“消相反應(yīng)”在合成中的應(yīng)用

• 2012-07-09
• 專題

對于比較劇烈的放熱反應(yīng)，一般通過低溫下緩慢滴加反應(yīng)物來進(jìn)行調(diào)控。這種反應(yīng)條件一方面使操作變得復(fù)雜，另一方面需要額外消耗能量來維持低溫，這對于大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)是非常不利的。近年來，隨著氟化學(xué)的發(fā)展而誕生的“消相反應(yīng)”(Phase-Vanishing Reactions)^[1]很好地解決了這一問題。利用“消相反應(yīng)”，可使反應(yīng)物和底物在反應(yīng)初期被氟相間隔而不混合，并通過氟相相互進(jìn)行微量傳遞，進(jìn)而使得放熱反應(yīng)在室溫下可控進(jìn)行。這不僅大大簡化了反應(yīng)操作，而且無需額外消耗能量。從這點(diǎn)來看，“消相反應(yīng)”在工業(yè)上具有潛在的應(yīng)用價值。

這一領(lǐng)域的發(fā)展始于20世紀(jì)90年代初，Vogt 等^[2]首先報(bào)道了氟溶劑和有機(jī)溶劑的相溶性具有溫度依賴性。接著Horvath等^[3]發(fā)明了氟兩相催化(Fluorous Biphasic Catalysis, FBC) 體系來回收催化劑。這一新概念的提出，立即引起了化學(xué)界的廣泛關(guān)注。在1996 年后，氟化學(xué)在有機(jī)合成領(lǐng)域的應(yīng)用得到了飛速發(fā)展，一些重要的進(jìn)展包括氟相分離(Fluorous Separations) 技術(shù)^[4~10]、氟相組合化學(xué)(Fluorous Combination Chemistry)^[11]、氟三相反應(yīng)(Fluorous Triphasic Reactions)^[12]、“消相反應(yīng)”(Phase-Vanishing Reactions)^[1]等。本文主要介紹“消相反應(yīng)”的研究進(jìn)展，并簡要介紹筆者在高分子合成方面的初步研究工作，其它方面的研究進(jìn)展可參見近期的綜述^[13~22]。

1  “消相反應(yīng)”的原理

1.1  基本原理

“消相反應(yīng)”是氟三相反應(yīng)的一種變體，其機(jī)理有兩種^[23]。一是擴(kuò)散機(jī)理，第一相的有機(jī)或無機(jī)底物擴(kuò)散到氟相(第二相)，然后在第三相與底物反應(yīng)。在反應(yīng)過程中，反應(yīng)物相消失，由此而命名為“消相反應(yīng)”。另一是萃取機(jī)理，先通過溶劑擴(kuò)散，頂部相密度逐漸增大，底部相密度逐漸減少；當(dāng)頂部相密度接于中間氟相密度時，就以小液滴的形式穿過氟相到達(dá)底物相；小液滴中溶有部分反應(yīng)物，這樣就使得反應(yīng)物和底物相接觸并發(fā)生反應(yīng)。擴(kuò)散機(jī)理限于能溶于氟相的底物或反應(yīng)物，而萃取機(jī)理適用于不溶于氟相的反應(yīng)物。

1.2 基本過程

在“消相反應(yīng)”中，多使用氟溶劑作為間隔介質(zhì)，使有機(jī)底物和反應(yīng)物在反應(yīng)初期不相互混合。這主要是利用氟溶劑特殊的物理性能，即氟溶劑和大多數(shù)有機(jī)試劑不相溶，而且比大多數(shù)有機(jī)試劑重^[12]。如果反應(yīng)物(如鹵化物)密度比氟溶劑大，則反應(yīng)可在試管中進(jìn)行(圖1)。反應(yīng)結(jié)束后，產(chǎn)物留在上層有機(jī)相而底部則出現(xiàn)相消失。如果底物和反應(yīng)物都比氟溶劑輕，則相消失反應(yīng)可在U 形管中進(jìn)行(圖1)。當(dāng)反應(yīng)結(jié)束時，底物和反應(yīng)物相中必有一相消失^[22]。

2  “消相反應(yīng)”的應(yīng)用

2.1  溴化反應(yīng)

2002 年，Curran 等^[12]最先報(bào)道了“消相反應(yīng)”。他們在室溫下，以全氟己烷為屏蔽相，用液溴對不同的烯烴進(jìn)行溴化反應(yīng)(表1)。當(dāng)反應(yīng)進(jìn)行完全時，液溴層消失，氟相恢復(fù)透明。研究表明，在保持三相體系條件下，對液溴層進(jìn)行緩慢的攪拌能大大提高反應(yīng)速度。

Verkade等^[24]利用“消相反應(yīng)”，用液溴對酚類和苯胺類有機(jī)物進(jìn)行了溴化，得率較高(圖式 1) 。

Ryu 等^[25]分別用亞硫酰溴和三溴化磷進(jìn)行了醇的消相溴化反應(yīng)。在消相反應(yīng)中，亞硫酰溴的溴化效果明顯好于三溴化磷。另外從反應(yīng)的得率來看，也比較高。由于消相反應(yīng)存在傳質(zhì)過程，所以反應(yīng)時間要比單一液相反應(yīng)長。Verkade等^[24]用三溴化磷對帶炔丙基和烯丙基的不飽和醇進(jìn)行了消相溴化反應(yīng)(圖式 2)。

2.2  氯化反應(yīng)

Jernej 等^[26]在氟三相體系下，用氯氣對烯烴進(jìn)行氯化反應(yīng)。這個反應(yīng)利用了氟溶劑易溶解氯氣的特性。當(dāng)烯烴被完全消耗后，底物相由于溶解了氯氣而變黃，所以通過有機(jī)相顏色的變化可以判斷底物是否反應(yīng)完全。和許多用氯氣直接氯化的反應(yīng)相比，在U 形管中通過氟相傳遞的氯化反應(yīng)有許多優(yōu)點(diǎn)：第一，反應(yīng)相和本體反應(yīng)物是分離的，這點(diǎn)對于像氯氣這樣非常活潑、危險和強(qiáng)腐蝕性的物質(zhì)來說尤其重要；第二，通過氟相傳遞氯氣的過程是比較緩慢的，這種緩慢加入反應(yīng)物的過程對于活潑的反應(yīng)物和放熱反應(yīng)非常有利；第三，氟溶劑的回收利用率高。

Ryu 等^[25]在U 形管裝置中，分別用亞硫酰氯和三氯化磷進(jìn)行了醇的氯化反應(yīng)。他們還用亞硫酰氯進(jìn)行了平行氯化反應(yīng)，驗(yàn)證了三相U 型反應(yīng)體系也適用于平行反應(yīng)。

2.3  氧化反應(yīng)

Verkade等^[24]用間氯過氧苯甲酸(m-CPBA )進(jìn)行了胺、硫化物和烯烴的“消相”氧化反應(yīng)，得率接近文獻(xiàn)報(bào)道的最大值。在三相體系中，m-CPBA 溶于密度大于全氟己烷的1,2-二溴乙烷，形成下層有機(jī)相；底物溶于一般的有機(jī)溶劑，形成上層有機(jī)相；氟相作為中間間隔介質(zhì)。完全反應(yīng)時，上層或下層有機(jī)相消失。后來Curran 指出Verkade進(jìn)行的“消相”氧化反應(yīng)機(jī)理屬于萃取機(jī)理。上層或下層有機(jī)相消失取決于最終有機(jī)相的密度。Vrkade使用1,2-二溴乙烷來溶解比氟溶劑輕且難溶于氟相的有機(jī)物，這一方法大大拓寬了“消相反應(yīng)”的應(yīng)用范圍。

2.4  烷基化反應(yīng)和脫烷基化反應(yīng)

利用硫酸二甲酯進(jìn)行酚類的烷基化反應(yīng)一般要在回流條件下進(jìn)行。但 Verkade等^[24]發(fā)現(xiàn)，利用“消相反應(yīng)”，在室溫下就可用硫酸二甲酯進(jìn)行水楊酸的烷基化反應(yīng)，得率高于以往文獻(xiàn)報(bào)道的最大值(圖式 3) 。

三溴化硼是高效的醚類脫烷基化試劑，而且其密度比全氟己烷大。三溴化硼的脫烷基化反應(yīng)是個高度放熱反應(yīng)，一般需要在低溫下進(jìn)行。但 Curran 等^[1]利用“消相反應(yīng)”，在室溫下用三溴化硼對苯甲醚進(jìn)行了脫甲基化反應(yīng)(圖式 4)。

2.5  付氏酰基化反應(yīng)

Ryu 等^[27]利用消相反應(yīng)，成功地用四氯化錫對噻吩進(jìn)行了付氏酰基化反應(yīng)。在三相體系中，噻吩和丙酰氯溶于苯形成上層有機(jī)相，四氯化錫形成底相，全氟己烷作為中間間隔介質(zhì)。反應(yīng)結(jié)束時，底相消失，產(chǎn)物從上層有機(jī)相得到(圖2) 。

3  氟三相體系下甲基丙烯酸甲酯的氧化還原自由基聚合

氟三相體系以及消相反應(yīng)的應(yīng)用目前主要集中在有機(jī)物合成以及產(chǎn)物分離方面，在高分子合成研究領(lǐng)域的應(yīng)用尚鮮見報(bào)道。筆者在氟三相體系下進(jìn)行了聚合反應(yīng)嘗試，并成功地實(shí)現(xiàn)了甲基丙烯酸甲酯氧化還原自由基聚合，在引發(fā)劑側(cè)得到了分子量分布較窄的聚甲基丙烯酸甲酯，多分散系數(shù)為1.38 ，反應(yīng)示意圖如圖 3 所示^[28]。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，氟試劑的屏蔽作用使得引發(fā)劑和單體相分離，導(dǎo)致兩側(cè)自由基濃度產(chǎn)生巨大差異，并最終使得兩側(cè)所得聚合物的分子量和多分散系數(shù)明顯不同。引發(fā)劑側(cè)之所以能得到分子量分布較窄的聚合物，很可能是由于該側(cè)自由基濃度大而單體濃度低所致。目前，該聚合體系的動力學(xué)正在進(jìn)一步研究之中，有望產(chǎn)生一種新的高分子合成方法。

4  結(jié)語

雖然消相反應(yīng)體系的研究仍處于初始階段，但是許多研究成果表明消相反應(yīng)在合成上有著巨大的應(yīng)用潛力。利用消相反應(yīng)，在室溫下可使放熱反應(yīng)緩慢和可控地進(jìn)行，無需外加設(shè)備。消相反應(yīng)的節(jié)能優(yōu)點(diǎn)，使它具備了大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)的潛力。但氟試劑價錢高、環(huán)境污染和對人體有害等是該技術(shù)的不利因素。反應(yīng)時間長是該技術(shù)的另一個明顯不足。因此，目前該技術(shù)的一個重要研究方向是通過調(diào)節(jié)氟三相體系的溶劑組成、用量和相界面的截面積來提高有機(jī)物在氟相的擴(kuò)散速度，縮短反應(yīng)時間^[23]。相信隨著氟相技術(shù)的不斷發(fā)展，其工業(yè)化進(jìn)程必將大大加快。

參考文獻(xiàn)

[1]  I Ryu, H Matsubara, D P Curran et al. J. Am. Chem. Soc., 2002, 124: 12946~12947.

[2]  D W Zhu. Synthesis, 1993: 953~954.

[3]  I THorvath, T Rabai. Science, 1994, 266: 72~75.

[4]  D P Curran. Synlett, 2001: 1488~1496.

[5]  D P Curran, Z Luo. J. Am. Chem. Soc., 1999, 121: 9069~9072.

[6]  D P Curran, Y Oderaotoshi. Tetrahedron, 2001, 57: 5243~5253.

[7]  W Zhang, Z Luo, D P Curran. J. Am. Chem. Soc., 2002, 124: 10443~10450.

[8]  Y Nakamura, S Takeuchi, K Okumura. Tetrahedron Lett., 2003, 44: 6221~6225.

[9]  H Matsuzawa, K Mikami. Tetrahed Lett., 2003, 44: 6227~6230.

[10]   H Matsuzawa, K Mikami. Synlett., 2002: 1607~1613.

[11]   Z Luo, Q Zhang, D PCurran. Science, 2001, 291: 1766~1769.

[12]   N Hiroyuki, L Bruno, D P Curran et al. J. Am. Chem. Soc., 2001, 123: 10119~10120.

[13]   I T Horvath. Acc. Chem. Res., 1998, 31: 641~650.

[14]   E Wolf , G Koten, B Deelman. J. Chem. Soc. Rev., 1999, 28: 37~41.

[15]   M Cavazzinni, F Montannari, G Pozzi et al. J. Fluorine Chem., 1999, 94: 183~193.

[16]   D P Curran. Med. Res. Rev., 1999, 19: 432~438.

[17]   D P Curran. Pure Appl. Chem., 2000, 72:1649~1653.

[18]   J A Gladysz, D P Curran. Tetrahedron, 2002, 58: 3823~3825.

[19]   C C Tzschucke, C Markert, W Bannwarth et al. Angew. Chem. Int. Ed., 2002, 41: 3964~4000.

[20]   A P Dobbs, M R Kimberley. J. Fluorine Chem., 2002, 118: 3~7.

[21]   J I Yoshida, K Itami. Chem. Rev. 2002, 102: 3693~3716.

[22]   W Zhang. Chem. Rev., 2004, 104: 2531~2556.

[23]   D P Curran. Org. Lett., 2004, 6: 1021~1204.

[24]   N K Jana, J G Verkade. Org. Lett., 2003, 5: 3787~3790.

[25]   H Nakamura, T Usui, I Ryu et al. Org. Lett., 2003 , 5 :1167~1169.

[26]   I Jernej, S Stojan, Z Marko. Chem. Commun., 2003, 2496~2497.

[27]   H Matsubasa, S Yasuda, I Ryu. Synlett, 2003: 247~249.

[28]   S Z Chen, Y P Bai, Z L Li. Chinese Chemical Letters, 2006, 17:258~260.

注：本文為提供者整理翻譯的，由于知識所限，錯誤在所難免，敬請?jiān)彙Ｈ缬袉栴}可以查找原文。