1、超声辐照下查耳酮与尿素过氧化氢的高效环氧化反应摘要：在超声波辐射下，查耳酮与尿素过氧化氢（UHP）可进行高效的环氧化反应，最后能得到 78-93的产量。与传统方法相比，该实验计划的优点是使用了一个更安全的氧化剂，反应条件温和，无有毒溶剂，缩短了反应时间。1、前言在有机合成化学中，环氧化物是非常重要的化学物质1-5，可作为多功能前体物质用于许多易制毒化学天然产物和药物分子的合成6,7。研究者们高度重视并一直致力于能够让碳碳双建环氧化的方法的发展。查耳酮的环氧化是一种用于 a,b-不饱和酮环氧化的最有效方法 8。一些氧化剂，包括次氯酸钠9，过氧化氢钠10 ，间氯过氧 苯甲酸11, 亚氯酸钠12 ，
2、四水过硼酸钠13 ，过一硫酸氢钾14 ，cyclohexylidenebishydroperoxide 15，三氯异氰尿酸16 ，过氧化氢17和二甲二氧环烷 18，都已在查耳酮环氧化过程中使用。然而，总有一些问题，像反应时间长，催化剂成本昂贵，有空间位阻，涉及有毒的溶剂或是实验操作难度很大。已查阅的文献资料表明，超声辐照已作为无污染与有益的实验条件运用于有机合成和过程中，许多有机反应还可以考虑采用超声波照射加速19-21。例如十年前 Sazivkyet 人的实验中22 曾有报道过在超声下四水硼酸钠可与查耳酮发生环氧化反应。随后，在 2002 年 Boyeret 等人的调查中研究，在水正庚烷中两
3、个表面活性剂（十二烷基三甲基溴）以及超声辐照系统中，查耳酮也可与过氧化氢发生环氧化反应。最近，李、刘24的报道中提到，利用benzyldimethyltetradecyl 作为相转移催化剂，在超声波下辐照了 2-4 小时的 62-92的 2,3 epoxyl - 1 ,3 -二芳基- 1 -丙酮中，查耳酮可与次氯酸钠的水溶液发生环氧化反应。尿素过氧化氢，一种白色的固体结晶，是尿素从过氧化氢水溶液中再结晶时形成的25 。这种材料已经被当做过氧化氢液体的固体替代品，它在室温下能形成相对稳定的物质26，具有较高的过氧化氢含量和可控制的方式来释放它这种潜力27 。同时它还具有生成无害的副产品，以及能溶
4、于有机溶剂中的优势。这些特性使其成为在环氧化反应中无水过氧化氢最良好和安全的替代物质。本特利等人在28 曾报道过 1997 年德国联邦环境基金会在具有聚（L）的-亮氨酸的有机溶剂条件下发生的查尔酮与尿素过氧化氢的环氧化反应。最近，桑托斯等人在29 报道称，在 25 到 45下，并采用微波辐射手段，查尔酮与尿素过氧化氢在 1,4 二氧杂环己烷环境中环氧化反应可得到 95的产量。上述研究得到的所有结果促使我们研究尿素过氧化氢（UHP）在超声照射下与查耳酮发生环氧化反应的可能性。在本文中，我们将研究报告一个在超声波照射下成功试验的尿素过氧化氢（UHP）与查耳酮的环氧化反应。2、实验方法2.1 实验仪
5、器和分析查耳酮按照文献30 制备。其熔点通过设备 XRC - 1 记录，并纠正错误的地方。测量核磁共振光谱所采用的布鲁克（400 或 600 MHz）光谱仪使用 TMS 作为内部标准，CDCl3 作为为溶剂。该反应过程用薄层层析来监测，薄层层析板预涂商业默克（硅胶 60 F254） 。超声是在一个克勤- 100E 超声波清洗机（40 千赫的频率，额定功率 100 瓦）和克勤- 100VDB 超声波清洗器（28 和 100 千赫频率和额定功率 100 瓦）中形成的。反应瓶被存放在清洁以及能源领域最大的地方，反应温度由水浴控制。2.2 尿素过氧化氢的制备（UHP）25在 100 毫升容量瓶加入 1
6、2 克高硼硅尿素和 34 毫升过氧化氢（30） 。在60温度下搅拌反应混合物 10 分钟。当冷却后转移到一个结晶盘里让它缓慢蒸发，最后结晶既得尿素过氧化氢。2.3 实验过程在容量为 50 毫升的高硼硅烧瓶加入亚苄基乙酰苯（1a，0.416 克，2 mmol）和尿素过氧化氢（0.300 克，3.2 mmol） ，并溶解在乙醇（20 毫升）和水（8 毫升）的混合物中，再加入氢氧化钠水溶液（4，0.40 毫升） 。让该混合物在水浴以及在室温下条件下在超声波清洗机中照射 15 分钟（超声要一直持续到亚苄基乙酰苯已经在薄层层析板消失） 。然后用乙醚提取该混合物，用清水洗净并用无水硫酸钠干燥。溶剂在低压条
7、件下蒸发，残留物则用乙醇结晶并得到产物 2a。2a-c, 2e-k 这些产物要通过与去年同期文献资料中相应产物的的熔点和核磁共振光谱数据比较来辨别真伪。2a：无色水晶物， dH（400 兆赫）：4:05（1H，d，J= 1.0 赫兹） ，4.22（1 H，d，J = 1.2 赫兹） ，7.34-7.74（10 H，m）ppm。2b：白色晶体物，dH（400 兆赫）：4:08（1 H，d，J = 1.2 赫兹） ，4.24（1 H，d，J = 1.6 赫兹） ，7.17 （2 H，d，J = 8.8 赫兹） ，7:36-7:43 （5 H，m） ，20:06（2 H，d，J = 8.8 Hz）p
8、pm。2c：白色固体， dH（400 兆赫）：4.22（1 H，d， J = 1.6 赫兹） ，426（1 H，d，J = 2.0 赫兹） ，7.20 （2 H，t，J = 8.4 赫兹） ，7.62（1 H ，t，J = 8.0 赫兹），7.72（1 H，d，J = 8.0 赫兹） ，8:07-8:10（2 H， m） ，8.25（2 H，d，J = 8.0 Hz） ppm。2e：白色晶体物， dH（400 兆赫）：4.11（1 H，d，J = 1.6 赫兹） ，4.37（1 H，d，J = 2.0 赫兹） ，7.21 （2 H，d，J = 8.8 赫兹） ，7:32（1 H，d，J = 8
9、.0 赫兹） ，7:34（1 H，d，J = 8.4，2.0 赫兹） ，7:45（1 H，d，J = 1.6 赫兹） ，8.11（2 H，d，J = 8.8 Hz）ppm。2f：白色晶体物，dH（400 兆赫）：4:07（1 H，d ，J = 1.6 赫兹） ，4.23（1 H，d，J = 1.6 赫兹） ，7:36-7:43（5 H，m） ，7:47（2 H，d，J = 8.4 赫兹） ，7.97（2 H，d，J = 8.4 Hz）ppm。2g：白色晶体物，dH（400 兆赫）：4.09（1 H，d，J = 1.2 赫兹） ，4.25（1 H，d，J = 1.2 赫兹）,7.36 - 7 .
10、46（5 H，m） ，7.66 （2 H，d，J = 8.4 赫兹） ，7.91（2 H，d，J = 8.4 Hz）ppm。2h：白色晶体物，dH（400 兆赫）：3.88（3 H，s） ，4:07（1 H，d，J = 2.0赫兹） ，426（1 H，d，J = 2.0 赫兹） ，6.95（2 H，d，J = 8.8 赫兹） ，7:35-7:44（5 H，m） ，8:02（2 H，d，J = 8.8 Hz）ppm。2i：白色固体，dH（600 兆赫）：3.89（3 H，s） ，4.21（1 H，d，J = 1.6 赫兹） ，4.27（1 H，d，J = 2.0 赫兹） ，6.98（2 H，d，
11、J = 8.4 赫兹） ，7:32（1 H，t ，J = 8.4 赫兹） ，7.22 （1 H，d，J = 8.0 赫兹） ，8:02（2 H，d，J = 8.4 赫兹），8.24（2 H，S）ppm 。2j：白色晶体物，dH（400 兆赫）：3.83（3 H，s） ，4:03 （1 H，d，J = 1.6赫兹） ，4.13（1 H，d，J = 1.6 赫兹） ，6.92（2 H，d，J = 8.8 赫兹） ，7.27（2 H，d，J = 8.8 赫兹） ，7:36 （1 H，d，J = 8.4，2.0Hz ） ，7:45 （1 H，d，J = 2.0赫兹） ，7.60（1 H，d，J = 8
12、.4 赫兹）ppm。2k：白色晶体物，dH（400 兆赫）：4.17（1 H，d，J = 2.0 赫兹） ，4.21（1 H，d，J = 1.6 赫兹） ，7:40 （1 H，dd，J = 8.4，2.0 赫兹） ，7:47（1 H，d，J = 2.0赫兹） ，7.60（1 H，t，J = 8.0 赫兹） ，7.64（1 H，d，J = 8.4 赫兹） ，7.69-7.72（1 H，m） ，8:22-8:26（2 H，m）ppm。3、结果与讨论关于超声辐照对亚苄基乙酰苯与尿素过氧化氢的环氧化反应的影响如表 1所示。首先，就如表 1 所示，我们调查了反应中在超声波辐射下底物摩尔浓度对氧化剂的影响
13、。结果表明，亚苄基乙酰苯与尿素过氧化氢的摩尔比对环氧化反应有显着的影响。当亚苄基乙酰苯（1a）与尿素过氧化氢的摩尔比为 2:2 时，2,3 - epoxyl - 1 ,3 -二苯基- 1 -丙酮（2a）在 78的收益率时（条目 1）获得。当它们的摩尔比增加到 2:2.4 和 2:3.2，2a 的产量可以提高到 82和 91，分别为（条目 2，3） ，当比例提高到 2:5 时，其产率还是 91，不会再增加（条目 4） 。其次，超声辐射频率对反应的影响也可观察到。当频率为 28 千赫时，亚苄基乙酰苯（1a ）与尿素过氧化氢 的摩尔比为 2:3.2 时，在 15 分钟内，产物产量能达到 88，导致了
14、 1a 的环氧化（条目 5） 。而当在同等条件下频率为 100 千赫照射时，亚苄基乙酰苯的环氧化（1a）产物产量能达到 90（条目 6） 。结果表明，辐射频率对反应影响不大。 随后，我们调查了溶剂对环氧化反应的影响。考虑了均相反应的优势，我们使用混合溶剂作为反应溶剂。在同等条件下，当我们分别用乙醇-水，丙酮-水，1,4- 二氧六环- 水或 THF-水体系用作溶剂时， 亚苄基乙酰苯（1a ）的反应产率分别为 91，89，92和 93（条目 2，7，8 和 9） 。我们可以看到，几种溶剂对反应的效果差异不大。考虑到溶剂的毒性作用，我们用乙醇-水这种几乎没有毒性的混合溶剂作为下一个实验的溶剂。从以上
15、结果分析可以知道我们选择的反应条件应该为：查尔酮（1，2 毫摩尔） ，尿素过氧化氢（0.300 克，3.2 毫摩尔） ，氢氧化钠（4，0.4 毫升） ，乙醇（20 毫升）和水（8 毫升） ，室温下。利用该反应体系，我们在 40 千赫的超声波照射下做了一系列的查耳酮环氧化实验。结果列于表 2。表 1在超声辐射下不同的反应条件对亚苄基乙酰苯与尿素过氧化氢环氧化的影响条目 底物/尿素过氧化氢（毫摩尔）频率（千赫） 溶剂 产率（）a123456789102:22:2.42:3.22:52:3.22:3.22:3.22:3.22:3.22:3.2404040402810040404040乙醇-水 78乙
16、醇-水 82乙醇-水 91乙醇-水 91乙醇-水 88乙醇-水 90丙酮-水 891,4-二氧六环- 水 92THF-水 93乙醇-水 0ba在亚苄基乙酰苯基础上的分离产率b在超声下搅拌不含氢氧化钠（4）的尿素过氧化氢表2在超声辐射下查耳酮与尿素过氧化氢的环氧化反应条目 R1 R2 时间（分钟） 产率（）aM.P.（）(lit.)abcdefghijklH4-F4-F4-F4-F4-Cl4-Br4-OCH34-OCH32,4-Cl22,4-Cl22,4-Cl2HH3-NO34-OCH3,3-NO32,4-Cl2HHH3-NO34-OCH33-NO34-OCH3,3-NO315502075352
17、406060035360258530100459004015025852080606009183b8778b8671b00b8973b9060b8570b9365b8470b78458575b00b8586 (8285) 318384 (8384) 1615015189-92123126 (118120) 32126127 (127128) 337779 (7980) 16142145110113130132a在查耳酮基础上的分离产率b在没有超声下搅拌尿素过氧化氢如表2中的组合1所示，查耳酮的环氧化在室温下有更好的收益率（78-93） ，同时在使用超声波照射以及尿素过氧化氢（UHP）作氧化剂市
18、能有较短的反应时间（15-45分钟） 。在没有超声波照射的情况下，环氧化反应时间会增加为50-900分钟。例如，在亚苄基乙酰苯混合物（1a ）中，尿素过氧化氢和NaOH（ 4）在室温下搅拌50分钟，产物2,3 - epoxyl - 1 ,3 - 二苯基- 1 -丙酮（2a）能有83 的收益率。而该反应如果是在室温以及超声波照射下进行了15分钟，则能有91的产量。因此，实验结果表明，用超声波处理的环氧化反应的产量并没有比没有超声波处理的产量要低或者更高，或者是反应时间更短，这就如同文献中描述的一样 28。其原因可能是由超声波生产的气蚀现象20,21。同时，我们观察到在没有加入氢氧化钠的实验中反应
19、已停止（见表1） 。例如，在没有加入氢氧化钠的实验中，在超声波照射下，即使反应时间已经过了600分钟，亚苄基乙酰苯也并没有转化为2,3 - epoxyl - 1 ,3 二苯基丙酮。根据已知的Weitz Scheffer反应机制34以及Apeloig等人所做的独创性研究35，a，b -不饱和酮与过氧化氢在碱性条件经氧化生成环氧酮是一个合理的反应机理，就如同方案2所示。首先，这涉及到了尿素过氧化氢和OH -在超声波辐射下并迅速形成了HOO -的反应。其次，HOO -被添加到烯酮中（1） ，形成氢烯醇（3） 。最后，在伴随着失去了OH -后，氢烯醇（3）又形成了环氧（2） 。在目前的实验研究过程中，
20、我们发现在查尔酮的环氧化反应中，获取了电子基或吸电子取代基后会促进反应的进行，除了1 d and 1 m 。不能在超声波照射下同时进行两个查尔酮的环氧化反应，因为它们都具有巨大的取代基 (R = 4- OCH3, 3-NO2)，它周围的空间位阻双键可能会抑制尿素过氧化氢去攻击双键。4、结论总之，我们发现了一个在超声照射下高效率的查耳酮与尿素过氧化氢的环氧化反应。与传统方法相比，该实验的主要优点是使用一个更安全的氧化剂，反应条件温和，没有使用有毒溶剂，特别是反应时间要远远短于传统方法。致谢该项目得到了国家高技术研究（2006AA10A209）和中国发展与中国国家自然科学基金（批准号：20572076） 。
