超聲輔助鐵鹽催化空氣氧化制備苯偶酰*

張凱龍，邵耀翔，高 俊，凌宇霏，周婷婷

(浙江萬里學(xué)院生物與環(huán)境學(xué)院，浙江 寧波 315100)

苯偶酰類化合物是重要的有機(jī)精細(xì)化工原料和藥物中間體，在光敏劑、固化劑、殺蟲劑制備等方面有廣泛用途[1-5]，氧化反應(yīng)是制備苯偶酰類化合物的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。安息香常作為模型化合物用于氧化反應(yīng)研究，隨著綠色化學(xué)和清潔氧化操作的興起，安息香氧化制備苯偶酰研究愈來愈受到研究者的關(guān)注[6-9]。

目前安息香氧化制備苯偶酰廣泛使用一次性氧化劑，目前報(bào)道有無機(jī)氧化劑如HNO3、Cu(OAc)2-NH4NO3[10]、CrO3[11]、NaH/THF[12]等，有機(jī)氧化物如伯吉斯試劑[13]、NBS[14]等，存在氧化劑消耗大，產(chǎn)生廢渣廢液多，設(shè)備腐蝕嚴(yán)重，污染嚴(yán)重等缺點(diǎn)，對(duì)環(huán)境和人身健康都造成一定威脅。近年來以過氧化氫、空氣等清潔氧化劑氧化研究逐漸增多[9,15-19]，但存在催化劑制備復(fù)雜，成本高，操作繁瑣，產(chǎn)率有限等問題。

空氣中含有21%的氧氣，是天然的超級(jí)氧庫，相較過氧化氫和臭氧等來源廣泛不受地理限制、無需一次制備價(jià)格更為低廉、環(huán)境人身威脅小、無儲(chǔ)存泄露之虞，氧氣在氧化過程中產(chǎn)物只有水，環(huán)保清潔無二次污染。鐵是地殼中含量最高的過渡金屬，其價(jià)格便宜，毒性低，生物兼容性好。發(fā)展鐵催化的氧化反應(yīng)符合綠色化學(xué)和可持續(xù)發(fā)展化學(xué)的要求，目前廣受關(guān)注和研究。

本文以鐵鹽催化空氣氧化安息香綠色制備苯偶酰，篩選合適溶劑和催化劑，建立優(yōu)化合成條件，分析催化氧化反應(yīng)機(jī)理，為苯偶酰及苯偶酰類化合物催化氧化制備提供新的思路和方法。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 儀器與試劑

SB-3200 DTDN超聲反應(yīng)器，寧波新芝；SC-15超級(jí)恒溫水浴，寧波新芝；AP-9925空氣壓縮機(jī)，天津奧特賽恩斯；MP-430自動(dòng)熔點(diǎn)儀，濟(jì)南海能；UV2600紫外-可見分光光度計(jì)，日本島津；1201高效液相色譜，大連依利特；Vertex 70傅里葉變換紅外光譜儀，德國布魯克；400 MHz AVANCE III核磁共振波譜儀，德國布魯克；Acquity UPLC synapt G2超高效液相色譜質(zhì)譜聯(lián)用儀，美國沃特世。

苯偶酰(>98%)，上海阿拉丁生化科技股份有限公司；安息香(CP)，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；N,N-二甲基甲酰胺、二甲亞砜、冰醋酸、乙醇、乙腈、鹽酸、硝酸鐵、硫酸鐵銨、氯化鐵、硫酸鐵，均為分析純，采購于國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

1.2 方 法

搭建恒溫超聲回流裝置，向100 mL三口圓底燒瓶中投加2.1 g(0.01 mol)安息香和50 mL溶劑DMSO，加入0.2 g催化劑FeNO3·9H2O，1.2 mol/L鹽酸酸化，空氣鼓泡，80 ℃反應(yīng)60 min，冷卻到室溫，反應(yīng)混合物加等體積水冰水浴冷卻產(chǎn)物析出，過濾固液分離得粗產(chǎn)品，真空干燥后乙腈溶解經(jīng)高效液相色譜測(cè)定含量，計(jì)算苯偶酰含量。

干燥樣品溶解制樣，采用自制高效柱層析裝置分離[20]，硅膠為固定相，石油醚乙醇洗脫，在線260 nm監(jiān)測(cè)組分吸光度，收集對(duì)應(yīng)洗脫液旋蒸粉末進(jìn)行結(jié)構(gòu)表征確認(rèn)。

2 結(jié)果與討論

2.1 HPLC法測(cè)定苯偶酰含量

經(jīng)多因素實(shí)驗(yàn)，優(yōu)化色譜條件為kromasil 100-5 C18(200×4.6 mm,5 μm)，柱溫30 ℃，流動(dòng)相為乙腈:水=9:1，流速0.6 mL/min，檢測(cè)波長(zhǎng)260 nm，進(jìn)樣量20 μL，保留時(shí)間定性，峰面積外標(biāo)法定量。

安息香保留時(shí)間為4.95 min，苯偶酰保留時(shí)間6.25 min，安息香和苯偶酰混標(biāo)分離度達(dá)到R=2.6，在此色譜條件下可以實(shí)現(xiàn)完全分離，如圖1所示。

圖1 安息香、苯偶酰保留時(shí)間

苯偶酰標(biāo)準(zhǔn)曲線方程為A=133.44c+101.99，相關(guān)系數(shù)R2達(dá)到0.999，線性范圍1～100 μg/mL。

40 μg/mL、60 μg/mL苯偶酰標(biāo)準(zhǔn)溶液重復(fù)進(jìn)樣6次， RSD為0.78%、0.34%，精密度良好。

在30、50、70 μg/mL水平上進(jìn)行空白加標(biāo)，進(jìn)樣6次，結(jié)果如表1所示。

表1 苯偶酰加標(biāo)回收率(n=6)

回收率在98.07%～104.50%，RSD在1%左右。該方法可用于鐵鹽催化空氣氧化安息香合成樣品中苯偶酰含量測(cè)定。

2.2 反應(yīng)條件優(yōu)化

為了盡可能準(zhǔn)確考察氧化反應(yīng)效果，以產(chǎn)率為指標(biāo)進(jìn)行反應(yīng)條件優(yōu)化。將粗品干燥后不經(jīng)其他處理，HPLC測(cè)定苯偶酰含量，并根據(jù)苯偶酰含量計(jì)算產(chǎn)率。

綜合考慮反應(yīng)物、產(chǎn)物、酸及催化劑鹽溶解性，選取常見的DMF、DMSO、HAc為溶劑，F(xiàn)eCl3·6H2O催化，結(jié)果見圖2a，HAc和DMF為溶劑時(shí)產(chǎn)率較低，分別為12.5%和17.0%，HAc在加熱回流時(shí)具有強(qiáng)烈的刺激性，DMF受熱易分解，導(dǎo)致溶劑性質(zhì)不穩(wěn)定。DMSO為溶劑時(shí)產(chǎn)率達(dá)到74.5%，同時(shí)具有高極性、高沸點(diǎn)、非質(zhì)子性、熱穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，DMSO也具有極佳的氣體溶解性，從而提高空氣中氧氣分子在溶液中的濃度，有利于氧化反應(yīng)的進(jìn)行。

圖2 不同溶劑、催化劑產(chǎn)率

通過篩選，DMSO為最佳溶劑，F(xiàn)e(NO3)3·9H2O為最優(yōu)催化劑。進(jìn)一步從催化劑用量、反應(yīng)體系酸度、反應(yīng)溫度和反應(yīng)時(shí)間進(jìn)行單因素條件優(yōu)化。

催化劑投加量對(duì)氧化產(chǎn)率影響如圖3a所示，產(chǎn)率隨著催化劑用量同步增加，催化劑投加量較少時(shí)不能滿足氧化反應(yīng)需要，最佳投加量0.20 g時(shí)產(chǎn)率達(dá)到最大值96.1%并趨于穩(wěn)定，繼續(xù)增加投加量產(chǎn)率提高并不顯著，同時(shí)可能隨著反應(yīng)中氫離子消耗，造成鐵離子水解生成膠體、沉淀，增加后期處理難度。

反應(yīng)體系酸度同時(shí)影響催化劑鐵離子和安息香氧化，如圖3b所示，產(chǎn)率隨著反應(yīng)體系酸度增加而增加，當(dāng)氫離子濃度較低時(shí)，不能有效抑制硝酸鐵水解，催化反應(yīng)不能充分進(jìn)行，同時(shí)無法給安息香氧化反應(yīng)提供足夠質(zhì)子，隨著酸度增加有效解決以上問題，當(dāng)酸度達(dá)到1.2 mol/L時(shí)，產(chǎn)率達(dá)到96.1%并趨于穩(wěn)定，繼續(xù)增加酸度無法有效提高產(chǎn)率，同時(shí)會(huì)造成后期反應(yīng)廢液中和處理規(guī)模擴(kuò)大。

提高反應(yīng)溫度有助于加速反應(yīng)速率，如圖3c所示，溫度增加對(duì)產(chǎn)率提升提高極為顯著。50 ℃時(shí)1 h產(chǎn)率僅為6.2%，隨著溫度升高產(chǎn)率快速增加，80 ℃達(dá)到96.1%并趨于穩(wěn)定，繼續(xù)增加溫度產(chǎn)率變化微小，且升高溫度會(huì)帶來額外的能源開銷，故選擇最佳反應(yīng)溫度為80 ℃。

時(shí)間對(duì)產(chǎn)率影響如圖3d所示，反應(yīng)20 min產(chǎn)率即達(dá)到46.2%，繼續(xù)增加反應(yīng)時(shí)間產(chǎn)率同步升高，60 min達(dá)到最高96.1%并趨于穩(wěn)定，再增加反應(yīng)時(shí)間產(chǎn)率略有下降，這可能是因?yàn)檫^長(zhǎng)的反應(yīng)時(shí)間導(dǎo)致副反應(yīng)發(fā)生，減少了苯偶酰含量。該條件下無超聲輔助進(jìn)行合成，苯偶酰產(chǎn)率僅為74%，反應(yīng)體系施加超聲強(qiáng)化了分子振蕩碰撞和擴(kuò)散遷移，產(chǎn)率得到較大幅度提升。

圖3 催化氧化條件優(yōu)化

2.3 制備苯偶酰表征

制備產(chǎn)品及苯偶酰標(biāo)品紫外-可見波長(zhǎng)掃描光譜如圖4所示，光譜曲線吻合度極高，最大吸收波長(zhǎng)λmax=260.0 nm；合成產(chǎn)品及苯偶酰標(biāo)品紅外光譜如圖5所示，紅外光譜(IR、KBr) 主要吸收峰(cm-1)3065，1666，1598，1449，1320，1210，720，695 cm-1說明羰基與苯環(huán)相連，1666 cm-1為羰基與苯環(huán)共軛的特征峰，1598 cm-1和1449 cm-1為苯環(huán)的特征峰，在3300 cm-1附近沒有出現(xiàn)強(qiáng)的吸收峰，說明樣品中沒有羥基的存在，光譜吸收峰高度吻合；圖6為高效液相-質(zhì)譜聯(lián)用提取質(zhì)譜圖，質(zhì)荷比211.07(M+H)，105.02(α)，233.05(M+Na)強(qiáng)度較大，經(jīng)檢索和苯偶酰高度吻合；圖7為催化氧化產(chǎn)品1H-NMR圖，峰面積比例為3.97:2.00:4.00，接近1:2:2，表明合成產(chǎn)品為高純苯偶酰。經(jīng)過上述多種手段表征，確認(rèn)安息香催化氧化合成產(chǎn)品為目標(biāo)物質(zhì)苯偶酰。

圖4 標(biāo)品及制備苯偶酰紫外-可見光譜

圖5 標(biāo)品及制備苯偶酰紅外光譜

圖6 制備苯偶酰質(zhì)譜

圖7 制備苯偶酰樣品H-NMR

2.4 催化氧化機(jī)理

在最佳反應(yīng)條件下，催化劑硝酸鐵空白產(chǎn)率為1.5%，僅硝酸鐵空氣空白實(shí)驗(yàn)產(chǎn)率不足10%，遠(yuǎn)低于催化空氣氧化96.1%產(chǎn)率，表明產(chǎn)物中只有極小一部分由于鐵離子和空氣氧化單獨(dú)貢獻(xiàn)，大部分轉(zhuǎn)化是由鐵離子催化空氣氧氧化提供。DMSO對(duì)反應(yīng)中有機(jī)物無機(jī)物具有良好的溶解性，對(duì)氣體溶解性也極佳，同時(shí)鼓泡有效提升了氣液界面氣體傳質(zhì)速率和液相中氣體的分布，解決了催化氧化反應(yīng)中氧化劑空氣氧供給問題。反應(yīng)開始加入的鐵離子參與安息香氧化反應(yīng)后產(chǎn)生亞鐵離子，亞鐵離子被溶解氧氧化生成鐵離子繼續(xù)循環(huán)參與安息香氧化生成苯偶酰反應(yīng)，整個(gè)過程中鐵離子不再是一次性氧化劑，投加量相比氧化劑劑量也大幅下降，鐵離子是該反應(yīng)過程中的媒介，有效連接起空氣氧和安息香之間的氧化反應(yīng)，可能催化氧化反應(yīng)機(jī)理如圖8所示。

圖8 催化氧化反應(yīng)機(jī)理

3 結(jié) 論

以鐵鹽催化空氣氧化安息香綠色制備苯偶酰，篩選最佳溶劑DMSO，最佳催化劑Fe(NO3)3·9H2O，優(yōu)化實(shí)驗(yàn)條件為當(dāng)安息香投加量為2.1 g，超聲功率180 W，催化劑投加量0.2 g，氫離子濃度1.2 mol/L，反應(yīng)溫度80 ℃，反應(yīng)60 min時(shí)產(chǎn)率達(dá)到96.1%。相比傳統(tǒng)制備方法，避免了一次性氧化劑大量使用及還原產(chǎn)物后處理帶來的諸多問題，鐵鹽催化劑簡(jiǎn)單易得，反應(yīng)條件溫和，綠色環(huán)保，產(chǎn)率高，實(shí)現(xiàn)了催化氧化反應(yīng)中空氣氧的利用，為其他苯偶酰類化合物氧化合成提供了新的思路和途徑，也為其他氧化反應(yīng)提供了參考。