超声辅助铁盐催化空气氧化制备苯偶酰*

张凯龙，邵耀翔，高 俊，凌宇霏，周婷婷

(浙江万里学院生物与环境学院，浙江 宁波 315100)

苯偶酰类化合物是重要的有机精细化工原料和药物中间体，在光敏剂、固化剂、杀虫剂制备等方面有广泛用途[1-5]，氧化反应是制备苯偶酰类化合物的关键环节。安息香常作为模型化合物用于氧化反应研究，随着绿色化学和清洁氧化操作的兴起，安息香氧化制备苯偶酰研究愈来愈受到研究者的关注[6-9]。

目前安息香氧化制备苯偶酰广泛使用一次性氧化剂，目前报道有无机氧化剂如HNO3、Cu(OAc)2-NH4NO3[10]、CrO3[11]、NaH/THF[12]等，有机氧化物如伯吉斯试剂[13]、NBS[14]等，存在氧化剂消耗大，产生废渣废液多，设备腐蚀严重，污染严重等缺点，对环境和人身健康都造成一定威胁。近年来以过氧化氢、空气等清洁氧化剂氧化研究逐渐增多[9,15-19]，但存在催化剂制备复杂，成本高，操作繁琐，产率有限等问题。

空气中含有21%的氧气，是天然的超级氧库，相较过氧化氢和臭氧等来源广泛不受地理限制、无需一次制备价格更为低廉、环境人身威胁小、无储存泄露之虞，氧气在氧化过程中产物只有水，环保清洁无二次污染。铁是地壳中含量最高的过渡金属，其价格便宜，毒性低，生物兼容性好。发展铁催化的氧化反应符合绿色化学和可持续发展化学的要求，目前广受关注和研究。

本文以铁盐催化空气氧化安息香绿色制备苯偶酰，筛选合适溶剂和催化剂，建立优化合成条件，分析催化氧化反应机理，为苯偶酰及苯偶酰类化合物催化氧化制备提供新的思路和方法。

1 实 验

1.1 仪器与试剂

SB-3200 DTDN超声反应器，宁波新芝；SC-15超级恒温水浴，宁波新芝；AP-9925空气压缩机，天津奥特赛恩斯；MP-430自动熔点仪，济南海能；UV2600紫外-可见分光光度计，日本岛津；1201高效液相色谱，大连依利特；Vertex 70傅里叶变换红外光谱仪，德国布鲁克；400 MHz AVANCE III核磁共振波谱仪，德国布鲁克；Acquity UPLC synapt G2超高效液相色谱质谱联用仪，美国沃特世。

苯偶酰(>98%)，上海阿拉丁生化科技股份有限公司；安息香(CP)，国药集团化学试剂有限公司；N,N-二甲基甲酰胺、二甲亚砜、冰醋酸、乙醇、乙腈、盐酸、硝酸铁、硫酸铁铵、氯化铁、硫酸铁，均为分析纯，采购于国药集团化学试剂有限公司。

1.2 方 法

搭建恒温超声回流装置，向100 mL三口圆底烧瓶中投加2.1 g(0.01 mol)安息香和50 mL溶剂DMSO，加入0.2 g催化剂FeNO3·9H2O，1.2 mol/L盐酸酸化，空气鼓泡，80 ℃反应60 min，冷却到室温，反应混合物加等体积水冰水浴冷却产物析出，过滤固液分离得粗产品，真空干燥后乙腈溶解经高效液相色谱测定含量，计算苯偶酰含量。

干燥样品溶解制样，采用自制高效柱层析装置分离[20]，硅胶为固定相，石油醚乙醇洗脱，在线260 nm监测组分吸光度，收集对应洗脱液旋蒸粉末进行结构表征确认。

2 结果与讨论

2.1 HPLC法测定苯偶酰含量

经多因素实验，优化色谱条件为kromasil 100-5 C18(200×4.6 mm,5 μm)，柱温30 ℃，流动相为乙腈:水=9:1，流速0.6 mL/min，检测波长260 nm，进样量20 μL，保留时间定性，峰面积外标法定量。

安息香保留时间为4.95 min，苯偶酰保留时间6.25 min，安息香和苯偶酰混标分离度达到R=2.6，在此色谱条件下可以实现完全分离，如图1所示。

图1 安息香、苯偶酰保留时间

苯偶酰标准曲线方程为A=133.44c+101.99，相关系数R2达到0.999，线性范围1～100 μg/mL。

40 μg/mL、60 μg/mL苯偶酰标准溶液重复进样6次， RSD为0.78%、0.34%，精密度良好。

在30、50、70 μg/mL水平上进行空白加标，进样6次，结果如表1所示。

表1 苯偶酰加标回收率(n=6)

回收率在98.07%～104.50%，RSD在1%左右。该方法可用于铁盐催化空气氧化安息香合成样品中苯偶酰含量测定。

2.2 反应条件优化

为了尽可能准确考察氧化反应效果，以产率为指标进行反应条件优化。将粗品干燥后不经其他处理，HPLC测定苯偶酰含量，并根据苯偶酰含量计算产率。

综合考虑反应物、产物、酸及催化剂盐溶解性，选取常见的DMF、DMSO、HAc为溶剂，FeCl3·6H2O催化，结果见图2a，HAc和DMF为溶剂时产率较低，分别为12.5%和17.0%，HAc在加热回流时具有强烈的刺激性，DMF受热易分解，导致溶剂性质不稳定。DMSO为溶剂时产率达到74.5%，同时具有高极性、高沸点、非质子性、热稳定性好等特点，DMSO也具有极佳的气体溶解性，从而提高空气中氧气分子在溶液中的浓度，有利于氧化反应的进行。

图2 不同溶剂、催化剂产率

通过筛选，DMSO为最佳溶剂，Fe(NO3)3·9H2O为最优催化剂。进一步从催化剂用量、反应体系酸度、反应温度和反应时间进行单因素条件优化。

催化剂投加量对氧化产率影响如图3a所示，产率随着催化剂用量同步增加，催化剂投加量较少时不能满足氧化反应需要，最佳投加量0.20 g时产率达到最大值96.1%并趋于稳定，继续增加投加量产率提高并不显著，同时可能随着反应中氢离子消耗，造成铁离子水解生成胶体、沉淀，增加后期处理难度。

反应体系酸度同时影响催化剂铁离子和安息香氧化，如图3b所示，产率随着反应体系酸度增加而增加，当氢离子浓度较低时，不能有效抑制硝酸铁水解，催化反应不能充分进行，同时无法给安息香氧化反应提供足够质子，随着酸度增加有效解决以上问题，当酸度达到1.2 mol/L时，产率达到96.1%并趋于稳定，继续增加酸度无法有效提高产率，同时会造成后期反应废液中和处理规模扩大。

提高反应温度有助于加速反应速率，如图3c所示，温度增加对产率提升提高极为显著。50 ℃时1 h产率仅为6.2%，随着温度升高产率快速增加，80 ℃达到96.1%并趋于稳定，继续增加温度产率变化微小，且升高温度会带来额外的能源开销，故选择最佳反应温度为80 ℃。

时间对产率影响如图3d所示，反应20 min产率即达到46.2%，继续增加反应时间产率同步升高，60 min达到最高96.1%并趋于稳定，再增加反应时间产率略有下降，这可能是因为过长的反应时间导致副反应发生，减少了苯偶酰含量。该条件下无超声辅助进行合成，苯偶酰产率仅为74%，反应体系施加超声强化了分子振荡碰撞和扩散迁移，产率得到较大幅度提升。

图3 催化氧化条件优化

2.3 制备苯偶酰表征

制备产品及苯偶酰标品紫外-可见波长扫描光谱如图4所示，光谱曲线吻合度极高，最大吸收波长λmax=260.0 nm；合成产品及苯偶酰标品红外光谱如图5所示，红外光谱(IR、KBr) 主要吸收峰(cm-1)3065，1666，1598，1449，1320，1210，720，695 cm-1说明羰基与苯环相连，1666 cm-1为羰基与苯环共轭的特征峰，1598 cm-1和1449 cm-1为苯环的特征峰，在3300 cm-1附近没有出现强的吸收峰，说明样品中没有羟基的存在，光谱吸收峰高度吻合；图6为高效液相-质谱联用提取质谱图，质荷比211.07(M+H)，105.02(α)，233.05(M+Na)强度较大，经检索和苯偶酰高度吻合；图7为催化氧化产品1H-NMR图，峰面积比例为3.97:2.00:4.00，接近1:2:2，表明合成产品为高纯苯偶酰。经过上述多种手段表征，确认安息香催化氧化合成产品为目标物质苯偶酰。

图4 标品及制备苯偶酰紫外-可见光谱

图5 标品及制备苯偶酰红外光谱

图6 制备苯偶酰质谱

图7 制备苯偶酰样品H-NMR

2.4 催化氧化机理

在最佳反应条件下，催化剂硝酸铁空白产率为1.5%，仅硝酸铁空气空白实验产率不足10%，远低于催化空气氧化96.1%产率，表明产物中只有极小一部分由于铁离子和空气氧化单独贡献，大部分转化是由铁离子催化空气氧氧化提供。DMSO对反应中有机物无机物具有良好的溶解性，对气体溶解性也极佳，同时鼓泡有效提升了气液界面气体传质速率和液相中气体的分布，解决了催化氧化反应中氧化剂空气氧供给问题。反应开始加入的铁离子参与安息香氧化反应后产生亚铁离子，亚铁离子被溶解氧氧化生成铁离子继续循环参与安息香氧化生成苯偶酰反应，整个过程中铁离子不再是一次性氧化剂，投加量相比氧化剂剂量也大幅下降，铁离子是该反应过程中的媒介，有效连接起空气氧和安息香之间的氧化反应，可能催化氧化反应机理如图8所示。

图8 催化氧化反应机理

3 结 论

以铁盐催化空气氧化安息香绿色制备苯偶酰，筛选最佳溶剂DMSO，最佳催化剂Fe(NO3)3·9H2O，优化实验条件为当安息香投加量为2.1 g，超声功率180 W，催化剂投加量0.2 g，氢离子浓度1.2 mol/L，反应温度80 ℃，反应60 min时产率达到96.1%。相比传统制备方法，避免了一次性氧化剂大量使用及还原产物后处理带来的诸多问题，铁盐催化剂简单易得，反应条件温和，绿色环保，产率高，实现了催化氧化反应中空气氧的利用，为其他苯偶酰类化合物氧化合成提供了新的思路和途径，也为其他氧化反应提供了参考。