HP-β-CD水相中4-甲氧基苯甲硫醚的選擇性氧化

石東坡，許慧華

長江大學化學與環境工程學院，湖北 荊州 434023

亞砜和砜是重要的化學產品和化工中間體，廣泛應用于材料、化學、醫藥等領域[1-3]。硫醚氧化是最常用的合成亞砜和砜的方法之一[4-6]，如THOMPSONA等[7]報道了一種高效氧化硫醚的反應體系，但采用了過渡金屬釕(Ⅱ,Ⅲ)催化劑；PANDYA等[8]采用亞硫酸鈉氧化合成砜，反應體系沒有采用過渡金屬催化劑，但是反應收率僅為45%～96%。目前所報道的合成亞砜和砜的反應體系中，廣泛采用有機溶劑和過渡金屬催化劑[4-9]，反應完成后，需要進行有機相產物分離和催化劑清洗等，不可避免地造成了環境污染。因此，如何高效、綠色氧化硫醚合成亞砜和砜已備受關注。

羥丙基-β-環糊精(HP-β-CD)是一種結構特殊的大分子化合物，它無毒無害，可以選擇性地包結分子尺寸合適的有機物分子形成“主-客”體包結物[10-14]，HP-β-CD的親水性外壁可將形成的“主-客”體包結物均勻地分散于水溶液中，從而促使有機物溶解于水相中。不僅如此，HP-β-CD內腔還能誘導硫醚分子，催化硫醚氧化成亞砜或砜。筆者曾在β-環糊精水溶液中實現了苯甲硫醚的綠色氧化[15]，反應體系綠色高效。鑒于此，采用過氧化氫(H2O2)作為氧化劑，在HP-β-CD水溶液中構筑納米級微觀反應器，實現水相中選擇性氧化4-甲氧基苯甲硫醚，通過控制反應條件和H2O2的加入量，促使4-甲氧基苯甲硫醚合成4-甲氧基苯甲亞砜或4-甲氧基苯甲砜。不采用有機溶劑和過渡金屬催化劑，是一種環境友好的合成亞砜和砜的綠色方法。

1 試驗部分

1.1 主要試劑與儀器

羥丙基-β-環糊精，純度99%；4-甲氧基苯甲硫醚，純度98%；過氧化氫，體積分數30%；蒸餾水；Agilent 6890A/5975C氣質聯用儀(美國安捷倫公司)。

1.2 試驗方法

HP-β-CD水相中4-甲氧基苯甲硫醚氧化合成4-甲氧基苯甲亞砜和4-甲氧基苯甲砜的反應方程式見圖1。

圖1 HP-β-CD水相中4-甲氧基苯甲硫醚氧化反應Fig.1 Oxidation of 4-methylphenyl methyl sulfide induced by HP-β-CD

在一定溫度下(合成砜時為80℃)，將HP-β-CD完全溶解于30mL蒸餾水中，然后加入2mmoL 4-甲氧基苯甲硫醚和適量的H2O2(反應初始加入一部分，反應2h后再加入一部分)，分別研究反應時間、反應溫度、HP-β-CD物質的量、H2O2用量對4-甲氧基苯甲亞砜或4-甲氧基苯甲砜收率的影響。

2 4-甲氧基苯甲硫醚的氧化影響因素分析

2.1 反應時間

反應時間對4-甲氧基苯甲亞砜和4-甲氧基苯甲砜收率的影響結果如表1所示。當反應溫度為45℃時，4-甲氧基苯甲硫醚氧化的目標產物為4-甲氧基苯甲亞砜，最佳反應時間為5h，此時4-甲氧基苯甲硫醚的轉化率達89%，4-甲氧基苯甲亞砜的收率為87%，繼續增加反應時間，反應的轉化率和目標產物的收率均不會再增加。當反應溫度為80℃時，4-甲氧基苯甲硫醚氧化的目標產物為4-甲氧基苯甲砜，最佳反應時間也為5h，此時4-甲氧基苯甲硫醚的轉化率超過99%，4-甲氧基苯甲砜的收率為92%，繼續增加反應時間，4-甲氧基苯甲砜的收率均不變。

表1 不同反應時間下4-甲氧基苯甲硫醚的氧化結果

2.2 反應溫度

保持H2O2的體積為1.5mL，反應時間為5h，不同反應溫度下4-甲氧基苯甲亞砜和4-甲氧基苯甲砜收率的影響結果如表2所示。4-甲氧基苯甲硫醚的轉化率隨反應溫度升高而增加，當反應溫度達到70℃時，4-甲氧基苯甲硫醚的轉化率超過99%。氧化產物4-甲氧基苯甲亞砜的收率隨反應溫度升高先增加后降低，這可能是由于4-甲氧基苯甲亞砜進一步被氧化成4-甲氧基苯甲砜所致[15]，4-甲氧基苯甲亞砜最大收率為87%，此時的反應溫度為45℃。氧化產物4-甲氧基苯甲砜的收率隨反應溫度升高而增加，最佳反應溫度為80℃，最高收率為54%，需要增加氧化劑用量進一步提高收率。

表2 不同反應溫度下4-甲氧基苯甲硫醚的氧化結果

2.3 HP-β-CD 加入量

當反應時間為5h，反應物4-甲氧基苯甲硫醚加入量為2mmoL時，HP-β-CD的加入量對4-甲氧基苯甲亞砜和4-甲氧基苯甲砜收率的影響結果如表3所示。對于4-甲氧基苯甲硫醚氧化合成4-甲氧基苯甲亞砜反應體系，反應轉化率和目標產物亞砜的收率均隨HP-β-CD體積物質的量的增加而增加，可見HP-β-CD具有促進4-甲氧基苯甲硫醚氧化的作用[15]，HP-β-CD最佳加入量為1mmoL，進一步增加HP-β-CD的用量，反應轉化率和目標產物亞砜的收率不變。對于4-甲氧基苯甲硫醚氧化合成4-甲氧基苯甲砜反應體系，反應轉化率均大于96%，目標產物4-甲氧基苯甲砜的收率隨HP-β-CD物質的量的增加而增加，HP-β-CD最佳物質的量為1mmoL，此時目標產物4-甲氧基苯甲砜的收率達92%。

2.4 H2O2體積

氧化劑H2O2分二次加入(反應初始加入一部分，反應2h后再加入一部分)，其對反應結果的影響如表4所示。對于合成4-甲氧基苯甲亞砜反應體系，H2O2最佳體積用量為1.5mL，進一步增加H2O2體積，目標產物亞砜的收率不變；對比表4中序號2和序號3可知，采用分二次加入H2O2的方式，目標產物4-甲氧基苯甲亞砜的收率更高。對于合成4-甲氧基苯甲砜反應體系，H2O2最佳體積用量為5mL，采用分二次加入H2O2的方式(序號6和序號7)，目標產物4-甲氧基苯甲砜的收率更高，可達92%。

表4 不同H2O2體積時4-甲氧基苯甲硫醚的氧化結果

3 機理分析

目標反應產物4-甲氧基苯甲亞砜和4-甲氧基苯甲砜均通過Agilent 6890A/5975C型氣質聯用儀(美國安捷倫公司)進行表征。綜合影響因素的分析可知，提高反應溫度和增加氧化劑H2O2的體積用量均有利于合成4-甲氧基苯甲砜，而4-甲氧基苯甲亞砜的收率反而降低，由此可推測出4-甲氧基苯甲硫醚氧化時先生成4-甲氧基苯甲亞砜，再進一步氧化為4-甲氧基苯甲砜。可能的反應機理推測如圖2所示。

圖2 HP-β-CD水相中4-甲氧基苯甲硫醚氧化可能的反應機理Fig.2 Possible reaction mechanism of oxidation of 4-methylphenyl methyl sulfide induced by HP-β-CD

4 結論

1)在HP-β-CD水溶液中，實現了水相中選擇性氧化4-甲氧基苯甲硫醚反應，HP-β-CD在反應體系中既具有增溶反應物的作用，又具有促進氧化反應的作用。

2)在HP-β-CD水溶液中，4-甲氧基苯甲硫醚氧化合成4-甲氧基苯甲亞砜和4-甲氧基苯甲砜的最佳反應溫度分別為45℃和80℃，最佳反應時間均為5h；當4-甲氧基苯甲硫醚用量為2mmoL時，HP-β-CD的最佳加入量均為1mmoL，氧化劑H2O2的最佳體積用量分別為1.5mL和5mL(分二次加入)，4-甲氧基苯甲亞砜和4-甲氧基苯甲砜的最大收率分別為87%和92%。

3)反應體系條件溫和，沒有采用有機溶劑和過渡金屬催化劑，HP-β-CD自身無毒無害，是一種綠色合成4-甲氧基苯甲亞砜和4-甲氧基苯甲砜的方法。