金属Salen配合物的合成及其催化性能研究

单洪亮

(宁波贝斯美投资控股有限公司，浙江 宁波 315000)

金属Salen配合物是一类重要的有机反应催化剂，它可在非常温和的条件下以高产率、高选择性地催化许多重要有机反应，如：Diels-Alder反应，烯烃环氧化，Strecker反应，催化氧化等[1-5]。另外，从结构上分析，Salen配体还具有合成简单，结构容易修饰，并可与多种金属(Cr、Al、Co、Cu、Zn、Ni等)配合等优点而受到了化学家的广泛关注[6-9]。

苯偶酰是一种重要的有机合成中间体，其在医药、香料、日用化学品生产中有着广泛的应用[10-11]。苯偶酰的一种重要合成方法是以安息香为原料，通过将羟基氧化而得到。目前，科学家已发展了多种氧化剂或氧化方法对安息香进行氧化而得到苯偶酰[12-14]，但是空气为氧化剂的催化氧化方法报道较少，研究安息香的催化氧化合成苯偶酰具有重要意义。

本研究探索了以安息香为原料，用金属salen配合物为催化剂，空气为氧源来合成苯偶酰。在研究中，我们对催化剂、催化剂用量、碱、反应温度、反应时间等进行了系统优化，发展以一个绿色、高效、高产率(96%)的氧化条件合成了苯偶酰。同时，我们探索了对催化剂—Co(Salen)的回收利用，用水做萃取剂，可对Co(Salen)催化剂进行回收，研究表明：用该方法回收的催化剂在第2次催化安息香氧化时可以以79%的收率得到产物。

1 实验部分

1.1 主要仪器与试剂

旋转蒸发仪(Büchi，R210)，熔点仪(Büchi，M-560)，液相色谱-质谱联用仪(Thermo LCQ Fleet)，傅里叶变换红外光谱仪(Nicolet Nexus)，核磁共振仪(Bruker AV 400)，元素分析仪(EA3000)，X-射线衍射仪(荷兰Empyrean)，三用紫外线分析仪(ZF-6型)，电子天平(Sartorius,BSA,124)， ACO系列电磁式空气泵(ACO-005)。

安息香(99%，安耐吉化学)，水杨醛(98%，安耐吉化学)，乙二胺(99%，安耐吉化学)，DMF(分析纯，江苏强盛功能化学)，无水乙醇(分析纯，杭州双林化工)，乙酸乙酯(分析纯，润捷化学)，石油醚(分析纯，广东光华科技)，CoSO4·7H2O(99%，国药集团化学)，Zn(OAc)2(99.5%，安耐吉化学)，Ni(NO3)2·6H2O(99.5%，安耐吉化学)，Cu(OAc)2·H2O(99.5%，安耐吉化学)， KOH(分析纯西陇化工，分析纯)，Na2SO4(分析纯，润捷化学)。

1.2 金属Salen催化剂1a-1d的合成

图1 催化剂1a-1d合成路线

金属Salen催化剂1a-1d的合成路线如图1所示：首先，以水杨醛和乙二胺为原料通过缩合得到Salen配体；然后，在Salen配体的有机溶剂中，加入金属盐的水溶液或醇溶液生成金属Salen配合物。

1.2.1 Co(Salen) (1a)催化剂的合成与表征

在250 mL三颈瓶中加入无水乙醇 (80 mL) 和水杨醛 (1.6 mL，0.018 mol)。室温搅拌下，加入乙二胺 (0.5 mL，0.0075 mol)，反应30 min后生成亮黄色的双水杨醛缩乙二胺片状晶体—Salen配体。用75℃水浴加热至亮黄色片状晶体溶解后，将硫酸钴(0.0075 mol) 的水溶液 (15 mL) 滴入三颈烧瓶中。在75℃下搅拌反应50 min，抽滤，得暗红色或棕色Co(Salen)催化剂，催化剂用无水乙醇洗涤三次，真空干燥，得产品Co(Salen)催化剂，单步收率56%。结构表征如下：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) 催化剂的合成与表征

Cu(Salen) (1b) 催化剂的合成步骤与Co(Salen)催化剂一致，收率82%。结构表征如下：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) 催化剂的合成与表征

Cu(Salen)(1c)催化剂的合成步骤与Co(Salen)催化剂一致，收率92%。结构表征如下：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) 催化剂的合成与表征

Ni(salen)(1d) 催化剂的合成步骤与Co(Salen)催化剂一致，收率60%。结构及表征如下：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 安息香催化氧化与表征

在100 mL三颈瓶中，依次加入安息香 (1.08 g，5.1 mmol)、溶剂 (26 mL)，等安息香溶解后加入金属Salen催化剂(0.15 mmol，3 mol%)、碱(3.57 mmol)。水浴加热至所需温度后，向反应液的底部通入空气，并将体系加热，利用TLC跟进反应至完全。反应结束后，将反应液冷却到室温，加入乙酸乙酯和水，水相用乙酸乙酯萃取2次，合并有机相(若用DMF为溶剂，有机相再用水洗3次)，用饱和食盐水洗涤，用无水Na2SO4干燥，过滤、减压浓缩、柱层析得到苯偶酰。

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 金属Salen催化剂的回收利用

在装配有搅拌器、回流冷凝管和空气导管的100 mL三颈瓶中，依次加入安息香 (1.08 g，5.1 mmol)、乙醇(26 mL)、Co(Salen)催化剂(0.05 g，0.15 mmol)、K2CO3(0.49 g，3.57 mmol)。反应液在80℃下加热，并通入空气，利用TLC分析跟踪反应至反应完全。反应结束后将反应液冷却到室温，并加入乙酸乙酯和水，水相用乙酸乙酯萃取1次，合并有机相。有机相用水(25 mL)洗涤2次，合并水相，减压浓缩去除水得到Co(Salen)催化剂进行下次实验。有机相用Na2SO4干燥，减压浓缩，柱层析得黄色固体苯偶酰。

2 结果与讨论

2.1 安息香氧化反应条件优化

安息香催化氧化合成苯偶酰中，我们探索了催化剂、碱和反应溶剂对反应产率的影响，如表1所示。在实验中，反应的温度为80℃，反应时间为1 h。首先，我们根据文献[11]报道的反应条件，以DMF为溶剂，KOH为碱，空气为氧化剂，对四种不同金属Salen配合物Co(Salen)，Cu(Salen),Zn(Salen)，Ni(Salen)进行了研究(实验1～4)。

表1 金属Salen催化氧化安息香条件优化

实验催化剂碱溶剂转化率/%分离产率/%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

反应条件：安息香(1.08 g，5.1 mmol)，M(Salen) (3 mol%)，溶剂 (26 mL)，碱(3.57mmol)，air，80℃，1h。

实验表明：四种催化剂中，Co(Salen)以89%的最好产率得到苯偶酰。在实验过程中，KOH容易吸水而潮解。基于上述实验结果，我们以Co(Salen)为催化剂，在相同的实验条件下对四种不同的碱(K2CO3，K3PO4，NaOH，Na2CO3)进行了探索(实验5～8)。用HPLC分析可知：用K3PO4和Na2CO3为碱，有许多原料没有反应完全，原料的转化率分别40%和71%。在相同的条件下，用K2CO3和NaOH为碱，原料反应完全，并分别以67%和54%的分离产率得到苯偶酰。因此K2CO3和KOH在安息香的催化氧化中效果较好。

在此基础上，我们以Co(Salen)为催化剂，KOH为碱对反应的溶剂进行了探索(实验9～14)。我们首先尝试了THF，经HPLC分析可知，原料的转化率只有34%。而以CH3CN为溶剂时，原料几乎反应完全(96%)，并以81%的分离产率得到苯偶酰。在探索Co(Salen)催化剂的溶解性时发现：该催化剂在H2O中具有较好溶解度。为了提高该催化氧化反应的绿色性，我们大胆尝试了H2O为溶剂，结果发现：在相同的反应温度和反应时间下，原料的转化率只有17%。与其他有机溶剂相比，EtOH是一种绿色溶剂。因此，我们尝试了EtOH和H2O(v/v=1/1)的混合溶剂进行反应。用TLC分析可知：反应很干净，原料的转化率也大大提高到了96%，并以79%的产率得到苯偶酰。H2O中加入EtOH可提高反应转化率和产率的原因可能是EtOH提高了原料的溶解度。在相同的条件下，以K2CO3为碱，EtOH(95%)为溶剂时，我们以95%的最好分离产率得到了产物。若用KOH为碱，EtOH为溶剂，反应也顺利进行，并以91%的产率得到产物。因此，EtOH是安息香的催化氧化的一种理想溶剂。与DMF相比，大大提高了反应的绿色性。

基于上述实验结果，我们认为安息香催化氧化的优良催化剂、溶剂和碱分别为Co(Salen)、EtOH、KOH或K2CO3。

2.2 Co(Salen)催化氧化安息香在不同时间的转化率

反应温度为80℃时，我们得到了安息香催化氧化的最佳催化剂、碱和反应溶剂。然后，对反应时间进行了系统研究。方法如下：当反应液在80℃下搅拌到一定时间时，用滴管吸取少量反应液至试管中，加入乙酸乙酯和水，取有机层样品进行HPLC分析，根据原料和产物的峰面积比来估算反应的转化率，结果见表2所示。实验表明：在该反应条件下，反应迅速进行，在10 min后，安息香的转化率已达到82%，随着反应时间的延长，转化率增幅越来越小，反应至60 min时，转化率达到了99%。反应时间延长至75 min时，原料转化完全。

2.3 温度对Co(Salen)催化氧化安息香

我们以Co(Salen)为催化剂，EtOH为溶剂，K2CO3为碱，研究了温度对反应的影响，结果见表3所示。结果表明：在室温下反应28 h，仍然许多原料没有反应完全。在50℃下反应7 h，有少量原料没有转化，苯偶酰的分离产率较低(67%)。将反应的温度提高至80℃时，反应速度大大提高，反应1 h时，我们以91%的产率得到产物。

基于上述实验结果，我们认为安息香催化氧化较为合适的反应温度为80℃。

表2 Co(Salen)在80℃催化氧化安息香在不同时间的转化率

时间/min原料峰面积产物峰面积转化率/%1012.0353.682208.1553.5887302.7972.1196401.0460.7998600.652.2399750100100900100100

反应条件：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)在不同温度下催化氧化安息香

温度/℃时间/h收率/%室温28-5076780191

反应条件：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)催化剂的回收与利用

金属催化剂的回收利用不仅可以降低成本，还能减少金属对产品的污染。因此，在金属催化的有机反应中，金属催化剂的回收与重复使用受广泛重视。在安息香的催化氧化中，我们对Co(Salen)催化剂的回收与重复使用进行了研究。我们发现：Co(Salen)催化剂在水中具有较好的溶解度，而氧化产物--苯偶酰在乙酸乙酯中具有很好的溶解性。因此，我们设想可用萃取的方法来实现Co(Salen)催化剂和氧化产物的有效分离，即在催化氧化反应完全后，向反应液加入适量EtOAc和H2O，从而可使氧化产物进入有机相，而Co(Salen)催化剂进入水相。两项分离后将水相的水去除后即可回收得到Co(Salen)催化剂。氧条件的优化中，我们知道乙醇中含有少量水对反应的影响很小。因此，我们认为在催化剂的回收中，将水相的水去除后所得催化剂可直接进行下次催化氧化，无需对催化剂进行干燥处理。

基于上述分析，我们用的萃取方法对Co(Salen)催化剂的回收及重复使用性能进行了实验，结果如表4所示。从表中的结果可知，催化剂回收后进行第1次重复实验，苯偶酰的分离产率下降至91%，但是第2次催化使产率下降到了79%，反应时间也需延长至180 min。

表4 Co(Salen)催化剂的重复使用性能研究

反应条件：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 结论

(1)本文以金属Salen为催化剂，空气为氧化剂，对安息香催化氧化合成苯偶酰进行了系统研究，发展了一个绿色、高效、高产率的反应条件实现了安息香的催化氧化得到苯偶酰。该催化氧化条件为：以Co(Salen)为催化剂，空气为氧化剂，EtOH为溶剂，K2CO3为碱，80℃反应1 h。在优化条件下，苯偶酰的分离产率达到91%以上。

(2)利用Co(Salen)催化剂在水中较好的溶解性，发展了萃取的方法对Co(Salen)催化剂进行有效回收。该回收方法与我们的优化反应条件具有很好的兼容性，回收所得催化剂具有较好的催化性能。