Figure1
表1(Table 1)
Chaosen CHU, Xiaoli WANG, Yutao HU, et al. Catalyzed Oxidation of Alcohols by 2,2,6,6-Tetramethyl-1-iperidinyloxy with Sodium Bromate and Ferric Chloride as Accelorators[J]. Chinese Journal of Applied Chemistry, 32(6): 666-670
建立了溴酸钠和氯化铁为助催化剂2,2,6,6-四甲基- N-氧化哌啶(NaBrO3-FeCl3-TEMPO)新型催化体系,以苯甲醇的氧化为研究对象,得出各成分与底物的最佳物质的量比为:2%TEMPO、35%NaBrO3、3.7%H2SO4、2%FeCl3·6H2O。该体系在室温下可有效实现芳香醇、脂肪醇及杂环醇的氧化,收率高(99%)、选择性强(99%),在无氧条件下,仍表现出较好的催化活性。
A 2,2,6,6-tetramethyl-1-piperidinyloxy catalytic system with sodium bromate and ferric chloride as accelorators(NaBrO3-FeCl3-TEMPO) was developed for efficient oxidation of alcohols. Taking example for benzyl alcohol, the molar ratios of TEMPO, NaBrO3, H2SO4, FeCl3·6H2O relative to the substrate are optimized at 2%, 35%, 3.7% and 2%, respectively. Aromatic alcohol, aliphatic alcohol and heterocyclic alcohol can be effectively oxidized to the corresponding carbonyl compounds with high yields up to 99% and selectivity up to 99% at room temperature even under anaerobic conditions.
在有机合成中,由醇氧化得到羰基化合物具有十分重要的意义[1],传统氧化反应通常伴随着大量的副产物,寻求原子经济型的催化剂是近年来研究的重点方向。有机小分子催化剂TEMPO(2,2,6,6-四甲基- N-氧化哌啶)或其衍生物在助催化剂NaN
溴酸盐是一种经济易得的无机盐氧化剂,可参与有机氧化反应[5,6]。Zhang等[7]采用NaBrO3与NaBr组合作为助催化剂,在酸性条件下提供Br2,进而与TEMPO协同作用,催化一系列醇氧化得到羰基化合物,收率高,选择性强,但需要较长的反应时间(5~20 h),且反应溶剂1,2-二氯乙烷高度致癌。Shen等[8]将NaBrO3与4-取代TEMPO组合应用,选择相对安全的二氯甲烷(DCM)做溶剂,大大缩短了反应时间(1~9 h),但4-取代TEMPO价格昂贵,通常是TEMPO价格的4倍以上,不经济。研究表明,NaBrO3与TEMPO组合催化效果很差,如能找到另一价廉易得的助催化剂参与该组合并能显著改善催化效果,便可解决以上问题。
作为TEMPO氧化助催化剂的可选对象较多,但大多数存在着价格昂贵、不易获得的弊端。铁离子[9]作为助催化剂的研究已有报道,Wang等[10]选用廉价的FeCl3做为助催化剂,成功实现了多种醇的氧化,但仍存在着反应时间长的不足(≥8 h),本研究设计采用FeCl3和NaBrO3组合,通过实验尝试,最终建立了NaBrO3-FeCl3-TEMPO新型催化体系(见Scheme 1),在保证高收率、高选择性的基础上,具有反应时间短,原料成本低的优点。
 | Scheme 1 Oxidation of alcohols by NaBrO3-FeCl3-TEMPO |
实验所用试剂均购自国药集团化学试剂有限公司,均为分析纯试剂,用前未做处理;柱层析用0.075~0.048 mm柱层析硅胶(青岛海洋化工厂)。
AM300MHz型核磁共振仪(德国Bruker公司);SPECTRO(ICP-MS)型质谱仪(德国斯派克公司);GC-2010型气相色谱仪(日本岛津公司)。
1.2.1 醇的催化氧化 在50 mL圆底烧瓶中加入底物醇5 mmol,二氯甲烷5 mL,室温敞口搅拌,依次加入TEMPO 0.1 mmol,浓硫酸18 μL,FeCl3·6H2O 0.1 mmol,充分搅拌下加入含NaBrO31.75 mmol的2.5 mL水溶液,TLC、GC监测反应进程,反应结束后反应液依次用饱和亚硫酸钠溶液、饱和碳酸氢钠溶液洗涤,二氯甲烷萃取,合并有机相,减压除去溶剂,柱层析纯化得产物。
1.2.2 产物监测与分析 反应的转化率、选择性及产物的收率通过GC检测计算得到,采用HP-5毛细管柱,载气为N2气。实验所有产物均为已知化合物,结构经1H NMR和MS鉴定并与文献数据比对确定。
以苯甲醇的催化氧化作为模型进行反应条件的优化。实验首先参照文献[8]报道的比例进行考察,苯甲醇5 mmol、 x(TEMPO)=2%(相对于底物物质的量,下同)(代替4-取代TEMPO)、 x(NaBrO3)=35%、 x(H2SO4)=3.7%,尝试加入FeCl3·6H2O 1% ,室温敞口反应1.5 h,获得了56%的转化率,证实FeCl3·6H2O的确可以改善催化效果。接下来的研究依次考察各组分对催化氧化结果的影响。研究表明(表1),各组分在催化过程中均发挥作用(序号2~5),催化剂TEMPO用量的减少导致转化率显著下降(序号2、8); 助催化剂NaBrO3(序号3、7)和和FeCl3·6H2O的使用对反应结果影响较大,其中FeCl3·6H2O的用量应保持与TEMPO的用量相等为宜(序号1、5、6),H2SO4(序号4、6、9)为催化反应提供必要的质子条件,有效促进反应进程。实验得出最佳的反应条件为(序号6) x(TEMPO)=2%、 x(NaBrO3)=35%、 x(H2SO4)=3.7%、 x(FeCl3·6H2O)=2%。文献[4,5,6,7]研究表明,助催化剂协同TEMPO发生氧化需要氧气的参与才能发挥作用,值得关注的是,本研究体系在无氧条件下(序号10)同样表现出了优秀的催化效率,证明氧气的存在与否对本研究所建立的催化体系没有影响。
 | 表1 苯甲醇氧化反应条件的优化 Table 1 Optimization of the conditions for the oxidation of benzyl alcohol |
在实验得出最佳反应条件的基础上,将该催化体系拓展应用于多种醇的氧化,结果见表2。
| 表2 多种醇的催化氧化 Table 2 Catalytic oxidation to various alcohols |
实验结果表明,本研究所建立的催化体系对芳香醇和脂肪醇的催化氧化均有效,芳香醇的氧化效果明显优于脂肪醇。所有实验的芳香醇转化基本完全(序号1~7),选择性高(大于99%),未出现过氧化现象,其中苯环上有吸电子取代基(序号1~4)的芳香醇相对于供电子取代基(序号5~7)需要较长的反应时间,但收率和选择性不受影响,均高于99%。脂肪醇的氧化在较短的时间内底物转化基本完全,然而选择性略低(序号8~11),均在90%以下,氧化后得到的脂肪醛易发生进一步氧化为脂肪酸,同时脂肪酸可以和醇发生酯化反应,这是导致选择性下降的原因。然而,环己醇却表现出优异的反应效果(序号12),因为其氧化产物环己酮的环状结构对于TEMPO催化体系有较强的耐受性。对于杂环醇的氧化通常是考察TEMPO催化体系优劣的重要指标,实验选择了2-噻吩甲醇和3-吡啶甲醇作为研究对象(序号13、14),结果表明反应3 h,可获得高于99%的转化率和选择性,证明该催化体系可有效实现杂环醇的氧化。
本研究成功建立了溴酸钠和氯化铁为助催化剂2,2,6,6-四甲基- N-氧化哌啶(NaBrO3-FeCl3-TEMPO)新型催化体系,在优化反应条件的基础上实现了芳香醇、脂肪醇和杂环醇的催化氧化,反应转化率高,选择性好。体系避开了强致癌溶剂1,2-二氯乙烷和昂贵催化剂4-取代TEMPO的使用,并且可在无氧条件下实现催化,这为TEMPO催化氧化方法学的研究提供了新的思路。
| [1] |
|
| [2] |
|
| [3] |
|
| [4] |
|
| [5] |
|
| [6] |
|
| [7] |
|
| [8] |
|
| [9] |
|
| [10] |
|