金屬卟啉仿生催化氧化2-甲基喹啉合成喹啉-2-羧酸

吳翠敏，白金泉，侯巍巍

(北京工業(yè)大學 環(huán)境與能源工程學院 化學化工系，北京 100124)

喹啉-2-羧酸，作為喹啉衍生物［1］中的一種，是非常重要的有機合成中間體，它可以合成喹啉-2-甲腈［2-3］、喹啉-2-羧酸甲酯［4-5］等有機中間原料，還可以應用于醫(yī)藥領域，合成保護腎上腺嗜鉻細胞瘤損傷的喹啉-多胺衍生物［6］，同時它也是合成具有殺菌殺蟲作用的有機錫羧酸酯化合物的重要原料［7］，工業(yè)上對于喹啉-2-羧酸的需求越來越大，并且其合成方法受到廣泛的關注。近年來，喹啉-2-羧酸的合成方法主要有化學合成法［8-9］和化學氧化法［10-11］，化學合成法存在反應步驟繁瑣制約著產物的收率，并且反應條件較為苛刻，而化學氧化法會造成環(huán)境污染、腐蝕反應設備等缺點，因此，研究出一種溫和條件下，污染少且綠色高效的合成方法是很有必要且意義重大的。

然而目前，仿生催化在化學工業(yè)中有著越來越重要的地位。金屬卟啉作為細胞色素P-450 的模型催化劑，由于它很高的催化活性和環(huán)境友好性，在仿生催化領域備受關注［12-14］，成為了研究的重點。尤其，由于它在溫和、綠色的條件下可以活化分子氧，廣泛地應用于各類氧化反應中［15-18］。因此，以金屬卟啉類化合物作為催化劑的仿生催化技術，在催化氧化領域受到了廣泛的關注。然而，大多數研究者都致力于研究金屬卟啉仿生催化氧化烷烴［15］、芳香烴［19］的反應，很少有人研究雜環(huán)化合物的催化氧化反應，因此本課題組決定進行一系列的雜環(huán)化合物的仿生催化氧化實驗［20-22］。

本文以不同種類的金屬卟啉作為催化劑仿生催化氧化2-甲基喹啉，選擇出較高催化活性和選擇性的催化劑，并且對反應條件進行優(yōu)化，合成較高收率和選擇性的有機中間體喹啉-2-羧酸。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

金屬卟啉、卟啉類催化劑(≥99.8%)均為實驗室合成;2-甲基喹啉、喹啉-2-甲酸、無水甲醇、無水乙醇、氫氧化鈉、氧氣(99. 9%)、鹽酸、乙腈均為分析純。

DF-101S 集熱式恒溫加熱磁力攪拌器;202 型電熱恒溫干燥箱;UV1900 系列紫外光譜儀;200 mL不銹鋼高壓釜;SHZ-D 水循環(huán)式真空泵;Aglient 1200 高效液相色譜儀;JA2003 型電子天平。

1.2 分析條件

使用高效液相色譜分析產物，HPLC 分析條件為:柱溫為25 ℃，色譜柱為XDB-C18(4. 6 mm ×250 mm×5 μm)，流動相比例為V(甲醇)∶V(水)=80 ∶20，流 速 為0. 8 mL/min，紫 外 檢 測 波 長 為234 nm。

1.3 金屬卟啉仿生催化氧化2-甲基喹啉

向200 mL 的高壓釜內加入溶劑乙醇或者乙醇/水，不同濃度的2-甲基喹啉、氫氧化鈉和不同種類的金屬卟啉，在40 ～140 ℃、0.5 ～2.0 MPa 的氧氣壓力下磁力攪拌2 ～12 h，反應完成后獲得的反應液，進行鹽酸中和，加入流動相配樣，進而注入液相色譜進行分析，最后計算出2-甲基喹啉的轉化率和喹啉-2-甲酸的收率和選擇性。

2 結果與討論

2.1 不同種類金屬卟啉對反應的影響

反應溫度120 ℃，反應時間8 h，氧氣壓力1.5 MPa，2-甲基喹啉的濃度0.125 mol/L，催化劑的濃度4.0 ×10－5mol/L，NaOH 的濃度1.6 mol/L，乙醇30 mL 條件下，不同種類的金屬卟啉對2-甲基喹啉氧化為喹啉-2-羧酸反應的影響結果見表1。

由表1 可知，所使用的催化劑都具有良好的活性，且目標產物的選擇性和收率都比空白實驗時要高很多，說明催化劑有著很好的催化性能。結果表明，當取代基相同時，鈷卟啉的催化活性高于鐵卟啉和錳卟啉，這說明不同的中心金屬離子對催化劑的性能有影響。當取代基和中心金屬離子都相同時，軸向帶氯結構的金屬卟啉催化活性高于其它。這可能是由于軸向帶氯結構可以提高催化劑的穩(wěn)定性，而且，這個催化氧化反應是發(fā)生在均相體系中，催化劑的穩(wěn)定性對催化劑的活性有很大的影響。當取代基不同時，帶—OCH3的催化劑活性高于—NO2，—Cl和—CH3基團。綜上所述，T(p-OCH3)PPCoCl的催化活性和選擇性都較高，并且它催化氧化2-甲基喹啉反應合成的喹啉-2-羧酸的收率最高。因此，選擇T(p-OCH3)PPCoCl 作為此氧化反應的催化劑。

表1 不同種類催化劑對反應的影響Table 1 Effect of different catalysts on the reaction

2.2 反應溫度對反應的影響

在催化劑T(p-OCH3)PPCoCl 4 ×10－5mol/L，反應時間8 h，氧氣壓力1.5 MPa，2-甲基喹啉的濃度0. 125 mol/L，NaOH 的濃 度1. 6 mol/L，乙 醇30 mL 的反應條件下，在40 ～140 ℃的范圍內，不同反應溫度對催化氧化2-甲基喹啉反應的影響，結果見圖1。

圖1 反應溫度對反應的影響Fig.1 Effect of reaction temperature on the reaction

由圖1 可知，隨著溫度的不斷升高，2-甲基喹啉的轉化率呈現先緩慢升高，然后下降到最低值，而后又升高的趨勢，而喹啉-2-羧酸的收率和選擇性隨著溫度的升高也不斷升高，在120 ℃時，達到了最大值，超過120 ℃后，開始下降。上述現象表明，反應溫度低時，不利于生成酸，但反應溫度太高，則發(fā)生副反應的幾率大大增加，同時會產生很多副產物，不利于生成喹啉-2-羧酸。綜上所述，反應溫度為120 ℃為最佳的反應條件。

2.3 反應時間對反應的影響

反應時間影響著反應進行的程度，直接影響目標產物的收率，所以控制反應時間是至關重要的。催化劑T(p-OCH3)PPCoCl 4 ×10－5mol/L，反應溫度120 ℃，氧氣壓力1. 5 MPa，2-甲基喹啉的濃度0.125 mol/L，NaOH 的濃度1.6 mol/L，乙醇30 mL的反應條件下，考察了反應時間在2 ～12 h范圍內變化，對2-甲基喹啉的轉化率，喹啉-2-羧酸的收率和選擇性的影響結果見圖2。

圖2 反應時間對反應的影響Fig.2 Effect of reaction time on the reaction

由圖2 可知，隨著反應時間的不斷增加，2-甲基喹啉的轉化率先是緩慢增加，又降低到最小，然后慢慢增大，而喹啉-2-羧酸的收率和選擇性隨著反應時間的延長，逐漸增加到最大值，然后開始下降，在反應時間為8 h 時，喹啉-2 羧酸的收率和選擇性達到最大值。上述現象說明，反應時間較短時，反應環(huán)境不穩(wěn)定，不利于生成酸，可能生成了醛等副產物。而反應時間過長，會導致催化效果降低。因此，最適宜的反應時間應選擇為8 h。

2.4 反應壓力對反應的影響

在催化劑T(p-OCH3)PPCoCl 4 ×10－5mol/L，反應溫度120 ℃，反應時間8 h，2-甲基喹啉的濃度0.125 mol/L，NaOH 的濃度1.6 mol/L，乙醇30 mL的反應條件下，不同的氧氣壓力對催化氧化2-甲基喹啉反應的影響，結果見圖3。

由圖3 可知，2-甲基喹啉的轉化率隨著氧氣壓力的增加先增大，再減小，又增大。而喹啉-2-羧酸的收率和選擇性隨著反應壓力的增加而逐漸增大，在1.5 MPa 時達到最大值。超過1.5 MPa，則開始呈現下降的趨勢。結果表明，壓力太小，氧氣不能夠充分促進反應的進行，并且考慮到實際的實驗操作和安全以及工業(yè)化應用，氧氣壓力不宜過高，因此，對于此催化氧化反應，1.5 MPa 為最優(yōu)的反應條件。

圖3 反應壓力對反應的影響Fig.3 Effect of reaction pressure on the reaction

2.5 NaOH 濃度對反應的影響

在上述優(yōu)化的反應時間、反應溫度和氧氣壓力下，T(p-OCH3)PPCoCl 作為催化劑，考察了NaOH濃度在0 ～2.0 mol/L 范圍內變化對反應的影響，結果見圖4。

圖4 堿濃度對反應的影響Fig.4 Effect of concentration of NaOH on the reaction

由圖4 可知，當反應體系中不加堿時，幾乎沒有喹啉-2-羧酸生成，說明堿的存在對于此反應非常重要。而隨著堿的濃度的升高，喹啉-2-羧酸的收率和選擇性也越來越大，在濃度達到1.6 mol/L 時，它們都達到最大值。但是，當加大堿的濃度到2.0 mol/L時，目標產物的選擇性急劇下降，收率也開始緩慢下降。所以，最適宜的堿的濃度為1.6 mol/L。通過文獻調研，當強堿存在時，甲基易失去質子氫，在卟啉的催化下進行氧化反應，金屬卟啉和堿是相互協(xié)同的作用，堿是作為助催化劑催化反應進行的。

2.6 溶劑對反應的影響

以T(p-OCH3)PPCoCl 為催化劑，催化劑的濃度4.0 ×10－5mol/L，在反應溫度120 ℃，反應時間8 h，氧氣壓力為1.5 MPa，NaOH 的濃度1.6 mol/L，2-甲基喹啉的濃度0.125 mol/L 的反應條件下，考察了不同的溶劑對反應的影響，結果見表2。

由表2 可知，3 種溶劑乙醇、乙腈和甲醇中，當乙醇作為溶劑時，喹啉-2-羧酸的收率和選擇性明顯高于其它兩種溶劑很多。所以選擇乙醇作為此催化反應體系的溶劑。而后，又進行了乙醇與水以一定比例混合(總體積不變，30 mL)作為溶劑來催化這個反應。因為，在有機反應體系中，如果水作為溶劑，實驗數據又很理想，將是突破性的進展。結果表明，乙醇與水的混合溶液作為溶劑，目標產物的收率和選擇性并不高;而且，由表2 中可以看出，無論乙醇與水以何比例混合，產物的收率和選擇性都是堿存在的反應體系高于無堿體系，這表明堿作為助催化劑存在反應體系中，作用很大。同時實驗數據表明，T(p-OCH3)PPCoCl 是非水溶性催化劑。

表2 不同溶劑對反應的影響Table 2 Effect of different solvents on the reaction

3 反應機理

根據金屬卟啉以及堿濃度對反應的影響，我們推測2-甲基喹啉催化氧化為喹啉-2-甲酸的反應機理為經典的自由基反應。本實驗所使用的鈷卟啉，與氧氣分子作用，生成高價鈷氧中間體PCoⅣO，它具有很好的催化活性來催化2-甲基喹啉為喹啉-2-甲酸，反應機理如下:

首先2-甲基喹啉(a)在強堿溶液中，2 位取代的甲基脫去一個質子，形成喹啉-2-甲基碳負離子(b)，(b)在高價鈷氧中間體PCoⅣO 的催化作用下，生成了喹啉-2-甲基自由基(c)，(c)會進一步和O2作用形成喹啉-2-甲基過氧自由基(d)，(d)脫去一分子水生成喹啉-2-酰基自由基(e)，(e)在氧氣的作用下形成了喹啉-2-酰基過氧自由基(f)，(f)再和原料2-甲基喹啉(a)作用生成目標產物喹啉-2-甲酸(g)和喹啉-2-?；杂苫?e)，從鏈引發(fā)到鏈終止(a)～(g)完成了整個自由基反應歷程。

4 結論

本文研究了一種金屬卟啉作為催化劑仿生催化氧氣氧化2-甲基喹啉合成喹啉-2-甲酸的新方法。通過對影響反應因素的考察，篩選出了最優(yōu)的催化劑和反應條件。在不同種類的催化劑中，T(p-OCH3)PPCoCl 表現出較高的催化活性和選擇性。在最優(yōu)的反應條件下:反應溫度120 ℃，氧氣壓力1.5 MPa，反應時間8 h，4 × 10－5mol/L 的T(p-OCH3)PPCoCl，NaOH 濃度1.6 mol/L，乙醇作為溶劑，2-甲基喹啉的轉化率達到了40.75%，喹啉-2-羧酸的選擇性和收率分別達到了24.59%和10.02%。并且推測出了該反應的機理。本文提出的方法，符合工業(yè)要求的綠色環(huán)保，可持續(xù)發(fā)展，并且金屬卟啉催化劑，有近似酶的高活性和高選擇性，不會產生環(huán)境污染。因此，金屬卟啉仿生催化氧氣氧化2-甲基喹啉綠色合成喹啉-2-甲酸的方法，工業(yè)應用前景十分廣闊。

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