無溶劑及水相條件下喹啉和喹啉酮的合成研究

陳科(湖南環(huán)境生物職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 衡陽 421005)

0 引言

環(huán)境科學(xué)的飛速發(fā)展迫切需要大量在清潔、經(jīng)濟和環(huán)境友好的條件下開發(fā)有機化合物的方法。他們的主要任務(wù)是簡化實驗，降低對環(huán)境污染并能夠?qū)δ茉春驮牧系南倪_到最小。這些物質(zhì)的使用和處置是必要的，因為它們通常有毒并且價格昂貴。使用微波進行實驗可以提高反應(yīng)速度，與水相反應(yīng)聯(lián)合起來使得實驗花費減少、環(huán)保、經(jīng)濟，并且實驗產(chǎn)物比較溫和且易于分離。在有機合成中使用這些技術(shù)可以節(jié)省人力、物力和金錢，這是一種清潔、經(jīng)濟、高效和環(huán)保的有機合成的好方法。

1 無溶劑及水相條件的優(yōu)勢

水相反應(yīng)是指兩種聚合物或一種聚合物與鹽的水溶液混合。由于聚合物與聚合物之間或聚合物與鹽之間的不相溶性，形成了兩相。由于表面性質(zhì)，電荷和各種作用力(疏水鍵、氫鍵和離子鍵)之間的相互作用，分離出的物質(zhì)進入兩相水體系后，兩相之間的分配系數(shù)不同，從而導(dǎo)致上層和下層之間存在差異。下相引線。不同的濃度達到分離的目的。常見的兩相系統(tǒng)有五種主要類型：聚合物/聚合物/水；聚合物電解質(zhì)/聚合物/水；聚合物電解質(zhì)/聚合物電解質(zhì)/水；聚合物/低分子量組分/水；聚合物/無機鹽[1]。

文章的主要工作是在無溶劑和水相條件下合成喹啉和喹啉酮，成功開發(fā)了一種在無溶劑條件下快速有效制備多取代喹啉的方法。這意味著在微波輻射和常規(guī)加熱條件下，對甲苯磺酸被用作催化劑，以實現(xiàn)鄰氨基芳香酮和鄰氨基芳香醛與含活性亞甲基的羰基化合物的無溶劑反應(yīng)，并獲得很高的收率。還已經(jīng)廣泛研究了使用酸催化劑對這些反應(yīng)的影響。同時，使用現(xiàn)代微波反應(yīng)器在100 ℃下，詳細比較了在微波輻射和常規(guī)加熱兩種條件下這些反應(yīng)的實驗結(jié)果：如果達到相同的收率，微波方法比常規(guī)加熱方法所花費的時間略短。簡而言之，這表明無溶劑反應(yīng)具有一定的非熱作用，但不是很明顯。應(yīng)特別關(guān)注微波技術(shù)和常規(guī)加熱方法的使用。將對現(xiàn)代微波反應(yīng)器的反應(yīng)與家用微波的反應(yīng)進行了比較，后者反應(yīng)較快，但在兩種情況下都令人滿意，即在現(xiàn)代微波反應(yīng)器中。所有方法均適用于保護環(huán)境，都有著簡單的過程以及容易分離純凈且無需進一步保存的產(chǎn)物，使用多種材料，而反應(yīng)體系中的鹵素，甲基苯丙胺和酯類無用，不參與反應(yīng)之中，這是一種實現(xiàn)高生產(chǎn)率和快速響應(yīng)的實驗方法。該優(yōu)點使其可以代替合成此類化合物的傳統(tǒng)方法[2]。

2 無溶劑有機反應(yīng)與水相反應(yīng)技術(shù)的優(yōu)缺點

2.1 無溶劑合成的優(yōu)點

(1)低環(huán)境污染，低能耗，操作簡單；

(2)高選擇性；

(3)控制分子構(gòu)型；

(4)提高反應(yīng)效率。

2.2 無溶劑合成的缺點

無溶劑有機合成也存在固有的缺點，特別是與過去經(jīng)常使用有機溶劑的固體物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)。存在以下問題：

(1)由于混合了固體反應(yīng)物粉末，因此并非所有的有機反應(yīng)都可以在無溶劑條件下進行，如果很難以較小的距離接近不同的分子，減少了碰撞的可能性，需要進一步研究以促進反應(yīng)；

(2)一些無溶劑的反應(yīng)是在熔融狀態(tài)下進行的，并且反應(yīng)體系是液體，但是，有些無溶劑的反應(yīng)是在固態(tài)下進行的，該反應(yīng)體系沒有流動性，反應(yīng)所散發(fā)的熱量難以散失，并且規(guī)?；a(chǎn)很難；

(3)如果反應(yīng)不能定量完成，則仍然存在分離問題，并且可以使用有機溶劑來避免這個問題。

2.3 水相反應(yīng)技術(shù)在蛋白質(zhì)和酶的分離純化中的應(yīng)用

由于水相反應(yīng)技術(shù)的許多優(yōu)點，它在生物制藥領(lǐng)域具有非常廣泛的應(yīng)用[3]。分離和純化高純度和具有生物活性的蛋白質(zhì)一直是非常困難的任務(wù)。由于蛋白質(zhì)的市場價格非常昂貴，提高回收率可以帶來巨大的經(jīng)濟效益。通過在水相中反應(yīng)分離和純化蛋白質(zhì)具有許多優(yōu)點。首先，系統(tǒng)的含水量高達80%，萃取環(huán)境和操作條件非常溫和，因此不容易引起蛋白質(zhì)失活；第二，兩相水體系的界面張力比水和有機溶劑的兩相體系的界面張力低得多，這有助于加強兩相之間的傳質(zhì)；最后，水性反應(yīng)技術(shù)也有利于連續(xù)性萃取。

2.4 從天然物質(zhì)中提取有效成分

天然產(chǎn)物是藥物的重要資源。然而，許多活性成分的穩(wěn)定性相對較差，因此常規(guī)提取方法操作復(fù)雜且提取率低。水相反應(yīng)的溫和操作條件有助于保護活性成分，因此在提取天然物質(zhì)中的活性成分方面起著非常重要的作用。該技術(shù)還可用于萃取和分離各種極性和各種化學(xué)成分，例如植物精油、類黃酮、皂角苷和酶。

2.5 水相反應(yīng)技術(shù)在抗生素生產(chǎn)中的應(yīng)用

水相反應(yīng)技術(shù)的應(yīng)用基本上包括抗生素領(lǐng)域中的各種抗生素。與傳統(tǒng)方法相比，它具有高效和節(jié)能的顯著優(yōu)勢。水相反應(yīng)技術(shù)在抗生素分離中的應(yīng)用，分析了影響水兩相系統(tǒng)中抗生素分離的各種因素，并指出導(dǎo)致水兩相中抗生素不對稱分布的主要因素是疏水相互作用，同時探討了水相反應(yīng)技術(shù)在抗生素分離中的應(yīng)用發(fā)展方向[4]。

3 合成方法

結(jié)合早期研究的結(jié)果，可能的反應(yīng)機理如下：首先，通過路易斯酸(例如無水三氯化鋁)對取代的芳族胺和乙醛酸乙酯進行催化，堿縮合反應(yīng)生成亞胺化合物，然后亞胺上N的電子對進入Al的空軌道形成配位化合物Ⅰ。結(jié)果減少了N原子上的電子云密度，使得碳-氮雙鍵的電子優(yōu)先于N形成碳核。丙酮酸甲酯(烯醇和酮形式之間的互變異構(gòu)體)充當(dāng)親核試劑，攻擊亞胺上的碳核并形成中間體Ⅱ和丙酮酸部分的羰基。氧與催化劑金屬Al離子配位，羰基碳的正電荷增加，然后與苯環(huán)進行親電加成反應(yīng)，得到中間體Ⅲ，最后進行分子內(nèi)環(huán)化脫水和氧化脫氫，得到喹啉化合物Ⅳ。

為了研究喹啉環(huán)中CN鍵對通過氧的脫氫反應(yīng)形成C = N雙鍵的依賴性，建立了兩個不同的氧氣氛(空氣和純氧)以合成6-甲氧基-2-甲酸酯-4-甲基甲酸酯-喹啉乙酯。在沒有催化劑的情況下，空氣中目標(biāo)產(chǎn)物的產(chǎn)率為39.3%，而在室溫下，目標(biāo)產(chǎn)物的產(chǎn)率為29.3%，純氧氣氛目標(biāo)產(chǎn)物的產(chǎn)率為42.7%；在以CuBr2為催化劑的空氣氣氛下，目標(biāo)產(chǎn)物的產(chǎn)率為85.2%，純氧氣氛下目標(biāo)產(chǎn)物的產(chǎn)率為91.3%；在FeCl3和無水三氯化鋁作為催化劑的條件下，氧氣氛相對于空氣氣氛而言，目標(biāo)產(chǎn)物的收率得到了提高。從而可以得出結(jié)論，由于最后的反應(yīng)主要是中間產(chǎn)物的氧化脫氫反應(yīng)，所以氧含量的增加會加速NH鍵的裂解并生成水，從而促進中間產(chǎn)物的產(chǎn)生，成為目標(biāo)產(chǎn)物[5]。

基于上述研究，選擇4-甲氧基苯胺、4-羥基苯胺、4-苯氧基苯胺和苯胺作為芳族胺的反應(yīng)底物，并研究了由芳族胺的4-位取代基催化的三組AlCl3。表2示出了合成喹啉2，4-二羧酸酯化合物的效果。

苯氧基的電子給體能力大于甲氧基和羥基的電子給體能力，苯氧基的收率最高，達到98.3%。如果取代基R為甲氧基，則收率仍可達到95.2%，但如果取代基R為羥基，則收率僅為72.4%。結(jié)果表明，芳族胺的4-位基團的給電子性能越強，反應(yīng)越有利，目標(biāo)產(chǎn)物的選擇性和產(chǎn)率就越高。在研究過程中，還發(fā)現(xiàn)使用4-羥基苯胺作為反應(yīng)底物產(chǎn)生更多的副產(chǎn)物，薄層色譜分析表明，副產(chǎn)物的Rf值與目標(biāo)產(chǎn)物的Rf值相似。在進行三次柱色譜分離后，目標(biāo)產(chǎn)物被完全分離，這可能是由于4-羥基苯胺本身上的羥基具有相對活性且易于發(fā)生副反應(yīng)，從而導(dǎo)致目標(biāo)產(chǎn)物的收率低[6]。

4 結(jié)語

目前的研究結(jié)果表明，在無溶劑條件下和在水相中，各種化學(xué)反應(yīng)如氧化、還原和取代被用于催化和促進喹啉和喹啉酮的合成。這在實際應(yīng)用中產(chǎn)生了一定的效果，實際應(yīng)用過程的深度和效果已達到人們的期望。它主要用于提高反應(yīng)速度，同時在某種程度上還提高了化學(xué)反應(yīng)的選擇性，藥物的分離和提取顯示出明顯的優(yōu)勢。這是一種新穎的生物分離技術(shù)，具有廣闊的應(yīng)用前景。

然而，還需要更多的研究和改進來實現(xiàn)工業(yè)應(yīng)用的成熟。隨著科學(xué)技術(shù)的進步，這種將無溶劑和水相條件與其他技術(shù)相結(jié)合的新的萃取和分離工藝將很有可能會成為萃取和分離工業(yè)的新的發(fā)展方向。無溶劑和水相條件的日益成熟，必將使無溶劑和水相條件的適用范圍更廣。