國內(nèi)外合成β-MNQ的氧化方法及研究進(jìn)展,化工論文

國內(nèi)外合成β-MNQ的氧化方法及研究進(jìn)展,化工論文2-甲基-1,4-萘醌〔又稱-甲萘醌，-MNQ〕是合成維生素K類藥物的重要中間體〔圖式1〕,一般為亮黃色晶體，熔點(diǎn)105~107℃，屬脂溶性維生素藥物，不溶于水，易溶于苯、乙醇、氯仿、四氯化碳、植物油等；空氣中較穩(wěn)定，但遇光及鐵質(zhì)易分解，可與水蒸氣一同蒸發(fā)；作為電子傳遞者，可介入生物氧化磷酸化經(jīng)過和光合作用[1].在黃酶催化復(fù)原情況下，其醌型構(gòu)造經(jīng)循環(huán)誘導(dǎo)可產(chǎn)生活性氧O2-、H2O2和HO,毀壞腫瘤細(xì)胞中過氧化氫酶，使細(xì)胞中毒，抑制或毀壞腫瘤細(xì)胞生長[2].因而，人們常將-MNQ按一定比例與維生素C共同用于腫瘤病癥臨床治療且效果顯著。同時(shí)，K類維生素因具有促進(jìn)血液凝結(jié)并可介入人體鈣代謝經(jīng)過等特性，被視為防治缺乏凝血酶原癥的特效藥物。由于維生素K3突出的止血活性，故常被作為添加劑參加到飼料中以實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)動(dòng)物體內(nèi)血液凝固功能，避免飼料中所含抗菌素、激素造成的負(fù)面影響，有效防治家畜出血性疾病、骨骼礦化等[2].維生素K系化合物用處廣泛且作用明顯，但其生產(chǎn)原料-MNQ卻難以從自然界直接提取，需要通過間接合成方式獲得。本文綜述國內(nèi)外合成-MNQ所采用的不同氧化方式方法及研究進(jìn)展，著重分析比擬各催化氧化合成體系的優(yōu)勢和缺乏，提出催化氧化法制-MNQ需研究改良的重點(diǎn)及建議，為-MNQ合成研究發(fā)展提供參考和借鑒。1傳統(tǒng)工業(yè)生產(chǎn)-MNQ的方式方法及合成機(jī)理-MNQ的傳統(tǒng)工業(yè)合成道路〔圖式2〕是以-甲基萘〔-MN〕為原料，在氧化進(jìn)程中，利用-MN分子上不同位置的甲基組分的活性不同這個(gè)特點(diǎn)，獲得-MNQ產(chǎn)品；即-位的碳原子更活潑，也更易被誘導(dǎo)氧化成醌類基團(tuán)，其輕度氧化產(chǎn)物就是-MNQ.該方式方法常以冰醋酸為介質(zhì)，采用硫酸催化鉻酸或重鉻酸鈉在60~90℃下進(jìn)行氧化[3,4],并通過鉻鹽計(jì)量氧化-MN來實(shí)現(xiàn)，收率一般在30%~60%.但每生產(chǎn)1Kg目的產(chǎn)物的同時(shí)往往會(huì)有18Kg無機(jī)廢料產(chǎn)生[5],對環(huán)境污染嚴(yán)重；除此之外，所用溶劑多為強(qiáng)酸類，對反響裝置腐蝕性較強(qiáng)，對實(shí)驗(yàn)及工作人員人身安全也危害較大，且反響產(chǎn)物收率較低[6].2催化氧化合成技術(shù)體系及研究進(jìn)展傳統(tǒng)工業(yè)方式方法生產(chǎn)-MNQ經(jīng)過因鉻金屬污染、生產(chǎn)效率低等問題[7,8]而與當(dāng)下綠色化學(xué)生產(chǎn)要求格格不入。針對這些問題，人們在隨后的工業(yè)化生產(chǎn)工藝中進(jìn)行改良或采用新的合成方式方法，但各自仍存在很多亟待解決的難點(diǎn)〔見表1〕,因而，需要開發(fā)出新合成技術(shù)或道路以改良甚至替代當(dāng)下-MNQ合成現(xiàn)在狀況。2.1以-MN為原料直接合成-甲萘醌==-MN多存在于煤焦油餾分或石油裂解渣油中，易被直接提獲得到；若采用有效氧化方式方法將其直接轉(zhuǎn)化成-MNQ,可提高產(chǎn)品附加值。因而，以-MN為原料進(jìn)行生產(chǎn)合成也是最為實(shí)際的發(fā)展方向。2.1.1液相化學(xué)氧化法液相氧化反響體系中，催化活性組分類別會(huì)對-MNQ的合成效果產(chǎn)生重要影響。就當(dāng)前研究而言，人們普遍以為，利用H2O2的強(qiáng)氧化性，通過對醋酸氧化而生成的過氧醋酸中間物種〔式1〕可作為催化活性組分，通過對-MN的適度氧化可高效合成-MNQ.因而，研究者們多圍繞對以H2O2作為氧化劑、冰醋酸為反響介質(zhì)的催化氧化體系進(jìn)行深切進(jìn)入研究。CH3COOH+H2O2CH3COOOH+H2O〔1〕2.1.1.1非金屬催化劑以往研究發(fā)現(xiàn)，在酸性介質(zhì)條件下，通過向反響體系直接參加過氧乙酸并介入氧化反響的方式就能夠獲得目的產(chǎn)品-MNQ,收率為40%以上[9,10].但是，過氧乙酸本身物化性能并不穩(wěn)定，極易發(fā)生分解，導(dǎo)致反響活性大幅降低；同時(shí)，高濃度H2O2與乙酸酐互相作用會(huì)生成易爆的二酰基過氧化物，存在安全隱患，操作條件苛刻[11].除此之外，部分方式方法以濃硫酸為酸性介質(zhì)會(huì)對設(shè)備有腐蝕作用。Sankarasubbier等[12]經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，若直接以醋酸為催化劑，H2O2為氧化劑，在一定反響條件下，收率最高可達(dá)86%.他們以為，醋酸強(qiáng)度對反響物轉(zhuǎn)化率影響明顯，即醋酸強(qiáng)度與反響物轉(zhuǎn)化率成正比。之后，在這里基礎(chǔ)上雖進(jìn)行相關(guān)改良研究[7,13~21],但合成經(jīng)過中，產(chǎn)物分離經(jīng)過非常復(fù)雜且催化劑回收工序復(fù)雜、生產(chǎn)成本較高，不利于工業(yè)化生產(chǎn)。2.1.1.2金屬催化劑利用金屬催化劑活性高、易分離、環(huán)境友好等特點(diǎn)，研究者們在-MNQ合成反響中相繼開發(fā)出一系列不同類別的金屬催化劑并研究比擬各自在氧化反響中的催化性能。這華而不實(shí)包括：含有機(jī)配體的金屬配合物催化劑、金屬氧化物及金屬鹽催化劑、雜多酸催化劑、負(fù)載金屬型催化劑、金屬雜原子分子篩?！?〕在含有機(jī)配體的金屬配合物催化劑中，與配體鍵合的過渡金屬物種具有將氧原子向反響底物傳送的特性，因而，在有機(jī)化合物的選擇氧化反響經(jīng)過中，該類催化劑可顯示出較好的催化氧化活性，正逐步遭到人們的關(guān)注。Yan等[22]以錳酞菁為催化劑，采用將稀H2O2與一定量過氧乙酸混合作為氧化劑的方式，對-MN進(jìn)行氧化制-MNQ,產(chǎn)率最高達(dá)60.5%.為提高金屬配合物催化劑的穩(wěn)定性，Alexander等[23]將金屬酞菁活性組分固載于中孔或無定形硅材料載體上，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，收率最高可達(dá)34%.隨后，Serhan等[24]率先將含有機(jī)膦配體的金屬鉑的Pt-〔DIPAPTES〕Cl2或鎳的Ni-〔DIPAPTES〕Cl2配合物固載在SiO2載體上，通過研究比擬發(fā)現(xiàn)，含有機(jī)膦配體的金屬鉑配合物氧化作用明顯，-MN轉(zhuǎn)化率為87.8%,產(chǎn)物收率最高達(dá)50.1%.固然含有機(jī)配體的金屬配合物催化劑在氧化反響中具有較高催化氧化活性，但因其催化劑價(jià)格昂貴或難以回收再利用，制約了此類催化劑在工業(yè)中的應(yīng)用?！?〕在金屬氧化物及金屬鹽催化劑的早期研究中，人們發(fā)現(xiàn)金屬氧化物甲基三氧化錸對-MN氧化制-MNQ的反響具有極高的催化活性，進(jìn)而引起研究者的關(guān)注。Adam等[25]以及Wolfgang等[26]先后考察了甲基三氧化錸對-MN的氧化活性，以H2O2為氧化劑條件下，均可獲得反響物轉(zhuǎn)化率90%以上的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，但由于使用高濃度〔85%〕H2O2,反響經(jīng)過易引發(fā)爆炸危險(xiǎn)。1[27]和Kholdeeva等[28]分別報(bào)道了以三價(jià)鐵為活性組分的金屬鹽為催化劑用于-MN的催化氧化反響，同樣可獲得較高的轉(zhuǎn)化率。該反響氧化經(jīng)過被普遍以為是，-MN在三價(jià)鐵作用下，先生成2-甲基-1-萘酚，接著由H2O2再進(jìn)一步氧化得到目的產(chǎn)物。然而，該方式方法對目的產(chǎn)物選擇性并不高，導(dǎo)致產(chǎn)品收率非常低且反響經(jīng)過中易產(chǎn)生難分離的副產(chǎn)物6-甲萘醌?！?〕具有Keggin結(jié)構(gòu)的磷鉬釩〔H3+nPMo12-nVnO40〔HPA-n〕〕雜多酸及其鹽類對MN氧化反響具有很好催化性能。其氧化反響一般在雙相溶劑〔即含體積分?jǐn)?shù)50%~90%乙酸和0.2~0.8mol/L硫酸〕水溶液中進(jìn)行，在-MN與雜多酸摩爾比為2∶1~10∶1、反響溫度120~140℃、氧氣壓力0.3~0.8MPa條件下，-MN轉(zhuǎn)化率為78%,-MNQ選擇性則可到達(dá)82%[29].Matveev等[30]以磷鉬釩雜多酸H5PMo10V2O40為催化劑對-MN進(jìn)行氧化反響，反響在水相和有機(jī)相的雙相溶劑介質(zhì)中進(jìn)行，華而不實(shí)反響物及產(chǎn)物存在于有機(jī)相，催化劑存在于水相。反響后，-MNQ選擇性最高到達(dá)89%.靳會(huì)杰等[31]則采用雜多酸H4PMo11V1O40為催化劑，在添加1%外表活性劑條件下，產(chǎn)物收率為15%左右。采用雜多酸催化劑進(jìn)行催化氧化反響的優(yōu)勢在于所需反響溫度較低，產(chǎn)物選擇性較高；但其本身酸性較高對反響設(shè)備腐蝕性較大，且部分需加壓進(jìn)行氧化反響對設(shè)備密封性能要求較高，工業(yè)化應(yīng)用較為困難。〔4〕負(fù)載金屬型催化劑因在催化氧化有機(jī)分子方面具有選擇性好、活性高以及多相易分離等特點(diǎn)，而成為近年來人們研究的熱門之一。Yamaguchi等[13]報(bào)道了以負(fù)載型鈀鹽為催化劑，催化H2O2氧化-MN制-MNQ的方式方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表示清楚，以高氯酸鈀、硫酸鈀或醋酸鈀為活性組分均可使反響底物轉(zhuǎn)化率到達(dá)91%以上，而收率最高為60%.按照此研究思路，李東軍等[32]選用具有介孔孔徑尺寸且熱穩(wěn)定性較好的HMS分子篩材料為載體，WO3為主要活性組分，以稀H2O2〔30%,質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同〕為氧化劑，-MNQ選擇性及收率可分別到達(dá)51.7%和46.9%.從研究結(jié)果來看，負(fù)載金屬型催化劑普遍在-MN液相氧化反響中具體表現(xiàn)出出較高氧化活性，但在目的產(chǎn)物選擇性方面還有待進(jìn)一步提高。〔5〕自Taramasso等[33]初次報(bào)道合成出B-Si-ZSM-5雜原子分子篩起，人們對金屬雜原子分子篩的合成及應(yīng)用就產(chǎn)生出極大興趣，十分是其在對有機(jī)大分子部分選擇氧化反響具有較高催化活性方面；其原因主要在于骨架金屬雜原子與H2O2互相作用可生成過渡態(tài)的過氧化金屬活性物種，如骨架鈦活性物種〔圖式3〕等，起到了可傳輸氧原子到反響底物分子上的作用。該催化特性也為制備-MNQ開拓出新的環(huán)境友好合成道路。劉興泉等[34]提出以鈦硅分子篩〔TS-1〕為催化劑，稀H2O2為氧化劑，冰醋酸為溶劑，在70~85℃下反響2~4h,目的產(chǎn)物收率可達(dá)78%以上。他們以為具有擇形催化作用的鈦硅分子篩對氧化性能提升起關(guān)鍵作用，但后續(xù)研究工作暫未見報(bào)道。Narender等[35]和Zi等[36]則分別以具有規(guī)則孔道及較大孔徑的Se-MCM-41和La-MCM-41分子篩作為催化劑，目的產(chǎn)物收率均到達(dá)70%以上。若能夠較好解決其分子篩水熱穩(wěn)定性較差的問題，則該種催化氧化體系將具有較好的應(yīng)用前景。除此之外，研究者們對于該反響體系中-MN氧化生成-MNQ的反響機(jī)理經(jīng)過也進(jìn)行了分析和討論。迄今為止，人們對此氧化反響經(jīng)過持兩種不同觀點(diǎn)[11]:一是環(huán)氧化經(jīng)過〔式2〕,即：在過氧乙酸作用下，-MN通過氧化反響，首先生成含二羥基的萘酚物種，隨后，該物種將被進(jìn)一步迅速氧化并生成最終產(chǎn)物-MNQ;另一為芳環(huán)取代經(jīng)過〔式3〕,持這一觀點(diǎn)的研究者以為，在強(qiáng)酸和氧化劑H2O2作用下，可先分別得到質(zhì)子化物種CH3CO3H2+和H3O2+;而在-MN上則會(huì)發(fā)生由CH3CO3H2+引發(fā)的芳環(huán)上的親電取代經(jīng)過，同時(shí)在區(qū)域選擇作用影響下，在富電子區(qū)域發(fā)生取代反響，得到產(chǎn)物-MNA.從當(dāng)前研究來看，由于這兩種觀點(diǎn)均有相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)予以支持，因而，暫無法完全確定哪種觀點(diǎn)更為確切。除此之外，研究者們還嘗試采用其他不同氧化劑[37,38]及反響介質(zhì)[39~41]對-MNQ的催化氧化合成進(jìn)行研究，但在環(huán)境友好及反響效率等方面還需進(jìn)一步改良。2.1.2氣相直接氧化法采用液相化學(xué)氧化法進(jìn)行氧化-MN制-MNQ的研究相對較多，但多為間歇式反響，無法實(shí)現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)經(jīng)過，限制了其工業(yè)化應(yīng)用。為解決這一問題，在20世紀(jì)80年代，Shapovalov等[42]以釩-鈦為催化劑，在360~390℃下經(jīng)活化后采用空氣對-MN進(jìn)行氣相選擇氧化，-MNQ收率為29%,但同時(shí)也存在鄰苯二甲酸酐、馬來酸酐、CO以及CO2等多個(gè)副產(chǎn)物。針對釩系金屬氧化物對氣相氧化-MN反響具有相對較高活性的特點(diǎn)，日本KogyoGijutsuin公司[43]研制出以V2O5負(fù)載的MgO和K2O為催化劑，在熱空氣條件下，獲得12.1%單程轉(zhuǎn)化率。莊淑娟等[44]則嘗試以V2O5為活性組分，粗孔硅膠為載體，介入氣相催化氧化制-MNQ反響中，-MN的轉(zhuǎn)化率為69%,但目標(biāo)產(chǎn)物選擇性過低，僅為12%.從以上能夠看出，該合成方式方法所得產(chǎn)品收率較低，進(jìn)而導(dǎo)致以氣相直接氧化合成-MNQ的研究報(bào)道并不多，但該方式方法卻為直接氧化-MN合成-MNQ提供了新的思路。這種催化氧化方式方法不僅環(huán)境友好，符合國家節(jié)能減排需求，而且連續(xù)式氧化反響經(jīng)過也與工業(yè)生產(chǎn)要求相吻合，若能夠研制出適宜的高效催化材料則應(yīng)用前景廣闊。2.1.3間接電氧化法間接電氧化法是發(fā)展較快的清潔合成技術(shù)之一。該方式方法主要通過對含鉻或鈰等金屬廢液的電解再生，以實(shí)現(xiàn)氧化反響閉路可循環(huán)。之前的合成研究工藝大多采用價(jià)格昂貴的金屬鉑為陽極材料且反響中的副產(chǎn)物6-MNQ也未得到有效分離和回收利用[45,46].針對這一問題，徐海升等[47~50]進(jìn)行改良，他們以Ti/PbO2為陽極，Pb為陰極，硫酸為支持電解質(zhì)；采用Cr6+/Cr3+為氧化介質(zhì)，四丁基溴化銨為相轉(zhuǎn)移催化劑，進(jìn)行槽外式間接電氧化-MN制-MNQ的研究并成功實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化，-MNQ收率為62.5%.但該工藝仍存在反響步驟繁瑣、設(shè)備投資大、反響體系中鉻離子濃度過高、鉻酐損耗量大等缺點(diǎn)。隨后，宋成盈等[51]在其研究基礎(chǔ)上采用槽內(nèi)式間接電氧化法。該工藝可實(shí)現(xiàn)同一裝置中原料連續(xù)參加和產(chǎn)品連續(xù)移出。在優(yōu)化反響條件下，-MNQ選擇性可達(dá)71.9%,明顯高于槽外式間接電氧化法的合成效果；但該法仍不能有效避免鉻金屬對環(huán)境造成的較大污染。之后，雖以鈰金屬代替鉻金屬作為活性組分[52],生成的Ce3+可由電解氧化再生為Ce4+,進(jìn)而解決含鉻廢液問題，-MNQ平均收率達(dá)68%;但由于MN不溶于水，致使兩相間反響速度緩慢，而且鈰鹽價(jià)格較昂貴，溶劑消耗量較大。除此之外，副產(chǎn)物6-MNQ也沒有能加以回收利用。2.1.4微波輻射法微波輻射可使部分化學(xué)分子通過吸收微波提供的能量以提升反響溫度，加快反響速率，其加熱效果優(yōu)于普通熱源加熱。利用這一特點(diǎn)，人們將這一技術(shù)用于有機(jī)物催化加氫、烷基化等反響并獲得不錯(cuò)反響結(jié)果。王龍龍等[53]采用這一技術(shù)研究稀H2O2對-MN的氧化效果。結(jié)果表示清楚，反響體系僅通過2min微波輻射就有-MNQ生成，產(chǎn)率最高可達(dá)61%,反響條件溫和、反響速率高、操作簡單，符合綠色合成要求。但該方式方法暫時(shí)還停留在基礎(chǔ)研究階段，需做深切進(jìn)入研究。2.2以其他化合物為原料合成-MNQ==以-MN為原料生產(chǎn)-MNQ往往伴隨有多種副產(chǎn)物生成，如6-MNQ及甲基氧化產(chǎn)物等，這導(dǎo)致目的產(chǎn)物收率偏低。因而，為獲得更高層次生產(chǎn)效能，一些研究者轉(zhuǎn)而選取-MN以外的其他化合物作為原料并開發(fā)相應(yīng)的催化氧化合成體系；這華而不實(shí)，甲萘酚〔MNL或2MN-OH〕因其具有對目的產(chǎn)物高選擇性及極少副產(chǎn)物的優(yōu)勢而獲得較多關(guān)注。Gaudemer等[54]曾以有機(jī)鈷為催化劑，氧氣為氧化劑，由MNL成功合成出-MNQ且收率高達(dá)100%.Matveev等[30]則采用磷鉬釩雜多酸或雜多酸鹽作為可逆性氧化劑，目的產(chǎn)物收率同樣很高，到達(dá)85%~90%.但因所使用催化劑皆含重金屬原子，不符合綠色催化要求。為減少對環(huán)境的毀壞，同時(shí)也提高催化劑的可重復(fù)使用性，研究者們分別選用金屬雜原子分子篩或通過固載化方式方法獲得負(fù)載活性組分的材料作為催化劑，如Ti-MMM-2[55]、Ti-SBA-15、Ti-MCM-41[56]以及四磺酸基鐵酞菁〔FePcS〕固載化制得的FePcS-SiO2、負(fù)載金組分的碳納米管或聚苯乙烯[57~60]等，用于對-MNL的催化氧化研究。結(jié)果表示清楚，這些催化材料均可獲得較高的目的產(chǎn)物收率，十分是以金屬雜原子分子篩為催化劑情況下，-MNQ收率甚至高達(dá)90%以上，工業(yè)應(yīng)用潛力宏大。除此之外，人們同時(shí)也開發(fā)出其他原料合成-MNQ的方式方法。例如，Gaertner等[61]采用乙酰丁二烯與2-甲基苯醌進(jìn)行加成反響，通過脫乙?；绞椒椒ǔ晒铣沙?MNQ.Kim等[62]在乙腈/甲醇中采用有機(jī)鈷絡(luò)合物CH3CoB〔B為吡啶等〕對1,4-萘醌進(jìn)行烷基化反響，獲得產(chǎn)品-MNQ的收率最高達(dá)43%.Torii等[63]在酸催化作用下以丁二烯與2-甲苯醌為原料先合成出2-甲基-5,8-二氫-1,4-萘二酚中間體，后通過電化學(xué)方式方法在MeCN-t-BuOH〔9/1〕-LiClO4-Pt體系中再進(jìn)一步反響得到-MNQ,產(chǎn)品收率高達(dá)90%以上。Joo等[64]在其專利中提到同樣以2-甲苯醌和丁二烯為原料，通過Diels-Alder反響，產(chǎn)品-MNQ收率高達(dá)100%.周國權(quán)等[65]采用加壓氧氣對間甲酚進(jìn)行催化氧化，先合成得到2-MNQ,后在加壓和有二甲基亞砜存在條件下再與1,3-丁二烯進(jìn)行Diels-Alder加成反響通過直接氧化脫氫生成產(chǎn)物-MNQ,產(chǎn)品收率為75%,但反響工藝經(jīng)過過于復(fù)雜繁瑣。選取除-MN以外化合物作為原料，在氧化合成-MNQ反響中均具有很高目的產(chǎn)物收率，為高效生產(chǎn)-MNQ提供新選擇，但部分合成方式方法的工藝經(jīng)過過于冗雜。3結(jié)束語固然采用除-MN以外的化合物為原料進(jìn)行-MNQ合成生產(chǎn)