CN101486621B

CN101486621B - 一种催化空气氧化醇制备醛或酮的方法

Info

Publication number: CN101486621B
Application number: CN2008100101083A
Authority: CN
Inventors: 梁鑫淼; 王心亮; 刘仁华; 徐青; 薛兴亚; 章飞芳
Original assignee: Dalian Institute of Chemical Physics of CAS
Current assignee: Dalian Institute of Chemical Physics of CAS
Priority date: 2008-01-16
Filing date: 2008-01-16
Publication date: 2012-06-13
Anticipated expiration: 2028-01-16
Also published as: CN101486621A

Abstract

本发明提供了一种催化空气氧化醇制备醛或酮的方法，按5mmol的反应底物计，以1-8％的2，2，6，6-四甲基哌啶-氧自由基(TEMPO)或其衍生物、4-20％的含卤化合物和4-10％的亚硝酸盐或亚硝酸酯为催化剂，用0.1-0.8MPa的氧气或空气为氧化剂，在0-80℃条件下反应1-36小时，可以高选择性地把一系列醇氧化成醛或酮。本发明具有采用的试剂较安全便宜，底物适用性更广，反应条件温和、并且产物分离方便，对环境不会造成任何污染等优点。

Description

一种催化空气氧化醇制备醛或酮的方法

技术领域

本发明涉及一种制备醛或酮的方法，具体地涉及一种不含过渡金属催化剂、以氧气或空气为氧化剂把醇氧化成醛或酮的新方法。

背景技术

醇氧化为羰基化合物是有机合成中最重要的单元反应之一，该反应大量应用于精细化学品和有机中间体的合成中【文献1.Hudlicky，M.；Oxidations in Organic Chemistry.Washington，DC：ACS，1990】。这类反应传统上采用化学计量的氧化剂，例如氧化铬【文献2.Muzart，J.Chem.Rev.，1992，92，113-140.】、氧化锰【文献3.Regen，S.L.；Koteel，C.J.Am.Chem.Soc.，1977，99，3837-3838.】、氧化钌【文献4.：Griffith，W.P.Chem.Soc.Rev.，1992，21，179-185】、Dess-Martin试剂【文献5.Dess，D.B.；Martin，J.C.J.Org.Chem.，1983，48，4155-4156】等氧化剂。传统方法，一方面需要使用大量重金属试剂，增加了原料成本；另一方面，反应过程产生的大量废弃物严重污染了环境。当今日益突出的环境污染也是一个令人棘手的问题，所以如何解决这些问题越来越受到人们的重视。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，迫切需要发展高效清洁的绿色的氧气氧化方法。

在前期研究(中国专利申请号200410003791.X和200410098936.9)中，成功开发了以催化量的2，2，6，6-四甲基哌啶-氧自由基(TEMPO)作为催化剂，亚硝酸钠分别和溴(碘)或活性溴(如1，3-二溴-5，5-二甲基海因(DBDMH)、N-溴代丁二酰亚胺(NBS)或三溴吡啶盐等)组合作为助催化剂，以二氯甲烷或水作反应溶剂，用低于0.5MPa的氧气或低于1.0MPa空气为氧化剂，在60-100℃下可以高选择性地把一系列醇氧化成醛或酮的工艺。

然而从上述专利申请中所给出的实施例可以看出，所使用的TEMPO/Br₂(或活性溴)/NaNO₂催化分子氧的氧化体系的特征和效果：

(1)催化剂用量比以前报道的方法少，只为底物醇的1％；

(2)可高选择性地氧化芳香苄醇、杂芳香甲醇、脂肪或脂环仲醇成相应醛或酮，但对氧化脂肪伯醇的选择性中等；

(3)需要采用高压釜和油浴的加热方式，操作繁琐，使得氧化体系放大至工业化制备过程中可能存在爆炸的风险；

(4)产物分离方便；

(5)卤素溴或活性溴的使用不方便、不安全。

发明内容

本发明的目的是提供了一种催化空气氧化醇制备醛或酮的方法。

本发明提供了一种催化空气氧化醇制备醛或酮的方法，在有机溶剂中，以氧气或空气为氧化剂，以2，2，6，6-四甲基哌啶-氧自由基(TEMPO)或其衍生物、含卤化合物、亚硝酸盐或亚硝酸酯为催化剂，氧化醇生成醛或酮；

其中：醇、2，2，6，6-四甲基哌啶-氧自由基(TEMPO)及其衍生物、含卤化合物、亚硝酸盐或亚硝酸酯的物质的量之比为100∶1-8∶4-20∶4-10；

氧气或空气的压力为0.1-0.8MPa；

反应温度为0-80℃；

反应时间为1-36小时。

本发明提供的催化空气氧化醇制备醛或酮的方法，所述2，2，6，6-四甲基哌啶-氧自由基衍生物为4-羟基-2，2，6，6-四甲基哌啶-氧自由基(4-OH-TEMPO)、4-苯甲酰氧基-2，2，6，6-四甲基哌啶-氧自由基(4-BzO-TEMPO)、4-乙酰胺基-2，2，6，6-四甲基哌啶-氧自由基(4-AcNH-TEMPO)中至少一种。

本发明提供的催化空气氧化醇制备醛或酮的方法，所述含卤化合物为游离的卤素、氢卤酸水溶液、卤化试剂、卤代盐和酸原位生成的氢卤酸中至少一种。

本发明提供的催化空气氧化醇制备醛或酮的方法，所述亚硝酸盐为亚硝酸钠或亚硝酸钾。

本发明提供的催化空气氧化醇制备醛或酮的方法，所述亚硝酸酯为亚硝酸烷基酯。

本发明提供的催化空气氧化醇制备醛或酮的方法，所述有机溶剂为苯、甲苯、氯苯、氟苯、三氟甲基苯、二氯甲烷、二氯乙烷、氯仿、四氯化碳、乙腈、乙酸、乙酸乙酯、α，α，α-三氟乙醇中至少一种。

本发明提供的催化空气氧化醇制备醛或酮的方法，所述醇具有如下的结构：

其中：R₁为含有各种取代的杂环或非杂环的芳香基或者脂肪基；R₂为氢或烷烃基。

本发明提供的催化空气氧化醇制备醛或酮的方法，所述含卤化合物为盐酸或氢溴酸。

本发明适用于活性醇的高选择性氧化成醛或酮；适用于脂肪醇或脂环醇高选择性氧化成醛或酮；特别适用于含杂原子(N，S，O等)和C＝C双键的醇、脂肪或脂环伯醇的氧化氧化反应。

本发明适用于医药中间体、农用化学品、香料等精细化学品以及基本化学品的醛或酮的生产。

本发明采用的试剂较安全便宜，底物适用性更广，反应条件温和、并且产物分离方便。

本发明具有如下优点：

1.采用便宜、丰富的空气或氧气替代化学氧化剂，有效地降低原料成本。

2.反应条件温和，操作易于控制。反应在有机溶剂中进行，反应温度控制在0～80℃，在室温下，反应就可以顺利进行。氧气压力低，在0.1MPa氧气或空气压力下，反应即可顺利进行。

3.后处理简单，产品收率高。

4.整个过程对环境友好，不存在污染。由于反应过程中所用氧化剂是空气或氧气，副产物是水，所以整个过程几乎对环境不会造成任何污染，是一种绿色化学合成方法。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明给予进一步的说明，当然，本发明不仅限于下述的实施例。

实施例1

氧化反应在装有磁子的长颈单口圆底烧瓶(50mL)中进行。先将5.0mmol苯甲醇和0.05mmol TEMPO加入到圆底烧瓶中，再加入8mL二氯甲烷作反应溶剂，然后再加入0.20mmol三氯异氰尿酸(TCCA)，最后加入0.2mmol NaNO₂，密闭并使烧瓶顶部与一充满氧气的气球直接相通。室温下反应到10小时后停止搅拌。取样进行气相色谱分析反应完全后，将反应液体转移到分液漏斗中，然后仔细地用二氯甲烷洗烧瓶，合并有机溶液。依次用饱和的Na₂S₂O₃水溶液和NaHCO₃水溶液洗涤有机相，除去TEMPO和无机盐，有机层用无水硫酸钠干燥，然后旋转蒸发，除去有机溶剂即可得到纯的苯甲醛，收率95％，GC分析含量为99％以上。含量测定采用Agilent6890N气相色谱系统，HP-5柱(30mm×0.25mm)，氢火焰检测器，检测器的温度为250℃，进样器的温度为250℃，炉温采用程序升温：先在50℃恒温5min，然后以10℃/min升温至250℃，并在250℃恒温10min。对比与标准化合物的气相色谱保留时间，GC-MS和¹H NMR和¹³C NMR来确证产物。

实施例2

试验方法和步骤同实施例1，但所用的催化剂是4-OH-TEMPO，反应时间为12h，苯甲醛收率95％，含量≥99％。

实施例3

试验方法和步骤同实施例1，但所用的催化剂仍是TEMPO，但其用量增至0.15mmol；用0.50mmol浓盐酸替代0.20mmol三氯异氰尿酸(TCCA)，且NaNO₂的用量增至0.25mmol。此外，烧瓶顶部敞开，直接与环境的大气相通，敞口搅拌反应一定时间，用GC分析含量苯甲醇的转化率和选择性，结果见表1。

实施例4-17

试验方法和步骤同实施例3，但在8mL不同的有机溶剂中搅拌反应一定时间，用GC分析含量苯甲醇的转化率和选择性，结果见表1。

表1

实施例	有机溶剂	时间(小时)	转化率(％)	选择性(％)
					345678910111213141516	CH₂Cl₂CHCl₃CCl₄ClCH₂CH₂ClCF₃CH₂OHPhFPhClPhMePhCF₃HOAcEtOAcMeCNt-BuOHTHF	10101010108101010912111010	10063.426.799.420.499.657.537.854.110098.299.611.817.7	10098.997.499.698.010094.396.410097.993.610097.4100

由表1可看出，采用敞开的催化空气氧化体系和价廉易得的二氯甲烷作为反应溶剂，反应的转化率和选择性均最佳，操作简单，且产物分离方便。

实施例17-42

试验方法和步骤同实施例3，用不同的含卤化合物或酸替代浓盐酸，在8mL二氯甲烷中敞口搅拌反应一定时间，用CC分析含量苯甲醇的转化率和选择性，结果见表2。

表2

实施例	含卤化合物或酸	时间(小时)	转化率(％)	选择性(％)^[a]
					317181920212223242526272829	HCl^[e]Br₂ ^[b]Bu₄NBr₃ ^[b]DBDMH^[b]NBSTCCA^[b]DCDMH^[b，c]NCS^[d]I₂ ^[b]HBr^[e]HF^[f]HBF₄ ^[g]HNO₃HNO₃ ^[h]	101010.51010101010101010101010	10010099.255.084.939.044.014.734.092.09.58.33.76.5	10010010096.710096.710086.110098.248.465.110081.5

30313233343536373839404142

HOAcTsOHMeSO₃HCF₃CO₂HH₃PO₄ ^[i]H₂SO₄ ^[b，i]H₂SO₄ ^[b，i]H₂SO₄ ^[b，i]H₃PO₄ ^[i]HBF₄ ^[g]MeSO₃HCF₃CO₂Hn-BuONO^[l]

10101010101013^[j]14^[k]17^[j]17^[j]16^[j]17^[j]9.0

1.56.510.07.77.921.3100100100100100100100

66.775.467.554.559.586.4100100100100100100100

[a]含卤化合物或酸(0.50mmol)。[b]含卤化合物或酸(0.25mmol)。[c]DCDMH＝1，3-二氯-5，5-二甲基海因。[d]NCS＝N-溴代丁二酰亚胺。[e]HBr＝40％质量百份比的氢溴酸。[f]HF＝40％质量百份比的氢氟酸，在一敞口的耐腐蚀的塑料试管中反应。[g]HBF₄＝40％质量百份比的四氟硼酸。[h]无NaNO₂存在。[i]H₃PO₄＝85％质量百份比的磷酸酸，H₂SO₄＝96％质量百份比的硫酸。[j]在0.5mmolNaCl存在下。[k]在0.5mmol苄基三甲基氯化铵(BnNMe₃Cl)存在下。[l]0.25mmol亚硝酸丁酯和0.25mmol浓盐酸。

由表2可看出，催化体系中必须有含卤化合物或卤离子(氯离子Cl^-)的存在，才有一定的催化活性。而采用价廉易得的浓盐酸或由氯代盐和各种有机或无机酸原位生成的氯化氢作助催化剂，反应的转化率和选择性均最佳，操作简单，且产物分离方便。

此外，采用亚硝酸丁酯替代亚硝酸钠作助催化剂(例42)，也取得了满意的效果。

实施例43-78

试验方法和步骤同实施例3，用不同的醇(5.0mmol)作为反应底物，在8mL二氯甲烷中敞口搅拌反应一定时间，取样用GC分析底物的转化率和选择性。反应完全后，将反应液体转移到分液漏斗中，然后仔细地用二氯甲烷洗烧瓶，合并有机溶液。依次用饱和的Na₂S₂O₃水溶液和NaHCO₃水溶液洗涤有机相，除去TEMPO和无机盐，有机层用无水硫酸钠干燥，然后旋转蒸发，除去有机溶剂即可得到相应的纯的醛或酮类产品。具体结果见表3。

表3

[a]方法A：TEMPO(3％)，NaNO₂(5％)，HCl(10％)；方法B：TEMPO(5％)，NaNO₂(5％)，HCl(10％)；方法C：TEMPO(5％)，NaNO₂(8％)，HCl(16％0)；方法D：TEMPO(8％))，NaNO₂(8％))，HCl(16％)。[b]有约5.2％1-辛酸的副产物生成。[c]用等量的浓氢溴酸替代浓盐酸。[d]有约3.0％2-氯甲基噻吩的副产物生成。[e]需加入1.2当量的冰醋酸作缚碱剂。[f]得到3-吡啶基甲醛和3-3-吡啶基甲醇的混合物。[g]有约3.9％3，3-二甲基烯丙基氯的副产物生成。

从表3中可以看出，苄醇(实施例43)可以定量地、高选择性地转化成苯甲醛。且取代苄醇的苯环上取代基的电子性对氧化反应影响不大，无论是-CH₃、4-OMe、3-OPh等供电子基团(实施例44-46，53，56)还是-Cl，4-F，3，5-F₂，3，5-(CF₃)₂，4-NO₂，4-CO₂Me等吸电子基团(实施例47-52，54-55)，均可高选择性几乎定量收率地得到相应的取代苯甲醛。此外，各种活泼芳香仲醇也可得到高选择性几乎定量收率地得到相应的芳香酮(实施例57-60)。

对于在许多有氧氧化的难以氧化的脂肪和脂环伯醇化合物，同样可高转化率高选择性地被氧化生成预期的脂肪醛，副产物酸的量很少。例如，在室温下，无需鼓泡，直接利用敞开体系中的环境空气中的氧气就可以将1-辛醇，2-乙基己醇，环己基甲醇和环己基甲醇完全转化成相应的醛(实施例61-64)；且2-苯乙醇也可高选择性地被氧化成苯乙醛(实施例65)。类似地，脂肪仲醇如2-辛醇和3-辛醇也可以高收率地得到相应的酮(实施例66-67)。但对于环己酮，即使采用Method D反应24h，其转化率也很低，只有37.3％；而改用HBr反应14h，则环己酮可顺利地完全转化(实施例68)。

当醇中含有易与过渡金属配位而导致氧化反应难以进行的N、S杂原子时(实施例69-70，73)，羟基同样能够被氧化成羰基。但是对于含N杂环的底物，由于其自身的碱性会将抑制反应的进行，因此需要加入适量的乙酸中和其碱性，反应才能顺利进行，但由于HCl仍会被具有碱性的吡啶环部分中和，室温下转化仍较慢。值得注意的是，对于苄醇/苯甲硫醚(实施例71)或苄醇/二乙硫醚(实施例72)的混合物，反应不受硫原子的影响，均能够选择性地将苄醇氧化成苯甲醛，而苯甲硫醚或二乙硫醚不被氧化。

C＝C双键的存在也不影响醇的催化氧化，各种烯丙醇化合物都能够被定量地、高选择性地氧化生成相应的烯醛或烯酮(实施例74-76)。此外，一些重要的精细化学品，诸如3-甲氧基丙醇和乳酸乙酯(实施例77-78)，也可有效地被氧化成相应的醛或酮类化合物。

由上述的实例表明，采用本发明所提供的催化空气氧化醇制备醛或酮的方法，可以广泛的将高选择性地含有C＝C双键、O、N、S杂原子等官能团的醇氧化相应的醛或酮，高选择性高收率地氧化得到脂肪或脂环伯醛；并且能够选择性地氧化羟基而使硫醚基不被氧化。该方法具有产率高、反应条件温和，操作易于控制、成本低，安全、整个过程对环境友好，不存在污染等特点。

Claims

1.一种催化空气氧化醇制备醛或酮的方法，其特征在于：在有机溶剂中，以氧气或空气为氧化剂，以不含过渡金属的2，2，6，6-四甲基哌啶-氧自由基或其衍生物、含卤化合物、亚硝酸盐为催化剂，氧化醇生成醛或酮；

其中：醇、2，2，6，6-四甲基哌啶-氧自由基及其衍生物、含卤化合物、亚硝酸盐物质的量之比为100∶1-8∶4-20∶4-10；

氧气或空气的压力为0.1MPa；

反应温度为0-80℃；

反应时间为1-36小时；

所述不含过渡金属的2，2，6，6-四甲基哌啶-氧自由基衍生物为4-羟基-2，2，6，6-四甲基哌啶-氧自由基、4-苯甲酰氧基-2，2，6，6-四甲基哌啶-氧自由基、4-乙酰胺基-2，2，6，6-四甲基哌啶-氧自由基中至少一种。

2.按照权利要求1所述催化空气氧化醇制备醛或酮的方法，其特征在于：所述含卤化合物为氢卤酸水溶液、N-卤化试剂、卤代盐和酸原位生成的氢卤酸中至少一种。

3.按照权利要求1所述催化空气氧化醇制备醛或酮的方法，其特征在于：所述亚硝酸盐为亚硝酸钠或亚硝酸钾。

4.按照权利要求1所述催化空气氧化醇制备醛或酮的方法，其特征在于：所述有机溶剂为苯、甲苯、氯苯、氟苯、三氟甲基苯、二氯甲烷、二氯乙烷、氯仿、四氯化碳、乙腈、乙酸、乙酸乙酯、α，α，α-三氟乙醇中至少一种。

5.按照权利要求1所述催化空气氧化醇制备醛或酮的方法，其特征在于：所述醇具有如下的结构：

6.按照权利要求1和2所述催化空气氧化醇制备醛或酮的方法，其特征在于：所述含卤化合物为盐酸或氢溴酸。