CN101544548A - 一种氧气氧化醇制备醛或酮的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种氧气氧化醇制备醛或酮的方法，按5mmol的反应底物计，以1－8mol％的4－羟基－2，2，6，6－四甲基哌啶－氧自由基或其类似化合物、1－8mol％过渡金属硝酸盐为催化剂，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。

Description

一种氧气氧化醇制备醛或酮的方法

技术领域

本发明涉及一种氧气氧化醇制备醛或酮的方法，具体地涉及通过催化氧气氧化醇制备醛或酮的化学反应过程，具体地说是一种利用4-羟基-2，2，6，6-四甲基哌啶-氧自由基(4-OH-TEMPO)作为催化剂的氧气氧化醇的方法。

背景技术

醇氧化为羰基化合物是有机合成中是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(中国专利申请号200610047845.1和200810010108.3)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)作为主催化剂，亚硝酸钠和过渡金属盐(如三氯化铁)或卤素化合物(如盐酸或氢溴酸)作为助催化剂，在二氯甲烷为反应溶剂中，用低于0.5MPa的氧气或0.1MPa空气为氧化剂，在60-100℃或室温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/NaNO₂/FeCl₃(或HCl)分子氧氧化体系的特征和效果：

(1)仍然需要使用相当昂贵的催化剂TEMPO；

(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；

(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)使用二氯甲烷等卤代烃类溶剂对环境不友好；

(5)卤素化合物的使用在工业化生产可能对设备造成腐蚀。

发明内容

本发明的目的是提供了一种氧气氧化醇制备醛或酮的方法。

本发明提供了一种氧气氧化醇制备醛或酮的方法，在有机溶剂中，以氧气或空气作氧化剂，以4-羟基-2，2，6，6-四甲基哌啶-氧自由基(4-OH-TEMPO)或其类似化合物和过渡金属硝酸盐作为催化剂，氧化醇生成醛或酮；

其中，醇、4-OH-TEMPO或其类似化合物、过渡金属硝酸盐的物质的量之比为100:1-8:1-8；

氧气或空气压力为0.1-0.8MPa；

反应温度为0-80℃；

反应时间为1-36h。

本发明提供的氧气氧化醇制备醛或酮的方法，所述4-羟基-2，2，6，6-四甲基哌啶-氧自由基的类似化合物为2，2，6，6-四甲基哌啶-氧自由基(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。

本发明提供的氧气氧化醇制备醛或酮的方法，所述过渡金属硝酸盐的过渡金属为铁、铜、铬、锰、钴中的一种或多种。

本发明提供的氧气氧化醇制备醛或酮的方法，所述过渡金属硝酸盐的用量为醇的1-8mol％。

本发明提供的氧气氧化醇制备醛或酮的方法，所述氧气或空气压力优选为0.1-0.4MPa。

本发明提供的氧气氧化醇制备醛或酮的方法，所述反应温度优选为10-35℃。

本发明提供的氧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。

本发明提供的氧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。

本发明提供的氧气氧化醇制备醛或酮的方法，按5mmol的反应底物计，1-8mol％的更经济便宜的4-羟基-2，2，6，6-四甲基哌啶-氧自由基(4-OH-TEMPO)或其类似化合物、1-8mol％过渡金属硝酸盐为催化剂，用常压的氧气或空气为氧化剂，在室温下反应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、脂肪或脂环仲醇的氧化反应。

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

反应在装有磁子的具有Teflon衬里的316L不锈钢釜(300mL)中进行，釜中的空气在反应前未经氧气置换。先将10mL二氯甲烷加入到高压釜中，再将10.0mmol苯甲醇和0.1mmolTEMPO加入到10mL溶剂中，然后再加入0.15mmol硝酸铁[Fe(NO₃)₃·9H₂O]，密封。将釜充压至0.1MPa，转移到已预先升至80℃的油浴中，反应到一定相应时间后停止搅拌，降温，小心地放压。取样进行气相色谱分析后，将釜中的液体转移到分液漏斗中，然后仔细地用二氯甲烷洗釜，合并有机溶液。用饱和的Na₂S₂O₃的水溶液洗涤有机相，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分析纯度为99％以上。含量测定采用Agilent 6890N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3min。对比与标准化合物的气相色谱保留时间，GC-MS和¹H NMR、¹³C NMR来确证产物。

实施例2

所用过渡金属盐为硝酸铜[Cu(NO₃)₂·2.5H₂O]，试验方法和步骤同实施例1，反应温度为80℃，反应时间为1h，收率94％。

实施例3

所用过渡金属盐为硝酸铬[Cr(NO₃)₃·9H₂O]，试验方法和步骤同实施例1，反应温度为80℃，反应时间为1h，收率92％。

实施例4

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 4-OH-TEMPO加入到圆底烧瓶中，再加入8mL乙腈作反应溶剂，然后再加入0.15mmol硝酸铁[Fe(NO₃)₃·9H₂O]，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，将反应液体转移到分液漏斗中，然后仔细地用乙酸乙酯洗烧瓶，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4-OH-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。

实施例5

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

实施例6

试验方法和步骤同实施例5，所用的催化剂是4-OH-TEMPO，但其用量增至0.25mmol，而Fe(NO₃)₃·9H₂O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11h，苯甲醛收率96％，含量≥99％。

实施例7

试验方法和步骤同实施例5，但所用的溶剂是冰乙酸，反应时间为10h，苯甲醛收率93％，含量≥99％。

实施例8

试验方法和步骤同实施例5，但所用的催化剂是TEMPO，反应时间为15h，苯甲醛收率95％，含量≥99％。

实施例9-29

试验方法和步骤同实施例5，用不同的醇(5.0mmol)作为反应底物，在8mL乙腈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，然后仔细地用乙酸乙酯洗烧瓶，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4-OH-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1。

表1

[a]方法A：4-OH-TEMPO(3mol％)，Fe(NO₃)₃(5mol％)；方法B：4-OH-TEMPO(5mol％)，Fe(NO₃)₃(5mol％)；方法C：4·OH-TEMPO(8mol％)，Fe(NO₃)₃(8mol％)。[b]反应结束后PhSMe未发生氧化。[c]加入2等量的冰乙酸。[d]改用冰乙酸作为反应溶剂。

如表1所示，所有的苯甲醇类化合物都可高选择性、高收率地得到相应的取代苯甲醛(实施例9-18)。苯甲醇类化合物的苯环上的供电子基能促进反应；而吸电子基则明显抑制反应，需要增加4-OH-TEMPO的用量并延长反应时间才能使底物完全转化。此外，各种活泼芳香仲醇也可得到高选择性和几乎定量收率的相应的芳香酮(实施例19-21)。但对于脂肪醇而言，反应速度显著降低，需要增加催化剂用量和延长反应时间；脂肪仲醇2-辛醇和环己醇则可高选择性地完全转化成酮(实施例22-23)。

由于有与过渡金属较强的配位能力，糠醇、4-甲硫基苯甲醇和2-噻吩甲醇被认为是难以被常见的过渡金属所催化氧化，而在本催化体系作用下均可顺利地高收率地得到相应的醛(实施例24-26)。对于苯甲醇/苯甲硫醚的混合物(实施例27)，尽管同时存在硫醚和羟基两种易氧化的官能团，但反应仍不受硫醚官能团的影响，而高选择性地将羟基氧化成羰基，而苯甲硫醚不被氧化。这也说明，通常不适用于过渡金属催化氧化的硫醚官能团，并没有对本氧化反应造成有害的影响。而对于3-吡啶甲醇，由于Fe(NO₃)₃会被具有碱性的吡啶环部分中和，即使加入2化学计量冰乙酸中和其碱性，采用方法B室温下反应24h转化仍很慢；而改用冰乙酸为溶剂反应11h，则可100％选择性地完全转化(实施例29)。此外，肉桂醇也可选择性地完全转化且C＝C双键不受影响(实施例29)。

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 (8)

1.一种氧气氧化醇制备醛或酮的方法，其特征在于：在有机溶剂中，以氧气或空气作氧化剂，以4-羟基-2，2，6，6-四甲基哌啶-氧自由基或其类似化合物和过渡金属硝酸盐作为催化剂，氧化醇生成醛或酮；

其中，醇、4-OH-TEMPO或其类似化合物、过渡金属硝酸盐的物质的量之比为100:1-8:1-8；

氧气或空气压力为0.1-0.8MPa；

反应温度为0-80℃；

反应时间为1-36h。

2.按照权利要求1所述氧气氧化醇制备醛或酮的方法，其特征在于：所述4-羟基-2，2，6，6-四甲基哌啶-氧自由基的类似化合物为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。

3.按照权利要求1所述氧气氧化醇制备醛或酮的方法，其特征在于：所述过渡金属硝酸盐的过渡金属为铁、铜、铬、锰、钴中的一种或多种。

4.按照权利要求1所述氧气氧化醇制备醛或酮的方法，其特征在于：所述过渡金属硝酸盐的量为醇的1-8mol％。

5.按照权利要求1所述氧气氧化醇制备醛或酮的方法，其特征在于：所述氧气或空气压力为0.1-04MPa。

6.按照权利要求1所述氧气氧化醇制备醛或酮的方法，其特征在于：所述反应温度为10-35℃。

7.按照权利要求1所述氧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。

8.按照权利要求1所述氧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：

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。