HP-β-CD水相中4-甲氧基苯甲硫醚的选择性氧化

石东坡，许慧华

长江大学化学与环境工程学院，湖北 荆州 434023

亚砜和砜是重要的化学产品和化工中间体，广泛应用于材料、化学、医药等领域[1-3]。硫醚氧化是最常用的合成亚砜和砜的方法之一[4-6]，如THOMPSONA等[7]报道了一种高效氧化硫醚的反应体系，但采用了过渡金属钌(Ⅱ,Ⅲ)催化剂；PANDYA等[8]采用亚硫酸钠氧化合成砜，反应体系没有采用过渡金属催化剂，但是反应收率仅为45%～96%。目前所报道的合成亚砜和砜的反应体系中，广泛采用有机溶剂和过渡金属催化剂[4-9]，反应完成后，需要进行有机相产物分离和催化剂清洗等，不可避免地造成了环境污染。因此，如何高效、绿色氧化硫醚合成亚砜和砜已备受关注。

羟丙基-β-环糊精(HP-β-CD)是一种结构特殊的大分子化合物，它无毒无害，可以选择性地包结分子尺寸合适的有机物分子形成“主-客”体包结物[10-14]，HP-β-CD的亲水性外壁可将形成的“主-客”体包结物均匀地分散于水溶液中，从而促使有机物溶解于水相中。不仅如此，HP-β-CD内腔还能诱导硫醚分子，催化硫醚氧化成亚砜或砜。笔者曾在β-环糊精水溶液中实现了苯甲硫醚的绿色氧化[15]，反应体系绿色高效。鉴于此，采用过氧化氢(H2O2)作为氧化剂，在HP-β-CD水溶液中构筑纳米级微观反应器，实现水相中选择性氧化4-甲氧基苯甲硫醚，通过控制反应条件和H2O2的加入量，促使4-甲氧基苯甲硫醚合成4-甲氧基苯甲亚砜或4-甲氧基苯甲砜。不采用有机溶剂和过渡金属催化剂，是一种环境友好的合成亚砜和砜的绿色方法。

1 试验部分

1.1 主要试剂与仪器

羟丙基-β-环糊精，纯度99%；4-甲氧基苯甲硫醚，纯度98%；过氧化氢，体积分数30%；蒸馏水；Agilent 6890A/5975C气质联用仪(美国安捷伦公司)。

1.2 试验方法

HP-β-CD水相中4-甲氧基苯甲硫醚氧化合成4-甲氧基苯甲亚砜和4-甲氧基苯甲砜的反应方程式见图1。

图1 HP-β-CD水相中4-甲氧基苯甲硫醚氧化反应Fig.1 Oxidation of 4-methylphenyl methyl sulfide induced by HP-β-CD

在一定温度下(合成砜时为80℃)，将HP-β-CD完全溶解于30mL蒸馏水中，然后加入2mmoL 4-甲氧基苯甲硫醚和适量的H2O2(反应初始加入一部分，反应2h后再加入一部分)，分别研究反应时间、反应温度、HP-β-CD物质的量、H2O2用量对4-甲氧基苯甲亚砜或4-甲氧基苯甲砜收率的影响。

2 4-甲氧基苯甲硫醚的氧化影响因素分析

2.1 反应时间

反应时间对4-甲氧基苯甲亚砜和4-甲氧基苯甲砜收率的影响结果如表1所示。当反应温度为45℃时，4-甲氧基苯甲硫醚氧化的目标产物为4-甲氧基苯甲亚砜，最佳反应时间为5h，此时4-甲氧基苯甲硫醚的转化率达89%，4-甲氧基苯甲亚砜的收率为87%，继续增加反应时间，反应的转化率和目标产物的收率均不会再增加。当反应温度为80℃时，4-甲氧基苯甲硫醚氧化的目标产物为4-甲氧基苯甲砜，最佳反应时间也为5h，此时4-甲氧基苯甲硫醚的转化率超过99%，4-甲氧基苯甲砜的收率为92%，继续增加反应时间，4-甲氧基苯甲砜的收率均不变。

表1 不同反应时间下4-甲氧基苯甲硫醚的氧化结果

2.2 反应温度

保持H2O2的体积为1.5mL，反应时间为5h，不同反应温度下4-甲氧基苯甲亚砜和4-甲氧基苯甲砜收率的影响结果如表2所示。4-甲氧基苯甲硫醚的转化率随反应温度升高而增加，当反应温度达到70℃时，4-甲氧基苯甲硫醚的转化率超过99%。氧化产物4-甲氧基苯甲亚砜的收率随反应温度升高先增加后降低，这可能是由于4-甲氧基苯甲亚砜进一步被氧化成4-甲氧基苯甲砜所致[15]，4-甲氧基苯甲亚砜最大收率为87%，此时的反应温度为45℃。氧化产物4-甲氧基苯甲砜的收率随反应温度升高而增加，最佳反应温度为80℃，最高收率为54%，需要增加氧化剂用量进一步提高收率。

表2 不同反应温度下4-甲氧基苯甲硫醚的氧化结果

2.3 HP-β-CD 加入量

当反应时间为5h，反应物4-甲氧基苯甲硫醚加入量为2mmoL时，HP-β-CD的加入量对4-甲氧基苯甲亚砜和4-甲氧基苯甲砜收率的影响结果如表3所示。对于4-甲氧基苯甲硫醚氧化合成4-甲氧基苯甲亚砜反应体系，反应转化率和目标产物亚砜的收率均随HP-β-CD体积物质的量的增加而增加，可见HP-β-CD具有促进4-甲氧基苯甲硫醚氧化的作用[15]，HP-β-CD最佳加入量为1mmoL，进一步增加HP-β-CD的用量，反应转化率和目标产物亚砜的收率不变。对于4-甲氧基苯甲硫醚氧化合成4-甲氧基苯甲砜反应体系，反应转化率均大于96%，目标产物4-甲氧基苯甲砜的收率随HP-β-CD物质的量的增加而增加，HP-β-CD最佳物质的量为1mmoL，此时目标产物4-甲氧基苯甲砜的收率达92%。

2.4 H2O2体积

氧化剂H2O2分二次加入(反应初始加入一部分，反应2h后再加入一部分)，其对反应结果的影响如表4所示。对于合成4-甲氧基苯甲亚砜反应体系，H2O2最佳体积用量为1.5mL，进一步增加H2O2体积，目标产物亚砜的收率不变；对比表4中序号2和序号3可知，采用分二次加入H2O2的方式，目标产物4-甲氧基苯甲亚砜的收率更高。对于合成4-甲氧基苯甲砜反应体系，H2O2最佳体积用量为5mL，采用分二次加入H2O2的方式(序号6和序号7)，目标产物4-甲氧基苯甲砜的收率更高，可达92%。

表4 不同H2O2体积时4-甲氧基苯甲硫醚的氧化结果

3 机理分析

目标反应产物4-甲氧基苯甲亚砜和4-甲氧基苯甲砜均通过Agilent 6890A/5975C型气质联用仪(美国安捷伦公司)进行表征。综合影响因素的分析可知，提高反应温度和增加氧化剂H2O2的体积用量均有利于合成4-甲氧基苯甲砜，而4-甲氧基苯甲亚砜的收率反而降低，由此可推测出4-甲氧基苯甲硫醚氧化时先生成4-甲氧基苯甲亚砜，再进一步氧化为4-甲氧基苯甲砜。可能的反应机理推测如图2所示。

图2 HP-β-CD水相中4-甲氧基苯甲硫醚氧化可能的反应机理Fig.2 Possible reaction mechanism of oxidation of 4-methylphenyl methyl sulfide induced by HP-β-CD

4 结论

1)在HP-β-CD水溶液中，实现了水相中选择性氧化4-甲氧基苯甲硫醚反应，HP-β-CD在反应体系中既具有增溶反应物的作用，又具有促进氧化反应的作用。

2)在HP-β-CD水溶液中，4-甲氧基苯甲硫醚氧化合成4-甲氧基苯甲亚砜和4-甲氧基苯甲砜的最佳反应温度分别为45℃和80℃，最佳反应时间均为5h；当4-甲氧基苯甲硫醚用量为2mmoL时，HP-β-CD的最佳加入量均为1mmoL，氧化剂H2O2的最佳体积用量分别为1.5mL和5mL(分二次加入)，4-甲氧基苯甲亚砜和4-甲氧基苯甲砜的最大收率分别为87%和92%。

3)反应体系条件温和，没有采用有机溶剂和过渡金属催化剂，HP-β-CD自身无毒无害，是一种绿色合成4-甲氧基苯甲亚砜和4-甲氧基苯甲砜的方法。