專利名稱：：一種催化空氣氧化醇制備醛或酮的方法
技術領域：
：本發明涉及一種制備醛或酮的方法，具體地涉及一種不含過渡金屬催化劑、以氧氣或空氣為氧化劑把醇氧化成醛或酮的新方法。
背景技術：
：醇氧化為羰基化合物是有機合成中最重要的單元反應之一，該反應大量應用于精細化學品和有機中間體的合成中文獻1.Hudlieky，M.;OxidationsinOrganicChemistry.Washington,DC:ACS,1990。這類反應傳統上采用化學計量的氧化劑，例如氧化鉻文獻2.Muzart，J.Chem.Rev.,1992，92，113—140.、氧化錳文獻3.Regen，S.L.;Koteel,C.J.Am.Chem.Soc.，1977，99，3837—3838.、氧化釕文獻4.:Griffith，W.P.Chem.Soc.Rev"1992,21，179—185、Dess-Martin試劑文獻5.Dess，D.B.;Martin,J.C.J.Org.Chem.，1983，48，41554156等氧化劑。傳統方法，一方面需要使用大量重金屬試劑，增加了原料成本；另一方面，反應過程產生的大量廢棄物嚴重污染了環境。當今日益突出的環境污染也是一個令人棘手的問題，所以如何解決這些問題越來越受到人們的重視。因此無論從經濟的角度，還是從保護環境和可持續發展的觀點來看，迫切需要發展高效清潔的綠色的氧氣氧化方法。在前期研究(中國專利申請號200410003791.X和200410098936.9)中，成功開發了以催化量的2，2，6，6-四甲基哌啶-氧自由基(TEMPO)作為催化劑，亞硝酸鈉分別和溴(碘)或活性溴(如1，3-二溴-5，5-二甲基海因(DBDMH)、N-溴代丁二酰亞胺(NBS)或三溴吡啶鹽等)組合作為助催化劑，以二氯甲垸或水作反應溶劑，用低于0.5MPa的氧氣或低于1.0MPa空氣為氧化劑，在60-10(TC下可以高選擇性地把一系列醇氧化成醛或酮的工藝。然而從上述專利申請中所給出的實施例可以看出，所使用的TEMPO/Br2(或活性溴)/NaN02催化分子氧的氧化體系的特征和效果(1)催化劑用量比以前報道的方法少，只為底物醇的1%;(2)可高選擇性地氧化芳香芐醇、雜芳香甲醇、脂肪或脂環仲醇成相應醛或酮，但對氧化脂肪伯醇的選擇性中等；(3)需要采用高壓釜和油浴的加熱方式，操作繁瑣，使得氧化體系放大至工業化制備過程中可能存在爆炸的風險；(4)產物分離方便；(5)鹵素溴或活性溴的使用不方便、不安全。
發明內容本發明的目的是提供了一種催化空氣氧化醇制備醛或酮的方法。本發明提供了一種催化空氣氧化醇制備醛或酮的方法，在有機溶劑中，以氧氣或空氣為氧化劑，以2，2，6，6-四甲基哌啶-氧自由基(TEMPO)或其衍生物、含鹵化合物、亞硝酸鹽或亞硝酸酯為催化劑，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、含鹵化合物、亞硝酸鹽或亞硝酸酯的物質的量之比為100:1-8:4-20:4-10;氧氣或空氣的壓力為0.1-0.8MPa;反應溫度為0-80°C;反應時間為1-36小時。本發明提供的催化空氣氧化醇制備醛或酮的方法，所述2，2，6，6-四甲基哌啶-氧自由基衍生物為4-羥基-2，2，6，6-四甲基哌啶-氧自由基(4-OH-TEMPO)、4-苯甲酰氧基-2，2，6，6-四甲基哌淀-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)中至少一種。本發明提供的催化空氣氧化醇制備醛或酮的方法，所述含鹵化合物為游離的鹵素、氫鹵酸水溶液、鹵化試劑、鹵代鹽和酸原位生成的氫鹵酸中至少一種。本發明提供的催化空氣氧化醇制備醛或酮的方法，所述亞硝酸鹽為亞硝酸鈉或亞硝酸鉀。本發明提供的催化空氣氧化醇制備醛或酮的方法，所述亞硝酸酯為亞硝酸烷基酯。本發明提供的催化空氣氧化醇制備醛或酮的方法，所述有機溶劑為苯、甲苯、氯苯、氟苯、三氟甲基苯、二氯甲烷、二氯乙垸、氯仿、四氯化碳、乙腈、乙酸、乙酸乙酯、a，(x，a-三氟乙醇中至少一種。本發明提供的催化空氣氧化醇制備醛或酮的方法，所述醇具有如下的結構其中&為含有各種取代的雜環或非雜環的芳香基或者脂肪基；R2為氫或垸烴基。本發明提供的催化空氣氧化醇制備醛或酮的方法，所述含鹵化合物為鹽酸或氫溴酸。本發明適用于活性醇的高選擇性氧化成醛或酮；適用于脂肪醇或脂環醇高選擇性氧化成醛或酮；特別適用于含雜原子(N,S，O等)和C=C雙鍵的醇、脂肪或脂環伯醇的氧化氧化反應。本發明適用于醫藥中間體、農用化學品、香料等精細化學品以及基本化學品的醛或酮的生產。本發明采用的試劑較安全便宜，底物適用性更廣，反應條件溫和、并且產物分離方便。本發明具有如下優點1.采用便宜、豐富的空氣或氧氣替代化學氧化劑，有效地降低原料成本。2.反應條件溫和，操作易于控制。反應在有機溶劑中進行，反應溫度控制在08(TC，在室溫下，反應就可以順利進行。氧氣壓力低，在0.1MPa氧氣或空氣壓力下，反應即可順利進行。3.后處理簡單，產品收率高。4.整個過程對環境友好，不存在污染。由于反應過程中所用氧化劑是空氣或氧氣，副產物是水，所以整個過程幾乎對環境不會造成任何污染，是一種綠色化學合成方法。具體實施例方式下面通過實施例對本發明給予進一步的說明，當然，本發明不僅限于下述的實施例。實施例1氧化反應在裝有磁子的長頸單口圓底燒瓶(50mL)中進行。先將5.0mrno1苯甲醇和0.05mmolTEMPO加入到圓底燒瓶中，再加入8mL二氯甲烷作反應溶劑，然后再加入0.20mmo1三氯異氰尿酸(TCCA)，最后加入0.2mmo1NaN02，密閉并使燒瓶頂部與一充滿氧氣的氣球直接相通。室溫下反應到10小時后停止攪拌。取樣進行氣相色譜分析反應完全后，將反應液體轉移到分液漏斗中，然后仔細地用二氯甲烷洗燒瓶，合并有機溶液。依次用飽和的Na2S203水溶液和NaHC03水溶液洗滌有機相，除去TEMPO和無機鹽，有機層用無水硫酸鈉干燥，然后旋轉蒸發，除去有機溶劑即可得到純的苯甲醛，收率95%，GC分析含量為99%以上。含量測定采用Agilent6890N氣相色譜系統，HP-5柱(30mmX0.25mm)，氫火焰檢測器，檢測器的溫度為25(TC，進樣器的溫度為25(TC,爐溫采用程序升溫先在5(TC恒溫5min,然后以10°C/min升溫至250°C，并在250'C恒溫10min。對比與標準化合物的氣相色譜保留時間，GC-MS和^NMR和"CNMR來確證產物。實施例2試驗方法和步驟同實施例1，但所用的催化劑是4-OH-TEMPO，反應時間為12h,苯甲醛收率95%,含量》99%。實施例3試驗方法和步驟同實施例1，但所用的催化劑仍是TEMPO,但其用量增至0.15mmol;用0.50mmo1濃鹽酸替代0.20mmo1三氯異氰尿酸(TCCA)，且NaN02的用量增至0.25mmd。此外，燒瓶頂部敞開，直接與環境的大氣相通，敞口攪拌反應一定時間，用GC分析含量苯甲醇的轉化率和選擇性，結果見表l。實施例4-17試驗方法和步驟同實施例3，但在8mL不同的有機溶劑中攪拌反應一定時間，用GC分析含量苯甲醇的轉化率和選擇性，結果見表l。表l<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>由表1可看出，采用敞開的催化空氣氧化體系和價廉易得的二氯甲垸作為反應溶劑，反應的轉化率和選擇性均最佳，操作簡單，且產物分離方便。實施例17-42試驗方法和步驟同實施例3，用不同的含鹵化合物或酸替代濃鹽酸，在8mL二氯甲烷中敞口攪拌反應一定時間，用GC分析含量苯甲醇的轉化率和選擇性，結果見表2。表2實施例含鹵化合物或酸時間(小時)轉化率(％)選擇性(％產]3HCl[e1010010017Br嚴1010010018BmNBr3問10.599.210019DBDMH問1055.096.720NBS1084.910021TCCA[b]1039.096.722DCDMH^]1044.010023NCS[d]1014.786.124Ib1034.010025HBr[e1092.098.226HF。109.548.427HBF4[g]108.365.128HN03103.710029HN03M106.581.51030HOAc101.566.731TsOH106.575.432MeS03H1010.067.533CF3C02H107.754.534H3P04[i〗107.959.535H2S04[bi]1021.386.436恥04關13o]10010037H2S0b'i]14M10010038H3P04[i]17[i10010039HBF4[g17[J110010040MeS03H16"10010041CF3C02H17[i]10010042w曙BuONO[19.0100100含鹵化合物或酸(0.50mmol)。[b]含鹵化合物或酸(0.25mmol)。[c]DCDMKNl，3-二氯-5，5-二甲基海因。[d]NCS-N-溴代丁二酰亞胺。[e]11"=40%質量百份比的氫溴酸。[f]HF-40。/。質量百份比的氫氟酸，在一敞口的耐腐蝕的塑料試管中反應。[g]HBF4-40。/。質量百份比的四氟硼酸。[h]無NaN02存在。[i]H3P04-85M質量百份比的磷酸酸,112804=96%質量百份比的硫酸。[j]在0.5mmolNaCl存在下。[k]在0.5mmol節基三甲基氯化銨(BnNMe3Cl)存在下。[1]0.25mmol亞硝酸丁酯和0.25mmol濃鹽酸。由表2可看出，催化體系中必須有含鹵化合物或鹵離子(氯離子cr)的存在，才有一定的催化活性。而采用價廉易得的濃鹽酸或由氯代鹽和各種有機或無機酸原位生成的氯化氫作助催化劑，反應的轉化率和選擇性均最佳，操作簡單，且產物分離方便。此外，采用亞硝酸丁酯替代亞硝酸鈉作助催化劑(例42)，也取得了滿意的效果。實施例43-78試驗方法和步驟同實施例3，用不同的醇(5.0mmo1)作為反應底物，在8mL二氯甲烷中敞口攪拌反應一定時間，取樣用GC分析底物的轉化率和選擇性。反應完全后，將反應液體轉移到分液漏斗中，然后仔細地用二氯甲烷洗燒瓶，合并有機溶液。依次用飽和的Na2S203水溶液和NaHC03水溶液洗滌有機相，除去TEMPO和無機鹽，有機層用無水硫酸鈉干燥，然后旋轉蒸發，除去有機溶劑即可得到相應的純的醛或酮類產品。具體結果見表3。表3實施例底物產物方法時間(h)轉化率(%)選擇性(%)收率[a](%)43A101001009544OC。hoc。B101001009745B101001009646B161001009547A131001009648B1099.698.09649A15100100961250A101001009551A101001009752cf3f3Cy^y^0A121001009653、o"、o"B15100100985402n"A13100100995500B121001009756《、》oB111001009957B121001009858B121001009859B161001009860B161001009961D1210094.8b9262D161001009463D1698.298.69364C151001008165C1573.1100-66oh0C1710098.2961367OH0c2798.498.59468a0DD24.014.037.310090.6100c9569、s"、s"B111001009970f/。B1210097.0d9771PhCH2OH+PhSMePhCHO+PhSMeB12100100-72PhCH2OH+SEt2PhCHOfSEt2B1410097.9-73rr。、NCe2492.496.6f9674C121001009875OHoD1610098.69976D3210096.1g8477OH0D31.01001008978OH、0,o0、v^0D29.041.2100-方法A:TEMPO(3%)，NaN02(5°/。)，HC1(10%);方法B:TEMPO(5%)，NaN02(5%),HC1(10%);方法C:TEMPO(5%)，NaN02(8%)，HC1(16%0);方法D:TEMPO(8°/。))，NaN02(8%))，HC1(16%)。[b]有約5.2%l-辛酸的副產物生成。[c]用等量的濃氫溴酸替代濃鹽酸。[司有約3.0%2-氯甲基噻吩的副產物生成。[e]需加入1.2當量的冰醋酸作縛堿劑。[f]得到3-吡錠基甲醛和3-3-吡啶基甲醇的混合物。[g]有約3，/。3,3-二甲基烯丙基氯的副產物生14成。從表3中可以看出，芐醇(實施例43)可以定量地、高選擇性地轉化成苯甲醛。且取代芐醇的苯環上取代基的電子性對氧化反應影響不大，無論是-CH3、4-OMe、3-OPh等供電子基團(實施例44-46，53,56)還是-Cl，4-F，3，5-F2，3,5-(CF3)2，4-N02，4-C02Me等吸電子基團(實施例47-52,54-55)，均可髙選擇性幾乎定量收率地得到相應的取代苯甲醛。此外，各種活潑芳香仲醇也可得到高選擇性幾乎定量收率地得到相應的芳香酮(實施例57-60)。對于在許多有氧氧化的難以氧化的脂肪和脂環伯醇化合物，同樣可高轉化率高選擇性地被氧化生成預期的脂肪醛，副產物酸的量很少。例如，在室溫下，無需鼓泡，直接利用敞開體系中的環境空氣中的氧氣就可以將l-辛醇，2-乙基己醇，環己基甲醇和環己基甲醇完全轉化成相應的醛(實施例61-64);且2-苯乙醇也可高選擇性地被氧化成苯乙醛(實施例65)。類似地，脂肪仲醇如2-辛醇和3-辛醇也可以高收率地得到相應的酮(實施例66-67)。但對于環己酮，即使采用MethodD反應24h，其轉化率也很低，只有37.3%;而改用HBr反應14h，則環己酮可順利地完全轉化(實施例68)。當醇中含有易與過渡金屬配位而導致氧化反應難以進行的N、S雜原子時(實施例69-70,73)，羥基同樣能夠被氧化成羰基。但是對于含N雜環的底物，由于其自身的堿性會將抑制反應的進行，因此需要加入適量的乙酸中和其堿性，反應才能順利進行，但由于HC1仍會被具有堿性的吡啶環部分中和，室溫下轉化仍較慢。值得注意的是，對于芐醇/苯甲硫醚(實施例71)或芐醇/二乙硫醚(實施例72)的混合物，反應不受硫原子的影響，均能夠選擇性地將芐醇氧化成苯甲醛，而苯甲硫醚或二乙硫醚不被氧化。C:C雙鍵的存在也不影響醇的催化氧化，各種烯丙醇化合物都能夠被定量地、高選擇性地氧化生成相應的烯醛或烯酮(實施例74-76)。此外，一些重要的精細化學品，諸如3-甲氧基丙醇和乳酸乙酯(實施例77-78)，也可有效地被氧化成相應的醛或酮類化合物。由上述的實例表明，采用本發明所提供的催化空氣氧化醇制備醛或酮的方法，可以廣泛的將高選擇性地含有C=C雙鍵、O、N、S雜原子等官能團的醇氧化相應的醛或酮，高選擇性高收率地氧化得到脂肪或脂環伯醛;并且能夠選擇性地氧化羥基而使硫醚基不被氧化。該方法具有產率高、反應條件溫和，操作易于控制、成本低，安全、整個過程對環境友好，不存在污染等特點。1權利要求1、一種催化空氣氧化醇制備醛或酮的方法，其特征在于在有機溶劑中，以氧氣或空氣為氧化劑，以2，2，6，6-四甲基哌啶-氧自由基或其衍生物、含鹵化合物、亞硝酸鹽或亞硝酸酯為催化劑，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、含鹵化合物、亞硝酸鹽或亞硝酸酯的物質的量之比為100∶1-8∶4-20∶4-10；氧氣或空氣的壓力為0.1-0.8MPa；反應溫度為0-80℃；反應時間為1-36小時。2、按照權利要求1所述催化空氣氧化醇制備醛或酮的方法，其特征在于所述2，2，6，6-四甲基哌啶-氧自由基衍生物為4-羥基-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-2,2，6，6-四甲基哌疲-氧自由基中至少一種。3、按照權利要求1所述催化空氣氧化醇制備醛或酮的方法，其特征在于所述含鹵化合物為游離的鹵素、氫鹵酸水溶液、鹵化試劑、鹵代鹽和酸原位生成的氫鹵酸中至少一種。4、按照權利要求1所述催化空氣氧化醇制備醛或酮的方法，其特征在于所述亞硝酸鹽為亞硝酸鈉或亞硝酸鉀。5、按照權利要求1所述催化空氣氧化醇制備醛或酮的方法，其特征在于所述亞硝酸酯為亞硝酸垸基酯。6、按照權利要求1所述催化空氣氧化醇制備醛或酮的方法，其特征在于所述有機溶劑為苯、甲苯、氯苯、氟苯、三氟甲基苯、二氯甲烷、二氯乙垸、氯仿、四氯化碳、乙腈、乙酸、乙酸乙酯、a，a，a-三氟乙醇中至少一種。7、按照權利要求1所述催化空氣氧化醇制備醛或酮的方法，其特征在于所述醇具有如下的結構其中Ri為含有各種取代的雜環或非雜環的芳香基或者脂肪基；R2為氫或烷烴基。8、按照權利要求1和3所述催化空氣氧化醇制備醛或酮的方法，其特征在于所述含鹵化合物為鹽酸或氫溴酸。全文摘要本發明提供了一種催化空氣氧化醇制備醛或酮的方法，按5mmol的反應底物計，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％的含鹵化合物和4-10％的亞硝酸鹽或亞硝酸酯為催化劑，用0.1-0.8MPa的氧氣或空氣為氧化劑，在0-80℃條件下反應1-36小時，可以高選擇性地把一系列醇氧化成醛或酮。本發明具有采用的試劑較安全便宜，底物適用性更廣，反應條件溫和、并且產物分離方便，對環境不會造成任何污染等優點。文檔編號C07B41/06GK101486621SQ200810010108公開日2009年7月22日申請日期2008年1月16日優先權日2008年1月16日發明者劉仁華,青徐,梁鑫淼,王心亮,章飛芳,薛興亞申請人:中國科學院大連化學物理研究所