绿色合成β-甲基萘醌的研究进展*

杨孟昕，杨英杰，康文超，卢金荣

(华北理工大学化学工程学院，河北　唐山　063009)



绿色合成β-甲基萘醌的研究进展*

杨孟昕，杨英杰，康文超，卢金荣

(华北理工大学化学工程学院，河北唐山063009)

β-甲基萘醌为维生素K3，是K类维生素的重要中间体，临床上用于防治出血、解痉、镇痛。本文主要叙述了以β-甲基萘为原料，用绿色方法(过氧化物氧化法、高效催化剂法、离子液体法、间接电氧化法)合成β-甲基萘醌的研究进展，总结了各个方法的优缺点进而提出合理的建议，并探讨了利用绿色化学法制备β-甲基萘醌的发展前景。

β-甲基萘；β-甲基萘醌；绿色合成方法

2-甲基-1,4-萘醌，又名β-甲基萘醌、维生素K3，是K类维生素的重要中间体。维生素K3具有K类维生素中最高的止血活性，治疗用途与维生素K相同，临床上用于防治出血、解痉、镇痛，此外还可用于某些癌症的辅助治疗。

β-甲基萘醌在自然界中提取难度大，一般由化学合成得到。合成β-甲基萘醌的重要原料β-甲基萘易从煤焦油或石油裂解渣油中直接提取，来源丰富，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义。由β-甲基萘制备β-甲基萘醌传统的生产工艺，是在β-甲基萘的冰醋酸溶液中，用铬酐氧化制得，此方法不仅产生大量的含铬废水、对环境污染十分严重，而且目标产品收率低、选择性差、生产成本较高、反应后的副产物难以分离和循环利用[1]。因此，开发目标产物收率高、成本低、投资少、环保安全性好的绿色合成新工艺一直是国内外学者研究的热点和方向[2]。为了开发收率高、绿色环保和安全性好的合成方法和工艺，研究的重点是氧化剂和催化剂以及氧化方法。笔者以无毒氧化剂和腐蚀性较小的酸性催化剂为出发点，对过氧化物氧化法、高效催化剂法、离子液体法、间接电氧化法这几个方法合成β-甲基萘醌进行总结，进而寻求更高效、绿色的合成方法。

1　过氧化物氧化法

1.1过氧乙酸氧化法

根据目前的研究，在过氧乙酸介质条件下合成β-甲基萘醌的途径主要有两种：一是过氧化氢与冰乙酸直接混合，氧化β-甲基萘制备β-甲基萘醌；二是过氧化氢氧化乙酸酐生成过氧乙酸，再由过氧乙酸氧化生成β-甲基萘醌。两种方法的实质都是利用过氧乙酸氧化制备β-甲基萘醌。印度学者 Sankarasubbier等[3]在冰乙酸介质中用60%的过氧化氢直接氧化β-甲基萘, 反应在100 ℃下持续约3 h, 在不需要任何催化剂的情况下, 产物的选择性可达 90% 以上。康士刚等[4]同样利用过氧化氢在冰乙酸介质中无催化剂直接氧化β-甲基萘的方法，进一步改善反应条件，使β-甲基萘的转化率高达88.66%，选择性相对较低。过氧化氢氧化法收率较高，还原产物为水，不会对反应体系引入杂质，属于环境友好型氧化法。但是，过氧化氢消耗大，生产成本高，而且反应温度高，过氧化氢受热易发生爆炸产生危险[5]。同时，大量使用冰乙酸作溶剂，对设备腐蚀性太强。所以，过氧化氢氧化法目前未得到推广应用。杨灵莉[6]用30%的双氧水和冰乙酸制得的过氧乙酸氧化β-甲基萘制备β-甲基萘醌，通过实验发现β-甲基萘醌的产率大约为30%左右，由实验数据得出过氧乙酸氧化法生产β-甲基萘醌可行，但产率不高。这是因为过氧乙酸不稳定，易分解为水、氧气和乙酸，氧化活性降低，如果工业生产用此法的话，过氧乙酸需现配现用，导致生产工艺繁琐，耗时较长。

王凤军[7]在双氧水、冰乙酸体系中加入相转移催化剂四丁基溴化铵，通过研究得出了优化条件，即温度90 ℃，反应时间4 h，n(β-甲基萘):n(CH3COOH)为l:20，n(β-甲基萘):n(H2O2)为1:11，m(C16H36BrN):m(β-甲基萘)为1:2，在该条件下，β-甲基萘的转化率为93.3%，β-甲基萘醌的收率为58.2%。相比于前者的研究，加入相转移催化剂能够使两相反应物分子更易充分接触反应，提高反应速率，进而影响β-甲基萘醌的收率。康士刚等[8]以四丁基溴化铵为例对相转移催化剂的用量进行了实验分析，发现随催化剂量的增加，当四丁基溴化铵的质量达到与原料β-甲基萘用量的比值为1:22时，β-甲基萘醌的转化率和收率存在一个最大值，分别可达93.29%和58.23%，当催化剂用量再增加或减少时，目标产物的转化率和收率均下降。笔者认为这是因为催化剂用量少时不满足反应所需，而用量过多时造成过度氧化，使得产率下降。Wolfgang等[9]在以醋酸为介质，甲基三氧化铼为催化剂的条件下，用乙酸酐和过氧化氢催化氧化β-甲基萘制备β-甲基萘醌。反应温度为40 ℃，反应时间为4 h，β-甲基萘的转化率为89%，β-甲基萘醌的收率为52%。此法所使用的催化剂价格昂贵且不能得到回收再利用，成本太高不适于推广到工业生产。

1.2间氯过氧苯甲酸氧化法

2014年，黑晓明等[10]报道了一种以冰乙酸为介质，用间氯过氧苯甲酸氧化β-甲基萘制备β-甲基萘醌的新方法，此发明中β-甲基萘和间氯过氧苯甲酸的分子摩尔比为1:2.2，反应温度为25 ℃，反应时间为45 min，β-甲基萘的转化率达到80%，β-甲基萘醌的产率可达31%。这种新方法具有时间短，条件温和，产物易分离的特点，且过程中不采用催化剂，减少了能源消耗和环境污染，适用于工业生产。因此，此法有待于进一步研究，包括氧化的选择性和最佳的反应条件。

2　高效催化剂法

2.1杂多酸催化剂

杂多酸是一种多功能的新型催化剂，即有酸催化性能，又具有氧化还原催化性能，具有独特稳定的分子结构, 并且杂多酸对环境无污染，对设备腐蚀性小，是一类很有发展前途的绿色催化剂[11]。靳会杰等[12]以磷钼钒杂多酸V1 (H4PMO11V1O40)为催化剂，混合一定量的过氧化氢氧化β-甲基萘，通过实验得到较佳的反应条件为：杂多酸:2-MN(质量比)=7%, 乙酸:2-MN(质量比)=10.5:1, 双氧水:2-甲基萘(摩尔比)=4.2:1, 反应时间为30 min，较适宜的温度为40～50 ℃。杂多酸的使用拓展了催化剂的适用范围，为找到高效环保的工艺反应条件提供了新的思路。

2.2分子筛

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(钛硅分子筛)，分子筛催化剂具有的优点有：①高效：催化反应进行，增大反应速率，节省时间。②温和：反应不需要太高的温度且在常压下进行。③绿色：不会向反应体系中引入杂质，产物不会污染环境。④选择性高：特有的择形性使得产率更高。基于这些优势，分子筛催化剂成为了近些年来广大科研者研究的热点。

TS-1属于沸石分子筛的一种，是将钛原子同晶取代硅原子，和硅铝分子筛ZM-5一样具有MFI结构的含钛杂原子分子筛，骨架中心的Ti4+中心使其具有优异的催化氧化性能，尤其是在H2O2存在的体系中选择性催化氧化性能显著[14-15]。刘兴泉等[16]曾以TS-1为催化剂，冰乙酸为介质，用30% H2O2催化氧化β-甲基萘，反应温度为70～85 ℃，反应时间为2～4 h，β-甲基萘醌收率可达78%以上，β-甲基萘的转化率可达83%，选择性可达94%以上。他们认为这主要归因于TS-1的选择性催化作用，目前该反应过程仍在研究中，并无再进行报道。李东军等[17]以(NH4)2WO4为钨源制备的WO3/HMS分子筛为催化剂在H2O2体系中合成β-甲基萘醌，在反应温度为353 K，反应时间为6 h，n(H2O2)/n(β-甲基萘)为18和n(Si)/n(W)为30，催化剂用量为0.3 g/mL(以HAc为基准)的条件下，β-甲基萘醌的选择性和收率分别为51.7%和46.9%。此法和TS-1法虽然催化效果优异，但其合成条件苛刻不易获得，而且金属及模板剂价格较昂贵，资金消耗大。因此，利用TS-1和WO3/HMS的催化反应领域还需进一步的研究，具有巨大的挑战。

Narender等[18]和Zi等[19]分别用硒和镧掺杂硅基介孔分子筛(Se-MCM-41和La-MCM-41)作催化剂，在双氧水和乙酸条件下，催化β-甲基萘氧化成β-甲基萘醌，收率达到70%以上。他们认为，稀土金属镧修饰的硅分子筛具有单一分散性，均一孔分布和较大孔体积，并且金属掺杂后有利于与过氧乙酸作用生成自由基，促进氧化过程的发生(图1)。Se-MCM-41和La-MCM-41与TS-1具有规则孔道和较大孔径的特点，合成材料和工艺昂贵，并且热稳定性差，影响催化反应的稳定性，此法如果能改善热稳定性差的缺点的话，能够在催化氧化领域有空前的发展前景。

图1　镧掺杂MCM-41催化氧化β-甲基萘机理Fig.1　Mechanism of oxidation β-naphthalene with MCM-41 doped with Lanthanum

2.3空气催化氧化

将空气和有机物的蒸气以适当比例混合，在较高的温度下(300～500 ℃)，通过固体催化剂(或称触媒)，使有机物发生适度氧化而生成所希望的产物，这类反应称为空气催化氧化法[20]。空气接触催化与化学氧化相比具有不需要消耗价格昂贵的氧化剂，反应速度较快，无污染等特点。赵雪飞等[21]以β-甲基萘为原料, 经过浸渍-干燥-脱水-焙烧四个阶段得到以V2O5为主体的催化剂, 采用气相催化氧化法制备β-甲萘醌。在较适宜的实验条件下, 得到β-甲基萘的转化率最高可达到69%, β-甲基萘醌的选择率最高可达12%。张芳等[22]采用浸渍法制备了五氧化二钒为活性组分、二氧化硅为载体的复配金属催化剂，通过空气流动催化氧化β-甲基萘制备β-甲基萘醌。此催化剂有较好的催化活性，反应超过218 h，仍保持较高的催化活性。空气催化氧化法虽然可以实现连续化生产，而且生产过程无污染，但由于β-甲基萘醌的收率低、副产物多，且副产物分离复杂，因此目前未进行工业化生产。

3　离子液体法

离子液体因其在有机化学的绿色合成方面显示出的潜在利用价值成为了近年来绿色化学研究的热点。离子液体相比于传统的有机溶剂、水、超临界流体有许多优点[23]： (1)对许多无机和有机材料具有良好的溶解力，利于均相反应进行；(2)热稳定性好，蒸汽压小，不易挥发；(3)提供了特殊的反映环境，可能改变反应机理，使催化剂效果更好，反应的转化率、选择性更高；(4)易于产物分离和剩余离子液体的回收；(5)易于制备，价格便宜。

针对目前国内外合成β-甲基萘醌的方法，离子液体主要应用于替代传统工艺中的乙酸反应介质。杨建国等[24]首次以磷酸酸化的离子液体催化剂([SO3H-BPy][H2PO4]、[SO3H-BNEt3][H2PO4]、[SO3H-BMNO][H2PO4]或[SO3HBmim][H2PO4])用于制备β-甲基萘醌，实验方法为以β-甲基萘为原料，醋酸为介质、30%的H2O2为氧化剂及磷酸酸化的离子液体为催化剂，其中：β-甲基萘、醋酸和H2O2的摩尔比控制在1:2.5～6.5:2.7～5.3，催化剂用量占反应体系质量分数的0.5%～7.5%，90 ℃时将H2O2在20 min内滴入反应体系，并保持该温度反应两小时，该方法产率可达61%，此发明的优点在于离子液体的制备快速、高效，合成β-甲基萘醌的反应速度快，不产生含铬废水。离子液体作为一种新的绿色溶剂，首先成功的避免了传统工艺中乙酸对设备的腐蚀和对环境的污染；其次由于离子液体与有机溶剂有较好的溶解力，它能与 β-甲基萘和β-甲基萘醌很好的溶解在一起，构成反应均相体系，使氧化剂能与β-甲基萘充分的接触反应，提高了反应速率，增加了β-甲基萘醌的产率。离子液体的高活性、高选择性为β-甲基萘醌的合成提供了新的绿色制备方向。

4　间接电氧化法

5　结　语

β-甲基萘醌是K类维生素的重要中间体，维生素K 系化合物作用明显且用途广泛，而目前我国β-甲基萘醌的生产工艺落后、规模较小、污染严重。合成新工艺的研究开发亟需进展，在合成技术方面, 应重视已具工业化前景的气相氧化法, 以及高效催化剂的开发及相应工艺条件的探索。同时, 应重点开发工艺简单、条件温和、后处理简单、选择性高、无污染、成本低的合成新技术。将β-甲基萘醌的生产工艺和绿色合成方法紧密联合起来，随着过氧化物氧化法、高效催化剂法、离子液体法、间接电氧化法等绿色合成技术的发展，以及在工业化生产中的应用推广，β-甲基萘醌将会有良好的应用前景和发展潜力。

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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

华北理工大学2015年大学生创新创业训练计划项目(X2015119)资助。

卢金荣(1985-)，女，博士学历，主要研究有机功能材料的合成及应用，煤下游产品开发。

O621.3

A

1001-9677(2016)09-0013-04