金屬Salen配合物的合成及其催化性能研究

單洪亮

(寧波貝斯美投資控股有限公司，浙江 寧波 315000)

金屬Salen配合物是一類重要的有機(jī)反應(yīng)催化劑，它可在非常溫和的條件下以高產(chǎn)率、高選擇性地催化許多重要有機(jī)反應(yīng)，如：Diels-Alder反應(yīng)，烯烴環(huán)氧化，Strecker反應(yīng)，催化氧化等[1-5]。另外，從結(jié)構(gòu)上分析，Salen配體還具有合成簡單，結(jié)構(gòu)容易修飾，并可與多種金屬(Cr、Al、Co、Cu、Zn、Ni等)配合等優(yōu)點(diǎn)而受到了化學(xué)家的廣泛關(guān)注[6-9]。

苯偶酰是一種重要的有機(jī)合成中間體，其在醫(yī)藥、香料、日用化學(xué)品生產(chǎn)中有著廣泛的應(yīng)用[10-11]。苯偶酰的一種重要合成方法是以安息香為原料，通過將羥基氧化而得到。目前，科學(xué)家已發(fā)展了多種氧化劑或氧化方法對安息香進(jìn)行氧化而得到苯偶酰[12-14]，但是空氣為氧化劑的催化氧化方法報(bào)道較少，研究安息香的催化氧化合成苯偶酰具有重要意義。

本研究探索了以安息香為原料，用金屬salen配合物為催化劑，空氣為氧源來合成苯偶酰。在研究中，我們對催化劑、催化劑用量、堿、反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間等進(jìn)行了系統(tǒng)優(yōu)化，發(fā)展以一個(gè)綠色、高效、高產(chǎn)率(96%)的氧化條件合成了苯偶酰。同時(shí)，我們探索了對催化劑—Co(Salen)的回收利用，用水做萃取劑，可對Co(Salen)催化劑進(jìn)行回收，研究表明：用該方法回收的催化劑在第2次催化安息香氧化時(shí)可以以79%的收率得到產(chǎn)物。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要儀器與試劑

旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀(Büchi，R210)，熔點(diǎn)儀(Büchi，M-560)，液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀(Thermo LCQ Fleet)，傅里葉變換紅外光譜儀(Nicolet Nexus)，核磁共振儀(Bruker AV 400)，元素分析儀(EA3000)，X-射線衍射儀(荷蘭Empyrean)，三用紫外線分析儀(ZF-6型)，電子天平(Sartorius,BSA,124)， ACO系列電磁式空氣泵(ACO-005)。

安息香(99%，安耐吉化學(xué))，水楊醛(98%，安耐吉化學(xué))，乙二胺(99%，安耐吉化學(xué))，DMF(分析純，江蘇強(qiáng)盛功能化學(xué))，無水乙醇(分析純，杭州雙林化工)，乙酸乙酯(分析純，潤捷化學(xué))，石油醚(分析純，廣東光華科技)，CoSO4·7H2O(99%，國藥集團(tuán)化學(xué))，Zn(OAc)2(99.5%，安耐吉化學(xué))，Ni(NO3)2·6H2O(99.5%，安耐吉化學(xué))，Cu(OAc)2·H2O(99.5%，安耐吉化學(xué))， KOH(分析純西隴化工，分析純)，Na2SO4(分析純，潤捷化學(xué))。

1.2 金屬Salen催化劑1a-1d的合成

圖1 催化劑1a-1d合成路線

金屬Salen催化劑1a-1d的合成路線如圖1所示：首先，以水楊醛和乙二胺為原料通過縮合得到Salen配體；然后，在Salen配體的有機(jī)溶劑中，加入金屬鹽的水溶液或醇溶液生成金屬Salen配合物。

1.2.1 Co(Salen) (1a)催化劑的合成與表征

在250 mL三頸瓶中加入無水乙醇 (80 mL) 和水楊醛 (1.6 mL，0.018 mol)。室溫?cái)嚢柘?，加入乙二?(0.5 mL，0.0075 mol)，反應(yīng)30 min后生成亮黃色的雙水楊醛縮乙二胺片狀晶體—Salen配體。用75℃水浴加熱至亮黃色片狀晶體溶解后，將硫酸鈷(0.0075 mol) 的水溶液 (15 mL) 滴入三頸燒瓶中。在75℃下攪拌反應(yīng)50 min，抽濾，得暗紅色或棕色Co(Salen)催化劑，催化劑用無水乙醇洗滌三次，真空干燥，得產(chǎn)品Co(Salen)催化劑，單步收率56%。結(jié)構(gòu)表征如下：MS (+ESI): m/z (%) = 325 (100) [M]+， 326 (38) [M+H]+；Found：C，11.22；H，4.31；N，4.99。Calc.for C16H14CoN2O2：C，59.09；H，4.34；N，8.61%。

1.2.2 Cu(Salen) (1b) 催化劑的合成與表征

Cu(Salen) (1b) 催化劑的合成步驟與Co(Salen)催化劑一致，收率82%。結(jié)構(gòu)表征如下：MS(+ESI)：m/z(%)=330 (100) [M+H]+；Found：C，58.29；H，3.87；N，8.00。Calc.for C16H14CuN2O2：C，58.26；H，4.28；N，8.49%。

1.2.3 Cu(Salen) (1c) 催化劑的合成與表征

Cu(Salen)(1c)催化劑的合成步驟與Co(Salen)催化劑一致，收率92%。結(jié)構(gòu)表征如下：MS(+ESI)：m/z(%)= 331 (100) [M+H]+，353 (59) [M+Na]+；Found：C，54.36；H，4.04；N，7.33。Calc.for C16H14ZnN2O2：C，57.94；H，4.25；N，8.45%。

1.2.4 Ni(Salen) (1d) 催化劑的合成與表征

Ni(salen)(1d) 催化劑的合成步驟與Co(Salen)催化劑一致，收率60%。結(jié)構(gòu)及表征如下：MS(+ESI)：m/z(%)=325(100) [M+H]+，347 (50) [M+Na]+；Found：C，58.28；H，3.94；N，7.93。Calc.for C16H14NiN2O2：C，59.13；H，4.34；N，8.62%。

1.3 安息香催化氧化與表征

在100 mL三頸瓶中，依次加入安息香 (1.08 g，5.1 mmol)、溶劑 (26 mL)，等安息香溶解后加入金屬Salen催化劑(0.15 mmol，3 mol%)、堿(3.57 mmol)。水浴加熱至所需溫度后，向反應(yīng)液的底部通入空氣，并將體系加熱，利用TLC跟進(jìn)反應(yīng)至完全。反應(yīng)結(jié)束后，將反應(yīng)液冷卻到室溫，加入乙酸乙酯和水，水相用乙酸乙酯萃取2次，合并有機(jī)相(若用DMF為溶劑，有機(jī)相再用水洗3次)，用飽和食鹽水洗滌，用無水Na2SO4干燥，過濾、減壓濃縮、柱層析得到苯偶酰。

Rf=0.74(EtOAc:PE=1:9)。m.p.94.6～95.8℃。1H NMR(400MHz，CDCl3)：7.99～7.97(m，2H)，7.68～7.64(m，1H)，7.53～7.49(m，2H)。13C NMR(100 MHz，CDCl3)：194.6，135.0，133.0，129.9(×2)，129.1(×2)。Found：C，78.47；H，4.21。Calc.for C16H16N2O2：C，79.98；H，4.79%。IR(KBr)，ν，cm-1：3064，1660，1593，1450，1211，1170，876，718 cm-1。MS (+ESI): m/z (%) =233 (100) [M+Na]+。

1.4 金屬Salen催化劑的回收利用

在裝配有攪拌器、回流冷凝管和空氣導(dǎo)管的100 mL三頸瓶中，依次加入安息香 (1.08 g，5.1 mmol)、乙醇(26 mL)、Co(Salen)催化劑(0.05 g，0.15 mmol)、K2CO3(0.49 g，3.57 mmol)。反應(yīng)液在80℃下加熱，并通入空氣，利用TLC分析跟蹤反應(yīng)至反應(yīng)完全。反應(yīng)結(jié)束后將反應(yīng)液冷卻到室溫，并加入乙酸乙酯和水，水相用乙酸乙酯萃取1次，合并有機(jī)相。有機(jī)相用水(25 mL)洗滌2次，合并水相，減壓濃縮去除水得到Co(Salen)催化劑進(jìn)行下次實(shí)驗(yàn)。有機(jī)相用Na2SO4干燥，減壓濃縮，柱層析得黃色固體苯偶酰。

2 結(jié)果與討論

2.1 安息香氧化反應(yīng)條件優(yōu)化

安息香催化氧化合成苯偶酰中，我們探索了催化劑、堿和反應(yīng)溶劑對反應(yīng)產(chǎn)率的影響，如表1所示。在實(shí)驗(yàn)中，反應(yīng)的溫度為80℃，反應(yīng)時(shí)間為1 h。首先，我們根據(jù)文獻(xiàn)[11]報(bào)道的反應(yīng)條件，以DMF為溶劑，KOH為堿，空氣為氧化劑，對四種不同金屬Salen配合物Co(Salen)，Cu(Salen),Zn(Salen)，Ni(Salen)進(jìn)行了研究(實(shí)驗(yàn)1～4)。

表1 金屬Salen催化氧化安息香條件優(yōu)化

實(shí)驗(yàn)催化劑堿溶劑轉(zhuǎn)化率/%分離產(chǎn)率/%1Co(Salen)KOHDMF100892Cu(Salen)KOHDMF100703Zn(Salen)KOHDMF-344Ni(Salen)KOHDMF-215Co(Salen)K2CO3DMF-676Co(Salen)K3PO4DMF40-7Co(Salen)Na2CO3DMF71-8Co(Salen)NaOHDMF-549Co(Salen)KOHTHF34-10Co(Salen)KOHCH3CN968111Co(Salen)KOHH2O17-12Co(Salen)KOHEtOH-H2O967913Co(Salen)K2CO3EtOH1009514Co(Salen)KOHEtOH10091

反應(yīng)條件：安息香(1.08 g，5.1 mmol)，M(Salen) (3 mol%)，溶劑 (26 mL)，堿(3.57mmol)，air，80℃，1h。

實(shí)驗(yàn)表明：四種催化劑中，Co(Salen)以89%的最好產(chǎn)率得到苯偶酰。在實(shí)驗(yàn)過程中，KOH容易吸水而潮解。基于上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果，我們以Co(Salen)為催化劑，在相同的實(shí)驗(yàn)條件下對四種不同的堿(K2CO3，K3PO4，NaOH，Na2CO3)進(jìn)行了探索(實(shí)驗(yàn)5～8)。用HPLC分析可知：用K3PO4和Na2CO3為堿，有許多原料沒有反應(yīng)完全，原料的轉(zhuǎn)化率分別40%和71%。在相同的條件下，用K2CO3和NaOH為堿，原料反應(yīng)完全，并分別以67%和54%的分離產(chǎn)率得到苯偶酰。因此K2CO3和KOH在安息香的催化氧化中效果較好。

在此基礎(chǔ)上，我們以Co(Salen)為催化劑，KOH為堿對反應(yīng)的溶劑進(jìn)行了探索(實(shí)驗(yàn)9～14)。我們首先嘗試了THF，經(jīng)HPLC分析可知，原料的轉(zhuǎn)化率只有34%。而以CH3CN為溶劑時(shí)，原料幾乎反應(yīng)完全(96%)，并以81%的分離產(chǎn)率得到苯偶酰。在探索Co(Salen)催化劑的溶解性時(shí)發(fā)現(xiàn)：該催化劑在H2O中具有較好溶解度。為了提高該催化氧化反應(yīng)的綠色性，我們大膽嘗試了H2O為溶劑，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：在相同的反應(yīng)溫度和反應(yīng)時(shí)間下，原料的轉(zhuǎn)化率只有17%。與其他有機(jī)溶劑相比，EtOH是一種綠色溶劑。因此，我們嘗試了EtOH和H2O(v/v=1/1)的混合溶劑進(jìn)行反應(yīng)。用TLC分析可知：反應(yīng)很干凈，原料的轉(zhuǎn)化率也大大提高到了96%，并以79%的產(chǎn)率得到苯偶酰。H2O中加入EtOH可提高反應(yīng)轉(zhuǎn)化率和產(chǎn)率的原因可能是EtOH提高了原料的溶解度。在相同的條件下，以K2CO3為堿，EtOH(95%)為溶劑時(shí)，我們以95%的最好分離產(chǎn)率得到了產(chǎn)物。若用KOH為堿，EtOH為溶劑，反應(yīng)也順利進(jìn)行，并以91%的產(chǎn)率得到產(chǎn)物。因此，EtOH是安息香的催化氧化的一種理想溶劑。與DMF相比，大大提高了反應(yīng)的綠色性。

基于上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果，我們認(rèn)為安息香催化氧化的優(yōu)良催化劑、溶劑和堿分別為Co(Salen)、EtOH、KOH或K2CO3。

2.2 Co(Salen)催化氧化安息香在不同時(shí)間的轉(zhuǎn)化率

反應(yīng)溫度為80℃時(shí)，我們得到了安息香催化氧化的最佳催化劑、堿和反應(yīng)溶劑。然后，對反應(yīng)時(shí)間進(jìn)行了系統(tǒng)研究。方法如下：當(dāng)反應(yīng)液在80℃下攪拌到一定時(shí)間時(shí)，用滴管吸取少量反應(yīng)液至試管中，加入乙酸乙酯和水，取有機(jī)層樣品進(jìn)行HPLC分析，根據(jù)原料和產(chǎn)物的峰面積比來估算反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率，結(jié)果見表2所示。實(shí)驗(yàn)表明：在該反應(yīng)條件下，反應(yīng)迅速進(jìn)行，在10 min后，安息香的轉(zhuǎn)化率已達(dá)到82%，隨著反應(yīng)時(shí)間的延長，轉(zhuǎn)化率增幅越來越小，反應(yīng)至60 min時(shí)，轉(zhuǎn)化率達(dá)到了99%。反應(yīng)時(shí)間延長至75 min時(shí)，原料轉(zhuǎn)化完全。

2.3 溫度對Co(Salen)催化氧化安息香

我們以Co(Salen)為催化劑，EtOH為溶劑，K2CO3為堿，研究了溫度對反應(yīng)的影響，結(jié)果見表3所示。結(jié)果表明：在室溫下反應(yīng)28 h，仍然許多原料沒有反應(yīng)完全。在50℃下反應(yīng)7 h，有少量原料沒有轉(zhuǎn)化，苯偶酰的分離產(chǎn)率較低(67%)。將反應(yīng)的溫度提高至80℃時(shí)，反應(yīng)速度大大提高，反應(yīng)1 h時(shí)，我們以91%的產(chǎn)率得到產(chǎn)物。

基于上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果，我們認(rèn)為安息香催化氧化較為合適的反應(yīng)溫度為80℃。

表2 Co(Salen)在80℃催化氧化安息香在不同時(shí)間的轉(zhuǎn)化率

時(shí)間/min原料峰面積產(chǎn)物峰面積轉(zhuǎn)化率/%1012.0353.682208.1553.5887302.7972.1196401.0460.7998600.652.2399750100100900100100

反應(yīng)條件：安息香(1.08 g，5.1mmol)，Co(Salen)(0.05 g，3 mol%)，K2CO3(3.57 mmol)，EtOH (26 mL)，80℃。

表3 Co(Salen)在不同溫度下催化氧化安息香

溫度/℃時(shí)間/h收率/%室溫28-5076780191

反應(yīng)條件：安息香(1.08 g，5.1 mmol)，Co(Salen) (0.05 g，3 mol%)，K2CO3(3.57 mmol)，EtOH (26 mL)，air。

2.4 Co(Salen)催化劑的回收與利用

金屬催化劑的回收利用不僅可以降低成本，還能減少金屬對產(chǎn)品的污染。因此，在金屬催化的有機(jī)反應(yīng)中，金屬催化劑的回收與重復(fù)使用受廣泛重視。在安息香的催化氧化中，我們對Co(Salen)催化劑的回收與重復(fù)使用進(jìn)行了研究。我們發(fā)現(xiàn)：Co(Salen)催化劑在水中具有較好的溶解度，而氧化產(chǎn)物--苯偶酰在乙酸乙酯中具有很好的溶解性。因此，我們設(shè)想可用萃取的方法來實(shí)現(xiàn)Co(Salen)催化劑和氧化產(chǎn)物的有效分離，即在催化氧化反應(yīng)完全后，向反應(yīng)液加入適量EtOAc和H2O，從而可使氧化產(chǎn)物進(jìn)入有機(jī)相，而Co(Salen)催化劑進(jìn)入水相。兩項(xiàng)分離后將水相的水去除后即可回收得到Co(Salen)催化劑。氧條件的優(yōu)化中，我們知道乙醇中含有少量水對反應(yīng)的影響很小。因此，我們認(rèn)為在催化劑的回收中，將水相的水去除后所得催化劑可直接進(jìn)行下次催化氧化，無需對催化劑進(jìn)行干燥處理。

基于上述分析，我們用的萃取方法對Co(Salen)催化劑的回收及重復(fù)使用性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如表4所示。從表中的結(jié)果可知，催化劑回收后進(jìn)行第1次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，苯偶酰的分離產(chǎn)率下降至91%，但是第2次催化使產(chǎn)率下降到了79%，反應(yīng)時(shí)間也需延長至180 min。

表4 Co(Salen)催化劑的重復(fù)使用性能研究

反應(yīng)條件：安息香(1.08 g，5.1 mmol)，Co(Salen) (0.05 g，0.15 mmol，3 mol%) EtOH (26 mL) K2CO3(0.49 g，3.57mmol)，air，80℃。

3 結(jié)論

(1)本文以金屬Salen為催化劑，空氣為氧化劑，對安息香催化氧化合成苯偶酰進(jìn)行了系統(tǒng)研究，發(fā)展了一個(gè)綠色、高效、高產(chǎn)率的反應(yīng)條件實(shí)現(xiàn)了安息香的催化氧化得到苯偶酰。該催化氧化條件為：以Co(Salen)為催化劑，空氣為氧化劑，EtOH為溶劑，K2CO3為堿，80℃反應(yīng)1 h。在優(yōu)化條件下，苯偶酰的分離產(chǎn)率達(dá)到91%以上。

(2)利用Co(Salen)催化劑在水中較好的溶解性，發(fā)展了萃取的方法對Co(Salen)催化劑進(jìn)行有效回收。該回收方法與我們的優(yōu)化反應(yīng)條件具有很好的兼容性，回收所得催化劑具有較好的催化性能。