金屬卟啉催化2-甲基萘的仿生氧化

石星星，顧承志，馬曉偉，代斌

（石河子大學化學化工學院/新疆兵團化工綠色過程重點實驗室，新疆 石河子 832003）

直接氧化芳烴成醌是非常重要的化學轉換，因為醌類衍生物作為重要的有機中間體或產(chǎn)品廣泛應用于精細化學、食品化學以及農(nóng)藥、醫(yī)藥工業(yè)。目前傳統(tǒng)的氧化工藝基本上都要使用化學計量的重金屬鹽、硝酸、硫酸等氧化劑或者貴金屬催化的高溫高壓下的空氣氧化法[1]。

由于采用的氧化工藝本身原子經(jīng)濟性差，反應條件苛刻，催化劑重金屬流失嚴重，反應選擇性差，并且氧化深度難以控制，從而造成生產(chǎn)成本高、能耗高、設備腐蝕嚴重，并且?guī)韲乐氐沫h(huán)境污染問題。例如，從2-甲基萘氧化得到的2-甲基-1，4-萘醌即vitamin K3，作為凝血劑常用于動物飼料添加劑，其氧化工藝路線就是在濃硫酸介質用三氧化鉻做氧化劑，2-甲基-1，4-萘醌的收率為35%-60%，但是每生產(chǎn)1 kg 2-甲基-1，4-萘醌產(chǎn)物，就伴隨18 kg含高濃度鉻廢水排放[2]。考慮到環(huán)境壓力和經(jīng)濟效應，在過去幾十年中相當多的研究者關注于發(fā)展催化氧化體系，Adam等[3]首次以甲基三氧化錸（MTO）為催化劑，雙氧水為終端氧化劑實現(xiàn)2-甲基萘的氧化，2-甲基-1，4-萘醌得產(chǎn)率可達40%，Chi等[4]以釕卟啉[RuⅣ(2，6-Cl2tppCl2)]為催化劑，2，6- 二氯氮氧吡啶（2，6-Cl2pyNO）為終端氧化劑，2-甲基萘的轉化率達到80%，相應的得到46%的2-甲基-1，4-萘醌和 10%的 6-甲基 -1，4-萘醌，Beller[5-6]設計非血紅素釕復合體+雙氧水的催化體系，2-甲基-1，4-萘醌的分離產(chǎn)率可達64%，此外非金屬催化氧化版本也有報道，Thiel等[7]組合濃硫酸和雙氧水在冰乙酸中實現(xiàn)了2-甲基萘的氧化，2-甲基-1，4-萘醌的產(chǎn)率達到80%。

上述催化體系中仍存在環(huán)境不兼容的問題，如貴金屬錸和釕的生物兼容性，高濃度雙氧水的安全性等，基于此，本研究在前期仿生氧化的工作基礎上[8]，以過硫酸氫鉀（oxone）為終端氧化劑（過硫酸氫鉀為固體，相對于雙氧水認為是更安全的氧化劑，并且其還原產(chǎn)物硫酸氫鉀可以直接排放），生物兼容的鐵卟啉為催化劑，室溫下2-甲基萘仿生氧化生成 2-甲基 -1，4-萘醌和 6-甲基 -1，4-萘醌的反應如圖1所示。

圖1 2-甲基萘的選擇性氧化Fig.1 The selective oxidation of 2-methylnaphthalene

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

儀器：IKA加熱磁力攪拌器，IKA 機械攪拌器，Agilent7890A-5975C氣質聯(lián)用儀，Bruker AvanceⅢ400 HD核磁共振儀，Thermo Scientific LTQ Orbitrap XL高分辨質譜儀，Bruker X-射線單晶衍射儀。

試劑：五氟苯甲醛，吡咯，2-甲基萘，四丁基碘化銨，三氟化硼乙醚溶液，二氯甲烷，均為分析純。

1.2 實驗步驟

1.2.1 位阻卟啉合成

位阻卟啉合成如圖2所示，主要過程如下：真空線上連接充分干燥配有回流冷凝管的1 L三頸圓底燒瓶，磁力攪拌，抽真空，充氮氣重復操作3次以上，在氮氣氛圍下快速加入位阻苯甲醛（1.5 mL，10 mmol）和新蒸的吡咯（0.75 mL，10 mmol）如圖 2 所示，加大氮氣量，快速加入500 mL無水處理過的二氯甲烷（CaH2回流處理），此時氮氣充分吹掃5 min后，用注射器向上述溶液滴加三氟化硼乙醚溶液（新蒸，3.3 mmol，0.42 mL）調(diào)節(jié)氮氣流速，稍有正壓即可。避光常溫攪拌4 h后迅速加入二氯二氰基苯醌（DDQ）1.0 g，繼續(xù)常溫攪拌 1 h，再用注射器加入三乙胺（CaH2處理）1 mL終止反應。繼續(xù)攪拌30 min，反應液用旋轉蒸發(fā)儀濃縮干，粗產(chǎn)品用硅膠拌樣進行柱層析分離，收集紫色組分，旋干，所得物質進一步用二氯甲烷和甲醇重結晶，最終獲得具有金屬光澤紫色產(chǎn)品，稱重。產(chǎn)率15%-40%。

圖2 位阻卟啉合成Fig.2The synthesis of sterically hindered porphyrin

1.2.2 位阻金屬卟啉合成[9]

位阻金屬卟啉合成如圖3所示，主要過程如下：稱取 0.5 mmol卟啉和 2.5 mmol金屬鹽類（MnCl2，F(xiàn)eCl2）于250 mL三頸燒瓶中，上方連接回流冷凝管并連接干燥管，加入100 mL DMF（N，N-二甲基甲酰胺）加熱回流6-12 h，點板監(jiān)測反應如圖3所示。待原料點消失，停止加熱，減壓蒸餾蒸出DMF，冷卻至室溫加入稀釋過的鹽酸50 mL和二氯甲烷50 mL磁力攪拌1 h。用30 mL二氯甲烷反復萃取三次，合并有機相，用無水硫酸鈉干燥。將有機相濃縮蒸干，加少量DCM溶解并加入少量硅膠拌樣，進行柱層析分離，收集組分，旋干，所得棕黑色物質為相應金屬卟啉。產(chǎn)率90%。

圖3 位阻金屬卟啉合成Fig.3 The synthesis of sterically hindered metalloporphyrin

1.2.3 2-甲基萘的氧化

稱取 2-甲基萘 1.0 mmol（142 mg） 為原料，3 mmol Oxone （1.842 g） 作 為 氧 化 劑 ，0.25 mmol%TPPF20-FeCl（2.7 mg）為催化劑，0.1 mmol Bu4NI（36.9 mg）為相轉移催化劑，于反應管中，加入10 mL MeCN，20℃攪拌12 h。終止反應，將反應液用小硅膠柱預處理，再用MeCN反復清洗3次。收集有機相，旋轉蒸發(fā)儀上旋干濃縮，硅膠拌樣，柱層析分離，洗脫劑PE∶EA=50∶1（V∶V）。收集相應色帶，最終得到黃色固體2-甲基-1，4-萘醌和6-甲基-1，4-萘醌，稱重。

2 結果與討論

2.1 位阻卟啉的合成

嚴格按照經(jīng)典的Lindesy位阻卟啉合成標準條件操作，都得到相應的位阻卟啉。下面以5，10，15，20-四（2，3，4，5，6- 五氟苯基）卟啉（TPPF20）的合成為例詳細介紹其結構表征。

TPPF20的4個中位苯環(huán)上全部氟化，導致該卟啉分子結構對稱性好，因此氫譜（圖4a）上只出現(xiàn)8個低場β-H信號與2個高場N-H信號；其碳譜（圖4b）顯示，由于多氟而造成碳多重裂分復雜；由于中位上苯環(huán)上全部氟化，應出現(xiàn)3個氟信號，其氟譜（圖4c）顯示；TPPF20的結構最終經(jīng)單晶表征確認如圖4d所示。

圖4 TPPF20的 1H NMR(a)、13C(b)、19F NMR(c)和單晶結構(d)譜圖Fig.4 The1H NMR spectrum(a)，13CNMR spectrum(b)，19F NMR(c)and crystal structure(d)of TPPF20

2.2 位阻金屬卟啉的合成

位阻金屬卟啉由于中心金屬Fe或Mn具有順磁性，因此無法用核磁表征，結構只能用X單晶衍射表征，同時，由于相應反應為經(jīng)典反應，且化合物都是文獻報道的，本研究僅測試了相應金屬卟啉的XPS，通過結合能與標準數(shù)據(jù)比較以說明相應中心金屬的存在及相應的氧化價態(tài)，以氯化5，10，15，20-四（2，4，6- 三甲基苯基）鐵卟啉（TMP-FeCl）和氯化5，10，15，20-四（2，4，6-三甲基苯基）錳啉（TMP-MnCl）的XPS結果給予說明，如圖5a中711.85 ev為Fe3+2p 2/3軌道結合能，398.75 ev為N 1s軌道結合能，284.6 ev為C 1s軌道結合能，198.5 ev為Cl 2p 2/3軌道結合能。錳卟啉的XPS結果如圖5b所示。

圖5 TMP-FeCl（a）、TMP-MnCl（b）的XPS表征Fig.5 The XPS of TMP-FeCl(a)and TMP-MnCl(b)

2.3 金屬卟啉篩選及反應條件優(yōu)化

以1 mmol 2-甲基萘為底物，分別對該反應的催化劑、催化劑量、溶劑、相轉移催化劑、相轉移催化劑的量（PTC）、反應溫度以及時間進行了優(yōu)化，結果如表1所示。由表1可知：

（1）金屬卟啉的種類對萘氧化的轉化率和選擇性有著較大影響。若沒有催化劑參與，則2-甲基萘不發(fā)生反應，轉化率產(chǎn)率為0。

（2）金屬卟啉取代基，中心金屬離子的不同，影響著萘氧化的結果，吸電子基要優(yōu)于給電子基，而中心金屬離子鐵要優(yōu)于中心金屬離子錳，其中5，10，15，20-四（2，3，4，5，6- 五氟苯基）鐵卟啉（TPPF20FeCl）效果最佳。

（3）PTC的有無、種類、負載量都會對2-甲基萘氧化的結果產(chǎn)生影響，經(jīng)過篩選0.1 mmol的四丁基碘化銨（Bu4NI）為最佳。

（4）溶劑、反應溫度、反應時間都會對實驗結果有較大影響。

（5）金屬卟啉催化氧化萘生成 2-甲基 -1，4-萘醌（同環(huán)氧化產(chǎn)物）和 6-甲基 -1，4-萘醌（異環(huán)氧化產(chǎn)物）的最佳反應條件如下：0.25 mmol%TPPF20FeCl、0.1 mmol Bu4NI、3 mmol Oxone、10 mL MeCN 常溫攪拌 12 h，2-甲基 -1，4-萘醌分離產(chǎn)率為18%，6-甲基-1，4-萘醌分離產(chǎn)率為52%，總產(chǎn)率為80%。

（6）相應異構體的比例接近1∶3，而當氧化劑換成過硫酸四丁基銨鹽時，產(chǎn)率提高到88%。

（7）該氧化劑為Oxone與PTC的復合鹽，實驗再次證明了PTC對該金屬卟啉催化氧化萘反應的必要性。由于Oxone四丁基銨鹽復合鹽價格昂貴，沒有選擇作為該反應的氧化劑。

表1 金屬卟啉篩選及反應條件優(yōu)化Tab.1 The screening of metallporphyrin and the optimization of reaction condition

注：a 為反應條件:2- 甲基萘 (1.0 mmol)，Bu4BI(0.1 mmol)，Oxone(3.0 mmol)，Catalyst(0.25 mmol%)MeCN(10 mL)，40 ℃，12 h；b為基于 2+3分離產(chǎn)率；g為 Bu4NI 5 mmol%；c TPPF20FeCl 0.1 mmol%；h Bu4NI 20 mmol%；d TPPF20FeCl 0.25 mmol%；I為反應時間 6 h；e為TPPF20FeCl 1 mmol%；J為反應時間9 h；f為Bu4NI 1 mmol%；K為反應時間 24 h；l為氧化劑為 Oxone四丁基銨鹽，無PTC。

2.4 產(chǎn)品分析及結構表征

2.4.1 2-甲基-1，4-萘醌

2-甲基-1，4-萘醌，收率為18%，黃色固體，熔點：105-107 ℃。1H-NMR (400 MHz，CDCl3)δ 8.11-8.05(m，2H)，7.74-7.71(m，2H)，6.84(q，J=1.4 Hz，1H)，2.20(d，J=1.2 Hz，3H)。13C-NMR(101 MHz，CDCl3)δ 185.6，185.0，148.2，135.7，133.7，133.6，132.3，132.2，126.5，126.1，16.5.2-甲基 -1，4-萘醌的結構進一步經(jīng)二維核磁確證，其HSQC和HMBC如圖6所示。

圖6 2-甲基 -1，4-萘醌的 HSQC譜圖（a）、2-甲基 -1，4-萘醌的 HMBC（b）譜圖Fig.6 The HSQC(a)and HMBC(b)of 2-methyl-1,4-naphthoquinone

2.4.2 6-甲基-1，4-萘醌

6-甲基-1，4-萘醌，收率為52%，黃色固體，熔點：90-91 ℃。1H-NMR(400 MHz，CDCl3)δ7.98(d，J=8.0 Hz，1H)，7.88(d，J=0.8 Hz，1H)，7.55(d，J=8.0 Hz，J=0.8 Hz，1H)，6.94(s，2H)，2.50(s，3H)；13C-NMR(101 MHz，CDCl3) δ 185.4，185.0，138.7，138.5，134.6，131.8，129.7，126.8，126.6，21.9。

3 結論

氯化 5，10，15，20-四（五氟苯基）鐵卟啉組合四丁基碘化銨和過硫酸氫鉀室溫下能夠有效地實現(xiàn)2-甲基萘的仿生氧化，生成2-甲基-1，4-萘醌和6-甲基-1，4-萘醌，總產(chǎn)率達到80%，并且其區(qū)域選擇性為1∶3。這與文獻報道的結果相反，推測位阻效應起主要因素，該催化體系反應條件溫和環(huán)境友好，有望應用于工業(yè)生產(chǎn)。

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