芳香酮类化合物的合成研究进展

芳香酮类化合物的合成研究进展

1芳香酮类化合物众所周知，作为一种重要的化工机械和综合体，香酮类化合物在医药、农药、染料等领域有广泛应用。例如,2-酰基-6-甲氧基萘是制备消炎镇痛药萘普生的重要中间体;4,4′-二氟二苯甲酮主要用于合成新型强效脑血管扩张药物“氟苯桂嗪”及治疗老年神经性痴呆症药物“都可喜”等药物;多羟基二苯甲酮广泛应用于塑料、树脂、涂料、合成橡胶、感光材料及化妆品行业。根据文献报道,芳香族化合物的Friedel-Craft酰基化(F-C酰基化反应)[3~5]和芳香醇的氧化脱氢是目前芳香酮类化合物的主要合成方法。其中,F-C酰基化反应通常以酰氯、酸酐、羧酸作为酰基化试剂,而催化剂的选择是此类反应的核心问题,文献报道的催化剂包括传统的Lewis酸催化剂、质子酸催化剂和固体酸催化剂等。芳香醇的氧化脱氢是制备芳香酮的另一个重要合成方法[6~8],这类反应传统上采用铬盐、高锰酸盐、Pd基催化剂等,而这些催化体系经常需要一种或是多种相对昂贵的金属,同时会产生大量的金属废弃物。随着人们环保意识的日益增强,发展绿色、经济、高效的催化剂体系已成为当前发展的趋势,而以空气、双氧水或氧为氧源,同时将反应转移到离子液体、超临界二氧化碳、水相条件下进行,已成此领域的研究热点之一。2fried-cratas酰基化反应2.1氯化锰催化剂传统的Lewis酸催化剂包括无水氯化铝、无水氯化锌、无水三氯化铁、无水四氯化锡等,催化剂的作用是增强酰基碳原子上的正电荷,提高进攻试剂的亲电反应能力。此类催化剂作用下的F-C酰基化反应工艺具有酰化产物收率高、反应条件温和、廉价易得等优点、到目前为止,无水氯化铝仍然是工业上经F-C酰基化反应制备芳香酮类化合物的主要催化剂。Pivsa-Art等分别以氯化铝、氯化锰等金属氯化物为催化剂对2-甲氧基萘与酰氯的F-C酰基化反应进行了研究,结果发现以氯化铝作为催化剂时,α位取代产物的选择性较差;而以氯化锰作为催化剂时,其选择性和收率均很高,在50℃条件下反应,α位取代产物的收率达到了99%。王秀兰等以无水氯化铝为催化剂,对高度钝化的间二氟苯的F-C酰基化反应进行了研究,并通过正交实验得到了反应的优化条件,当n(间二氟苯)∶n(无水氯化铝)∶n(氯乙酰氯)=1∶1∶1.3、反应时间4.3h、反应温度50~55℃时,2-氯-2′,4′-二氟苯乙酮的收率可达90%以上。黄向红探讨了对硝基苯甲酰氯和氯苯在无水氯化铝催化作用下,生成4-硝基-4′-氯二苯甲酮的F-C酰基化反应,通过实验条件的优化,当n(对硝基苯甲酰氯)∶n(氯苯)∶n(无水氯化铝)=1.0∶2.0∶1.3、反应温度70℃、反应时间1.5h时,4-硝基-4′-氯二苯甲酮的收率为84.3%。虽然Lewis酸催化剂催化的F-C酰基化反应收率普遍较高,但此类催化剂存在着以下缺点:遇水易分解、自身有腐蚀性、不易回收使用、后处理困难、不符合可持续发展的要求等。因此,对该类催化剂进行改进已成为当前科研的热点之一,并取得了一定的进展。例如,Deshmukh等将无水氯化铝负载于苯乙烯和二乙烯基苯共聚物后,提高了其对水的稳定性,以二硫化碳作溶剂催化乙酰氯酰化甲苯时,得到的甲苯邻位酰化产物比例高,且当苯乙烯的交联度为20%时,甲苯的邻位酰化产物的比例也随之增大,其选择性达到61.8%,而当以二氯甲烷作溶剂时,此反应不发生,同时反应后的催化剂可在盐酸中活化后,重复使用3次以上,其活性与新鲜的催化剂相同。此外,Clark等将无水氯化铝负载在沸石、粘土等载体上,研究了它们对F-C酰基化反应的活性及选择性的影响,结果表明负载后的催化剂的活性及选择性都优于未经负载的催化剂。2.2绿色催化剂的特点固体酸催化剂因与反应物处于不同相,可回收并重复使用,且不存在设备腐蚀和环境污染等问题,被称为绿色催化剂。目前,所报道的用于F-C酰基化反应的固体酸催化剂主要有沸石分子筛、固体超强酸、固体杂多酸、金属氧化物、大孔树脂等[17~23],现分别介绍如下。2.2.1催化剂的稳定性沸石分子筛具有很宽的可调节酸中心和酸强度、选择性好、活性高、可回收再生、不污染环境等诸多优点。沸石分子筛的种类很多,在众多沸石分子筛中又以H-β沸石分子筛的运用最为广泛,人们已成功地合成了一系列不同尺寸和结构的沸石分子筛催化剂用于F-C酰基化反应。Chiche等最早使用Ce3+交换的Y型沸石分子筛催化甲苯与脂肪酸的酰化反应,发现随着脂肪酸碳链的增加,产物的收率明显增加,最高可达到96%。Rohan等以H-β沸石分子筛为催化剂,对苯甲醚与乙酸酐的F-C酰基化反应进行了研究,目标产物对甲氧基苯乙酮的选择性大于98%,并指出对甲氧苯乙酮在H-β沸石分子筛催化剂表面的吸附和对H-β沸石分子筛孔道的堵塞是到导致催化剂失活的主要原因。Guidotti等以H-β沸石分子筛为催化剂系统地研究了各种芳环化合物与乙酸酐F-C酰基化反应,重点考察了取代基对F-C酰基化反应的影响,其活性顺序为:苯甲醚>2-甲氧基萘>邻二甲苯≈甲苯>2-甲基萘>氟苯,例如,苯甲醚做反应底物时,乙酸酐的转化率达到了95%;而氟苯做反应底物时,乙酸酐的转化率只有1%。Sheemol等发现在甲苯的F-C酰基化反应中,La改性的H-β沸石分子筛催化剂比未改性的催化剂具有更高的反应活性,在n(甲苯)∶n(乙酸酐)=1∶2,La-β沸石分子筛催化剂0.25g,反应温度135℃条件下反应6h,苯甲醚转化率为66%,对位产物的选择性达到了100%。此外,Zhao等研究了使用乙酸酐为酰基化试剂在不同酸改性的H-β沸石分子筛催化作用下对苯甲醚进行F-C酰基化反应,取得了不错的结果,其中盐酸改性的H-β沸石分子筛催化剂具有较高的稳定性,在重复使用3次后,苯甲醚的转化率仅降低了5%。Winé课题组采用水热合成法得到了负载型H-β/SiC沸石分子筛催化剂,并在固定床中对苯甲醚与苯甲酰氯的F-C酰基化反应进行了研究,结果表明,H-β/SiC沸石分子筛和未负载的H-β沸石分子筛相比,催化剂的稳定性显著提高,在反应时间为1h时,苯甲酰氯的转化率为73%,对位产物的选择性为96%,当反应进行12h时,苯甲酰氯的转化率降低了13%,而未负载的H-β沸石分子筛做催化剂时,当反应进行6h时,苯甲酰氯的转化率降低了43%。目前,沸石分子筛催化的F-C酰基化反应绝大部分集中在高度活化的芳环底物上,对惰性的芳环化合物的酰化反应研究较少,并且适应反应单一,主要停留在实验室阶段,亟待进行系统、深入的研究和工业生产可行性的分析。2.2.2f-c酰基化反应杂多酸是一种重要的无机酸,具有强酸性、强氧化性及准液相行为等特性,且由于其组成和结构的多样性,性能可以大幅度调变,在许多反应中表现出优异的催化性能。近年来,杂多酸催化剂已被应用于F-C酰基化反应中。例如,Ji等报道了在磷钨酸催化剂作用下乙酸酐对苯甲醚的F-C酰基化反应,收率最高可达98%。Kaur等报道了各种杂多酸催化苯甲醚与乙酸酐的F-C酰基化反应,结果发现,以40%PW/SiO2为催化剂,在n(苯甲醚)∶n(乙酸酐)为10~20之间,反应温度为90~100℃时,对位产物的收率为98%,且选择性很高。Tagawa等以杂多酸为催化剂对苯、甲苯与苯甲酸酐的F-C酰基化反应进行了系统的研究,重点考察了金属离子对杂多酸催化剂的改性作用,在反应试剂为1.17mol、苯甲酸酐6.6mmol、催化剂0.03mmol,反应时间2h的条件下,H0.5CsP2.5W12O40催化剂具有较高的反应活性,结果见表1。从表中数据可以看出,H0.5CsP2.5W12O40催化剂有效地催化了甲苯与苯甲酸酐生成芳香酮的F-C酰基化反应,通过对条件的优化,收率可达98%,并推测产物的吸附是导致催化剂失活的主要原因。2.2.3f-c酰基化反应固体超强酸具有易分离、不腐蚀设备、后处理简单、选择性高、可在较高温度范围内使用等优点和广阔的工业应用前景,已受到国内外学者广泛关注,成为固体酸催化剂研究中的热点。Cardoso等将磷钨酸负载于二氧化硅上得到HPW/SiO2固体超强酸催化剂并应用于苯甲醚和乙酸酐的F-C酰基化反应中,以甲苯作溶剂,110℃下反应1h,苯甲醚的转化率达到了90%,对位产物的选择性大于90%,并通过氮气吸附、FT-IR、XRD、TG表征手段对催化剂结构进行分析,并推测了可能的催化反应机理。Arta等系统地研究了负载型金属氧化物与复合金属氧化物在甲苯与不同酰化试剂反应中的催化效果,发现SO42-/ZrO2固体超强酸催化剂在甲苯与苯甲酸酐的F-C酰基化反应中具有较好的催化活性,收率最高可达到92%。Yi等专门针对惰性芳环化合物研发出一种新型催化剂:RE(OPf)3+PfOH(RE=Sc、Y、La、Lu;Pf=全氟辛烷磺酸根)催化苯与苯甲酰氯的反应,收率最高达到86%,催化剂重复使用5次收率仍保持83%以上,是一种高效、稳定、环保的催化剂。固体超强酸催化剂虽然在F-C酰基化反应表现出了较高的反应活性,但是因为酸性太强而容易积碳造成催化剂的中毒失活,制约了其工业化应用。2.2.4-乙酰基-6-甲氧基催化剂大孔树脂作为固体酸催化剂的一种,具有机械强度强、催化活性高等优点,已广泛地应用于F-C酰基化反应中。例如,Yadav等以离子交换树脂为催化剂对苯甲醚的F-C酰基化反应进行了系统的研究,取得了令人瞩目的成果,对甲氧基苯乙酮的选择性达到了100%,且催化剂可以重复使用。Schuster等报道了在Nafion/SiO2催化剂作用下,2-甲氧基萘与乙酸酐的F-C酰基化反应,重点考察了Nafion负载量和溶剂对反应的影响,研究发现随着Nafion负载量的增加,乙酸酐的转化率和目标产物2-乙酰基-6-甲氧基萘的选择性随之增加,当负载量为80%时,乙酸酐的转化率达到了94%;同时考察了溶剂的影响,当用弱极性的甲苯作溶剂时,2-乙酰基-6-甲氧基萘的选择性只有6%,而用强极性的硝基苯作溶剂时,2-乙酰基-6-甲氧基萘的选择性增加到了21%。此外,Martínez将Nafion负载到SBA-15上应用于苯甲醚的F-C酰基化反应,显著提高了催化剂的稳定性,再生的催化剂仍具有新鲜催化剂93%的催化活性。但大孔树脂价格较高且不能在高温下使用,而且在有机溶剂中易发生溶胀现象,严重制约了其在F-C酰基化反应中的应用。2.3邻三氟甲基苯甲酰氯法Posternak报道了F-C酰化反应的一种新型催化剂。该类型催化剂催化活性高,反应条件温和,以其为催化剂进行邻三氟甲基苯甲酰氯与氟苯的F-C酰化反应时,在n(邻三氟甲基苯甲酰氯)∶n(氟苯)=3∶1、反应温度85℃的条件下,对位产物的收率最高达到了99%。同时,催化剂用量少,只需传统催化剂用量的1%,并可回收重复使用,具有广阔的工业前景。3香醇氧化脱氢反应3.1超临界二氧化碳催化剂芳香醇的氧化制备芳香酮的反应广泛应用于精细化工品和有机中间体的合成中,传统上采用铬盐、乙二酰氯、高价碘等作为催化剂或氧化剂,在工业生产中不但生产成本较高,而且反应的副产物容易造成环境污染。因此,近年来该类反应的研究主要集中在开发绿色、温和、经济高效的催化体系上,在较温和的条件下,以空气、氧、双氧水作为氧化剂的高效催化反应体系是当前研究的热点。Pd基催化剂在醇的氧化反应中一直占有重要的地位。例如,Mori等将Pd直接浸渍到羟磷灰石上得到Pd-HAP[Ca10(HPO4)(PO4)5(OH)]催化剂,其对苯乙醇的氧化反应表现出了很好的催化剂活性,在无溶剂、0.1MPa氧、160℃条件下反应24h,苯乙酮收率大于99%,而且重复使用3次后,催化剂的活性只降低了1%。Hou等报道了在超临界二氧化碳体系中以聚乙二醇负载纳米Pd为催化剂、以氧为氧化剂对各种醇氧化反应的研究成果,由于在反应条件下聚乙二醇溶于超临界二氧化碳体系中,因此,Pd分子簇能以纳米颗粒高度分散在液态的聚乙二醇基质中,这种纳米Pd负载催化剂在循环使用后,选择性只有微弱的下降,活性反而上升,主要是由于Pd高度分散在聚乙二醇基质上,防止了Pd颗粒的聚集,从而使催化剂的稳定性大大提高。尽管Pd基催化剂在芳香醇的氧化过程中表现了良好的催化活性和稳定性,并且使用范围广,但Pd等贵金属催化剂价格昂贵,成本高。因此,开发以过渡金属为主催化活性组分的催化体系是当前的研究热点之一。例如,He等报道了将Co基催化剂负载于聚乙二烯-600(PEG-600)上,考察了其在芳香醇氧化反应中的催化活性,并重点考察了溶剂的影响。以Co(Ⅱ)/ZnO/PEG-600为催化剂,氧为氧源,在无溶剂、70℃条件下反应9h,二苯酮的收率为77%,其选择性为99%,当在超临界二氧化碳条件下反应时,二苯酮的收率达到91%,其选择性为99%。3.2-苯乙醇pe脱氢反应在芳香醇脱氢制备芳香酮的反应中,唯一的副产物是氢气,具有易分离、无腐蚀性、对环境无污染等优点,具有广阔的工业前景。目前,国内外在此领域的研究仍处在实验室阶段。其中,Baiker小组取得了令人瞩目的成果,他们以0.5%(m/m)Pd/A2O3为催化剂,在固定床中超临界二氧化碳体系下对1-苯乙醇(PE)脱氢反应进行了系统的研究,并重点对反应条件进行了优化,如表2所示。由表可以看出,在低温下,PE的转化率和苯乙酮的选择性都很低,当温度从90℃增加到165℃时,PE的转化率随之增加,而选择性总保持在96%以上。在优化反应条件下,催化剂连续使用300h后,仍保持较高活性。4其他方法4.1u3000反应条件对查耳酮收率的影响利用芳香醛和酮的交叉羟醛缩合反应(即Claisen-Schmidt缩合反应)也可以制备芳香酮。例如,Fang等以N-羰基功能化咪唑离子液体(TSILs)为催化剂,对苯甲醛与不同的乙酰酮经Claisen-Schmidt缩合合成查耳酮的反应进行了系统的研究,考察了不同反应条件对查耳酮收率的影响,如下式所示。以[TMPSA][HSO4]离子液体催化剂为例,在n(离子液体)∶n(苯甲醛)∶n(乙酰酮)=3∶10∶10,反应温度为14