CN110818671A - 内酯类化合物的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种内酯类化合物的制备方法，在有机氮氧自由基前体、醇和Sn基催化剂的存在下，利用分子态氧对下述式(1)表示的酮进行氧化，从而得到下述式(2)表示的化合物，所述有机氮氧自由基前体为具有下述式(Ⅰ)表示的骨架的含氮环状化合物，其中，

式(1)中，R^a、R^b相同或不同，R^a和R^b相互键合并与相邻的羰基碳原子一起成环；式(I)中，R表示羟基的保护基团或氢原子；

式(2)中，R^a、R^b相同或不同，R^a和R^b相互键合并与相邻的羰基碳原子和氧原子一起成环。

Description

内酯类化合物的制备方法

技术领域

本发明涉及有机化学合成技术领域，具体涉及一种内酯类化合物的制备方法。

背景技术

内酯类化合物是指氧化取代或非取代环酮类化合物生成相应的化合物，其中以ε-己内酯应用最为广泛。ε-己内酯是一种重要的化工中间体，主要用于生产聚己内酯，也可与其他酯类共聚或共混改性合成高分子聚合物。聚己内酯因具有优良的生物兼容性和可降解性，以及良好的渗药性，在医疗材料领域具有广泛的应用。聚己内酯具有良好的热塑性、成型加工性和环保性，随着环保要求的提高，聚己内酯还有望代替现有普通塑料，在一次性包装材料和地膜领域具有巨大的市场潜力。

目前，有机过氧酸(如过氧乙酸、三氟过氧乙酸、过氧苯甲酸和间氯过氧苯甲酸等)和环己酮发生Beayer-Villiger氧化反应合成ε-己内酯仍是最主要的方法，但是这种传统的工艺使用的过氧酸是不稳定的，安全控制难度大，过氧酸原子利用率不高，会产生等物质的量的有机废酸，严重污染环境。近年来，以氧气或过氧化氢为氧化剂，氧化环己酮合成ε-己内酯的方法成为国内外研究热点。

氧气作为环己酮Baeyer-Villiger反应的氧化剂具有安全、副产物少、廉价易得、对环境污染小等优点，但氧气氧化能力弱，反应过程中要加入醛类作为共氧化剂，氧气氧化醛生成过氧酸，过氧酸再氧化酮合成酯。最常使用的共氧化剂为苯甲醛，然而苯甲醛利用效率有限(一般需要2～3当量的苯甲醛)，且苯甲醛价格较高，在反应过程中转变为廉价的苯甲酸，价值降低，导致经济成本过高。此外，苯甲酸与ε-己内酯沸点接近，分离难度大。

Fukuda(Tetrahedron Letters,2001,42,3479–3481)等人报道了以环己醇与环己酮的混合物(KA油)为原料合成ε-己内酯，先以分子氧为氧化剂，N-羟基邻苯二甲酰亚胺(NHPI)和偶氮二异丁腈(AIBN)为催化剂，氧化环己醇生成环己酮和1-羟基-1-过氧环己烷，然后以InCl₃为催化剂催化氧化环己酮生成ε-己内酯，环己醇的转化率为80％，ε-己内酯的选择性(基于环己醇的转化量)为33.3％，环己酮的选择性(基于环己醇的转化量)为41.7％。KA油来自于环己烷空气氧化，原料成本低，但是ε-己内酯的选择性较低，反应过程中环己酮和过氧化氢产生较多二环己基过氧化物，如1-羟基-1＇-氢化过氧二环己基过氧化物、1,1＇-二羟基二环己基过氧化物、7,8,15,16-四氧杂二螺[5.2.5.2]十六烷等。这些二环己基过氧化物也可用PPh₃处理使其转变成环己醇和环己酮，但同时也增加了生产成本。此外，InCl₃价格贵且不能回收利用。

Kamae(Bull.Chem.Soc.Jpn.2009,82,7:891–895)等人报道了在1,1,1,3,3,3-六氟异丙醇(HFIP)和/或对甲苯磺酸(p-TsOH)中，二环己基过氧化物可转变成己内酯。专利WO2008108072公开报道了在NHPI存在下，利用分子氧对环己醇进行氧化，然后利用HFIP进行处理得到ε-己内酯。在氧气气氛中对60mmol环己醇、120mmol环己酮、6mmol NHPI、3mmolAIBN和30ml HFIP的混合物搅拌20小时，反应温度348K，环己醇的转化率为8.3％，环己酮的转化率为33.6％，己内酯的选择性(基于环己酮的转化量)为71.4％。Du(MolecularCatalysis2019,467,24-2)等人报道了以HFIP为溶剂，NHPI和硝酸铈铵催化氧气氧化KA油生成己内酯，HFIP有利于ε-己内酯合成，但是环己醇的转化率低，HFIP用量大(HFIP用量是环己酮的30倍)，价格昂贵，工艺成本高，不利于实现工业化生产。

过氧化氢作为绿色氧化剂，反应后副产物只有水，对环境友好，因此越来越受到重视。专利US 6,531,615公开报道了以HMS-C-SbF₃为催化剂，70wt％H₂O₂为氧化剂，催化环己酮合成ε-己内酯，反应温度为343K，ε-己内酯的收率为40.3％。使用高浓度过氧化氢存在腐蚀和爆炸的安全隐患，从工业安全生产的角度来看，以低浓度过氧化氢为氧化剂是一种理想选择，但低浓度过氧化氢氧化能力较弱，需要借助高效的催化剂。

Corma(Nature,2001,412,423–425)等人报道了在含氟体系中水热合成出Sn-beta分子筛，并用于催化H₂O₂和环己酮发生Baeyer-Villiger反应合成ε-己内酯，在反应温度为90℃，反应3h，35wt％H₂O₂(1.5equiv)，环己酮的转化率达到52％，ε-己内酯的选择性大于98％。Sn-beta分子筛骨架中的四配位Sn原子能够接受电子对，形成Lewis酸中心，能够与羰基中孤对电子结合，从而表现出优异的催化活性。但由于过氧化氢水溶液本身带入的水以及反应生成的水，使得反应体系中含有较多水，容易使不稳定的ε-己内酯发生水解，特别是在高浓度过氧化氢存在时，将促进这种水解反应，导致ε-己内酯收率较低。此外，过氧化氢溶液用量较多，过氧化氢利用率较低，增大了生产成本。因此如何降低反应体系中的水含量，提高过氧化氢利用率和ε-己内酯的选择性和收率，对于开发安全绿色高效的ε-己内酯合成技术具有重要意义。

发明内容

基于此，有必要针对如何降低反应体系中的水含量过高，ε-己内酯易发生水解而导致其收率较低的问题，提供一种内酯类化合物的制备方法。

本发明提供一种内酯类化合物的制备方法，在有机氮氧自由基前体、自由基引发剂、醇和Sn基催化剂的存在下，利用分子态氧对下述式(1)表示的酮进行氧化反应，从而得到下述式(2)表示的化合物，所述有机氮氧自由基前体为具有下述式(Ⅰ)表示的骨架的含氮环状化合物，其中，

式(1)中，R^a、R^b相同或不同，表示在与相邻的羰基碳原子键合部位具有碳原子的有机基团，R^a、R^b独立地选自烷基、链烯基、炔基、脂环式烃基、芳香族烃基或杂环基团，R^a和R^b相互键合并与相邻的羰基碳原子一起成环；

式(I)中，R表示羟基的保护基团或氢原子；

式(2)中，R^a、R^b相同或不同，表示在与相邻的羰基碳原子键合部位具有碳原子的有机基团，R^a、R^b独立地选自烷基、链烯基、炔基、脂环式烃基、芳香族烃基或杂环基团，R^a和R^b相互键合并与相邻的羰基碳原子和氧原子一起成环。

在其中一个实施例中，所述醇为下述式(3)表示的仲醇，

式(3)中，R^c、R^d相同或不同，表示在与相邻的羟基碳原子的键合部位具有碳原子的有机基团，R^c、R^d独立地选自烷基、链烯基、炔基、脂环式烃基、芳香族烃基或杂环基团，或者R^c和R^d相互键合并与相邻的羟基碳原子一起成环。

在其中一个实施例中，所述醇为二苯甲醇、2-金刚烷醇、环己醇、2-甲基环己醇、1-苯乙醇中的至少一种。

在其中一个实施例中，所述酮为2-金刚烷酮、环己酮、环戊酮、2-甲基环己酮、3-甲基环己酮、2-降冰片酮中的至少一种。

在其中一个实施例中，所述酮与所述醇的摩尔比为(0.5～4)：1。

在其中一个实施例中，所述有机氮氧自由基前体选自如下式(I-1)、(I-2)、(I-3)或(I-4)所示的含氮环状化合物，

式(I-1)、(I-2)、(I-3)或(I-4)中，R1、R2、R3独立地选自氢原子、烷基、环烷基、芳香基、杂环、羟基、硝基或卤素，或者R1、R2、R3至少两个成环。

在其中一个实施例中，所述有机氮氧自由基前体选自如下式(a)～(l)所示的含氮环状化合物中的至少一种

在其中一个实施例中，所述有机氮氧自由基前体选自式(a)所示的N-羟基丁二酰亚胺、式(d)所示N-羟基邻苯二甲酰亚胺、式(i)所示2-羟基异喹啉-1,3(2H,4H)-二酮、式(k)所示N-羟基-1,8-萘二甲酰亚胺、式(l)所示N-羟基5-降冰片烯-2,3-二甲酰亚胺中的至少一种。

在其中一个实施例中，所述自由基引发剂为偶氮二异丁腈、偶氮二异戊腈、偶氮二异庚腈、偶氮二异丁酸二甲酯中的至少一种。

在其中一个实施例中，所述自由基引发剂和所述有机氮氧自由基前体的摩尔比为(0.2～1):1。

在其中一个实施例中，所述Sn基催化剂为Sn基含氟双相体系催化剂、Sn基分子筛、Sn基介孔复合物、Sn基粘土、Sn基金属氧化物及Sn基聚合物催化剂中的至少一种。优选的，所述Sn基催化剂为Sn基分子筛。

在其中一个实施例中，所述有机氮氧自由基前体与所述醇的摩尔比为(0.05～0.3):1。

在其中一个实施例中，Sn基催化剂的用量为0.2mol％～1.0mol％所述醇，中所述Sn基催化剂的用量以Sn的摩尔百分含量计算。

其中一个实施例中，所述氧化反应在有机溶剂作为溶剂的反应体系下进行。

在其中一个实施例中，所述有机溶剂为1,4-二氧六环、甲基叔丁基醚、乙酸乙酯、乙酸丁酯、乙酸异丙酯、氯苯、苯甲酸甲酯中的至少一种。

在其中一个实施例中，所述有机溶剂与所述醇的用量比为(1～4)g/mmol。

在其中一个实施例中，所述氧化反应的温度为60℃～85℃，反应时间为4h～24h。

本发明还提供一种内酯类化合物的制备方法，在上述的有机氮氧自由基前体、Sn基催化剂以及自由基引发剂的存在下，利用分子态氧对下述式(4)表示的环醇进行氧化，从而得到下述式(5)表示的化合物，所述有机氮氧自由基前体为具有下式(Ⅰ)表示的骨架的含氮环状化合物，其中，

式(4)中，R^e、R^f相同或不同，表示在与相邻的羟基碳原子键合部位具有碳原子的有机基团，R^e、R^f独立地选自烷基、链烯基、炔基、脂环式烃基、芳香族烃基或杂环基团，R^e和R^f相互键合并与相邻的羟基碳原子一起成环，R^e和R^f相互键合并与相邻的羟基碳原子一起成环；

式(I)中，X表示氧原子或-OR基，其中R表示羟基的保护基团或氢原子；

式(5)中，R^e、R^f相同或不同，R^e和R^f相互键合并与相邻的羰基碳原子和氧原子一起成环。

在其中一个实施例中，在酮的存在下对式(4)表示的环醇进行氧化。

在其中一个实施例中，所述酮与所述环醇的摩尔比为(0.5～4)：1。

本发明与现有技术相比具有以下主要优点：

(1)本发明采用一锅法将分子态氧氧化仲醇产生的原位过氧化氢用于Sn基催化剂催化氧化环酮合成内酯，实现了过氧化氢原位合成与环酮Baeyer-Villiger氧化反应的联合，工艺简便，可操作性强。

(2)本发明中原料易得且成本低，副产物为具有工业应用价值的酮，提高了制备过程的经济可行性。

(3)本发明采用原位合成过氧化氢的方法，降低了反应体系中水含量，减少内酯水解，提高了内酯的选择性和收率。

(4)过氧化氢存在爆炸和腐蚀的安全风险，以及储存和运输困难等问题，本发明原位合成过氧化氢避免了过氧化氢的储存和运输，更加安全可靠，具备良好的工业应用前景。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下通过实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例提供两种内酯类化合物的制备方法，在第一种内酯类化合物的制备方法中，在有机氮氧自由基前体、自由基引发剂、醇和Sn基催化剂的存在下，利用分子态氧对下述式(1)表示的酮进行氧化，从而得到下述式(2)表示的化合物，所述有机氮氧自由基前体为具有下述式(Ⅰ)表示的骨架的含氮环状化合物，其中，

式(1)中，R^a、R^b相同或不同，表示在与相邻的羰基碳原子键合部位具有碳原子的有机基团，R^a、R^b可以独立地选自烷基、链烯基、炔基、脂环式烃基、芳香族烃基或杂环基团，R^a和R^b相互键合并与相邻的羰基碳原子一起成环；

式(I)中，R表示羟基的保护基团或氢原子；

式(2)中，R^a、R^b相同或不同，表示在与相邻的羰基碳原子键合部位具有碳原子的有机基团，R^a、R^b可以独立地选自烷基、链烯基、炔基、脂环式烃基、芳香族烃基或杂环基团，R^a和R^b相互键合并与相邻的羰基碳原子和氧原子一起成环。

本发明的第一种制备方法，采用一锅法将有机氮氧自由基前体、自由基引发剂、醇、Sn基催化剂和环酮混合，在分子态氧的氧化作用下，有机氮氧自由基前体、自由基引发剂和醇相互作用原位生成H₂O₂，环酮在原位生成的H₂O₂和Sn基催化剂的作用下氧化生成相应的内酯，实现了过氧化氢原位合成与环酮Baeyer-Villiger氧化反应的联合。通过原位生成的过氧化氢催化氧化环酮，降低了反应体系中的水含量，减少了内酯类化合物的水解，从而提高了产物内酯的选择性和收率。

本发明中式(1)表示的酮中，R^a和R^b相互键合并与相邻的羰基碳原子一起形成的环包括：3～20元(优选3～15元，更优选3～12元)左右的脂环式烃环(环烷烃环或环烯烃环)，例如环丙烷、环丁烷、环戊烷、环戊烯、环己烯、环辛烷、环十二烷等；2～4环左右的桥环式烃环或桥环式杂环，例如降冰片烷环、降冰片烯环、金刚烷等；5～8元左右的非芳香性杂环，例如四氢呋喃、吡咯烷、哌啶等。

R^a和R^b相互键合并与相邻的羰基碳原子一起形成的环还具有任选的取代基，例如卤素原子、烷基、链烯基、炔基、羟基、烷氧基、酰氧基、羧基、取代或未取代氨基、脂环式烃基、芳香族烃基、杂环基团等。另外，R^a和R^b相互键合并与相邻的羰基碳原子一起形成的环上还可以缩合有芳香性或非芳香性的环(烃环或杂环)。环上的取代优选2、3、4位取代。

优选的，本发明中酮为2-金刚烷酮、环己酮、环戊酮、2-甲基环己酮、3-甲基环己酮、2-降冰片酮中的至少一种。

第一种内酯类化合物的制备方法中，醇可以为式(3)表示的仲醇，R^c、R^d所表示的“在与相邻的羟基碳原子的键合部位具有碳原子的有机基团”包括烃基和杂环基团。作为烃基，可以为各种碳链长度的直链或支链取代的烃基，优选包括碳原子数1～20(优选碳原子数1～15，更优选碳原子数1～10)左右的脂肪族烃基(包括烷基、链烯基或炔基)的脂肪族烃基、环丙基、环丁基、环戊基、环戊烯基、环己基、环己烯基、环辛基、环十二烷基等3～20元(优选3～15元、更优选5～8元)左右的脂环式烃基(环烷基或环烯基)、苯基、萘基、蒽基、菲基、芴基等碳原子数6～18左右的芳香族烃基等。作为杂环基团，可以包括含氧杂环、含硫杂环、含氮杂环，例如四氢呋喃、噻吩、噻唑、吡咯、吡咯烷、哌啶、吡唑、喹唑啉、哌啶、恶唑等。

R^c和R^d相互键合并与相邻的羟基碳原子一起形成的环包括：3～20元(优选3～15元，更优选3～12元)左右的脂环式烃环(环烷烃环或环烯烃环)，例如环丙烷、环丁烷、环戊烷、环戊烯、环己烯、环辛烷、环十二烷等；2～4环左右的桥环式烃环或桥环式杂环，例如降冰片烷环、降冰片烯环、金刚烷等；5～8元左右的非芳香性杂环，例如四氢呋喃、吡咯烷、哌啶等。

上述有机基团以及R^c和R^d相互键合并与相邻的羟基碳原子一起形成的环还具有任选的取代基，例如卤素原子、烷基、链烯基、炔基、羟基、烷氧基、酰氧基、羧基、取代或未取代氨基、脂环式烃基、芳香族烃基、杂环基团等。另外，上述环上还可以缩合有芳香性或非芳香性的环(烃环或杂环)。环上的取代优选2、3、4位取代。

优选的，第一种内酯类化合物的制备方法中的醇为二苯甲醇、2-金刚烷醇、环己醇、2-甲基环己醇、1-苯乙醇中的至少一种。

本发明中有机氮氧自由基前体使用含式(I)所表示的骨架的含氮环状化合物，在上述内酯类化合物的制备反应体系中作为催化醇氧化原位产生过氧化氢的试剂。在式(I)中，R表示羟基的保护基团或氢原子。R作为羟基的保护基团，可以使用在有机合成领域中通常使用的羟基的保护基团，优选的能够与羟基形成缩醛或半缩醛的基团、从羧酸、磺酸、碳酸、氨基甲酸、硫酸、磷酸、硼酸等酸上除去OH基而得到的基团(酰基、磺酰基、烷氧羰基、氨基甲酰基中的至少一种)等能够通过水解而脱离的水解性保护基团。更优选的，R为氢原子。

优选的，有机氮氧自由基前体选自如下式(I-1)、(I-2)、(I-3)或(I-4)所示的含氮环状化合物，

式(I-1)、(I-2)、(I-3)或(I-4)中，R₁、R₂、R₃独立地选自氢原子、烷基、环烷基、芳香基、杂环、羟基、硝基或卤素，或者R₁、R₂、R₃至少两个成环。

上述烷基可选自1～8个碳原子的烷基，环烷基可选自3～7个碳原子的烷基，芳香基可选自苯环、吡啶、蒽、吡咯环等，杂环可选自含N、S的五元环或六元环。

当有机氮氧自由基前体为式(I-1)或(I-2)时，取代基R₁和R₂既可独自取代，也可成环。此环可以是饱和环，也可以是不饱和环；此环可以是碳环，也可以碳杂环。

当有机氮氧自由基前体为式(I-3)或(I-4)时，R₁、R₂、R₃可独立取代，也可成环。此环可以是饱和环，也可以是不饱和环。

上述取代基R₁、R₂、R₃仍可进一步被其他官能团取代，可以是烷基、环烷基、芳香基、杂环、羟基、硝基、卤素、氢原子。

更优选的，有机氮氧自由基前体选自如下式(a)～(l)所示的含氮环状化合物中的至少一种，

进一步优选，有机氮氧自由基前体选自式(a)所示的N-羟基丁二酰亚胺(NHS)、式(d)所示N-羟基邻苯二甲酰亚胺(NHPI)、式(i)所示2-羟基异喹啉-1,3(2H,4H)-二酮(HQD)、式(l)所示N-羟基5-降冰片烯-2,3-二甲酰亚胺(HONB)中的至少一种。

上述有机氮氧自由基前体与上述醇的摩尔比为(0.05～0.3):1。

本发明中，自由基引发剂有利于提高有机氮氧自由基前体产生自由基，从而能提高醇的转化率。自由基引发剂可以为偶氮二异丁腈(AIBN)、偶氮二异戊腈(AMBN)、偶氮二异庚腈(ABVN)、偶氮二异丁酸二甲酯(AIBME)中的至少一种。

上述自由基引发剂和上述有机氮氧自由基前体的摩尔比为(0.2～1):1。

本发明中Sn基催化剂可以为均相催化剂材料(Sn基含氟双相体系催化剂)，Sn基异相催化剂材料(Sn基分子筛、Sn基介孔复合物、Sn基粘土、Sn基金属氧化物、Sn基聚合物催化剂等)。优选的，Sn基催化剂为Sn-beta分子筛。

Sn-beta分子筛中的Sn的含量可以进行适当改变，当Sn的含量发生变化后，Sn-beta分子筛的用量也可相应改变。上述Sn-beta分子筛的用量(以Sn的含量计算)为上述醇的0.2mol％～1.0mol％。

进一步地，本发明内酯类化合物的制备方法中，还加入有机溶剂，具体的将有机氮氧自由基前体、自由基引发剂、醇、Sn基催化剂和酮与有机溶剂混合后，在含氧气氛下进行氧化反应。

上述有机溶剂可以为1,4-二氧六环、甲基叔丁基醚、乙酸乙酯、乙酸丁酯、乙酸异丙酯、氯苯、苯甲酸甲酯中的至少一种。优选为1,4-二氧六环、乙酸异丙酯、苯甲酸甲酯，最优选为1,4-二氧六环。

上述有机溶剂的用量比为1g/mmol～4g/mmol上述醇。

本发明中，对分子态氧没有明显限制，可以为纯氧、富氧空气、空气，也可以是氮气、氦气、氩气等非活性气体的一种或多种稀释后的氧气。优选的，所述分子态氧为纯氧、5％氧气和95％氮气混合气。

上述氧化反应压力可以为常压至高压，压力越高，副产物越多，内酯类化合物分解也越多，优选反应压力为0.1MPa～0.5MPa，更优选常压。

上述氧化反应温度为60℃～85℃。反应温度对氧化反应有很大的影响，温度越高，转化率越高，然而更高的温度也将增加副反应的产生并降低内酯类化合物的选择性，并且高温可能导致Sn基催化剂失活。

上述氧化反应时间优选为4h～24h。

上述氧化反应可以在氧气存在下或氧气的流通下进行，通过间歇式、半间歇式、连续式等通常使用的方法进行。可使用循环反应器、鼓泡反应器等反应器。

上述氧化反应结束后产物后处理步骤可以包括分离提纯内酯类化合物和副产物酮以及回收催化剂。具体的，反应完全的混合溶液冷却至室温，蒸馏出溶剂，然后将其余的反应液经过精馏分离出内酯类化合物和副产物酮，并回收Sn-beta分子筛，Sn-beta分子筛经洗涤、烘干后可多次重复使用。

本发明还提供第二种内酯类化合物的制备方法，该制备方法在有机氮氧自由基前体、自由基引发剂和Sn基催化剂的存在下，利用分子态氧对下述式(4)表示的环醇进行氧化，从而得到下述式(5)表示的化合物，有机氮氧自由基前体为具有下式(Ⅰ)表示的骨架的含氮环状化合物，其中，

式(4)中，R^e、R^f相同或不同，表示在与相邻的羟基碳原子键合部位具有碳原子的有机基团，R^e、R^f独立地选自烷基、链烯基、炔基、脂环式烃基、芳香族烃基或杂环基团，R^e和R^f相互键合并与相邻的羟基碳原子一起成环，R^e和R^f相互键合并与相邻的羟基碳原子一起成环；

式(I)中，X表示氧原子或-OR基，其中R表示羟基的保护基团或氢原子；

式(5)中，R^e、R^f相同或不同，R^e和R^f相互键合并与相邻的羰基碳原子和氧原子一起成环。

在第二种内酯类化合物的制备方法中环醇在原位合成过氧化氢的同时还生成相应的环酮，该原位生成的环酮在原位生成的过氧化氢以及Sn基催化剂的作用下生产内酯类化合物。

第二种内酯类化合物的制备方法中式(4)表示的环醇中，R^e和R^f相互键合并与相邻的羟基碳原子一起形成的环包括：3～20元(优选3～15元，更优选3～12元)左右的脂环式烃环(环烷烃环或环烯烃环)，例如环丙烷、环丁烷、环戊烷、环戊烯、环己烯、环辛烷、环十二烷等；2～4环左右的桥环式烃环或桥环式杂环，例如降冰片烷环、降冰片烯环、金刚烷等；5～8元左右的非芳香性杂环，例如四氢呋喃、吡咯烷、哌啶等。

R^e和R^f相互键合并与相邻的羟基碳原子一起形成的环还具有任选的取代基，例如卤素原子、烷基、链烯基、炔基、羟基、烷氧基、酰氧基、羧基、取代或未取代氨基、脂环式烃基、芳香族烃基、杂环基团等。另外，上述环上还可以缩合有芳香性或非芳香性的环(烃环或杂环)。环上的取代优选2、3、4位取代。

优选的，第二种内酯类化合物中环醇为2-金刚烷醇、环己醇、2-甲基环己醇中的至少一种。

第二种内酯类化合物的制备方法，优选在酮的存在下对式(4)表示的环醇进行氧化。该酮，可对应上述式(1)所表示的环酮。在优选的实施例中，该酮使用对应与式(4)表示的环醇的环酮。例如，使用环己醇进行氧化时，使用环己酮。

上述酮与上述环醇的摩尔比为(0.5～4)：1。

下面结合具体实施例对本发明进行进一步表述，但本发明的保护范围并不仅限于实施例表述的。

下述实施例中，醇的转化率、酮的选择性和内酯的选择性通过气相色谱分析测得，气相色谱仪为Agilent 7820A(Agilent DB-35ms column,30m×0.32mm×0.25μm；FIDdetector)，检测方法采用内标法，以萘为内标物。

以醇为基准的醇的转化率(C)、酮的选择性(S_ketone)、酯的选择性(S1_lactone)、酯的收率(Y_lactone)；以酮为基准的酮的转化率(C_ketone)和酯的选择性(S2_lactone)；H₂O₂利用率(U)分别通过下列式子计算：

Sn-beta分子筛制备方法为：采用脱铝-补杂的方法制备Sn-beta分子筛,参考文献(ACS Catalysis,2014,4,8,2801-2810)。称取2g Al-Beta分子筛(厂家为南开大学催化剂厂，SiO₂与Al₂O₃摩尔比为25)加入到盛有54g硝酸溶液(硝酸溶液浓度为13mol/L)的圆底烧瓶中，100℃加热回流20小时。过滤，并用蒸馏水洗至中性，然后在鼓风烘箱110℃干燥12小时，得到脱铝Beta分子筛。然后称取适量0.0733g二甲基二氯化锡加入到1.0g脱铝Beta分子筛中(ICP-AES检测制备得到的Sn-beta分子筛中Sn质量百分含量为3.5wt％)，玛瑙研钵研磨20分钟，最后在马弗炉中550℃焙烧4小时，得到Sn-beta分子筛。Sn-beta分子筛中的Sn的质量百分含量可以进行需要进行改变，当Sn的含量发生变化后，以下实施例中Sn-beta分子筛的用量也相应改变。Sn-beta分子筛的用量以Sn的质量百分含量为基准。

Sn-Y、Sn-MCM-41和Sn-USY分子筛的制备方法和Sn-beta分子筛制备方法相同，原料HY分子筛(SiO₂与Al₂O₃摩尔比为5.1)、MCM-41(SiO₂与Al₂O₃摩尔比为25)和H-USY(SiO₂与Al₂O₃摩尔比为5.4)的生产厂家均为南开大学催化剂厂。

实施例1

在连接有O₂气球的25ml三口瓶中，加入环己醇2mmol，加入1,4-二氧六环4g，NHPI为0.4mmol，AIBN为0.2mmol，环己酮4mmol，Sn的质量百分含量3.5wt％Sn-beta分子筛68mg(Sn的摩尔百分含量约为环己醇的0.63mol％)，搅拌反应12小时，控制反应温度为75℃。反应结束后，将反应液冷却至室温，取样用GC检测，结果如表1所示。

实施例2

在连接有O₂气球的25ml三口瓶中，加入环己醇2mmol，加入1,4-二氧六环4g，NHS为0.4mmol，AIBN为0.2mmol，环己酮4mmol，Sn的质量百分含量3.5wt％Sn-beta分子筛68mg(Sn的摩尔百分含量约为环己醇的0.63mol％)，搅拌反应12小时，控制反应温度为75℃。反应结束后，将反应液冷却至室温，取样用GC检测。

实施例3

在连接有O₂气球的25ml三口瓶中，加入环己醇2mmol，加入1,4-二氧六环4g，HONB为0.4mmol，AIBN为0.2mmol，环己酮4mmol，Sn的质量百分含量3.5wt％Sn-beta分子筛68mg(Sn的摩尔百分含量约为环己醇的0.63mol％)，搅拌反应12小时，控制反应温度为75℃。反应结束后，将反应液冷却至室温，取样用GC检测。

实施例4

在连接有O₂气球的25ml三口瓶中，加入环己醇2mmol，加入1,4-二氧六环4g，NHNI为0.4mmol，AIBN为0.2mmol，环己酮4mmol，Sn的质量百分含量3.5wt％Sn-beta分子筛68mg(Sn的摩尔百分含量约是环己醇的0.63mol％)，搅拌反应12小时，控制反应温度为75℃。反应结束后，将反应液冷却至室温，取样用GC检测。

对比实施例1、2、3、4，结果见下表1，表明NHPI具有更佳的催化氧化效果。

表1

实施例5

在连接有O₂气球的25ml三口瓶中，加入环己醇2mmol，加入1,4-二氧六环4g，NHPI为0.4mmol，AMBN为0.2mmol，环己酮4mmol，Sn的质量百分含量3.5wt％Sn-beta分子筛68mg(Sn的摩尔百分含量约是环己醇的0.63mol％)，搅拌反应12小时，控制反应温度为75℃。反应结束后，将反应液冷却至室温，取样用GC检测。

实施例6

在连接有O₂气球的25ml三口瓶中，加入环己醇2mmol，加入1,4-二氧六环4g，NHPI为0.4mmol，ABVN为0.2mmol，环己酮4mmol，Sn的质量百分含量3.5wt％Sn-beta分子筛68mg(Sn的摩尔百分含量约是环己醇的0.63mol％)，搅拌反应12小时，控制反应温度为75℃。反应结束后，将反应液冷却至室温，取样用GC检测。

实施例7

在连接有O₂气球的25ml三口瓶中，加入环己醇2mmol，加入1,4-二氧六环4g，NHPI为0.4mmol，AIBME为0.2mmol，环己酮4mmol，Sn的质量百分含量3.5wt％Sn-beta分子筛68mg(Sn的摩尔百分含量约是环己醇的0.63mol％)，搅拌反应12小时，控制反应温度为75℃。反应结束后，将反应液冷却至室温，取样用GC检测。

对比实施例1、5、6、7，结果见下表2，表明AIBN具有更佳的催化氧化效果。

表2

实施例8～12

环乙醇、溶剂、环已酮和Sn-beta分子筛的投料摩尔数不变，分别用不同用量的有机氮氧自由基前体和自由基引发剂，重复实施例1，结果见下表3，表3中有机氮氧自由基前体和自由基引发剂用量均以环乙醇的用量为基准。

对比例1

不加入有机氮氧自由基前体和自由基引发剂，重复实施例1，经检测分析，环己醇转化率<1％，无目标产物生成。

对比例2

只加入有机氮氧自由基前体，不加入自由基引发剂，重复实施例1，经检测分析，醇转化率以及己内酯的选择性都非常低。

表3

由实施例1、实施例8和实施例9可看出，当有机氮氧自由基前体的用量不变时，随着自由基引发剂的用量增加，醇转化率升高，说明自由基引发剂用量增加有利于环己醇的氧化，但是当自由基引发剂的用量增加到为环己醇的20％，AIBN/NHPI达到1:1时，环己醇的转化率显著提高，但己内酯的选择性明显降低，环已酮和己内酯两者总选择也低于90％，因此在保证环己酮和己内酯两者总选择性高以及己内酯的选择性尽可能高的前提下，AIBNI和NHPI的用量比为0.5:1时具有较好效果。

由实施例1、实施例10-12可看出，当AIBNI和NHPI的用量比均为0.5:1时，随着NHPI和AIBN用量增加，醇转化率升高，说明NHPI和AIBN用量增加有利于环己醇的氧化，但当NHPI和AIBN用量分别为环己醇的30％和15％时，己内酯的选择性明显降低，环已酮和己内酯两者总选择低于90％，因此在保证环己酮和己内酯两者总选择性高以及己内酯的选择性尽可能高的前提下，NHPI和AIBN用量分别为环己醇的20％和10％时具有最佳的效果。

实施例13～实施例18

环己醇、有机氮氧自由基前体NHPI、自由基引发剂AIBN、溶剂和环已酮的投料摩尔数不变，分别用不同种类和用量的Sn基催化剂重复实施例1，结果见下表4。

对比例3

不加入Sn基催化剂，重复实施例1，经检测分析，环己醇转化率为41％，其中93％转化成的环己酮，只有6％转化成己内酯，说明Sn基催化剂主要参与酮氧化成酯的催化氧化过程，且Sn基催化剂在本发明的反应体系中至关重要。

表4

由实施例1、实施例13-15可看出，Sn-beta分子筛用量增加有利于己内酯选择性的提高，对环己醇的转化没有明显影响。Sn-beta分子筛用量超过68mg时，即Sn:环己醇超过0.63mol％时，己内酯选择性没有明显提升，当Sn-beta用量为68mg，即Sn:环己醇超过0.63mol％时，己内酯选择性较好。实施例16～18可看出，在Sn基催化剂Sn-Y、Sn-MCM-41、Sn-USY以及Sn-beta分子筛中，Sn-beta分子筛的催化效果更优。

实施例19～实施例22

环己醇、有机氮氧自由基前体NHPI、自由基引发剂AIBN、溶剂和Sn-beta分子筛催化剂的投料摩尔数不变，分别用不同用量的环己酮重复实施例1，结果见下表5。

表5

由实施例1、实施例19-22可看出，在氧化过程中，加入适量的环己酮可以提高环己醇的转化率，并且能提高己内酯的选择性，但当环己酮用量过多时会导致环己酮和己内酯的选择性降低。

实施例23～实施例24

分别用乙腈、乙酸异丙酯、苯甲酸甲酯替换1,4-二氧六环，重复实施例1，结果见下表6。

对比例4

用乙腈替换1,4-二氧六环，重复实施例1，经检测分析，环己醇转化率为51％，其中16％转化成的环己酮，只有31％转化成己内酯。

表6

由实施例1、实施例23-24可看出，反应溶剂对己内酯和环己酮的选择性影响较大，相比于乙酸异丙酯、苯甲酸甲酯、1,4-二氧六环作为溶剂，环己酮和己内酯的选择性更高。

实施例25～实施例27

通过调节不同反应温度重复实施例1，结果见下表7所示。

表7

由实施例1、实施例25-27可看出，反应温度对反应有一定影响，反应温度升高有利于提高环己醇的转化率，但当温度达到85℃时，环己酮和己内酯的选择性大幅降低，因此在保证环己酮和己内酯的高选择性(总选择性大于90％)的前提下，反应温度为75℃较好。

实施例28～实施例29

通过调节不同反应时间重复实施例1，结果见下表8所示。

表8

由实施例1、实施例28-29可看出，反应时间对反应也有一定影响，增加反应时间有利于提高环己醇的转化率，但是会导致环己酮和己内酯的选择性降低。

实施例30～实施例31

其他实验条件相同，通过调节溶剂1,4-二氧六环的不同用量重复实施例1，结果见下表9所示。

表9

由实施例1、实施例30-31可看出，溶剂1,4-二氧六环的用量对反应也有一定影响，减少溶剂用量有利于提高环己醇的转化率，但是会导致环己酮和己内酯的选择性降低，而溶剂用量增加，己内酯收率降低。

以下为对比例5-9采用外加H₂O₂(质量分数为30wt％H₂O₂水溶液)进行氧化反应，与实施例1的原位生成H₂O₂的氧化效果进行对比，结果见下表10所示。根据实施例1实验结果，当环己醇转化率为50％，2mmol环己醇氧化反应后大约生成1mmol环己酮和1mmol原位H₂O₂。

对比例5

与实施例1的不同之处在于，不采用原位生成H₂O₂而采用外加H₂O₂进行催化氧化反应。具体的，在连接有O₂气球的25ml三口瓶中，加入环己酮5mmol，1,4-二氧六环4g，Sn-beta分子筛68mg，H₂O₂用量为1mmol，反应温度为75℃，搅拌反应12小时。反应结束后，将反应液冷却至室温，取样用GC检测。

对比例6

在对比例5的反应体系中加入0.4mmol NHPI，并重复对比例5。

对比例7

在对比例5的反应体系中加入0.2mmol AIBN，并重复对比例5。

对比例8

在对比例5的反应体系中加入NHPI为0.4mmol，AIBN为0.2mmol，并重复对比例5。

对比例9

在对比例5的反应体系中加入NHPI为0.4mmol，AIBN为0.2mmol，环己醇2mmol，并重复对比例5。

表10

由实施例1、对比例5-9可看出，在Sn-beta分子筛催化H₂O₂氧化环己酮合成己内酯反应体系中，环己酮转化率相近并且均较低，主要是由于加入的H₂O₂用量低(H₂O₂用量为环己酮的0.2当量)，而加入NHPI有利于提高己内酯的选择性和H₂O₂利用率，加入AIBN有利于提高己内酯选择性，但对H₂O₂利用率没有明显提高。此外，加入环己醇有利于己内酯选择性的提升。

更重要的是，在Sn-beta分子筛催化环己酮合成己内酯反应中，原位H₂O₂比外加H₂O₂(30wt％)的氧化效果更好。

实施例32～实施例37

分别采用不同的醇和酮作为反应物，重复实施例1，结果如表11所示。

表11

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (18)

1.一种内酯类化合物的制备方法，其特征在于，在有机氮氧自由基前体、自由基引发剂、醇和Sn基催化剂的存在下，利用分子态氧对下述式(1)表示的酮进行氧化反应，从而得到下述式(2)表示的化合物，所述有机氮氧自由基前体为具有下述式(Ⅰ)表示的骨架的含氮环状化合物，其中，

式(1)中，R^a、R^b相同或不同，表示在与相邻的羰基碳原子键合部位具有碳原子的有机基团，R^a、R^b独立地选自烷基、链烯基、炔基、脂环式烃基、芳香族烃基或杂环基团，R^a和R^b相互键合并与相邻的羰基碳原子一起成环；

式(I)中，R表示羟基的保护基团或氢原子；

式(2)中，R^a、R^b相同或不同，R^a和R^b相互键合并与相邻的羰基碳原子和氧原子一起成环。

2.根据权利要求1所述的内酯类化合物的制备方法，其特征在于，所述醇为下述式(3)表示的仲醇，

式(3)中，R^c、R^d相同或不同，表示在与相邻的羟基碳原子键合部位具有碳原子的有机基团，R^c、R^d独立地选自烷基、链烯基、炔基、脂环式烃基、芳香族烃基或杂环基团，或者R^c和R^d相互键合并与相邻的羟基碳原子一起成环。

3.根据权利要求1所述的内酯类化合物的制备方法，其特征在于，所述醇为二苯甲醇、2-金刚烷醇、环己醇、2-甲基环己醇、1-苯乙醇中的至少一种。

4.根据权利要求1所述的内酯类化合物的制备方法，其特征在于，所述酮为2-金刚烷酮、环己酮、环戊酮、3-甲基环己酮、2-降冰片酮中的至少一种。

5.根据权利要求1所述的内酯类化合物的制备方法，其特征在于，所述酮与所述醇的摩尔比为(0.5～4)：1。

6.根据权利要求1所述的内酯类化合物的制备方法，其特征在于，所述有机氮氧自由基前体选自如下式(I-1)、(I-2)、(I-3)或(I-4)所示的含氮环状化合物，

式(I-1)、(I-2)、(I-3)或(I-4)中，R₁、R₂、R₃独立地选自氢原子、烷基、环烷基、芳香基、杂环、羟基、硝基或卤素，或者R₁、R₂、R₃至少两个成环。

7.根据权利要求1所述的内酯类化合物的制备方法，其特征在于，所述有机氮氧自由基前体选自如下式(a)～(l)所示的含氮环状化合物中的至少一种，

8.根据权利要求7所述的内酯类化合物的制备方法，其特征在于，所述有机氮氧自由基前体选自式(a)所示的N-羟基丁二酰亚胺、式(d)所示N-羟基邻苯二甲酰亚胺、式(i)所示2-羟基异喹啉-1,3(2H,4H)-二酮、式(k)所示N-羟基-1,8-萘二甲酰亚胺、式(l)所示N-羟基5-降冰片烯-2,3-二甲酰亚胺中的至少一种。

9.根据权利要求1所述的内酯类化合物的制备方法，其特征在于，所述自由基引发剂为偶氮二异丁腈、偶氮二异戊腈、偶氮二异庚腈、偶氮二异丁酸二甲酯中的至少一种。

10.根据权利要求9所述的内酯类化合物的制备方法，其特征在于，所述自由基引发剂和所述有机氮氧自由基前体的摩尔比为(0.2～1):1。

11.根据权利要求1所述的内酯类化合物的制备方法，其特征在于，所述Sn基催化剂为Sn基含氟双相体系催化剂、Sn基分子筛、Sn基介孔复合物、Sn基粘土、Sn基金属氧化物及Sn基聚合物催化剂中的至少一种，优选的，所述Sn基催化剂为Sn-beta分子筛。

12.根据权利要求1所述的内酯类化合物的制备方法，其特征在于，所述有机氮氧自由基前体与所述醇的摩尔比为(0.05～0.3):1。

13.根据权利要求1所述的内酯类化合物的制备方法，其特征在于，所述Sn基催化剂的用量为0.2mol％～1.0mol％所述醇，其中所述Sn基催化剂的用量以Sn的摩尔百分含量计算。

14.根据权利要求1～13任一项所述的内酯类化合物的制备方法，其特征在于，所述氧化反应在有机溶剂作为溶剂的反应体系下进行，所述有机溶剂为1,4-二氧六环、甲基叔丁基醚、乙酸乙酯、乙酸丁酯、乙酸异丙酯、氯苯、苯甲酸甲酯中的至少一种。

15.根据权利要求14所述的内酯类化合物的制备方法，其特征在于，所述有机溶剂用量为1g/mmol～4g/mmol所述醇。

16.根据权利要求14所述的内酯类化合物的制备方法，其特征在于，所述氧化反应的温度为60℃～85℃，反应时间为4h～24h。

17.一种内酯类化合物的制备方法，其特征在于，在权利要求1～16任一项中所定义的有机氮氧自由基前体、Sn基催化剂以及自由基引发剂的存在下，利用分子态氧对下述式(4)表示的环醇进行氧化，从而得到下述式(5)表示的化合物，所述有机氮氧自由基前体为具有下式(Ⅰ)表示的骨架的含氮环状化合物，其中，

式(4)中，R^e、R^f相同或不同，表示在与相邻的羟基碳原子键合部位具有碳原子的有机基团，R^e、R^f独立地选自烷基、链烯基、炔基、脂环式烃基、芳香族烃基或杂环基团，R^e和R^f相互键合并与相邻的羟基碳原子一起成环；

式(I)中，X表示氧原子或-OR基，其中R表示羟基的保护基团或氢原子；

式(5)中，R^e、R^f相同或不同，R^e和R^f相互键合并与相邻的羰基碳原子和氧原子一起成环。

18.根据权利要求17所述的内酯类化合物的制备方法，其特征在于，在酮的存在下对式(4)表示的环醇进行氧化。