固载化聚乙二醇类三相催化剂的研究进展

1、固载化聚乙二醇类三相催化剂的研究进展姓名：丁泽班级：材化12-3学号：1209020302摘 要 综述了固载化聚乙二醇类三相催化剂的研究进展,讨论了该类催化剂所用的载体类型、合成方法、催化机理及其在有机合成中的应用等方面的问题。关键词固载化聚乙二醇三相相转移催化70年代中期,Regen、Brown、Montanari等同时将可溶性相转移催化剂(phase trans-fer catalyst,简称PTC)固载到高分子载体上,制得了一类既不溶于水,也不溶于有机相的固载化相转移催化剂,即三相相转移催化剂(triphase phase transfer catalyst,简称TPPTC)。这类催化剂

2、比可溶性PTC具有明显的优点:它不溶于水、酸、碱和有机溶剂,反应结束只需简单过滤即可定量回收,并可多次重复使用,而活性不降低或稍微降低,反应产物从反应体系中的分离提取也很方便;再者,由于催化剂已高分子化,挥发性小,相应减少了毒性,所以此类催化剂很适合于工业上的连续化生产。我们常见的TPPTC有固载化季铵盐、固载化冠醚、固载化聚乙二醇等。其中,由于季铵盐在高温下不稳定,冠醚有毒性且价格昂贵,所以它们的应用受到一定限制。唯有聚乙二醇(polyethylene gly-col,简称PEG)来源丰富、价格低、稳定性好,且没有毒性,所以固载化聚乙二醇类三相催化剂自1979年Regen首次合成并应用以来,

3、越来越受到人们的重视。从固载化聚乙二醇类催化剂的载体类型、合成方法、催化原理及其在有机合成中的应用等几个方面对其作一简要综述1。1载体类型固载化聚乙二醇类催化剂的载体类型有许多种,可分为有机载体和无机载体两大类。其中有机载体包括:苯乙烯-二乙烯基苯交联树脂(简称聚苯乙烯树脂)、甲基丙烯酸缩水甘油酯-乙二醇二异丁烯酸酯大孔共聚体、氯化聚氯乙烯等;无机载体包括:硅胶、氧化铝等。在有机类载体中,由于聚苯乙烯树脂具有价廉易得、易于功能基化、稳定性好等诸多优势,使其成为目前应用最多的高分子载体。2合成方法 介绍以聚苯乙烯树脂为载体的聚乙二醇类三相催化剂的合成方法。聚苯乙烯固载化聚乙二醇类三相催化剂的合成

4、过程即是把PEG或其衍生物接枝到聚苯乙烯高分子树脂上的过程。现有的方法可归纳为五种1:2.1氢化钠法Regen最早合成的固载化聚乙二醇类三相催化剂(聚苯乙烯固载化聚乙二醇单甲醚)就是利用该法合成的,后来人们合成该类催化剂也多用此法。反应要求在严格无水条件(氮气保护)下进行,先让PEG(或其单醚)与氢化钠在低温下反应,然后加入氯甲基化聚苯乙烯树脂(简称氯球),在一定温度的油浴中反应一定时间,然后过滤出树脂,用溶剂洗涤干燥后即得到催化剂。2.2萘钠法该法是让PEG先与萘钠反应生成聚乙二醇二钠盐,然后加上氯球及未反应的PEG,加热回流8 h,反应后树脂用溶剂洗涤干净,真空干燥即可。2.3氢氧化钠法前

5、两种方法都要求反应为无水体系,这就在操作上造成一定困难,而且氢化钠与萘钠又都很昂贵,这些都是前两种方法的缺陷。而氢氧化钠法是以氢氧化钠水溶液为碱,直接让氯球与PEG反应。该法不必避水,简化了操作,而且氢氧化钠是常用试剂,价廉易得。其不足之处是氢氧化钠水溶液的使用会造成氯球有水解副反应的发生。现在有人对该法进行了改进,即在反应体系中添加少量的四丁基溴化铵,这样可以提高接枝产率,减少发生桥联和水解的可能性。2.4金属钠法该法是先把除去氧化膜的金属钠制成钠珠,然后加PEG反应生成聚乙二醇单钠盐,再加入已溶胀过的氯球,在80°C反应9 h,过滤出树脂,用溶剂洗涤干净,烘干即可。2.5金属钾法

6、该法是让PEG与金属钾直接在室温下搅拌回流1 h,然后加入已溶胀过的氯球,在55°C回流6 h,冷却后,加入甲醇破坏未反应的钾。过滤出树脂,用溶剂洗涤干净,真空干燥即可。比较起来,金属钾比金属钠具有更好的接枝效果,并能使反应在较低的温度下较快的进行。3催化原理简单地说,固载化聚乙二醇的相转移催化作用是通过PEG及其衍生物对金属离子的络合来实现的。PEG或其开链醚是直链化合物,金属正离子(正电集团)对链节上的氧原子(负电集团)可产生诱导,使PEG的链节以半交叉式构象重迭成螺旋形结构。该结构中的氧原子处于一边,形成强的负电集团,因此具有类似于冠醚的性质,能与金属正离子形成配合物,如下式所

7、示:该配合物即为催化剂的活性中心(M+),试剂负离子(Y-)是以和活性中心成松、紧离子对的形式,以及裸负离子的形式存在的(如式1所示)。在液(L)-液(L)-固(S)反应体系中催化剂从水溶液中萃取Y-的能力越强,在有机相中Y-的总浓度越大,反应速率也越快;催化剂的亲油性越大,离子对越疏松,自由负离子也越多,而裸负离子显然比离子对活泼得多,所以反应性也强得多。关于固载PEG在液(L)-液(L)-固(S)反应体系中的催化作用,Steven L.Regen曾为该体系提出两种催化模型:共溶剂催化(cosolvent catalysis)和表面积催化(sur-face area catalysis)。关

8、于固载PEG在固(S)-固(S)-液(L)反应体系中的催化作用,Mackenzie和Sherrington提出了两种可能机理:溶解机理和固-固接触机理。齐红彦等利用正溴辛烷和固体碘化钠的反应研究了固载化PEG的催化机理,验证了固-固接触机理的存在。由于固载催化剂催化异相反应是一个很复杂的过程,到目前为止,对其催化原理的认识尚需进一步加以完善。4在有机合成中的应用本文主要讨论以聚苯乙烯为载体的聚乙二醇类三相催化剂的应用。4.1水解反应:(1)卤代烃的水解反应:Steven L.Regen等在1977年首次把固载PEG单甲醚用作三相催化剂,完成了1-溴金刚烷和三丁基溴的水解反应,从而奠定了固载聚乙

9、二醇类化合物在三相反应中应用的基础2。(2)皂化反应聚苯乙烯固载化PEG是皂化反应的有效、稳定的三相催化剂。利用固载PEG催化皂化蜂蜡制备三十烷醇,其产率可由一般方法的18%提高到25%26%,而且所用碱量大大减少,反应时间也相应缩短。4.2酯的合成:一般情况下,羧酸钠与卤代烃反应成酯的收率很低,直接用于酯的合成,实际应用价值不大,但若在反应体系中加入固载PEG,则不仅使成酯反应条件温和,而且产率较高。如:将卤代烃和无水醋酸钾在聚苯乙烯固载PEG催化下反应,可高产率地得到相应酯。用固载聚乙二醇还可以催化合成硫氰酸苄酯3。4.3醚的合成:Williamson反应是合成醚,尤其是不对称醚的重要方法

10、。经典方法是先将醇或酚变成醇钠或酚钠,再与卤代烷反应,反应条件苛刻,不易操作。而用固载PEG作相转移催化剂时,则可以用固体的氢氧化钾(或氢氧化钠)为碱,直接以卤代烃与醇或酚为原料合成醚。该方法不使用醇钠,不必避水,成本低,操作方便。如在固载PEG催化下,可由氯化苄与一系列脂肪醇反应,高产率地合成出一系列苄基脂肪醚4。在固载PEG催化下,还可由对硝基氯苯与甲醇反应以合成对硝基苯甲醚:固载PEG还是制备芳氧基乙酸的有效催化剂。用固载聚乙二醇同样可以催化合成硫醚。例如,硫化钠和氯化苄在固载PEG催化下可得到二苄基硫醚。而用等摩尔量的非固载PEG催化该反应,未得到产品,这也证明固载PEG比非固载PEG

11、具有更强的催化活性。4.4C-烃化反应:活泼亚甲基化合物的C-烃化反应是CC键形成的重要方法,固载PEG同样可以催化该类反应。例如:在催化剂和氢氧化钾的存在下,可用正溴丁烷进行苯乙腈的丁基化反应1。丙二酸亚异丙酯在固载PEG催化下,可以顺利地发生C-烃基化反应。其中RX可分别为碘甲烷、溴乙烷、正溴丁烷及苄基溴,相应产物的收率可分别达到82.0%、79.5%、74.8%和92.5%。4.5N-烃化反应:邻位具有吸电子基团的-NH上的H具有一定的酸性,在氢化钠或醇钠作用下,易脱去质子。在相转移催化剂作用下,可以用氢氧化钾、氢氧化钠或碳酸钾、碳酸钠等代替氢化钠或醇钠脱去-NH上的质子,以利于N-烃基

12、化反应的发生。俞善信等发现乙酰苯胺在固载PEG催化下易发生N-烷基化反应4。邻苯二甲酰亚胺在固载化PEG作用下,能与卤代烃RX(苄基氯、溴乙烯和氯乙酸乙酯)反应,生成N-烃基取代物:吗啉和哌啶在固载PEG及助催化剂氟化钠及氯化亚铜等作用下,可以与2-氯-5-硝基苯甲醚作用合成两种重要的重氮感光材料中间体5。4.6消除反应(1)-消除反应:固载化PEG可以作为卡宾形成的催化剂6。卤仿在氢氧化钠及固载PEG的存在下产生二卤卡宾,若反应体系中有其它反应物存在时,二卤卡宾进一步与它们反应。Yanagida等就是应用聚苯乙烯固载的聚乙二醇甲醚作三相催化剂,在室温下成功进行了下列反应:利用固载PEG为催化

13、剂,还可以用苯甲醛和氯仿为原料合成扁桃酸。该方法与传统的扁桃酸合成方法比较起来,具有原料易得,操作简便等突出优势。(2)-消除反应固载聚乙二醇对脱卤化氢反应的催化作用也很强。反应只需将催化剂、卤化物、溶剂及氢氧化钾混合,在适当温度下反应一段时间,即可高产率地得到烯或炔。5展望由于固载PEG类化合物具有价廉易得、可回收、可重复使用、毒性小等方面的优点,适合于工业上的连续化作业,所以越来越受到化学工作者的重视。目前,对于固载PEG类化合物作为三相催化剂的研究大多仍局限于实验室阶段,致力于这一领域研究的工作者还有很多工作要做。相信随着这一领域研究工作的不断深入,固载PEG类三相催化剂的应用范围将得到进一步拓展,其应用前景也将更为广阔。参考文献1. 赵地顺.相转移催化原理及其应用.北京:化学工业出版社，2011