维林格重排的研究进展

1、维林格重排的研究进展作者：xx 指导老师：xx（xxxxxxx，xx，246000）摘要：介绍了近些年 Baeyer-Villiger 反应中氧化方面的研究情况，主要介绍常用的催化剂，包括酸类和具有碱性的水滑石类、过渡金属离子的分子筛类、微生物酶类及过渡金属配合物类，同时介绍了离子液体在Baeyer-Villiger 氧化反应中的应用现状。Baeyer一Viliger反应是一类将开链酮或环酮转化成相应的酯或内酯的氧化反应,从总的发展方向上看,这类反应催化剂作用的高效性、反应的原子经济性以及在不对称合成中的应用是特别值得关注的几个方面。关键词：Baeyer-Villiger 重排反应；催化剂；离

2、子液体1引言 Baeyer-Villiger 是将酮氧化成相应的酯的一类氧化反应，也叫做 BaeyerVilliger 重排1,2。Adolf Baeyer等第一次于1899 年报道了 BaeyerVilliger 重排反应，他们选择过硫酸钠和浓硫酸为氧化剂，进行了薄荷酮等的 Baeyer-Villiger 氧化反应。此后，此类反应在天然产物等的合成中发挥着重要的意义。对于此反应中常见的氧化剂，冯小明等3曾作过系统的综述，常规的 B-V 反应通常用三氟过氧乙酸、过氧苯甲酸等作为氧化剂，但用三氟过氧乙酸、过氧苯甲酸等作为氧化剂会对环境造成严重的污染，工业上已经很少被使用，新型的 Baeyer-V

3、illiger反应氧化剂以环境友好的H2O2和O2为主。 在对 BaeyerVilliger 重排反应的研究中，催化剂方面的研究一直是热点。同时，离子液体作为一类新型的绿色溶剂，近几年来也开始被应用于BaeyerVilliger 氧化反应。 2 BaeyerVilliger 氧化反应 5 类催化剂 2.1 酸类 在一些Baeyer一Villiger氧化反应体系中，如以氧化性很强的过酸为氧化剂时并不需要特殊的催化剂，当然也可以把它们归类于酸催化体系，因为过酸本身有一定的酸性，它很可能同时起到氧化剂和催化剂的作用。 事实上，在不少反应体系中，除了氧化剂外，必须在酸催化剂的存在下反应活性才会大大提高

4、。如张研等4发现，在乙酸醉介质中，可以用过碳酸钠(Na2CO3.H2O2)为氧化剂进行Baeyer一Villiger反应，将酮氧化成相应的酯。他们发现如果对反应体系施加超声辐射后，反应速率大大增加，3一6h以后反应即可完成;但对于芳香酮，超声辐射的效果不太明显。对于反应机理，他们认为过碳酸钠在乙酸醉的作用下形成了过氧乙酸或过氧乙酸醉，从而使酮转化为相应的醋。Berkessel等5报道了以酸作催化剂、H2O2作氧化剂的环己酮的Baeyer一villiger反应。他们发现在相同溶剂中反应时，用酸作催化剂比没有催化剂时转化率和产率都大大提高;而且还发现这个反应存在一定的溶剂效应，因为在催化剂相同的情

5、况下，用1，1，1，3，3，3一六氟一2一丙醇(HFIP)作溶剂比用二氧杂环己烷作溶剂时转化率和产率也大大提高。这种以酸作催化剂、以HFIP作溶剂的催化体系有以下优点:酸催化剂是一种廉价的商品原料;氟化溶剂可回收再用;反应时间短且产物的产率和纯度都很高。其主要缺点在于反应中使用的是高浓度的H2O2。同时过氧化氢做为一种绿色，环境友好的氧化剂，应用于Baeyer-Villiger氧化中，在不同催化剂的作用下可以高效、高选择性生成目标产物。随着研究的继续深入，会有更好更廉价催化剂应用于过氧化氢的Baeyer-Villiger氧化，使之得到更为广泛的应用。 Fukuda等6最近提出一种新的策略，把B

6、acyer一villiger氧化反应分成两步:反应先在氮一经基苯邻二甲酞亚胺(NHPI)的催化作用下形成一种过氧结构的中间体，然后在一些酸的催化作用下实现分子内重排生成相应的酷。NHPI作为一种有效的催化剂已广泛应用于各种各样的有机底物的需氧反应中。文献7，8报道，仲醇在氧气作用下经NHPI催化可经过一个一轻基氢过氧化物中间体得到酮和H2O2。因此类似地，以环己酮和环己醇的混合物(KA一oil)作为初始原料，在02作用下，经过图1中pathl机理，环己醇在NHPI的催化下先转化为中间体A和环己酮的混合物，混合物再用适当的酸催化剂处理经过path2的催化过程得到。一己内醋。虽然用这种体系催化的B

7、aeyer-Villiger反应需进一步改进(比如选用比InCl3更有效更廉价的催化剂)，但这种以KA一oil为原料、以氧气为氧化剂的反应体系为大量生产。一己内醋指出了一条理想的途径。 另外，在过磺酸树脂作用下，苯乙酮可被氧化生成乙酸苯醋。过磺酸树脂可由磺酸型树脂和过氧化氢或过硫酸钾反应制得。这是一个典型的固体酸在Baeyer一villiger反应中应用的例子。此法操作简单方便、产率高9。 Lewis酸如GaC13，SnCl4等也常用于催化Baeyer一villiger反应，Lewis酸与酮羰基络合而使其活，并更易受氧化剂进攻发生扩环进行Baeyer一viliger反应。其中氯化锆作为催化剂在

8、室温时就可以高效地催化环酮和链酮, 转变成相应的内酯及酯. 大部分酮的选择性超过 90% , 而转化率也明显优于其他体系.该体系特别是对一些天然产物, 如香芹酮, 薄荷酮的催化效果很好, 转化率都超过 7 0% . 体系简便,操作安全, 有一定的应用前景.2.2 碱性的水滑石类 固体水滑石及类水滑石对 BaeyerVilliger 重排反应具有比较高的催化活性。Kanda 等6-10研究发现，在以层状水滑石等水滑石类作为催化剂催化的BaeyerVilliger 重排反应中，不仅反应中的产率较高，而且催化剂在反应后可以很好的分离回收再利用。Kanda 等认为， BaeyerVilliger 重排

9、反应的活性中心恰好是水滑石的碱性中心，这个碱性中心可以促进过酸把氧传递给酮这个重要过程的进行。所以，碱性的水滑石类催化剂才会对 BaeyerVilliger重排反应有着很高的催化活性。 Kanda等还认为，由于Fe3+，Cu2+等变价金属离子可以和水滑石类的碱中心发生协同作用，所以 Fe3+，Cu2+等变价金属离子的加入能明显提高BaeyerVilliger 重排反应的转化率和产率11。 对于变价金属离子在反应过程中的作用机制，他们认为可能是水滑石的碱性中心和变价金属离子协同作用的结果。 总之，类水滑石阴离子层柱化合物由于具有良好的稳定性及插层性能及符合高稳定性、高比表面积载体的要求，对有机分

10、子反应具有较高的催化活性和选择性。同时，通过调节层间距，可提高反应的选择性。2.3 过渡金属离子的分子筛类 过渡金属离子的分子筛在 BaeyerVilliger 重排反应中的应用十分广泛Bhaumik 等12第一次报道了在催化氧化BaeyerVilliger重排反应中应用TS1 分子筛。Corma 等13的研究结果表明，掺杂金属离子 Sn 的 分子筛类，可以选择地活化酮上的羰基，从而能够有效的促进 BaeyerVilliger 重排反应有效进行，反应产物中相应内酯的比例可达到98%。并且反应中的选择性也很高，对于不饱和酮，也能生成单一的目标酯或内酯，无环氧化物等副产物。以Sn一分子筛作为Bae

11、yer一Villiger反应的催化剂参加反应，由于无需加入醛来产生过氧化物从而在产物中没有由醛转化成的相应的酸，进而可以大大提高反应的原子经济性。他们还用Sn一分子筛等作催化剂，以对甲氧基苯甲醛为底物经Baeyer一villiger反应生成甲酸醋，再水解生成酚，其效果也不错14-15。 Baeyer一villiger反应中催化剂的催化作用可归属为3类16:第1类是通过活化双氧水来提高它的亲核能力以利于进攻酮羰基;第2类是用金属配合物或载体金属配合物作催化剂，用分子氧作氧化剂，醛作助氧化剂;第3类是活化底物的酮羰基。Corma研发的Sn一分子筛就属于第3类，其可能的反应机理见下图。 这一反应机理

12、可以分成4步:(1)Sn一分子筛上的Sn原子作为活性中心活化羰基基团;(2)没有被活化的H2O2进攻羰基碳原子;(3)离去基OH一的脱离和迁移基团从碳向氧作1，2迁移(在同一个协同过程中);(4)Sn一分子筛离去形成目标产物(内醋)。 由于分子筛孔道的限制使得某些分子较大的反应物分子不能进人其孔道或者扩散受到限制，因此如果用MCM一41介孔分子筛则可以克服这种限制。Corma等17合成了一系列Sn与Si比不同的Sn一MCM一41分子筛催化剂，其灼烧后的试样也能通过亲核进攻活化羰基基团，而且对用H2O2作氧化剂的各种酮的Baeyer一Villiger反应均有活性，转化率和选择性也较高。他们还比较

13、了由不同方法制得的分子筛Sngraft一MCM一41和Snsynth一MCM一41的催化活性，实验证明这两种催化剂在反应7h后转化率非常接近，但还是直接合成的试样的转化率和TON稍高一些，这些催化剂还可以循环使用。 以 Sn 分子筛作催化剂的 BaeyerVilliger 重排反应过程有如下优点：首先，由于此类催化剂催化的 BaeyerVilliger 重排反应中没有由醛生成的相应的酸的过程，因此提高了重排反应的原子经济性；其次，无论是从反应的温度还是从溶剂的量来看，其温和的反应条件和较少的溶剂用量都使得Sn 分子筛类催化剂有着较好的工业应用前景。 2.4 微生物酶类 微生物酶是指起着催化生物

14、体系中特定反应的、由微生物活细胞产生的蛋白质。作为催化剂的微生物酶，它可以加速三种反应：水解反应、氧化反应和合成反应。微生物酶可以在活细胞内进行催化作用，也可以透过细胞作用细胞外的物质；前者称内酶，后者称外酶。酶的催化过程是一个两步反应：E+SESE+P酶基质复合物酶底物酶具有专一性。酶的活性受环境条件的影响十分显著，主要的物理环境条件有：温度、需氧量和pH值，这些条件是废水生物处理过程中的最重要因素。 微生物酶在氧化反应中的催化活性较高。此类催化剂催化氧化的 BaeyerVilliger 重排反应可在室温中性或接近中性的条件下进行，这样温和的反应条件会减低反应中发生重排的几率，而且无论是从绿

15、色化学还是从能源节约的角度考虑，微生物酶类催化剂都明显优于其他类型的催化剂。最早被应用于催化氧化 BaeyerVilliger 重排反应的微生物酶为CHMO(环己酮单氧酶)，近几十年来，应用于BaeyerVilliger 重排反应的单酶有20多种。常见的微生物酶催化剂16,17有：E.coli Top 10 pQR 239、NCIMB9871，环戊酮单过氧化酶（CPMO）、以及 4-羟基苯己酮单过氧化酶（HAPMO）等催化活性较高的微生物酶类。从反应的立体选择性的角度来讲，微生物酶催化的 BaeyerVilliger 重排反应较化学法更高。目前，该方法由于在反应中有代谢副产物的生成，所以应用于

16、工业化生产还有一定的局限性。近年来，基因工程酵母菌成为了人们研究的新热点，基因工程酵母菌在 BaeyerVilliger 重排反应中的应用不仅可以降低毒性，还可以提高催化活性，为微生物酶类催化的 BaeyerVilliger 重排反应的工业化应用起到很好的促进作用。 催化BV氧化反应的微生物酶能减少产物的分解、异构、消旋和重排反应，其催化过程一般无毒、无污染、低能耗，是一种环境友好的高效催化剂。常用的微生物酶包括脂肪酶和单加氧酶，单加氧酶具有更好的化学选择性、区域选择性和光学异构选择性。2.5 过渡金属配合物类 在Baeyer-Villiger重排反应催化剂的研究中，过渡金属配合物类的应用也很

17、广泛。按反应体系可分为均相催化剂和非均相催化剂两类，其中固体酸、硅胶负载的钛配合物和硒等属于非均相催化剂；均相催化剂主要基于铂、锆、铼、硒、砷和钼等，此催化体系中通常采用的氧化剂为分子氧，此外，还常加入醛类作为体系的共氧化剂18。 1978年，Jacobson等首次将过渡金属Mo的配合物应用于Baeyer-Villiger 反应, 随后又发展了一系列过渡金属(Cu,W,Re,Mn,Pt,Sc,Ti等)的配合物，它们在光学活性化合物的合成中应用较广。1994 年，Bolm 第一次报道了环己酮和环庚酮的不对称的Baeyer-Villiger重排反应。他们选择镍和铜的金属配合物作催化剂，将环酮类氧化

18、成了目标的内酯。但试验结果不太理想，而且此类催化体系在很大程度上受到溶剂种类的制约19。于此同时，Strukul等以手性铂作催化剂催化不对称的Baeyer-Villiger重排反应20。Tatsuya等接着又以Co()(salen)作催化剂、催化手性的 3-取代的环丁酮生产相应的内酯，同样取得了较好的产率和 e.e.值21-25。3 离子液体在BV反应中的应用 离子液体即完全由正负离子组成的室温下为液体的盐，由于阴阳离子数目相等，因而整体上显中性。又称室温离子液体或者室温熔融盐，也称非水离子液体、液态有机盐等。简而言之，离子液体是指在室温或室温附近温度下呈液态，并由阴阳离子组成的物质。与熔盐相

19、比，离子液体的熔点低于100 ；与固态物质相比，它是液态；与传统的液态物质相比，它是离子型，离子液体具有不挥发、热稳定性较高、便于反应操作处理和易于回收等特点，近年来倍受关注。此外，通过阴阳离子的设计，可调节其对无机物、有机物、及聚合物的溶解性，并且其酸度可调至超酸。最初的离子液体主要用于电化学的研究，近年来在作为环境友好的溶剂方面有很大的潜力。目前，应用于催化氧化Baeyer-Villiger重排反应中的离子液体大多作为反应溶剂，比较常用的是bmimBF4，此外，还有HmimOAc等。 近年来，Roberta Bernini26等将离子液体bmimBF4(下图)应用于Baeyer- Vill

20、iger重排反应，建立了一种以离子液体作溶剂，催化氧化Baeyer-Villiger重排反应的新的催化体系。 MTO（甲基三氧化铼）在化学领域应用最多最广的是作为多种有机化学的催化剂使用。Roberta Bernini 等以 MTO 为催化剂，在离子液体bmimBF4中催化环丁酮等生成相应的内酯，获得了较高的产率和转化率。从绿色化学的角度讲，此催化体系在较温和的反应条件下进行（室温或者 40 ），此外，此催化体系可循环使用，而且在循环 5 次内得到的产率没有明显降低。此反应机理如图 2。 Bernini 等还在 MTO（甲基三氧化铼）上负载聚 4-乙烯基吡啶，以丁醇为溶剂，以 H2O2 为氧化

21、剂氧化甲基化的4，5，7-三羟黄烷酮和和5，7，3三羟基-4甲氧基黄烷酮生成相应的酯，产率也较高。上述反应体系虽然达到了较高产率和转化率，但反应的选择性不是很好，而且催化剂循环使用次数也有限。 最近，Anna Chrobok27 等以过硫酸氢钾为氧化剂，以各种离子液体为溶剂，在 40 的条件下，研究了各种离子液体在此体系中对 Baeyer-Villiger 氧化反应的影响。实验结果表明，此体系中效果最好的离子液体是bmimBF4和 HmimOAc。随后将这两种离子液体应用于其它内酯和酯的合成中，都获得了较高的产率（65%95%）；这两种离子液体被循环使用 3 次后，催化活性无较大的损失。该实验

22、体系虽然获得了较高的产率和较好的选择性，但是此体系中离子液体的循环使用次数有限。 4 结束语 几十年来，在重排反应的体系中，各种各样的催化剂已广泛应用于催化氧化 Baeyer-Villiger 重排反应。无论在其应用领域和所用的氧化剂方面都日趋成熟, 并已成功地应用于许多天然产物和药物的合成。在 Baeyer-Villiger 重排反应中，液态的过酸做氧化剂，加入苯甲醛等醛类做助催化剂的反应体系不利于实现重排反应的原子经济性，因此，上述介绍的 5 种催化体系中，固体酸和过渡金属离子的分子筛类催化剂有着很好的工业应用前景。从近几年对 Baeyer-Villiger 重排反应催化剂的研究现状来看，

23、催化体系中催化活性、反应的原子经济性以及将 Baeyer-Villiger 重排反应应用于不对称合成中等方面将是以后值得关注的重点方向。随着人们的研究，绿色化学已经深入到化学界的各个领域，离子液体作为一种新型绿色溶剂渐被人们认识，在很多化学反应中都开始尝试使用离子液体来代替传统的有机溶剂，它在增加反应速率、提高催化性能和循环使用等方面有很大的潜力，因此将更多新型、功能型的离子液体应用于 Baeyer-Villiger 重排反应也将成为一种绿色环保的好方法。参考文献1 Paul D M . Molecular Rearrangements.Part OneM.New York：Interscie

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