三氟甲磺酸錫酯的晶體結(jié)構(gòu)和催化性能

杜治平，陳詩銳，沈 忱，王公應(yīng)

(1.綠色化工過程教育部重點實驗室，湖北省新型反應(yīng)器與綠色化學(xué)工藝重點實驗室，湖北 武漢 430074；2.中國科學(xué)院成都有機化學(xué)研究所，四川 成都 610041)

0 引 言

有機錫化合物的空間結(jié)構(gòu)豐富多變，且對空氣和水分穩(wěn)定.作為一種新型的Lewis酸催化劑，有機錫化合物不僅催化活性和選擇性高、不含腐蝕金屬設(shè)備的鹵離子，而且還可以通過改變與中心錫原子配位的配體的類型來調(diào)整其催化性能[1]，因而廣泛應(yīng)用于羰基縮醛的保護和脫保護、酯化反應(yīng)、酯交換反應(yīng)、開環(huán)聚合等領(lǐng)域[2-5].

碳酸二甲酯碳(DMC)分子中含有甲基、甲氧基、甲氧羰基和羰基，可以替代光氣、硫酸二甲酯、鹵代烷烴等，廣泛應(yīng)用于化工、醫(yī)藥、農(nóng)藥、食品等行業(yè)，被譽為有機合成的“新基塊”[6-7].以DMC為原料，經(jīng)酯交換合成碳酸二苯酯(DPC)是綠色合成DPC的最佳工藝[8].研究報道該工藝的催化劑很多[9-11]，其中n-Bu2SnO具有較高的催化活性和酯交換選擇性，但是就工業(yè)化而言，其催化活性仍然偏低.筆者的前期研究發(fā)現(xiàn)[12]，將羧酸配位到n-BuSn(O)OH分子中后，受羧基吸電子誘導(dǎo)效應(yīng)的影響，活性錫的Lewis酸性增加，酯交換反應(yīng)活性提高，因此，本文將吸電子效應(yīng)比羧基更強的三氟甲磺基配位到n-Bu2SnO分子中，合成了[n-Bu2Sn(OH)OTf(H2O)]2，測定了其晶體結(jié)構(gòu)和在酯交換反應(yīng)中的催化活性.

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

二丁基氧化錫(Fluka Co.)，三氟甲磺酸(Acros Co.)，甲基苯基碳酸酯(自制)(MPC)，DPC(Aldrich Co.)，其它試劑均為分析純試劑.

Siemens P4 型全自動四圓衍射儀，Nicolt FTIR-750型紅外光譜儀(KBr壓片)，GC-14B(Shimadzu)氣相色譜儀(配備有SE-30毛細管柱和FID).

1.2 [n-Bu2Sn(OH)OTf(H2O)]2的合成

將15 mmoln-Bu2SnO、15 mmol TfOH以及60 mL甲苯分別加入到100 mL錐形瓶中，采用Dean-Stark分水器分水反應(yīng)5 h；反應(yīng)結(jié)束后趁熱過濾，冷卻，結(jié)晶，得白色粉末狀固體.IR(KBr，υ/cm-1)[13]：2 962.7、1 461.5、1 259.1、1 182.1、1 080.9、1 034.4、653.0、583.2、520.5.

1.3 晶體結(jié)構(gòu)分析

白色固體粉末用氯仿-石油醚重結(jié)晶.選取大小為0.58 mm×0.32 mm×0.14 mm的晶體于289(2)K下，以經(jīng)石墨單色器單色化的MoKα輻射為光源(0.071 073 nm)，在Siemens P4 型四圓衍射儀上測定晶體結(jié)構(gòu).在衍射角1.76～26.50°范圍內(nèi)，以ω/2θ方式掃描，收集衍射點3 677個，其中獨立衍射點3 314個[R(int)=0.027 6]，可觀察衍射點[I>2σ(I)]2 990個.全部結(jié)構(gòu)的計算使用SHELXTL程序系統(tǒng)完成.

1.4 酯交換反應(yīng)及產(chǎn)品分析

在氮氣保護下，往100 mL配備有氮氣導(dǎo)管、溫度計、分餾柱和恒壓滴液漏斗的三口燒瓶中依次加入苯酚和催化劑，并緩慢加熱升溫.當反應(yīng)液的溫度上升到175 ℃時，開始緩緩滴加DMC，DMC在3 h滴加完畢后，反應(yīng)液繼續(xù)反應(yīng)5 h結(jié)束.反應(yīng)中，不斷收集蒸餾出的DMC和甲醇共沸物.反應(yīng)液和共沸物用GC-14B進行分析.

2 結(jié)果與討論

2.1 化合物的晶體結(jié)構(gòu)

化合物的分子式為C18H42F6O10S2Sn2，分子量為834.02，結(jié)構(gòu)屬三斜晶系，空間群為Pī，晶胞參數(shù)a=0.808 3(1)nm，b=0.868 5(1)nm，c=1.163 6(2)nm，α=90.45(2)°，β=94.24(1)°，γ=101.08(1)°，V=0. 799 29(20)nm-3，Z=2，F(xiàn)(000)=416，Dc=1.733 Mg· m-3，μ=1.771 mm-1.化合物的主要鍵長和鍵角列于表1，化合物的分子結(jié)構(gòu)見圖1.

表1 [n-Bu2Sn(OH)OTf(H2O)]2的重要鍵長(nm)與鍵角(°)

圖1 [n-Bu2Sn(OH)OTf(H2O)]2的不對稱單元結(jié)構(gòu)(#1: -x，-y，-z)

圖1表明，化合物是通過羥基橋聯(lián)而成的二聚體化合物，其中兩個橋羥基O原子與兩個Sn原子構(gòu)成了Sn2O2四元環(huán).Sn2O2環(huán)中，鍵角O(1)—Sn—O(#1)(70.86(9)°)和Sn—O(1)—Sn(#1)(109.14(9)°)的和為180°，且鍵角O(1)—Sn—O(#1)和O(1)—Sn(#1)—O(#1)相等，同時Sn—O(#1)(0.214 5(2)nm)的鍵長與O(1)—Sn(#1)(0.214 5(2)nm)的相等，說明Sn2O2環(huán)為平行四邊形.化合物中，每個Sn原子均形成六配位的八面體結(jié)構(gòu)，其中橋羥基氧原子、配位水和磺基的氧原子與Sn所形成的鍵角總和為359.99°，說明四個氧原子處于同一平面.位居SnO4平面兩側(cè)的丁基碳原子形成的鍵角C(5)—Sn—C(1)僅有149.24(13)°，嚴重偏離了180°，表明六配位的錫原子是畸變的八面體構(gòu)型.

化合物中，Sn—O(3)(0.263 1(2)nm)的鍵長明顯超出了正常的Sn—O共價鍵長(0.19～0.21 nm)[14]，反映出該鍵具有一定的離子特征，這是由于三氟甲基的強吸電子誘導(dǎo)效應(yīng)使Sn—O鍵的成鍵電子云強烈地偏向氧原子所致，同時Sn—O鍵的離子特征使Sn的正電性突出，具有較強的Lewis性.

2.2 化合物的催化性能

n-Bu2SnO、TfOH和[n-Bu2Sn(OH)OTf(H2O)]2對DMC與苯酚酯交換合成DPC的影響見表2.在n-Bu2SnO催化下，DMC的轉(zhuǎn)化率為29.8%，酯交換選擇性接近100%.TfOH的活性最高，DMC轉(zhuǎn)化率達83.0%，但產(chǎn)物中沒有DPC生成，且中間體MPC和副產(chǎn)物苯甲醚(AN)的收率也很低.反應(yīng)時發(fā)現(xiàn)，隨DMC的加入，甲醇很快就被蒸餾出反應(yīng)體系，同時伴隨有CO2的快速釋放，表明DMC在TfOH催化下發(fā)生了分解，因而酯交換反應(yīng)難以進行.當使用Lewis酸[n-Bu2Sn(OH)OTf(H2O)]2為催化劑時，DMC的轉(zhuǎn)化率也較高，達到了63.6%，但是酯交換選擇性遠低于n-Bu2SnO的.可能是三氟甲磺基的強吸電子效應(yīng)使Sn的正電性突出，Lewis酸性較強，而過強的Lewis性使碳酸酯不穩(wěn)定，發(fā)生分解，這一結(jié)果與TfOH的強酸性易致DMC分解一致.

表2 催化劑對DMC與苯酚酯交換反應(yīng)的影響

2.3 化合物的Lewis酸濃度對酯交換反應(yīng)的影響

研究發(fā)現(xiàn)，由等摩爾的n-Bu2SnO與TfOH所構(gòu)成的混合物的催化活性與[n-Bu2Sn(OH)OTf(H2O)]2的相當(見表3)，且混合物催化后的析晶物與[n-Bu2Sn(OH)OTf(H2O)]2催化反應(yīng)前后的紅外光譜一致，說明混合物能通過原位合成[n-Bu2Sn(OH)OTf(H2O)]2而起催化作用，同時催化劑的穩(wěn)定性也較高.為進一步探討和改善[n-Bu2Sn(OH)OTf(H2O)]2的催化性能，以等摩爾的n-Bu2SnO與TfOH所構(gòu)成的混合物代替[n-Bu2Sn(OH)OTf(H2O)]2，研究其用量，即催化劑的強Lewis酸濃度對酯交換反應(yīng)的影響.

圖2 催化劑的紅外光譜圖

注:a：[n-Bu2Sn(OH)OTf(H2O)]2;b：反應(yīng)后的[n-Bu2Sn(OH)OTf(H2O)]2;c：等摩爾的n-Bu2SnO和TfOH 混合物催化反應(yīng)后的析晶物.

表3 催化劑的用量對DMC與苯酚酯交換反應(yīng)的影響

由表3可知，隨著[n-Bu2Sn(OH)OTf(H2O)]2用量的逐漸減少，Lewis酸濃度下降，即反應(yīng)液中活性Sn的濃度降低，DMC的轉(zhuǎn)化率隨之下降，副產(chǎn)物苯甲醚的收率顯著降低，酯交換選擇性大幅升高，尤其是催化劑的用量減少至0.25%時，酯交換選擇性提高到了80.9%，是催化劑用量為1.12%的2.8倍.可見，催化劑的用量或催化劑的強Lewis酸濃度對酯交換反應(yīng)有較大的影響.從表3還可得出：當減小[n-Bu2Sn(OH)OTf(H2O)]2的用量，產(chǎn)物DPC的收率變化較小，且反應(yīng)中沒有檢測到二苯醚，說明[n-Bu2Sn(OH)OTf(H2O)]2的強Lewis酸濃度對DPC收率的影響較小.表3中的數(shù)據(jù)顯示，[n-Bu2Sn(OH)OTf(H2O)]2的強Lewis酸濃度對中間體MPC的收率影響較大，尤其是其用量由0.5%減少至0.25%時，MPC的收率幾乎提高了一倍.原因是三氟甲磺基的強吸電子效應(yīng)使Sn的Lewis性較強，從而活性Sn中心更容易與DMC的羰基氧配位，增強DMC羰基碳的正電性，有利于苯酚的親核進攻，易于合成MPC，但由于活性Sn中心的Lewis酸性太強，當其濃度高時易致MPC分解，且濃度越高，MPC越易分解成副產(chǎn)物苯甲醚.

文獻[15]報道，摩爾比不同的n-Bu2SnO與TfOH反應(yīng)可生成如圖3所示的結(jié)構(gòu)不同的磺酸酯化合物Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ.由圖3可知，隨著n-Bu2SnO與TfOH摩爾比的增加，化合物Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ中配位三氟甲磺基的Sn原子越少，則與之相應(yīng)的強Lewis酸的濃度降低，因此，當它們催化酯交換反應(yīng)時，其規(guī)律應(yīng)與催化劑用量對酯交換反應(yīng)的影響一致.從表4中所示的數(shù)據(jù)可知，隨著n-Bu2SnO與TfOH摩爾比的增加，DMC的轉(zhuǎn)化率和苯甲醚的收率逐步降低，MPC的收率大幅提高，DPC的收率略有增加，與催化劑用量對酯交換反應(yīng)的影響一致.這表明強Lewis酸濃度的降低的確有利于酯交換反應(yīng)的進行.

圖3 不同比例的n-Bu2SnO與TfOH反應(yīng)所形成化合物的結(jié)構(gòu)

表4 n-Bu2SnO 和 TfOH的摩爾比對酯交換反應(yīng)的影響

3 結(jié) 語

a.以等摩爾比的n-Bu2SnO和TfOH為原料，甲苯為溶劑合成了[n-Bu2Sn(OH)OTf(H2O)]2.化合物中的錫原子為畸變的八面體構(gòu)型，且受三氟甲磺基強吸電子效應(yīng)的影響，Sn—O(磺基氧)的鍵長明顯長于正常的Sn—O共價鍵鍵長，顯示出強Lewis酸性.

b.當[n-Bu2Sn(OH)OTf(H2O)]2催化DMC與苯酚酯交換合成DPC時，催化劑中強Lewis酸性有利于DMC轉(zhuǎn)化率的提高，但過強的Lewis酸性易使MPC分解，降低酯交換選擇性.同時，強Lewis酸濃度對DPC影響較小，而MPC則對強Lewis酸濃度敏感，且該酸濃度越高，MPC越易分解為苯甲醚.

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