（有机化学专业论文）基于氮氧自由基催化的醇选择性氧化反应的研究.pdf

摘要 摘要 本论文发展了基于氮氧自由基催化剂的醇的温和、高效、高选择性的催 化氧化方法。 研究发现在n 心, 0 2 存在下，t e m p o f e c l 3 能够有效地催化氧气将醇定量 地、高选择性地氧化为相应的醛或酮。在此基础上，系统地考察了溶莉、阴 离子、温度、压力、催化剂各组分用量等因素对酵的催化氧化的影响。在优 化条件下，t e m p o f e c l 3 n a n 0 2 催化体系能够将含有c = c 双键、n 、s 杂 原子等官能团的醇定量地、高选择性地氧化为相应的醛或酮，并且能够高收 率得到产品。采用e p r 和计量化学等方法对反应机理进行了研究，初步确定 了t e 伫o 汀e c l 3 烈a n 0 2 催化体系中各个组分作用，并提出了可能的催化循 环机理。 研究发现，c u 和c r 离子可以替代t e m p o f e c l 3 n a n 0 2 体系中的f e 离 子，催化醇的氧气氧化。并在此基础上，系统地考察了溶剂、阴离子、温度、 压力等因素对醇的催化氧化的影响。将t e m p o 固载在p e g 4 6 0 0 上，考察了 p e g - t e m p o f e c l 3 n a n 0 2 对醇的催化氧化效果，以及催化剂的循环使用情 况。 研究发现，在催化量的n h s 存在下，乙酰碘苯能将芳香醇氧化为相应的 醛或酮；在计量的n h s 存在下，乙酰碘苯能将芳香醇和脂肪醇氧化为相应的 活泼酗。在实验的基础上，提出了n h s 催化乙酰碘苯选择性氧化醇的反应机 理。 关键词：氮氧自由基，醇，氧气，催化，氧化 a b s t r a c t a b s t r a c t n a l w e iw a n g ( o r g a n i cc h e m i s t r y ) d i r e c t e db yp r o f d r x i n m i a ol i a n g s i m p l e ，m i l d ，e f f i c i e n t a n dh i g hs e l e c t i v em e t h o d sf o rn i t r o x y l r a d i c a l - c a t a l y s e da l c o h o lo x i d a t i o nw e r ed e v e l o p e di nt h ep a p e z i n i t i a le x p e r i m e n ts h o w e dt h a tt e m p o f e c l 3c a nc a t a l y z et h es e l e c t i v e ， q u a n t i t a t i v ea e r o b i co x i d a t i o no fa l c o h o l si nt h ep r e s e n c eo f n a n 0 2 t h ee f f e c t o fv a r i o u sc o n d i t i o n s ( s u c ha s s o l v e n t ，c o u n t 融o n ，t e m p e r a t u r e ，o x y g e n p r e s s u r ea n ds oo n ) 0 nt h er e a c t i o nw a ss t u d i e d u n d e ro p t i m u mc o n d i t i o n , t e m p o f e c i j n a n 0 2c a t a l y s e dt h es e l e c t i v ea n dm i l da e r o b i co x i d a t i o no fa b r o a dr a n g eo fa l c o h o l s ，w h i c hm a yb e a rna n dsh e t e r o a t o m so r c a r b o n - c a r b o nd o u b l eb o n d t ot h ec o r r e s p o n d i n ga l d e h y d e sa n dk e t o n e sw i t l l h i g hy i e l d o nt h eb a s eo fe x p e r i m e n t s ，t h er o l e so ft e m p o ，n a n 0 2a n df e w e r ec o n f i r m e da n dap l a u s i b l em e c h a n i s mw a sp r o p o s e d i n s t e a do ff e ，t e m p o c u n a n o za n dt e m p o c r n a n 0 2c a l la l s o c a t a l y z et h es e l e c t i v ea e r o b i co x i d a t i o no fa l c o h o l s s i m i l a r l y , t h ee f f e c to f v a r i o u sc o n d i t i o n s ( s u c ha ss o l v e n t ，c o u n t e r i o n ，t e m p e r a t u r e ，o x y g e np r e s s u r e a n ds oo n ) o nt h er e a c t i o nw a ss t u d i e d p e g s u p p o r t e dt e m p ow a s s u c c e s s f u l l yu s e da sac a t a l y s tf o rt h eo x i d a t i o no fb e n z y l i ca l c o h o li nt h e p r e s e n c eo ft e m p o f e c l 3 f o r t h e r m o r e ，w ei n v e s t i g a t e dt h er e c y c l e a b i l i t yo f t h ec a t a l y s t a l c o h o l sw e r eo x i d i z e dt oc o r r e s p o n d i n ga l d e h y d e sa n dk e t o n e si nt h e p r e s e n c e o f c a t a l y t i c a m o u n to f n - h y d r o x y s u c c i n i m i d e w i t h a b s t r a c tl l l d i a c e t o x y i o d o b e n z e n ew h e r e a sa l c o h o l sw e r eo x i d i z e dt oc o r r e s p o n d i n ga c t i v e e s t e r si nt h ep r e s e n c eo fs t o i c h i o m e t r i ca m o u n to fn - h y d r o x y s u c c i n i m i d ew i t h d i a c e t o x y i o d o b e n z e n e k e y w o r d s ：n i t r o x y lr a d i c a l ，a l c o h o l ，o x y g e n ，c a t a l y z e ，o x i d a t i o n 第一章文献综述 第一章文献综述 醇氧化为羰基化合物是有机合成中是一个重要的单元反应，该反应大量 应用于精细化学品和有机中间体的合成中c 1 , 2 1 。这类反应传统上采用化学计量 的氧化剂，例如氧化铬f 3 - 7 j 、氧化锰 8 , 9 、氧化钌1 1 0 , 1 1 、t p a p n m o ( t e t r a - n p r o p y l a m m o n i a mp e r r u t h e n a t e n - m e t h y l m o r p h o l i n e n - o x i d e ) 1 1 2 a 3 1 活化的d m s of j 4 】、d e s s m a r t i n 试剂等氧化剂，尽管在实验室范围内传统 方法很有价值，但是在大规模工业生产中大量重金属氧化剂的使用及反应生 成的无用副产物严重污染了环境，因此无论从经济的角度，还是从保护环境 和可持续发展的观点来看，迫切需要发展新的绿色氧化方法来替代传统的化 学计量氧化。 近年来，以空气、氧气或h 2 0 2 作为清洁氧化剂，醇的液相绿色催化氧化 技术曰益受到人们的重视 1 6 - 18 】。特别是以氧气或空气作为氧化剂更是研究的 热点，因为氧气( 空气) 是所能得到的最丰富、廉价及环境友好的氧化剂( 图 1 - 1 ) 。但是，基态为三重态的氧分子与基态为单重态的醇在温和条件下由于 自旋禁阻作用很难反应；而分子氧旦被活化，它的双自由基性质会促使形 成高反应性及非选择性的自由基中间体，从而导致很难控制的自由基链式反 应过程。这也是目前工业上，特别在精细有机合成中，不得不使用过渡金属 氧化剂和含氯氧化剂的原因。因此，在醇的选择性氧化领域中，发展新的有 效的、温和的、高选择性的醇的氧气氧化体系是人们研究的热点。 本论文从过渡金属催化体系、过渡金属氮氧自由基催化体系、不舍过渡 金属的氮氧自由基催化体系三个方面，对酵的氧气氧化的近期进展作一简要 综述。 2 基于氮氧自由基催化的醇选择性氧化反应的研究 1 2 过渡金属催化体系 o h 尺少 c a t a l y s t 0 2o ra i r q - h 2 0 r 1 ，r 2 = a l k y i ，a r y l ，h 图1 1 酵的催化空气氧化 s c h e m e1 ，c a t a i y t i ca e r o b i co x i d a t i o no f a l c o h o l s 过渡金属催化剂由于具有较高的催化活性，因此被认为是最有吸引力的 研究方向之一。至今报道的醇类氧气氧化反应所使用的催化剂主要集中在 r u 、p d 和c u 上，另外c o 、o s 、p t 、v 、a u 等金属也有一些报道，其中特 别是a u ，近几年来其在酵的氧气氧化反应中的应用受到大家的关注。在过渡 金属催化中，既有均相催化剂也有多相催化剂。 1 。21r u 催化剂 自从s h a r p l e s s 等首次将r u 的配合物应用于液态醇的氧化后，由于r u 在醇的氧化反应中表现出的优异选择性而被广泛研究，成为迄今为止研究报 道最多的一类醇的氧化催化剂。 1 2 1 1r u 均相催化剂 早期采用r u c l 3 、r u c l 2 ( p h 3 ) 3 、r u 0 2 等作催化剂，氧化活泼的烯丙基醇 ( 式1 ) 2 0 1 和a 酮( 式2 ) 【2 ”在较为温和的条件下即可获得不错的结果，但 在脂肪酵的氧化中，产物的选择性和产率却较低( 式3 ) 1 2 2 。 l 飞y o h r u c l 2 ( p p h 3 ) 30 2 ( 1 s t m ) c i c h 2 c h 2 c i ，r t 太一太，c h 。( 1 ) 6 7 o 儿 r 第一章文献综述 r u 0 20 2 ( 1 a t m ) o - c 6 h 4 c 1 2 1 8 0 c ( 2 ) 艾些唑生、，、显 ( 3 ) ，一i 忑i i 石一w 3 之后一些r u 的配合物作催化剂的催化体系不断被开发出来，并在分子 氧做氧化剂的反应中取得了好的结果。r u ( p p h 3 ) 3 c 1 2 氢醌体系( 图1 2 ) 口习 以及最近m i y a t a ( 式4 ) 2 4 】和j u n g ( 式5 ) f 2 5 】所提出的体系均对伯醇或仲醇 的氧化有较好的结果。 r u r u h 2 o h p ( m l 。k ，h 2 0 ：“x义 0 ( m l m ) 、。2 o 图 - 2 r u ( p p h 3 ) 3 c 1 2 氢醌催化氧化反应机理 s c h e m e l - 2m e c h a n i s mo f a e r o b i co x i d a t i o nc a t a l y z e d r u f p p h 3 ) s c l 2 h y d r o q u i n o n es y s t e m m i y a t a 体系在室温、空气、光照条件下，对伯醇和仲醇有很好的化学选 择性，苯甲醇和1 苯基乙醇的混合物在反应体系中，前者会被选择性地氧化， 而后者不变：对于卜醇和2 一醇的混合物也获得了相似的结果。 r c h 2 0 h 2 c a t h v 。a i r t o i u e n e r t 1 2 h l m 杏要瓮净m 蚤。7 乞卜 r c h o ( 4 ) )， 刚 。 啡 剃 4 基于氮氧自由蓦催化的醇选择性氧化反应的研究 o h r 少 2 4 c a t 。9 0 c n a 2 c 0 3 ，c h cl 3 2 0 h r 1 ，r 22a l k y l ，a r y l h o p ，h r 少r ：嘶：p n p h ，蠢t 守- p h 。h c t 7 r u c 。 c o 双核( 式6 ) f 2 6 j 和三核r u 的温和催化体系报道不多，这类配合物( 式7 ) f 2 刀的催化活性很高，其活性大约为r u c l 3 、r u ( p p h 3 ) 3 c 1 2 的1 0 倍，对脂肪醇 的氧化效率较高。 【r u 2 0 b ( p y ) 4 13 5 h 2 0 m s 4 a a c e t o n i t r i l e r t ，3 h r u 3 0 ( 0 2 c c h 2 c h 3 ) 6 ( p p h 3 ) 3 0 2 ( 27 a t m ) ，6 5 c 旷。 “尹o f 7 ) t o n = 9 0 4 为了获得好的催化效率和选择性，一些文献报道了在r u 的体系中加入 其它金属助荆，这些金属或作为r u 的配体的部分，或和r u 共同起催化活 性中心的作用来参与催化反应，例如r u c o 配合物( 式8 ) 、r u c u ( 式9 ) 2 9 和c r - r up o 等催化体系。 扩洲 r u c i ( o a c ) ( p p h 3 ) 3 ，h y d r o q u i n o n e c o ( s a i o p h e n ) ( p p h 3 ) c h 2 c 1 2 ，2 0 c o h1 f p r n 4 n r u 0 4 ，1 c u c l 0 2l a t m r i 人r 2 r 1 ，r 22a l k yl ，a r yl ，h 飞 0 r ，八r 2 ( 9 ) _ p h o 第一章文献综述 1 2 1 。2r u 多相催化剂 5 虽然r u 的均相催化体系在醇的氧化方面已取得了较好的结果，但r u 催 化剂高昂的价格限制了其在工业中的广泛应用。因此将r u 催化剂担载在固 体载体上，减少以至避免催化剂的流失，并保持或提高催化剂的活性和选择 性，一真是醇氧气氧化领域的研究热点。 h i n z e n 小组在聚合体上担载了过钉酸盐( 式l o ) 1 3 1 ，该体系对脂肪族和 芳香族的伯醇氧化效果较好，但对仲醇氧化反应不佳。该小组在之后的工作 中对过钌酸盐体系进行了更深入的研究，在中孔的m c m 4 1 上担载过钌酸盐， 循环1 2 次活性没有降低【3 2 】。 r o h ，n m e 3 + r u 0 4 。( 1 0t 0 0 1 ) r 。a l 晦i a r y l ，a l k e n y l 7 5 - 8 5 ，05 8 h t o l u e n e r o c 10 1 多种金属共同作用的体系近年来研究也较多，如k a n e d a 体系f 式1 1 ) 1 3 3 ， 经钡4 定在其催化体系中作为催化剂的水滑石成分为 m 9 6 a 1 2 r u 0 5 ( o h ) 1 6 n h 2 0 ( n = 8 ) ，反应结束后用i o w t 的n a 2 c 0 3 水溶液和水 洗涤，重复使用，催化活性不变；j i 用m n f ej5 r u o3 5 c u o1 5 0 4 作催化荆【3 4 】， 催化氧化了十几种醇，发现该体系中芳香醇氧化时转化较高，同时还发现该 体系对溶剂的依赖性不强，在甲苯、苯等几种常用溶剂中反应的结果相差不 大。n 等还研究了r u 2 c o ( o h ) 2 - 2 c e 0 2 体系的催化效果【3 5 】，该体系对芳香醇 和脂肪族的仲醇氧化效果很好，但脂肪族的伯醇会被氧化成酸。 r o h r u h y d r o t a l c j t e ，0 2 t o l u e n e6 0 r 厂n 沁 ( 1 1 ) 影 6 基于氮氧自由基催化的醇选择性氧化反应的研究 -_-_-_-_-，_-_一一 r u 担载在其他载体上的报道也不断出现：y a m a g u c h i 等在羟磷灰石表面 负载r u ( r u h a p ) 1 3 6 1 ，反应3 次后仍有较高活性，1 c p 分析后发现催化剂流 失小于2 4 p p m ；通过元素分析、x p s 、x 射线吸收等技术，h a p 表面的r u ( i i i ) 周围的化学环境已被完全定性( 图1 - 3 ) 。在8 0o c 、1 a t m 0 2 的反应条件下，各 种醇都被有效地氧化生成相应的醛或酮；有趣的是不活泼的l 一辛醇被氧化 生成1 一辛醛，并且没有检测到深度氧化的产物，并且在该催化体系下伯醇 的活性高于仲醇。此外，含有氮和硫杂环的酵在均相体系中通常是不活泼的 底物，但在该体系下也能被氧化。 p 瞧p t a k e z a w a 将r u ( p p h 3 ) 3 c h 负载在活性碳上f 如，进行二醇的裂解氧化 得到了较为理想的结果( 式1 2 ) 。 o h r r ： o h r u c l 2 ( p p h 3 ) 3 1 c ，0 2 ( 1 a t i n ) p h c f 3 ，6 0 c r 1 c h o 十r 2 c h o ( 1 2 ) y a m a g u c h i 等的r u d a l 2 0 3 体系在对仲醇和伯醇的氧化上表现了很好的 活性，尤其是对其他一些体系难氧化的不活泼醇的氧化也具有优异的表现( 式 1 3 ) ，对于烯丙醇底物没有氢转移或异构化发生f 3 8 】，对于不活泼的脂肪伯醇则 有酸生成，但是通过向反应体系中加入少量的氢醌可抑制酸的生成。此外， 第一章文献综述 7 该体系可以在无溶剂条件下进行反应，可以大大简化产品的分离过程。目前 对于在a 1 2 0 3 载体上固载的r u 种类仍不清楚，作者提出了一个可能的机理( 图 1 4 ) 。 o h r r 。 r u a 1 2 0 3 ( r u ：2 5 5m 0 1 ) ，1a t m 0 2 p h c f 3 ，8 3 。c 1 - 8 h ，7 1 - 9 9 c o r l v 1 2 0 2 h o o 、r s t e p3 0 2 、h r 2 r 尸 h o 0 r 少r ： ( 1 3 ) h 2 0 & 美刚+ 图1 4 可能的氧化机理 s c h e m el - 4p r o p o s e dm e c h a n i s mf o rt h ea e r o b i co x i d a t i o no f a l c o h o l s , t h a n 等人在八面沸石分子筛的孔中合成了纳米级的r u 0 2 ( r u 2 - f a u ) ( 图 j 一5 ) ，其具有无定形的水合r u 0 2 的二维线性结构，r u 2 f a u 可以在温和的条 件下选择性地氧化活泼醇和非活泼醇f 3 9 】。 ! 薹王壑墨鱼宴薹堡堡堕壁垄叠堡整些基璧堕婴茎 图1 - 5 纳米r u 0 2 在沸石分子筛中的2 d 线性结构 s c h e m e1 5t h e2 d c h a i ns t r u c t u r eo f n a n o - r u o zi nt h ef a u j a s i t ez e o l i t e 1 2 2p d 催化剂 1 ，2 2 1p d 均相催化剂 p d 虽然很早就已经应用于氧化反应( 如w a c k e 反应 4 0 1 ) ，但在酵的氧气 氧化方面采用p d 做催化剂的报道出现则较晚。用于液态醇氧化制醛、酮的 p d 催化体系多由p d c l 2 、p d ( o a c ) 2 等p d 盐与一种无机碱及其他催化剂共 厨组成，例如p d 盐与c u ( i i ) 盐【4 “、过氧化物h 2 1 、有机卤化物 4 3 】等。 在这些报道中，最早采用0 2 作氧化剂的是b l a c k b u m 等报道的3 89 c 常 压氧气气氛下，碳酸次乙酯为溶剂的p d c l 2 n a o a c 体系，该体系能有效氧化 饱和的伯醇和仲醇。1 9 9 4 年，g o m e x b e n g o a 报道了一个用于氧化烯丙基 醇的催化体系，该体系采用1 0m 0 1 的p d ( p p h 3 ) 4 ，在1 0 0 常压氧气气 氛下，甲苯为溶剂，对于某些底物在反应时添加n i - h p f 6 或k 2 c o s 会使反应 产率提高 45 1 。在此之后的p d c l 2 a d o g e n4 6 4 体系催化性能一般【4 6 】。p e t e r s o n 等采用p d ( o a c ) 2 d m s o n a h c 0 3 体系，反应在8 09 c 常压氧气气氛下进行， 可应用于各种烯丙酵类和苄醇类，从推测的机理来看，溶剂d m s o 对于反应 第一章文献综述 9 能够进行起关键作用【4 7 1 。 n i s h i m u r a 研究小组提出了p d ( o a c ) 2 p y r i d i n e m s 3 a 体系( 式j 4 ) 并对它 进行了深入的研究和反应路径的探讨，发现该体系不仅对于醇的类型没有要 求，而且产物收率较高，弥补了上述体系的不足, 4 9 1 。该体系若用空气代替 0 2 ，则需要持续鼓泡和延长反应时间。h a l l m a n 用p d 的配合物p a l l a d a c y c l e l 代替p d ( o a c ) z 在空气中可催化醇的反应f s 0 1 。 5 p d ( o a e ) 2 。p y d d i n e m s 3 a t o l u e n e ，8 0 c ，2 h ，0 2 2 0 0 2 年，s i g m a n 等报道了室温下催化醇氧化的p d 体系( 式15 ) ，该体 系对于脂肪醇和芳香醇的收率都很高，是其他p d 均相体系无法相比的。初 步推测的机理认为，催化剂的活性组分为p d ( o a c ) 2 心e t 3 ) 【5 j 】。之后，他们设 计和合成了基于碳卡宾配体的p d 配合物( 式1 6 ) ，新的配合物具有更高的催化 活性，t o n 高达1 0 0 0 1 5 2 1 。 o h r ，人r ： 3 p d ( o a c ) 2 ，6 m o t e f 3 n ，m s 3 a 1 5 t h f t o l u e n e ，2 5 、1 2 h 0 2 o5 t 0 0 1 1 p h c h 3 m s 3 a ，6 0 c ，0 2 r 1 ，p , 2 = a l k y l ，a r y l h ( 9 3 ) n 5 ) o r 少r ： 鳓 洲文 0 基于氮氧自由基催化的醇选择性氧化反应的研究 k a n e d a 等报道了第一个金属簇合物p c h ( 1 ，1 一p h e n a n t h r o l i n e ) 2 ( c o ) ( o a c ) 4 和0 2 催化的氧化反应( 式1 7 ) ，该体系对一级烯丙醇类有很高的催化活性和 选择性嘲。 飞a ，c h 2 0 h p d 4 p h e n 2 ( c o ) ( o a c ) 4 、弋c h o ( 1 7 ) b e n z e n e ，5 0 c ，0 2 2 4 h y i e i d9 6 s t a h l 小组和s i g m a n 小组对p d 催化的醇氧化反应机理进行了深入的研究 ( 图1 6 ) ，研究结果表明反应遵循脱氢机理，b 一氢消除是反应的控制步骤。 此外还发现对于p d ( o a c ) j p y r l d i n e 催化体系存在非线性效应【5 4 , 5 s 。 r c h ；= 三= 皇 1 。 1 - r c h 2 0 h ，p y a c o - p d o c h 2 r + a c o h p y p y a c o - p d o c h 2 r + p y 一 ( w ) p d ( h ) ( o a c ) 】+ r c h o 图1 - 6p d ( o a c ) 2 p y 催化醇的氧化机理 s c h e m e1s t e p w i s em e c h a n i s mf o ra l c o h o lo x i d a t i o nb yp d ( o a c ) 2 p y s i g m a n 研究小组还首次采用手性配体( 一) - s p a r t e i n e ，制备了第个用于醇 的动力学拆分的手性p d 催化剂( 式1 8 ) ，它对芳香醇和脂肪醇都适用惭，5 订。 几乎同时，s t o l t z 等用( - ) - s p a r t e i n e 代替u e m u r a 体系中的p y r i d i n e ，催化效 果与s i g m a n 体系差不多，适用于环醇和烯丙醇类；该体系催化的氧化反应 所需反应时间过长，但通过添加c s 2 c 0 3 和t - b u o h 后反应速率大大提高， 心一心当蚝心一 r r 岍 恍 c c盔盔 r节百 第一章文献综述 两反应的选择性没有改变f 式】9 ) 【5 8 ，5 9 1 。这两个体系都采用了手性配体 ( 一) 一s p a r t e i n e ，说明了它在此类反应中起着重要作用。s i g m a n 研究小组进一 步实验表明，以非手性的碳卡宾作配体，在1 5 ( ，) s p a r t e i n e 存在下。也可实 现对醇的动力学拆分呻) 。s i g m a n 研究小组在进行机理研究中发现，过量的 ( ) s p a r t e i n e 存在对获得高e e 值是必要的，( ) s p a r t e i n e 同时具有两种功能： 脱氢和手性配体两种功能【6 “。 o h r r ： 5t 0 0 1 p d ( t 1 ) ，d c e ，0 2 r 1 ，r 2 = a l k y l ，a r y o h 黜r 2 0m 0 1 ( - ) - s p a r t e i n e ( 十s p ar t e i n e 5m 0 1 p d ( n b d ) c 1 2 ，2 0t 0 0 1 ( ) - s p a r t e i n e p h c h 出m s 3 a ，0 2 ( 1 a t m ) m e o 8 0 w i t hc s 2 c 0 3 t - b u o h6 0 c 1 2 2 2p d 多相催化剂 6 7 c o n v e r s i o n 、9 8 e e9 6 h 7 6 4 c o n v e r s i o n 9 95 e e95 h ( 1 9 ) p d 配合物在醇的氧气氧化中是一类重要的均相催化剂，但是固载的p d ( i i ) 催化剂的合成及其在醇氧化中的应用很少有文献报道。基于 p d ( o a c ) 2 p y f i d i n e m s 3 a 体系在醇氧化方面获得的成功，u e m u r a 小组在水滑 石( m 9 6 a 1 2 ( o h ) f 6 c 0 3 4 f 4 2 0 ) 表面合成了p d ( o a c ) 2 p y r i d i n e 配合物 ( p d ( ) 一h y d r o t a l c i t e 催化剂) ( 式2 0 ) 。对于烯丙醇类的氧化反应， o 疋 r + g 洲、岫 e r e 铲 1 2 基于氮氧自由基催化的醇选择性氧化反应的研究 p d ( i i ) - h y d r o t a l c i t e 催化剂比均相p d ( o a c ) 2 p y r i d i n e m s 3 a 催化剂有明显优 势，在同样的反应条件下，不但反应速度和产物的收率都大大提高，而且产 物的e z 值也几乎保持不变。一般情况下，p d 催化剂催化烯丙醇类氧化反 应的催化效果不好是p d ( 0 ) 与c = c 强配位的缘故，但p a ( ) 一h y d r o t a l c i t e 催 化剂克服了这缺点，是一个较好的烯丙醇类反应的催化剂。该体系用空气 代替0 2 时，所需反应温度降低至6 5 c ，而催化效果不变。p d ( i i ) - h y d r o t a l c i t e 催化剂可通过简单过滤与反应混合物分离并可重复利用三次，催化性能没有 明显降低【6 2 - 6 4 1 。 c - - 飞( , - c h 2 0 h 5m 0 1 p d ( 1 1 ) - h y d r o t a l c i t e 2 0 m 0 1 p y f i - v c h o u i 磊磊忑磊石i u ) 1 s tf u n ：9 8 y i e l d 2 s tr u n ：9 0 y i e l d k a n d a 小组制备了簇合物p d 5 6 i ( 1 ，1 0 p h e n a n t h r o l i n e ) 6 。( o a t ) i 8 0 1 6 5 ，该催化 剂在6 0 。c 常压氧气气氛、溶剂为乙酸的条件下，对于一级烯丙醇类的催化活 性和选择住比p d 4 p h e n 2 ( c o ) ( o a c ) 4 体系更优。将其固定在t i 0 2 上后f 6 6 催化性 能未变，从而达到了重复利用的目的。但此类p d 簇合物催化剂对于二级烯 丙醇类的活性很低。 2 0 0 2 年，k e n d a 小组报道了由p d c l 2 ( p h c n ) 2 与羟磷灰石置换制得的催化 剂( p d h a p ) ( 式2 1 ) 【6 刀。p d h a p 对于苄醇和烯丙醇具有较高的催化活性， 脂肪醇和含杂环的醇也可以被缓慢的氧化生成相应的羰基化合物。此外，在 反应过程中催化剂不流失，回收催化剂的催化活性和选择性不损失。该小组 在深入的研究中发现，催化剂中的p d 纳米束是催化活性中心【6 8 1 。 第一章文献综述 o h r ，人r 2 p d h a p ( p d ：0 2 06t 0 0 1 ) l a t i n0 2 p h c f 3o rp h c h 3 ，9 0 c 1 - 2 4 h 1 2 3 0 u 催化剂 除了r u 、p d 等贵金属催化剂以外，些普通金属如c u 、c o 的化合物也 可以催化醇类化台物的有氧氧化。关于c u ( i i ) 类催化剂的早期研究主要是 集中于模拟一种单核铜酶，即半乳糖氧化酶。这种酶能够高效、高选择性的 催化苄醇类及烯丙醇类的有氧氧化，并伴随着h 2 0 2 的生成( 式2 2 ) ( 图i - 7 ) ”。半乳糖氧化酶的活性中心由一个酪氮酸离子、一个具有硫醚取代基的酪 氨酸自由基和两个组氨酸残基配位的c u ( i i ) 离予组成【7 0 】。 “幂 器 r a ”：b 、f 、 r a d u c o f 。一翻一“ b n 零器 ! 竺竺! 些：，、止“f o 卅产芦 h k * ，yh ” i h y e , o g e n l o r b 1 t r e n s f e r l 簪b r , 一1蒋 基于氮氧自由基催化的醇选择性氧化反应的研究 f g 0 7 r c h 2 0 h + 0 2 二二一r c h o + h 2 0 2 ( 2 2 ) 许多研究小组合成了一些模拟半乳糖氧化酶活性中心的模型化合物，其 中最具代表性的模型化合物( 图1 8 ) 是由s m c k 小组合成的，该化合物不仅具 有与半乳糖氧化酶活性中心相似的化学结构，而且具有催化醇的氧化功能， 该化合物可以催化苄醇的氧气氧化，并且在氧化过程中能够检测到h 2 0 2 的生 成【7 1 】。模拟生物酶催化体系目前在实际应用还有相当的困难，主要是因为它 需要复杂的配体，它的催化活性也较低，目前仅仅能够氧化活泼醇；但这方 面的研究具有较高的理论价值，它有助于从分予水平上理解醇催化有氧氧化 反应的机理。 粤拶耍 o 矗( 争 图1 8s t a c k 的g o 酶模型化合物 s c h e m e1 7s t a c km o d e l ，m i m i c k i n gg a l a c t o s eo x i d e s e 半乳糖氧化酶的机理研究清楚地表明氧分子可以被c u 离子所活化，因 此可以推测其它含c u 的配合物也可能具有催化醇的有氧氧化功能。人们开 发出了许多基于c u 的催化体系，其中值得特别注意的是1 9 9 6 年m a r k o 等发 表在s c i e n c e 上的c u c l p h e n d b a d ( d i t e r t - b u t y l a z o d i c a r b o x y l a t e ) 多相体系 ( 式2 3 ) ，该体系能在温和条件下将伯醇、伸醇、烯丙醇和苄醇氧化成相应的 第一章文献综述 醛，收率很高l v 2 , 7 3 。深入研究发现改用氟代苯做溶剂既可保持体系活性不变， 又可以使k ：c 0 3 的用量大大减少，但这样做会导致有些产物的部分外消旋化 7 4 , 7 5 1 。2 0 0 1 年，他们还发现采用t b u o k 做碱性添加剂时5t o o l 的量即可， 有趣的是反应成分添加的顺序对反应结果影响很大，按照c u p h e r d 底物 t b u o k d b a d 的顺序添加醇的转化率最高【7 6 1 。 5m o f c u c i 。5m 0 1 p h e n 5t 0 0 1 d b a d h 2 ，0 2 ( 1 a t m ) o2 5 e q u i v k 2 c o s ，c s h s f ，8 0 b u t 0 2 c n = n 、c o o t b u d b a d 7 、瓜o ( 2 3 ) n ( b n ) 2 y i e l d8 5 2 0 0 4 年，他们通过向催化体系中加入7 n 甲基咪唑大大地改善了该体 系的催化活性，特别是提高了对伯醇的氧化性和选择性，醇分子中含有的c = c 双键、s 、n 杂原子等多种官能团都对催化剂没有影响。作者认为n m i 的 作用主要是抑制了造成催化剂失活的副反应的发生( 图1 - 9 ) 。 c 9 h 1 9 1 0 h 5 m 0 1 c u c p h e n 5 m o i d b a d c e h s f 5 m 0 1 ，t b u o k 0 2 ，a d d i t i v e ，7 0 8 d c 8 删“。= 州介_ 7 厂飞卜n 崮、= 0 c 。h ，少h ( 2 4 ) b 6 基于氮氧自由基催化的醇选择性氧化反应的研究 o 一 。吣。 户i j o 耐b 0 0 舶。 岫隧“ 8 8 k 舢o o c b 0 0 j b l i 图1 9 可能的c u 催化的氧气氧化机理 s c h e m e1 - 9p r o p o s e dm e c h a n i s mf o rt h ec o p p e r - c a t a l y z e da e r o b i c o x i d a t i o no fa l c o h o l s o s b o r n 等r 似】报道了c u c i 与t p a p 组合，以2 ，氨基毗啶作为碱，可以催 化氧化苄醇和烯丙醇类。他们随后报道了c u c i 与o s 0 4 组合【7 ”，以吡啶作 为碱的催化体系，该体系对活性伯醇有较高的选择性和反应活性，对仲醇的 反应不如t p a p 0 2 体系，但两个体系有一个共同点，就是反应后有胶态物质 生成，这表明催化过程可能是多相的。在此基础上，2 0 0 2 年b r o w n 等【8 0 j 发 现在该体系中预先加入烯烃活化金属、并用喹宁碱替代吡啶，可以改善催化 体系的活性，使反应可在室温进行( 式2 5 ) 。 o h 1m o f c o p p e r ( 1 1 ) 2 - e t h y l h e x a n o a t e ，、l 、r! ! ! 竺型! 竺竺! ! 竺垒 k 、，0 1 8m 0 1 ap l ye t h y le t h e r 1 a t m0 2o ra i r ，c h 3 c n ，2 5 ，6 - 1 5 h y i e l d 兰9 6 ( 2 5 ) 。产 ， ； 矿h 、 第一章文献综述 12 4a u 催化剂 1 7 近年来，由于发现a u 在c o 低温氧化中表现出了意想不到的高活性， 这大大激发了人们利用a u 的纳米睾立子进行液相醇的催化氧化研究【8 l 】。研究 结果表明a u 的催化活性很大程度上依赖于a u 粒子尺寸，并且它的尺寸可通 过制备方法来控制。但是一个至关重要的问题是为什么纳米a u 粒子与大颗 粒的a u 粒子的性质截然不同，并且这个问题至今仍末被清楚地解释。 2 0 0 5 年，t s u k u d a 等【8 2 】人首次将a u ：p v p 纳米粒子应用于醇的有氧氧化， 反应在3 0 0 k 、水中进行，但是氧化底物仅限于芳香醇( 图1 1o ) 。此催化剂 表现出明显的尺寸效应，动力学实验结果显示1 3 n m a u ：p v pn c s 比 9 5 n m a u ：p v p n c s 有更高的催化活性，尺寸效应也清楚地表明对于该催化荆 晚在a u ：p v pn c s 上的吸附是影响其催化活性的关键因素。 图1 1 0 纳米a u ：p v pn c s 催化的醇的氧化 s c h e m e1 一l0a u ：p v pn c sf o ra e r o b i c a l c o h o lo x i d a t i o ni nw a t e r 2 0 0 5 年s h i 等首次报道了均相a u 配合物催化醇的氧气氧化( 图i - 1 i ) 。 在离子配体作用下，a u c i 可以在温和的反应条件下高选择性地催化氧化活泼 醇，杂原子s 和c = c 双键的存在不影响反应的进行。 基于氮氧自由基催化的酵选择性氧化反应的研究 o h r 1 人r 2 1 1 2 0 2h 2 0 o r ，义r 2 图1 - 11a u ( i ) 配合物催化的醇的有氧氧化 s c h e m el lla e r o b i co x i d a t i o no f a l c o h o ic a t a l y z e db yao o l d ( 1 1c o m p l e x 最近，h u t c h i n g s 8 4 】等发现在p d 纳米晶体中加入a u 可以极大地增强催化 荆( p d y i o z ) 的氧化性和选择性，a u p d t i 0 2 不仅可以氧化脂肪醇，而且表现 出非常高的催化活性( t o n 高达2 7 0 ，0 0 0 ) 。通过结构表征，发现催化剂纳米 晶体外层富台p d ，核心主要由a u 组成，这种结构表明a u 的电子特性极大 地增强了p d 的氧化活性。 1 2 5 其它金属催化剂 除了上面介绍的醇氧化催化剂之外，还有一些采用其他金属做催化剂 的体系。d e b l e r 等研究发现了一种高效的k 2 o s 0 2 ( o h ) 4 1 ，4 一 d i a z a b i c y c l o o c t a n e ( d a b c o ) o z 催化氧化体系【8 5 】，该体系对不同的苄醇f 芳香 类和杂环芳香类) 有较高的活性和选择性，对脂肪族仲醇的氧化则需要增加 催化剂用量或提高反应温度才能得到满意的效果。o s b o m 报道了一种 m 0 0 2 ( a c a c ) ：c u ( n 0