2-甲基-1,4-萘醌的合成研究

李懿軒，王海洋，方 田，金 丹，許浩然，王守凱*

(1.中鋼集團(tuán)鞍山熱能研究院有限公司，遼寧 鞍山 114044;2.煤焦油系新型材料制備技術(shù)國家地方聯(lián)合工程研究中心，遼寧 鞍山 114044)

2-甲基-1,4-萘醌又名β-萘醌、維生素K3，是其他K類維生素合成的重要中間體。相比于其他K類維生素有著更強(qiáng)的止血活性，醫(yī)學(xué)上常用于防治出血、解痙、鎮(zhèn)痛，與維生素C一起可用于某些腫瘤疾病的治療[1]。因此開發(fā)和研究2-甲基-1,4-萘醌合成新方法有著重要意義。

關(guān)于2-甲基-1,4-萘醌的合成，國內(nèi)外已有相關(guān)文獻(xiàn)報道。(Ⅰ)以2-甲基萘為原料，在冰醋酸溶液中用鉻酐氧化得到。目前這種方法被人們普遍采用，但此方法會產(chǎn)生大量的含鉻廢水，對環(huán)境造成極大污染，選擇性差，有大量副產(chǎn)物生成，難以分離純化，產(chǎn)率低于51%[2]；(Ⅱ)以2-甲基萘為原料，在冰醋酸中用雙氧水氧化得到。此方法雖環(huán)境友好，但由于反應(yīng)活性原因，過氧化氫消耗過大，成本高，90℃的反應(yīng)溫度有使過氧化氫爆炸危險[3]；(Ⅲ)磷鉬釩雜多酸V1催化，雙氧水氧化2-甲基萘，此方法催化劑本身具有一定的污染，選擇性低有大量難以分離的6-甲基-1,4-萘醌，收率不高只有15%左右[4-5]；(Ⅳ)以2-甲基萘為原料，在冰醋酸中用間氯過氧苯甲酸氧化得到。此方法有著無催化劑、產(chǎn)品易分離、條件溫和等有點(diǎn)，但30%的收率限制了此工藝的應(yīng)用[6]；(Ⅴ)利用具有催化性能的TS-1(鈦分子篩)或以( NH4)2WO4為鎢源制備的 WO3/HMS分子篩為催化劑，以雙氧水為氧化劑在冰醋酸中氧化得到，該工藝條件溫和無污染，選擇性好，但所用催化劑價格昂貴，難以制得，需要進(jìn)一步的研究[7-10]。

本文以2-甲基萘為原料，經(jīng)過溴化、甲氧基化反應(yīng)合成出1-甲氧基-2甲基萘[11-12]，甲氧基產(chǎn)物在冰醋酸中以酞菁鐵為催化劑，雙氧水為氧化劑進(jìn)行氧化反應(yīng)制得2-甲基萘醌，通過對合成條件的進(jìn)一步優(yōu)化，使收率達(dá)到了64.7%，該工藝具有環(huán)保、選擇性好、收率高等優(yōu)點(diǎn)。有利于工業(yè)化生產(chǎn)，合成路線如圖1所示。

圖1 2-甲基-1，4-萘醌的合成路線

Fig.1 synthetic pathway for 2-methyl-1,4-naphthalenedione

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要儀器與試劑

儀器：Avance 500 MHz核磁共振波譜儀(瑞士Bruker)、Agilent1100HPLC/MS質(zhì)譜儀(美國Agilent公司)、Waters高效液相色譜儀(美國waters公司)、XT-4雙目顯微熔點(diǎn)測定儀(北京泰克儀器有限公司)。

試劑：酞菁鐵(99%)、冰醋酸(99%)、雙氧水(30%)(以上試劑均為AR)；2-甲基萘(95%)、甲醇(99%)、氫溴酸(48%)甲醇鈉(35%)(以上試劑均為工業(yè)級)；碘化亞銅按文獻(xiàn)制備。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 1-溴-2-甲基萘的合成(1)

250mL的四口瓶中加入14.2g(100mmol)2-甲基萘、18.1mL(160mmol)48%氫溴酸和50mL甲醇，0～5℃滴加18.4g(0.16mol)30%雙氧水，滴加完畢后保持0～5℃反應(yīng)8h，反應(yīng)完畢緩慢加入08mL40%氫氧化鈉水溶液，旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)除溶劑，減壓蒸餾收集136～138℃餾分，最終得到21g淡黃色液體1-溴-2甲基萘，純度大于 99%， 收率為 94%左右(以 2-甲基萘計(jì))。MS：1-溴-2-甲基萘的分子離子峰為220，與分子量相符。1H NMR(CDCl3)，δ：2.71(3H)，7.48(1H)，7.55(1H) ，7.63 (1H)，7.76 (1H)，7.83(1H)，8.39(1H)。

1.2.2 1-甲氧基-2-甲基萘的合成(2)

在裝有滴加漏斗、回流冷凝器、溫度計(jì)及攪拌器的150mL四口燒瓶中，依次加入1-溴-2-甲基萘22.1g(0.1mol)，碘化亞銅1.91g(0.01 mol)，N，N - 二 甲基甲酰胺 50 mL。加熱攪拌，在內(nèi)溫80℃左右滴加 28%甲醇鈉 23.2 g (0.12 mol)溶液 ，20min加畢，升溫至95℃反應(yīng)，分出甲醇，HPLC監(jiān)控至原料消失。 反應(yīng)液減壓過濾，濾液減壓蒸餾回收溶劑，濃縮液傾入水中，環(huán)己烷(60 m L×3)萃取。合并環(huán)己烷層。依次用稀鹽酸(30 m L×2)、水(30mL×2)洗滌， 無水硫酸鈉干燥。回收溶劑，減壓蒸餾，收集128～130℃餾分，得到16g無色油狀物2，純度99%，相對 1-溴-2-甲基萘的收率為92%。MS：1-甲氧基-2-甲基萘的分子離子峰為 172， 與分子量相符。1H NMR (CDCl3),δ：2.55(3H)，3.95(3H)，7.39(1H)，7.52(1H)，7.60(1H)，7.68(1H)，7.88 (1H)，8.21(1H)。

1.2.3 2-甲基-1,4-萘醌的合成(3)

250mL四口瓶中加入1g(1.8mmol)酞菁鐵，17.2g(100mmol)1-甲氧基-2-甲基萘和100mL冰醋酸，升溫至55℃開始滴加34g(300mmol)30%的雙氧水，1h滴加完畢后保持溫度繼續(xù)反應(yīng)4h，HPLC監(jiān)控至原料消失，反應(yīng)結(jié)束后加入50℃水200mL，而后分兩次加入400mL異丙醚萃取反應(yīng)液，加入200mL正己烷和5g活性炭，50℃攪拌30min，濾出活性炭，無水硫酸鎂干燥，回收溶劑后得產(chǎn)品11.1g，收率為64.7%。熔點(diǎn)104～105℃(文獻(xiàn)105～107℃)ESI-MS,m/z:172,1H-NMR (CDCl3) δ:8.051(2H)，7.717(2H)，6.831(1H)，2.194(3H)。

2 結(jié)果與討論

2.1 溫度對氧化反應(yīng)的影響

1-甲氧基-2-甲基萘與雙氧水的比例為1∶3，加入酞菁鐵5.5%后在不同溫度下進(jìn)行反應(yīng)，考察溫度對轉(zhuǎn)化率、選擇性和收率的影響，具體結(jié)果見表1。

表1 溫度對氧化反應(yīng)的影響

a:文中提到收率均為提純后收率。

由表1可以看出，轉(zhuǎn)化率隨著溫度的升高而升高，至55℃及以上后轉(zhuǎn)化率不再變化，選擇性先是不變后又隨著溫度的升高而降低。主要是因?yàn)楫?dāng)溫度過低時未達(dá)到原料的反應(yīng)活化能，導(dǎo)致轉(zhuǎn)化率受到影響。溫度過高后原料過度氧化，產(chǎn)生了大量的副產(chǎn)物，導(dǎo)致選擇性降低。收率也受到了相應(yīng)的影響，所以55℃為氧化最佳反應(yīng)溫度。

2.2 催化劑對氧化反應(yīng)的影響

為判斷何種催化劑適合該反應(yīng)，統(tǒng)一實(shí)驗(yàn)條件：1-甲氧基-2-甲基萘與雙氧水的比例為1∶3，加入催化劑5.5%，在55℃選用不同的催化劑反應(yīng)4h，結(jié)果如表2所示。

表2 催化劑對氧化反應(yīng)的影響

2.3 催化劑量對氧化反應(yīng)的影響

催化劑可以降低反應(yīng)的活化能，使反應(yīng)在較溫和的條件下也可以發(fā)生，量少對反應(yīng)改變較小，量多浪費(fèi)且對后處理有一定的影響，統(tǒng)一實(shí)驗(yàn)條件：1-甲氧基-2-甲基萘與雙氧水的比例為1∶3，55℃反應(yīng)4h，通過改變酞菁鐵的用量考察催化劑量對轉(zhuǎn)化率、選擇性和收率的影響，具體結(jié)果見表3。

表3 催化劑用量對氧化反應(yīng)的影響

由表3可知，當(dāng)催化劑投料量小于5.5%時，剩余大量原料，導(dǎo)致轉(zhuǎn)化率與選擇性均低；催化劑用量等于3.8%時，轉(zhuǎn)化率達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)水平但選擇性較低收率受到影響；催化劑用量大于3.8%時轉(zhuǎn)化率無明顯變化。但因?yàn)樯筛碑a(chǎn)物導(dǎo)致選擇性降低，收率也隨之降低，所以5.5%為催化劑的最佳投料量。

2.4 投料比對氧化反應(yīng)的影響

冰醋酸中加入酞菁鐵5.5%，55℃反應(yīng)4h，通過改變1-甲氧基-2-甲基萘與雙氧水用量的物質(zhì)的量比來考察不同物質(zhì)的量比對轉(zhuǎn)化率、選擇性和收率的影響，具體結(jié)果見表4。

表4 投料物質(zhì)的量比對氧化反應(yīng)的影響

Tab.4 Effect of ratio 1-methoxyl-2-methylnaphthaleneand H2O2 on the oxidation reaction

由表4可知，當(dāng)投料比小于3∶1時(雙氧水∶1-甲基-2-甲基萘)由于原料未完全反應(yīng)完導(dǎo)致轉(zhuǎn)化率和選擇性低，收率也相應(yīng)較低。隨著投料比逐漸增大，轉(zhuǎn)化率達(dá)到最高值后不再發(fā)生變化，但選擇性因?yàn)殡p氧水過多使原料過度氧化，副產(chǎn)物增加而變差，收率降低。所以當(dāng)1-甲氧基-2-甲基萘醌與雙氧水物質(zhì)的量比控制在3∶1時，條件最優(yōu)。

3 結(jié)論

起始原料為2-甲基萘，通過芳環(huán)上的溴化反應(yīng)，甲氧基化反應(yīng)制備1-甲氧基-2-甲基萘，再以酞菁鐵為催化劑，過氧化氫為氧化劑氧化制得2-甲基-1,4-萘醌，此方法原料易得，環(huán)境友好，收率和質(zhì)量穩(wěn)定，所得產(chǎn)品純度較高，氧化反應(yīng)收率為64.7%， 各步反應(yīng)產(chǎn)物均經(jīng)過熔點(diǎn)、MS、1H NMR 確認(rèn)。工藝路線成熟，操作方便，適合工業(yè)化生產(chǎn)。