楊孟昕，楊英杰，康文超，盧金榮

(華北理工大學化學工程學院，河北　唐山　063009)

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綠色合成β-甲基萘醌的研究進展*

楊孟昕，楊英杰，康文超，盧金榮

(華北理工大學化學工程學院，河北唐山063009)

β-甲基萘醌為維生素K3，是K類維生素的重要中間體，臨床上用于防治出血、解痙、鎮(zhèn)痛。本文主要敘述了以β-甲基萘為原料，用綠色方法(過氧化物氧化法、高效催化劑法、離子液體法、間接電氧化法)合成β-甲基萘醌的研究進展，總結(jié)了各個方法的優(yōu)缺點進而提出合理的建議，并探討了利用綠色化學法制備β-甲基萘醌的發(fā)展前景。

β-甲基萘；β-甲基萘醌；綠色合成方法

2-甲基-1,4-萘醌，又名β-甲基萘醌、維生素K3，是K類維生素的重要中間體。維生素K3具有K類維生素中最高的止血活性，治療用途與維生素K相同，臨床上用于防治出血、解痙、鎮(zhèn)痛，此外還可用于某些癌癥的輔助治療。

β-甲基萘醌在自然界中提取難度大，一般由化學合成得到。合成β-甲基萘醌的重要原料β-甲基萘易從煤焦油或石油裂解渣油中直接提取，來源豐富，因此利用β-甲基萘合成β-甲基萘醌，提升β-甲基萘的附加值具有重大意義。由β-甲基萘制備β-甲基萘醌傳統(tǒng)的生產(chǎn)工藝，是在β-甲基萘的冰醋酸溶液中，用鉻酐氧化制得，此方法不僅產(chǎn)生大量的含鉻廢水、對環(huán)境污染十分嚴重，而且目標產(chǎn)品收率低、選擇性差、生產(chǎn)成本較高、反應后的副產(chǎn)物難以分離和循環(huán)利用[1]。因此，開發(fā)目標產(chǎn)物收率高、成本低、投資少、環(huán)保安全性好的綠色合成新工藝一直是國內(nèi)外學者研究的熱點和方向[2]。為了開發(fā)收率高、綠色環(huán)保和安全性好的合成方法和工藝，研究的重點是氧化劑和催化劑以及氧化方法。筆者以無毒氧化劑和腐蝕性較小的酸性催化劑為出發(fā)點，對過氧化物氧化法、高效催化劑法、離子液體法、間接電氧化法這幾個方法合成β-甲基萘醌進行總結(jié)，進而尋求更高效、綠色的合成方法。

1　過氧化物氧化法

1.1過氧乙酸氧化法

根據(jù)目前的研究，在過氧乙酸介質(zhì)條件下合成β-甲基萘醌的途徑主要有兩種：一是過氧化氫與冰乙酸直接混合，氧化β-甲基萘制備β-甲基萘醌；二是過氧化氫氧化乙酸酐生成過氧乙酸，再由過氧乙酸氧化生成β-甲基萘醌。兩種方法的實質(zhì)都是利用過氧乙酸氧化制備β-甲基萘醌。印度學者 Sankarasubbier等[3]在冰乙酸介質(zhì)中用60%的過氧化氫直接氧化β-甲基萘, 反應在100 ℃下持續(xù)約3 h, 在不需要任何催化劑的情況下, 產(chǎn)物的選擇性可達 90% 以上?？凳縿偟萚4]同樣利用過氧化氫在冰乙酸介質(zhì)中無催化劑直接氧化β-甲基萘的方法，進一步改善反應條件，使β-甲基萘的轉(zhuǎn)化率高達88.66%，選擇性相對較低。過氧化氫氧化法收率較高，還原產(chǎn)物為水，不會對反應體系引入雜質(zhì)，屬于環(huán)境友好型氧化法。但是，過氧化氫消耗大，生產(chǎn)成本高，而且反應溫度高，過氧化氫受熱易發(fā)生爆炸產(chǎn)生危險[5]。同時，大量使用冰乙酸作溶劑，對設備腐蝕性太強。所以，過氧化氫氧化法目前未得到推廣應用。楊靈莉[6]用30%的雙氧水和冰乙酸制得的過氧乙酸氧化β-甲基萘制備β-甲基萘醌，通過實驗發(fā)現(xiàn)β-甲基萘醌的產(chǎn)率大約為30%左右，由實驗數(shù)據(jù)得出過氧乙酸氧化法生產(chǎn)β-甲基萘醌可行，但產(chǎn)率不高。這是因為過氧乙酸不穩(wěn)定，易分解為水、氧氣和乙酸，氧化活性降低，如果工業(yè)生產(chǎn)用此法的話，過氧乙酸需現(xiàn)配現(xiàn)用，導致生產(chǎn)工藝繁瑣，耗時較長。

王鳳軍[7]在雙氧水、冰乙酸體系中加入相轉(zhuǎn)移催化劑四丁基溴化銨，通過研究得出了優(yōu)化條件，即溫度90 ℃，反應時間4 h，n(β-甲基萘):n(CH3COOH)為l:20，n(β-甲基萘):n(H2O2)為1:11，m(C16H36BrN):m(β-甲基萘)為1:2，在該條件下，β-甲基萘的轉(zhuǎn)化率為93.3%，β-甲基萘醌的收率為58.2%。相比于前者的研究，加入相轉(zhuǎn)移催化劑能夠使兩相反應物分子更易充分接觸反應，提高反應速率，進而影響β-甲基萘醌的收率?？凳縿偟萚8]以四丁基溴化銨為例對相轉(zhuǎn)移催化劑的用量進行了實驗分析，發(fā)現(xiàn)隨催化劑量的增加，當四丁基溴化銨的質(zhì)量達到與原料β-甲基萘用量的比值為1:22時，β-甲基萘醌的轉(zhuǎn)化率和收率存在一個最大值，分別可達93.29%和58.23%，當催化劑用量再增加或減少時，目標產(chǎn)物的轉(zhuǎn)化率和收率均下降。筆者認為這是因為催化劑用量少時不滿足反應所需，而用量過多時造成過度氧化，使得產(chǎn)率下降。Wolfgang等[9]在以醋酸為介質(zhì)，甲基三氧化錸為催化劑的條件下，用乙酸酐和過氧化氫催化氧化β-甲基萘制備β-甲基萘醌。反應溫度為40 ℃，反應時間為4 h，β-甲基萘的轉(zhuǎn)化率為89%，β-甲基萘醌的收率為52%。此法所使用的催化劑價格昂貴且不能得到回收再利用，成本太高不適于推廣到工業(yè)生產(chǎn)。

1.2間氯過氧苯甲酸氧化法

2014年，黑曉明等[10]報道了一種以冰乙酸為介質(zhì)，用間氯過氧苯甲酸氧化β-甲基萘制備β-甲基萘醌的新方法，此發(fā)明中β-甲基萘和間氯過氧苯甲酸的分子摩爾比為1:2.2，反應溫度為25 ℃，反應時間為45 min，β-甲基萘的轉(zhuǎn)化率達到80%，β-甲基萘醌的產(chǎn)率可達31%。這種新方法具有時間短，條件溫和，產(chǎn)物易分離的特點，且過程中不采用催化劑，減少了能源消耗和環(huán)境污染，適用于工業(yè)生產(chǎn)。因此，此法有待于進一步研究，包括氧化的選擇性和最佳的反應條件。

2　高效催化劑法

2.1雜多酸催化劑

雜多酸是一種多功能的新型催化劑，即有酸催化性能，又具有氧化還原催化性能，具有獨特穩(wěn)定的分子結(jié)構(gòu), 并且雜多酸對環(huán)境無污染，對設備腐蝕性小，是一類很有發(fā)展前途的綠色催化劑[11]。靳會杰等[12]以磷鉬釩雜多酸V1 (H4PMO11V1O40)為催化劑，混合一定量的過氧化氫氧化β-甲基萘，通過實驗得到較佳的反應條件為：雜多酸:2-MN(質(zhì)量比)=7%, 乙酸:2-MN(質(zhì)量比)=10.5:1, 雙氧水:2-甲基萘(摩爾比)=4.2:1, 反應時間為30 min，較適宜的溫度為40～50 ℃。雜多酸的使用拓展了催化劑的適用范圍，為找到高效環(huán)保的工藝反應條件提供了新的思路。

2.2分子篩

Taramasso等[13]在1983年首次提出了具有新催化性能的催化材料TS-1(鈦硅分子篩)，分子篩催化劑具有的優(yōu)點有：①高效：催化反應進行，增大反應速率，節(jié)省時間。②溫和：反應不需要太高的溫度且在常壓下進行。③綠色：不會向反應體系中引入雜質(zhì)，產(chǎn)物不會污染環(huán)境。④選擇性高：特有的擇形性使得產(chǎn)率更高?；谶@些優(yōu)勢，分子篩催化劑成為了近些年來廣大科研者研究的熱點。

TS-1屬于沸石分子篩的一種，是將鈦原子同晶取代硅原子，和硅鋁分子篩ZM-5一樣具有MFI結(jié)構(gòu)的含鈦雜原子分子篩，骨架中心的Ti4+中心使其具有優(yōu)異的催化氧化性能，尤其是在H2O2存在的體系中選擇性催化氧化性能顯著[14-15]。劉興泉等[16]曾以TS-1為催化劑，冰乙酸為介質(zhì)，用30% H2O2催化氧化β-甲基萘，反應溫度為70～85 ℃，反應時間為2～4 h，β-甲基萘醌收率可達78%以上，β-甲基萘的轉(zhuǎn)化率可達83%，選擇性可達94%以上。他們認為這主要歸因于TS-1的選擇性催化作用，目前該反應過程仍在研究中，并無再進行報道。李東軍等[17]以(NH4)2WO4為鎢源制備的WO3/HMS分子篩為催化劑在H2O2體系中合成β-甲基萘醌，在反應溫度為353 K，反應時間為6 h，n(H2O2)/n(β-甲基萘)為18和n(Si)/n(W)為30，催化劑用量為0.3 g/mL(以HAc為基準)的條件下，β-甲基萘醌的選擇性和收率分別為51.7%和46.9%。此法和TS-1法雖然催化效果優(yōu)異，但其合成條件苛刻不易獲得，而且金屬及模板劑價格較昂貴，資金消耗大。因此，利用TS-1和WO3/HMS的催化反應領域還需進一步的研究，具有巨大的挑戰(zhàn)。

Narender等[18]和Zi等[19]分別用硒和鑭摻雜硅基介孔分子篩(Se-MCM-41和La-MCM-41)作催化劑，在雙氧水和乙酸條件下，催化β-甲基萘氧化成β-甲基萘醌，收率達到70%以上。他們認為，稀土金屬鑭修飾的硅分子篩具有單一分散性，均一孔分布和較大孔體積，并且金屬摻雜后有利于與過氧乙酸作用生成自由基，促進氧化過程的發(fā)生(圖1)。Se-MCM-41和La-MCM-41與TS-1具有規(guī)則孔道和較大孔徑的特點，合成材料和工藝昂貴，并且熱穩(wěn)定性差，影響催化反應的穩(wěn)定性，此法如果能改善熱穩(wěn)定性差的缺點的話，能夠在催化氧化領域有空前的發(fā)展前景。

圖1　鑭摻雜MCM-41催化氧化β-甲基萘機理Fig.1　Mechanism of oxidation β-naphthalene with MCM-41 doped with Lanthanum

2.3空氣催化氧化

將空氣和有機物的蒸氣以適當比例混合，在較高的溫度下(300～500 ℃)，通過固體催化劑(或稱觸媒)，使有機物發(fā)生適度氧化而生成所希望的產(chǎn)物，這類反應稱為空氣催化氧化法[20]?？諝饨佑|催化與化學氧化相比具有不需要消耗價格昂貴的氧化劑，反應速度較快，無污染等特點。趙雪飛等[21]以β-甲基萘為原料, 經(jīng)過浸漬-干燥-脫水-焙燒四個階段得到以V2O5為主體的催化劑, 采用氣相催化氧化法制備β-甲萘醌。在較適宜的實驗條件下, 得到β-甲基萘的轉(zhuǎn)化率最高可達到69%, β-甲基萘醌的選擇率最高可達12%。張芳等[22]采用浸漬法制備了五氧化二釩為活性組分、二氧化硅為載體的復配金屬催化劑，通過空氣流動催化氧化β-甲基萘制備β-甲基萘醌。此催化劑有較好的催化活性，反應超過218 h，仍保持較高的催化活性。空氣催化氧化法雖然可以實現(xiàn)連續(xù)化生產(chǎn)，而且生產(chǎn)過程無污染，但由于β-甲基萘醌的收率低、副產(chǎn)物多，且副產(chǎn)物分離復雜，因此目前未進行工業(yè)化生產(chǎn)。

3　離子液體法

離子液體因其在有機化學的綠色合成方面顯示出的潛在利用價值成為了近年來綠色化學研究的熱點。離子液體相比于傳統(tǒng)的有機溶劑、水、超臨界流體有許多優(yōu)點[23]： (1)對許多無機和有機材料具有良好的溶解力，利于均相反應進行；(2)熱穩(wěn)定性好，蒸汽壓小，不易揮發(fā)；(3)提供了特殊的反映環(huán)境，可能改變反應機理，使催化劑效果更好，反應的轉(zhuǎn)化率、選擇性更高；(4)易于產(chǎn)物分離和剩余離子液體的回收；(5)易于制備，價格便宜。

針對目前國內(nèi)外合成β-甲基萘醌的方法，離子液體主要應用于替代傳統(tǒng)工藝中的乙酸反應介質(zhì)。楊建國等[24]首次以磷酸酸化的離子液體催化劑([SO3H-BPy][H2PO4]、[SO3H-BNEt3][H2PO4]、[SO3H-BMNO][H2PO4]或[SO3HBmim][H2PO4])用于制備β-甲基萘醌，實驗方法為以β-甲基萘為原料，醋酸為介質(zhì)、30%的H2O2為氧化劑及磷酸酸化的離子液體為催化劑，其中：β-甲基萘、醋酸和H2O2的摩爾比控制在1:2.5～6.5:2.7～5.3，催化劑用量占反應體系質(zhì)量分數(shù)的0.5%～7.5%，90 ℃時將H2O2在20 min內(nèi)滴入反應體系，并保持該溫度反應兩小時，該方法產(chǎn)率可達61%，此發(fā)明的優(yōu)點在于離子液體的制備快速、高效，合成β-甲基萘醌的反應速度快，不產(chǎn)生含鉻廢水。離子液體作為一種新的綠色溶劑，首先成功的避免了傳統(tǒng)工藝中乙酸對設備的腐蝕和對環(huán)境的污染；其次由于離子液體與有機溶劑有較好的溶解力，它能與 β-甲基萘和β-甲基萘醌很好的溶解在一起，構(gòu)成反應均相體系，使氧化劑能與β-甲基萘充分的接觸反應，提高了反應速率，增加了β-甲基萘醌的產(chǎn)率。離子液體的高活性、高選擇性為β-甲基萘醌的合成提供了新的綠色制備方向。

4　間接電氧化法

5　結(jié)　語

β-甲基萘醌是K類維生素的重要中間體，維生素K 系化合物作用明顯且用途廣泛，而目前我國β-甲基萘醌的生產(chǎn)工藝落后、規(guī)模較小、污染嚴重。合成新工藝的研究開發(fā)亟需進展，在合成技術(shù)方面, 應重視已具工業(yè)化前景的氣相氧化法, 以及高效催化劑的開發(fā)及相應工藝條件的探索。同時, 應重點開發(fā)工藝簡單、條件溫和、后處理簡單、選擇性高、無污染、成本低的合成新技術(shù)。將β-甲基萘醌的生產(chǎn)工藝和綠色合成方法緊密聯(lián)合起來，隨著過氧化物氧化法、高效催化劑法、離子液體法、間接電氧化法等綠色合成技術(shù)的發(fā)展，以及在工業(yè)化生產(chǎn)中的應用推廣，β-甲基萘醌將會有良好的應用前景和發(fā)展?jié)摿Α?/p>

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Research Progress on Green Synthesis of β-methylnaphtho-quinon*

YANG Meng-xin， YANG Ying-jie， KANG Wen-chao， LU Jin-rong

(College of Chemical Engineering，North China University of Science and Technology，HebeiTangshan063009，China)

β-methylnaphtho-quinon as vitamin K3, is an important intermediate kind of vitamin K and used in the cases of strong bleedings, antispasmodic and analgesic. The progress in the synthesis of β-methylnaphtho-quinon from β-methyl naphthalene as raw material was described, such as green method (peroxide oxidation, efficient catalysts, ion liquid, indirect electro-oxidation method). In addition, the various advantages and disadvantages of the method were summarized and reasonable proposals were put forward to explore the use of green chemical method. Prospects of green synthesis were also discussed.

β-methyl naphthalene; β-methylnaphtho-quinon; green synthesis

華北理工大學2015年大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目(X2015119)資助。

盧金榮(1985-)，女，博士學歷，主要研究有機功能材料的合成及應用，煤下游產(chǎn)品開發(fā)。

O621.3

A

1001-9677(2016)09-0013-04