相转移催化技术在有机合成中的应用

２００８年第３９卷第２期

《浙江化工》

科研论文

文章编号：１００６－４１８４（２００８）０２－０００１－０３

收稿日期：２００７－９－２０

作者简介：朱汉祥（１９６７－），男，浙江新和成股份有限公司研究人员，主要从事新产品的研究开发。

相转移催化技术在有机合成中的应用

朱汉祥，姚祥华（浙江新和成股份有限公司，浙江新昌３１２５００）

摘要：概述了相转移催化剂的相转移催化原理，相转移催化剂的种类；并以此为基础讨论了相转移催化剂在有机合成及药物合成中的应用。

关键词：相转移催化；有机合成；应用

相转移催化技术是２０世纪７０年代初发展起来的应用在有机合成中的新技术，由于ＰＴＣ能使反应速度加快，产率明显提高，反应条件温和，以及能在非均相系统中进行，因此近年来相转移催化这一技术发展很快［１］。相转移催化是指用少量物质作为一种反应物的载体，将此反应物通过相界面迁移至另一相，使反应能顺利的进行［２］，此种物质称为ＰＴＣ。

１ＰＴＣ的相转移催化原理

在一个互不混溶的两相系统中（其中一相一般为水相，含碱或起亲核试剂作用的盐类，另一相为有机相，其中含有与上述盐类起反应的作用物），加入ＰＴＣ如季铵盐［（Ｒ４Ｎａ）＋Ｘ－］，其阳离子是双亲性的，溶于水相也溶于有机相，当在水相中碰到分布在其中的盐类时，水相中的阴离子便与ＰＴＣ中的阳离子进行交换。如将季铵盐用Ｑ＋Ｘ－表示，碱或亲核试剂用ＮＵ－Ｍ＋表示，则离子交换过程如下［３］：

作为ＰＴＣ还必须存在如下式所示的相转移平衡：

进入有机相的Ｑ＋ＮＵ－与有机相中的试剂发生反应。在亲核取代反应中Ｑ＋

最终与取代下来的基团形成离子对。

如该基团是Ｘ－

，则生成Ｑ＋

Ｘ－

。该离子对参与上述平衡，整个过程如下式表示：

ＰＴＣ必须的条件是：

Ａ、

其结构中应含阳离子，以便和阴离子形成离子对，或能与反应物形成络离子。

Ｂ、ＰＴＣ中必须具备足够多的碳离子，以使形成

的离子对具有亲油性。

Ｃ、ＰＴＣ中亲油基的结构位阻应尽量小，一般为

直链。

Ｄ、

在反应条件下，化学性质应稳定，且易回收。２催化剂的种类

２．１液－液ＰＴＣ２．１．１季铵盐类

在液－液相转移催化反应中，应用最多的是季铵盐类催化剂，其次是季磷盐类，季锑盐和季铋盐因毒性较大，一般不使用，常见如表１。

２．１．２冠醚类

冠醚可以折叠成一定半径的空穴，使氧原子处于一边，所以能与适当大小的正离子形成络合物。

表１常用季铵盐相转移催化剂一览表

名称

四丁基溴化铵

四丁基氯化铵四丁基硫酸氢铵苄基三甲基氯化铵苄基三乙基氯化铵苄基三乙基溴化铵

缩写

ＴＢＡＢＴＢＡＣＴＢＳＢＢＴＭＡＣＢＴＥＡＣＢＴＥＡＢ

名称

十六烷基三甲基溴化铵十六烷基三甲基氯化铵十六烷基三乙基溴化铵十六烷基三乙基氯化铵

十六烷基三乙基溴化磷十六烷基三丁基溴化磷

缩写

ＣＴＭＡＢＣＴＭＡＣＣＴＥＡＢＣＴＥＡＣＣＴＥＰＢ

ＨＯＴＢＰ

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Ｖｏｌ．３９Ｎｏ．０２（２００８）

ＺＨＥＪＩＡＮＧＣＨＥＭＩＣＡＬＩＮＤＵＳＴＲＹ（下转第１３页）

形成的络合正离子能与水相中的负离子形成离子对进入有机相中，从而起到相转移催化作用。例如，过氢二苯－１８－冠－６可将高锰酸钾溶于苯中（其空穴络合Ｋ＋），成为有机化合物在温和条件下的一种方便的氧化剂，可以将烯烃、醇、醛及烷基苯等定量的氧化成酮和羧酸钾，而无进一步的氧化所产生的杂质，且收率高于高锰酸钾水溶液氧化所得［１］。

因其价格昂贵又有一定的毒性，现有被替代之势。

２．１．３聚乙二醇类（ＰＥＧ）

聚乙二醇也是一种常用的相转移催化剂，它多用于杂环化学反应、过渡金属配合物催化的反应及其它催化反应中，它可以折叠、弯曲成合适的形状结构和不同大小的离子络合。常用的催化剂有

ＰＥＧ－４００、ＰＥＧ－６００、ＰＥＧ单醚、ＰＥＧ双醚以及ＰＥＧ

单醚单酯等，可以用于亲核取代反应、烃基化反应、缩合反应、氧化反应以及有机金属化合物的合成制备等。如硫脲衍生物的合成反应中，使用ＰＥＧ－４００相转移催化剂可以取得良好的反应效果［４］

。

２．２固—液ＰＴＣ

ＰＴＣ反应最重要的一步是催化剂有能力将反应

物阴离子转移到有机相与物质发生反应。在水—有机相两相系统中，亲核试剂由水相提供，在操作条件下它不溶于有机相，对于固—液ＰＴＣ反应，亲核试剂为固体，其它反应物在有机相，该反应有如下优点：产物与反应物容易分离，有机溶剂容易挑选，催化剂易复活，避免副反应发生，有些反应在液—液相不能进行时，可以在固—液系统中进行。

固液ＰＴＣ有叔胺、

季铵盐、联胺、冠酯和穴位配体，由于冠酯的特殊结构，它最常用。

Ｍｅｌｖｉｌｌｅ和Ｇｏｄｄａｒｄ根据固体盐在有机相的溶解度不同，提出两种固—液ＰＴＣ原理，非均相增溶和均相增溶［５］，在用固—液ＰＴＣ如ＴＢＡＢ合成邻苯

二甲酸二苄酯的动力学研究中，也用到了这两种，用它来解释固—液ＰＴＣ促进阴离子反应物从固相到反应介质的传递，在非均相增溶机理中，固—液

ＰＴＣＱ＋Ｘ－在Ｋ＋Ｙ－固体表面发生阴离子Ｘ－与Ｙ－的交

换，新生成的催化剂Ｑ＋Ｙ－与副产物Ｋ＋Ｘ－进入反应介质，催化剂Ｑ＋Ｘ－与亲电试剂反应后再生，当催化剂

的尺寸太大而不能接近固体表面时，系统适用于均相增溶机理，在这机理中固体Ｋ＋Ｙ－必须很好地溶解在反应介质中，并与催化剂Ｑ＋Ｘ－发生阴离子交换，生成的Ｑ＋Ｙ－与亲电试剂反应后催化剂再生。

２．３三相ＰＴＣ

为了解决相转移催化剂回收难、价格高的问题，近年来发展了一种新的相转移催化法：三相催化反应，将相转移催化剂连接在聚合物载体上，它是一种不溶水也不溶于有机相的固体高分子，因此称为三相催化剂，也称聚合物催化剂。此法的显要优势是催化剂可定量回收，干燥后活性不受影响，可重复使用，因此该领域研究开发的时间不长，但发展很快，并积累了大量的理论和实践经验［６］，在选择和应用固载的ＰＴＣ时应考虑以下几个方面的问题：

Ａ、

三相催化剂粒子的大小：粒子小活性大，但粒子太小，不易过滤，后处理困难，选择１００￣１５０目较为合适。

Ｂ、

载体树脂的交联度：交联度小的活性比较好，大于２％时效果较差，以０．６％为好。

Ｃ、

反应的搅拌速度：合适的搅拌速度能控制物质传递速度，更好的发挥催化剂的活性。

３ＰＴＣ的应用

相转移催化在有机合成方面的应用发展很快，现已成为重要的有机合成技术之一，随着这一领域研究的不断发展，由最初仅限于有活泼氢的化合物的烃化反应即所谓提取烃化反应，扩大到应用于许多亲核性的烃化（包括Ｃ－烃化、Ｏ－烃化及Ｓ－烃化等），取代和缩合等反应。利用相转移催化以产生二氯卡宾，然后与烯烃、胺类、羟基、羰基以及羧酸衍生物的反应来制得各类化合物，从而发展了卡宾化学。在氧化还原反应方面，用相转移催化也有其独特的优点。最近几年反应的类型一再增加，以扩展到了许多方面，诸如：加成、消除、重排、酰化、酯化、偶合、高分子聚合，有机金属化合物以及有机磷的制备等，均显示了各有特色的优点，对各类反应的研究虽尚属开始，但已突破了亲核反应的范围，形成一个比较完整的催化体系。

４结论

综上所述，本文按ＰＴＣ所在系统把其分为液－液ＰＴＣ、固—液ＰＴＣ及三相ＰＴＣ，并简单的介绍了

ＰＴＣ的应用及未来的发展趋势。

相转移技术在有机合成中得到了广泛的应用，其催化反应产率高、反应条件温和，产物纯度高，操作简单、催化剂选择性强，相转移技术使许多不能进行的反应得以顺利进行。参考文献：

［１］赵国玺．表面活性剂物理化学［Ｍ］．北京：北京大学出

版社，１９９１．２２０－２２１．

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