伊維菌素作為廣譜殺蟲劑,目前被廣泛用于人體、動物和植物的殺蟲劑、驅螨劑等。它由阿維菌素選擇加氫得到。阿維菌素是一組由十六員環內脂與一個二糖所生成的苷,分子內有五個碳碳雙鍵[1](圖1)。

其中碳22、23雙鍵的選擇加氫可得到伊維菌素[2～4]。人們一直采用烴溶性Wilkinson催化劑[5～7],在均相體系中催化加氫得到伊維菌素。由于這類催化劑采用貴金屬Rh,且催化劑和底物之比高達1∶10(質量比),催化反應后催化劑的循環回收很難,使反應成本高昂[2～8]。同時,產品中重金屬污染很難清除。水-有機兩相催化體系是近年發展起來的新體系[9],催化劑溶于水相,產物溶于有機相,反應時通過攪拌,讓兩相充分接觸反應,反應完后靜置分層,含催化劑的水層循環使用,有機層用于分離產物,解決了均相體系中催化劑和產物分離難的問題。而阿維菌素在兩相體系中的選擇加氫國外只有一篇專利報道[10],其反應是在[Rh(COD)Cl]₂和TPPMS(單磺化三苯基膦鈉鹽)組成的原位反應催化體系中進行。由于TPPMS有更好的烴溶性,致使Rh仍然有較大的流失,仍然不能很好地解決重金屬對產物的污染,而本文采用水溶性好得多的TPPDS做配體,考察其加氫性能,以期實現催化劑的更好循環。

1實驗部分

1.1儀器和試劑

日本島津LC-10A高壓液相色譜儀,帶SPD-10AVP可變波長紫外,可見吸收檢測器。阿

維菌素,伊維菌素(四川抗菌素研究所提供),甲苯(重慶北碚精細化工廠),乙醇(成都長聯化工試劑有限公司),RhCl₃·3H₂O(昆明貴金屬研究所),以上均為AR級試劑。TPPDS為自制。

1.2實驗操作

稱取150mg的阿維菌素于60mL的高壓釜中,放入一定量的RhCl₃·3H₂O和TPPDS,以甲苯、水和乙醇的混合溶液作溶劑,充氫氣于一定壓力,加熱攪拌,反應完成后,取出,靜置分層。產品用HPLC進行分析,反應產物組成用已知樣品通過內標法確定,分析柱為C₁₈柱,流動相為甲醇水溶液,其比例為90/10。

2結果與討論

2.1反應條件對阿維菌素選擇加氫的影響

2.1.1溫度對反應的影響　　從表1可以看出,在80℃時,伊維菌素的轉化率達到68.7%,在90℃時,反應的轉化率為55.4%,比80℃時還低,主要原因是由于溫度升高氫氣在溶劑中的溶解度下降,造成加氫的活性降低。而反應的選擇性隨溫度升高而下降,這是由于C₂₂=C₂₃雙鍵的空間位阻最小,發生加氫相對容易,當溫度升高,分子能量加大,位阻上的差異相對縮小,使選擇性下降。由X-射線衍射對阿維菌素晶體結構分析[11]可知,C₃=C₄雙鍵位于一個椅式結構的6員環內,雙鍵空間位阻相對較小,伊維菌素進一步加氫主要應發生在C₃=C₄雙鍵上(見圖1)。而其余三個雙鍵則位于一個剛性結構的16員環內脂,加氫所需分子能量更高。

2.1.2時間對反應的影響　　時間對反應的影響結果列于表2。和均相反應比,該反應體系的反應溫度和壓力較高,導致生成的產物伊維菌素可以被進一步加氫成其他物質,在反應初期,阿維菌素加氫成伊維菌素是主要反應,生成產物的選擇性相對較高,當反應進行到一定程度后,伊維菌素的濃度增加,其進一步加氫速度加快,因而隨反應時間的延長,選擇性下降。

2.1.3壓力對反應的影響　　由于釜內氫氣的壓力增加會增大氫氣在液相反應物中的溶解度,因此我們考察了不同氫氣壓力對加氫反應生成伊維菌素的轉化率和選擇性的影響。表3的結果表明,在試驗條件范圍內,隨著氫氣壓力的增加,轉化率逐漸增大,當壓力為4.0MPa時,其轉化率達到最大值85.9%。壓力為1.0MPa時,選擇性有最大值。隨著氫氣壓力增加,使該反應進一步加氫的速度也增加,選擇性有所下降。

2.1.4膦和銠的比例對反應的影響　　由表4可以看出,在膦和銠的濃度比為4∶1和5∶1之間時,轉化率較高。根據烴溶性wilkinson催化劑RhCl(PPh₃)₃在均相體系中催化加氫反應機理[12,13]可知,RhCl₃·3H₂O和TPPDS發生原位反應[14]。
RhCl₃+4TPPDS+H₂O→Rh(TPPDS)₃+OTPPDS+2HCl(1)
RhCl(TPPDS)₃+H₂＝HRh(TPPDS)₃+HCl(2)

催化劑RhCl(TPPDS)₃生成后,需在氫氣的條件下,催化劑RhCl(TPPDS)₃脫下一分子HCl,生成活潑的催化劑前體HRh(TPPDS)₃(反應方程2),HRh(TPPDS)₃在解離出一個TPPDS形成配位空位,參與催化循環(反應方程3)。因此,膦與銠的使用比例太高對反應方程3中具有配位空位的活性中間體不利,因而抑制了加氫活性,如果膦與銠的使用比例太低在生成催化劑活性前體(反應方程1)中有部分膦配體被Rh( )氧化,導致在催化循環中膦不足,不利于加氫反應發生。

2.1.5三乙胺濃度對于反應的影響　　由反應方程式(2)、(3)可知,由于HCl的生成,抑制了催化劑RhCl(TPPDS)₃進一步在氫氣條件下轉化為活潑的催化前體HRh(TPPDS)₃,加入三乙胺后,HCl被三乙胺中和則促進了反應向方程式右邊進行,有利于催化活性物種的生成。從表5中可知加入三乙胺表5三乙胺濃度對反應的影響使催化劑的活性有一定的提高,當加入的三乙胺的量與RhCl₃·3H₂O的摩爾比大于1∶3時,三乙胺的量對反應結果的影響不大。

2.16不同表面活性劑對反應的影響　　在兩相催化體系中,底物和催化劑在兩相界面能否充分接觸對加氫反應有顯著的影響,添加表面活性劑可促進兩相的接觸,從而增大反應的速度。由于催化劑配體中Na⁺在水中解離,使催化劑帶負電荷,采用陽離子表現活性劑,當達到一定濃度時,表面活性劑形成膠束,陽離子膠束有利于催化劑負離子在兩相界面的富集[15,16],更有利于催化劑和底物的接觸,從而加快反應速度。幾種不同的陽離子表面活性劑對

反應的影響結果見表6。

從表6中可知,在相同的反應條件下,上述陽離子表面活性劑的反應活性不同是與其分子結構有關。對于具有相同鏈長的陽離子表面活性劑CPB和CTAB,其選擇加氫的反應活性隨著表面活性劑中陽離子頭的增大而增大。這是由于陽離子頭越大,更有利于大分子的底物進入膠束與吸附在陽離子頭上的催化劑接觸,從而加速了加氫反應,而較長烴溶性基團的存在有利于膠束中底物的增溶,對于TBAC由于具有較大的陽離子頭和較長的烴溶性基團,因此其反應活性最好。而TBAI雖具有大的陽離子頭,但由于沒有長的烴溶性基團,使其表現出較低的反應活性。因此,表面活性劑的反應活性不僅與其陽離子頭大小有關,同時也受烴溶性基團鏈長的影響。

3結論

綜上所述,通過RhCl₃·3H₂O和TPPDS原位合成水溶性催化劑對阿維菌素選擇加氫制備伊維菌素是可行的,在該體系中表現出較好活性和一定的選擇性。三乙胺的加入促進了催化反應活性,表面活性劑結構對反應性能有較大影響。

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