氯化锌在有机合成中的应用

2016-09-01吕国锋朱丹琪郑增杰管敏虾

广州化工 2016年3期

关键词：氯化锌烷基化卢卡斯

吕国锋，朱丹琪，郑增杰，管敏虾

(上虞新和成生物化工有限公司，浙江　上虞　3123690)

氯化锌在有机合成中的应用

吕国锋，朱丹琪，郑增杰，管敏虾

(上虞新和成生物化工有限公司，浙江上虞3123690)

氯化锌是一种常用的无机化合物，主要用于制备活性炭。在有机合成中，氯化锌能催化合成许多化合物，解决很多生产中的污染大、能耗高，选择性差的问题。通过对比不同催化剂对傅-克酰基化(烷基化)反应、费舍尔吲哚环合反应和醇酸酯化反应的结果，发现了氯化锌在此类反应中的优越性，同时对氯化锌在制备卤代烷烃反应中的应用做了归纳。研究氯化锌在有机合成中的应用也是绿色化学研究的重要课题。

氯化锌；傅-克反应；卢卡斯试剂；酯化

Aberstance：Zinc chloride is a common inorganic，and mainly used for preparation of activated carbon.In organic synthesis,zinc chloride can be used as a catalyst for synthesizing numerous compounds,and meanwhile solve a lot of problems such as high pollution,heavy energy-consumption and poor selectivity during chemical maufacture. Through the comparison of different catalysts for Friedel-Crafts reaction, Fischer Indole synthesis and Alkyd esterification, zinc chloride was found in the reaction of these advantages. At the same time, Zinc chloride in the preparation of halogenated alkanes applications was summarized. And now,zinc chloride was studied in application in organic synthesis, and is the green chemistry research important topic.

氯化锌(ZnCl2)是一种常用的无机化合物，常温条件下，氯化锌是一种白色六方晶状物或粉末。极易溶于水，溶于甲醇、乙醇、丙酮、乙醚、甘油等有机溶剂，不溶于液氨；潮解性强；能溶解金属氧化物和纤维素；熔融氯化锌有很好的导电性。

氯化锌(ZnCl2)是无机盐工业的重要产品，应用非常广泛。最大的应用是制备与活化活性炭[1]；同时氯化锌(ZnCl2)也是非常高效的水处理缓释剂[2]；可用于纺织物的印染[3]；用做分析试剂；电池电解液；高分子聚合催化剂；电镀预处理试剂和电焊助剂；有机合成脱水剂、缩合剂、催化剂等。

1　技术背景

氯化锌的应用十分广泛，深入研究其应用非常有意义。本文总结了氯化锌(ZnCl2)在有机合成中作为催化剂的应用、反应溶剂选择、水份影响等，阐述了氯化锌(ZnCl2)在有机合成中的催化机理，增加了人们对氯化锌(ZnCl2)了解，促进了氯化锌(ZnCl2)在有机合成中应用的发展。

路易斯酸催化在有机合成中的应用非常广泛，像SnCl4、TiCl4、AlCl3、FeCl3、FeCl2等，在有机合成中的应用技术非常成熟。SnCl4、TiCl4价格高和安全性问题，主要用于附加值高的一些有机合成中；AlCl3后处理麻烦，其副产物Al(OH)3很难与产物分离；FeCl3、FeCl2后处理中有显色基团产生，产物色泽差。而氯化锌(ZnCl2)几乎可以替代所有的路易斯酸达到有机合成中的催化效果，通过优化反应溶剂体系与反应条件，一样可以得到好的收率与产品质量，同时还具体原料易得，价格便宜，运输与贮存方便等优点。

2　应　用

2.1氯化锌催化的傅-克酰基化(烷基化)反应

傅-克酰基化(烷基化)反应是芳基上侧链增长碳链最有效的合成方法，在有机合成中被广泛的应用，是制备各种芳基酮，杂环芳基酮的最简便最有效手段。傅-克酰基化(烷基化)反应能否顺利进行，得到高收率，高纯度的产物最关键在于催化剂的选择。其催化剂从最早的铜料、银粉、锌粉发展到现在使用路易斯酸(ZnCl2、SnCl4、TiCl4、AlCl3、FeCl3、FeCl2等)做催化剂，也一样可以得到较高转化率与收率。并且大大降低了原料成本，优化了合成工艺。

路易斯酸(ZnCl2、SnCl4、TiCl4、AlCl3、FeCl3、FeCl2等)催化傅-克酰基化(烷基化)反应都具有较好的选择性，较高的收率，甚至像HF、H2SO4等质子酸也可以用来做傅-克酰基化(烷基化)反应催化剂，但其后处理方面、对环境的友好程度方面、原料成本、副产物回收等却有很大的不同：SnCl4、TiCl4、AlCl3、FeCl3、FeCl2、HF、H2SO4几乎无法回收重新利用；SnCl4、TiCl4、AlCl3、FeCl3、FeCl2、HF、H2SO4对设备腐蚀非常严重，对设备要求很高；AlCl3后处理时易生成胶状的Al(OH)xCly两性(具有酸碱性)盐，易与产品裹在一起，非常难分离；FeCl3、FeCl2后处理时不易除干净，痕量即可让产品着色。ZnCl2做傅-克酰基化(烷基化)反应催化剂用只需用水洗涤以分离出ZnCl2，废水经浓缩，结晶析出ZnCl2煅烧后得到无水ZnCl2用于套用。

ZnCl2催化傅-克酰基化(烷基化)反应机理见图1。

图1　ZnCl2催化傅-克酰基化(烷基化)反应机理

参照文献[4]：以苯和乙酰氯为原料合成苯乙酮，不同的催化剂(ZnCl2、SnCl4、TiCl4、AlCl3、FeCl3)对反应转化率、收率、产品纯度和产品外观的影响见表1。

表1　不同催化剂对傅-克酰基化(烷基化)反应的影响

2.2氯化锌作为强路易斯酸催化费舍尔[5]吲哚环合反应

费舍尔吲哚环合反应是用苯肼与醛、酮在酸催化下加热重排消除一分子氨，得到2-或3-取代的吲哚。在曲坦类药物合成中应用广泛[6-8]。费舍尔吲哚环合反应反应机理见图2。

图2　费舍尔吲哚环合反应反应机理

醛酮与苯肼在酸催化下缩合生成苯腙，苯腙在酸催化下异构化为烯胺，发生分子内迁移反应生成二亚胺。亚胺芳构化后成环，得到缩醛胺。氨基再质子化，释放出氨，并失去一个质子得到吲哚环。催化剂可以是：ZnCl2、SnCl4、TiCl4、AlCl3、FeCl3、BF3等路易斯酸和盐酸，硫酸，多聚磷酸，对甲苯磺酸等质子酸共同作用。结合实际的原料成本、设备要求、绿色化学等方面的要求，ZnCl2与盐酸的组合为最优选方案。

[9]以苯肼、苯乙酮为起始原料，制备2-苯基吲哚，不同的催化剂(ZnCl2、SnCl4、TiCl4、AlCl3、FeCl3与盐酸及多聚磷酸与醋酸)对反应转化率、收率、产品纯度和产品熔程的比较。

表2　不同的催化剂对吲哚成环反应情况影响

*转化率以苯肼计；熔程文献值：188.0～193.0 ℃。

虽然多聚磷酸与醋酸催化合成2-苯基吲哚有一定的对设备要求低的优势，因其排放含磷废水被限制生产而淘汰。

2.3卢卡斯试剂(Lucas reagent)[10-12]

浓盐酸与无水氯化锌的混合物称为卢卡斯试剂(Lucas reagent)，其主要应用在于适用于伯、仲、叔醇的特征鉴别。卢卡斯试剂(Lucas reagent)还是高效制备卤代烷烃的重要途径。卢卡斯试剂(Lucas reagent)制备卤代烷烃的优势在于产品纯度高，选择性好(转化率高)，通过不饱和烯烃与卤化氢加成产物一般是的卤代烷烃异构体混和物。

卢卡斯试剂(Lucas reagent)也可以用于一些偶联反应[13]，例如感光材料中间体4-苯氧基吡啶的合成。

图3　4-苯氧基吡啶合成

2.4氯化锌催化的酯化反应[14-16]

氯化锌催化酸碱酯化反应的是路易斯酸中的金属离子与羧酸中的羰基氧空轨道形成一种配合物中间体，产生C+离子，醇的差劲基氧进攻羧基C+离子，再脱水，脱氯化锌得到酯化物。即反应机理：

图4　氯化锌催化酯化反应机理

参考文献[15]，以氯乙酸和异戊醇为起始原料合成氯乙酸异戊酯，不同的催化剂(ZnCl2、SnCl4、TiCl4、AlCl3、FeCl3和浓H2SO4)对酯化反应转化率、收率、产品纯度与产品外观的影响见表3。

表3　不同的催化剂对酯化反应的影响

**转化率以氯乙酸计。

相对于强酸脱水酯化方法，路易斯酸氯化锌催化酯化具有更温和的反应条件，原料易得，且可以重复利用，三废排放少，能耗低的优点，代表着绿色化学酯化反应发展方向。

3　结　语

氯化锌从最初的应用是用在无机合成、制备活性炭等附加值低的应用，随着路易斯酸催化理论的深入研究，氯化锌在有机合成中的应用越来越广泛。傅-克酰基化(烷基化)反应的催化剂选择方面，虽然AlCl3、SnCl4具有比ZnCl2更高的活性，但其后处理难、原料成本高和设备腐蚀等方面的存在问题，而逐步被ZnCl2催化剂替代；近年吲哚类药物的大量涌现，对吲哚成环反应的研究也得到长足发展，而更有效的，更温和的成环催化剂路易斯酸氯化锌催化剂的应用也吸引了更多的技术人员进行研究；同时主要成份为盐酸与氯化锌的卢卡斯试剂(Lucas reagent)的一些特殊应用也被人们所发现，并且成了目前合成高纯度卤代烷烃的不二选择。相信人们不断深入的研究氯化锌的应用，必将给有机合成、绿色化学的发展带来更多的惊喜。

参考文献

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Zinc Chloride and Its Applications in Organic Synthesis

LVGuo-feng,ZHUDan-qi,ZHENGZeng-jie,GUANMin-xia