相转移催化技术原理及应用

1、相转移催化技术原理及应用 摘要: 介绍了相转移催化技术的基本原理, 分别讨论了液一液相转移催化反应、固一液相转移催化反应和三相催化反应的特点。着重记述了近年来相转移催化技术在医药工业和化工中的应用进展。采用相转移催化技术具有操作简便、反应条件温和、收率高、质量好等优点, 对于工业生产进行工艺技术改进、降低生产成本, 具有重要现实意义。关键词：相转移催化技术、原理、医药工业、化工、应用进展 相转移催化反应( 简称PTC 反应) 是20 世纪60 年代发展起来的一种异相反应的新理论和方法。它能使采用传统方法难以实现的异相反应顺利进行，能够加快反应速率，降低反应温度，改变反应的选择性，抑制副反应发生

2、。同时相转移催化反应无需使用价格昂贵的无水溶剂或非质子溶剂，且对碱的要求低，可以使用碱金属、碱土金属氧化物的水溶液。因此该技术的研究和应用得到了迅速发展。现在，相转移催化技术已经应用到了化学合成的绝大多数领域，涉及到医药、农药、香料、造纸、化工、制革、高分子材料等重要领域1 。1、 相转移催化反应的原理 相转移催化反应虽然涉及的各种类型化学反应很多, 但概括起来可分为三大类: 液一液相转移催化、固一液相转移催化和三相催化。1.1 固一液相转移催化 在固 液相转移催化反应中，应用较多的络合剂主要有冠醚、穴醚和聚乙二醇类等，其中工业上使用较多的为价格低廉的聚乙二醇等两亲类化合物。聚乙二醇是一类大众

3、化工产品，结构呈螺旋构象它的催化机理与冠醚等的催化机理相似，均为通过氧原子与金属阳离子络合，将活性阴离子带入有机相，从而达到相转移催化的目的。聚乙二醇的自动活动的链可以形成与冠醚类似的环，且不受孔穴大小的限制，因此是理想的冠醚取代物，得到了广泛的应用。 1.2 液一液相转移催化 液 液相转移催化反应是在一个互不混溶的两相系统中进行。其中一相( 一般为水相) 为碱或含起亲核试剂作用的盐类，另一相为有机相，其中含与上述盐类起反应的作用物。在加入相转移催化剂后，这些物质中的阳离子是亲油性的，既溶于水相也溶于油相。当在水相中碰到分布在其中的盐类时，水相中过剩的阴离子便与相转移催化剂中的阴离子进行交换。

4、因此，通常的相转移催化反应过程至少包括两个步骤: 一种反应物从本相转移至另一相；转移的反应物与没有转移的反应物发生反应。在相转移催化剂机理中，亲核取代反应发生在有机相，并且是控制步骤。1.3 三相催化 为了解决相转移催化剂回收难、价格高的问题,近年来发展了一种新的相转移催化法: 三相催化反应, 将相转移催化剂连接在聚合物载体上, 它是一种不溶水也不溶于有机相的固体高分子, 因此称为三相催化剂, 也称聚合物催化剂。此法的显要优势是催化剂可定量回收, 干燥后活性不受影响, 可重复使用, 因此该领域研究开发的时间不长, 但发展很快, 并积累了大量的理论和实践经验, 在选择和应用固载的PTC 时应考虑

5、以下几个方面的问题:（1）三相催化剂粒子的大小: 粒子小活性大, 但粒子太小, 不易过滤, 后处理困难, 选择100150 目较为合适。（2）载体树脂的交联度: 交联度小的活性比较好,大于2%时效果较差, 以0.6%为好。（3）反应的搅拌速度: 合适的搅拌速度能控制物质传递速度, 更好的发挥催化剂的活性。2、 相转移催化技术的应用2.1 相转移催化技术在化工中的应用 随着化学工业的发展，相转移催化反应技术在近年来得到了充分的发展空间。相转移催化反应在制备有机化学中已占重要地位，大量的催化剂被制备出来并且得到了应用2。在液- 液相转移催化反应中, 应用最多的是季铵盐类催化剂, 其次是季磷盐类,

6、季锑盐和季铋盐因毒性较大, 一般不使用。冠醚类的催化剂应用也广泛，冠醚可以折叠成一定半径的空穴, 使氧原子处于一边, 所以能与适当大小的正离子形成络合物。形成的络合正离子能与水相中的负离子形成离子对进入有机相中, 从而起到相转移催化作用。例如,过氢二苯- 18- 冠- 6 可将高锰酸钾溶于苯中( 其空穴络合K+) , 成为有机化合物在温和条件下的一种方便的氧化剂,可以将烯烃、醇、醛及烷基苯等定量的氧化成酮和羧酸钾, 而无进一步的氧化所产生的杂质, 且收率高于高锰酸钾水溶液氧化所得。因其价格昂贵又有一定的毒性, 现有被替代之势。聚乙二醇也是一种常用的相转移催化剂, 它多用于杂环化学反应、过渡金属

7、配合物催化的反应及其它催化反应中, 它可以折叠、弯曲成合适的形状结构和不同大小的离子络合。常用的催化剂有PEG- 400、PEG- 600、PEG 单醚、PEG 双醚以及PEG单醚单酯等, 可以用于亲核取代反应、烃基化反应、缩合反应、氧化反应以及有机金属化合物的合成制备等。如硫脲衍生物的合成反应中, 使用PEG- 400相转移催化剂可以取得良好的反应效果。 相转移催化在有机合成方面的应用发展很快,现已成为重要的有机合成技术之一3。随着这一领域研究的不断发展, 由最初仅限于有活泼氢的化合物的烃化反应即所谓提取烃化反应, 扩大到应用于许多亲核性的烃化( 包括C- 烃化、O- 烃化及S- 烃化等)

8、,取代和缩合等反应。利用相转移催化以产生二氯卡宾, 然后与烯烃、胺类、羟基、羰基以及羧酸衍生物的反应来制得各类化合物, 从而发展了卡宾化学。在氧化还原反应方面, 用相转移催化也有其独特的点。最近几年反应的类型一再增加, 以扩展到了许多方面, 诸如: 加成、消除、重排、酰化、酯化、偶合、高分子聚合, 有机金属化合物以及有机磷的制备等,均显示了各有特色的优点, 对各类反应的研究虽尚属开始, 但已突破了亲核反应的范围, 形成一个比较完整的催化体系。2.2相转移技术在医药合成的应用 在制药行业中应用相转移催化法4，可以实现简化操作、收率提高等目标，而且可以利用廉价材料替代昂贵材料，这能够很好地改善工艺

9、技术，对提高药物合成收率和降低成本，最终为提高市场竞力具非常重要的现实意。 2.2.1 抗炎镇痛药替尼达普( tenidap) , 化学名为5- 氯- 3- ( 2- 噻吩甲酰) - 2- 羟吲哚- 1- 草酰胺, 商品名为Enablex, 临床上用于类风湿性关节炎的治疗 5 。其中间体5- 氯- 2, 3- 二氢吲哚- 2- 酮是由5- 氯- 2, 3- 二氢吲哚二酮还原制得, 反应分步进行, 操作较烦琐, 收率为54%。申永存等以PEG- 400 为相转移催化剂, 一步完成, 收率达63. 8%。 2.2.2 抗菌增效剂澳莫替林。嗅莫替林作为二氢叶酸的还原酶抑制剂，也是甲氧节氨嘧啶( TM

10、P) 的替代性新产品。金熔等合成5二甲氧基苯甲醛和其中间体4 溴 3 时，使用PEG 400 作为相转移催化剂进行还原反应，结果和不加入相转移催化剂对比，收率提高了大约30%。 2.2.3 酮洛芬6。3 苯甲酞基 2 甲基苯乙酸是酮洛芬的化学名，这是一种消炎镇痛药物。合成报道很多，但都不是非均相反应生成，大部分合成过程存在反应慢、操作复杂、收率低等问题。范琦等用阳离子表面活性剂度米芬作为相转移催化剂，以氢氧化钠水溶液为水相、以苯为有机相，由此合成酮洛芬，收率约为70%，纯度99.5%。 2.2.4 克林霉素磷酸醋。克林霉素磷酸醋作为克林霉素的衍生物，具有水溶性强、抗菌性高、吸收迅速以及副作用小

11、等优势，目前在广泛应用于临床医学。胡国强等在进行克林霉素磷酸醋合成时，利用TI3AI 实施催化磷酸化反应，以此获得中间体，其收率约达到86%。 3 展望 相转移催化技术由于可以简化操作，提高反应效率，使用普通非极性溶剂和价廉的碱性底物原料，对于生产厂家进行工艺技术改进，降低生产成本，提高市场竞争力，具有重要的现实意义。但常用的催化剂价格昂贵，难以回收和净化，因此还需要进一步研究探索相转移催化反应机理，以获得廉价高效的催化剂和反应工艺。在制药行业中应用相转移催化法，可以实现简化操作、收率提高等目标，而且可以利用廉价材料替代昂贵材料，这能够很好地改善工艺技术，对提高药物合成收率和降低成本，最终为提高市场竞争力具非常重要的现实意义。1 赵地顺 相转移催化原理及其应用M 北京: 化学工业出版社，2007: 3 42 卞觉新.相转移催化剂J.化学世界, 1982, 23( 1) : 25.3王乃兴, 李纪生. 有机合成中的相转移催化作用 J .化学世界, 1994, 9: 450- 453.