微波辅助合成了取代席夫碱铜金属卟啉。 实验结果表明,取代苯甲醛与四(对氨基苯基)铜金属卟啉的缩合反应速率和产率与芳香醛取代基的种类有关,含吸电子基团的芳香醛大于含给电子基团的芳香醛,且随吸电子性的增强而增加,随给电子性的增强而减少。 水杨醛席夫碱铜金属卟啉侧链可与铜离子在碱性条件下形成铜配合物,其催化氧化环己烷的转化率达到了7.68%,环己酮的选择性达到了60.87%。
Cu(Ⅱ) meso-tetra(Schiff-base substituted phenyl)porphyrins were synthesized under microwave heating. The experimental results show that the species of substituents on substituted benzaldehyde affect the condensation reaction rates and yields between benzaldehyde and Cu(Ⅱ) meso-5,10,15,20-tetrakis(4-aminophenyl)porphyrin. Cu complex can be formed between the side-chain of salicylaldehyde-Schiff base copper metalloporphyrin and copper ions in alkaline conditions. The conversion and the selectivity of its catalytic oxidation of cyclohexane to cyclohexanone is up to 7.68% and 60.87%, respevtively.
具备优异光电效应[1]、特定生物功能[2]、良好理化性能[3]的有机大分子卟啉类化合物被广泛应用于生物科学、医药科学、材料科学、催化科学等领域[4, 5, 6, 7]。 人们不断研究新型功能型卟啉并将其应用于切割DNA、太阳能电池、工业催化剂甚至动物饲料上[8, 9, 10, 11]。 席夫碱及其金属配合物被视为一种高效催化剂, 大大提高了烯烃催化环氧化产率[12, 13], 同时席夫碱还被视为一类高活性抑菌剂[14, 15, 16]。 席夫碱-卟啉类化合物作为一类链接卟啉与席夫碱优良性能的功能大分子化合物, 具有广阔的研究价值与应用价值。 近年来, 席夫碱卟啉类化合物得到了广泛关注[18, 19], 在工业催化[20]、分析科学[21]以及功能大分子[22, 23]等领域应用广泛, 研究席夫碱金属卟啉的合成与性质意义重大。
本文以对硝基苯甲醛为原料微波合成了四(对硝基苯基)卟啉, 经氯化亚锡还原得到四(对氨基苯基)卟啉并制备了其铜金属卟啉。 并利用微波辅助合成了取代席夫碱铜金属卟啉, 研究了取代基对席夫碱-金属卟啉合成产率的影响并优化了合成路线, 利用紫外-可见光分光光度法研究了水杨醛席夫碱铜金属卟啉在碱性条件下与铜离子的配合过程。制备了水杨醛席夫碱铜金属卟啉-铜配合物, 研究了其对环己烷的催化氧化反应。
DRX300MHz型超导核磁共振仪(CDCl3、DMSO-d6为溶剂, TMS为内标, 瑞士Bruker公司); GC6890型气相色谱仪(美国Agilent公司); Vario型元素分析仪(德国Elementar公司); UV-2450型紫外可见分光光度计(日本Shimadzu公司); RE-501型旋转蒸发仪(郑州合众仪器有限公司); ZF-20D型暗箱式紫外分析仪(巩义市予华仪器有限责任公司); Baker-flex型薄层色谱板(德国Merck公司); FAB-MS型质谱仪(美国Venigen公司)。 实验所用试剂均为分析纯。
1.2.1 Meso-5, 10, 15, 20-四(对硝基苯基)卟啉的合成 方法一:将15.1 g(0.1 mol)对硝基苯甲醛加入到500 mL反应瓶中, 加入300 mL丙酸, 8 mL乙酸酐, 加热溶解, 加入6.7 g(0.1 mol)吡咯, 回流4 h, 冷却至室温, 抽滤, 甲醇洗涤, 干燥, 将所得的紫黑色固体加入到200 mL吡啶中, 回流30 min, 趁热抽滤, 甲醇洗涤, 将所得的紫色固体用THF煮沸, 加入大量甲醇, 冷却抽滤, 甲醇洗涤。 干燥得4.87 g紫色固体(收率24.51%)。
方法二:将1.51 g(0.01 mol)对硝基苯甲醛加入到50 mL反应瓶中, 加入30 mL丙酸, 0.8 mL乙酸酐, 加热溶解, 加入0.67 g(0.01 mol)吡咯, 微波反应20 min。 后处理同方法一(收率26.43%)。 mp > 300 ℃, C44H26O8N8元素分析值(计算值)/%:C 66.52(66.50), H 3.34(3.30), N 14.04(14.10); UV-Vis(DMF), λ max/nm(lg ε ):423(5.33), 515(4.10), 551(3.83), 590(3.69), 646(3.53)。
1.2.2 Meso-5, 10, 15, 20-四(对氨基苯基)卟啉的合成 将7.95 g(10 mmol)四(对硝基苯基)卟啉加入到1000 mL反应瓶中, 加入250 mL浓盐酸, 搅拌溶解, 加入35 g SnCl2· 2H2O, 80 ℃下反应30 min, 冷却后加入250 mL水, 搅拌片刻后抽滤, 滤饼用6 mol/L的盐酸洗涤, 将滤饼热溶于水中, 用NaOH溶液调pH值至7, 再用浓氨水调至8, 抽滤, 水洗, 干燥。 用V(乙酸乙酯)∶ V(丙酮)=5∶ 1硅胶柱层析, 收集酒红色部分, 旋干得6.41 g紫色固体(收率94.96%)。 mp > 300 ℃, C44H34N8元素分析值(计算值)/%:C 78.27(78.32), H 5.11(5.08), N 16.65(16.61); 1H NMR(300 MHz, DMSO-d6), δ :-2.76(bs, 2H, NH), 5.53(s, 8H, NH2), 6.97(d, 8H, m-Ar2H), 7.81(d, 8H, O-Ar2H), 8.87(s, 8H, β CH); UV-Vis(DMF), λ max/nm(lg ε ):427.5(5.46), 522.5(4.04), 564(4.09), 597(3.56), 656(3.76)。
1.2.3 Meso-5, 10, 15, 20-四(对氨基苯基)铜金属卟啉的合成 将6.75 g(10 mmol)四(对氨基苯基)卟啉溶于15 mL DMF中, 加入0.05 mol乙酸铜, 回流反应30 min, 冷却至室温, 加入大量水, 二氯甲烷萃取3次, 有机相干燥后硅胶柱层析, 流动相为二氯甲烷, 收集紫红色部分旋干得7.12 g紫红色晶体(收率96.74%)。 mp > 300 ℃, C44H32N8Cu元素分析值(计算值)/%:C 71.72(71.77), H 4.36(4.38), N 15.27(15.22); UV-Vis(CH2Cl2), λ max/nm(lg ε ):424(5.47), 543.5(4.27), 584.5(3.94)。
1.2.4 取代席夫碱铜金属卟啉的合成 方法一:将0.74 g(1 mmol)四(对氨基苯基)铜金属卟啉溶于15 mL DMF中, 加入4 mmol取代苯甲醛, 微波反应。 冷却至室温, 加入大量水, 二氯甲烷萃取3次, 有机相干燥后硅胶柱层析, 流动相为二氯甲烷, 收集紫红色带旋干得紫红色晶体。
方法二:将0.74 g(1 mmol)四(对氨基苯基)铜金属卟啉溶于15 mL DMF中, 加入4 mmol取代苯甲醛, 加热回流反应, 后处理方法一。 实验结果如表1所示。
1.2.5 水杨醛席夫碱铜金属卟啉催化剂的制备 水杨醛席夫碱铜金属卟啉催化剂的制备类似文献[20]报道的方法。 将0.57 g(0.5 mmol)水杨醛席夫碱铜金属卟啉(化合物5)溶于15 mL二氯甲烷中, 加入15 mL含0.08 g(2 mmol)NaOH的甲醇溶液, 加入2 mmol乙酸铜, 回流反应0.5 h, 冷却析出大量固体, 抽滤得紫色固体。
实验所得产品通过质谱、元素分析与紫外可见光谱表征。 表征数据如表1所示。
![]() | 表1 取代席夫碱铜金属卟啉表征结果 Table 1 The characterization of Cu(Ⅱ )meso-tetra(Schiff-base substituted phenyl)porphyrins |
从表1可以看出, 微波条件大大加快了缩合反应速率, 所得卟啉的产率相对提高。 取代苯甲醛与四(对氨基苯基)铜金属卟啉的缩合反应速率和产率与芳香醛取代基的性质有关, 含吸电子基团的芳香醛大于含给电子基团的芳香醛, 且随吸电子性的增强而增加, 随给电子性的增强而减少。 可能是吸电子基团增强了芳香醛中羰基的活性, 使得氨基更容易进攻羰基碳, 然后脱去一分子水形成席夫碱。
图2为中性条件下取代基对席夫碱铜金属卟啉化合物的紫外-可见光吸收光谱, 四(对氨基苯基)铜金属卟啉的Soret带及取代席夫碱-铜金属卟啉的Soret带出现在424 nm左右。然而, 水杨醛席夫碱-铜金属卟啉的Soret带出现在421 nm, 羟基处于对位或间位的席夫碱-铜金属卟啉并未引起Soret带的紫移, 可能是邻位羟基和
![]() | 图2 取代席夫碱铜金属卟啉化合物紫外-可见光吸收光谱Fig.2 The UV-Vis absorption of Cu(Ⅱ )meso-tetra(Schiff-base substituted phenyl)porphyrins |
图3为水杨醛席夫碱铜金属卟啉与铜离子形成金属卟啉-铜配合物动力学过程。 从图3可知, 水杨醛席夫碱铜金属卟啉在氢氧化钠的作用下, 与铜离子再次发生反应, 体系紫外可见光吸收再次发生变化, Soret带强度不断下降, 从0.75降至0.46, 并发生红移, 从421.5 nm红移至425 nm。 两个Q带发生红移, 分别为541 nm红移至545 nm, 578 nm红移至588 nm。 可能是在氢氧化钠的作用下邻位羟基变成了酚氧负离子, 增加了亲核活性, 更有利于侧链与铜离子配位, 分子间配位形成复杂的配合物[20], 同时酚氧负离子的给电子效应使得卟啉环共轭体系的电子云密度增大, π 电子被激发需要的能量降低, 因而紫外-可见光吸收光谱整体发生了红移。 从Soret带和Q带可以断定, 当加入碱后, 金属卟啉中心铜并没有脱落, 否则Q带将变为4个, 此时侧链席夫碱上的羟基和N与铜离子发生配合, 可能具备新的化学活性。 席夫碱金属配体是一类良好的催化剂[12, 13, 20], 铜金属卟啉亦有催化活性, 卟啉环的共轭效应又增加了体系的稳定性, 水杨醛席夫碱铜金属卟啉-铜配合物可能具备良好的催化效果。
近年来, 环己烷的催化氧化研究得到广泛关注[24]。 根据不同的催化剂, 其转化率在0.6%17%之间, 且对于转化率较高的催化剂, 环己酮的选择性最高只能达到48%[25], 席夫碱金属卟啉类催化剂催化氧化环己烷的转化率及其对环己酮的选择性较为理想[20]。 本文将150 mL环己烷加入到反应瓶中, 加入水杨醛席夫碱铜金属卟啉-铜配合物催化剂, 通入O2气, 10 min后加热保持80 ℃恒温, 每隔1 h取样1次, 样品处理后采用气相色谱仪分析, 反应30 h, 实验结果如图4所示。 催化活性大小为:水杨醛席夫碱铜金属卟啉-铜配合物> 水杨醛席夫碱铜金属卟啉> CuTAPP, 且催化氧化150 mL环己烷所使用的水杨醛席夫碱铜金属卟啉-铜配合物催化剂的量以15 mg为宜, 环己烷的转化率达到了7.68%。 从图1可以看出, 铜配体中心具有较高的催化活性, 而铜卟啉环中心可能为反应过程中产生的自由基提供了稳定的载体, 增强了自由基的存在时间, 从而使得自由基能充分发生有效反应, 催化剂过量可能会引起副反应的增加。 另外, 图4中1~20 h段产率增速较慢, 20~25 h过程的产率增速较快, 可能是前期自由基浓度较低, 环己烷的自由基氧化速率较慢, 随着反应的进行, 且卟啉环共轭效应又保证了这些自由基的稳定存在性, 自由基浓度不断增大, 环己烷转化率提升较快。
![]() | 表2 各时段的转化率及选择性 Table 2 The conversion and selectivity in different time |
表2为15 mg水杨醛席夫碱铜金属卟啉-铜配合物催化氧化环己烷各时段的转化率及选择性。 随着反应时间的进行, 环己烷的转化率不断提高, 环己酮的选择性不断增加, 环己醇的选择性有所降低, 副产物含量不断增加, 可能是环己醇被进一步氧化所致。 常压条件下, 环己烷的催化氧化时间在24 h为宜。
关于水杨醛席夫碱铜金属卟啉-铜配合物催化氧化环己烷可能的机理如图5所示。 高温条件下, O2气、环己烷与催化剂中心铜离子产生某种中间体, 接着O— O键裂解产生环己基氧自由基与羟基自由基, 前者与环己烷作用产生环己醇与环己基自由基, 后者与卟啉环中心铜离子配位产生更稳定的自由基, 然后再与环己烷作用产生环己基自由基, 释放一分子水后变回水杨醛席夫碱铜金属卟啉-铜配合物催化剂。 体系产生的环己基自由基与环己基过氧化氢作用产生环己基过氧自由基并释放一分子环己烷, 环己基自由基还可与氧分子形成环己基过氧自由基, 两分子环己基过氧自由基相互作用产生环己酮与环己醇并释放一分子氧[25]。
取代苯甲醛与四(对氨基苯基)铜金属卟啉的缩合反应速率和产率与芳香醛取代基的性质有关, 含吸电子基团的芳香醛大于含给电子基团的芳香醛, 且随吸电子性的增强而增加, 随给电子性的增强而减少。 微波反应能大大加快席夫碱卟啉的形成, 且产率有所提高。 水杨醛席夫碱铜金属卟啉侧链在碱性条件下可与铜离子形成铜配合物, 其催化氧化环己烷的转化率可达到7.68%, 环己酮的选择性可达到60.87%。
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