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重庆大学本科学生毕业设计（论文）
氨基氧化方法探讨 学 生：王朋田 学 号：20045809 指导教师：法焕宝(讲师) 校外指导教师：陈朝勇 专 业：药学
重庆大学化学化工学院
二OO八年六月
Graduation Design(Thesis) of Chongqing University
The Discussion of Methods on the Oxidation
of Amino Compounds
Undergraduate: Wang Pengtian Supervisor: Fa Huanbao
Assistant Supervisor : Chen Chaoyong Major: Pharmacy
College of Chemistry and Chemical Engineering
Chongqing University
June 2008
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摘要： 目的 硝基化合物一般由硝酸和硫酸与相应的有机物分子反应而成，而用直接硝化氨基化合物合成硝基化合物的方法还比较少见，并且这种直接硝化的方法在工业上的生产工艺还有待优化，本篇文章通过对氨基化合物硝化方法的探讨以及实验，初步研究了环氧丙酮对苯胺的氧化作用，并对其氧化条件进行了优化，对环氧丙酮氧化氨基化合物应用于工业生产进行了一定的基础研究。方法 运用连续反应的思路，通过过硫酸氢钾复合物和丙酮自制环氧丙酮，再将其溶液直接用于氨基氧化反应，然后通过条件优化实验，得到最优的实验条件。结果 氨基化合物用新制备的环氧丙酮并且在最优化的实验条件下氧化，高收率地得到硝基化合物。
关键字：氨基
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氧化 硝基 过硫酸氢钾复合物 环氧丙酮 Abstract：Nitro compounds are usually composed by nitric acid、sulfuric acid and homologous organic compounds. It is infrequent to compose Nitro compounds from Amino compounds.And this method has to been optimizered if we want to use this method in industry. This thesis looks into the oxidation to Amino compounds of Dimethyldioxirane .We optimizer the terms of this oxidation reaction,and try to make it practicable in industry product.Under the method of successive reactions,we use Oxone and acetone to synthesize Dimethyldioxirane ,and apply the solution of it directly in the following oxidation of Amino compounds. Then we optimizere the terms of this reaction to get the best term.Finally,we obtain the product with good recovery ratio and purity under the best reaction condition.
Key word ：Nitro compounds Amino compounds Oxidate Oxidant Oxone Dimethyldioxirane
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目录
摘要……………………………………………………………………………………I Abstract……………………………………………………………………………II 1绪论…………………………………………………………………………………3
1.1胺的氧化反应……………………………………………………………………4 1.1.1伯胺的氧化……………………………………………………………………4 1.1.2仲胺的氧化……………………………………………………………………4 1.1.3叔胺的氧化……………………………………………………………………5 1.2氧化剂……………………………………………………………………………5 1.3 氨基氧化研究现状………………………………………………………………5 1.3.1过氧化氢对氨基的氧化………………………………………………………5 1.3.2过硼酸钠对氨基的氧化作用…………………………………………………6 1.3.3环氧丙酮的氧化作用…………………………………………………………7 1.4 过硫酸氢钾复合物………………………………………………………………7 1.4.1过硫酸氢钾复盐的性质………………………………………………………7 1过一硫酸的性质……………………………………………………………………7 ○
2过硫酸氢钾复盐的性质……………………………………………………………8 ○
1.4.2过硫酸氢钾复盐的合成……………………………………………………….8 1过一硫酸的合成方法………………………………………………………………8 ○
2过硫酸氢钾复盐的合成……………………………………………………………9 ○
1.4.3过硫酸氢钾复盐的用途……………………………………………………….9 1可氧化种类繁多的有机物…………………………………………………………9 ○
2用作聚合反应的引发剂……………………………………………………………10 ○
3使烯烃α、β一不饱和酸发生环氧化……………………………………………10 ○
1.5 过氧化酮的研究现状及应用……………………………………………………11 1.5.1 过氧化酮的结构及性质………………………………………………………11 1.5.2 过氧化酮的制备………………………………………………………………11 1.5.3 过氧化酮参与的氧化反应……………………………………………………12 1过氧化酮对烃的氧化………………………………………………………………12 ○
2 过氧化酮对醇的氧化…………………………………………………………….16 ○
3过氧化酮对醛的氧化………………………………………………………………18 ○
4过氧化酮对含磷化合物的氧化……………………………………………………19 ○
5过氧化酮对含硫化合物的氧化……………………………………………………19 ○
6过氧化酮对含氮化合物的氧化……………………………………………………19 ○
1.5.4 过氧化酮在不对称合成方面的应用…………………………………………21 1.5.5 过氧化酮氧化反应的影响因素………………………………………………23 1氢键的影响和溶剂效应……………………………………………………………23 ○
2酸度的影响…………………………………………………………………………24 ○
3 温度的影响……………………………………………………………………….24 ○
1.5.6 小结……………………………………………………………………………24
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2实验部分……………………………………………………………………………25 2.1主要试剂与仪器…………………………………………………………………25 2.2实验内容…………………………………………………………………………25 2.2.1苯胺氧化成硝基苯……………………………………………………………25 1制备环氧丙酮………………………………………………………………………25 ○
2氨基的氧化…………………………………………………………………………25 ○
3后处理及纯化………………………………………………………………………25 ○
4结构鉴定……………………………………………………………………………25 ○
5实验条件的优化……………………………………………………………………27 ○1）环氧丙酮制备温度的影响…………………………………………………………27 2）过硫酸氢钾复合物的用量对于反应的影响……………………………………27 3）过硫酸氢钾复合物与碳酸钠比例对于反应结果的影响…………………………28 4）氨基氧化温度对于反应的影响……………………………………………………28 5）优化条件下的平行实验……………………………………………………………29 2.2.2由3-溴-4-氨基甲苯合成3-溴-4-硝基甲苯…………………………………29 1制备环氧丙酮………………………………………………………………………29 ○
2氨基氧化……………………………………………………………………………29 ○
3后处理及纯化………………………………………………………………………29 ○
2.3小结………………………………………………………………………………29 3结论…………………………………………………………………………………29 参考文献………………………………………………………………………………30
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1绪论
很多的硝基化合物不能用直接硝化的方法合成。硝基化合物是含有一个或多个硝基的有机化合物。它们往往非常易爆，不适的操作和一些混杂物很容易造成放热反应，从而造成安全隐患。芳香硝基化合物一般由硝酸和硫酸与相应的有机物分子反应而成。在有机化工中有多种不同的制造硝基化合物的方法。比如Nitroaldol反应：硝基甲烷加入醛；Michael反应：硝基甲烷加入未饱和的羰基化合物；Michael反应：亚硝基乙烯加入烯醇；亲核脂肪族取代反应：亚硝酸钠取代卤代烷 ；亲电子取代：亚硝酸与芳香化合物反应。
在由硝基化合物直接氧化为氨基化合物这方面找到一个切实可行的温和的合成方法很迫切；氨基氧化的方法目前常用的为过酸氧化，如：过氧乙酸，或者双氧水氧化；但是这些方法均存在原料购买问题，或者是收率偏低和副产物过多，因此严重影响了它们在工业生产上的应用。后来有人发表了以环氧丙酮进行氨基氧化的报道，条件比较温和，且能够高产率的得到目标产物， 但由于环氧丙酮贮存和运输均存在安全问题，不利于进行规模化实验，因此我们进行了下面这项实验，用连续反应的思路，自制环氧丙酮，再将其溶液直接用于氨基氧化反应，同时对于影响反应的因素进行了简单探讨。
氧化反应是一类最常见、极重要的有机化学反应。对于以共价键结合的有机化合物来说，氧化反应可以视为碳原子周围电子云密度降低，即碳原子氧化数（或氧化态、氧化值）升高的反应。有机化学中狭义的氧化反应的概念是指有机物分子中氧原子的增加，氢原子的消除，或者两者兼而有之。
1.1胺的氧化反应：
胺分子中的氮原子是氮的最低氧化态，可被一些氧化剂氧化。胺分子中氮原子的结合状态不同，所用的试剂和氧化条件不同，对氧化产物的结构有影响。
1.1.1伯胺的氧化：
经历： R-NH2→R-NHOH→R’-CH=NOH?R-N=O→R-NO2
氧化产物可以是上列各阶段的化合物，亦可以是其相互反应的产物，这取决于反应条件和试剂。用过氧酸氧化苯胺时，如用过量的过氧酸，冷却条件下苯胺转化为亚硝基苯；若试剂不过量，则产物为氧化偶氮苯。若以过氧化钴、二氧化锰、高锰酸钾盐来氧化苯胺，一般得不到偶氮苯。
2-6-二吸电子基取代的苯胺用过氧甲酸或过氧化氢氧化，得到相应的亚基化合物，收率较高。
一些较弱的苯胺，用氧化能力强的过氧酸，可以直接氧化成硝基化合物。氧化能力弱的过氧酸，只能将它们氧化成亚硝基化合物。这种将伯胺直接氧化成硝基化合物的方法（即所谓的“绿色硝化法”）对一些用直接硝化法难制备的硝基化合物有重要意义。
带有供电子基芳伯胺的氧化，当用无水过氧乙酸氧化时，可将其氧化成相应的硝基化合物。
将芳伯胺氧化成亚硝基化合物的较好试剂是过一硫酸，它可定量的将对苯二胺氧化成对二亚硝基苯。
脂肪伯胺用适当的试剂在碱性介质中氧化，产物一般是醛亚胺，醛月亏等。酸性介质中，产物则是醛或酮。这与以下事实有关：脂肪族伯胺的氨基所在的碳
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上有氢原子，伯胺的氧化产物-亚硝基化合物，可以互变为醛月亏或酮月亏，月亏类接着水解生成醛酮。
芳伯胺和脂肪伯胺还有一个重要性质，它们可以在稍弱的氧化剂或在金属有机配合物的作用下脱氢成腈。
这是较强烈的脱氢反应，伯胺氮上的两个氢和与之相连的碳上的两个氢同时脱去，构成了伯胺与仲、叔胺不同的特点。
1.1.2仲胺的氧化：
仲胺可以被过氧化氢、过氧酸等氧化物氧化，产物一般是羟胺、硝酮或氧化胺，以及它们的缩合产物。
脂肪族仲胺用过氧化氢氧化得到二烃基羟胺，收率低当产物中α-碳上有氢时，可悲进一步氧化，得到氧化胺衍生物，收率一般较高。
环状仲胺，且α-碳上无氢时，则得到羟胺和硝酮。
仲胺用活性二氧化锰氧化时产物一般是混合物，但N-甲基苯胺和二氧化锰反应，氧化反应主要发生在N-甲基上，产物为甲酰苯胺，收率甚高。芳环上取代基性质对上述反应有影响，供电子基促进反应进行，而吸电子基（如对位硝基）在室温时，完全抑制反应。
仲胺也可氧化成醛，反应中除了要脱氢外，还需脱去一个羟基，反应较难，需用较强烈的氧化剂。常用以芳磺酸过氧化物做氧化剂与之反应，反应分两步进行，首先过氧化物与仲胺形成N-芳磺酸氧中间体，再经酸性水解得醛。为了使氧化所得醛单一，常选用具有两个相同烃基的仲胺做原料。同样芳磺酸过氧化物也可和碱一起将肼氧化成相应的偶氮化合物。
1.1.3叔胺的氧化
选择不同的氧化剂对同一叔胺进行氧化，可获得不同的产物，当氧化剂一定时，不同类型的叔胺经历不同的氧化方式，如用活性二氧化锰氧化叔胺常有下列三种过程，主要是氮烃基被氧化。
脂肪族叔胺非常易和过氧化氢的水溶液或醇溶液，以及在金属催化剂的存在下，生成氧化胺。
吡啶和其他亲核性弱的含氮杂环，需要用氧化能力强的较高浓度过氧化氢或过氧酸，用过氧酸时要在较高的反应温度下才能将环上的氮原子氧化。
过氧酸和叔胺反应的机理类似于双键和过氧酸的环氧化反应。增加过氧酸的亲电性，或者增加叔胺的亲核性，都可加快反应。
1.2氧化剂
氧化剂是氧化还原反应里得到电子或有电子对偏向的物质。氧化剂从还原剂处得到电子自身被还原变成还原产物。氧化剂和还原剂是相互依存的。
氧化剂在反应里表现氧化性。氧化能力强弱是氧化剂得电子能力的强弱，不是得电子数目的多少，如浓硝酸的氧化能力比稀硝酸强，得到电子的数目却比稀硝酸少。含有容易得到电子的元素的物质常用作氧化剂，在分析具体反应时，常用元素化合价的升降进行判断：所含元素化合价降低的物质为氧化剂。
典型氧化剂有：Cl2,Br2,O2；元素(如Mn等)处于高化合价时的氧化物,如MnO2等；元素(如S,N等)处于高化合价时的含氧酸，如浓硫酸、HNO3等，元素(如Mn，Cl,Fe等)处于高化合价时的盐，如KMnO4、KClO3、FeCl3等，过氧化物，如Na2O2、
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H2O2等。
1.3 氨基氧化研究现状
1.3.1过氧化氢对氨基的氧化
过氧化氢又称双氧水，是有机合成当中最为常见的氧化剂之一。在有机合成当中曾被用来直接氧化氨基。
二硝基氧化偶氮呋喃的制备中氨基的氧化反应：
二氨基氧化偶氮呋喃(17 g，0.08 mo1)，溶于浓硫酸(200 m1)中，混和液在冰浴冷却下滴入到30％双氧水(240 m1)和过硫酸铵(200 g)的混合液中，温度不超过20℃ ，混合物在500C左右搅拌反应5 h。反应毕，将反应液倒入冰水中,将析出的沉淀抽滤，冷水洗涤,干燥,得浅黄色晶体(11 g，50％) [3]。
此外，在催化剂比如RuCl3存在的条件下，过氧化氢也可将苯胺类化合物氧化成硝基化合物[6]：
1.3.2过硼酸钠对氨基的氧化作用
在有机合成中，过硼酸钠用作氧化剂的实例虽为数不多，但其优点已很明显，例如反应条件温和、选择性强、毒性低、价廉，且过硼酸钠还原后生成无毒的硼酸钠，易于处理或排放。
过硼酸钠（PSB）是一种无机过氧酸盐。化学式为NaBO3·nH20(n=l，4)，结构式为:
它常被用作洗涤剂的添加剂,温和的杀虫剂,在医学上也被用来局部抗感染等。近年来，在有机合成方面的应用引起人们的关注。十多年的探索研究表明：过硼酸钠是一种较理想的氧化剂。它不但能发生过氧化氢和有机过氧酸所能完成的氧化反应，而且还能发生其他类型的反应；更重要的是它具有稳定性好、安全、毒性小、价格便宜及操作简便等优点，而且污染性小，易处理，适合于大规模的工业生产，在有机合成中有着广泛的应用[2]。
芳环上取代基对芳胺的氧化产物有着显著的影响。当芳环上有吸电子基团时，
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可在50—55℃的AcOH溶液中用过硼酸钠进行氧化。生成相应的硝基化合物，产率较高，有一定应用价值。但含有给电子基团的芳胺在相同条件下，很快发生过氧化反应，使得硝基芳烃的产率很低。使用微束把反应物集中在相对较小的容积内以起到增溶作用，加快反应速率和化学选择性。同时可以用钨磷酸钠为催化剂进行。实验证明，该方法温和，含给电子基团的芳胺(1)能顺利的反应，生成相应的硝基化合物(2)，产率较高，是较理想的选择。
将4.62g(0.03 mol)NaB03·4 H20和30mL冰乙酸置于三颈瓶中，在55-60度和搅拌下的条件下，滴加由1.38 g(0.O1mol)邻硝基苯胺溶于20mL冰乙酸的溶液，30 min滴完后，于55-60℃下保温10h。蒸去乙酸，残液中加水，析出黄色固体，用乙醇重结晶，得黄色鳞片状晶体1.328，产率78% [2] 。
以1.38 g(0.O1mol)对一硝基苯胺代替上述实验中的邻硝基苯胺，其余步骤同上。得桔黄色针状晶体1.43 g，产率85%。
在乙醇-磷酸体系中，过硼酸钠能顺利地使硝基苯胺氧化，但产物不是如前所述的二硝基苯类，而是相应的氧化偶氮苯类。
1.3.3环氧丙酮对氨基的氧化作用
关于环氧丙酮的研究已经有多年，但是其在实际生产中的应用还有一些问题需要解决，下列反应式中的化合物 1 的结构式为环氧丙酮：
能够将氨基化合物直接氧化为硝基化合物[5]：
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1.4 过硫酸氢钾复合物
过硫酸氢钾复盐(potassium monopersulfate compound)是由过硫酸氢钾KHSO5、硫酸氢钾KHSO4和硫酸钾K2S04 三种成分组成的一种复台物，其中主要成分过硫酸氢钾是过一硫酸H2SO5 的酸式盐。无论是过一硫酸还是过一硫酸氢钾， 由于分子中存在过氧键-O-O-，在化学反应中能放出活性氧，因此，它们都具有较强的氧化能力，都是强氧化剂。过一硫酸不稳定，放置时容易放出活性氧而使其氧化能力降低，而过硫酸氢钾复盐相当稳定，不易放出活性氧，便于贮存，使用安全、方便。因此，它是一种比过一硫酸更有实用价值的氧化剂。
此外，由于过硫酸氢钾复盐能把氰化物氧化成氰酸盐，氯化物中氯离子氧化成氯气，还能氧化苯酚、对苯二酚等。因此，在欧美国家，人们利用它处理废水， 还把它作为口腔医疗中假牙的漂白剂、洗染店的干燥漂白剂，游泳池中的消毒剂。 过硫酸氢钾复盐除了可以氧化种类繁多的有机物外，还是许多聚合反应的自由基引发剂。它能使有机物分子中的双键发生环氧化。因此，是有机台成中的一种重要辅助剂。由于过硫酸氢钾复盐是一种稳定、方便、具有广泛用途的优良的氧化剂，几十年来，欧美国家的化工人员一直在探索其合成制备的途径，并且把提高产量、提高活性氧的含量作为进一步研究的目标[4]。
1.4.1过硫酸氢钾复盐的性质
由于过硫酸氢钾的性质与过一硫酸有密切联系。因此，我们先讨论过一硫酸的性质。
1过一硫酸的性质 ○
过一硫酸结构式为
是一种无色晶体，熔点为450C，过一硫酸分子中的一个质子很活泼，如同硫酸分子中的一样，而另一个质子不活泼，它的分步电离式如下：
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过一硫酸是一种很强的氧化剂：
当pH< 2时，过一硫酸迅速水解成过氧化氢及硫酸：
过一硫酸很容易失去活性氧，要制备高纯度的过一硫酸是困难的， 通常并不把它从溶液中分离出来。过一硫酸分子中的两个氢原子，只有一个氢原子容易被金属取代。因此，只得到过它的一取代盐。 2 过硫酸氢钾复盐的性质 ○
过硫酸氢钾复盐是一种稳定的复合物，三种成分的摩尔比为KHSO5：KHSO4：K2S04 =2：1：1。
过硫酸氢钾复盐是一种白色颗粒状的粉末，易溶于水，在20度时，每100克水溶解25.6克。密度为1.12-1.20g/cm3，含水量为0.1% ，l%水溶液的pH值为2.3。
过硫酸氢钾复盐最少含有4.5%的活性氧。
过硫酸氢钾复盐贮存时没有明显的活性氧的损失， 固体复盐每月失却的活性氧小于1%。
复盐溶液的稳定性受到温度及溶液pH值的影响。在复盐溶液中，由于硫酸氢根离子的存在，溶液是酸性的，pH 值大约为2。过一硫酸根离子在这样的酸性溶液中是稳定的，当pH值超过3时，过一硫酸氢盐便会发生分解， 形成硫酸氢盐，失去大量的活性氧。
按照上面的方程式，酸式硫酸盐的生成会自动降低溶液的pH值，从而又达到稳定条件，但会损失活性氧。因此，制备复盐时溶液的酸度控制是关键。
在强酸性溶液中，过一硫酸根离子会发生水解，生成过氧化氢。
高温也会导致活性氧的损失，因此制备时中和反应的温度不能超过400C， 最佳温度大约控制在-lO0C到l00C 之间。
由于过硫酸氢钾复盐是一种强氧化剂，应存放在低温、干燥、远离易燃材料的地方。研磨或剧烈的搅拌会引起强烈的放热足以使它熔化， 并导致周围能氧化
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的材料的燃烧。
过硫酸氢钾复盐被人体吸收后毒性比较低，致命剂量为2250mg/kg，但是它对皮肤、眼睛有刺激作用，取用时应该避免皮肤、眼睛、衣服等和它接触。
1.4.2过硫酸氢钾复盐的合成
制备该复盐的原料为过一硫酸、硫酸和碳酸钾，因此在制备复盐前必须首先合成过一硫酸。 1过一硫酸的合成方法 ○
方法1：可用过氧化氢与计量的氯磺酸反应来制备
反应由于放热而非常激烈，用冷冻剂使反应控制在150C进行，过氧化氢要逐渐地分批加入，反应在异戊醇中进行产率比较高。
在20ml异戊醇中加入1 g氯磺酸，在12.3ml异戊醇中加入4.35 m190%的过氧化氢，在-15℃条件下将两者慢慢地混合，即制得过一硫酸。反应式为：
若在工业生产中，设备的材料可以用玻璃、聚四氟乙烯或不锈钢。 方法2：阳极氧化法
用铂电极电槽电解硫酸，生成的过二硫酸在室温下水解5小时便生成过一硫酸。
2过硫酸氢钾复盐的合成 ○
过硫酸氢钾复盐是用过一硫酸和硫酸的混合物与碳酸钾按一定的比例进行反应来制备的，所生成的混合物的pH值大约为1.5-2.5，最好是2.O-2.5，pH值不能大于3，否则，过多的过硫酸氢钾的分解会导致活性氧的损失。
在一个有搅拌装置的容器内加入2OOg含有63.3% H2SO5(1．11mol)及20.2% H2SO4(0.412mol)的混合物，用外部冷却的方法使搅拌的混酸溶液温度维持在5-10℃，然盾缦缓地加入267.4g 50%的碳酸钾溶液(0.967mol)， 生成的浆状物过滤，置于50-6O℃ 烘箱中通风烘干4小时。
合成工艺流程见下图：
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1.4.3过硫酸氢钾复盐的用途
过硫酸氢钾复盐是一种高效的氧化剂，在这方面，它的性能与其它无机过氧化物、有机过氧酸、过二硫酸根离子相似。 1可氧化种类繁多的有机物 ○
过硫酸氢钾复盐溶液能容易地将简单的芳香醛氧化成相应的酸，将乙醇氧化成乙酸(如果所用的乙醇多余的话，则生成乙酸乙酯)，将2-苯乙胺氧化成苯乙酸，把甲苯转变成苯甲酸，把硫醇转变成磺酸。
在不同的溶剂系统中，过硫酸氢钾复盐将烯烃氧化成乙二醇或乙二醇酯，将环已烯转变成反式的环已二醇，将二苯甲烷转变成二苯甲酮，将2-丙醇转变成丙酮。
过硫酸氢钾复盐和环酮反应，可得到中等产量的内酯。复盐还可以将芳香伯胺氧化成亚硝基化合物，将二苯硫醚氧化成砜，将碘代苯氧化成碘酰苯，将吡啶氧化成氧化氮苯。此外，通过加热，干燥的过硫酸氢钾复盐和一种碱金属的氯化物或溴化物能把甲苯转化成卤化苄[4]。 2用作聚合反应的引发剂 ○
一些自由基引发的聚合反应，例如醋酸乙烯酯、丙烯酸乙酯及丙烯脯的聚合中， 乙烯基单体用过硫酸氢钾复盐引发。 3使烯烃α、β-不饱和酸发生环氧化 ○
过硫酸氢钾复盐溶液和烯烃或环烯烃发生环氧化反应，反应应该在弱酸性条件下，经过4-6小时，得到反应产物。过硫酸氢钾复盐-丙酮体系可使一些α、β-不饱和酸的双键处发生环氧化：
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丙酮在其中起了催化作用，如果没有丙酮存在，环氧化便不发生。
1.5 过氧化酮的研究现状及应用
20世纪70年代, 人们在烯烃的气相臭氧化研究中首次发现了过氧化酮的存在。1985年Murry和Jeyaramana成功地制备了0.1mol/L的二甲基过氧化酮
(dimethyldioxirane, DMD) 的丙酮溶液[10], 随后Curci和其同事又用类似的方法制备了性能较DMD更为优越的0.65-0.8 mol/L甲基三氟甲基过氧化酮
[methyl(trifluoromethyl)-dioxirane, TFD]的CF3COCH3溶液[12], 从此揭开了人们对过氧化酮研究的序幕。
随着研究的不断深入进行, 过氧化酮以其温和的反应条件、高效的氧化活性、极好的选择性等特点引起了越来越多的化学家们的注意[1]。
1.5.1 过氧化酮的结构及性质
从分子结构上看过氧化酮是由两个通过过氧键连接的氧原子和一个碳原子组成的三元环, 三元环的巨大张力和过氧键的不稳定性使其具有极高的氧化能力,同时又容易失去一个氧原子而变成相应的酮。
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1.5.2 过氧化酮的制备
Murry 等发展了一种比较成熟的制备过氧化酮的方法: 采用过硫酸氢钾复合物(主要成分为KHSO5)和相应的酮在冰浴的条件下搅拌反应, 利用缓冲液控制体系的pH 值在7-8.5, 反应时间约15 min [5]。
过氧化酮可以分离出来, 也可以直接进行下一步反应. 采用这种方法Murry等成功地制备了一系列过氧化酮, 其浓度在0.2-0.8mol/L范围。最近也有人报道利用H2O2与相应的酮反应制过氧化酮,生成的产物不加以分离直接进行下步反应。二甲基过氧化酮的丙酮溶液在低温下可以较长时间保存,室温下容易发生降解,一般是临时制备[9]。
1.5.3 过氧化酮参与的氧化反应
1过氧化酮对烃的氧化 ○
1）饱和烃
与其他氧化剂相比, 过氧化酮对饱和烷烃的氧化反应条件非常温和、速度快、效率高。对于脂肪族饱和烃的氧化,一般情况下,叔碳原子上的碳氢键比其他碳氢键易于氧化。Voigt等在合成25-羟基芸苔素内脂的过程中用TFD作氧化剂,成功地在芸苔素内脂的25 位上引入了一个羟基产率达71%[14]。
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在不同类型烃基的氧化反应中,苄基位和羰基α-位的烃基较脂肪族的饱和烷烃易于进行氧化反应, 如：
2 ）不饱和烃
过氧化酮与烯键的反应主要是环氧化反应。反应条件相当的温和,产率也很高,特别适合于对酸碱敏感的化合物的氧化,如：
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Manoharan等在前人研究的基础上,经过周密的理论计算后认为: 二甲基过氧化酮和甲基三氟甲基过氧化酮的环氧化属于亲电加成反应,并且涉及到一个具有螺旋过渡态结构的协同反应。由于过氧键的参与,从能量和焓的角度考虑,该反应都是非常有利的。过渡态的稳定主要来自于烯键的π轨道和二甲基过氧化酮的σ* 轨道的参与；甲基三氟甲基过氧化酮的CF3基团通过负的超共轭作用进一步降低过氧键的σ* 能量,从而使其较其它过氧化酮具有更高的反应活性。Manoharan 认为反应按如下步骤进行[15]:
a.在过渡态结构中烯烃对过氧化酮接近方式如下所示：
b.在反应过程中首先是过氧化酮的过氧键断裂,接着过氧化酮中的一个C-O键的断裂和烯键的断裂；
c.两个新的C-O键的形成和羰基π键的形成。
烯键的环氧化是一个亲电反应,因此,烯键附近有羰基、硝基等吸电子基时,吸电子基会明显降低烯键的反应活性；相反,推电子基团有利于反应的进行,如：
这里需要指出的是, 尽管羟基是吸电子基,但过氧化酮对烯丙醇型双键的环氧化具有明显的反应性,尤其对于环状化合物更加明显,例如：
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同时, 该反应受立体因素影响:由于超分子氢键的形成,氧环和羟基处于顺式的异构体在反应产物中占绝对优势。但在实际中,由于溶剂能影响反应物间氢键的形成,进而对产物的构型也有很大的影响。Adam和Smerz对烯丙醇环氧化的溶剂化效应进行了较为仔细的研究, 发现随着溶剂极性的降低, 二甲基过氧化酮对手性烯丙醇的环氧化表现出非常显著的非对映选择性[14] 。如下表：
Adam 认为产生这种溶剂效应的原因是羟基通过氢键和二甲基过氧化酮形成了一个偶极过渡态：
而溶剂的极性会对该过渡态的形成产生影响。很明显,羟基和烯丙基双键所形成的二面角对反应的立体控制具有至关重要的作用,Adam认为当二面角大于130时,对该过渡态的形成可能比较有利。在Curci及其同事的实验中也得出了类似的结论。Curci发现,当羟基被保护后,产物的顺式异构体所占比例显著减少[25]。 3）过氧化酮对芳香族化合物的氧化
苯环由于大共轭π键的存在比较稳定,相对来说, 过氧化酮对稠环化合物的氧化要比对苯环的氧化容易得多,例如下列反应,在有机中间体的合成中是很有用的。
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当苯环上连有斥电子基时,苯环易被过氧化酮所氧化,结果是在斥电子基的临位或对位引入羟基,尤其是在酸性介质中,产率更高：
2过氧化酮对醇的氧化 ○
醇经过氧化酮的氧化,反应条件不同氧化产物也不尽相同,可以是醛、酮,也可以是羧酸。一般情况下,仲醇比伯醇更容易被氧化,羟基邻近连有推电子基的较连有吸电子基的易于被氧化。这对于多羟基化合物中特定羟基的选择性氧化非常有用。Ballini等研究了过氧化酮对带有硝基的二元醇的氧化反应[8],结果发现反应产物的收率都在90%左右。
Bovicelli等在研究中还发现:对于1,2-二羟基化合物或1,3-二羟基化合物,当其中一个羟基被氧化后,由于反应所形成羰基的吸电子诱导效应,进而造成另一个羟基很难被氧化[8],如下表所示。
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并且在研究中还发现,增加氧化剂的量和延长反应时间并不能使二羰基产物的量增加很多。
Curci认为,过氧化酮对醇的氧化是一种亲电性的一步插入协同反应(如下式), 这种观点得到了Angelis的支持。在Angelis的试验中,首先通过主级同位素效应确证了在速率控制步骤中涉及到C—H的断裂,接着又进一步通过β-次级同位素效应证明在控速步骤中过渡态中不存在自由基和碳正离子,从而对协同机理给予了有力的支持[18]。
3过氧化酮对醛的氧化 ○
过氧化酮对醛的氧化目前研究还不是很多,Murry曾报道,乙醛经过氧化酮氧
21
化生成乙酸[11],反应条件温和,收率达97%。Dyker报道了过氧化酮对吡啶甲醛的氧化,然而发现主要生成吡啶氮氧化物,而醛基几乎不被氧化[20]：
4过氧化酮对含磷化合物的氧化 ○
Mark等在合成CMP-Neu5Ac类似物的过程中发现, 过氧化酮几乎可以定量地将低价磷氧化成高价磷,反应在10min内完成,副反应很少，这对有机含磷化合物的合成具有重要意义[22]：
5过氧化酮对含硫化合物的氧化 ○
Tamas等在合成头孢甘氨衍生物的过程中发现,头孢甘氨中的低价硫可以被过氧化酮高效地氧化为砜，并且发现通过小心控制氧化剂的用量,也可以使产物停留在亚砜的阶段[23]：
6过氧化酮对含氮化合物的氧化 ○
根据氮原子的结合状态的不同,氧化产物也有所不同，伯胺被过氧化酮氧化为硝基,仲胺被氧化为羟胺，叔胺被氧化为氧化胺：
22
Curci等在试验中观察到,腙经过氧化酮氧化可得到氰,反应收率相当高,速度也很快[24]。所得氰即使在过氧化酮过量的情况下也不能被进一步氧化：
Curci测定了a～d的Hammett反应常数ρ(－1.22),结果显示在反应过渡态中涉及亲电性的氧原子转移过程,接着Curci测定了PhCD＝NN(CH3)2的主级同位素效应,证明在控速步骤没有出现C—H的断裂,据此,Curci提出了一个两步反应机理：
吡啶经氧化得到相应的吡啶N-氧化物,反应条件温和,产率可达98%：
过氧化酮对其它含氮杂环化合物的氧化反应产率也比较高,如：
23
1.5.4 过氧化酮在不对称合成方面的应用
不对称合成是21 世纪化学学科中的热点之一,近几年,随着过氧化酮在不对称合成方面的研究展开,其应用潜力逐渐引起了人们的注意。Solladié-Cavallo等在trans-stilbene(4)和trans-methyl p-methoxycinnamate (5)的不对称环氧化过程中,使用了构象相对稳定的由手性环己酮衍生物(6～8)和化合物9制备的过氧化酮作为氧化剂[30]：
研究发现：与刚性结构的8相比,酮6,7,9不对称选择性略低。在此之前Solladié-Cavallo曾研究了酮10的不对称选择性,发现由于发生去对称性,酮10的不对称选择性较低(产率68%, ee值60%)。此外,与羰基α位有强吸电子基氟原子的6～8相比,酮9的稳定性较低。
利用廉价的天然手性源进行目标化合物的手性合成是一种重要的不对称合成方法。Shing 等研究了利用L-阿拉伯糖衍生物11-13 和14制备的过氧化酮对trans-stilbene的不对称环氧化[29],
24
结果如下表。表中数据显示:缩酮基团对其所催化的目标产物的ee值影响比较大,缩酮基团最大的12,其目标产物的ee值只有6%；位阻传感器的大小对不对称选择性有一定的影响,可以看到,当酮14的位阻传感器由4'-甲基苄基换成甲基(酮13)时,ee值由90%降至82%；手性酮的稳定性对目标化合物的产率影响很大,Shing等发现,酮11～14 在氧化反应进行的过程中也同时被降解,这是导致表5中氧化产率较低的一个很重要的因素,Shing等随后又重新合成并在酮的α位上引入吸电子的苯甲酰基、特戊酰基,手性酮的稳定性得以提高,收率普遍上升,最高可达93%,手性酮也可以回收利用。此外,pH值对反应的进行也有很大影响,Shing报道pH值在9～10 之间反应可以进行,高于或低于此值反应都不发生[29]。
1.5.5 过氧化酮氧化反应的影响因素
1氢键的影响和溶剂效应 ○
氢键对过氧化酮氧化参与的氧化反应的影响主要体现在对烯丙位含有羟基的化合物的立体选择性和区域选择性氧化方面, Freccero等对过氧化酮氧化参与的
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烯丙醇环氧化的过渡态进行了理论计算[28],结果表明:由于氢键的形成使过渡态的势能比无氢键形成时至少降低25 kJ/mol，此外氢键对反应速率还有很大影响,这主要体现在反应的溶剂化效应方面。Buxton等对不同溶剂条件下N,N-二甲基-4-硝基苯氨的氧化速率进行了研究[21],结果如下表：
从结果可以看到,在有水存在的条件下,反应速度大幅度上升,而pH值和离子强度影响较小。 Buxton等认为,这种反应速度的变化主要归因于溶剂和反应物过渡态的氢键作用,如：
所示。这种溶剂化效应在不饱和碳碳双键的环氧化和C-H的氧化方面都有过很多类似的报导。 2酸度的影响 ○
酸度对底物的氧化起很关键的作用,从现有的资料来看,有些反应表明在较强的酸度条件下氧化效率较高,而有些需要在偏碱性条件下才能进行,但偏酸偏碱都会使过氧环的稳定性降低。事实上,对大多数化合物氧化反应的研究表明,反应在近中性或略偏碱性条件下即可很好地完成, 这也是过氧化酮作为新兴氧化剂的独特之处。
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3温度的影响 ○
反应温度的提高有利于反应速度的加快,但过氧化酮的稳定性也会降低,产物也往往较复杂。一般情况下反应在0℃左右即可顺利进行。
1.5.6 小结
与传统氧化剂(比如硝酸、铬酸等)相比, 过氧化酮的优点在于具有更好的选择性:它更擅长在温和的条件下,在结构复杂的化合物分子上高度选择性地氧化人们所要求的基团或部位,这是一般氧化剂所很难达到的。目前,对过氧化酮的研究重心已经由基础理论研究逐渐转向实际应用研究方面。但过氧化酮本身存在的一些固有弱点,如:产率较低不稳定等,使其应用受到一定程度的限制；在机理研究方面还存在一些争论,有些还不够深入；在不对称合成方面,尽管Shing等利用果糖衍生的过氧化酮取得了令人满意的效果,但在利用阿拉伯糖葡萄糖等衍生的过氧化酮的不对称环氧化方面取得的结果并不理想,这些都有待进一步深入研究。可以预见,随着研究的不断深入,这种反应条件温和、选择性好、效率高的氧化剂必将在天然产物的合成及其结构改造、不对称合成以及仿生合成等方面发挥越来越大的作用。
27
2实验部分
2.1主要试剂与仪器：
试剂：
苯胺，分析纯；
3-溴-4-氨基甲苯，分析纯； 过硫酸氢钾复合盐，分析纯； 丙酮，试剂级； 碳酸钠，分析纯； 亚硫酸氢钠，分析纯 纯净水； 仪器：
核磁： MeRCURY-300 VARIAN
质谱： QP2010
SHIMADZU
高效液相色谱仪： LC-2010HT SHIMADZU
2.2实验内容
2.2.1苯胺氧化成硝基苯
本实验以过硫酸氢钾复合盐在丙酮溶液中，在碳酸钠存在的条件下，低温反应先制备出氧化剂环氧丙酮的丙酮溶液，然后将这一溶液不进行分离与提纯，直接滴加到苯胺的水溶液中，进行氨基氧化反应，从而直接得到硝基化合物。 1制备环氧丙酮 ○
将400mL丙酮和400ml重蒸水加入到2L的反应烧瓶中，开动搅拌，再加入0.4mol的碳酸钠，控温10-20度，再分10批加入0.2mol的过硫酸氢钾复合盐，反应过程温度不超过20度，加毕，继续搅拌1h后，备用； 2氨基氧化： ○
将0.02mol的苯胺加入到盛有100ml重蒸水的2L反应烧瓶中，开动搅拌， 降温至15-20度，将新制备的环氧丙酮缓慢滴加到其中，严格控制温度15-20度，滴加时间4～6h，加毕，薄层色谱跟踪至原料消失，反应结束，进行后处理； 3后处理及纯化： ○
将反应体系分批倒入4L的重蒸水中，体系呈均相；再分批加入亚硫酸氢钠，终止反应，直到淀粉碘化钾溶液不变蓝为止，常压浓缩体系至80度，降温，再加入200ml二氯甲烷萃取，分液，水相倒入废酸桶，统一处理，有机相常压浓缩至无馏分，再加入100ml水，水汽蒸馏后，馏分直接油水分离，得产物，2g， 纯度>98％（hplc）。 4结构鉴定 ○
从质谱图（下图）可知，m/z123为分子离子峰，所以可以知道化合物的分子量应
28
该为123。与合成终产物硝基苯的分子量一致，又综合考虑本次实验所用到的反应原料以及相对比较温和的实验条件，因此可以初步判断，此化合物就是我们的目标产物。
MS图谱：
通过质谱分析已经知道此化合物分子量为123， 并已初步判断合成产物与目标产物相一致，所以此化合物分子式应该为C6H5NO2。
通过此分子式计算不饱和度U=（2+2×6+1-5）/2=5，所以此分子式中可能有苯环。由核磁共振氢谱图可知化学位移在7.5-8.2之间，通过查阅各种质子化学位移简图可知苯环上的氢化学位移一般在6-8之间，所以又可以初步判断它们为苯环上的氢。
通过查阅文献资料可知，苯环上的邻位氢偶合常数在6-10之间，间位氢的偶合常数在1-4之间，对位氢的偶合常数在0-2之间，经过计算，此化合物氢之间的偶合常数（数据如下）与之符合。
综合质谱与核磁氢谱的分析，基本可以得出合成产物与目标产物结构一致的结论，即本次实验的终产物为硝基苯。
核磁共振氢谱图：
300 MHz 5.0 mol% in CCl4
H-NMR
29
Parameter ppm Hz δ(A) 8.193 δ(B) 7.519 δ(C) 7.650
J(A,A') 2.46 J(A,B) 8.35 J(A,B') 0.48 J(A,C) 1.17 J(A',B) 0.48 J(A',B') 8.35 J(A',C) 1.17 J(B,B') 1.47 J(B,C) 7.46 J(B',C) 7.46
30
5实验条件的优化 ○
1）环氧丙酮制备温度的影响
温度往往对化学反应挺有较大的影响，在此反应中，不同的温度对产物的收率以及纯度都有一定的影响。在加入过硫酸氢钾时间相同以及保温时间相同的情况下，通过在不同温度下的实验，对硝基苯的收率以及纯度做了对比。在本次平行实验中，分别在-10～-20度、0～10度、10～20度、20～30度四个水平上对实验结果进行了考察。 反应温度 加入oxone的时间 保温时间 硝基苯收率 纯度（HPLC） -10～-20度 4h 1h 75% 99% 0～10度 4h 1h 78％ 99% 10～20度 4h 1h 80％ 99% 20～30度 4h 1h 63％ 99% 由上表可知，反应温度较高，最终的氧化产物收率最低，可能的原因为环氧丙酮由于结构的不稳定性，在与主产物反应之前已经在体系内部分分解了，造成最终的数量不足；而-10～-20度和0～10度收率也偏低，可能的原因为生成环氧丙酮的速度较慢，而导致最终与主产物反应的环氧丙酮数量不足，收率下降；通过本次平行实验可以知道低温环境对氧化剂的稳定存在有很大的影响，但是相对不利于氧化剂的生成，会降低反应速度，从而使氧化剂生成量减少，影响主反应的收率。由本次试验可知，反应温度为10～20度比较适合。 2）过硫酸氢钾的用量对于反应的影响
本反应用连续反应的思路，将新制备的过氧化丙酮直接投入到下一步反应中去，而不进行氧化剂的分离与提纯，因此制备氧化剂的原料之一过硫酸氢钾与反应的主原料之间的当量比对反应结果也有一定的影响，因为反应体系中丙酮过量，所以过硫酸氢钾的量直接影响氧化剂的量，从而对终产物的收率产生影响。本次平行实验在3eq、5eq、7eq、10eq、以及15eq五个水平上对反应进行了研究。 与主原料比例 硝基苯收率 纯度（HPLC） 3eq 50％ 99％ 5eq 65％ 99％ 7eq 74％ 99％ 10eq 80％ 99％ 15eq 79％ 99％ 由上表可以知道以3eq，5eq，7eq的过硫酸氢钾进行反应，均存在苯胺无法完全消失的情况，产率比较低；以10eq的最好，而15eq显然已经过量，会造成不必要的资源浪费。因此，在工艺生产中选择了以10eq的过硫酸氢钾进行反应。 3）过硫酸氢钾与碳酸钠比例对于反应结果的影响
通过文献查阅以及实验验证，反应中加入适量的碳酸钠对于提高终产物的收率有很大帮助，本次平行实验在五个水平对这一影响因素进行了考察。 过硫酸氢钾与碳酸钠的比例 硝基苯收率 纯度（HPLC） 0.5 55％ 99％ 1 65％ 99％ 1.5 75％ 99％ 2 80％ 99％ 2.5 82％ 99％ 31
由上表可知，当过硫酸氢钾与碳酸钠的比例小于2时，体系中的苯胺出现较多的剩余，而当比例大于2时，反应进行的相对彻底；当过硫酸氢钾与碳酸钠的比例为2.5时收率最大，如果在工业生产中用及此步，从成本角度考虑，以2eq最为合适；
4）氨基氧化温度对于反应的影响
氨基的氧化为主反应步骤，反应温度会对终产物收率其较大的作用，应此寻找合适的温度对本次研究尤为重要。本次平行实验在-10～-20、0～5、10～20、25～35度四个温度水平对这一影响因素进行了考察。 温度（度） 反应时间（h） 硝基苯收率 纯度 -10～-20 0～5 10～20 25～35 7 7 7 7 70％ 78％ 82％ 80％ 99％ 99％ 99％ 99％ 由表可知，该反应在-10～35度均可正常进行；但在10～20度进行时，收率最高，也比较容易达到与控制，由此可见10～20度为反应的适宜温度。 5）优化条件下的实验：
以20eq的碳酸钠和10eq的oxone，在丙酮和水中反应，制备得到环氧丙酮，反应时间4h，然后立即在10～20度的条件下，滴加到苯胺的水溶液中，反应时间7h，经分离后，得到产物；结果见下表： 实验序列 产量（g） 收率 纯度（HPLC） 1 1 75％ 99％ 2 2 80％ 99％ 3 10 82％ 99％ 4 20 85％ 99％ 5 100 88％ 99％ 由表可知，在优化后的平行反应上，收率随实验的放大逐渐提高，可能是由于后处理过程中，由于硝基苯具有挥发性，量小时，后处理过程中，损失率比较大，因此，通过该反应，我们稳定地得到了85～88％收率的硝基化合物；
2.2.2由3-溴-4-氨基甲苯合成3-溴-4-硝基甲苯
为了进一步证实本实验思路的可行性，进行另一个氨基化合物3-溴-4-氨基甲苯的氧化。其实验原理、实验过程与苯胺的氧化基本一致，实验条件以上一步反应的优化结果为依据，并考虑到3-溴-4-氨基甲苯的基本性质有些微改进。 1制备环氧丙酮 ○
将400mL丙酮和400ml重蒸水加入到2L的反应烧瓶中，开动搅拌，再加入0.4mol的碳酸钠，控温10～20度，再分10批加入0.2mol的过硫酸氢钾复合盐，温度不操作20度，加毕，继续搅拌1h后，备用； 2氨基氧化： ○
将0.01mol的3-溴-4-氨基甲苯加入到盛有50ml重蒸水的1L反应烧瓶中，
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开动搅拌， 降温至15～20度，将制备的环氧丙酮缓慢滴加到其中，严格控制温度10～15度，滴加时间2～3h，加毕，TLC跟踪至原料消失，反应结束，进行后处理；
3后处理及纯化： ○
将反应体系分批倒入2L的重蒸水中，呈均相；再分批加入亚硫酸氢钠，直到淀粉碘化钾溶液不变兰为止，常压浓缩体系至80度，降温，再加入100ml二氯甲烷萃取，分液，水相倒入废酸桶，统一处理，有机相常压浓缩至无馏分，再加入50ml水，水汽蒸馏后，馏分直接油水分离，得产物，1.84g， 纯度>98％，收率85.2%,其它指标均合格；
2.3小结
氨基经用新制备的环氧丙酮氧化后，高收率地得到硝基物；最佳的优化条件为20eq碳酸钠，10eq的过硫酸氢钾复合物，1eq氨基物，20kl/mol的丙酮， 进行反应，收率达到88％，纯度>99%; 该方法再进一步优化后，具有工业生产价值。
3结论
很多硝基化合物的不能通过直接硝化的方法得到，或者合成工艺中有许多不足之处，从而使这一反应路径在实际的工业生产中受到限制。在目前已有的直接硝化得到硝基化合物的有关研究中，多数的氧化条件比较难以控制，或者氧化剂难以制备，从而限制了其工艺的更为广泛的应用。因此寻找一种比较温和的氧化氨基化合物的方法尤为重要。利用过氧化丙酮氧化氨基在国内的实际应用还比较少，主要原因是生产工艺还不十分成熟，通过文献调研，发现国际上对应用过氧化物直接氧化氨基化合物已经有了一些研究，在此基础上，我们运用了连续反应的思路，将生成的氧化剂不进行分离与提纯，而是直接投入下一步的氧化反应中去，这样既节省了成本，又避免了氧化剂在贮存以及运输中的危险性。并且，这种连续反应的思路并没有影响到终产物的收率。通过对实验条件的优化，我们获得了比较高收率高纯度的产物，研究结果还发现，随着实验规模的放大，收率有着提高的趋势，在优化的实验条件下，本工艺在工业生产中可能会有较大的应用价值。
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