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氧代紫罗兰酮及其衍生物1-羟基-4-氧代-α-紫罗兰酮和巨豆三烯酮等是重要的化工中间体,广泛应用于食品、化妆品、香料及医药等行业。现有的合成方法中,普遍存在着产率不高,催化剂制备困难,试剂昂贵,反应条件苛刻,环境污染严重等问题。从改进氧代紫罗兰酮及其衍生物的合成方法出发,本文主要进行了以下四个方面的研究工作:
完善以N-羟基邻苯二甲酰亚胺(NHPI)为催化剂,过渡金属离子如Co、Mn、V、Cu、Ni等为助催化剂,分子氧(O2)为氧化剂,催化烯丙位氧化β-紫罗兰酮合成氧代-β-紫罗兰酮的工艺,并开展了上述催化体系应用于α-紫罗兰酮选择性氧化的工作:(1)在温度为85℃时,氧气压力为3.0MPa,NHPI和乙酰丙酮亚钴(Co(acac)2)的用量分别为20mol%和1.0mol%,无溶剂下反应10h,β-紫罗兰酮氧化生成4-氧代-β-紫罗兰酮的收率可达72.1%;在70℃时,氧气压力为1.0MPa,NHPI和Co(acac)2用量分别为25mol%和1.0mol%t寸,无溶剂反应10h,分子氧氧化α-紫罗兰酮生成3-氧代-α-紫罗兰酮的收率达53.4%。高压釜放大实验表明,较高的氧气压力有利于β-紫罗兰酮氧化生成相应的氧代产物而不利于α-紫罗兰酮的氧化:70℃,3.0MPa氧压下,α-紫罗兰酮氧化生成3-氧代-α-紫罗兰酮收率低于27.2%;β-紫罗兰酮氧化生成4-氧代-β-紫罗兰酮收率高于70%。(2)考察了不同的过渡金属离子对反应的影响:过渡金属盐CoCl2,Mn(OAc)2,Ni(NO3)2,V2O5和Cu(OAc)2为助催化剂时,催化氧化α-紫罗兰酮合成3-氧代-α-紫罗兰酮的收率为5%~44.1%;而以Co(acac)2或Co(OAc)2为助催化剂,收率较高,分别为53.3%和53.8%;以复合盐LiCoO2或LiMn2O4为助催化剂时,氧化反应的时间缩短一半,反应的转化率为100%,氧代产物的收率略有提高,分别为55.1%和54.7%。对于β-紫罗兰酮的氧化,也有相类似的规律。
将NHPI/Co(acac)2催化体系推广应用到系列不同烯烃或芳香烃的烯丙位氧化反应:当NHPI为20mol%,Co(acac)2为1mol%,60℃水浴,无溶剂下,催化分子氧(1atm)氧化α-蒎烯,甲基-β-紫罗兰酮,大马酮合成了相应的α,β-不饱和酮,收率变化较大(29.7%79.7%):在同样条件下,不能氧化环己烯和1-酰基环己烯;采用THF为溶剂时,芴和二苯甲烷被氧化为芴酮和二苯甲酮,收率分别为78.3%和69.7%。
将3-氧代-α-紫罗兰酮负载在Al2O3表面上,采用空气直接氧化3-氧代-α-紫罗兰酮生成1-羟基-4-氧代-α-紫罗兰酮,并优化了反应的工艺条件:以颗粒大小为100~200目的中性或碱性Al2O3为载体,Al2O3和3-氧代-α-紫罗兰酮的质量比为10:1,室温下通未经干燥的空气15小时,产物1-羟基-4-氧代-α-紫罗兰酮的收率为85%以上;Al2O3重复使用性良好。
以未经分离的3-氧代-α-紫罗兰酮和1-羟基-4-氧代-α-紫罗兰酮粗产物为原料,经NaBH4还原、乙酰氯和氯代甲酸乙酯酯化反应,得到巨豆三烯酮的前体3-氧代-α-紫罗兰醇碳酸乙酯、3-氧代-α-紫罗兰醇乙酸酯、1-羟基-4-氧代-α-紫罗兰醇碳酸乙酯和1-羟基-4-氧代-α-紫罗兰醇乙酸酯,产物经过柱分离后,产率分别为35.7%,28.0%,26.7%和26.3%。
文中合成的化合物结构通过MS,1H NMR和13C NMR进行表征。