化学试剂,2005,27(8),459～463;499专论与综述催化分子氧氧化醇类的研究进展李长辉3,李容,郑国钧,赵秀芳(中国医学科学院中国协和医科大学药物研究所,北京 100050)摘要:综述了用氧气或空气(分子氧)作为化学计量氧化剂,在催化剂作用下氧化醇类的研究进展,并对某些代表性的催化氧化反应的特点和选择性进行了讨论。
关键词:醇;催化氧化;分子氧;氧气;空气;均相催化;非均相催化中图分类号:T Q224;O643.322 文献标识码:A 文章编号:025823283(2005)0820459205收稿日期:2004210213作者简介:李长辉(19752),男,四川泸州人,硕士,实习研究员,主要研究方向为生物活性天然产物的全合成。
醇的氧化是有机合成和工业生产中制备羰基化合物的重要方法,应用化学剂量的氧化剂对醇进行氧化的方法沿用已久,所用的氧化剂包括无机过渡金属氧化物和盐类,以及一些金属配合物等[1]。
使用化学计量氧化剂的方法至今仍然在有机合成领域广泛应用,并在许多方面取得不小进步,但是从经济学以及环境学方面考虑,迫切需要使用氧气、空气等环保、清洁、符合原子经济性的氧化剂,在此过程中,除目标产物外,水为惟一副产物。
RR ′OH 催化剂O 2(或空气)RR ′O +H 2O 其中:R ,R ′=烷基,芳基或H本文分均相催化氧化和非均相催化氧化两大类,概要的介绍这一领域的最新进展,并对某些催化氧化反应的特点和选择性进行讨论。
1 均相催化氧化由于反应物和催化剂存在于同一相中,均相催化体现出活性高、选择性好等优点。
111 金属/TE MPO 催化体系氮氧自由基类作为比较成熟的氧化剂(或催化剂),无论在实验室还是工业生产中,都已广泛地用于醇的氧化,2,2,6,62四甲基哌啶2N 2氧化物(TE MPO )是其中最重要的一个。
TE MPO (1)是一个氮氧自由基,本身的氧化作用并不强,但其分解产物中的氮氧正离子(2)却是强的氧化剂,可以氧化各种醇成相应的羰基化合物,而自身被还原成为氮羟基化合物(3),继而重新被氧化成自由基形态。
自1984年Semmelhack 等[2]首次报道CuCl/TE MPO 体系催化氧气进行伯醇的氧化以来,这一体系在近年来取得许多进展。
最近,Sheldon 等[3]报道[Cu (Ⅱ)2(2,2′2二吡啶)]/TE MPO 体系以碱作为共催化剂,在室温下催化氧气将伯醇选择性地氧化成醛,对仲醇没有影响。
Marko 等[4]也报道了CuCl/1,102菲咯啉/二叔丁基胺二乙酸盐在温和条件下催化伯醇的选择性氧化取得很好效果。
TE MPO 催化氧化历程研究发现,用其他金属化合物替代CuCl ,可以取得更好的效果,Sheldon 等[5]使用Ru (PPh 3)32Cl 2/TE MPO 体系,顺利地催化活泼和不活泼的醇高选择性(>99%)地氧化成相应的醛酮。
使用12辛醇和22辛醇进行竞争实验表明,对伯醇的选择性高于仲醇(混合反应,二者的转化率分别为80%和10%)。
其缺点是较高的氧气压力(1MPa ),反应温度(100℃)及三苯基膦配体自身的热不稳定性。
此外,底物中的S ,N ,O 等原子会与Ru 离子配合而导致催化剂失活。
Minisci 等[6]报道了双金属的Mn (Ⅱ)2C o (Ⅱ)/TE MPO 体系,近室温条件高收率(>95%)地催化了一系列苄醇、脂肪伯醇和仲醇的氧化。
此反应以醋酸作为溶剂,需使用大量价格昂贵的TE MPO (>10m ol %)。
112 Pd (Ⅱ)类催化剂954第27卷第8期李长辉等:催化分子氧氧化醇类的研究进展自Schwartz 等[7]1977年首次报道用PdCl 2/NaOAc 系统催化氧气对醇的氧化后,人们对Pd (Ⅱ)催化的氧化反应进行了广泛研究。
K arl 等[8]报道用5m ol %Pd (OAc )2/DMS O 体系,配合一定量的添加剂(如适量的NaHC O 3),高效率地催化氧气氧化α,β2不饱和伯醇和仲醇成对应的醛酮,但对饱和醇的氧化效果不理想。
Sheldon 等[9]用水溶性的PhenS 3Pd (OAc )2(红菲绕啉二磺酸盐的钯配合物)催化空气(3MPa )对各种醇在水中(100℃)进行氧化,水溶性较好的小分子脂肪仲醇和环醇的氧化效果很好。
例如氧化22戊醇成为22戊酮,收率90%,催化周转频率(TOF )达80/h ,催化剂可由水相中回收,但是催化苄醇的氧化较慢。
对烯丙醇类的催化活性更低,这可能是由于双键与醇在Pd 上的竞争性配合导致的。
同理,对于含有S 、N 、O 原子的底物,上述体系的催化活性也很低。
对其反应机理的分析还说明,Pd (Ⅱ)催化剂的活性和稳定性有赖于Pd (0)的快速氧化,从而避免其聚团失活,这也是此体系需使用高压空气的原因。
PhenS 3Pd (OAc )2催化剂Uemura 等[10]报道用5m ol %Pd (OAc )2/吡啶/3!分子筛,以甲苯作溶剂,80℃催化氧气氧化更为广泛的醇类,收率很高,催化效率是上述Pd (OAc )2/DMS O 体系的10倍以上,可以使用空气代替氧气作为氧化剂,但是对于羟基β2位含有富电子基团的底物,氧化效果很差,而微量水的存在则会导致烯的氧化。
最近T etsuo 等[11]报道用Pd (Ⅱ)L 2催化剂,空间位阻很大的配体有效地避免了钯黑的形成,底物/催化剂用量比在1000以上,对所测试的各种醇均有催化活性,但产率中等,如用量比为1250时,分别使用上式中的两种配体,在甲苯中,80℃,催化空气(1011325kPa )氧化32辛醇96h ,产率分别为63%和65%。
2 非均相催化氧化非均向催化剂相对于均相催化剂有许多优点:产物的分离变得简单,催化剂易于回收和再利用。
非均相氧化的机理涉及氧化脱氢的过程:底物被吸附到催化剂的表面后脱氢,而后吸附的氢与氧生成水。
(ad 代表“吸附”)非均相催化氧化的脱氢历程利用贵金属如Pt 、Pd 常压催化醇的氧化在近20年来被广泛研究,但是,由于贵金属催化剂的失活问题长期困扰着人们,限制了它们的应用。
最近含金属的纳米微粒所体现出的高度的催化效能,令人振奋。
U ozumi 等[12]报道以聚苯乙烯聚乙二醇双亲树脂为载体的纳米Pd (0),名为ARP 2Pd ,在催化醇的氧化时表现出很高的活性(这可能与纳米材料提供的巨大表面积相关),使用1m ol %的ARP 2Pd ,在水中通氧气(1011325kPa )115h ,定量的将12苯乙醇氧化成苯乙酮。
其他活泼仲醇的氧化效果也很好,回收的ARP 2Pd 没有观察到催化活性的丧失。
但ARP 2Pd 在催化不活泼醇的氧化时需要更长的时间和更多的催化剂,在催化饱和脂肪醇的氧化时也发现有过度氧化。
211 负载的TPAP 类催化剂高钌酸四丙基铵(TPAP )与N 2甲基吗啉氧化物合用,是一个非常有效的醇类氧化方法,但除去昂贵而较大量(10m ol %)的TPAP 及其副产物比较困难。
为此Ley 等[13]将RuO -4嫁接到离子交换树脂Amberlyst A 226上(PSP ),发现无论是活泼的还是不活泼的伯醇均能以此为催化剂,在甲苯中于75～85℃被氧气(1011325kPa )氧化成相应的醛。
催化剂表现出对伯醇优良的选择性,对1∶1的苯甲醇和12苯乙醇混合液进行反应时,75℃经3h后,产物中仅发现苯甲醇反应生成的苯甲醛。
同样,在12辛醇与22辛醇的竞争反应中,85℃经6h 后,前者83%转化成12辛醛,而后者仅有13%转化成22辛酮。
虽然催化剂的用量(10m ol %)较大,064化 学 试 剂2005年但仍然具有很高的实用价值。
由于高分子材料较易降解,PSP 的回收仍然存在许多困难。
中孔硅分子筛MC M 241的内外表面有多个硅羟基(SiOH ),这为固定催化活性物种提供了可能。
Ley 等[14]将TPAP 固定在MC M 241的孔道中,制成了丙氨系留的高钌酸三乙基铵催化剂,当Ru 的负载量为质量分数111%时催化活性最好,在80℃经015～3h ,催化氧气(1011325kPa )将苯甲醇定量的氧化成苯甲醛。
实验表明,回收使用12次,没有发现催化剂的流失。
但这种MC M 241负载的TPAP 催化活性,比均相体系中的TPAP 低很多,不能催化环己醇及环己烯醇的氧化。
硅胶负载的TPAP 催化剂很稳定,Ru 的流失几乎可以忽略。
近来,使用超临界二氧化碳作溶剂[15],硅胶负载的TPAP 在催化氧气氧化醇类的反应中表现更为出色。
高钌酸钾灌注的沸石X [16],虽然看起来催化活性较低,但是它表现出对分子形状的选择性。
例如在同样的条件下,苯甲醇被选择性地氧化成相应的醛,而分子略大的12苯乙醇由于无法进入沸石的孔道中,而完全没有反应。
212 负载的TE MPO/金属催化体系TE MPO 结合NaOCl 使用的均相催化反应,已经成为一种成熟的方法,在有机合成领域有着广泛的应用,而一些高分子材料连接的氮氧自由基,使这类催化剂的分离回收更为方便。
Sheldon 等[16]用低聚刚性位阻胺Chimass orb 944制成的树脂负载的哌啶氧化物(PIPO ),根据不同的溶剂性质,既可以在均相也可以在非均相条件下催化醇的氧化。
树脂负载的TE MPO 2PIPO例如PIPO/CuCl 催化苯甲醇在DMF 中被氧气氧化成苯甲醛,TOF =614/h ,效果与均相的TE MPO/CuCl 体系相当。
这一体系也可以在无溶剂条件下催化氧气进行活泼醇类的氧化。
通过将TE MPO 嫁接到硅胶表面制成的SiO 22胺2TE MPO 催化剂[18],可以顺利的催化各种醇氧化成为相应的醛酮,在伯醇与仲醇共存的反应中,表现出对伯醇的选择性氧化,回收后的催化剂没有明显的失活。
硅胶及MC M 241负载的TE MPO也有报道[19],将TE MPO 及其衍生物固定在MC M 241的内表面上,与CuCl 合用催化分子氧对苯甲醇的氧化,其TOF 比均比TE MPO/CuCl 体系和PIPO/CuCl 体系低很多(三者TOF 分别为015,417,614/h )。
213 负载的Pd (Ⅱ)类催化剂Pd (Ⅱ)复合物虽然是优良的均相催化剂,但用负载的Pd (Ⅱ)催化氧气进行非均相氧化的例子不多。
Uemura 等[20]将其原有的Pd (OAc )2/吡啶/3!分子筛体系负载于水滑石(Mg 6Al 2(OH )162C O 3・4H 2O )表面,称为Pd (Ⅱ)2水滑石,用于非均相催化反应,在以吡啶作共催化剂的条件下催化空气氧化苯甲醇的结果如下: 若使用过量吡啶,也可以催化饱和仲醇的氧化。