相轉(zhuǎn)移催化技術(shù)原理及應(yīng)用.doc

_相轉(zhuǎn)移催化技術(shù)原理及應(yīng)用 摘要: 介紹了相轉(zhuǎn)移催化技術(shù)的基本原理, 分別討論了液一液相轉(zhuǎn)移催化反應(yīng)、固一液相轉(zhuǎn)移催化反應(yīng)和三相催化反應(yīng)的特點。著重記述了近年來相轉(zhuǎn)移催化技術(shù)在醫(yī)藥工業(yè)和化工中的應(yīng)用進展。采用相轉(zhuǎn)移催化技術(shù)具有操作簡便、反應(yīng)條件溫和、收率高、質(zhì)量好等優(yōu)點, 對于工業(yè)生產(chǎn)進行工藝技術(shù)改進、降低生產(chǎn)成本, 具有重要現(xiàn)實意義。關(guān)鍵詞：相轉(zhuǎn)移催化技術(shù)、原理、醫(yī)藥工業(yè)、化工、應(yīng)用進展 相轉(zhuǎn)移催化反應(yīng)( 簡稱PTC 反應(yīng)) 是20 世紀60 年代發(fā)展起來的一種異相反應(yīng)的新理論和方法。它能使采用傳統(tǒng)方法難以實現(xiàn)的異相反應(yīng)順利進行，能夠加快反應(yīng)速率，降低反應(yīng)溫度，改變反應(yīng)的選擇性，抑制副反應(yīng)發(fā)生。同時相轉(zhuǎn)移催化反應(yīng)無需使用價格昂貴的無水溶劑或非質(zhì)子溶劑，且對堿的要求低，可以使用堿金屬、堿土金屬氧化物的水溶液。因此該技術(shù)的研究和應(yīng)用得到了迅速發(fā)展?，F(xiàn)在，相轉(zhuǎn)移催化技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用到了化學合成的絕大多數(shù)領(lǐng)域，涉及到醫(yī)藥、農(nóng)藥、香料、造紙、化工、制革、高分子材料等重要領(lǐng)域1 。1、 相轉(zhuǎn)移催化反應(yīng)的原理 相轉(zhuǎn)移催化反應(yīng)雖然涉及的各種類型化學反應(yīng)很多, 但概括起來可分為三大類: 液一液相轉(zhuǎn)移催化、固一液相轉(zhuǎn)移催化和三相催化。1.1 固一液相轉(zhuǎn)移催化 在固 液相轉(zhuǎn)移催化反應(yīng)中，應(yīng)用較多的絡(luò)合劑主要有冠醚、穴醚和聚乙二醇類等，其中工業(yè)上使用較多的為價格低廉的聚乙二醇等兩親類化合物。聚乙二醇是一類大眾化工產(chǎn)品，結(jié)構(gòu)呈螺旋構(gòu)象它的催化機理與冠醚等的催化機理相似，均為通過氧原子與金屬陽離子絡(luò)合，將活性陰離子帶入有機相，從而達到相轉(zhuǎn)移催化的目的。聚乙二醇的自動活動的鏈可以形成與冠醚類似的環(huán)，且不受孔穴大小的限制，因此是理想的冠醚取代物，得到了廣泛的應(yīng)用。 1.2 液一液相轉(zhuǎn)移催化 液 液相轉(zhuǎn)移催化反應(yīng)是在一個互不混溶的兩相系統(tǒng)中進行。其中一相( 一般為水相) 為堿或含起親核試劑作用的鹽類，另一相為有機相，其中含與上述鹽類起反應(yīng)的作用物。在加入相轉(zhuǎn)移催化劑后，這些物質(zhì)中的陽離子是親油性的，既溶于水相也溶于油相。當在水相中碰到分布在其中的鹽類時，水相中過剩的陰離子便與相轉(zhuǎn)移催化劑中的陰離子進行交換。因此，通常的相轉(zhuǎn)移催化反應(yīng)過程至少包括兩個步驟: 一種反應(yīng)物從本相轉(zhuǎn)移至另一相；轉(zhuǎn)移的反應(yīng)物與沒有轉(zhuǎn)移的反應(yīng)物發(fā)生反應(yīng)。在相轉(zhuǎn)移催化劑機理中，親核取代反應(yīng)發(fā)生在有機相，并且是控制步驟。1.3 三相催化 為了解決相轉(zhuǎn)移催化劑回收難、價格高的問題,近年來發(fā)展了一種新的相轉(zhuǎn)移催化法: 三相催化反應(yīng), 將相轉(zhuǎn)移催化劑連接在聚合物載體上, 它是一種不溶水也不溶于有機相的固體高分子, 因此稱為三相催化劑, 也稱聚合物催化劑。此法的顯要優(yōu)勢是催化劑可定量回收, 干燥后活性不受影響, 可重復(fù)使用, 因此該領(lǐng)域研究開發(fā)的時間不長, 但發(fā)展很快, 并積累了大量的理論和實踐經(jīng)驗, 在選擇和應(yīng)用固載的PTC 時應(yīng)考慮以下幾個方面的問題:（1）三相催化劑粒子的大小: 粒子小活性大, 但粒子太小, 不易過濾, 后處理困難, 選擇100150 目較為合適。（2）載體樹脂的交聯(lián)度: 交聯(lián)度小的活性比較好,大于2%時效果較差, 以0.6%為好。（3）反應(yīng)的攪拌速度: 合適的攪拌速度能控制物質(zhì)傳遞速度, 更好的發(fā)揮催化劑的活性。2、 相轉(zhuǎn)移催化技術(shù)的應(yīng)用2.1 相轉(zhuǎn)移催化技術(shù)在化工中的應(yīng)用 隨著化學工業(yè)的發(fā)展，相轉(zhuǎn)移催化反應(yīng)技術(shù)在近年來得到了充分的發(fā)展空間。相轉(zhuǎn)移催化反應(yīng)在制備有機化學中已占重要地位，大量的催化劑被制備出來并且得到了應(yīng)用2。在液- 液相轉(zhuǎn)移催化反應(yīng)中, 應(yīng)用最多的是季銨鹽類催化劑, 其次是季磷鹽類, 季銻鹽和季鉍鹽因毒性較大, 一般不使用。冠醚類的催化劑應(yīng)用也廣泛，冠醚可以折疊成一定半徑的空穴, 使氧原子處于一邊, 所以能與適當大小的正離子形成絡(luò)合物。形成的絡(luò)合正離子能與水相中的負離子形成離子對進入有機相中, 從而起到相轉(zhuǎn)移催化作用。例如,過氫二苯- 18- 冠- 6 可將高錳酸鉀溶于苯中( 其空穴絡(luò)合K+) , 成為有機化合物在溫和條件下的一種方便的氧化劑,可以將烯烴、醇、醛及烷基苯等定量的氧化成酮和羧酸鉀, 而無進一步的氧化所產(chǎn)生的雜質(zhì), 且收率高于高錳酸鉀水溶液氧化所得。因其價格昂貴又有一定的毒性, 現(xiàn)有被替代之勢。聚乙二醇也是一種常用的相轉(zhuǎn)移催化劑, 它多用于雜環(huán)化學反應(yīng)、過渡金屬配合物催化的反應(yīng)及其它催化反應(yīng)中, 它可以折疊、彎曲成合適的形狀結(jié)構(gòu)和不同大小的離子絡(luò)合。常用的催化劑有PEG- 400、PEG- 600、PEG 單醚、PEG 雙醚以及PEG單醚單酯等, 可以用于親核取代反應(yīng)、烴基化反應(yīng)、縮合反應(yīng)、氧化反應(yīng)以及有機金屬化合物的合成制備等。如硫脲衍生物的合成反應(yīng)中, 使用PEG- 400相轉(zhuǎn)移催化劑可以取得良好的反應(yīng)效果。 相轉(zhuǎn)移催化在有機合成方面的應(yīng)用發(fā)展很快,現(xiàn)已成為重要的有機合成技術(shù)之一3。隨著這一領(lǐng)域研究的不斷發(fā)展, 由最初僅限于有活潑氫的化合物的烴化反應(yīng)即所謂提取烴化反應(yīng), 擴大到應(yīng)用于許多親核性的烴化( 包括C- 烴化、O- 烴化及S- 烴化等) ,取代和縮合等反應(yīng)。利用相轉(zhuǎn)移催化以產(chǎn)生二氯卡賓, 然后與烯烴、胺類、羥基、羰基以及羧酸衍生物的反應(yīng)來制得各類化合物, 從而發(fā)展了卡賓化學。在氧化還原反應(yīng)方面, 用相轉(zhuǎn)移催化也有其獨特的點。最近幾年反應(yīng)的類型一再增加, 以擴展到了許多方面, 諸如: 加成、消除、重排、?；?、酯化、偶合、高分子聚合, 有機金屬化合物以及有機磷的制備等,均顯示了各有特色的優(yōu)點, 對各類反應(yīng)的研究雖尚屬開始, 但已突破了親核反應(yīng)的范圍, 形成一個比較完整的催化體系。2.2相轉(zhuǎn)移技術(shù)在醫(yī)藥合成的應(yīng)用 在制藥行業(yè)中應(yīng)用相轉(zhuǎn)移催化法4，可以實現(xiàn)簡化操作、收率提高等目標，而且可以利用廉價材料替代昂貴材料，這能夠很好地改善工藝技術(shù)，對提高藥物合成收率和降低成本，最終為提高市場競力具非常重要的現(xiàn)實意。 2.2.1 抗炎鎮(zhèn)痛藥替尼達普( tenidap) , 化學名為5- 氯- 3- ( 2- 噻吩甲酰) - 2- 羥吲哚- 1- 草酰胺, 商品名為Enablex, 臨床上用于類風濕性關(guān)節(jié)炎的治療 5 。其中間體5- 氯- 2, 3- 二氫吲哚- 2- 酮是由5- 氯- 2, 3- 二氫吲哚二酮還原制得, 反應(yīng)分步進行, 操作較煩瑣, 收率為54%。申永存等以PEG- 400 為相轉(zhuǎn)移催化劑, 一步完成, 收率達63. 8%。 2.2.2 抗菌增效劑澳莫替林。嗅莫替林作為二氫葉酸的還原酶抑制劑，也是甲氧節(jié)氨嘧啶( TMP) 的替代性新產(chǎn)品。金熔等合成5二甲氧基苯甲醛和其中間體4 溴 3 時，使用PEG 400 作為相轉(zhuǎn)移催化劑進行還原反應(yīng)，結(jié)果和不加入相轉(zhuǎn)移催化劑對比，收率提高了大約30%。 2.2.3 酮洛芬6。3 苯甲酞基 2 甲基苯乙酸是酮洛芬的化學名，這是一種消炎鎮(zhèn)痛藥物。合成報道很多，但都不是非均相反應(yīng)生成，大部分合成過程存在反應(yīng)慢、操作復(fù)雜、收率低等問題。范琦等用陽離子表面活性劑度米芬作為相轉(zhuǎn)移催化劑，以氫氧化鈉水溶液為水相、以苯為有機相，由此合成酮洛芬，收率約為70%，純度99.5%。 2.2.4 克林霉素磷酸醋?？肆置顾亓姿岽鬃鳛榭肆置顾氐难苌?，具有水溶性強、抗菌性高、吸收迅速以及副作用小等優(yōu)勢，目前在廣泛應(yīng)用于臨床醫(yī)學。胡國強等在進行克林霉素磷酸醋合成時，利用TI3AI 實施催化磷酸化反應(yīng)，以此獲得中間體，其收率約達到86%。 3 展望 相轉(zhuǎn)移催化技術(shù)由于可以簡化操作，提高反應(yīng)效率，使用普通非極性溶劑和價廉的堿性底物原料，對于生產(chǎn)廠家進行工藝技術(shù)改進，降低生產(chǎn)成本，提高市場競爭力，具有重要的現(xiàn)實意義。但常用的催化劑價格昂貴，難以回收和凈化，因此還需要進一步研究探索相轉(zhuǎn)移催化反應(yīng)機理，以獲得廉價高效的催化劑和反應(yīng)工藝。在制藥行業(yè)中應(yīng)用相轉(zhuǎn)移催化法，可以實現(xiàn)簡化操作、收率提高等目標，而且可以利用廉價材料替代昂貴材料，這能夠很好地改善工藝技術(shù)，對提高藥物合成收率和降低成本，最終為提高市場競爭力具非常重要的現(xiàn)實意義。1 趙地順 相轉(zhuǎn)移催化原理及其應(yīng)用M 北京: 化學工業(yè)出版社，2007: 3 42 卞覺新.相轉(zhuǎn)移催化劑J.化學世界, 1982, 23( 1) : 25.3王乃興, 李紀生. 有機合成中的相轉(zhuǎn)移催化作用 J .化學世界, 1994, 9: 450- 453.4孫昌俊, 曹曉冉, 王秀菊. 藥物合成反應(yīng)- 理論與實踐M . 北京: