β-环糊精水溶液对底物的绿色氧化选择性及机理研究

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随着绿色化学越来越受关注,采用环境友好的氧化剂如分子氧、过氧化氢等,选择合适的催化剂和有效的反应路径,使用对环境少毒或无毒的溶剂,生产环境友好的精细化学品的清洁生产是氧化过程发展的必然趋势。   水作为自然界最丰富的资源,如果能以水作为溶剂替代有机溶剂,其意义不言而喻。但以水作为溶剂最核心的问题是许多有机物在水中的溶解度太小。外亲水、内疏水的“锥简”状空腔的β-CD在有机反应体系中不仅仅有增溶作用,还可能具有由羟基与反应底物的相互作用所产生的催化作用,以及由此产生的β-CD与反应底物的相互作用对于反应选择性的影响。   本论文重点研究β-CD与有机化合物的包结性能以及在水溶液中β-CD与反应底物的相互作用而产生的选择性催化氧化。主要内容包括:   1.CD的结构特征,性质和β-CD在液相有机反应中的应用。   2.借助紫外-可见分光光度法、FT-IR、1H NMR等表征手段及结合Gaussian等量子化学计算软件研究β-CD与苯甲醇、苯甲胺、苯甲硫醚、苯乙烯、苯乙炔和苯甲醛等的含不同官能团的有机化合物的相互作用,研究表明β-CD都能与上述有机物形成包结比为1:1的包结物,且稳定常数的大小次序为:苯甲硫醚>苯甲胺>苯甲醇>苯甲醛>苯乙烯>苯乙炔,采用FT-IR和1H NMR结果对包结形态进行了推测,且推测结果与能量最小化计算结果一致。   3.β-CD选择性催化氧化对甲氧基苯甲醛制备对甲氧基苯酚。β-环糊精可与对甲氧基苯甲醛和对甲氧基苯酚形成包结物,使反应速率降低,有效地保护甲氧基,防止其继续反应,提高反应的选择性。采用1H NMR,UV-Vis,FT IR对β-环糊精与对甲氧基苯甲醛的相互作用进行表征分析,发现在水相中β-环糊精与对甲氧基苯甲醛可以自发地形成摩尔比为1:1的包结物,其吉布斯函变△γGme(298K)为-14.705 kJ.·ol-1,稳定常数Ka为377,结合FT-IR分析推测出包结物中醛基较多地位于β-环糊精空腔的小口端。   4.β-CD催化空气氧化合成2-苯基苯并咪唑。系统地研究了反应温度、β-环糊精的量、不同的加料方式和不同空间位阻的苯甲醛对反应的影响。采用UV-Vis、1H-NMR对β-环糊精与邻苯二胺和苯甲醛的相互作用进行表征分析,发现β-环糊精更易与邻苯二胺形成包结物,从而显著地提高了反应的选择性,在60℃β-糊精加入时,反应的收率从68%提高到95%。1H-NMR表征和能量最小化计算证实苯甲醛从小口端进入β-环糊精空腔,与停留在β-环糊精空腔内的邻苯二胺反应。
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