本發(fā)明涉及光催化氧化合成技術(shù)領(lǐng)域。更具體地，涉及一種利用光催化氧化萘酚類化合物合成萘醌類化合物的方法。
背景技術(shù)：
胡桃醌天然存在于胡桃科植物中，主要從黑胡桃果實(shí)及胡桃楸樹青果皮提取而來(lái)，具有抗HIV病毒、抗腫瘤、降血糖、抗真菌、消炎鎮(zhèn)痛、抑制植物病原菌生長(zhǎng)、抑制食品中常見(jiàn)致病菌和腐敗菌、除草、殺蟲等生物活性，同時(shí)也是許多藥物的先導(dǎo)體，在醫(yī)藥、食品、日用品等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。
此外，研究表明胡桃醌對(duì)生物體還表現(xiàn)出生理毒性，文獻(xiàn)[Westfall B.A.,Russell R.L.,Auyong T.K.Depressant agent from walnut hulls[J].Science,1961,134:1617]報(bào)道胡桃醌小鼠灌胃給藥的LD50為2.5mg/kg，腹腔注射的LD50為25mg/kg，大鼠灌胃給藥的LD50為112mg/kg。胡桃醌的衍生物的毒性，一般都小于胡桃醌，且不少衍生物可以保持甚至優(yōu)于胡桃醌的藥理活性。因此，胡桃醌及其衍生物的合成具有重要的應(yīng)用價(jià)值。
胡桃醌一般可以從黑胡桃果實(shí)及胡桃楸樹青果皮提取而來(lái)。隨著核桃產(chǎn)量的日益增加，核桃青皮被隨處堆放，這樣不僅污染環(huán)境而且造成大量的浪費(fèi)。從天然植物核桃中提取胡桃醌具有很強(qiáng)的實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)效益。然而，該方法存在許多不足：首先，胡桃楸是國(guó)家二級(jí)保護(hù)植物，為漸危樹種；其次，胡桃醌在山核桃的樹皮、樹葉以及青果皮等各個(gè)部位的含量都不高；且胡桃醌具有升華性，貯存穩(wěn)定性也不好，隨著山核桃植物(包括樹皮、樹葉和青果皮)存放時(shí)間的增加含量降低；再加上目前各種提取方法和工藝均不夠成熟。因此，天然提取的胡桃醌難以滿足市場(chǎng)需求。
現(xiàn)在市場(chǎng)上出售的胡桃醌多為合成品。常規(guī)的化學(xué)合成方法有：萘硝化氧化合成法、萘磺化氧化合成法、5，8-二羥基-1-四氫萘酮中間體合成法以及臭氧再生鉻酸氧化法等[李聰，張明曉，陳雯，等.胡桃醌的合成研究進(jìn)展[J].精細(xì)化工中間體，2010,40(6)：11-15]。以萘硝化氧化合成法為例說(shuō)明：張繼振等[張繼振，王雅珍，趙德建，等.胡桃醌合成的新方法[J].江 蘇技術(shù)師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2005，11(2)：7-9]以萘為原料，經(jīng)硝化、氧化得到5-硝基-1，4-萘醌，然后將硝基還原成氨基，氨基再經(jīng)重氮化后水解得到胡桃醌。整個(gè)反應(yīng)需要經(jīng)過(guò)五步才由原料合成胡桃醌，且每一步產(chǎn)率都不高，總的產(chǎn)率約30％-40％。因而化學(xué)合成法步驟復(fù)雜，后處理繁瑣，合成胡桃醌的總產(chǎn)率較低，且大規(guī)模工業(yè)合成成本高，同時(shí)要使用大量氧化劑，易造成環(huán)境污染。
因而，尋找新的合成胡桃醌及其衍生物的方法具有很大的應(yīng)用價(jià)值。近年來(lái)，一種新的光催化氧化合成胡桃醌的方法見(jiàn)諸報(bào)道。Suchard等[Suchard O，Kane R，Roe B J，et al.Tetrahedron，2006，62(7)：1467-1473.]于2006年發(fā)現(xiàn)了一種利用“最干凈的能源”太陽(yáng)光來(lái)合胡桃醌方法。該方法以1，5-二羥基萘為原料，以甲醇、乙醇、異丙醇、及二氯甲烷和甲醇混合液為溶劑，在感光劑存在的條件下，在太陽(yáng)光照射下，反應(yīng)過(guò)程中持續(xù)通氧氣，同時(shí)用氣相色譜(GC)或薄層色譜(TLC)分析，反應(yīng)結(jié)束后可用溶劑萃取或?qū)游鲋蛛x產(chǎn)品。反應(yīng)中的感光劑為玫瑰紅(RE)或亞甲藍(lán)(ME)染料，它們可以以液體的形式參與反應(yīng)也可吸附在離子交換樹脂上以固體的形式參與反應(yīng)。鑒于胡桃醌對(duì)可見(jiàn)光的吸光性，也可用中壓汞燈代替太陽(yáng)光。
該方法與化學(xué)氧化1，5-二羥基萘合成胡桃醌方法相比，利用太陽(yáng)能或中壓汞燈作為能源合成胡桃醌，是非常有效的合成方法。但是該方法產(chǎn)率僅40-50％，即使延長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間，產(chǎn)率的提高也非常有限。同時(shí)還需要在反應(yīng)中加入光敏劑以代替氧化劑，導(dǎo)致反應(yīng)后處理過(guò)程又多了敏化劑的處理步驟。即使用負(fù)載型的敏化劑，如何能夠保持敏化劑的活性又是一個(gè)新的問(wèn)題。因此，尋找一種無(wú)需額外添加光敏劑，就可以在短時(shí)間內(nèi)高效率合成胡桃醌及其衍生物的方法具有極大的研究及應(yīng)用價(jià)值。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的在于提供一種利用光催化氧化萘酚類化合物合成萘醌類化合物的方法。
本發(fā)明所述的萘酚類化合物為1-羥基萘類，它們通過(guò)光催化選擇性氧化合成對(duì)應(yīng)的萘醌類化合物均為1,4-萘醌，即胡桃醌(5-羥基-1,4-萘醌)及其衍生物。
本發(fā)明的核心技術(shù)是1-羥基萘類化合物，在沒(méi)有外加光敏化劑的情況下，用450nm LED燈照射，在異丙醇與水混合溶劑為反應(yīng)介質(zhì)中進(jìn)行光氧化，通 過(guò)調(diào)節(jié)原料濃度和反應(yīng)溫度及反應(yīng)時(shí)間，高產(chǎn)率地得到胡桃醌及其衍生物。本發(fā)明所屬方法，反應(yīng)過(guò)程無(wú)需外加敏化劑，反應(yīng)就能進(jìn)行；而且反應(yīng)選擇性高，幾乎無(wú)副產(chǎn)物；后處理簡(jiǎn)單，僅通過(guò)萃取，產(chǎn)物純度就能夠達(dá)95％以上；而且延長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間和適當(dāng)提高反應(yīng)溫度，產(chǎn)率還能持續(xù)提高，適合應(yīng)用于工業(yè)化連續(xù)生產(chǎn)。
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案：
一種利用光催化氧化萘酚類化合物合成萘醌類化合物的方法，包括如下步驟：
將萘酚類化合物溶解于異丙醇與水的混合溶液中得到反應(yīng)液，將反應(yīng)液移至反應(yīng)器，持續(xù)向反應(yīng)容器中通入氧氣，用波長(zhǎng)為450nm的LED單色光源照射反應(yīng)液并持續(xù)攪拌進(jìn)行反應(yīng)，即可得到產(chǎn)物萘醌類化合物。
在沒(méi)有外加敏化劑的條件下，通過(guò)調(diào)節(jié)底物濃度、溶劑組成比和反應(yīng)溫度及時(shí)間，能夠高產(chǎn)率高選擇性氧化合成胡桃醌及其衍生物。
優(yōu)選地，所述萘酚類化合物為1-羥基萘類化合物；所述萘醌類化合物為1,4-萘醌類化合物。
優(yōu)選地，所述1-羥基萘類化合物選自式(1)所示的化合物，相應(yīng)的產(chǎn)物1,4-萘醌類化合物如式(2)所示，
其中，R1為OH、OAc、NH2或NHCOR2；R2為Me、Et、t-Bu、Ph、p-ClC6H4、p-Me C6H4或p-NCC6H4。
優(yōu)選地，所述萘酚類化合物在反應(yīng)液中的濃度為0.001-0.1mmol/mL。通過(guò)對(duì)濃度的調(diào)節(jié)發(fā)現(xiàn)，濃度低反應(yīng)更加容易進(jìn)行，產(chǎn)率升高，反應(yīng)所需時(shí)間更短，而增大濃度反應(yīng)產(chǎn)率適當(dāng)降低。
優(yōu)選地，所述萘酚類化合物在反應(yīng)液中的濃度為0.005mmol/mL。在此濃度下產(chǎn)物的產(chǎn)率最優(yōu)。
優(yōu)選地，所述混合溶液中異丙醇與水的體積比為4-35∶1。
優(yōu)選地，所述混合溶液中異丙醇與水的體積比為6∶1。針對(duì)混合液中異丙醇與水不同的體積比做對(duì)照實(shí)驗(yàn)，可以發(fā)現(xiàn)，6∶1為相對(duì)最佳比例，在此比例下，產(chǎn)物的產(chǎn)率最優(yōu)。
優(yōu)選地，反應(yīng)的溫度為15-40℃；優(yōu)選地，最優(yōu)反應(yīng)溫度為30℃。
優(yōu)選地，反應(yīng)的時(shí)間為5-10小時(shí)。一般，延長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間對(duì)本反應(yīng)有利，產(chǎn)率會(huì)有所提高，不過(guò)反應(yīng)時(shí)間越長(zhǎng)，產(chǎn)率升高的越慢。到10個(gè)小時(shí)之后，產(chǎn)率幾乎沒(méi)有太大變化。
優(yōu)選地，所述光化學(xué)反應(yīng)器為帶夾層的透明石英反應(yīng)器，夾層中通入回流水，通過(guò)控制水溫來(lái)控制反應(yīng)溫度。
與Suchard等人發(fā)現(xiàn)的利用“最干凈的能源”太陽(yáng)光來(lái)合胡桃醌的方法以及常規(guī)的光催化氧化體系相比，本發(fā)明最大的不同就在于不需要外加敏化劑，該反應(yīng)就能自發(fā)進(jìn)行。本申請(qǐng)人通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，在用全波段白光LED燈為光源下，如果不加敏化劑，產(chǎn)率極低。加入敏化劑后，可以獲得與文獻(xiàn)相當(dāng)?shù)漠a(chǎn)率。而在450nm LED燈光源下，敏化劑的加入，對(duì)產(chǎn)率影響不大。同時(shí)，在450nm LED燈光源，在反應(yīng)的開(kāi)始，加入少量的產(chǎn)物胡桃醌，反應(yīng)就能迅速的引發(fā)。不過(guò)，隨著反應(yīng)時(shí)間延長(zhǎng)，其影響就越弱。到5小時(shí)時(shí)，已與不加胡桃醌無(wú)明顯差別。因此，本申請(qǐng)人推測(cè)，在本發(fā)明所述的條件下，該反應(yīng)是通過(guò)自敏化過(guò)程發(fā)生的，即反應(yīng)開(kāi)始時(shí)生產(chǎn)的少量產(chǎn)物胡桃醌在450nm LED燈光源作用下，作為敏化劑，催化本反應(yīng)。
在進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證后，本申請(qǐng)人選擇波長(zhǎng)為450nm的LED單色光源來(lái)代替太陽(yáng)光，其與胡桃醌產(chǎn)物具有很好的能級(jí)匹配而發(fā)生自敏化作用。充分利用其自敏化作用，首次實(shí)現(xiàn)了不需要外加光敏劑或氧化劑就能令該反應(yīng)自發(fā)進(jìn)行，同時(shí)又通過(guò)對(duì)原料底物濃度、溶劑組成比和反應(yīng)溫度及時(shí)間的調(diào)變，高產(chǎn)率高選擇性地合成了目標(biāo)產(chǎn)物(本發(fā)明產(chǎn)率能夠到達(dá)90％，傳統(tǒng)的氧化合成法產(chǎn)率為30-40％，Suchard等人的太陽(yáng)光合成法產(chǎn)率為50％左右。)，大大減少了反應(yīng)的副產(chǎn)物并節(jié)省了操作步驟和能量，使得產(chǎn)物易于分離純化，同時(shí)獲得較高收益，極具商業(yè)價(jià)值。
本發(fā)明的有益效果如下：
本發(fā)明采用發(fā)光波長(zhǎng)為450nm的單色LED光源代替普通光氧化過(guò)程的高壓汞燈光源，大大減少了反應(yīng)的副產(chǎn)物并節(jié)省了能量；用對(duì)環(huán)境友好的異丙醇與水的混合液替換常規(guī)的有機(jī)溶劑；利用所使用的單色LED光源和產(chǎn)物萘醌類化合物的吸收光譜有較好重疊的特性，無(wú)需另加光敏劑(產(chǎn)物自敏化過(guò)程)，該光氧化過(guò)程依然可以進(jìn)行并可以得到90％的產(chǎn)率，既大大節(jié)省了反應(yīng)的成本，又使得產(chǎn)物易于分離純化。
附圖說(shuō)明
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式作進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明。
圖1示出本發(fā)明實(shí)施例1中原料1,5-二羥基萘與產(chǎn)物核桃醌的紫外吸收光譜圖。
具體實(shí)施方式
為了更清楚地說(shuō)明本發(fā)明，下面結(jié)合優(yōu)選實(shí)施例和附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的說(shuō)明。附圖中相似的部件以相同的附圖標(biāo)記進(jìn)行表示。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，下面所具體描述的內(nèi)容是說(shuō)明性的而非限制性的，不應(yīng)以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。
實(shí)施例1
在450nm LED燈照射下，原料1，5-二羥基萘56mg溶解在35mL不同體積比(35mL∶0mL，32mL∶3mL,30mL∶5mL28mL∶7mL)的異丙醇與水混合溶劑中，向透明石英反應(yīng)容器中持續(xù)通入氧氣，在反應(yīng)溫度為室溫及攪拌的狀態(tài)下，得到氧化產(chǎn)物胡桃醌。每隔一個(gè)小時(shí)對(duì)反應(yīng)體系取一個(gè)樣。用紫外吸收光譜監(jiān)控反應(yīng)。原料1，5-二羥基萘的特征吸收在300nm處(摩爾消光系數(shù)e＝5955M-1cm-1)，而產(chǎn)物胡桃醌的吸收在426nm處(摩爾消光系數(shù)e＝2497M-1cm-1)。附圖1為原料1,5-二羥基萘與產(chǎn)物核桃醌的紫外吸收光譜圖。隨著反應(yīng)的進(jìn)行，原料的吸收值漸漸降低而產(chǎn)物的吸收值漸漸升高。然后根據(jù)工作曲線可以計(jì)算產(chǎn)率。
胡桃醌：1H NMR(400MHz,CDCl3):δ＝6.96(s,2H),7.29(dd,1H,J＝7.3,2.2Hz),7.67–7.61(m,2H),11.91ppm(s,1H,OH).
13C NMR(101MHz,CDCl3)δ＝113.9,118.1,123.5,130.7,135.5,137.6,138.6,160.4,183.2,189.3ppm.
MS(EI):m/z＝174(MC,100％),146,118,92,63,44.
最后結(jié)果：異丙醇與水體積比為35mL∶0mL時(shí)，5小時(shí)產(chǎn)率為38％，7小時(shí)產(chǎn)率為52％，延長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間至10小時(shí)，產(chǎn)率為67％。異丙醇與水體積比為32mL∶3mL時(shí)，5小時(shí)產(chǎn)率為46％，7小時(shí)產(chǎn)率為62％，延長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間至10小時(shí)，產(chǎn)率為75％。異丙醇與水體積比為30mL∶5mL時(shí)，5小時(shí)產(chǎn)率為47％，7小時(shí)產(chǎn)率為63％，延長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間至10小時(shí)，產(chǎn)率為76％。異丙醇與水體積比為28mL∶7mL時(shí)，5小時(shí)產(chǎn)率為42％，7小時(shí)產(chǎn)率為58％，延長(zhǎng)反 應(yīng)時(shí)間至10小時(shí)，產(chǎn)率為74％。
實(shí)施例2
在450nm LED燈照射下，原料1，5-二羥基萘28mg溶解在35mL異丙醇與水(體積比6∶1)混合溶劑中，向透明石英反應(yīng)容器中持續(xù)通入氧氣，在反應(yīng)溫度為室溫及攪拌的狀態(tài)下，得到氧化產(chǎn)物胡桃醌，5小時(shí)產(chǎn)率為60％，延長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間至10小時(shí)，產(chǎn)率為90％。
實(shí)施例3
在450nm LED燈照射下，原料1，5-二羥基萘56mg溶解在35mL異丙醇與水(體積比6∶1)混合溶劑中，向透明石英反應(yīng)容器中通入氧氣，在反應(yīng)溫度為30℃及攪拌的狀態(tài)下，得到氧化產(chǎn)物胡桃醌，5小時(shí)產(chǎn)率為64％，延長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間至10小時(shí)，產(chǎn)率為83％。
實(shí)施例4
在450nm LED燈照射下，原料5-乙酰胺基-1-羥基萘70.4mg溶解在35mL異丙醇與水(體積比6∶1)混合溶劑中，向透明石英反應(yīng)容器中持續(xù)通入氧氣，在反應(yīng)溫度為室溫及攪拌的狀態(tài)下，得到相應(yīng)的氧化產(chǎn)物胡桃醌衍生物，5小時(shí)產(chǎn)率為53％，延長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間至10小時(shí)，產(chǎn)率為78％。
實(shí)施例5
在450nm LED燈照射下，原料5-丙酰胺基-1-羥基萘75.3mg溶解在35mL異丙醇與水(體積比6∶1)混合溶劑中，向透明石英反應(yīng)容器中持續(xù)通入氧氣，在反應(yīng)溫度為室溫及攪拌的狀態(tài)下，得到相應(yīng)的氧化產(chǎn)物胡桃醌衍生物，5小時(shí)產(chǎn)率為50％，延長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間至10小時(shí)，產(chǎn)率為73％。
實(shí)施例6
在450nm LED燈照射下，原料5-特戊酰氨基-1-羥基萘85.1mg溶解在35mL異丙醇與水(體積比6∶1)混合溶劑中，向透明石英反應(yīng)容器中持續(xù)通入氧氣，在反應(yīng)溫度為室溫及攪拌的狀態(tài)下，得到相應(yīng)的氧化產(chǎn)物胡桃醌衍生物，5小時(shí)產(chǎn)率為52％，延長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間至10小時(shí)，產(chǎn)率為75％。
實(shí)施例7
在450nm LED燈照射下，原料5-苯甲酰胺基-1-羥基萘92.1mg溶解在35mL異丙醇與水(體積比6∶1)混合溶劑中，向透明石英反應(yīng)容器中持續(xù)通入氧氣，在反應(yīng)溫度為室溫及攪拌的狀態(tài)下，得到相應(yīng)的氧化產(chǎn)物胡桃醌衍生物，5小時(shí)產(chǎn)率為47％，延長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間至10小時(shí)，產(chǎn)率為71％。
實(shí)施例8
在450nm LED燈照射下，原料5-對(duì)氯苯甲酰胺基-1-羥基萘104mg溶解在35mL異丙醇與水(體積比6∶1)混合溶劑中，向透明石英反應(yīng)容器中持續(xù)通入氧氣，在反應(yīng)溫度為室溫及攪拌的狀態(tài)下，得到相應(yīng)的氧化產(chǎn)物胡桃醌衍生物，5小時(shí)產(chǎn)率為49％，延長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間至10小時(shí)，產(chǎn)率為72％。
實(shí)施例9
在450nm LED燈照射下，原料5-對(duì)甲基苯甲酰胺基-1-羥基萘97mg溶解在35mL異丙醇與水(體積比6∶1)混合溶劑中，向透明石英反應(yīng)容器中持續(xù)通入氧氣，在反應(yīng)溫度為室溫及攪拌的狀態(tài)下，得到相應(yīng)的氧化產(chǎn)物胡桃醌衍生物，5小時(shí)產(chǎn)率為45％，延長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間至10小時(shí)，產(chǎn)率為68％。
對(duì)比例1
在450nm LED燈照射下，將原料1，5-二羥基萘56mg與光敏劑亞甲基藍(lán)5mg共同溶解在35mL異丙醇與水(體積比6∶1)混合溶劑中，向透明石英反應(yīng)容器中持續(xù)通入氧氣，在反應(yīng)溫度為室溫及攪拌的狀態(tài)下，得到氧化產(chǎn)物胡桃醌，5小時(shí)產(chǎn)率為48％，延長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間至10小時(shí)，產(chǎn)率為76％。
由此可見(jiàn)，在反應(yīng)中加入光敏劑后，產(chǎn)率并沒(méi)有得到巨大的提高。說(shuō)明在本發(fā)明所述反應(yīng)中，決定產(chǎn)率的并不是敏化劑，而是光源。
對(duì)比例2
在高壓全波段白光LED燈照射下，原料1，5-二羥基萘56mg溶解在35mL異丙醇與水(體積比6∶1)混合溶劑中，向透明石英反應(yīng)容器中持續(xù)通入氧氣，在反應(yīng)溫度為室溫及攪拌的狀態(tài)下，得到氧化產(chǎn)物胡桃醌，5小時(shí)產(chǎn)率為8％，延長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間至10小時(shí)，產(chǎn)率為25％。
對(duì)比例3
在高壓全波段白光LED燈照射下，原料1，5-二羥基萘56mg與光敏劑亞 甲基藍(lán)5mg共同溶解在35mL異丙醇與水(體積比6∶1)混合溶劑中，向透明石英反應(yīng)容器中持續(xù)通入氧氣，在反應(yīng)溫度為室溫及攪拌的狀態(tài)下，得到氧化產(chǎn)物胡桃醌，5小時(shí)產(chǎn)率為45％，延長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間至10小時(shí)，產(chǎn)率為75％。
以上對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)照射光源由450nm單色LED燈變?yōu)槿ǘ伟坠釲ED燈后，如果不外加敏化劑，產(chǎn)率極低；加入敏化劑后，可以取得與文獻(xiàn)相當(dāng)?shù)漠a(chǎn)率。說(shuō)明在本發(fā)明中，如果不使用450nmLED燈，本反應(yīng)需要敏化劑才能較高產(chǎn)率的發(fā)生。因此從側(cè)面證明，光源450nmLED燈對(duì)本反應(yīng)至關(guān)重要。
顯然，本發(fā)明的上述實(shí)施例僅僅是為清楚地說(shuō)明本發(fā)明所作的舉例，而并非是對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方式的限定，對(duì)于所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在上述說(shuō)明的基礎(chǔ)上還可以做出其它不同形式的變化或變動(dòng)，這里無(wú)法對(duì)所有的實(shí)施方式予以窮舉，凡是屬于本發(fā)明的技術(shù)方案所引伸出的顯而易見(jiàn)的變化或變動(dòng)仍處于本發(fā)明的保護(hù)范圍之列。