Salen配合物的合成及其催化性能

黃素素， 林佳樂， 黃倩雯， 孔黎春， 章康達

(浙江師范大學 化學與生命科學學院，浙江 金華 321004)

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Salen配合物的合成及其催化性能

黃素素， 林佳樂， 黃倩雯， 孔黎春， 章康達

(浙江師范大學 化學與生命科學學院，浙江 金華 321004)

以水楊醛和乙二胺為原料制備Salen 配體，再進一步與金屬離子絡合制備Salen 配合物 [M(Salen)](M= Co, Cu, Zn, Ni)，并用于空氣氧化安息香合成苯偶酰反應體系的催化劑。以綠色化學的理念為出發點，對反應溶劑、溫度、催化劑用量等一系列反應條件進行優化篩選后，發現該反應在室溫下，以95% 乙醇為溶劑，當量比為安息香/Co(Salen)/KOH=1.00∶0.08∶1.40時，苯偶酰的產率最高可達90.7%。通過沉淀、洗滌等操作，能夠有效回收催化劑，并且催化劑循環使用3次后，產物苯偶酰仍有可觀的產率。與目前常見的苯偶酰合成方法相比，該實驗合成方法具有環境友好、能耗低、操作更加簡便等特點，是一條簡單綠色的高效合成苯偶酰的途徑。

Salen配合物； 苯偶酰； 安息香； 催化氧化； 綠色化學

0 引 言

苯偶酰作為一類重要的精細化工中間體，在藥物及各類功能材料的合成[1-4]中有著廣泛的應用。在合成制備苯偶酰的眾多途徑中，通過安息香的氧化制取苯偶酰是合成相應苯偶酰類化合物的重要路徑[5-7]。目前，采用化學試劑氧化或催化劑催化氧化安息香是合成苯偶酰的兩大類常用方法。經過多年的研究，通過這兩類方法能夠高效地合成苯偶酰，但各自還存在一些缺陷。例如，采用化學試劑，如濃硝酸[8]、氯化鐵[9-10]、高錳酸鉀[11]、二甲基亞砜-草酰氯[12]等來氧化安息香制備苯偶酰，存在對環境危害大、不符合“原子經濟性”、生產工藝不安全等缺點；以 Salen配合物[13-19]作為催化劑通過空氣中的氧氣氧化安息香是目前一種新興的綠色合成苯偶酰途徑[19]，但仍存在反應溫度較高，溶劑不夠環境友好，催化劑回收操作繁瑣等不足。為了發展一條更加綠色高效的苯偶酰合成途徑，本文在Salen配合物催化氧化安息香合成苯偶酰的基礎上，通過降低反應溫度來減少能源消耗，選用低毒的95%乙醇為溶劑，合理選取催化劑和堿用量來減小對環境的危害，簡化產品分離和催化劑回收過程以降低生產成本，從而使整個反應更符合綠色化學的要求。

1 實驗部分

1.1 實驗原理

Salen配體制備方程式：

Salen配合物制備方程式：

安息香催化氧化反應方程式：

1.2 儀器與試劑

(1) 儀器。旋轉蒸發儀(R100，Buchi，瑞士)，高效液相色譜儀(1525，BINARY PUMP，Waters，美國)，AV600核磁共振波譜儀(Bruker，德國)，高分辨質譜儀(6230 TOF，Agilent，美國)。

(2) 試劑。水楊醛，乙二胺，Co(Ac)2·4H2O，Cu(Ac)2·H2O，Zn(Ac)2·2H2O，Co(NO3)2·6H2O，CoCl2·6H2O，石油醚，乙酸乙酯，95% 乙醇，無水乙醇，甲醇，四氫呋喃，N,N-二甲基甲酰胺,均為分析純，上海國藥集團化學試劑有限公司；安息香，工業級，無錫市奇貝特化工有限公司。

1.3 Salen配體的合成

在250 mL三頸燒瓶中，將1.6 mL水楊醛(0.018 mol)溶于80 mL 95% 乙醇中。在攪拌下，慢慢滴加0.050 mL乙二胺(0.007 5 mol)，立即有亮黃色片狀晶體生成。待反應完畢后，過濾，用少量95% 乙醇洗滌固體，收集固體，真空干燥，得到1.85 g Salen配體，產率92.0%。 m.p. 124.5～125.5 ℃;1H NMR(600 MHz, CDCl3)δ: 3.93 (s, 4H), 6.84 (m, 2H), 6.93 (m, 2H), 7.22 (m, 2H), 7.25～7.30(m, 2H), 8.35(s, 2H), 13.21(s, 2H)。

1.4 Salen配合物的合成

在裝配有回流冷凝管和空氣導管的100 mL三頸燒瓶中，將0.268 g Salen配體(1.00 mmol) 溶于15 mL 95% 乙醇，室溫下攪拌。以每秒1或2個氣泡[19]的流速通入氮氣。75 ℃水浴加熱下，待Salen配體全部溶解，將0.297 g乙酸鈷(1.00 mmol)溶于1～2 mL蒸餾水，逐滴加入。攪拌50 min，生成暗紅沉淀。過濾，用少量水和95 %乙醇洗滌固體，收集固體，真空干燥，得到0.228 g Co(Salen)，產率70.2%。采用相同的方法制取Cu(Salen)、Ni(Salen) 和Zn(Salen)。HRMS(MALDI): Calcd for C16H14N2OCoNa:348.0274 [M+Na]+.Found: 348.0279.

1.5 安息香催化氧化

在100 mL三頸燒瓶中，將4.24 g 安息香(0.020 0 mol) 溶于24 mL 95% 乙醇中。安息香溶解后，加入1.57 g KOH (0.020 8 mol) 和0.520 g Co(Salen) (0.160 mmol)，鼓入空氣，TLC法跟蹤反應。

1.6 產品純化和催化劑的回收

反應結束，加入稀鹽酸調節體系pH值3～4，加入30 mL水，此時產品和催化劑均沉淀析出。抽濾，棄去濾液I，收集濾渣I并用石油醚溶解濾渣I中的產品，而催化劑不溶。再通過抽濾實現產品(濾液II)的分離與催化劑的回收。將回收的催化劑用少量乙醚洗滌后投入下一次使用。溶有產品的濾液II通過減壓蒸餾除去石油醚，經真空干燥，得到高純的苯偶酰。 m.p. 94.5～96.0 ℃(文獻值：95～96 ℃)[20];1H NMR(600 MHz, CDCl3)δ: 7.50 (t,J=7.5 Hz, 4H), 7.65 (t,J=7.5 Hz, 2H), 7.97 (d,J=7.5 Hz, 2H).

2 結果與討論

2.1 反應溶劑對安息香催化氧化的影響

在室溫下，固定安息香: Co(Salen)∶KOH 的當量比為 1.00∶0.06∶1.40，探究不同種類溶劑對苯偶酰產率的影響，結果見圖1。

圖1 不同溶劑中氧化反應的產率

由圖1可知，95% 乙醇、DMF和CH2Cl2作為溶劑在室溫下產率較高?？紤]到CH2Cl2易揮發，且毒性較大，不適宜在較高溫度下作為反應溶劑，故選用95% 乙醇和DMF作為溶劑探究反應溫度對反應產率的影響。

2.2 反應溫度對安息香催化氧化的影響

分別以95% 乙醇和DMF為溶劑，固定安息香: Co(Salen)催化劑∶EtOH當量比為1.00∶0.06∶1.40，篩選最佳反應溫度，結果見圖2。結果表明，在室溫下以95% 乙醇作為溶劑時反應產率最高，并且相比DMF，95% 乙醇更為環境友好。同時，以室溫為反應溫度，更符合節能環保的要求。

圖2 DMF和95%乙醇在不同溫度下氧化反應產率

2.3 堿種類對安息香催化氧化的影響

室溫下，以95% 乙醇為溶劑，固定安息香∶Co(Salen)催化劑∶EtOH的當量比為 1.00∶0.06∶1.40，研究具有堿性強弱不同的堿對反應的影響，結果見表1。

表1 不同種類堿對氧化反應產率的影響

由表1可知，堿性強弱會對反應產率有重要影響，當使用強堿KOH和NaOH作為堿參與反應時，反應產率較高，與NaOH相比，使用KOH作為添加劑時，反應產率更高，反應速率更快。因此，從產率和反應時間兩方面考慮，選用KOH作為添加劑。

2.4 催化劑用量對安息香催化氧化的影響

室溫下，95% 乙醇作為反應溶劑，KOH作為添加劑，固定安息香∶堿當量比為1.0∶1.4，對催化劑用量進行篩選，結果見表2。

表2 不同催化劑用量對氧化反應產率的影響 %

由表2可知，反應產率總體上隨著催化劑用量的增加而升高。當催化劑Co(Salen)用量為10% 時反應產率最高，但與催化劑用量為8% 時相近。為節約資源，選擇8% 為催化劑Co(Salen)為最佳用量。

2.5 堿用量對安息香催化氧化的影響

室溫下，在95% 乙醇中，KOH為添加劑，固定安息香∶Co(Salen)催化劑當量比為 1.00∶0.08，探究堿用量對安息香催化氧化的影響，結果見表3。

表3 堿用量對氧化反應產率的影響

結果表明，當KOH當量比為1.4時，產率最高；而KOH的當量比為0.5、0.8時，雖然產率與1.4接近，但反應時間大大增長。綜合考慮時間和產率因素，選擇KOH當量比為1.4作為較優條件。

2.6 不同金屬配合物對安息香催化氧化的影響

在Co(Salen)催化氧化安息香優化條件下，即室溫下，以95% 乙醇為溶劑，選擇KOH作為堿，當量比為安息香∶Co(Salen)催化劑∶堿=1.00∶0.08∶1.40，探究Co2+、Cu2+、Zn2+、Ni2+4種金屬離子的Salen配合物對安息香的催化氧化能力，結果見表4。

表4 不同金屬配合物對氧化反應產率的影響

從實驗結果可知，Co(Salen)催化劑的活性最好，產率達到88.9%，其次是Cu(Salen)和Zn(Salen)催化劑，Ni(Salen) 催化活性最低，產率僅為31.2%。

表5 最優條件下安息香催化氧化反應

2.7 重復實驗

在最優條件下，即室溫，95% 乙醇為溶劑， KOH為添加劑，當量比為安息香∶催化劑∶KOH=1.00∶0.08∶1.40，重復安息香催化氧化實驗6次，其結果見表7。

由表5可知，平行6組實驗中，最高產率可達90.7%，平均產率達83.9%，重現性良好。

2.8 催化劑的回收套用情況

將回收所得的催化劑投入下一次的使用，研究回收催化劑的活性，結果見表6。

表6 催化劑回收套用情況

實驗結果表明，催化劑在循環利用3次后，反應產率下降明顯，主要原因是一部分催化劑結構遭到破壞，造成整體的表觀催化活性降低。

3 結 語

在現代的化工生產中，高效已不再是人們用于評價一個合成工藝的唯一標準，人們把越來越多的關注放在了對環境友好的綠色化學中。通過對反應條件的優化篩選后，我們發現Co(Salen)對催化氧化安息香制備苯偶酰具有良好的催化性能。該反應在室溫下進行，以價格低廉且毒性較低的95% 乙醇作為溶劑，反應條件溫和且環境更加友好，其平均產率為83.9%，最高可達90.7%。利用產品和催化劑溶解度的差異，將反應體系淬滅后得到的沉淀進行過濾，并用石油醚對濾渣進行固液萃取，實現產品分離純化和催化劑回收，大大地簡化產品分離純化以及催化劑回收等過程，成本低，更符合綠色化學的理念。

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Synthesis and Catalytic Properties of Salen Complexes

HUANGSu-su,LINJia-le,HUANGQian-wen,KONGLi-chun,ZHANGKang-da

(College of Chemistry and Life Sciences，Zhejiang Normal University，Jinhua 321004，China)

As an important organic chemical raw material, benzil could be synthesized through the oxidization of benzoin by using Salen complexes as catalyst, which is a mature synthetic route but still suffered from issues such as environmentally unfriendly, complicated operation procedures and so on. From the viewpoint of green chemistry, a series of new Salen ligands have been designed and synthesized from salicylaldehyde and ethylene diamine precursors and several Salen complexes [M(Salen)](M=Co, Cu, Zn, Ni) were then obtained, which have been successfully used in the catalytic oxidization reaction of benzoin compounds. The investigation data revealed that benzil compounds could be obtained in a high yield of 90.7% when benzoin, (Co) Salen catalyst and base (KOH) were mixed in a ratio of 1.00∶0.08∶1.40 in ethanol at room temperature. Moreover, the (Co) Salen catalyst could be recovered effectively by precipitating and washing, and the yield of benzil products still remained as high as about 60% after three cycles, which make this new green approach takes the advantages of more environmentally friendly, lower energy consumption and easier operation procedures compared to that of traditional method.

Salen complexes; benzil; benzoin; catalytic oxidation; green chemistry

2015-11-11

浙江師范大學高層次人才科研基金(ZC323015094; ZC304015036)

黃素素(1994-)，女，浙江溫州人，本科生，主要研究方向為合成化學。

章康達(1985-)，男，浙江永康人，研究員，主要研究方向為超分子化學和材料化學研究。

Tel.：18757843026；E-mail：Kangda.Zhang@zjnu.cn

O 621.3

A

1006-7167(2016)08-0052-04