周 爽 董永銘 姜 恒 李 飛 宮 紅

(遼寧石油化工大學化學與材料科學學院，撫順 113001)

0 引 言

硫醚類化合物在醫(yī)藥、農藥以及香精香料等眾多領域中用途廣泛[1-16]。硫醇與環(huán)氧乙烷反應[17]可實現(xiàn)在硫原子上的β-羥乙基化反應，由于環(huán)氧乙烷活性太高，生成的2-羥乙基烷基硫醚會繼續(xù)與環(huán)氧乙烷反應生成含有多個-CH2CH2O-單元的聚醚副產物。此外，環(huán)氧乙烷沸點(10.8℃)太低，其蒸汽能與空氣形成范圍廣闊的爆炸性混合物，在儲存、運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的熔點和沸點分別為36和248℃，并且EC廉價易得，反應的副產物為二氧化碳，在常溫常壓下為氣體，很容易與產物分離。據我們所知，目前還沒有采用脂肪族硫醇和EC為原料合成烷基β-羥乙基硫醚的文獻報道。已有的文獻報道均為苯硫酚和EC反應制備芳基-β-羥乙基硫醚，早期的2篇文獻采用K2CO3為催化劑[18-19]，2-苯硫基乙醇產率約70%。近期的文獻報道采用Na-X沸石催化苯硫酚與EC反應[20]，但存在的問題是反應時間過長(24 h)，反應溫度較高(140℃)。

堿金屬無機酸鹽作為堿性催化劑可應用于CO2固定[21-22]、酯交換[23-24]和許多其他有機合成反應[25]。然而，堿金屬鹽作為堿催化劑催化硫醇轉化的研究報道非常少。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反應用于制備2-羥乙基烷基硫醚。因此，有必要對不同的堿金屬陽離子以及不同的陰離子對該催化反應性能的影響進行系統(tǒng)研究，以期深入理解催化反應機理。

1 實驗部分

1.1 實驗材料

無水偏硅酸鉀(K2SiO3)購自Alfa Aesar，其他堿金屬無機酸鹽(分析純)均購自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驗室自制，采用固體酸催化劑在固定床反應器中催化正辛醇和正十二醇與H2S反應，產品精餾后純度大于99.99%(GC)。苯硫酚為自制，采用固體酸催化劑在固定床反應器中催化苯酚與H2S反應，產品精餾后純度大于99.9%(GC)。分析純試劑碳酸乙烯酯 (EC)、正己硫醇、巰基乙醇、和糠硫醇均購自aladdin。

1.2 催化反應

將計量好的催化劑、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(內置導熱油)，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。設置油浴溫度為70～120℃并將油浴升溫，當溫度升至50℃時，EC完全熔化，此時開啟磁力攪拌，攪拌速度600 r·min-1，用量筒監(jiān)控從排水瓶排出的水量，從而實時監(jiān)控二氧化碳氣體釋放量。當二氧化碳氣體不再釋放時停止反應，將反應物冷卻至室溫。產物通過水洗脫除催化劑，然后進行氣相色譜分析轉化率和選擇性。

1.3 分析方法

用Autosystem XL型氣相色譜儀(Perkin-Elmer)分析產物組成。色譜柱為WAX ETR毛細管柱(Perkin-Elmer，30 m ×0.32 mm (ID)×0.25 μm df，Crossbond Carbowax-PEG)，F(xiàn)ID檢測器，汽化室溫度280℃，檢測器溫度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℃。高純氮氣作載氣，載氣流速4 mL·min-1。采用日本理學D/max-RB X射線衍射儀測定測試催化劑晶相。Cu Kα輻射(λ=0.154 nm)，閃爍計數器前加石墨彎晶單色器，管壓：40 kV，管流：100 mA，2θ=5°～70°，測角儀半徑為185 mm，光闌系統(tǒng)為DS=SS=1°，RS=0.15 mm。NaI閃爍晶體探測器。每個樣品填入深度為0.5 mm的玻璃試樣架中，表面用光滑的平板玻璃壓實。采用θ～2θ連續(xù)掃描方式，步長0.02°，掃描速度 (2θ)4°·min-1。 采 用 美 國 PerkinElmer 公 司Spectrum GX傅里葉變換紅外光譜儀(FTIR)測定鉀鹽催化劑反應前后的變化，KBr壓片法測定。

2 結果與討論

2.1 堿金屬無機酸鹽催化活性對比分析

對于硫醇中硫原子的β-羥乙基化，巰基與EC的亞甲基碳之間應該存在強相互作用。然而，巰基的親核性不足以與亞甲基碳相互作用。因此，對于與亞甲基的強相互作用，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，對硫醇的β-羥乙基化有活性的催化劑應具有與巰基形成氫鍵的強烈傾向，從而增強巰基的親核性。表1的實驗結果表明，在無催化劑的條件下，正辛硫醇與EC不發(fā)生反應(Entry 1)。各種堿金屬無機酸鹽對正辛基硫醇與EC的β-羥乙基化反應的催化活性表明，在陰離子相同的情況下，鉀鹽的催化活性高于相應的鈉鹽(催化過程中釋放CO2的動力學曲線見圖S1～S10，Supporting Information)，而鋰鹽則無催化活性(Entry 2和4)，這可以從表1中的反應時間、CO2釋放總量以及n-C8H17SH轉化率的數據對比中可明顯觀察到，說明堿金屬鹽的催化活性與其堿性有關。

Li+、Na+和K+離子可以被認為是類似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離子的變化表現(xiàn)出不同的堿性的原因，即陽離子的路易斯酸度越強，對應的鹽的堿性越低。根據軟硬酸堿理論，較軟的親核試劑與較軟的中心反應，而硬親核試劑優(yōu)選與硬親電子試劑反應[28]。K+離子半徑大、極化率相對較高，通常被認為是軟酸，而Li+和Na+可被認為是硬酸。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中的硫原子可被認為是軟堿。-SH中的氫原子原子半徑小、極化率低，被認為是一種硬酸。M3PO4和M2CO3中的O2-，離子半徑小且極化率高，被認為是一種硬堿。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；而Na+與-SH中硫原子的作用相對較弱，Li+無法活化-SH。

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

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

對于鉀鹽(KA)而言，不同的無機酸陰離子A-也對催化活性有較大的影響。KA的催化活性與其相應的共軛酸HA的pKa存在一定程度上的正相關性。當KA的共軛酸HA的pKa1在0.91～9.77范圍內，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(正辛硫醇轉化率均高于90%)，而K4P2O7對應的共軛酸酸性相對較強(pKa1=0.91)，因此K4P2O7的催化活性相對較弱。在表1所列舉的鉀鹽中，K2SO4的催化活性最低(Entry 23)，的轉化率僅為34.2%，并且Na2SO4無催化活性 (entry 21)，這是因為其共軛酸H2SO4的酸性太強(pKa1=-3.00)。KA對應的共軛酸的酸性越弱，KA的堿性就越強，反之亦然。根據圖1(b)，A-的堿性越強，越容易與H+結合，平衡向右移動的傾向較大。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的實驗數據可看出，無水Na3PO4(Entry 3)催化活性遠高于Na3PO4·12H2O(Entry 5)，無水K3PO4(Entry 4)的反應時間比 K3PO4·3H2O(Entry 6)的反應時間相對縮短，這可從CO2釋放的動力學曲線(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結構見圖S11，Supporting Information)，從而導致Na3PO4·12H2O活化硫醇的活性減弱。在反應溫度(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。這些實驗結果進一步證實了圖1中所建議的機理。

圖2 無水和水合Na3PO4(A)與K3PO4(B)催化過程中釋放CO2動力學曲線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的初期催化反應速率略高于K3PO4·3H2O，但在反應后期K3PO4·3H2O催化反應釋放CO2體積略高于無水K3PO4。這表明K3PO4·3H2O在催化反應過程中可能發(fā)生了化學變化，因為K3PO4本身堿性很強，而反應過程中不斷生成CO2，CO2本身為酸性氣體。為證實這一點，將催化反應后的混合物用PTFE微孔濾膜過濾，濾出的催化劑粉末經CH2Cl2洗滌后采用XRD對回收的催化劑進行檢測，結果見圖3。從圖3可看出，K3PO4·3H2O在催化反應過程中生成了 K2HPO4·3H2O(PDF No.25-640)。FTIR對比分析結果表明，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在催化反應過程中按Eq.(1)和Eq.(2)發(fā)生了化學變化，生成K2CO3同時進一步轉化為KHCO3。為進一步證實上述實驗結果，以K2CO3為催化劑，反應結束后對過濾回收的催化劑進行了紅外光譜分析，通過FTIR對比分析結果可知 (圖S13，Supporting Information)，回收的K2CO3催化劑部分轉化為KHCO3，說明K2CO3在催化反應過程中按Eq.(2)發(fā)生了化學變化。K3PO4·3H2O催化反應后期實際上起催化作用的活性物種為KHCO3。表1中實驗數據表明，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度順序為K3PO4(pKb=1.6)＞K2CO3(pKb≈3.75)＞K2HPO4(pKb=6.8)＞KH2PO4(pKb=11.9)[21],這與表1中n-C8H17SH的轉化率以及CO2釋放量一致。

2.2 不同分子結構硫醇的反應活性

為了進一步證實鉀鹽催化劑活化-SH的機理，以無水磷酸鉀為催化劑，在不同反應溫度下，考察了6種不同分子結構硫醇化合物對β-羥乙基化反應的影響(表2)。其中苯硫酚的反應速率最快且反應溫度最低，在70℃下即可達到99.6%。正構脂肪族硫醇的反應活性最低且反應溫度最高(120℃)。糠基硫醇的反應活性大于巰基乙醇，二者的反應活性均高于正構脂肪族硫醇的反應活性。

不同分子結構硫醇的反應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]。苯硫酚相對較強的酸性無疑是歸因于共振效應，其中C6H5S-離子中的硫原子的負電荷離域進入芳環(huán)，K3PO4活化C6H5SH生成C6H5S-所需的能壘較低，因此在較低的反應溫度(70℃)下即可發(fā)生快速反應。

由于烷基的供電子效應，正構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]，可以預測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℃下反應的反應時間和正己硫醇的轉化率相差不大，而正辛硫醇在110℃下的反應時間比在120℃時延長了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℃反應溫度下，正十二硫醇的反應時間相對長于正己硫醇和正辛硫醇，也可能間接證明正構脂肪族硫醇的酸度隨碳鏈的增加而降低的結論。

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)正構脂肪族硫醇之間，其相對較強的酸性可歸因于HO-基團的遠程吸電子作用[32]，從表2中可看出，在120和110℃下反應的反應時間幾乎相同，盡管在100℃下2-巰基乙醇的轉化率略低?？妨虼嫉幕钚员?-巰基乙醇的更高，反應溫度在80℃下糠硫醇的轉化率即可達到92.4%。盡管無法獲取糠硫醇的pKa文獻報道數據，可以預測的是：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程吸電子作用，同時也與呋喃環(huán)具有芳香性有關。

2.3 催化反應機理探討

基于以上實驗結果和理論分析，圖4展示了鉀鹽(KA)催化硫醇的β-羥乙基化反應機理。無機酸陰離子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-作為親核試劑進攻EC中的-CH2-基團缺電子中心碳原子，使來自EC中的C-O鍵斷裂，釋放CO2的同時生成RSCH2CH2O-K+中間物，中間物H+A-和RSCH2CH2O-K+發(fā)生復分解反應生成目標產物，同時催化劑得以還原，從而完成催化循環(huán)。必須強調的是：根據軟硬酸堿理論，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，更容易進攻-CH2-中的碳原子，這就是表1和表2中目標產物β-羥乙基硫醚具有高選擇性(＞99%)的原因。

3 結 論

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

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

(3)根據軟硬酸堿理論提出了MA活化R-SH的機理。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，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反應的催化性能，其中苯硫酚的反應活性最高，β-巰基乙醇的反應活性居中，正構脂肪族硫醇的活性相對較弱，這與硫醇化合物的酸性強弱成正相關性。亦即，硫醇的酸性越強，其反應活性越高，SH鍵越容易解離。

與文獻報道的硫醇的β-羥乙基化反應相比，KA催化硫醇與EC的β-羥乙基化反應具有如下優(yōu)點：

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

(2)無含鹵素化合物參與反應，無鹵素鹽副產物生成；

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

(4)KA催化劑廉價易得且KA具有良好的水溶性，通過水洗即可脫除催化劑。