堿金屬無機(jī)酸鹽催化的硫醇的β-羥乙基化反應(yīng)

周 爽 董永銘 姜 恒 李 飛 宮 紅

(遼寧石油化工大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院，撫順 113001)

0 引 言

硫醚類化合物在醫(yī)藥、農(nóng)藥以及香精香料等眾多領(lǐng)域中用途廣泛[1-16]。硫醇與環(huán)氧乙烷反應(yīng)[17]可實(shí)現(xiàn)在硫原子上的β-羥乙基化反應(yīng)，由于環(huán)氧乙烷活性太高，生成的2-羥乙基烷基硫醚會(huì)繼續(xù)與環(huán)氧乙烷反應(yīng)生成含有多個(gè)-CH2CH2O-單元的聚醚副產(chǎn)物。此外，環(huán)氧乙烷沸點(diǎn)(10.8℃)太低，其蒸汽能與空氣形成范圍廣闊的爆炸性混合物，在儲(chǔ)存、運(yùn)輸和使用過程均存在安全隱患。采用碳酸乙烯酯(EC)替代環(huán)氧乙烷也可合成β-羥乙基硫醚，EC的熔點(diǎn)和沸點(diǎn)分別為36和248℃，并且EC廉價(jià)易得，反應(yīng)的副產(chǎn)物為二氧化碳，在常溫常壓下為氣體，很容易與產(chǎn)物分離。據(jù)我們所知，目前還沒有采用脂肪族硫醇和EC為原料合成烷基β-羥乙基硫醚的文獻(xiàn)報(bào)道。已有的文獻(xiàn)報(bào)道均為苯硫酚和EC反應(yīng)制備芳基-β-羥乙基硫醚，早期的2篇文獻(xiàn)采用K2CO3為催化劑[18-19]，2-苯硫基乙醇產(chǎn)率約70%。近期的文獻(xiàn)報(bào)道采用Na-X沸石催化苯硫酚與EC反應(yīng)[20]，但存在的問題是反應(yīng)時(shí)間過長(zhǎng)(24 h)，反應(yīng)溫度較高(140℃)。

堿金屬無機(jī)酸鹽作為堿性催化劑可應(yīng)用于CO2固定[21-22]、酯交換[23-24]和許多其他有機(jī)合成反應(yīng)[25]。然而，堿金屬鹽作為堿催化劑催化硫醇轉(zhuǎn)化的研究報(bào)道非常少。我們發(fā)現(xiàn)，與芳香族硫醇相比，盡管脂肪族硫醇的酸性較弱，但一些鉀鹽催化劑可高效催化脂肪族硫醇與EC反應(yīng)用于制備2-羥乙基烷基硫醚。因此，有必要對(duì)不同的堿金屬陽(yáng)離子以及不同的陰離子對(duì)該催化反應(yīng)性能的影響進(jìn)行系統(tǒng)研究，以期深入理解催化反應(yīng)機(jī)理。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

無水偏硅酸鉀(K2SiO3)購(gòu)自Alfa Aesar，其他堿金屬無機(jī)酸鹽(分析純)均購(gòu)自aladdin。K3PO4·3H2O在 400℃下熱分解 3 h制備無水 K3PO4，Na3PO4·12H2O在250℃下熱分解3 h制備無水Na3PO4，二者置于干燥器中備用。正辛硫醇和正十二硫醇為本實(shí)驗(yàn)室自制，采用固體酸催化劑在固定床反應(yīng)器中催化正辛醇和正十二醇與H2S反應(yīng)，產(chǎn)品精餾后純度大于99.99%(GC)。苯硫酚為自制，采用固體酸催化劑在固定床反應(yīng)器中催化苯酚與H2S反應(yīng)，產(chǎn)品精餾后純度大于99.9%(GC)。分析純?cè)噭┨妓嵋蚁?(EC)、正己硫醇、巰基乙醇、和糠硫醇均購(gòu)自aladdin。

1.2 催化反應(yīng)

將計(jì)量好的催化劑、硫醇(RSH)(110 mmol)、碳酸乙烯酯(EC)(112.2 mmol)和磁力攪拌子放入到單口燒瓶中并將其置于集熱式恒溫加熱磁力攪拌器中(內(nèi)置導(dǎo)熱油)，連接冷凝管，并將冷凝管與5 L排水瓶相連，排水瓶中放置3.5 L飽和碳酸氫鈉水溶液。設(shè)置油浴溫度為70～120℃并將油浴升溫，當(dāng)溫度升至50℃時(shí)，EC完全熔化，此時(shí)開啟磁力攪拌，攪拌速度600 r·min-1，用量筒監(jiān)控從排水瓶排出的水量，從而實(shí)時(shí)監(jiān)控二氧化碳?xì)怏w釋放量。當(dāng)二氧化碳?xì)怏w不再釋放時(shí)停止反應(yīng)，將反應(yīng)物冷卻至室溫。產(chǎn)物通過水洗脫除催化劑，然后進(jìn)行氣相色譜分析轉(zhuǎn)化率和選擇性。

1.3 分析方法

用Autosystem XL型氣相色譜儀(Perkin-Elmer)分析產(chǎn)物組成。色譜柱為WAX ETR毛細(xì)管柱(Perkin-Elmer，30 m ×0.32 mm (ID)×0.25 μm df，Crossbond Carbowax-PEG)，F(xiàn)ID檢測(cè)器，汽化室溫度280℃，檢測(cè)器溫度260℃，色譜條件：程序升溫，初始柱溫80℃，以10℃·min-1升溫速率升至210℃。高純氮?dú)庾鬏d氣，載氣流速4 mL·min-1。采用日本理學(xué)D/max-RB X射線衍射儀測(cè)定測(cè)試催化劑晶相。Cu Kα輻射(λ=0.154 nm)，閃爍計(jì)數(shù)器前加石墨彎晶單色器，管壓：40 kV，管流：100 mA，2θ=5°～70°，測(cè)角儀半徑為185 mm，光闌系統(tǒng)為DS=SS=1°，RS=0.15 mm。NaI閃爍晶體探測(cè)器。每個(gè)樣品填入深度為0.5 mm的玻璃試樣架中，表面用光滑的平板玻璃壓實(shí)。采用θ～2θ連續(xù)掃描方式，步長(zhǎng)0.02°，掃描速度 (2θ)4°·min-1。 采 用 美 國(guó) PerkinElmer 公 司Spectrum GX傅里葉變換紅外光譜儀(FTIR)測(cè)定鉀鹽催化劑反應(yīng)前后的變化，KBr壓片法測(cè)定。

2 結(jié)果與討論

2.1 堿金屬無機(jī)酸鹽催化活性對(duì)比分析

對(duì)于硫醇中硫原子的β-羥乙基化，巰基與EC的亞甲基碳之間應(yīng)該存在強(qiáng)相互作用。然而，巰基的親核性不足以與亞甲基碳相互作用。因此，對(duì)于與亞甲基的強(qiáng)相互作用，巰基需要通過能夠形成氫鍵或與巰基鍵合的催化劑活化。換句話說，對(duì)硫醇的β-羥乙基化有活性的催化劑應(yīng)具有與巰基形成氫鍵的強(qiáng)烈傾向，從而增強(qiáng)巰基的親核性。表1的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在無催化劑的條件下，正辛硫醇與EC不發(fā)生反應(yīng)(Entry 1)。各種堿金屬無機(jī)酸鹽對(duì)正辛基硫醇與EC的β-羥乙基化反應(yīng)的催化活性表明，在陰離子相同的情況下，鉀鹽的催化活性高于相應(yīng)的鈉鹽(催化過程中釋放CO2的動(dòng)力學(xué)曲線見圖S1～S10，Supporting Information)，而鋰鹽則無催化活性(Entry 2和4)，這可以從表1中的反應(yīng)時(shí)間、CO2釋放總量以及n-C8H17SH轉(zhuǎn)化率的數(shù)據(jù)對(duì)比中可明顯觀察到，說明堿金屬鹽的催化活性與其堿性有關(guān)。

Li+、Na+和K+離子可以被認(rèn)為是類似H+的Lewis酸，并且酸性隨著離子尺寸的增加而降低(圖1a)[27]，這就是具有相同陰離子的堿金屬鹽隨堿金屬陽(yáng)離子的變化表現(xiàn)出不同的堿性的原因，即陽(yáng)離子的路易斯酸度越強(qiáng)，對(duì)應(yīng)的鹽的堿性越低。根據(jù)軟硬酸堿理論，較軟的親核試劑與較軟的中心反應(yīng)，而硬親核試劑優(yōu)選與硬親電子試劑反應(yīng)[28]。K+離子半徑大、極化率相對(duì)較高，通常被認(rèn)為是軟酸，而Li+和Na+可被認(rèn)為是硬酸。正辛硫醇的-SH中的硫原子原子半徑較大、極化率較高，因此-SH中的硫原子可被認(rèn)為是軟堿。-SH中的氫原子原子半徑小、極化率低，被認(rèn)為是一種硬酸。M3PO4和M2CO3中的O2-，離子半徑小且極化率高，被認(rèn)為是一種硬堿。因此，K3PO4和K2CO3更容易活化正辛硫醇分子(圖1(b))，生成RSK+活性中間物，平衡傾向于向右移動(dòng)；而Na+與-SH中硫原子的作用相對(duì)較弱，Li+無法活化-SH。

表1 堿金屬無機(jī)酸鹽(MA)催化正辛基硫醇與EC的β-羥乙基化反應(yīng)的活性Table 1 Activity of alkali metal mineral acid salts(MA)catalyzed β-hydroxyethylation of n-octyl mercaptan with ECa

圖1 堿金屬陽(yáng)離子的路易斯酸度(a)和MA活化R-SH的機(jī)理(b)Fig.1 Lewis acidity of alkali metal cations(a)and the proposed activation mechanism of R-SH with MA(b)

對(duì)于鉀鹽(KA)而言，不同的無機(jī)酸陰離子A-也對(duì)催化活性有較大的影響。KA的催化活性與其相應(yīng)的共軛酸HA的pKa存在一定程度上的正相關(guān)性。當(dāng)KA的共軛酸HA的pKa1在0.91～9.77范圍內(nèi)，各種KA的具有較好的催化活性，其中磷酸鉀(Entry 4)、碳酸鉀(Entry 12)、四硼酸鉀(Entry 15)、鉬酸鉀(Entry 17)和錫酸鉀(Entry 19)的催化活性最高(正辛硫醇轉(zhuǎn)化率均高于90%)，而K4P2O7對(duì)應(yīng)的共軛酸酸性相對(duì)較強(qiáng)(pKa1=0.91)，因此K4P2O7的催化活性相對(duì)較弱。在表1所列舉的鉀鹽中，K2SO4的催化活性最低(Entry 23)，的轉(zhuǎn)化率僅為34.2%，并且Na2SO4無催化活性 (entry 21)，這是因?yàn)槠涔曹椝酘2SO4的酸性太強(qiáng)(pKa1=-3.00)。KA對(duì)應(yīng)的共軛酸的酸性越弱，KA的堿性就越強(qiáng)，反之亦然。根據(jù)圖1(b)，A-的堿性越強(qiáng)，越容易與H+結(jié)合，平衡向右移動(dòng)的傾向較大。必須指出的是，表1中KCl和KBr的催化活性與其共軛酸pKa(分別為-8.00和-9.00)的關(guān)聯(lián)不符合上述規(guī)律，但二者的催化活性比K2SO4的活性高很多，這可能歸因于Cl-和Br-的離子半徑較小的緣故。

從表1的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可看出，無水Na3PO4(Entry 3)催化活性遠(yuǎn)高于Na3PO4·12H2O(Entry 5)，無水K3PO4(Entry 4)的反應(yīng)時(shí)間比 K3PO4·3H2O(Entry 6)的反應(yīng)時(shí)間相對(duì)縮短，這可從CO2釋放的動(dòng)力學(xué)曲線(圖2)中明顯觀察到。由于H2O分子中的HOδ-和Hδ+分別與 Na3PO4中的 Na+和 PO43-相互作用(Na3PO4·12H2O結(jié)構(gòu)見圖S11，Supporting Information)，從而導(dǎo)致Na3PO4·12H2O活化硫醇的活性減弱。在反應(yīng)溫度(120℃)下，隨著水分子的逐步解離，裸露出來的Na+和PO43-得以活化n-C8H17SH分子中的巰基。這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步證實(shí)了圖1中所建議的機(jī)理。

圖2 無水和水合Na3PO4(A)與K3PO4(B)催化過程中釋放CO2動(dòng)力學(xué)曲線Fig.2 Kinetic curves of CO2release during the catalytic reaction by hydrous and anhydrous Na3PO4(A)與K3PO4(B)

圖3 回收K3PO4·3H2O催化劑與新鮮K3PO4·3H2O催化劑的XRD圖比較Fig.3 Comparison of XRD patterns of the spent K3PO4·3H2O catalyst with fresh K3PO4·3H2O

從圖2可看出，盡管無水K3PO4的初期催化反應(yīng)速率略高于K3PO4·3H2O，但在反應(yīng)后期K3PO4·3H2O催化反應(yīng)釋放CO2體積略高于無水K3PO4。這表明K3PO4·3H2O在催化反應(yīng)過程中可能發(fā)生了化學(xué)變化，因?yàn)镵3PO4本身堿性很強(qiáng)，而反應(yīng)過程中不斷生成CO2，CO2本身為酸性氣體。為證實(shí)這一點(diǎn)，將催化反應(yīng)后的混合物用PTFE微孔濾膜過濾，濾出的催化劑粉末經(jīng)CH2Cl2洗滌后采用XRD對(duì)回收的催化劑進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果見圖3。從圖3可看出，K3PO4·3H2O在催化反應(yīng)過程中生成了 K2HPO4·3H2O(PDF No.25-640)。FTIR對(duì)比分析結(jié)果表明，回收的催化劑FTIR中除K2HPO4特征峰外，還出現(xiàn)了KHCO3特征峰(圖 S12，Supporting Information)。由于反應(yīng)生成大量的酸性氣體CO2，在痕量水的作用下，K3PO4·3H2O在催化反應(yīng)過程中按Eq.(1)和Eq.(2)發(fā)生了化學(xué)變化，生成K2CO3同時(shí)進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為KHCO3。為進(jìn)一步證實(shí)上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果，以K2CO3為催化劑，反應(yīng)結(jié)束后對(duì)過濾回收的催化劑進(jìn)行了紅外光譜分析，通過FTIR對(duì)比分析結(jié)果可知 (圖S13，Supporting Information)，回收的K2CO3催化劑部分轉(zhuǎn)化為KHCO3，說明K2CO3在催化反應(yīng)過程中按Eq.(2)發(fā)生了化學(xué)變化。K3PO4·3H2O催化反應(yīng)后期實(shí)際上起催化作用的活性物種為KHCO3。表1中實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，KHCO3的催化活性也很高 (Entry 13)，而K2HPO4·3H2O無催化活性(Entry 8)。磷酸鉀鹽和碳酸鉀鹽的堿度強(qiáng)度順序?yàn)镵3PO4(pKb=1.6)＞K2CO3(pKb≈3.75)＞K2HPO4(pKb=6.8)＞KH2PO4(pKb=11.9)[21],這與表1中n-C8H17SH的轉(zhuǎn)化率以及CO2釋放量一致。

2.2 不同分子結(jié)構(gòu)硫醇的反應(yīng)活性

為了進(jìn)一步證實(shí)鉀鹽催化劑活化-SH的機(jī)理，以無水磷酸鉀為催化劑，在不同反應(yīng)溫度下，考察了6種不同分子結(jié)構(gòu)硫醇化合物對(duì)β-羥乙基化反應(yīng)的影響(表2)。其中苯硫酚的反應(yīng)速率最快且反應(yīng)溫度最低，在70℃下即可達(dá)到99.6%。正構(gòu)脂肪族硫醇的反應(yīng)活性最低且反應(yīng)溫度最高(120℃)。糠基硫醇的反應(yīng)活性大于巰基乙醇，二者的反應(yīng)活性均高于正構(gòu)脂肪族硫醇的反應(yīng)活性。

不同分子結(jié)構(gòu)硫醇的反應(yīng)活性可能歸因于硫醇的酸性差異。苯硫酚的pKa(水中25℃條件下，以下同)為6.61[29-30]。苯硫酚相對(duì)較強(qiáng)的酸性無疑是歸因于共振效應(yīng)，其中C6H5S-離子中的硫原子的負(fù)電荷離域進(jìn)入芳環(huán)，K3PO4活化C6H5SH生成C6H5S-所需的能壘較低，因此在較低的反應(yīng)溫度(70℃)下即可發(fā)生快速反應(yīng)。

由于烷基的供電子效應(yīng)，正構(gòu)脂肪族硫醇的酸度隨碳鏈的增加而降低，甲硫醇、乙硫醇和正丙基硫醇的 pKa分別為 10.30、10.50和 10.65[31]，可以預(yù)測(cè)的是高碳脂肪硫醇的酸性更弱。從表2可看出，正己硫醇在120和110℃下反應(yīng)的反應(yīng)時(shí)間和正己硫醇的轉(zhuǎn)化率相差不大，而正辛硫醇在110℃下的反應(yīng)時(shí)間比在120℃時(shí)延長(zhǎng)了3倍多。這可能間接證明了正辛硫醇的酸性弱于正己硫醇。同樣在120℃反應(yīng)溫度下，正十二硫醇的反應(yīng)時(shí)間相對(duì)長(zhǎng)于正己硫醇和正辛硫醇，也可能間接證明正構(gòu)脂肪族硫醇的酸度隨碳鏈的增加而降低的結(jié)論。

表2 K3PO4催化的各種硫醇化合物的β-羥乙基化Table 2 β-hydroxyethylation of various thiol compounds with EC catalyzed by K3PO4

2-巰基乙醇的 pKa為 9.43～9.7[31]，顯然，2-巰基乙醇的酸性介于苯硫酚和高碳(≥C6)正構(gòu)脂肪族硫醇之間，其相對(duì)較強(qiáng)的酸性可歸因于HO-基團(tuán)的遠(yuǎn)程吸電子作用[32]，從表2中可看出，在120和110℃下反應(yīng)的反應(yīng)時(shí)間幾乎相同，盡管在100℃下2-巰基乙醇的轉(zhuǎn)化率略低。糠硫醇的活性比2-巰基乙醇的更高，反應(yīng)溫度在80℃下糠硫醇的轉(zhuǎn)化率即可達(dá)到92.4%。盡管無法獲取糠硫醇的pKa文獻(xiàn)報(bào)道數(shù)據(jù)，可以預(yù)測(cè)的是：糠硫醇的pKa一定小于2-巰基乙醇，略高于苯硫酚，這不僅僅歸因于氧原子的遠(yuǎn)程吸電子作用，同時(shí)也與呋喃環(huán)具有芳香性有關(guān)。

2.3 催化反應(yīng)機(jī)理探討

基于以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果和理論分析，圖4展示了鉀鹽(KA)催化硫醇的β-羥乙基化反應(yīng)機(jī)理。無機(jī)酸陰離子A-作為堿性中心活化RSH中巰基的氫原子，生成中間物H+A-，而K+對(duì)生成的RS-具有穩(wěn)定能力。RSH分子中的S-H鍵發(fā)生斷裂而生成RS-。RS-作為親核試劑進(jìn)攻EC中的-CH2-基團(tuán)缺電子中心碳原子，使來自EC中的C-O鍵斷裂，釋放CO2的同時(shí)生成RSCH2CH2O-K+中間物，中間物H+A-和RSCH2CH2O-K+發(fā)生復(fù)分解反應(yīng)生成目標(biāo)產(chǎn)物，同時(shí)催化劑得以還原，從而完成催化循環(huán)。必須強(qiáng)調(diào)的是：根據(jù)軟硬酸堿理論，EC分子中的-CH2-中的碳原子屬于軟酸，而羰基碳原子屬于硬酸[33]，RS-屬于軟堿，更容易進(jìn)攻-CH2-中的碳原子，這就是表1和表2中目標(biāo)產(chǎn)物β-羥乙基硫醚具有高選擇性(＞99%)的原因。

3 結(jié) 論

考察了各種堿金屬無機(jī)酸鹽 (MA，M=Li+，Na+，K+)對(duì)催化正辛硫醇與EC的β-羥乙基化反應(yīng)的活性，得出如下結(jié)論：

(1)陰離子相同的MA中，鉀鹽催化活性最高，而Li鹽無催化活性，Na鹽的催化活性居中。

(2)在各種無機(jī)酸鉀鹽(KA)中，A-的共軛酸酸性越強(qiáng)，KA的催化能力越弱，反之亦然。

(3)根據(jù)軟硬酸堿理論提出了MA活化R-SH的機(jī)理。M+的離子半徑可極化率越低，越容易活化-SH中的S原子；A-的堿性越強(qiáng)，越容易活化-SH中的H原子。

以無水K3PO4為催化劑，考察了各種硫醇化合物與EC反應(yīng)的催化性能，其中苯硫酚的反應(yīng)活性最高，β-巰基乙醇的反應(yīng)活性居中，正構(gòu)脂肪族硫醇的活性相對(duì)較弱，這與硫醇化合物的酸性強(qiáng)弱成正相關(guān)性。亦即，硫醇的酸性越強(qiáng)，其反應(yīng)活性越高，SH鍵越容易解離。

與文獻(xiàn)報(bào)道的硫醇的β-羥乙基化反應(yīng)相比，KA催化硫醇與EC的β-羥乙基化反應(yīng)具有如下優(yōu)點(diǎn)：

(1)反應(yīng)條件溫和，通過監(jiān)控CO2的釋放量即可判斷反應(yīng)進(jìn)行的程度；

(2)無含鹵素化合物參與反應(yīng)，無鹵素鹽副產(chǎn)物生成；

(3)RSH與EC的物質(zhì)的量之比為1∶1.02，接近理論量，反應(yīng)無溶劑參與，且產(chǎn)物β-羥乙基硫醚的選擇性大于99%，產(chǎn)物的后處理無需復(fù)雜的分離過程；

(4)KA催化劑廉價(jià)易得且KA具有良好的水溶性，通過水洗即可脫除催化劑。