碱金属无机酸盐催化的硫醇的β-羟乙基化反应

周 爽 董永铭 姜 恒 李 飞 宫 红

(辽宁石油化工大学化学与材料科学学院，抚顺 113001)

0 引 言

硫醚类化合物在医药、农药以及香精香料等众多领域中用途广泛[1-16]。硫醇与环氧乙烷反应[17]可实现在硫原子上的β-羟乙基化反应，由于环氧乙烷活性太高，生成的2-羟乙基烷基硫醚会继续与环氧乙烷反应生成含有多个-CH2CH2O-单元的聚醚副产物。此外，环氧乙烷沸点(10.8℃)太低，其蒸汽能与空气形成范围广阔的爆炸性混合物，在储存、运输和使用过程均存在安全隐患。采用碳酸乙烯酯(EC)替代环氧乙烷也可合成β-羟乙基硫醚，EC的熔点和沸点分别为36和248℃，并且EC廉价易得，反应的副产物为二氧化碳，在常温常压下为气体，很容易与产物分离。据我们所知，目前还没有采用脂肪族硫醇和EC为原料合成烷基β-羟乙基硫醚的文献报道。已有的文献报道均为苯硫酚和EC反应制备芳基-β-羟乙基硫醚，早期的2篇文献采用K2CO3为催化剂[18-19]，2-苯硫基乙醇产率约70%。近期的文献报道采用Na-X沸石催化苯硫酚与EC反应[20]，但存在的问题是反应时间过长(24 h)，反应温度较高(140℃)。

碱金属无机酸盐作为碱性催化剂可应用于CO2固定[21-22]、酯交换[23-24]和许多其他有机合成反应[25]。然而，碱金属盐作为碱催化剂催化硫醇转化的研究报道非常少。我们发现，与芳香族硫醇相比，尽管脂肪族硫醇的酸性较弱，但一些钾盐催化剂可高效催化脂肪族硫醇与EC反应用于制备2-羟乙基烷基硫醚。因此，有必要对不同的碱金属阳离子以及不同的阴离子对该催化反应性能的影响进行系统研究，以期深入理解催化反应机理。

1 实验部分

1.1 实验材料

无水偏硅酸钾(K2SiO3)购自Alfa Aesar，其他碱金属无机酸盐(分析纯)均购自aladdin。K3PO4·3H2O在 400℃下热分解 3 h制备无水 K3PO4，Na3PO4·12H2O在250℃下热分解3 h制备无水Na3PO4，二者置于干燥器中备用。正辛硫醇和正十二硫醇为本实验室自制，采用固体酸催化剂在固定床反应器中催化正辛醇和正十二醇与H2S反应，产品精馏后纯度大于99.99%(GC)。苯硫酚为自制，采用固体酸催化剂在固定床反应器中催化苯酚与H2S反应，产品精馏后纯度大于99.9%(GC)。分析纯试剂碳酸乙烯酯 (EC)、正己硫醇、巯基乙醇、和糠硫醇均购自aladdin。

1.2 催化反应

将计量好的催化剂、硫醇(RSH)(110 mmol)、碳酸乙烯酯(EC)(112.2 mmol)和磁力搅拌子放入到单口烧瓶中并将其置于集热式恒温加热磁力搅拌器中(内置导热油)，连接冷凝管，并将冷凝管与5 L排水瓶相连，排水瓶中放置3.5 L饱和碳酸氢钠水溶液。设置油浴温度为70～120℃并将油浴升温，当温度升至50℃时，EC完全熔化，此时开启磁力搅拌，搅拌速度600 r·min-1，用量筒监控从排水瓶排出的水量，从而实时监控二氧化碳气体释放量。当二氧化碳气体不再释放时停止反应，将反应物冷却至室温。产物通过水洗脱除催化剂，然后进行气相色谱分析转化率和选择性。

1.3 分析方法

用Autosystem XL型气相色谱仪(Perkin-Elmer)分析产物组成。色谱柱为WAX ETR毛细管柱(Perkin-Elmer，30 m ×0.32 mm (ID)×0.25 μm df，Crossbond Carbowax-PEG)，FID检测器，汽化室温度280℃，检测器温度260℃，色谱条件：程序升温，初始柱温80℃，以10℃·min-1升温速率升至210℃。高纯氮气作载气，载气流速4 mL·min-1。采用日本理学D/max-RB X射线衍射仪测定测试催化剂晶相。Cu Kα辐射(λ=0.154 nm)，闪烁计数器前加石墨弯晶单色器，管压：40 kV，管流：100 mA，2θ=5°～70°，测角仪半径为185 mm，光阑系统为DS=SS=1°，RS=0.15 mm。NaI闪烁晶体探测器。每个样品填入深度为0.5 mm的玻璃试样架中，表面用光滑的平板玻璃压实。采用θ～2θ连续扫描方式，步长0.02°，扫描速度 (2θ)4°·min-1。 采 用 美 国 PerkinElmer 公 司Spectrum GX傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)测定钾盐催化剂反应前后的变化，KBr压片法测定。

2 结果与讨论

2.1 碱金属无机酸盐催化活性对比分析

对于硫醇中硫原子的β-羟乙基化，巯基与EC的亚甲基碳之间应该存在强相互作用。然而，巯基的亲核性不足以与亚甲基碳相互作用。因此，对于与亚甲基的强相互作用，巯基需要通过能够形成氢键或与巯基键合的催化剂活化。换句话说，对硫醇的β-羟乙基化有活性的催化剂应具有与巯基形成氢键的强烈倾向，从而增强巯基的亲核性。表1的实验结果表明，在无催化剂的条件下，正辛硫醇与EC不发生反应(Entry 1)。各种碱金属无机酸盐对正辛基硫醇与EC的β-羟乙基化反应的催化活性表明，在阴离子相同的情况下，钾盐的催化活性高于相应的钠盐(催化过程中释放CO2的动力学曲线见图S1～S10，Supporting Information)，而锂盐则无催化活性(Entry 2和4)，这可以从表1中的反应时间、CO2释放总量以及n-C8H17SH转化率的数据对比中可明显观察到，说明碱金属盐的催化活性与其碱性有关。

Li+、Na+和K+离子可以被认为是类似H+的Lewis酸，并且酸性随着离子尺寸的增加而降低(图1a)[27]，这就是具有相同阴离子的碱金属盐随碱金属阳离子的变化表现出不同的碱性的原因，即阳离子的路易斯酸度越强，对应的盐的碱性越低。根据软硬酸碱理论，较软的亲核试剂与较软的中心反应，而硬亲核试剂优选与硬亲电子试剂反应[28]。K+离子半径大、极化率相对较高，通常被认为是软酸，而Li+和Na+可被认为是硬酸。正辛硫醇的-SH中的硫原子原子半径较大、极化率较高，因此-SH中的硫原子可被认为是软碱。-SH中的氢原子原子半径小、极化率低，被认为是一种硬酸。M3PO4和M2CO3中的O2-，离子半径小且极化率高，被认为是一种硬碱。因此，K3PO4和K2CO3更容易活化正辛硫醇分子(图1(b))，生成RSK+活性中间物，平衡倾向于向右移动；而Na+与-SH中硫原子的作用相对较弱，Li+无法活化-SH。

表1 碱金属无机酸盐(MA)催化正辛基硫醇与EC的β-羟乙基化反应的活性Table 1 Activity of alkali metal mineral acid salts(MA)catalyzed β-hydroxyethylation of n-octyl mercaptan with ECa

图1 碱金属阳离子的路易斯酸度(a)和MA活化R-SH的机理(b)Fig.1 Lewis acidity of alkali metal cations(a)and the proposed activation mechanism of R-SH with MA(b)

对于钾盐(KA)而言，不同的无机酸阴离子A-也对催化活性有较大的影响。KA的催化活性与其相应的共轭酸HA的pKa存在一定程度上的正相关性。当KA的共轭酸HA的pKa1在0.91～9.77范围内，各种KA的具有较好的催化活性，其中磷酸钾(Entry 4)、碳酸钾(Entry 12)、四硼酸钾(Entry 15)、钼酸钾(Entry 17)和锡酸钾(Entry 19)的催化活性最高(正辛硫醇转化率均高于90%)，而K4P2O7对应的共轭酸酸性相对较强(pKa1=0.91)，因此K4P2O7的催化活性相对较弱。在表1所列举的钾盐中，K2SO4的催化活性最低(Entry 23)，的转化率仅为34.2%，并且Na2SO4无催化活性 (entry 21)，这是因为其共轭酸H2SO4的酸性太强(pKa1=-3.00)。KA对应的共轭酸的酸性越弱，KA的碱性就越强，反之亦然。根据图1(b)，A-的碱性越强，越容易与H+结合，平衡向右移动的倾向较大。必须指出的是，表1中KCl和KBr的催化活性与其共轭酸pKa(分别为-8.00和-9.00)的关联不符合上述规律，但二者的催化活性比K2SO4的活性高很多，这可能归因于Cl-和Br-的离子半径较小的缘故。

从表1的实验数据可看出，无水Na3PO4(Entry 3)催化活性远高于Na3PO4·12H2O(Entry 5)，无水K3PO4(Entry 4)的反应时间比 K3PO4·3H2O(Entry 6)的反应时间相对缩短，这可从CO2释放的动力学曲线(图2)中明显观察到。由于H2O分子中的HOδ-和Hδ+分别与 Na3PO4中的 Na+和 PO43-相互作用(Na3PO4·12H2O结构见图S11，Supporting Information)，从而导致Na3PO4·12H2O活化硫醇的活性减弱。在反应温度(120℃)下，随着水分子的逐步解离，裸露出来的Na+和PO43-得以活化n-C8H17SH分子中的巯基。这些实验结果进一步证实了图1中所建议的机理。

图2 无水和水合Na3PO4(A)与K3PO4(B)催化过程中释放CO2动力学曲线Fig.2 Kinetic curves of CO2release during the catalytic reaction by hydrous and anhydrous Na3PO4(A)与K3PO4(B)

图3 回收K3PO4·3H2O催化剂与新鲜K3PO4·3H2O催化剂的XRD图比较Fig.3 Comparison of XRD patterns of the spent K3PO4·3H2O catalyst with fresh K3PO4·3H2O

从图2可看出，尽管无水K3PO4的初期催化反应速率略高于K3PO4·3H2O，但在反应后期K3PO4·3H2O催化反应释放CO2体积略高于无水K3PO4。这表明K3PO4·3H2O在催化反应过程中可能发生了化学变化，因为K3PO4本身碱性很强，而反应过程中不断生成CO2，CO2本身为酸性气体。为证实这一点，将催化反应后的混合物用PTFE微孔滤膜过滤，滤出的催化剂粉末经CH2Cl2洗涤后采用XRD对回收的催化剂进行检测，结果见图3。从图3可看出，K3PO4·3H2O在催化反应过程中生成了 K2HPO4·3H2O(PDF No.25-640)。FTIR对比分析结果表明，回收的催化剂FTIR中除K2HPO4特征峰外，还出现了KHCO3特征峰(图 S12，Supporting Information)。由于反应生成大量的酸性气体CO2，在痕量水的作用下，K3PO4·3H2O在催化反应过程中按Eq.(1)和Eq.(2)发生了化学变化，生成K2CO3同时进一步转化为KHCO3。为进一步证实上述实验结果，以K2CO3为催化剂，反应结束后对过滤回收的催化剂进行了红外光谱分析，通过FTIR对比分析结果可知 (图S13，Supporting Information)，回收的K2CO3催化剂部分转化为KHCO3，说明K2CO3在催化反应过程中按Eq.(2)发生了化学变化。K3PO4·3H2O催化反应后期实际上起催化作用的活性物种为KHCO3。表1中实验数据表明，KHCO3的催化活性也很高 (Entry 13)，而K2HPO4·3H2O无催化活性(Entry 8)。磷酸钾盐和碳酸钾盐的碱度强度顺序为K3PO4(pKb=1.6)＞K2CO3(pKb≈3.75)＞K2HPO4(pKb=6.8)＞KH2PO4(pKb=11.9)[21],这与表1中n-C8H17SH的转化率以及CO2释放量一致。

2.2 不同分子结构硫醇的反应活性

为了进一步证实钾盐催化剂活化-SH的机理，以无水磷酸钾为催化剂，在不同反应温度下，考察了6种不同分子结构硫醇化合物对β-羟乙基化反应的影响(表2)。其中苯硫酚的反应速率最快且反应温度最低，在70℃下即可达到99.6%。正构脂肪族硫醇的反应活性最低且反应温度最高(120℃)。糠基硫醇的反应活性大于巯基乙醇，二者的反应活性均高于正构脂肪族硫醇的反应活性。

不同分子结构硫醇的反应活性可能归因于硫醇的酸性差异。苯硫酚的pKa(水中25℃条件下，以下同)为6.61[29-30]。苯硫酚相对较强的酸性无疑是归因于共振效应，其中C6H5S-离子中的硫原子的负电荷离域进入芳环，K3PO4活化C6H5SH生成C6H5S-所需的能垒较低，因此在较低的反应温度(70℃)下即可发生快速反应。

由于烷基的供电子效应，正构脂肪族硫醇的酸度随碳链的增加而降低，甲硫醇、乙硫醇和正丙基硫醇的 pKa分别为 10.30、10.50和 10.65[31]，可以预测的是高碳脂肪硫醇的酸性更弱。从表2可看出，正己硫醇在120和110℃下反应的反应时间和正己硫醇的转化率相差不大，而正辛硫醇在110℃下的反应时间比在120℃时延长了3倍多。这可能间接证明了正辛硫醇的酸性弱于正己硫醇。同样在120℃反应温度下，正十二硫醇的反应时间相对长于正己硫醇和正辛硫醇，也可能间接证明正构脂肪族硫醇的酸度随碳链的增加而降低的结论。

表2 K3PO4催化的各种硫醇化合物的β-羟乙基化Table 2 β-hydroxyethylation of various thiol compounds with EC catalyzed by K3PO4

2-巯基乙醇的 pKa为 9.43～9.7[31]，显然，2-巯基乙醇的酸性介于苯硫酚和高碳(≥C6)正构脂肪族硫醇之间，其相对较强的酸性可归因于HO-基团的远程吸电子作用[32]，从表2中可看出，在120和110℃下反应的反应时间几乎相同，尽管在100℃下2-巯基乙醇的转化率略低。糠硫醇的活性比2-巯基乙醇的更高，反应温度在80℃下糠硫醇的转化率即可达到92.4%。尽管无法获取糠硫醇的pKa文献报道数据，可以预测的是：糠硫醇的pKa一定小于2-巯基乙醇，略高于苯硫酚，这不仅仅归因于氧原子的远程吸电子作用，同时也与呋喃环具有芳香性有关。

2.3 催化反应机理探讨

基于以上实验结果和理论分析，图4展示了钾盐(KA)催化硫醇的β-羟乙基化反应机理。无机酸阴离子A-作为碱性中心活化RSH中巯基的氢原子，生成中间物H+A-，而K+对生成的RS-具有稳定能力。RSH分子中的S-H键发生断裂而生成RS-。RS-作为亲核试剂进攻EC中的-CH2-基团缺电子中心碳原子，使来自EC中的C-O键断裂，释放CO2的同时生成RSCH2CH2O-K+中间物，中间物H+A-和RSCH2CH2O-K+发生复分解反应生成目标产物，同时催化剂得以还原，从而完成催化循环。必须强调的是：根据软硬酸碱理论，EC分子中的-CH2-中的碳原子属于软酸，而羰基碳原子属于硬酸[33]，RS-属于软碱，更容易进攻-CH2-中的碳原子，这就是表1和表2中目标产物β-羟乙基硫醚具有高选择性(＞99%)的原因。

3 结 论

考察了各种碱金属无机酸盐 (MA，M=Li+，Na+，K+)对催化正辛硫醇与EC的β-羟乙基化反应的活性，得出如下结论：

(1)阴离子相同的MA中，钾盐催化活性最高，而Li盐无催化活性，Na盐的催化活性居中。

(2)在各种无机酸钾盐(KA)中，A-的共轭酸酸性越强，KA的催化能力越弱，反之亦然。

(3)根据软硬酸碱理论提出了MA活化R-SH的机理。M+的离子半径可极化率越低，越容易活化-SH中的S原子；A-的碱性越强，越容易活化-SH中的H原子。

以无水K3PO4为催化剂，考察了各种硫醇化合物与EC反应的催化性能，其中苯硫酚的反应活性最高，β-巯基乙醇的反应活性居中，正构脂肪族硫醇的活性相对较弱，这与硫醇化合物的酸性强弱成正相关性。亦即，硫醇的酸性越强，其反应活性越高，SH键越容易解离。

与文献报道的硫醇的β-羟乙基化反应相比，KA催化硫醇与EC的β-羟乙基化反应具有如下优点：

(1)反应条件温和，通过监控CO2的释放量即可判断反应进行的程度；

(2)无含卤素化合物参与反应，无卤素盐副产物生成；

(3)RSH与EC的物质的量之比为1∶1.02，接近理论量，反应无溶剂参与，且产物β-羟乙基硫醚的选择性大于99%，产物的后处理无需复杂的分离过程；

(4)KA催化剂廉价易得且KA具有良好的水溶性，通过水洗即可脱除催化剂。