專利名稱：：一種催化空氣氧化醇制備醛或酮的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)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(shù)：
：醇氧化為羰基化合物是有機(jī)合成中最重要的單元反應(yīng)之一，該反應(yīng)大量應(yīng)用于精細(xì)化學(xué)品和有機(jī)中間體的合成中文獻(xiàn)1.Hudlieky，M.;OxidationsinOrganicChemistry.Washington,DC:ACS,1990。這類反應(yīng)傳統(tǒng)上采用化學(xué)計(jì)量的氧化劑，例如氧化鉻文獻(xiàn)2.Muzart，J.Chem.Rev.,1992，92，113—140.、氧化錳文獻(xiàn)3.Regen，S.L.;Koteel,C.J.Am.Chem.Soc.，1977，99，3837—3838.、氧化釕文獻(xiàn)4.:Griffith，W.P.Chem.Soc.Rev"1992,21，179—185、Dess-Martin試劑文獻(xiàn)5.Dess，D.B.;Martin,J.C.J.Org.Chem.，1983，48，41554156等氧化劑。傳統(tǒng)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(yīng)過程產(chǎn)生的大量廢棄物嚴(yán)重污染了環(huán)境。當(dāng)今日益突出的環(huán)境污染也是一個(gè)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(jīng)濟(jì)的角度，還是從保護(hù)環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展的觀點(diǎn)來看，迫切需要發(fā)展高效清潔的綠色的氧氣氧化方法。在前期研究(中國(guó)專利申請(qǐng)?zhí)?00410003791.X和200410098936.9)中，成功開發(fā)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(yīng)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(qǐng)中所給出的實(shí)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(bào)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(huán)仲醇成相應(yīng)醛或酮，但對(duì)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(yè)化制備過程中可能存在爆炸的風(fēng)險(xiǎn)；(4)產(chǎn)物分離方便；(5)鹵素溴或活性溴的使用不方便、不安全。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)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(fā)明提供了一種催化空氣氧化醇制備醛或酮的方法，在有機(jī)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(zhì)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(yīng)溫度為0-80°C;反應(yīng)時(shí)間為1-36小時(shí)。本發(fā)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(fā)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(fā)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(fā)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(fā)明提供的催化空氣氧化醇制備醛或酮的方法，所述有機(jī)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(fā)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(jié)構(gòu)其中&為含有各種取代的雜環(huán)或非雜環(huán)的芳香基或者脂肪基；R2為氫或垸烴基。本發(fā)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(fā)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(huán)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(huán)伯醇的氧化氧化反應(yīng)。本發(fā)明適用于醫(yī)藥中間體、農(nóng)用化學(xué)品、香料等精細(xì)化學(xué)品以及基本化學(xué)品的醛或酮的生產(chǎn)。本發(fā)明采用的試劑較安全便宜，底物適用性更廣，反應(yīng)條件溫和、并且產(chǎn)物分離方便。本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)1.采用便宜、豐富的空氣或氧氣替代化學(xué)氧化劑，有效地降低原料成本。2.反應(yīng)條件溫和，操作易于控制。反應(yīng)在有機(jī)溶劑中進(jìn)行，反應(yīng)溫度控制在08(TC，在室溫下，反應(yīng)就可以順利進(jìn)行。氧氣壓力低，在0.1MPa氧氣或空氣壓力下，反應(yīng)即可順利進(jìn)行。3.后處理簡(jiǎn)單，產(chǎn)品收率高。4.整個(gè)過程對(duì)環(huán)境友好，不存在污染。由于反應(yīng)過程中所用氧化劑是空氣或氧氣，副產(chǎn)物是水，所以整個(gè)過程幾乎對(duì)環(huán)境不會(huì)造成任何污染，是一種綠色化學(xué)合成方法。具體實(shí)施例方式下面通過實(shí)施例對(duì)本發(fā)明給予進(jìn)一步的說明，當(dāng)然，本發(fā)明不僅限于下述的實(shí)施例。實(shí)施例1氧化反應(yīng)在裝有磁子的長(zhǎng)頸單口圓底燒瓶(50mL)中進(jìn)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(yīng)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(yīng)到10小時(shí)后停止攪拌。取樣進(jìn)行氣相色譜分析反應(yīng)完全后，將反應(yīng)液體轉(zhuǎn)移到分液漏斗中，然后仔細(xì)地用二氯甲烷洗燒瓶，合并有機(jī)溶液。依次用飽和的Na2S203水溶液和NaHC03水溶液洗滌有機(jī)相，除去TEMPO和無機(jī)鹽，有機(jī)層用無水硫酸鈉干燥，然后旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)，除去有機(jī)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(cè)定采用Agilent6890N氣相色譜系統(tǒng)，HP-5柱(30mmX0.25mm)，氫火焰檢測(cè)器，檢測(cè)器的溫度為25(TC，進(jìn)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(duì)比與標(biāo)準(zhǔn)化合物的氣相色譜保留時(shí)間，GC-MS和^NMR和"CNMR來確證產(chǎn)物。實(shí)施例2試驗(yàn)方法和步驟同實(shí)施例1，但所用的催化劑是4-OH-TEMPO，反應(yīng)時(shí)間為12h,苯甲醛收率95%,含量》99%。實(shí)施例3試驗(yàn)方法和步驟同實(shí)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(huán)境的大氣相通，敞口攪拌反應(yīng)一定時(shí)間，用GC分析含量苯甲醇的轉(zhuǎn)化率和選擇性，結(jié)果見表l。實(shí)施例4-17試驗(yàn)方法和步驟同實(shí)施例3，但在8mL不同的有機(jī)溶劑中攪拌反應(yīng)一定時(shí)間，用GC分析含量苯甲醇的轉(zhuǎn)化率和選擇性，結(jié)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(jià)廉易得的二氯甲垸作為反應(yīng)溶劑，反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率和選擇性均最佳，操作簡(jiǎn)單，且產(chǎn)物分離方便。實(shí)施例17-42試驗(yàn)方法和步驟同實(shí)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(yīng)一定時(shí)間，用GC分析含量苯甲醇的轉(zhuǎn)化率和選擇性，結(jié)果見表2。表2實(shí)施例含鹵化合物或酸時(shí)間(小時(shí))轉(zhuǎn)化率(％)選擇性(％產(chǎn)]3HCl[e1010010017Br嚴(yán)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(guān)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(zhì)量百份比的氫溴酸。[f]HF-40。/。質(zhì)量百份比的氫氟酸，在一敞口的耐腐蝕的塑料試管中反應(yīng)。[g]HBF4-40。/。質(zhì)量百份比的四氟硼酸。[h]無NaN02存在。[i]H3P04-85M質(zhì)量百份比的磷酸酸,112804=96%質(zhì)量百份比的硫酸。[j]在0.5mmolNaCl存在下。[k]在0.5mmol節(jié)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(jià)廉易得的濃鹽酸或由氯代鹽和各種有機(jī)或無機(jī)酸原位生成的氯化氫作助催化劑，反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率和選擇性均最佳，操作簡(jiǎn)單，且產(chǎn)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(shí)施例43-78試驗(yàn)方法和步驟同實(shí)施例3，用不同的醇(5.0mmo1)作為反應(yīng)底物，在8mL二氯甲烷中敞口攪拌反應(yīng)一定時(shí)間，取樣用GC分析底物的轉(zhuǎn)化率和選擇性。反應(yīng)完全后，將反應(yīng)液體轉(zhuǎn)移到分液漏斗中，然后仔細(xì)地用二氯甲烷洗燒瓶，合并有機(jī)溶液。依次用飽和的Na2S203水溶液和NaHC03水溶液洗滌有機(jī)相，除去TEMPO和無機(jī)鹽，有機(jī)層用無水硫酸鈉干燥，然后旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)，除去有機(jī)溶劑即可得到相應(yīng)的純的醛或酮類產(chǎn)品。具體結(jié)果見表3。表3實(shí)施例底物產(chǎn)物方法時(shí)間(h)轉(zhuǎn)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(chǎn)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(chǎn)物生成。[e]需加入1.2當(dāng)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(chǎn)物生14成。從表3中可以看出，芐醇(實(shí)施例43)可以定量地、高選擇性地轉(zhuǎn)化成苯甲醛。且取代芐醇的苯環(huán)上取代基的電子性對(duì)氧化反應(yīng)影響不大，無論是-CH3、4-OMe、3-OPh等供電子基團(tuán)(實(shí)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(tuán)(實(shí)施例47-52,54-55)，均可髙選擇性幾乎定量收率地得到相應(yīng)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(yīng)的芳香酮(實(shí)施例57-60)。對(duì)于在許多有氧氧化的難以氧化的脂肪和脂環(huán)伯醇化合物，同樣可高轉(zhuǎn)化率高選擇性地被氧化生成預(yù)期的脂肪醛，副產(chǎn)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(huán)境空氣中的氧氣就可以將l-辛醇，2-乙基己醇，環(huán)己基甲醇和環(huán)己基甲醇完全轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的醛(實(shí)施例61-64);且2-苯乙醇也可高選擇性地被氧化成苯乙醛(實(shí)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(yīng)的酮(實(shí)施例66-67)。但對(duì)于環(huán)己酮，即使采用MethodD反應(yīng)24h，其轉(zhuǎn)化率也很低，只有37.3%;而改用HBr反應(yīng)14h，則環(huán)己酮可順利地完全轉(zhuǎn)化(實(shí)施例68)。當(dāng)醇中含有易與過渡金屬配位而導(dǎo)致氧化反應(yīng)難以進(jìn)行的N、S雜原子時(shí)(實(shí)施例69-70,73)，羥基同樣能夠被氧化成羰基。但是對(duì)于含N雜環(huán)的底物，由于其自身的堿性會(huì)將抑制反應(yīng)的進(jìn)行，因此需要加入適量的乙酸中和其堿性，反應(yīng)才能順利進(jìn)行，但由于HC1仍會(huì)被具有堿性的吡啶環(huán)部分中和，室溫下轉(zhuǎn)化仍較慢。值得注意的是，對(duì)于芐醇/苯甲硫醚(實(shí)施例71)或芐醇/二乙硫醚(實(shí)施例72)的混合物，反應(yīng)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(yīng)的烯醛或烯酮(實(shí)施例74-76)。此外，一些重要的精細(xì)化學(xué)品，諸如3-甲氧基丙醇和乳酸乙酯(實(shí)施例77-78)，也可有效地被氧化成相應(yīng)的醛或酮類化合物。由上述的實(shí)例表明，采用本發(fā)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(tuán)的醇氧化相應(yīng)的醛或酮，高選擇性高收率地氧化得到脂肪或脂環(huán)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(chǎn)率高、反應(yīng)條件溫和，操作易于控制、成本低，安全、整個(gè)過程對(duì)環(huán)境友好，不存在污染等特點(diǎn)。1權(quán)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(jī)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(zhì)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(yīng)溫度為0-80℃；反應(yīng)時(shí)間為1-36小時(shí)。2、按照權(quán)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(quán)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(quán)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(quán)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(quán)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(jī)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(quán)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(jié)構(gòu)其中Ri為含有各種取代的雜環(huán)或非雜環(huán)的芳香基或者脂肪基；R2為氫或烷烴基。8、按照權(quán)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(fā)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(yīng)底物計(jì)，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(yīng)1-36小時(shí)，可以高選擇性地把一系列醇氧化成醛或酮。本發(fā)明具有采用的試劑較安全便宜，底物適用性更廣，反應(yīng)條件溫和、并且產(chǎn)物分離方便，對(duì)環(huán)境不會(huì)造成任何污染等優(yōu)點(diǎn)。文檔編號(hào)C07B41/06GK101486621SQ200810010108公開日2009年7月22日申請(qǐng)日期2008年1月16日優(yōu)先權(quán)日2008年1月16日發(fā)明者劉仁華,青徐,梁鑫淼,王心亮,章飛芳,薛興亞申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所