聚乙二醇在有机合成中的应用研究进展

赵匡民，杨 涛

（四川大学化学工程学院，四川 成都 610065）

聚乙二醇（PEG）是平均分子量200以上的乙二醇高聚物的总称。随着平均分子量的增大，性质也随之产生差异，从无色无臭粘稠液体变为蜡状固体。

聚乙二醇的两羟基具有伯醇性质，尤能进行酯化和醚化反应，低分子量聚乙二醇的反应产物易同油相混，高分子量聚乙二醇的反应产物趋于水溶性。聚乙二醇是具有醚结构的大分子化合物，近年来在有机合成中得到了广泛的应用。

1 聚乙二醇的相转移催化作用

相转移催化（Phase Transfer Catalysis，简称PTC），是20世纪60年代末以后发展起来的一种新型合成方法，70年代起，关于PTC的研究开始不断深入，并在工业生产中应用。PEG为开链的聚乙二醇，作为一种环境友好型催化剂，近年的研究显示其在液液、液固、三相催化中都表现出很高的活性。

1.1 催化原理

相转移催化原理图 Q＝PTC

其作用是在两相反应中将不溶于有机相的反应物带入有机相与不溶于水相的有机反应物进行反应，其带入能力就是PTC催化反应的主要指标。季铵盐是最常见的相转移催化剂，其它的有季膦盐、冠醚、穴醚和开链聚醚，聚乙二醇是最简单、最便宜和最有效的开链聚醚的代表。

PEG作为相转移催化剂可以归结于它具有和各种离子或分子生成络合物的独特性质，一是能使无机盐或碱金属以离子对形式迁移到有机相；二是当无机盐溶解时，在溶液中存在的抗衡离子是溶剂化很低的“裸露”的阴离子，它的反应活性甚为活泼，加速了亲核取代反应的进行。

1.2 相转移催化的应用

1.2.1 液-液相转移催化合成

二苯并 ［b，f］-1，4-噁唑频 （dibenz［b，f］-1，4-oxazepine）作为一种精细有机中间体以前只在高沸点的非质子溶剂DMF和DMSO中高温合成，在100℃以上反应10h可以得到最高产率为74%。

Yogesh R.Jorapur等［1］采用如下反应在PEG－400的催化下可以得到89%的产率，此合成反应有效地减少了有毒溶剂的使用并大幅度提高产率，此实验还对比了不同聚合度的PEG对反应的影响，发现在分子量小于1000时PEG得到的产率维持在88%左右，但从PEG-2000开始随分子量增加，溶液的粘度增大，溶液的混匀程度下降，导致反应物无法充分接触，得到的产率也下降至65%左右。

N，N-二乙基苯胺是制备优秀染料、药物和彩色显影剂的重要中间体，传统合成方法是将定量的苯胺、氯乙烷放入装有液碱的高压釜中，夹套蒸气升温到120℃，压力1.2MPa时，停气。其后由于反应热产生，温度可升到215～230℃，压力达4.5～5.5 MPa， 反应 3h， 出料用水汽蒸馏， 得粗品，加苯二甲酸酐酯化，再进行一次蒸馏得成品。

田庆伟［2］提出用聚乙二醇 800（PEG-800）作相转移催化剂，在氢氧化钠溶液存在下，使苯胺和溴乙烷作用，合成N，N-二乙基苯胺，控制反应瓶内温度为65℃，常压下搅拌反应7 h，产品产率为71.5%，此方法相对传统方法降低了反应的温度和压力，在常压低温下实现了合成。同时田庆伟［3~5］也用了不同聚合度的聚乙二醇做了此合成实验，都取得了不错结果。

蔡亮［6］用聚乙二醇400作为相转移催化剂合成1，3-二（对腈基苯氧基）丙烷。相比传统的威廉森反应合成，相转移催化大幅度提高了产率，达到了72%。

1.2.2 固-液相转移催化合成

研究发现，分子量小于800的PEG可以用来作为固液相转移催化剂，其中PEG-400的催化效果最好，故研究人员大部分将PEG-400用于固液相转移催化合成的研究。

G.D.Yadav 等［7］用 PEG-400 固液相转移催化对甲苯磺酰氯合成对甲苯磺酰氟，并研究了此反应的动力学和热力学因素。发现在温和的反应条件30℃下，1h反应可达到90%的转化率，并全部选择性地合成了对甲苯磺酰氟，反应的表观活化能为 36.59 kJ·mol-1。

丙二酸二乙酯不仅是重要的精细化学品中间体，也是制备烃基丙二酸的原料，在强碱（钠、醇钠）作用下，可以和卤代烃反应，生成烃基丙二酸二乙酯，然后水解为烃基丙二酸，该工艺要求在苛刻无水条件下进行，所以限制了其应用。

徐立中等［8］以氯化苄和丙二酸二乙酯为原料，在无水K2CO3下，采用相转移催化技术和薄层层析技术（TLC）进行固液相转移苄基化反应，然后再水解制得苄基丙二酸，在PEG-400催化下，温度控制在160℃，产率可达到75.84%，反应时间缩短至2h。

谢筱娟［9］、刘巧占［10］等也做了固-液相转移催化的研究。

1.2.3 三相相转移催化合成

固载化聚乙二醇类三相催化剂自1977年Regen［11］首次合成并应用以来，吸引了很多人的注意，三相相转移催化剂（triphase phase transfer catalyst，TPPTC） 具 有 比 相 转 移 催 化 剂 （phase transfer catalyst，PTC）更明显的优点：不溶于水、酸、碱和有机溶剂，反应结束只需简单过滤即可定量回收，并可多次重复使用，而活性不降低或稍降低。反应产物从反应体系中的分离提取也很方便。

Regen等在1977年首次把固载PEG单甲醚用作三相催化剂，完成了1-溴金刚烷和三丁基溴的水解反应，从而奠定了固载聚乙二醇类化合物在三相反应中应用的基础。

从Regen等的研究后，国内外都有不少人在研究固载化聚乙二醇类三相催化剂的研究，将其广泛应用于醚和酯类物质的合成［12~13］。Totten等［14］综述了PEG及其衍生物作为三相催化剂的各类研究，详细地介绍了TPPTC近年的研究方向。

1.2.4 其它相转移催化合成

近年来开发的气-液相转移催化（GL-PTC）［15］是一种潜力特别大的两相催化方法，其采用连续流程，气体反应物流动通过荷载在固体亲核试剂上得熔融的热稳定相转移催化剂PEG。近年来PEG相转移催化的研究重点在别的非典型两相反应。

2 聚乙二醇支撑的有机合成反应

目前，分子量从3000到6000的聚乙二醇（PEG）是液相有机合成中使用最多的可溶性聚合物支持体。

Reggelin 等［16］用 MeO-PEG5000 支 持 醛 与 烯醇盐进行了不对称Aldol反应。通过分析，产物的光学纯度≥97%；H2-Pd进行均相催化反应可将产物醇顺利地解离下来。

不溶性聚合物支持的催化剂和试剂已得到广泛的应用，但由于反应在非均相体系中进行，动力学和其他反应行为与溶液相中有较大的差异。为了解决这些问题，出现了可溶性聚合物支持的催化剂和试剂，使反应在均相条件下得以进行。Wenthworth等［17］合成了PEG支持的三氟甲磺酰化试剂，该试剂可有效地对芳基酚和烯醇锂盐进行三氟甲磺酰化反应。

Pozzi等［18］合成了聚乙二醇支持的TEMPO作为可回收的催化剂，能够高效地对醇进行选择性氧化。

3 聚乙二醇与新技术的结合

3.1 聚乙二醇与微波技术结合

微波应用于有机合成的研究始于1986年，Gedye等［19］通过比较常规条件与微波辐射条件下进行酯化、水解、氧化等反应，发现在微波辐射下，反应得到了不同程度的加快，而且有的反应速度加快了几百倍，从此形成了一个新科学领域——MORE化学（微波诱导催化有机反应化学）。微波辐射应用于相转移催化反应，既可以改善反应条件，又可以提高产率。人们主要提出“热效应”和“非热效应”两观点对其加热机理加以解释。

E.Colacino 等［20］选择 PEG3400 作 为碳 酸铯和氧化亚铜的溶剂，在微波加热下制成纳米粒子催化剂体系，用此催化剂催化如下反应：

碘苯在微波辅助下150℃反应1h，产率可达88%，二次回收后产率更可达98%。而在传统的油浴锅中加热反应，其他条件不变情况下产率只有14%。此方法高效实用，而且催化剂体系在乙醚作用下还可以沉淀回收，在杂环化合物的N芳香基取代反应中有广泛的适用性。

聚乙二醇作为环境友好型催化剂，近年国内PEG与微波结合应用于有机合成的研究也有许多，罗军等［21］运用 PEG-6000作相转移催化剂从对硝基氯苯合成对硝基氟苯，微波加热的反应速率是常规加热的近3倍，对硝基氟苯的收率为91.6%。同样， 在微波加热下邻硝基氯苯、2，5-二氯硝基苯和3，4-二氯硝基苯的卤素交换氟化反应速率分别提高到常规加热的6倍、24倍和52倍，产物邻硝基氟苯、5-氯-2-氟硝基苯和3-氯-4-氟 硝 基 苯 的 收 率 分 别 提 高 到 79.2%、66.7% 和82.8%

此外 K.Solanki［22］，H.S.P.Rao［23］等在微波技术和聚乙二醇结合应用于有机合成也有研究。

3.2 聚乙二醇与超声波技术结合

20世纪20年代，研究发现超声波对有机反应有加速作用。近年来，许多化学工作者将超声辐射与相转移催化技术相结合引入有机合成中。两相技术互为补充，极大地提高了反应产率，成倍地缩短了反应时间，降低了反应条件［24］。

李记太等［25］在硼氢化钠对二苯酮的还原中，以聚乙二醇为潜溶剂可使反应的温度降低，使还原剂的用量降低。施加超声波作用，聚乙二醇为潜溶剂，室温反应5min即可使产品达到或接近经典方法于乙醇中回流0.5h的收率。

超声波技术应用于相转移催化的研究相对较少，超声波的优越催化反应性能使其在有机合成中的应用前景十分广阔。

4 结语与展望

（1）聚乙二醇（PEG）作为相转移催化剂的催化效果虽然不如季铵盐，但是它具有价廉、易得、无毒、易生物降解、易除去和易回收、可以多次利用、在非强酸条件下热稳定性好的特点，所以在实际生产中具有季铵盐不可比拟的优越性。

（2）聚乙二醇相转移催化合成条件中对搅拌的要求比较高，其可以增加有机相与水相的接触，加快离子对转移，有利于提高反应速率。但工程放大时，其搅拌的类型有很大的不同，效果也大不同。但近年来发现超声波是一种很有效的搅拌方式，所以超声波相转移催化的研究可能是近期研究的热门方向。

（3）聚乙二醇作为一种可溶性聚合物支持体在组合化学和有机合成化学中得到广泛的应用，它提供了均相反应条件，并具有便于纯化和容易分析的优点。因此，PEG作为支持体、催化剂、试剂越来越多地应用于科学研究和工业化生产中。

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