金屬Salen配合物的合成及其催化性能研究

單洪亮

(寧波貝斯美投資控股有限公司，浙江 寧波 315000)

金屬Salen配合物是一類重要的有機反應催化劑，它可在非常溫和的條件下以高產率、高選擇性地催化許多重要有機反應，如：Diels-Alder反應，烯烴環氧化，Strecker反應，催化氧化等[1-5]。另外，從結構上分析，Salen配體還具有合成簡單，結構容易修飾，并可與多種金屬(Cr、Al、Co、Cu、Zn、Ni等)配合等優點而受到了化學家的廣泛關注[6-9]。

苯偶酰是一種重要的有機合成中間體，其在醫藥、香料、日用化學品生產中有著廣泛的應用[10-11]。苯偶酰的一種重要合成方法是以安息香為原料，通過將羥基氧化而得到。目前，科學家已發展了多種氧化劑或氧化方法對安息香進行氧化而得到苯偶酰[12-14]，但是空氣為氧化劑的催化氧化方法報道較少，研究安息香的催化氧化合成苯偶酰具有重要意義。

本研究探索了以安息香為原料，用金屬salen配合物為催化劑，空氣為氧源來合成苯偶酰。在研究中，我們對催化劑、催化劑用量、堿、反應溫度、反應時間等進行了系統優化，發展以一個綠色、高效、高產率(96%)的氧化條件合成了苯偶酰。同時，我們探索了對催化劑—Co(Salen)的回收利用，用水做萃取劑，可對Co(Salen)催化劑進行回收，研究表明：用該方法回收的催化劑在第2次催化安息香氧化時可以以79%的收率得到產物。

1 實驗部分

1.1 主要儀器與試劑

旋轉蒸發儀(Büchi，R210)，熔點儀(Büchi，M-560)，液相色譜-質譜聯用儀(Thermo LCQ Fleet)，傅里葉變換紅外光譜儀(Nicolet Nexus)，核磁共振儀(Bruker AV 400)，元素分析儀(EA3000)，X-射線衍射儀(荷蘭Empyrean)，三用紫外線分析儀(ZF-6型)，電子天平(Sartorius,BSA,124)， ACO系列電磁式空氣泵(ACO-005)。

安息香(99%，安耐吉化學)，水楊醛(98%，安耐吉化學)，乙二胺(99%，安耐吉化學)，DMF(分析純，江蘇強盛功能化學)，無水乙醇(分析純，杭州雙林化工)，乙酸乙酯(分析純，潤捷化學)，石油醚(分析純，廣東光華科技)，CoSO4·7H2O(99%，國藥集團化學)，Zn(OAc)2(99.5%，安耐吉化學)，Ni(NO3)2·6H2O(99.5%，安耐吉化學)，Cu(OAc)2·H2O(99.5%，安耐吉化學)， KOH(分析純西隴化工，分析純)，Na2SO4(分析純，潤捷化學)。

1.2 金屬Salen催化劑1a-1d的合成

圖1 催化劑1a-1d合成路線

金屬Salen催化劑1a-1d的合成路線如圖1所示：首先，以水楊醛和乙二胺為原料通過縮合得到Salen配體；然后，在Salen配體的有機溶劑中，加入金屬鹽的水溶液或醇溶液生成金屬Salen配合物。

1.2.1 Co(Salen) (1a)催化劑的合成與表征

在250 mL三頸瓶中加入無水乙醇 (80 mL) 和水楊醛 (1.6 mL，0.018 mol)。室溫攪拌下，加入乙二胺 (0.5 mL，0.0075 mol)，反應30 min后生成亮黃色的雙水楊醛縮乙二胺片狀晶體—Salen配體。用75℃水浴加熱至亮黃色片狀晶體溶解后，將硫酸鈷(0.0075 mol) 的水溶液 (15 mL) 滴入三頸燒瓶中。在75℃下攪拌反應50 min，抽濾，得暗紅色或棕色Co(Salen)催化劑，催化劑用無水乙醇洗滌三次，真空干燥，得產品Co(Salen)催化劑，單步收率56%。結構表征如下：MS (+ESI): m/z (%) = 325 (100) [M]+， 326 (38) [M+H]+；Found：C，11.22；H，4.31；N，4.99。Calc.for C16H14CoN2O2：C，59.09；H，4.34；N，8.61%。

1.2.2 Cu(Salen) (1b) 催化劑的合成與表征

Cu(Salen) (1b) 催化劑的合成步驟與Co(Salen)催化劑一致，收率82%。結構表征如下：MS(+ESI)：m/z(%)=330 (100) [M+H]+；Found：C，58.29；H，3.87；N，8.00。Calc.for C16H14CuN2O2：C，58.26；H，4.28；N，8.49%。

1.2.3 Cu(Salen) (1c) 催化劑的合成與表征

Cu(Salen)(1c)催化劑的合成步驟與Co(Salen)催化劑一致，收率92%。結構表征如下：MS(+ESI)：m/z(%)= 331 (100) [M+H]+，353 (59) [M+Na]+；Found：C，54.36；H，4.04；N，7.33。Calc.for C16H14ZnN2O2：C，57.94；H，4.25；N，8.45%。

1.2.4 Ni(Salen) (1d) 催化劑的合成與表征

Ni(salen)(1d) 催化劑的合成步驟與Co(Salen)催化劑一致，收率60%。結構及表征如下：MS(+ESI)：m/z(%)=325(100) [M+H]+，347 (50) [M+Na]+；Found：C，58.28；H，3.94；N，7.93。Calc.for C16H14NiN2O2：C，59.13；H，4.34；N，8.62%。

1.3 安息香催化氧化與表征

在100 mL三頸瓶中，依次加入安息香 (1.08 g，5.1 mmol)、溶劑 (26 mL)，等安息香溶解后加入金屬Salen催化劑(0.15 mmol，3 mol%)、堿(3.57 mmol)。水浴加熱至所需溫度后，向反應液的底部通入空氣，并將體系加熱，利用TLC跟進反應至完全。反應結束后，將反應液冷卻到室溫，加入乙酸乙酯和水，水相用乙酸乙酯萃取2次，合并有機相(若用DMF為溶劑，有機相再用水洗3次)，用飽和食鹽水洗滌，用無水Na2SO4干燥，過濾、減壓濃縮、柱層析得到苯偶酰。

Rf=0.74(EtOAc:PE=1:9)。m.p.94.6～95.8℃。1H NMR(400MHz，CDCl3)：7.99～7.97(m，2H)，7.68～7.64(m，1H)，7.53～7.49(m，2H)。13C NMR(100 MHz，CDCl3)：194.6，135.0，133.0，129.9(×2)，129.1(×2)。Found：C，78.47；H，4.21。Calc.for C16H16N2O2：C，79.98；H，4.79%。IR(KBr)，ν，cm-1：3064，1660，1593，1450，1211，1170，876，718 cm-1。MS (+ESI): m/z (%) =233 (100) [M+Na]+。

1.4 金屬Salen催化劑的回收利用

在裝配有攪拌器、回流冷凝管和空氣導管的100 mL三頸瓶中，依次加入安息香 (1.08 g，5.1 mmol)、乙醇(26 mL)、Co(Salen)催化劑(0.05 g，0.15 mmol)、K2CO3(0.49 g，3.57 mmol)。反應液在80℃下加熱，并通入空氣，利用TLC分析跟蹤反應至反應完全。反應結束后將反應液冷卻到室溫，并加入乙酸乙酯和水，水相用乙酸乙酯萃取1次，合并有機相。有機相用水(25 mL)洗滌2次，合并水相，減壓濃縮去除水得到Co(Salen)催化劑進行下次實驗。有機相用Na2SO4干燥，減壓濃縮，柱層析得黃色固體苯偶酰。

2 結果與討論

2.1 安息香氧化反應條件優化

安息香催化氧化合成苯偶酰中，我們探索了催化劑、堿和反應溶劑對反應產率的影響，如表1所示。在實驗中，反應的溫度為80℃，反應時間為1 h。首先，我們根據文獻[11]報道的反應條件，以DMF為溶劑，KOH為堿，空氣為氧化劑，對四種不同金屬Salen配合物Co(Salen)，Cu(Salen),Zn(Salen)，Ni(Salen)進行了研究(實驗1～4)。

表1 金屬Salen催化氧化安息香條件優化

實驗催化劑堿溶劑轉化率/%分離產率/%1Co(Salen)KOHDMF100892Cu(Salen)KOHDMF100703Zn(Salen)KOHDMF-344Ni(Salen)KOHDMF-215Co(Salen)K2CO3DMF-676Co(Salen)K3PO4DMF40-7Co(Salen)Na2CO3DMF71-8Co(Salen)NaOHDMF-549Co(Salen)KOHTHF34-10Co(Salen)KOHCH3CN968111Co(Salen)KOHH2O17-12Co(Salen)KOHEtOH-H2O967913Co(Salen)K2CO3EtOH1009514Co(Salen)KOHEtOH10091

反應條件：安息香(1.08 g，5.1 mmol)，M(Salen) (3 mol%)，溶劑 (26 mL)，堿(3.57mmol)，air，80℃，1h。

實驗表明：四種催化劑中，Co(Salen)以89%的最好產率得到苯偶酰。在實驗過程中，KOH容易吸水而潮解?；谏鲜鰧嶒灲Y果，我們以Co(Salen)為催化劑，在相同的實驗條件下對四種不同的堿(K2CO3，K3PO4，NaOH，Na2CO3)進行了探索(實驗5～8)。用HPLC分析可知：用K3PO4和Na2CO3為堿，有許多原料沒有反應完全，原料的轉化率分別40%和71%。在相同的條件下，用K2CO3和NaOH為堿，原料反應完全，并分別以67%和54%的分離產率得到苯偶酰。因此K2CO3和KOH在安息香的催化氧化中效果較好。

在此基礎上，我們以Co(Salen)為催化劑，KOH為堿對反應的溶劑進行了探索(實驗9～14)。我們首先嘗試了THF，經HPLC分析可知，原料的轉化率只有34%。而以CH3CN為溶劑時，原料幾乎反應完全(96%)，并以81%的分離產率得到苯偶酰。在探索Co(Salen)催化劑的溶解性時發現：該催化劑在H2O中具有較好溶解度。為了提高該催化氧化反應的綠色性，我們大膽嘗試了H2O為溶劑，結果發現：在相同的反應溫度和反應時間下，原料的轉化率只有17%。與其他有機溶劑相比，EtOH是一種綠色溶劑。因此，我們嘗試了EtOH和H2O(v/v=1/1)的混合溶劑進行反應。用TLC分析可知：反應很干凈，原料的轉化率也大大提高到了96%，并以79%的產率得到苯偶酰。H2O中加入EtOH可提高反應轉化率和產率的原因可能是EtOH提高了原料的溶解度。在相同的條件下，以K2CO3為堿，EtOH(95%)為溶劑時，我們以95%的最好分離產率得到了產物。若用KOH為堿，EtOH為溶劑，反應也順利進行，并以91%的產率得到產物。因此，EtOH是安息香的催化氧化的一種理想溶劑。與DMF相比，大大提高了反應的綠色性。

基于上述實驗結果，我們認為安息香催化氧化的優良催化劑、溶劑和堿分別為Co(Salen)、EtOH、KOH或K2CO3。

2.2 Co(Salen)催化氧化安息香在不同時間的轉化率

反應溫度為80℃時，我們得到了安息香催化氧化的最佳催化劑、堿和反應溶劑。然后，對反應時間進行了系統研究。方法如下：當反應液在80℃下攪拌到一定時間時，用滴管吸取少量反應液至試管中，加入乙酸乙酯和水，取有機層樣品進行HPLC分析，根據原料和產物的峰面積比來估算反應的轉化率，結果見表2所示。實驗表明：在該反應條件下，反應迅速進行，在10 min后，安息香的轉化率已達到82%，隨著反應時間的延長，轉化率增幅越來越小，反應至60 min時，轉化率達到了99%。反應時間延長至75 min時，原料轉化完全。

2.3 溫度對Co(Salen)催化氧化安息香

我們以Co(Salen)為催化劑，EtOH為溶劑，K2CO3為堿，研究了溫度對反應的影響，結果見表3所示。結果表明：在室溫下反應28 h，仍然許多原料沒有反應完全。在50℃下反應7 h，有少量原料沒有轉化，苯偶酰的分離產率較低(67%)。將反應的溫度提高至80℃時，反應速度大大提高，反應1 h時，我們以91%的產率得到產物。

基于上述實驗結果，我們認為安息香催化氧化較為合適的反應溫度為80℃。

表2 Co(Salen)在80℃催化氧化安息香在不同時間的轉化率

時間/min原料峰面積產物峰面積轉化率/%1012.0353.682208.1553.5887302.7972.1196401.0460.7998600.652.2399750100100900100100

反應條件：安息香(1.08 g，5.1mmol)，Co(Salen)(0.05 g，3 mol%)，K2CO3(3.57 mmol)，EtOH (26 mL)，80℃。

表3 Co(Salen)在不同溫度下催化氧化安息香

溫度/℃時間/h收率/%室溫28-5076780191

反應條件：安息香(1.08 g，5.1 mmol)，Co(Salen) (0.05 g，3 mol%)，K2CO3(3.57 mmol)，EtOH (26 mL)，air。

2.4 Co(Salen)催化劑的回收與利用

金屬催化劑的回收利用不僅可以降低成本，還能減少金屬對產品的污染。因此，在金屬催化的有機反應中，金屬催化劑的回收與重復使用受廣泛重視。在安息香的催化氧化中，我們對Co(Salen)催化劑的回收與重復使用進行了研究。我們發現：Co(Salen)催化劑在水中具有較好的溶解度，而氧化產物--苯偶酰在乙酸乙酯中具有很好的溶解性。因此，我們設想可用萃取的方法來實現Co(Salen)催化劑和氧化產物的有效分離，即在催化氧化反應完全后，向反應液加入適量EtOAc和H2O，從而可使氧化產物進入有機相，而Co(Salen)催化劑進入水相。兩項分離后將水相的水去除后即可回收得到Co(Salen)催化劑。氧條件的優化中，我們知道乙醇中含有少量水對反應的影響很小。因此，我們認為在催化劑的回收中，將水相的水去除后所得催化劑可直接進行下次催化氧化，無需對催化劑進行干燥處理。

基于上述分析，我們用的萃取方法對Co(Salen)催化劑的回收及重復使用性能進行了實驗，結果如表4所示。從表中的結果可知，催化劑回收后進行第1次重復實驗，苯偶酰的分離產率下降至91%，但是第2次催化使產率下降到了79%，反應時間也需延長至180 min。

表4 Co(Salen)催化劑的重復使用性能研究

反應條件：安息香(1.08 g，5.1 mmol)，Co(Salen) (0.05 g，0.15 mmol，3 mol%) EtOH (26 mL) K2CO3(0.49 g，3.57mmol)，air，80℃。

3 結論

(1)本文以金屬Salen為催化劑，空氣為氧化劑，對安息香催化氧化合成苯偶酰進行了系統研究，發展了一個綠色、高效、高產率的反應條件實現了安息香的催化氧化得到苯偶酰。該催化氧化條件為：以Co(Salen)為催化劑，空氣為氧化劑，EtOH為溶劑，K2CO3為堿，80℃反應1 h。在優化條件下，苯偶酰的分離產率達到91%以上。

(2)利用Co(Salen)催化劑在水中較好的溶解性，發展了萃取的方法對Co(Salen)催化劑進行有效回收。該回收方法與我們的優化反應條件具有很好的兼容性，回收所得催化劑具有較好的催化性能。