金属卟啉催化2-甲基萘的仿生氧化

石星星，顾承志，马晓伟，代斌

（石河子大学化学化工学院/新疆兵团化工绿色过程重点实验室，新疆 石河子 832003）

直接氧化芳烃成醌是非常重要的化学转换，因为醌类衍生物作为重要的有机中间体或产品广泛应用于精细化学、食品化学以及农药、医药工业。目前传统的氧化工艺基本上都要使用化学计量的重金属盐、硝酸、硫酸等氧化剂或者贵金属催化的高温高压下的空气氧化法[1]。

由于采用的氧化工艺本身原子经济性差，反应条件苛刻，催化剂重金属流失严重，反应选择性差，并且氧化深度难以控制，从而造成生产成本高、能耗高、设备腐蚀严重，并且带来严重的环境污染问题。例如，从2-甲基萘氧化得到的2-甲基-1，4-萘醌即vitamin K3，作为凝血剂常用于动物饲料添加剂，其氧化工艺路线就是在浓硫酸介质用三氧化铬做氧化剂，2-甲基-1，4-萘醌的收率为35%-60%，但是每生产1 kg 2-甲基-1，4-萘醌产物，就伴随18 kg含高浓度铬废水排放[2]。考虑到环境压力和经济效应，在过去几十年中相当多的研究者关注于发展催化氧化体系，Adam等[3]首次以甲基三氧化铼（MTO）为催化剂，双氧水为终端氧化剂实现2-甲基萘的氧化，2-甲基-1，4-萘醌得产率可达40%，Chi等[4]以钌卟啉[RuⅣ(2，6-Cl2tppCl2)]为催化剂，2，6- 二氯氮氧吡啶（2，6-Cl2pyNO）为终端氧化剂，2-甲基萘的转化率达到80%，相应的得到46%的2-甲基-1，4-萘醌和 10%的 6-甲基 -1，4-萘醌，Beller[5-6]设计非血红素钌复合体+双氧水的催化体系，2-甲基-1，4-萘醌的分离产率可达64%，此外非金属催化氧化版本也有报道，Thiel等[7]组合浓硫酸和双氧水在冰乙酸中实现了2-甲基萘的氧化，2-甲基-1，4-萘醌的产率达到80%。

上述催化体系中仍存在环境不兼容的问题，如贵金属铼和钌的生物兼容性，高浓度双氧水的安全性等，基于此，本研究在前期仿生氧化的工作基础上[8]，以过硫酸氢钾（oxone）为终端氧化剂（过硫酸氢钾为固体，相对于双氧水认为是更安全的氧化剂，并且其还原产物硫酸氢钾可以直接排放），生物兼容的铁卟啉为催化剂，室温下2-甲基萘仿生氧化生成 2-甲基 -1，4-萘醌和 6-甲基 -1，4-萘醌的反应如图1所示。

图1 2-甲基萘的选择性氧化Fig.1 The selective oxidation of 2-methylnaphthalene

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

仪器：IKA加热磁力搅拌器，IKA 机械搅拌器，Agilent7890A-5975C气质联用仪，Bruker AvanceⅢ400 HD核磁共振仪，Thermo Scientific LTQ Orbitrap XL高分辨质谱仪，Bruker X-射线单晶衍射仪。

试剂：五氟苯甲醛，吡咯，2-甲基萘，四丁基碘化铵，三氟化硼乙醚溶液，二氯甲烷，均为分析纯。

1.2 实验步骤

1.2.1 位阻卟啉合成

位阻卟啉合成如图2所示，主要过程如下：真空线上连接充分干燥配有回流冷凝管的1 L三颈圆底烧瓶，磁力搅拌，抽真空，充氮气重复操作3次以上，在氮气氛围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）如图 2 所示，加大氮气量，快速加入500 mL无水处理过的二氯甲烷（CaH2回流处理），此时氮气充分吹扫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）调节氮气流速，稍有正压即可。避光常温搅拌4 h后迅速加入二氯二氰基苯醌（DDQ）1.0 g，继续常温搅拌 1 h，再用注射器加入三乙胺（CaH2处理）1 mL终止反应。继续搅拌30 min，反应液用旋转蒸发仪浓缩干，粗产品用硅胶拌样进行柱层析分离，收集紫色组分，旋干，所得物质进一步用二氯甲烷和甲醇重结晶，最终获得具有金属光泽紫色产品，称重。产率15%-40%。

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

1.2.2 位阻金属卟啉合成[9]

位阻金属卟啉合成如图3所示，主要过程如下：称取 0.5 mmol卟啉和 2.5 mmol金属盐类（MnCl2，FeCl2）于250 mL三颈烧瓶中，上方连接回流冷凝管并连接干燥管，加入100 mL DMF（N，N-二甲基甲酰胺）加热回流6-12 h，点板监测反应如图3所示。待原料点消失，停止加热，减压蒸馏蒸出DMF，冷却至室温加入稀释过的盐酸50 mL和二氯甲烷50 mL磁力搅拌1 h。用30 mL二氯甲烷反复萃取三次，合并有机相，用无水硫酸钠干燥。将有机相浓缩蒸干，加少量DCM溶解并加入少量硅胶拌样，进行柱层析分离，收集组分，旋干，所得棕黑色物质为相应金属卟啉。产率90%。

图3 位阻金属卟啉合成Fig.3 The synthesis of sterically hindered metalloporphyrin

1.2.3 2-甲基萘的氧化

称取 2-甲基萘 1.0 mmol（142 mg） 为原料，3 mmol Oxone （1.842 g） 作 为 氧 化 剂 ，0.25 mmol%TPPF20-FeCl（2.7 mg）为催化剂，0.1 mmol Bu4NI（36.9 mg）为相转移催化剂，于反应管中，加入10 mL MeCN，20℃搅拌12 h。终止反应，将反应液用小硅胶柱预处理，再用MeCN反复清洗3次。收集有机相，旋转蒸发仪上旋干浓缩，硅胶拌样，柱层析分离，洗脱剂PE∶EA=50∶1（V∶V）。收集相应色带，最终得到黄色固体2-甲基-1，4-萘醌和6-甲基-1，4-萘醌，称重。

2 结果与讨论

2.1 位阻卟啉的合成

严格按照经典的Lindesy位阻卟啉合成标准条件操作，都得到相应的位阻卟啉。下面以5，10，15，20-四（2，3，4，5，6- 五氟苯基）卟啉（TPPF20）的合成为例详细介绍其结构表征。

TPPF20的4个中位苯环上全部氟化，导致该卟啉分子结构对称性好，因此氢谱（图4a）上只出现8个低场β-H信号与2个高场N-H信号；其碳谱（图4b）显示，由于多氟而造成碳多重裂分复杂；由于中位上苯环上全部氟化，应出现3个氟信号，其氟谱（图4c）显示；TPPF20的结构最终经单晶表征确认如图4d所示。

图4 TPPF20的 1H NMR(a)、13C(b)、19F NMR(c)和单晶结构(d)谱图Fig.4 The1H NMR spectrum(a)，13CNMR spectrum(b)，19F NMR(c)and crystal structure(d)of TPPF20

2.2 位阻金属卟啉的合成

位阻金属卟啉由于中心金属Fe或Mn具有顺磁性，因此无法用核磁表征，结构只能用X单晶衍射表征，同时，由于相应反应为经典反应，且化合物都是文献报道的，本研究仅测试了相应金属卟啉的XPS，通过结合能与标准数据比较以说明相应中心金属的存在及相应的氧化价态，以氯化5，10，15，20-四（2，4，6- 三甲基苯基）铁卟啉（TMP-FeCl）和氯化5，10，15，20-四（2，4，6-三甲基苯基）锰啉（TMP-MnCl）的XPS结果给予说明，如图5a中711.85 ev为Fe3+2p 2/3轨道结合能，398.75 ev为N 1s轨道结合能，284.6 ev为C 1s轨道结合能，198.5 ev为Cl 2p 2/3轨道结合能。锰卟啉的XPS结果如图5b所示。

图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 金属卟啉筛选及反应条件优化

以1 mmol 2-甲基萘为底物，分别对该反应的催化剂、催化剂量、溶剂、相转移催化剂、相转移催化剂的量（PTC）、反应温度以及时间进行了优化，结果如表1所示。由表1可知：

（1）金属卟啉的种类对萘氧化的转化率和选择性有着较大影响。若没有催化剂参与，则2-甲基萘不发生反应，转化率产率为0。

（2）金属卟啉取代基，中心金属离子的不同，影响着萘氧化的结果，吸电子基要优于给电子基，而中心金属离子铁要优于中心金属离子锰，其中5，10，15，20-四（2，3，4，5，6- 五氟苯基）铁卟啉（TPPF20FeCl）效果最佳。

（3）PTC的有无、种类、负载量都会对2-甲基萘氧化的结果产生影响，经过筛选0.1 mmol的四丁基碘化铵（Bu4NI）为最佳。

（4）溶剂、反应温度、反应时间都会对实验结果有较大影响。

（5）金属卟啉催化氧化萘生成 2-甲基 -1，4-萘醌（同环氧化产物）和 6-甲基 -1，4-萘醌（异环氧化产物）的最佳反应条件如下：0.25 mmol%TPPF20FeCl、0.1 mmol Bu4NI、3 mmol Oxone、10 mL MeCN 常温搅拌 12 h，2-甲基 -1，4-萘醌分离产率为18%，6-甲基-1，4-萘醌分离产率为52%，总产率为80%。

（6）相应异构体的比例接近1∶3，而当氧化剂换成过硫酸四丁基铵盐时，产率提高到88%。

（7）该氧化剂为Oxone与PTC的复合盐，实验再次证明了PTC对该金属卟啉催化氧化萘反应的必要性。由于Oxone四丁基铵盐复合盐价格昂贵，没有选择作为该反应的氧化剂。

表1 金属卟啉筛选及反应条件优化Tab.1 The screening of metallporphyrin and the optimization of reaction condition

注：a 为反应条件: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为基于 2+3分离产率；g为 Bu4NI 5 mmol%；c TPPF20FeCl 0.1 mmol%；h Bu4NI 20 mmol%；d TPPF20FeCl 0.25 mmol%；I为反应时间 6 h；e为TPPF20FeCl 1 mmol%；J为反应时间9 h；f为Bu4NI 1 mmol%；K为反应时间 24 h；l为氧化剂为 Oxone四丁基铵盐，无PTC。

2.4 产品分析及结构表征

2.4.1 2-甲基-1，4-萘醌

2-甲基-1，4-萘醌，收率为18%，黄色固体，熔点：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-萘醌的结构进一步经二维核磁确证，其HSQC和HMBC如图6所示。

图6 2-甲基 -1，4-萘醌的 HSQC谱图（a）、2-甲基 -1，4-萘醌的 HMBC（b）谱图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，收率为52%，黄色固体，熔点：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 结论

氯化 5，10，15，20-四（五氟苯基）铁卟啉组合四丁基碘化铵和过硫酸氢钾室温下能够有效地实现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，总产率达到80%，并且其区域选择性为1∶3。这与文献报道的结果相反，推测位阻效应起主要因素，该催化体系反应条件温和环境友好，有望应用于工业生产。

参考文献：

[1] Que Jr L，Tolman W B.Biologically inspired oxidation catalysis[J].Nature，2008，455(7211):333-340.

[2] Sheldon R A，Dakka J.Heterogeneous catalytic oxidations in the manufacture of fine chemicals[J].Catal.Today，1994，19(2):215-245.

[3] Adam A，Herrmann W A，Lin J H，Saha-M?ller C R，Fischer R W，Correia J D G.Homogeneous Catalytic Oxidation of Arenes and a New Synthesis of Vitamin K[J].Angew Chem Int Ed，1994，33(23-24):2475-2477.

[4] Zhang J L，Che C M.Dichlororuthenium(iv)Complex of meso-Tetrakis(2，6-dichlorophenyl)porphyrin:Active and Robust Catalyst for Highly Selective Oxidation of Arenes，Unsaturated Steroids，and Electron-Deficient Alkenes by Using 2，6-Dichloropyridine N-Oxide[J].Chem Eur J，2005，11(13):3899-3914.

[5] Shi F，Tse M K，Beller M A.Novel and Convenient Process for the Selective Oxidation of Naphthalenes with Hydrogen Peroxide[J].Adv Synth Catal，2007，349(2):303-308.

[6] Shi F，Tse M K，Beller M.Selective oxidation of naphthalene derivatives with ruthenium catalysts using hydrogen peroxide as terminal oxidant[J].J Mol Catal A:Chem，2007，270(1-2):68-75.

[7] Bohle A，Schubert A，Sun Y，Thiel W R.A New Metal-Free Access to Vitamin K3[J].Adv Synth Catal，2006，348(9):1011-1015.

[8] 张春雷，顾承志，刘平，等.非金属催化臭氧氧化苄醇制备芳基羧酸的研究[J].石河子大学学报（自然科学版）,2015，33(6):761-765.Zhang Chunlei，Gu Chengzhi，Liu Ping，et al.Straightforward Synthesis of Aromatic Acid:Metal-Free Catalyzed Oxidaion of Benzyl Alcohol with Ozone[J].Journal of Shihezi University(Natural Science)，2015，33(6):761-765.

[9] Groves J T，Haushalter R C，Nakamura M，Nemo T E，Evans B J.High-Valent Iron-Porphyrin Complexes Related to Peroxidase and Cytochrome P-450[J].J Am Chem Soc，1981，103(10):2884-2886.