无溶剂及水相条件下喹啉和喹啉酮的合成研究

陈科(湖南环境生物职业技术学院，湖南 衡阳 421005)

0 引言

环境科学的飞速发展迫切需要大量在清洁、经济和环境友好的条件下开发有机化合物的方法。他们的主要任务是简化实验，降低对环境污染并能够对能源和原材料的消耗达到最小。这些物质的使用和处置是必要的，因为它们通常有毒并且价格昂贵。使用微波进行实验可以提高反应速度，与水相反应联合起来使得实验花费减少、环保、经济，并且实验产物比较温和且易于分离。在有机合成中使用这些技术可以节省人力、物力和金钱，这是一种清洁、经济、高效和环保的有机合成的好方法。

1 无溶剂及水相条件的优势

水相反应是指两种聚合物或一种聚合物与盐的水溶液混合。由于聚合物与聚合物之间或聚合物与盐之间的不相溶性，形成了两相。由于表面性质，电荷和各种作用力(疏水键、氢键和离子键)之间的相互作用，分离出的物质进入两相水体系后，两相之间的分配系数不同，从而导致上层和下层之间存在差异。下相引线。不同的浓度达到分离的目的。常见的两相系统有五种主要类型：聚合物/聚合物/水；聚合物电解质/聚合物/水；聚合物电解质/聚合物电解质/水；聚合物/低分子量组分/水；聚合物/无机盐[1]。

文章的主要工作是在无溶剂和水相条件下合成喹啉和喹啉酮，成功开发了一种在无溶剂条件下快速有效制备多取代喹啉的方法。这意味着在微波辐射和常规加热条件下，对甲苯磺酸被用作催化剂，以实现邻氨基芳香酮和邻氨基芳香醛与含活性亚甲基的羰基化合物的无溶剂反应，并获得很高的收率。还已经广泛研究了使用酸催化剂对这些反应的影响。同时，使用现代微波反应器在100 ℃下，详细比较了在微波辐射和常规加热两种条件下这些反应的实验结果：如果达到相同的收率，微波方法比常规加热方法所花费的时间略短。简而言之，这表明无溶剂反应具有一定的非热作用，但不是很明显。应特别关注微波技术和常规加热方法的使用。将对现代微波反应器的反应与家用微波的反应进行了比较，后者反应较快，但在两种情况下都令人满意，即在现代微波反应器中。所有方法均适用于保护环境，都有着简单的过程以及容易分离纯净且无需进一步保存的产物，使用多种材料，而反应体系中的卤素，甲基苯丙胺和酯类无用，不参与反应之中，这是一种实现高生产率和快速响应的实验方法。该优点使其可以代替合成此类化合物的传统方法[2]。

2 无溶剂有机反应与水相反应技术的优缺点

2.1 无溶剂合成的优点

(1)低环境污染，低能耗，操作简单；

(2)高选择性；

(3)控制分子构型；

(4)提高反应效率。

2.2 无溶剂合成的缺点

无溶剂有机合成也存在固有的缺点，特别是与过去经常使用有机溶剂的固体物质发生反应。存在以下问题：

(1)由于混合了固体反应物粉末，因此并非所有的有机反应都可以在无溶剂条件下进行，如果很难以较小的距离接近不同的分子，减少了碰撞的可能性，需要进一步研究以促进反应；

(2)一些无溶剂的反应是在熔融状态下进行的，并且反应体系是液体，但是，有些无溶剂的反应是在固态下进行的，该反应体系没有流动性，反应所散发的热量难以散失，并且规模化生产很难；

(3)如果反应不能定量完成，则仍然存在分离问题，并且可以使用有机溶剂来避免这个问题。

2.3 水相反应技术在蛋白质和酶的分离纯化中的应用

由于水相反应技术的许多优点，它在生物制药领域具有非常广泛的应用[3]。分离和纯化高纯度和具有生物活性的蛋白质一直是非常困难的任务。由于蛋白质的市场价格非常昂贵，提高回收率可以带来巨大的经济效益。通过在水相中反应分离和纯化蛋白质具有许多优点。首先，系统的含水量高达80%，萃取环境和操作条件非常温和，因此不容易引起蛋白质失活；第二，两相水体系的界面张力比水和有机溶剂的两相体系的界面张力低得多，这有助于加强两相之间的传质；最后，水性反应技术也有利于连续性萃取。

2.4 从天然物质中提取有效成分

天然产物是药物的重要资源。然而，许多活性成分的稳定性相对较差，因此常规提取方法操作复杂且提取率低。水相反应的温和操作条件有助于保护活性成分，因此在提取天然物质中的活性成分方面起着非常重要的作用。该技术还可用于萃取和分离各种极性和各种化学成分，例如植物精油、类黄酮、皂角苷和酶。

2.5 水相反应技术在抗生素生产中的应用

水相反应技术的应用基本上包括抗生素领域中的各种抗生素。与传统方法相比，它具有高效和节能的显著优势。水相反应技术在抗生素分离中的应用，分析了影响水两相系统中抗生素分离的各种因素，并指出导致水两相中抗生素不对称分布的主要因素是疏水相互作用，同时探讨了水相反应技术在抗生素分离中的应用发展方向[4]。

3 合成方法

结合早期研究的结果，可能的反应机理如下：首先，通过路易斯酸(例如无水三氯化铝)对取代的芳族胺和乙醛酸乙酯进行催化，碱缩合反应生成亚胺化合物，然后亚胺上N的电子对进入Al的空轨道形成配位化合物Ⅰ。结果减少了N原子上的电子云密度，使得碳-氮双键的电子优先于N形成碳核。丙酮酸甲酯(烯醇和酮形式之间的互变异构体)充当亲核试剂，攻击亚胺上的碳核并形成中间体Ⅱ和丙酮酸部分的羰基。氧与催化剂金属Al离子配位，羰基碳的正电荷增加，然后与苯环进行亲电加成反应，得到中间体Ⅲ，最后进行分子内环化脱水和氧化脱氢，得到喹啉化合物Ⅳ。

为了研究喹啉环中CN键对通过氧的脱氢反应形成C = N双键的依赖性，建立了两个不同的氧气氛(空气和纯氧)以合成6-甲氧基-2-甲酸酯-4-甲基甲酸酯-喹啉乙酯。在没有催化剂的情况下，空气中目标产物的产率为39.3%，而在室温下，目标产物的产率为29.3%，纯氧气氛目标产物的产率为42.7%；在以CuBr2为催化剂的空气气氛下，目标产物的产率为85.2%，纯氧气氛下目标产物的产率为91.3%；在FeCl3和无水三氯化铝作为催化剂的条件下，氧气氛相对于空气气氛而言，目标产物的收率得到了提高。从而可以得出结论，由于最后的反应主要是中间产物的氧化脱氢反应，所以氧含量的增加会加速NH键的裂解并生成水，从而促进中间产物的产生，成为目标产物[5]。

基于上述研究，选择4-甲氧基苯胺、4-羟基苯胺、4-苯氧基苯胺和苯胺作为芳族胺的反应底物，并研究了由芳族胺的4-位取代基催化的三组AlCl3。表2示出了合成喹啉2，4-二羧酸酯化合物的效果。

苯氧基的电子给体能力大于甲氧基和羟基的电子给体能力，苯氧基的收率最高，达到98.3%。如果取代基R为甲氧基，则收率仍可达到95.2%，但如果取代基R为羟基，则收率仅为72.4%。结果表明，芳族胺的4-位基团的给电子性能越强，反应越有利，目标产物的选择性和产率就越高。在研究过程中，还发现使用4-羟基苯胺作为反应底物产生更多的副产物，薄层色谱分析表明，副产物的Rf值与目标产物的Rf值相似。在进行三次柱色谱分离后，目标产物被完全分离，这可能是由于4-羟基苯胺本身上的羟基具有相对活性且易于发生副反应，从而导致目标产物的收率低[6]。

4 结语

目前的研究结果表明，在无溶剂条件下和在水相中，各种化学反应如氧化、还原和取代被用于催化和促进喹啉和喹啉酮的合成。这在实际应用中产生了一定的效果，实际应用过程的深度和效果已达到人们的期望。它主要用于提高反应速度，同时在某种程度上还提高了化学反应的选择性，药物的分离和提取显示出明显的优势。这是一种新颖的生物分离技术，具有广阔的应用前景。

然而，还需要更多的研究和改进来实现工业应用的成熟。随着科学技术的进步，这种将无溶剂和水相条件与其他技术相结合的新的萃取和分离工艺将很有可能会成为萃取和分离工业的新的发展方向。无溶剂和水相条件的日益成熟，必将使无溶剂和水相条件的适用范围更广。