2-烷基蒽醌的合成研究进展

任相伟，汤红梅，李继新

(1.天津大学理学院，天津 300072；2.天津科技大学理学院，天津 300457；3.天津黄埔盐化工程技术有限公司，天津 300451)

2-烷基蒽醌是一种具有重要研究价值的精细化学品，广泛应用于医药中间体[1]、染料、树脂、阻聚剂[2]、过氧化氢工作液载体[3]等领域。如2-甲基蒽醌是抗肿瘤药物的中间体[4]；2-叔丁基蒽醌是合成树脂的阻聚剂和聚合催化剂[5]；2-丁基蒽醌、2-戊基蒽醌是生产过氧化氢工作液必不可少的载体[6-7]。近几年随着过氧化氢需求量的增加，对2-烷基蒽醌的合成研究也进一步加强[8]。

目前，2-烷基蒽醌的绿色合成法主要有以下几类：苯酐法、烷基蒽氧化法、萘醌法及其它方法。作者在此对几种合成方法的研究进展进行综述，以期对2-烷基蒽醌的绿色合成提供帮助。

1 苯酐法

苯酐法(图1)是2-烷基蒽醌的传统合成方法，具有原料易得、工艺简单、成本低、收率高等优点。苯酐法合成2-烷基蒽醌主要分两步：首先是苯酐与烷基苯在三氯化铝的催化下发生傅克酰基化反应，生成2-(4′-烷基苯甲酰基)苯甲酸[9]；然后在发烟硫酸、浓硫酸或多聚磷酸的条件下，发生关环反应合成2-烷基蒽醌[10]。苯酐法合成2-烷基蒽醌在国内外已有工业化生产的报道，生产过程中会产生大量废液，严重污染环境。据报道，每生产1 t 2-乙基蒽醌，就需要1.76 t三氯化铝和4.2 t发烟硫酸，产生大量废液[11]。因此，对苯酐法催化剂进行改进以减少废液的产生对提高产量、减少环境污染具有重要意义。

图1 苯酐法合成2-烷基蒽醌

1.1 两步法合成2-烷基蒽醌

两步法是分别经过傅克酰基化反应和关环反应得到2-烷基蒽醌，可以对两步反应催化剂分别进行改进。以离子液体或三氟化硼-氟化氢为催化剂替代三氯化铝，减少傅克酰基化反应过程中废液的产生；以改性沸石分子筛或离子液体为催化剂替代发烟硫酸、浓硫酸或多聚磷酸，减少关环反应过程中废液的产生。

1.1.1 傅克酰基化反应催化剂的改进

1.1.1.1 离子液体催化傅克酰基化反应

离子液体作为环境友好型的酸性催化剂，与传统的三氯化铝相比，可以减少环境污染，实现绿色化生产。离子液体具有反应活性高、条件温和等优点，但同时具有黏度大、成本高、无法进行大规模生产等缺点。2008年，唐军明[12]以氯化1-甲基-3-丁基咪唑氯铝酸盐类离子液体([Bmim]Cl-AlCl3)为催化剂，在无溶剂条件下，以97%的收率得到2-(4′-乙基苯甲酰基)苯甲酸。2015年，张政等[13]用廉价的盐酸三乙胺替代烷基咪唑制备了盐酸三乙胺-三氯化铝离子液体，并将其用于催化苯酐与乙苯的反应，以石油醚为溶剂，以98%的收率得到2-(4′-乙基苯甲酰基)苯甲酸。

对离子液体进行负载后其活性略有下降，但可以重复使用，减少环境污染，具有较好的应用前景。2008年，张信伟等[14]将离子液体负载到改性二氧化硅上，使其更容易回收，用高活性的负载氯铝酸盐离子液体催化苯酐与乙苯反应合成2-(4′-乙基苯甲酰基)苯甲酸，苯酐转化率达到100%，产物选择性达到91%；将离子液体再生后重复使用，苯酐转化率仍然是100%，产物选择性降至88%。2015年，陆雅男等[15]用室温离子液体1-丁基-3-甲基咪唑氯铝酸盐修饰的Hβ沸石分子筛催化合成2-(4′-乙基苯甲酰基)苯甲酸，发现以二氯甲烷为溶剂、离子液体与Hβ沸石分子筛质量比为1∶4、反应12 h时的收率为52%。

1.1.1.2 三氟化硼-氟化氢催化傅克酰基化反应

1983～1986年，Devic[16-18]用三氟化硼-氟化氢催化苯酐与烷基苯反应得到2-(4′-烷基苯甲酰基)苯甲酸，反应过程中加入二氯甲烷降低邻苯甲酰苯甲酸(OBB)络合物分解温度，实现三氟化硼和氟化氢的回收。该方法避免使用三氯化铝，减少废液的产生，但是原料需要在-40 ℃下加入，当反应温度为20 ℃时需要4.7 MPa的高压，同时氟化氢毒性较大，因此对设备要求较高。

1.1.2 关环反应催化剂的改进

1.1.2.1 改性沸石分子筛催化关环反应

有机酸改性沸石分子筛可以催化关环反应合成2-烷基蒽醌。郭新闻课题组对有机酸改性Hβ沸石分子筛的催化性能、酸性、晶粒尺寸、再生等方面进行了研究。发现柠檬酸改性Hβ沸石分子筛的酸位点数量和酸性要适中，如果酸位点太多、酸性太高，会导致分子间脱水，生成高分子化合物，附着在改性Hβ沸石分子筛表面导致改性Hβ沸石分子筛失活；如果酸位点过少、酸性过低，也会导致改性Hβ沸石分子筛活性降低[19]。Hβ沸石分子筛的酸性及晶粒尺寸会影响关环反应，其中晶粒尺寸的影响更显著；低温时，扩散速率是影响关环反应的主要因素，粒径越小扩散速率越快；温度升高后扩散速率的影响减弱，粒径的影响不显著[20]。有机酸改性Hβ沸石分子筛在循环使用过程中活性会降低，若用乙醇洗涤除去附着在催化剂上的高分子物质，再焙烧除去小分子物质，可以实现Hβ沸石分子筛再生，再生后的Hβ沸石分子筛重复使用4次后的转化率仍高达99%[21]。用柠檬酸、酒石酸、苹果酸和丙二酸改性的Hβ沸石分子筛都可以实现95%以上的转化率和选择性，具有较好的催化效果[22]。用草酸改性β沸石分子筛作为催化剂，可以92%的转化率和59%的选择性得到2-乙基蒽醌[23]。2017年，吕杨等[24]用氨水和柠檬酸共同处理Hβ沸石分子筛，并将其应用于2-乙基蒽醌的合成反应，以78%的收率得到2-乙基蒽醌。2019年，陈杰等[25]使用柠檬酸改性β沸石分子筛作为催化剂，在300 ℃下反应，2-(4′-戊基苯甲酰基)苯甲酸的转化率为98%。

无机酸改性沸石分子筛也可催化关环反应合成2-烷基蒽醌。无机酸改性沸石分子筛具有高效、绿色环保等优点，可用于固定床连续生产。2015年，刘全杰等[26]针对固定床反应器开发了不同的无机酸改性沸石分子筛催化剂，其中磷钼酸、磷钨酸改性的沸石分子筛催化剂的催化效果较好。孔岩等[27]用硼酸改性Hβ沸石分子筛，在固定床反应器上催化2-(4′-乙基苯甲酰基)苯甲酸脱水合成2-乙基蒽醌，可以实现44%的转化率和77%的选择性，催化剂循环使用4次后，催化活性没有明显降低。

1.1.2.2 离子液体催化关环反应

2017年，郭亚楠等[28]以N-甲基咪唑、吡啶、1,4-丁烷磺内酯、对甲苯磺酸为原料制备了离子液体，并将其用于催化合成2-叔丁基蒽醌，以90%的收率得到目标产物，且离子液体重复使用5次后，催化活性没有明显变化。

1.2 一锅法合成2-烷基蒽醌

一锅法是连续发生傅克酰基化反应和关环反应合成2-烷基蒽醌，反应催化剂可以是改性沸石分子筛、明矾或改性二氧化硅，反应步骤少，反应效率高。

1.2.1 改性沸石分子筛催化一锅法反应

在沸石分子筛上负载金属离子可催化一锅法合成2-烷基蒽醌。2009年，姜翠玉课题组[29]用离子交换法和等体积浸渍法对Hβ沸石分子筛进行改性，并将其用于催化苯酐与甲苯一锅法合成2-甲基蒽醌，结果发现CeO2的负载量越高，催化效果越差，但反应选择性明显提高，高达98%。2011年，刘玉芝[30]将Al2(SO4)3改性Hβ沸石分子筛用于催化合成2-甲基蒽醌，收率达到25%。2012年，姜翠玉课题组[31]采用超声浸渍法将Al2(SO4)3负载到Hβ沸石分子筛上，用于催化合成2-乙基蒽醌，实现了45%的转化率和50%的选择性。2015年，姜翠玉课题组[32]比较了离子交换法、普通浸渍法和超声浸渍法改性Hβ沸石分子筛的催化活性，发现超声浸渍法改性Hβ沸石分子筛的催化活性最高，其中以负载Ce2O3的Hβ沸石分子筛为催化剂时，2-乙基蒽醌的收率可达到26%。

在沸石分子筛上负载酸也可以催化一锅法合成2-烷基蒽醌。2014年，姜翠玉课题组[33]采用微波辐射法，将无机酸和有机酸负载到Hβ沸石分子筛上，用于催化合成2-乙基蒽醌，发现马来酸的负载效果较好。采用马来酸和Ce(NO3)3·6H2O复合改性的Hβ沸石分子筛催化合成2-乙基蒽醌，收率可达23%。

用铵盐改性的沸石分子筛同样也可催化一锅法合成2-烷基蒽醌。2007年，毕晨光等[34]用硝酸铵改性HZ-1沸石分子筛得到液-固多相催化剂，在反应温度为250 ℃、间歇式反应条件下，邻苯二甲酸酐的转化率达到71%，2-甲基蒽醌的选择性为89%。2009年，Hou等[35]用硝酸铵改性的Hβ纳米级沸石分子筛催化合成2-甲基蒽醌，收率达到82%。2010年，侯启军等[36]用改性的HZ-1沸石分子筛作为催化剂，在250 ℃下反应5 h，邻苯二甲酸酐的转化率达到71%，2-甲基蒽醌的收率为65%。2017年，刘为清等[37]采用微波辐射法辅助硝酸铵改性Hβ沸石分子筛，用于催化苯酐与乙苯一锅法合成2-乙基蒽醌，收率达到21%，再生后催化性能可恢复到初始的92%。

1.2.2 明矾催化一锅法反应

2010年，Madje等[38]报道了苯酐和取代苯在水为溶剂、25%明矾为催化剂的条件下，以92%的收率得到2-甲基蒽醌。该方法具有条件温和、原料便宜、耗时短等优势，但反应过程中使用了大量明矾，没有回收利用，并且只进行了微量实验，能否实现工业化生产还有待进一步研究。

1.2.3 改性二氧化硅催化一锅法反应

2014年，Naeimi等[39]用氯磺酸与二氧化硅反应得到SSA(silica sulfuric acid)，将其用于催化苯酐和乙苯合成2-乙基蒽醌，收率达到77%。

2 烷基蒽氧化法

烷基蒽氧化法合成2-烷基蒽醌包括两步反应：首先是蒽的傅克烷基化反应，生成2-烷基蒽；其次是2-烷基蒽的氧化反应，生成2-烷基蒽醌。

2.1 蒽的傅克烷基化反应

蒽的傅克烷基化反应底物可以是卤代烃、醇或烯烃。

2009年，袁新华等[40]报道了蒽与2-氯丙烷在离子液体[Bmim]Cl-AlCl3室温催化下发生傅克烷基化反应，以69%的收率和77%的选择性得到2-异丙基蒽。Chen等[41]以氯化1-乙基-3-甲基咪唑氯铝酸盐类离子液体([Emim]Cl-AlCl3)为催化剂，催化蒽与2-氯丙烷发生傅克烷基化反应合成2-异丙基蒽(图2)，收率74%，选择性82%；离子液体催化剂循环使用6次后，催化活性没有明显降低。

图2 蒽与2-氯丙烷的傅克烷基化反应

2017年，叶金鑫等[42]报道了β沸石分子筛催化蒽与叔丁醇的傅克烷基化反应合成2-叔丁基蒽(图3)，该反应有大量原料剩余，收率不高，有待进一步改进。

图3 蒽与叔丁醇的傅克烷基化反应

2018年，王伟建[43]报道了蒽和异戊烯在酸或分子筛催化下，发生烷基化反应合成2-戊基蒽。2020年，郑博等[44]使用固体酸催化剂催化蒽与2-甲基-2-丁烯的傅克烷基化反应(图4)，以81%的转化率和91%的选择性得到2-叔戊基蒽；通过熔融结晶-蒸馏耦合技术分离2-叔戊基蒽，可显著降低蒽-烷基蒽产物分离难度，提高2-叔戊基蒽的纯度和总收率。该方法有望用于大规模生产2-叔戊基蒽。

图4 蒽与2-甲基-2-丁烯的傅克烷基化反应

2.2 2-烷基蒽的氧化反应

图5 2-烷基蒽氧化得到2-烷基蒽醌

过氧化叔丁醇可作为2-烷基蒽的氧化剂。1983年，Müller等[45]报道了2-甲基蒽在铑络合物催化剂、过氧化叔丁醇氧化剂条件下，以87%的收率得到2-甲基蒽醌。

过氧化氢作为绿色氧化剂，也可以催化2-烷基蒽的氧化反应。2010年，Wienhöfer等[46]以铑配合物为催化剂、甲醇为溶剂、过氧化氢为氧化剂，在40 ℃下反应7 h，以77%的收率得到2-乙基蒽醌。2011年，Conde等[47]报道了2-乙基蒽在铜络合物为催化剂、乙腈和1,2-二氯乙烷为溶剂、过氧化氢为氧化剂的条件下，以98%的收率得到2-乙基蒽醌。

金属络合物可以催化2-乙基蒽醌的合成，但是由于配体难合成、催化剂不能回收等缺点，无法进行大规模生产。2020年，郑博等[44]以负载镧和钼的SiO2-Al2O3复合物为催化剂、过氧化氢为氧化剂，实现了2-叔戊基蒽合成2-叔戊基蒽醌。

高价碘是实验室常用的氧化剂，也可以催化2-烷基蒽的氧化反应。Zhdankin课题组[48-52]以2-叔丁基蒽为原料、铁配合物为催化剂、高价碘为氧化剂，高收率合成了2-叔丁基蒽醌。但是高价碘价格较为昂贵，无法实现大规模生产。

氧气作为氧化剂，具有价格便宜、绿色环保等优势，是2-烷基蒽的理想氧化剂。2006年，Tsang等[53]以全氟钴酸盐和溴化钠为催化剂、水-超临界二氧化碳为溶剂、氧气为氧化剂，120 ℃反应24 h，2-甲基蒽的转化率达到62%，2-甲基蒽醌的选择性达到76%。2018年，王伟建[43]以负载锰、镁、铁等金属元素的γ-Al2O3为催化剂、氧气为氧化剂，将2-叔戊基蒽氧化成2-叔戊基蒽醌。2020年，戴立言等[54]用负载钨、钼的催化剂，在氧气氛围下，将取代蒽氧化成对应的蒽醌。

3 萘醌法

萘醌法合成2-烷基蒽醌较为繁琐，首先要通过三步反应合成2-叔戊基-1,3-丁二烯：甲基叔戊基酮与乙炔反应生成3,4,4-三甲基-1-己炔-3-醇，再使用Lindler催化剂催化加氢，还原生成3,4,4-三甲基-1-己烯-3-醇，最后脱水生成2-叔戊基-1,3-丁二烯；然后与1,4-萘醌发生Diels-Alder反应，生成2-叔戊基-1,4-二氢蒽；再在空气中氧化生成2-叔戊基蒽醌(图6)。虽然该反应较为绿色环保，但所需原料2-叔戊基-1,3-丁二烯合成较为困难，且需要用到乙炔气体，同时反应步骤繁琐，不利于工业化生产[55]。

图6 2-叔戊基蒽醌的合成路线

4 其它方法

除了上面提到的苯酐法、烷基蒽氧化法、萘醌法合成2-烷基蒽醌外，还有一种方法(图7)，该方法主要分为三步：第一步，甲苯与叔戊基氯发生傅克烷基化反应，得到1-甲基-4-叔戊基苯；第二步，1-甲基-4-叔戊基苯与苄基氯发生傅克烷基化反应，生成5-叔戊基-2-苄基甲苯；第三步，以氧化铝负载的V2O5和UO3为催化剂，发生氧化反应，以100%的转化率和55%的选择性将亚甲基及甲基氧化，得到2-叔戊基蒽醌[56-57]，氧化反应需要在500 ℃下进行，对设备要求较高。

图7 2-叔戊基蒽醌的合成路线

5 总结

苯酐法、烷基蒽氧化法、萘醌法合成2-烷基蒽醌各有所长。萘醌法合成路线虽然绿色环保，但合成步骤繁琐，不适合工业化生产。苯酐法在原料来源和经济效益方面具有明显优势，若研究和发展环保、高效、可循环使用的催化剂，替代传统方法中三氯化铝和强酸(发烟硫酸、焦磷酸)，将具有很好的发展前景；一锅法合成2-烷基蒽醌，在实验操作、环保、经济方面有更大的优势，但是反应的选择性和收率有待进一步提高。烷基蒽氧化法是一条绿色合成路线，具有工艺简单、高效、污染小等优点，反应过程实现了100%的原子利用率，具有工业化生产的潜力。