p a n a t i 乩等嘲用5 r h a 1 籼催化喹啉的加氢反应。当在0 4 5g5 r h a 1 籼、1 5m l 喹啉、1 3 5m l 异丙醇、1 0 0o c 、2 0m p a 、1 5 0m i n 条件下得到的 产物为1 ，2 ，3 ，4 - 四氢喹啉，转化率为1 0 0 。为能够得到十氢喹啉，c a m p a n a t im 将温度升高到2 0 0 。c 其结果仍得到的是1 ，2 ，3 ，4 - 四氢喹啉为此作者提出下 面的喹啉加氢反应的可能机理( 图1 1 3 ) 。作者认为，在得到1 ，2 ，3 ，4 - 四氢喹啉 前的中间过渡态，由于与金属r h 存在强烈的吸附作用，从而不易从催化剂上脱 附下来，最终导致金属催化剂的失活。于是作者又在反应结束后，补加新鲜的 5 r h a 1 2 0 3 继续反应，当反应时间延长至2 5 0m i n 后，得到近1 0 0 的十氢喹啉 四川大学硕士学位论文 同时，还分别考察了酸和碱对喹啉加氢反应的影响。其中用n ，n _ 二异丙基乙基 胺时在0 4 5g5 i u l a 1 籼、7 5m l 喹啉、1 3 5m l 异丙醇、1 1 2m ln ，n - 二异丙基乙基胺、1 0 0 。c 、2 0m p a 、3 6 0m i n 的条件下得到十氢喹啉的收率为 2 0 9 6 左右。 z r 0 2 a 1 2 0 3 ，复合载体表现出对催化剂活性的促进 作用。不同的复合载体之间由于协同作用的差异，因此对负载金属催化剂的活性 影响也呈现出不同的差别。 1 5 3 催化剂的制备方法 催化剂的制备方法主要有湿浸法、水解浸渍法、激光蒸发法、溶剂化金属 离子浸渍法、离子交换法、溶胶一凝胶法等。 浸渍法：通常将载体放入含活性组分的溶液中，待浸渍达平衡后分离出 载体，对其进行干燥、焙烧后即得到催化剂，但该方法仅适用于载体上含少量纳 米颗粒的情况。刘渝等噼1 将自制的纳米级y - a 1 籼先后浸渍于h t p t c i o 和 c e ( n 仉) 。溶液中，待浸渍达平衡后取出，经高温煅烧后得到负载型p t y - a i ：o 。- c e 0 ：催化剂。刘晓红等呻1 合成了一系列的二氧化锆水溶胶，再用浸渍法 担载0 5 w t 的p d ，制得的p d z r o z n c s 可用于由丙酮合成甲基异丁基酮咖i b k ) 二异丁基酮( d i b k ) 的还原缩合反应：通过调节催化剂的表面酸性，可以选择所 需要的产物( m i b 或d i b k ) 。 四川大学硕士学位论文 溶胶一凝胶法：s o l - g e l 法主要是以金属无机盐或醇盐为前驱体，利用其水 解或聚合反应制备金属氧化物或金属非氧化物的均匀溶胶，再将溶胶浓缩成透 明凝胶：凝胶再经干燥、热处理即可得到纳米颗粒”。该方法具有操作简单、颗 粒尺寸集中、化学均匀性好、烧结温度低等优点。s o l g e l 法还可用于合成纳 米尺寸的介孔硅铝分子筛，通过对体系形成s o l - g e l 过程的控制，合成了具有双 孔分布特征的纳米分子筛。 沉淀法：沉淀法是在液相中将化学成分不同的物质混合，再加入沉淀剂使 溶液中的金属离子生成沉淀，对沉淀物进行过滤、洗涤、干燥或煅烧制得n c s 嘲。沉淀法包括直接沉淀法、共沉淀法、均匀沉淀法、配位沉淀法等，其共同 特点是操作简单、方便。纪红兵等嘲采用共沉淀法，通过r u 对m m f e 2 0 , 的同晶取 代制得了n c sm t l f e 。蚱r 。矾，经改性后，可有效地将烯丙醇类化合物氧化成醛 酮类化合物。 微乳液法：微乳液法首先需要配制热力学稳定的微乳液体系，然后将反应 物溶于微乳液中，使其在水核内进行化学反应，反应产物在水核