硕士论文

摘 要

绿色化学是指在制造化学产品时应有效利用原料，消除废物和避免使用有毒的和危险的试剂。绿色化学又称“环境友好化学”或“清洁化学”。目前世界上很多国家已把“绿色化学”作为新世纪化学发展的方向之一。聚乙二醇(PEG)是一种应用越来越广泛的绿色溶剂，在合成化学和非均相催化方面得到了越来越多的关注。聚乙二醇(PEG)在室温和高温条件下的粘性，使它可以应用于很多的化学反应。已经有文章报道聚乙二醇(PEG)在无机盐中作为配体溶剂时可以增加阴离子的活性，而且利用聚乙二醇(PEG)独特的物理、化学特性去进行反应，可以得到较高的产率，这些是其他有机溶剂达不到的。聚乙二醇(PEG)作为有机绿色溶剂在有机合成化学中已经引起了很大的关注本课题中的合成方法操作简便、溶剂无毒和可以回收利用，这一新方法符合绿色环保的要求，将会促进绿色化学的发展。

关键词：绿色化学、聚乙二醇(PEG)、芳基磷酸酯、芳基硼酸酯

Abstract

Green chemistry is to point to in manufacturing chemical products that should beeffective used of raw material, eliminated waste and avoided using toxic and dangerousreagents. Green chemistry also says \"environmentally friendly chemistry\" or \"cleanchemistry\". At present many countries of the world have already put \"Green Chemistry\" asone of the direction of chemical development in the new century.Polyethylene Gglycol (PEG) has been emerging as a promising green solvent andreceiving more attention for both combinatorialas well as for heterogeneous catalysts. Theviscosity of PEG at ambient and higher temperatures gives them significant advantage to usefor all general operations. Besidesdetermination of phenylboronic acid can also be made of sugar sensor. This work withpalladium as catalysts， polyethylene glycol (PEG)-600 as solvent, temperature at 90℃,NaNO2 as alkali, Halogen benzenes and B2pin2 synthesize phenyl boric acid ester compounds.The above two kinds of compounds are important containing C-P bond and C-B keymaterials, and playing an important role in organic synthetic chemistry. This work with polyethylene glycol (PEG)-600 as solvent, palladium ascatalysts synthesizes phenyl phosphate and phenyl boric acid ester compounds. This topic inthe synthesis method is easy to operate, solvent non-toxic, can recycling. This new methodwith green environmental protection, will promote the development of green chemistry.

Key word: Green chemistry、Polyethylene glycol(PEG)、 Arylphosphonates、Arylboronic esters

第一章 前 言

1.1 研究背景

绿色化学是指在合成化合物时最好使用可再生的原料，消除反应带来的垃圾和不使用有毒的化学试剂。绿色化学又称为“清洁化学”。现在世界上很多国家已经确定把“环境友好型化学”作为化学发展的新目标。近几年，环境对化学反应的影响已经在实验室和工业上引起了很大的关注，具有挥发性的、有毒的和危险的有机溶剂已经渐渐被离子液体、水或相转移催化剂所取代，这是绿色化学发展的主要目标之一，用聚乙二醇(PEG)作为新型的环境友好的反应溶剂已开始引起化学研究者的关注[1-5]。聚乙二醇(PEG)又被人们称为聚乙二醇醚，是一种水溶性很好的线型聚合物，其平均分子量从200到几万不等。聚乙二醇在不同的温度下有不同的溶解度，可以与水、二氯甲烷、醇、丙酮等溶剂互溶。但是聚乙二醇不溶于乙醚、正己烷等溶剂，所以可以用来沉淀聚乙二醇，从而可以使聚乙二醇和溶质得到分离。聚乙二醇(PEG)是一种廉价易得、低熔点、高沸点、无毒、化学性能和热稳定性好、可生物降解、对环境友好的化合物，对大多数有机化合物及金属有机化合物溶解性能良好，可以使反应活性高。 本章总结了几种聚乙二醇作为溶剂时的有机反应。

1.2 聚乙二醇作为溶剂的反应

1.2.1 还原反应 1.2.1.1 酯还原成醇

这个反应应用的是NaBH4的还原性。2010年，Martirosyan等[9]研究了NaBH4对安息香酸甲酯的还原，在PEG-400中，温度为65～80℃时，可以完全使反应物还原成苄醇，使该反应产率有了很大的提高，反应温度低、操作简单。 1.2.1.2 不对称氢转移反应

不对称氢转移反应是有针对性的还原醛或酮等化合物的反应之一。不对称氢转移反应由于条件温和，操作简便，具有高的对映选择性，反应产率高，还原剂易得，所以这个反应很受人们的关注。2007年，Zhou等[10]研究了以

PEG/H2O(9:1，v/v)为介质的不对称氢转移反应。反应结束后使用正己烷来萃取产物，催化剂仍留在溶剂聚乙二醇中，还可以重复使用达到10多次，反应的对映选择性没有变化，因此该方法应用较广泛。 1.2.1.3 芳烃硝基化合物和水合肼还原反应

水合肼可以将芳烃硝基化合物还原成芳烃氨基化合物。2007 年，Vasile 等[11]报道了在PEG1000-DIL（聚乙二醇型双阳离子离子液体）发生的芳烃硝基化合物和水合肼的还原反应，结果在该体系中FeCl3 催化效果很好，产率高达96%，反应时间缩短，还可以回收利用溶剂和催化剂。 1.2.2 氧化反应

1.2.2.1 苯乙烯的氧化反应

2008年，冯等[12]报道了苯乙烯催化氧化成为苯乙酮的反应，这个反应是以scCO2/PEG体系为溶剂，PdCl2作为催化剂，产率较高。scCO2/PEG体系能使产物得到很好的分离，也可以进行催化剂回收。聚乙二醇在该反应中可以同时进行反应和分离的操作，该反应体系可将产物直接萃取出来，便于催化剂的回收和再利用，还可以应用于水溶性较差的催化剂和反应物，应用范围比较广泛 1.2.2.2 炔烃的氧化反应

2010年，Chandrasekhar等[13]报道了在室温下，以PEG/H2O (8:2)为溶剂，以PdCl2为催化剂进行的炔烃氧化反应，此反应改变了以前使用有毒的和昂贵的试剂，并且降低了反应温度，缩短了反应时间，提高了产率，且还没有杂质生成，反应体系可以重复使用5次也没有失去催化活性。这个反应生成的1,2-双酮在有机合成中非常重要，是合成喹喔啉衍生物的中间体。

第二章 在聚乙二醇中苯基磷酸酯的合成

2.1 引言

2.1.1 研究背景

在以往的几十年里，金属有机化学是发展最快速的学科之一。由过渡金属催化的多种化学反应中，偶联反应成为了有机合成中不能缺少的一部分，尤其是除

了以前碳-碳键的形成外[57]，还包括了新的碳与杂原子的偶联反应[58,59]。在自然界中含有C-P 键的膦化合物并不多，然而，它们的高生物活性[60,61]已经引起了有机合成[62]和药物学的兴趣[63]。含有芳基磷酸酯的化合物可以应用于制备燃料细胞、光学材料[64]、杀菌剂、阻燃剂[65]、建立聚合物模块[66]和合成杂环化合物[67]。最近几年含磷化合物由于C-P 键在药物化学。[12-14]和核酸化学的广泛应用而被关注[68-72]。 2.1.2 苯基磷酸酯的合成

本章介绍了几种合成苯基磷酸酯的反应： 2.1.2.1 卤苯与亚磷酸二乙酯的反应

2009 年，Bessmertnykh 等[73]报道了在醋酸钯催化下，在乙醇回流、三乙胺为碱的条件下，亚磷酸二乙酯与卤苯铵反应生成相应的苯基磷酸酯。该反应操作简便，适合苯环上带有氨基和溴的化合物参加反应，产率还较高，但是不足之处是反应时间较长30-48小时。 2.1.2.2 卤苯与亚磷酸三乙酯的反应

2003 年，Villemin 等[60]研究了用亚磷酸三乙酯与卤苯的反应，该反应利用了微波技术，催化剂为PdCl2 或NiCl2，使时间大大的缩短到只用5 分钟，产率较高，还不需要溶剂，反应适合碘化物和溴化物。这是一种比较简便且高效的合成苯基磷酸酯的反应。

2.1.2.3 三氟甲磺酸苯酯与亚磷酸二乙酯的反应

2003 年， Harper 等[76] 研究了一种新的合成芳基磷酸酯的方法。该反应以Pd(p-TPPTP)n 为催化剂，Et3N 为碱，在反应体系中加入水，反应时间短，产率较高，实验还表明磷和金属羰基化物可以在氧化铝表面形成很好的配体。

2.2 实验部分

2.2.1 实验试剂

实验试剂均为市售分析纯

2.2.2 实验步骤

在 50ml 烧瓶中加入5ml 聚乙二醇-600，加入间碘苯甲酸甲酯（1mol）、亚磷酸二乙酯（1.5mol）、三乙胺（4mol）、Pd(PPh3)4(5mol%)，通入氮气，加热到130℃，TLC 检测反应进程，15 小时后结束反应，用乙醚萃取，旋转蒸馏可以得到粗产品，然后用柱层析的方法分离得到纯产品。

2.3 结果与讨论

2.3.1 苯基磷酸酯的制备结果和讨论 2.3.1.1 反应条件的选择

首先选择间碘苯甲酸甲酯和亚磷酸二乙酯为反应底物，探讨一些催化剂对该反应的效果。

2.3.1.2 反应适用的范围

温度130℃、Pd(PPh3)4 作催化剂、聚乙二醇-600 作溶剂和Et3N 为碱下，我们探讨了合成苯基磷酸酯类化合物适用的反应底物范围。

2.4 结论

在聚乙二醇中合成苯基磷酸酯的反应具有以下几个特点：

（1）反应在聚乙二醇-600 中进行消除了有机有毒溶剂的排放，符合绿色化学的要求。 （2）在聚乙二醇-600 中反应，催化体系可以重复使用3 次，这样可以减少成本。 （3）反应操作简便一锅煮、对环境无污染。

（4）反应产率较高，适合芳基上带有吸电子基的卤苯参加反应。

第三章 在聚乙二醇中苯基硼酸酯的合成

3.1 引言

3.1.1 研究背景

硼酸以及酯类化合物是应用较广泛的有机化合物，可以用来形成C-C,C-N和C-O键，这些反应可以体现它们独特的性质[79]，而且，由于它们的高稳定性和低毒性，在分子识别和药物合成方面已经引起了化学研究者们很大的兴趣[80]。研究者已经应用它们的特点形成了一种新的、温和的、高效率的反应方法。现在人们研究硼酸以及酯类取代物的兴趣在于它们是应用广泛的有机中间体[81]。因此，芳环硼酸酯在各个领域的应用范围越来越大。 3.1.2 苯基硼酸酯的合成

本章介绍了几种合成苯基硼酸酯的反应： 3.1.2.1 O(COPh)2与B2pin2的反应

2010年，Mo等[90]介绍了在没有加入催化剂的条件下合成苯基硼酸酯。这个反应是由O(COPh)2与B2pin2在乙腈中进行的，在加热回流的条件下，反应可以顺利进行，但是产率较低只有37%，有待改进反应条件提高产率。 3.1.2.2 苯与硼酯的反应

该反应是使用催化剂[IrCl(COD)]2，然后加入配体，在温度为80℃的条件下使苯与B2pin2反应，反应12小时，产率能达到86%，反应适合范围较广，反应结束后催化剂铱可以通过过滤得到回收，能够反复使用达到10次。但是苯与B2pin2的比例是60:1，反应物用量差距较大，成本有点高。 3.1.2.3 格氏试剂与2,3-二甲基-2,3-丁二醇的反应

2009年，Gerbino等[94]介绍了一种新的合成苯基硼酸酯的反应。该反应是格氏试剂与硼酯反应，在THF中回流24h，可是产率不高，只有70%。需要改进反应方法，使产率达到90%以上。但这个反应应用广泛，适合芳基格氏试剂和脂肪基格氏试剂。

3.2 实验部分

3.2.1 实验试剂

实验试剂均为市售分析纯 3.2.3 实验步骤

在烧瓶中加入 5ml 聚乙二醇-600，加入溴苯（1mol），联硼酸频那醇酯（1.5mol），乙酸钠（4mol），Pd(PPh3)2Cl2 (5mol%)，通入氮气，加热到90℃，TLC 检测反应，2.5h后结束反应，用乙醚萃取，旋转蒸馏可以得到粗产品，然后用柱层析的方法分离得到纯产品。

3.3 结论

在聚乙二醇中合成苯基硼酸酯的反应具有以下几个特点：

（1）反应在聚乙二醇-600 中进行消除了有机有毒溶剂的排放，适应绿色化学的发展。

（2）在聚乙二醇-600 中反应，催化体系能够重复使用4 次，减少成本。 （3）反应操作简便一锅式、对环境无污染、时间比较短、应用较广泛。 （4）反应产率较高，适合芳基上带有供电子基的卤苯参加反应。

第四章 结 论

4.1 全文结论

在近几年研究成果的基础上，本文研究绿色介质-聚乙二醇作为溶剂时在有机合成中的应用。

1. 绿色介质聚乙二醇在有机合成反应中有其独特的性质，例如：低毒性、热稳定性、价格不昂贵和无挥发等，而且反应在聚乙二醇中进行产率较高。聚乙二醇是环境友好型溶剂，达到了绿色化学的要求。

2. 本文选择金属钯为反应的催化剂，能使偶联反应顺利进行，并且得到较高的产率。

3. 通过大量的实验，我们发现5mol% Pd(PPh3)4 为催化剂，卤苯与亚磷酸二乙酯能很好的反应，得到比较高的产率。这个反应操作简便、无污染、底物适用范围广和催化剂用量较少。

4. 通过筛选催化剂和溶剂，最后发现5mol% Pd(PPh3)2Cl2 为催化剂和聚乙二醇-600为溶剂时，联硼酸频那醇酯和卤苯的反应能得到比较高的产率，而且反应操作简便、对环境友好和反应时间比较短。

4.2 存在的不足

本文虽然得到了一些小成就，但是仍有一些欠缺的地方。首先，虽然对两个反应都进行了反应条件和底物范围的探讨，但对于官能团的电子效应和位阻作用研究的还不够深入，有待进一步的探索，寻找规律。其次，绿色溶剂聚乙二醇对Suzuki 偶联反应的影响研究还不够深入，应继续探索。最后，所形成的产物在药物方面的应用还有待研究。

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附 录

附图 1（第二章产物3q 的氢谱）

附图 2（第三章产物3b 的氢谱）

致 谢

本论文是在导师张占辉研究员的悉心指导和严格要求下完成的。张老师渊博的知识、兢兢业业的实干精神、对工作一丝不苟的态度给我留下了深刻的印象，这一切将使我终身受益。三年来张老师对我的实验和论文的设想，文献的查阅以及具体的实施都付出了大量的心血，让我学到了很多关于思考问题，分析问题，解决问题的方法，这些都将成为我人生的一大笔财富。同时,张老师也教育我们怎么做人，做事，我所取得的每一点进步都凝聚着老师的心血和汗水。在此谨向我敬爱的导师表示我诚挚的敬意和衷心的感谢！

同时，感谢所有在我攻读研究生期间关心帮助我的人。向他们表示深深的感谢！

攻读硕士期间发表的论文

[1] Jie Lu. Sodium Bromate: An eco-friendly brominating and oxidizing reagent. Synlett 2011, 879–880.

[2] Jie Lu, Zhong-Zhi Guan, Jian-Wu Gao. An improved procedure for the synthesis of arylboronates by palladium-catalyzed coupling reaction of aryl halides and bis(pinacolato)diboron in polyethylene glycol. Applied Organometallic Chemistry 2011, in press.

[3] Hong-Juan Wang, Jie Lu, Zhan-Hui Zhang. Highly efficient three-component, one-pot synthesis of dihydropyrano[3,2-c]chromene derivatives. Monatsh Chem. 2010, 141, 1107–1112.