分子印跡聚合物在傅克?；磻?yīng)中的底物識別性和區(qū)位選擇性

吳萃艷　祝貞科　譚蓉　銀董紅

摘 要 采用分子印跡技術(shù)，以2-乙?；h(huán)己酮與Co（Ⅱ）的配合物為模板，合成了對苯甲醚乙?；磻?yīng)的鄰位取代產(chǎn)物有一定識別性能的鈷配位分子印跡聚合物（Co（Ⅱ）-MIP）.采用FT-IR，N2吸附-脫附和SEM等分析方法對分子印跡聚合物進行了表征.并將該印跡聚合物應(yīng)用于苯甲醚?；磻?yīng)中，考察了對苯甲醚?；磻?yīng)區(qū)位選擇性能力，結(jié)果表明Co（Ⅱ）-MIP的印跡空腔具有特定的空間立體結(jié)構(gòu)和結(jié)合位點，表現(xiàn)出一定的?；噭┳R別性和鄰位?；瘏^(qū)位選擇性，提高了苯甲醚鄰位乙?；a(chǎn)物的產(chǎn)率.

關(guān)鍵詞 分子印跡聚合物；乙?；磻?yīng)；底物識別性；區(qū)位選擇性

中圖分類號 O6313 文獻標識碼 A 文章編號 1000-2537（2015）04-0041-07

Abstract The metal molecular imprinting polymer （Co（Ⅱ）-MIP） was prepared by the molecular imprinting of 2-acetylcyclohexanone and cobalt（Ⅱ） ion precursor， and was well characterized by the FT-IR， N2 adsorption-desorption and SEM techniques. The template-imprinted memory within the polymer induced certain substrate selectivity and regioselectivity in catalyzing the anisole acetylation reaction using acetyl chloride as an acetylation reagent. It significantly enhanced the product of o-methoxyacetophenone as compared with non-imprinted polymer.

Key words molecular imprinted polymer； acetylation reaction； substrate recognition capacity； regioselectivity

鄰乙酰基苯甲醚作為重要的精細化工產(chǎn)品和有機合成中間體，被廣泛應(yīng)用于染料，醫(yī)藥，農(nóng)藥，塑料，化妝品等領(lǐng)域.傅克?；磻?yīng)是合成芳酮最有效的方法之一，具有反應(yīng)簡單及選擇性高等優(yōu)點[1].Lewis酸（AlCl3， FeCl3， TiCl4， BF3等）或質(zhì)子酸（HF， H2SO4， HCl）[2]通常用于催化苯甲醚乙?；磻?yīng)制備乙?；郊酌?但傳統(tǒng)苯甲醚乙?；呋磻?yīng)體系中產(chǎn)物大多為對位酰基化產(chǎn)物，幾乎得不到鄰位?；a(chǎn)物[3].因此，提高苯甲醚乙?；磻?yīng)中鄰乙酰基苯甲醚的選擇性具有非常重要的理論意義和實際應(yīng)用價值.

自從Dickey提出了“分子印跡”這一概念以來[4]，以分子識別為基礎(chǔ)的新型材料在催化合成、手性物質(zhì)分離和環(huán)境分析中潛在的應(yīng)用價值引起了許多領(lǐng)域的關(guān)注，成為國內(nèi)外研究的熱點[5-7].分子印跡技術(shù)（Molecular imprinting technique， MIT）是以目標分子為模板分子，將具有結(jié)構(gòu)上互補的功能化聚合物單體通過共價鍵或非共價鍵與模板分子結(jié)合，并加入交聯(lián)劑進行聚合反應(yīng)，反應(yīng)完成后洗脫模板分子，獲得在空間立體結(jié)構(gòu)和結(jié)合位點上與模板分子完全匹配的分子印跡聚合物（Molecularly imprinted polymer， MIP）. Wulff[8]和Mosbach[9]分別在共價型分子印跡技術(shù)和非共價型分子印跡技術(shù)方面做出了開創(chuàng)性的工作.分子印跡聚合物的選擇性識別位點和印跡空穴賦予其專一識別性、構(gòu)變預(yù)定性及高度選擇性[10].因此，通過選擇合適的模板分子，可制備出具有專一分子識別功能的分子印跡聚合物，即可實現(xiàn)有機合成反應(yīng)中高區(qū)位選擇性[11-12].

Alexander等[13] 以硼酯為底物類似物模板，制備出對類固醇乙?；哂懈哌x擇性的分子印跡聚合物，使三元類固醇酯在特定的羥基處有選擇性的?；?此外，分子印跡聚合物具有親和位點的可接近性、機械穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性等優(yōu)點，更顯示出其在催化和有機合成領(lǐng)域的巨大潛力[14-17].

基于分子印跡技術(shù)，本文首次以2-乙酰基環(huán)己酮與Co（Ⅱ）的配合物為模板，制備對苯甲醚乙?；磻?yīng)的鄰位產(chǎn)物有一定識別性能的Co（Ⅱ）配位分子印跡聚合物Co（Ⅱ）-MIP.目的在于考察在苯甲醚乙?；磻?yīng)中，Co（Ⅱ）-MIP的底物識別性以及基于區(qū)位選擇性，為在傅克反應(yīng)中得到特殊位點取代的產(chǎn)物提供高效的催化試劑.

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

甲基丙烯酸（MAA），4-乙烯基吡啶（4-VP），二乙烯基苯（DVB），2-乙?；h(huán)己酮，氯化鈷均為Alfa Aesar試劑；苯甲醚，乙酰氯，乙酸酐，苯乙酰氯，三氯化鋁，偶氮二異丁腈（AIBN）為國產(chǎn)藥品；反應(yīng)溶劑經(jīng)Na或CaH2除水后使用.產(chǎn)物用Agilent 6890型氣相色譜儀分析，并采用GC-MS（HP5790）對產(chǎn)物進行定性分析.

1.2 分子印跡聚合物的制備

1.2.1 Co（Ⅱ）-MIP的制備 Co（Ⅱ）-MIP的制備如圖1所示.取4 mmol 2-乙酰基環(huán)己酮與2 mmol氯化鈷溶于7.5 mL氯仿中，振蕩靜置形成配合物，向該氯仿溶液中加入8 mmol 4-乙烯基吡啶，然后加入40 mmol二乙烯基苯及0.1 g AIBN，充分振蕩搖勻，將溶液轉(zhuǎn)移至50 mL硬質(zhì)試管中，超聲，通氮除氧15 min，真空封管，60 ℃熱引發(fā)聚合.聚合物研碎后過200目篩，用丙酮傾瀉法除去過細顆粒，用甲醇和乙酸（體積比7∶3）混合液作洗脫液，索氏提取，直至洗液中紫外光譜檢測不出模板分子的特征吸收峰，在40 ℃真空干燥24 h，得鈷配位分子印跡聚合材料Co（Ⅱ）-MIP [18].

1.2.2 MIP和NIP的制備 取4 mmol 2-乙?；h(huán)己酮溶于7.5 mL氯仿中，向該氯仿溶液中加入8 mmol甲基丙烯酸，然后加入40 mmol二乙烯基苯及0.1 g AIBN，充分振蕩搖勻，將溶液轉(zhuǎn)移至50 mL硬質(zhì)試管中，超聲，通氮除氧15 min，真空封管，60 ℃熱引發(fā)聚合.聚合物研碎后過200目篩，用丙酮傾瀉法除去過細顆粒，用甲醇和乙酸（體積比7∶3）混合液作洗脫液，索氏提取洗脫模板分子，直至洗液中用紫外光譜檢測不出模板分子，洗脫后，40 ℃真空干燥24 h，得普通分子印跡聚合物MIP（見圖式2）[19].

參考分子印跡聚合物（空白聚合物NIP）的制備除不加模板分子外其他操作與MIP的制備過程相同，但無須進行索氏萃取.

1.3 聚合物的表征

紅外光譜測定在AVATAR 370紅外光譜儀上進行，攝取4 000～400 cm-1紅外光譜，分辨率為2 cm-1.催化劑的形貌特征用掃描電子顯微鏡（JSM-6360LV）觀察.樣品的比表面積和孔結(jié)構(gòu)，在液氮溫度為-196 ℃，10-6 mmHg和80 ℃下脫氣12 h，在TriStar 3000物理吸附儀上測定.產(chǎn)物用GC-MS（HP5790）定性分析.產(chǎn)物分布用Agilent Technologies 6890 N氣相色譜分析，采用DP-35毛細管柱（30 m × 0.25 mm），氫火焰檢測器，N2 作載氣，檢測器的溫度為250 ℃.

1.4 傅克?；磻?yīng)

將分子印跡聚合物（0～1.0 g），苯甲醚（1 mmol），酰基化試劑（1.5 mmol），AlCl3（0～3.0 mmol）和二氯甲烷（20 mL）加入50 mL圓底燒瓶中，密封，60 ℃下攪拌6 h，然后倒入冰水-鹽酸混合液中酸解.過濾后，將濾液用水和質(zhì)量分數(shù)5%的碳酸氫鈉洗至中性，用無水氯化鈣干燥以備氣相色譜分析.

2 結(jié)果與討論

2.1 聚合物的表征

2.1.1 樣品的FT-IR表征 模板分子2-乙?；h(huán)己酮，空白聚合物（NIP），普通分子印跡聚合物（MIP）和鈷離子配位分子印跡聚合物（Co（Ⅱ）-MIP）的紅外光譜表征見圖1.

如圖1所示，鈷配位分子印跡聚合物（Co（Ⅱ）-MIP）在1 690 cm-1出現(xiàn)了CN的吸收峰，在1 600～1 450 cm-1出現(xiàn)了吡啶環(huán)的骨架伸縮振動吸收[24]，證實了Co（Ⅱ）-MIP結(jié)構(gòu)中吡啶作為功能結(jié)合位點的存在（Fig.1 a），普通分子印跡聚合物（MIP）在3 460 cm-1和1 700 cm-1處有明顯的紅外吸收峰為羧基結(jié)合位點的紅外特征吸收峰，證明以羧基為結(jié)合位點的普通分子印跡聚合物（MIP）已成功合成（Fig.1 b）.此外，MIP 和Co（Ⅱ）-MIP的紅外譜圖中只有很弱的模板分子的紅外特征吸收峰，證明模板劑分子已基本除去.空白聚合物（NIP）盡管表現(xiàn)出與分子印跡聚合物（MIP）類似的紅外譜圖，但是因聚合過程中沒有加入模板劑，導(dǎo)致其不具有空間立體結(jié)構(gòu)和結(jié)合位點的印跡孔穴（Fig.1 d）.這與樣品的SEM結(jié)果一致.

2.1.2 樣品的SEM表征 為探究分子印跡在聚合物結(jié)構(gòu)中造成的特定影響，獲得有關(guān)孔穴的形貌和尺寸，用掃描電鏡（SEM）進行微觀形貌研究.圖2為空白聚合物（NIP）、普通分子印跡聚合物（MIP）和金屬鈷配位分子印跡聚合物（Co（Ⅱ）-MIP）的SEM照片.可以看出，MIP和Co（Ⅱ）-MIP由于制備過程中，模板分子的使用改變了分子印跡聚合物的表面形貌，使得形成了較多的大空隙結(jié)構(gòu)，而這些大孔結(jié)構(gòu)中也包括印跡模板洗脫后留下的空穴.與之相比，空白聚合物（NIP）由于制備過程中沒有印跡分子的參與，從SEM照片上看不到明顯的孔穴.該結(jié)果佐證了分子印跡聚合物的孔穴和模板分子的“鎖”和“鑰匙”的關(guān)系.

2.1.3 分子印跡聚合物孔結(jié)構(gòu)分析 表1為空白印跡聚合物NIP，普通分子印跡聚合物MIP和鈷配位分子印跡聚合物Co（Ⅱ）-MIP的孔結(jié)構(gòu)分析.從表1可以看出，MIP和Co（Ⅱ）-MIP的比表面積明顯大于空白聚合物NIP，這說明有模板分子參與聚合時，聚合物去模板后留下更多的空穴結(jié)構(gòu)，因此比表面積遠大于NIP，而對比MIP和Co（Ⅱ）-MIP，由于在Co（Ⅱ） 的參與下形成了相對較大的模板分子，所以Co（Ⅱ）-MIP的孔徑和孔容都略大于MIP[20].

2.2 催化反應(yīng)研究

2.2.1 Co（Ⅱ）-MIP的用量對苯甲醚鄰位?；磻?yīng)的影響 為了考察Co（Ⅱ）-MIP的用量對苯甲醚?；磻?yīng)的影響，選擇乙酰氯為酰基化試劑與苯甲醚反應(yīng).從表2可知，增加Co（Ⅱ）-MIP的用量，苯甲醚的轉(zhuǎn)化率逐漸降低，但是苯甲醚鄰位產(chǎn)物的選擇性逐漸提高，當Co（Ⅱ）-MIP用量為1.0 g時，鄰甲氧基苯乙酮選擇性達到9.1%.這是由于增加Co（Ⅱ）-MIP用量有利于反應(yīng)底物有效進入印跡空腔發(fā)生鄰位?；磻?yīng).進一步增Co（Ⅱ）-MIP用量，一方面導(dǎo)致AlCl3在聚合物的空腔外部被吡啶氮原子大量吸附絡(luò)合；另一方面，過量的AlCl3也會造成聚合物空腔的堵塞[21]，所以轉(zhuǎn)化率和鄰位產(chǎn)物選擇性都出現(xiàn)下降趨勢.

2.2.2 反應(yīng)時間對苯甲醚鄰位?；磻?yīng)的影響 以乙酰氯為?；噭?，考察了反應(yīng)時間對Co（Ⅱ）-MIP參與的苯甲醚鄰位?；磻?yīng)的影響，結(jié)果見表3.由表3可見，隨著時間的延長，苯甲醚轉(zhuǎn)化率逐漸增加.反應(yīng)6 h時苯甲醚的轉(zhuǎn)化率達到98%，且鄰位產(chǎn)物2-甲氧基苯乙酮的選擇性達到9.1%.這是因為反應(yīng)時間的延長有利于底物擴散到印跡空腔中的與鄰位產(chǎn)物匹配的識別位點結(jié)合，生成鄰位?；a(chǎn)物；進一步延長反應(yīng)時間，底物向空腔中的擴散速度下降，而在空腔外部反應(yīng)，導(dǎo)致鄰位選擇性下降.

2.2.3 反應(yīng)溫度對苯甲醚酰基化反應(yīng)的影響 反應(yīng)溫度對苯甲醚?；磻?yīng)的影響較大（見表4）.隨著溫度的升高，苯甲醚的轉(zhuǎn)化率和鄰位異構(gòu)體產(chǎn)物選擇性增強，在60 ℃時，苯甲醚的轉(zhuǎn)化率達到98%，其中鄰位產(chǎn)物2-甲氧基苯乙酮選擇性達到最大值9.1%.這可能是因為溫度升高，在室溫下不能被利用的空腔由于聚合物的溶脹而被利用，繼而可以大幅度提高分子印跡聚合物對鄰位產(chǎn)物2-甲氧基苯乙酮的選擇性[22]；其次，底物從聚合物進入結(jié)合位點主要依靠擴散作用，擴散速度和溫度有著密切的關(guān)系，溫度升高可以提高擴散速度，縮短響應(yīng)時間[23]，而進一步提高反應(yīng)溫度，苯甲醚與乙酰氯在空腔外的反應(yīng)速率加快，導(dǎo)致鄰位產(chǎn)物的選擇性相對下降.分子印跡聚合物不論是用于催化還是分離或其他目的，被選擇的底物是否能順利進入聚合物空腔都非常重要.

2.2.4 Co（Ⅱ）配位型分子印跡聚合物的底物識別性和區(qū)位選擇性

分子印跡聚合物應(yīng)用于催化反應(yīng)，其主要的功能是具有優(yōu)異的底物選擇性.為了考察Co（Ⅱ）-MIP的底物選擇性和空間識別性，本工作對照了不同印跡聚合物（NIP， MIP和Co（Ⅱ）-MIP）的催化能力，以及對不同底物（乙酰氯，乙酸酐和苯甲酰氯）的識別能力.從表5中可以看出，空白聚合物（NIP）在苯甲醚?；磻?yīng)中鄰位選擇性差，其選擇性僅為05%.而在相同條件下，MIP和Co（Ⅱ）-MIP可明顯提高鄰位乙酰化產(chǎn)物的選擇性，其選擇性分別達到4.2%和91%.可見，分子印跡聚合物對提高苯甲醚酰基化反應(yīng)鄰位選擇性起著至關(guān)重要的作用.這是因為分子印跡聚合物具有與鄰位產(chǎn)物空間立體結(jié)構(gòu)相似的空腔，空腔中與鄰位產(chǎn)物匹配的結(jié)合位點可提高該反應(yīng)的鄰位選擇性，在AlCl3催化的苯甲醚乙?；磻?yīng)過程中，Co（Ⅱ）-MIP的空腔結(jié)構(gòu)與反應(yīng)底物具有最佳的匹配位點，因而表現(xiàn)出最高的區(qū)位選擇能力.

表5的結(jié)果還表明，Co（Ⅱ）-MIP的鄰位乙?；a(chǎn)物選擇性是NIP的18.2倍，而使用沒有Co（Ⅱ）離子配位的分子印跡材料（MIP），鄰位乙酰化產(chǎn)物選擇性僅是NIP的8.4倍，這是由于在制備Co（Ⅱ）-MIP過程中，Co（Ⅱ）作為自組裝樞軸更能有效地抑制合成過程中模板分子運動，提高自組裝構(gòu)建的穩(wěn)定性，促進分子印跡聚合物的識別能力.此外，反應(yīng)過程中，Co（Ⅱ）-MIP中的吡啶氮原子結(jié)合位點有利于AlCl3在印跡空腔中與底物進行鄰位自組裝，提高鄰位產(chǎn)物的選擇性[24-26].Co（Ⅱ）-MIP具有比NIP和MIP更大的平均孔徑，使底物更容易進入與鄰位產(chǎn)物類似的空腔[27]，是提高鄰位產(chǎn)物選擇性的另一個原因.

表5中還考察了印跡聚合物對不同?；噭┑牡孜镞x擇性.結(jié)果表明，當使用乙酰氯時，Co（Ⅱ）-MIP對鄰位產(chǎn)物的提高率為18.2倍，當使用乙酸酐和苯酰氯時Co（Ⅱ）-MIP對鄰位產(chǎn)物的提高率分別為4.6倍和3.7倍.由于乙酰氯作為苯甲醚的鄰位酰基化試劑是與印跡空腔的立體空間和結(jié)合位點最匹配的結(jié)構(gòu)，而乙酸酐和苯乙酰氯由于其分子體積較大，印跡空腔難以與其形成有效的匹配，減少了其與苯甲醚在空腔內(nèi)乙?；磻?yīng)的概率，因而表現(xiàn)出很好的印跡效應(yīng)[27].此外，盡管有部分AlCl3被固定在Co（Ⅱ）-MIP印跡空腔中的Co（Ⅱ）位置，但仍有大量外加的AlCl3在Co（Ⅱ）-MIP腔外部，直接參與乙酰氯與苯甲醚間沒有區(qū)位選擇性的酰基化反應(yīng)，直接生成對位?；a(chǎn)物，這樣所得鄰位產(chǎn)物的選擇性最大僅為9.1%，但是仍然大于MIP或是NIP參與下的鄰位產(chǎn)物產(chǎn)率，證明了Co（Ⅱ）-MIP具有較強的區(qū)位選擇性.

3 結(jié)論

設(shè)計了以2-乙?；h(huán)己酮-Co（Ⅱ）配合物為模板分子的分子印跡聚合物，并將其應(yīng)用于苯甲醚鄰位?；磻?yīng)中，考察了其對苯甲醚?；磻?yīng)鄰位選擇性的影響.結(jié)果表明，該分子印跡聚合物具有特殊的空腔結(jié)構(gòu)，其功能基團可與鄰位產(chǎn)物匹配，一定程度上提高了反應(yīng)的鄰位選擇性.在最佳反應(yīng)條件下，苯甲醚?；磻?yīng)的最高鄰位選擇性為9.1%，Co（Ⅱ）-MIP的鄰位選擇性相對于MIP提高了18.2倍，顯示出明顯的印跡效應(yīng).但是，由于識別位點的活性比較低，且聚合物空腔內(nèi)沒有固定的催化活性中心，導(dǎo)致苯甲醚鄰位?；磻?yīng)的選擇性不高.因此，后續(xù)研究工作將考慮在分子印跡聚合物空腔中引入Lewis酸，以合成出不僅具有結(jié)合位點，且具有催化活性中心的分子印跡聚合物仿生催化劑，以期進一步提高苯甲醚?；磻?yīng)的鄰位產(chǎn)物選擇性.

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