2-烷基蒽醌的合成研究進展

任相偉，湯紅梅，李繼新

(1.天津大學理學院，天津 300072；2.天津科技大學理學院，天津 300457；3.天津黃埔鹽化工程技術有限公司，天津 300451)

2-烷基蒽醌是一種具有重要研究價值的精細化學品，廣泛應用于醫藥中間體[1]、染料、樹脂、阻聚劑[2]、過氧化氫工作液載體[3]等領域。如2-甲基蒽醌是抗腫瘤藥物的中間體[4]；2-叔丁基蒽醌是合成樹脂的阻聚劑和聚合催化劑[5]；2-丁基蒽醌、2-戊基蒽醌是生產過氧化氫工作液必不可少的載體[6-7]。近幾年隨著過氧化氫需求量的增加，對2-烷基蒽醌的合成研究也進一步加強[8]。

目前，2-烷基蒽醌的綠色合成法主要有以下幾類：苯酐法、烷基蒽氧化法、萘醌法及其它方法。作者在此對幾種合成方法的研究進展進行綜述，以期對2-烷基蒽醌的綠色合成提供幫助。

1 苯酐法

苯酐法(圖1)是2-烷基蒽醌的傳統合成方法，具有原料易得、工藝簡單、成本低、收率高等優點。苯酐法合成2-烷基蒽醌主要分兩步：首先是苯酐與烷基苯在三氯化鋁的催化下發生傅克酰基化反應，生成2-(4′-烷基苯甲酰基)苯甲酸[9]；然后在發煙硫酸、濃硫酸或多聚磷酸的條件下，發生關環反應合成2-烷基蒽醌[10]。苯酐法合成2-烷基蒽醌在國內外已有工業化生產的報道，生產過程中會產生大量廢液，嚴重污染環境。據報道，每生產1 t 2-乙基蒽醌，就需要1.76 t三氯化鋁和4.2 t發煙硫酸，產生大量廢液[11]。因此，對苯酐法催化劑進行改進以減少廢液的產生對提高產量、減少環境污染具有重要意義。

圖1 苯酐法合成2-烷基蒽醌

1.1 兩步法合成2-烷基蒽醌

兩步法是分別經過傅克酰基化反應和關環反應得到2-烷基蒽醌，可以對兩步反應催化劑分別進行改進。以離子液體或三氟化硼-氟化氫為催化劑替代三氯化鋁，減少傅克酰基化反應過程中廢液的產生；以改性沸石分子篩或離子液體為催化劑替代發煙硫酸、濃硫酸或多聚磷酸，減少關環反應過程中廢液的產生。

1.1.1 傅克酰基化反應催化劑的改進

1.1.1.1 離子液體催化傅克酰基化反應

離子液體作為環境友好型的酸性催化劑，與傳統的三氯化鋁相比，可以減少環境污染，實現綠色化生產。離子液體具有反應活性高、條件溫和等優點，但同時具有黏度大、成本高、無法進行大規模生產等缺點。2008年，唐軍明[12]以氯化1-甲基-3-丁基咪唑氯鋁酸鹽類離子液體([Bmim]Cl-AlCl3)為催化劑，在無溶劑條件下，以97%的收率得到2-(4′-乙基苯甲酰基)苯甲酸。2015年，張政等[13]用廉價的鹽酸三乙胺替代烷基咪唑制備了鹽酸三乙胺-三氯化鋁離子液體，并將其用于催化苯酐與乙苯的反應，以石油醚為溶劑，以98%的收率得到2-(4′-乙基苯甲酰基)苯甲酸。

對離子液體進行負載后其活性略有下降，但可以重復使用，減少環境污染，具有較好的應用前景。2008年，張信偉等[14]將離子液體負載到改性二氧化硅上，使其更容易回收，用高活性的負載氯鋁酸鹽離子液體催化苯酐與乙苯反應合成2-(4′-乙基苯甲酰基)苯甲酸，苯酐轉化率達到100%，產物選擇性達到91%；將離子液體再生后重復使用，苯酐轉化率仍然是100%，產物選擇性降至88%。2015年，陸雅男等[15]用室溫離子液體1-丁基-3-甲基咪唑氯鋁酸鹽修飾的Hβ沸石分子篩催化合成2-(4′-乙基苯甲酰基)苯甲酸，發現以二氯甲烷為溶劑、離子液體與Hβ沸石分子篩質量比為1∶4、反應12 h時的收率為52%。

1.1.1.2 三氟化硼-氟化氫催化傅克酰基化反應

1983～1986年，Devic[16-18]用三氟化硼-氟化氫催化苯酐與烷基苯反應得到2-(4′-烷基苯甲酰基)苯甲酸，反應過程中加入二氯甲烷降低鄰苯甲酰苯甲酸(OBB)絡合物分解溫度，實現三氟化硼和氟化氫的回收。該方法避免使用三氯化鋁，減少廢液的產生，但是原料需要在-40 ℃下加入，當反應溫度為20 ℃時需要4.7 MPa的高壓，同時氟化氫毒性較大，因此對設備要求較高。

1.1.2 關環反應催化劑的改進

1.1.2.1 改性沸石分子篩催化關環反應

有機酸改性沸石分子篩可以催化關環反應合成2-烷基蒽醌。郭新聞課題組對有機酸改性Hβ沸石分子篩的催化性能、酸性、晶粒尺寸、再生等方面進行了研究。發現檸檬酸改性Hβ沸石分子篩的酸位點數量和酸性要適中，如果酸位點太多、酸性太高，會導致分子間脫水，生成高分子化合物，附著在改性Hβ沸石分子篩表面導致改性Hβ沸石分子篩失活；如果酸位點過少、酸性過低，也會導致改性Hβ沸石分子篩活性降低[19]。Hβ沸石分子篩的酸性及晶粒尺寸會影響關環反應，其中晶粒尺寸的影響更顯著；低溫時，擴散速率是影響關環反應的主要因素，粒徑越小擴散速率越快；溫度升高后擴散速率的影響減弱，粒徑的影響不顯著[20]。有機酸改性Hβ沸石分子篩在循環使用過程中活性會降低，若用乙醇洗滌除去附著在催化劑上的高分子物質，再焙燒除去小分子物質，可以實現Hβ沸石分子篩再生，再生后的Hβ沸石分子篩重復使用4次后的轉化率仍高達99%[21]。用檸檬酸、酒石酸、蘋果酸和丙二酸改性的Hβ沸石分子篩都可以實現95%以上的轉化率和選擇性，具有較好的催化效果[22]。用草酸改性β沸石分子篩作為催化劑，可以92%的轉化率和59%的選擇性得到2-乙基蒽醌[23]。2017年，呂楊等[24]用氨水和檸檬酸共同處理Hβ沸石分子篩，并將其應用于2-乙基蒽醌的合成反應，以78%的收率得到2-乙基蒽醌。2019年，陳杰等[25]使用檸檬酸改性β沸石分子篩作為催化劑，在300 ℃下反應，2-(4′-戊基苯甲酰基)苯甲酸的轉化率為98%。

無機酸改性沸石分子篩也可催化關環反應合成2-烷基蒽醌。無機酸改性沸石分子篩具有高效、綠色環保等優點，可用于固定床連續生產。2015年，劉全杰等[26]針對固定床反應器開發了不同的無機酸改性沸石分子篩催化劑，其中磷鉬酸、磷鎢酸改性的沸石分子篩催化劑的催化效果較好。孔巖等[27]用硼酸改性Hβ沸石分子篩，在固定床反應器上催化2-(4′-乙基苯甲酰基)苯甲酸脫水合成2-乙基蒽醌，可以實現44%的轉化率和77%的選擇性，催化劑循環使用4次后，催化活性沒有明顯降低。

1.1.2.2 離子液體催化關環反應

2017年，郭亞楠等[28]以N-甲基咪唑、吡啶、1,4-丁烷磺內酯、對甲苯磺酸為原料制備了離子液體，并將其用于催化合成2-叔丁基蒽醌，以90%的收率得到目標產物，且離子液體重復使用5次后，催化活性沒有明顯變化。

1.2 一鍋法合成2-烷基蒽醌

一鍋法是連續發生傅克酰基化反應和關環反應合成2-烷基蒽醌，反應催化劑可以是改性沸石分子篩、明礬或改性二氧化硅，反應步驟少，反應效率高。

1.2.1 改性沸石分子篩催化一鍋法反應

在沸石分子篩上負載金屬離子可催化一鍋法合成2-烷基蒽醌。2009年，姜翠玉課題組[29]用離子交換法和等體積浸漬法對Hβ沸石分子篩進行改性，并將其用于催化苯酐與甲苯一鍋法合成2-甲基蒽醌，結果發現CeO2的負載量越高，催化效果越差，但反應選擇性明顯提高，高達98%。2011年，劉玉芝[30]將Al2(SO4)3改性Hβ沸石分子篩用于催化合成2-甲基蒽醌，收率達到25%。2012年，姜翠玉課題組[31]采用超聲浸漬法將Al2(SO4)3負載到Hβ沸石分子篩上，用于催化合成2-乙基蒽醌，實現了45%的轉化率和50%的選擇性。2015年，姜翠玉課題組[32]比較了離子交換法、普通浸漬法和超聲浸漬法改性Hβ沸石分子篩的催化活性，發現超聲浸漬法改性Hβ沸石分子篩的催化活性最高，其中以負載Ce2O3的Hβ沸石分子篩為催化劑時，2-乙基蒽醌的收率可達到26%。

在沸石分子篩上負載酸也可以催化一鍋法合成2-烷基蒽醌。2014年，姜翠玉課題組[33]采用微波輻射法，將無機酸和有機酸負載到Hβ沸石分子篩上，用于催化合成2-乙基蒽醌，發現馬來酸的負載效果較好。采用馬來酸和Ce(NO3)3·6H2O復合改性的Hβ沸石分子篩催化合成2-乙基蒽醌，收率可達23%。

用銨鹽改性的沸石分子篩同樣也可催化一鍋法合成2-烷基蒽醌。2007年，畢晨光等[34]用硝酸銨改性HZ-1沸石分子篩得到液-固多相催化劑，在反應溫度為250 ℃、間歇式反應條件下，鄰苯二甲酸酐的轉化率達到71%，2-甲基蒽醌的選擇性為89%。2009年，Hou等[35]用硝酸銨改性的Hβ納米級沸石分子篩催化合成2-甲基蒽醌，收率達到82%。2010年，侯啟軍等[36]用改性的HZ-1沸石分子篩作為催化劑，在250 ℃下反應5 h，鄰苯二甲酸酐的轉化率達到71%，2-甲基蒽醌的收率為65%。2017年，劉為清等[37]采用微波輻射法輔助硝酸銨改性Hβ沸石分子篩，用于催化苯酐與乙苯一鍋法合成2-乙基蒽醌，收率達到21%，再生后催化性能可恢復到初始的92%。

1.2.2 明礬催化一鍋法反應

2010年，Madje等[38]報道了苯酐和取代苯在水為溶劑、25%明礬為催化劑的條件下，以92%的收率得到2-甲基蒽醌。該方法具有條件溫和、原料便宜、耗時短等優勢，但反應過程中使用了大量明礬，沒有回收利用，并且只進行了微量實驗，能否實現工業化生產還有待進一步研究。

1.2.3 改性二氧化硅催化一鍋法反應

2014年，Naeimi等[39]用氯磺酸與二氧化硅反應得到SSA(silica sulfuric acid)，將其用于催化苯酐和乙苯合成2-乙基蒽醌，收率達到77%。

2 烷基蒽氧化法

烷基蒽氧化法合成2-烷基蒽醌包括兩步反應：首先是蒽的傅克烷基化反應，生成2-烷基蒽；其次是2-烷基蒽的氧化反應，生成2-烷基蒽醌。

2.1 蒽的傅克烷基化反應

蒽的傅克烷基化反應底物可以是鹵代烴、醇或烯烴。

2009年，袁新華等[40]報道了蒽與2-氯丙烷在離子液體[Bmim]Cl-AlCl3室溫催化下發生傅克烷基化反應，以69%的收率和77%的選擇性得到2-異丙基蒽。Chen等[41]以氯化1-乙基-3-甲基咪唑氯鋁酸鹽類離子液體([Emim]Cl-AlCl3)為催化劑，催化蒽與2-氯丙烷發生傅克烷基化反應合成2-異丙基蒽(圖2)，收率74%，選擇性82%；離子液體催化劑循環使用6次后，催化活性沒有明顯降低。

圖2 蒽與2-氯丙烷的傅克烷基化反應

2017年，葉金鑫等[42]報道了β沸石分子篩催化蒽與叔丁醇的傅克烷基化反應合成2-叔丁基蒽(圖3)，該反應有大量原料剩余，收率不高，有待進一步改進。

圖3 蒽與叔丁醇的傅克烷基化反應

2018年，王偉建[43]報道了蒽和異戊烯在酸或分子篩催化下，發生烷基化反應合成2-戊基蒽。2020年，鄭博等[44]使用固體酸催化劑催化蒽與2-甲基-2-丁烯的傅克烷基化反應(圖4)，以81%的轉化率和91%的選擇性得到2-叔戊基蒽；通過熔融結晶-蒸餾耦合技術分離2-叔戊基蒽，可顯著降低蒽-烷基蒽產物分離難度，提高2-叔戊基蒽的純度和總收率。該方法有望用于大規模生產2-叔戊基蒽。

圖4 蒽與2-甲基-2-丁烯的傅克烷基化反應

2.2 2-烷基蒽的氧化反應

圖5 2-烷基蒽氧化得到2-烷基蒽醌

過氧化叔丁醇可作為2-烷基蒽的氧化劑。1983年，Müller等[45]報道了2-甲基蒽在銠絡合物催化劑、過氧化叔丁醇氧化劑條件下，以87%的收率得到2-甲基蒽醌。

過氧化氫作為綠色氧化劑，也可以催化2-烷基蒽的氧化反應。2010年，Wienh?fer等[46]以銠配合物為催化劑、甲醇為溶劑、過氧化氫為氧化劑，在40 ℃下反應7 h，以77%的收率得到2-乙基蒽醌。2011年，Conde等[47]報道了2-乙基蒽在銅絡合物為催化劑、乙腈和1,2-二氯乙烷為溶劑、過氧化氫為氧化劑的條件下，以98%的收率得到2-乙基蒽醌。

金屬絡合物可以催化2-乙基蒽醌的合成，但是由于配體難合成、催化劑不能回收等缺點，無法進行大規模生產。2020年，鄭博等[44]以負載鑭和鉬的SiO2-Al2O3復合物為催化劑、過氧化氫為氧化劑，實現了2-叔戊基蒽合成2-叔戊基蒽醌。

高價碘是實驗室常用的氧化劑，也可以催化2-烷基蒽的氧化反應。Zhdankin課題組[48-52]以2-叔丁基蒽為原料、鐵配合物為催化劑、高價碘為氧化劑，高收率合成了2-叔丁基蒽醌。但是高價碘價格較為昂貴，無法實現大規模生產。

氧氣作為氧化劑，具有價格便宜、綠色環保等優勢，是2-烷基蒽的理想氧化劑。2006年，Tsang等[53]以全氟鈷酸鹽和溴化鈉為催化劑、水-超臨界二氧化碳為溶劑、氧氣為氧化劑，120 ℃反應24 h，2-甲基蒽的轉化率達到62%，2-甲基蒽醌的選擇性達到76%。2018年，王偉建[43]以負載錳、鎂、鐵等金屬元素的γ-Al2O3為催化劑、氧氣為氧化劑，將2-叔戊基蒽氧化成2-叔戊基蒽醌。2020年，戴立言等[54]用負載鎢、鉬的催化劑，在氧氣氛圍下，將取代蒽氧化成對應的蒽醌。

3 萘醌法

萘醌法合成2-烷基蒽醌較為繁瑣，首先要通過三步反應合成2-叔戊基-1,3-丁二烯：甲基叔戊基酮與乙炔反應生成3,4,4-三甲基-1-己炔-3-醇，再使用Lindler催化劑催化加氫，還原生成3,4,4-三甲基-1-己烯-3-醇，最后脫水生成2-叔戊基-1,3-丁二烯；然后與1,4-萘醌發生Diels-Alder反應，生成2-叔戊基-1,4-二氫蒽；再在空氣中氧化生成2-叔戊基蒽醌(圖6)。雖然該反應較為綠色環保，但所需原料2-叔戊基-1,3-丁二烯合成較為困難，且需要用到乙炔氣體，同時反應步驟繁瑣，不利于工業化生產[55]。

圖6 2-叔戊基蒽醌的合成路線

4 其它方法

除了上面提到的苯酐法、烷基蒽氧化法、萘醌法合成2-烷基蒽醌外，還有一種方法(圖7)，該方法主要分為三步：第一步，甲苯與叔戊基氯發生傅克烷基化反應，得到1-甲基-4-叔戊基苯；第二步，1-甲基-4-叔戊基苯與芐基氯發生傅克烷基化反應，生成5-叔戊基-2-芐基甲苯；第三步，以氧化鋁負載的V2O5和UO3為催化劑，發生氧化反應，以100%的轉化率和55%的選擇性將亞甲基及甲基氧化，得到2-叔戊基蒽醌[56-57]，氧化反應需要在500 ℃下進行，對設備要求較高。

圖7 2-叔戊基蒽醌的合成路線

5 總結

苯酐法、烷基蒽氧化法、萘醌法合成2-烷基蒽醌各有所長。萘醌法合成路線雖然綠色環保，但合成步驟繁瑣，不適合工業化生產。苯酐法在原料來源和經濟效益方面具有明顯優勢，若研究和發展環保、高效、可循環使用的催化劑，替代傳統方法中三氯化鋁和強酸(發煙硫酸、焦磷酸)，將具有很好的發展前景；一鍋法合成2-烷基蒽醌，在實驗操作、環保、經濟方面有更大的優勢，但是反應的選擇性和收率有待進一步提高。烷基蒽氧化法是一條綠色合成路線，具有工藝簡單、高效、污染小等優點，反應過程實現了100%的原子利用率，具有工業化生產的潛力。