專利名稱：：一種氧氣氧化醇制備醛或酮的方法
技術領域：
：本發(fā)明涉及一種氧氣氧化醇制備醛或酮的方法，具體地涉及通過催化氧氣氧化醇制備醛或酮的化學反應過程，具體地說是一種利用4-羥基-2,2，6，6-四甲基哌旋-氧自由基(4-OH-TEMPO)作為催化劑的氧氣氧化醇的方法。
背景技術：
：醇氧化為羰基化合物是有機合成中是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.Hudlicky，M.;OxidationsinOrganicChemistry.Washington,DC:ACS,1990。這類反應傳統(tǒng)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(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，反應過程產(chǎn)生的大量廢棄物嚴重污染了環(huán)境。當今日益突出的環(huán)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(jīng)濟的角度，還是從保護環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展的觀點來看，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(中國專利申請?zhí)?00610047845.1和200810010108.3)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)作為主催化劑，亞硝酸鈉和過渡金屬鹽(如三氯化鐵)或鹵素化合物(如鹽酸或氫溴酸)作為助催化劑，在二氯甲烷為反應溶劑中，用低于O.SMPa的氧氣或O.lMPa空氣為氧化劑，在60-10(TC或室溫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/NaN02/FeCl3(或HC1)分子氧氧化體系的特征和效果(1)仍然需要使用相當昂貴的催化劑TEMPO;(2)可高選擇性地氧化芳香芐醇、雜芳香甲醇、脂肪或脂環(huán)仲醇成相應醛或酮；(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險；(4)使用二氯甲烷等鹵代烴類溶劑對環(huán)境不友好；(5)鹵素化合物的使用在工業(yè)化生產(chǎn)可能對設備造成腐蝕。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供了一種氧氣氧化醇制備醛或酮的方法。本發(fā)明提供了一種氧氣氧化醇制備醛或酮的方法，在有機溶劑中，以氧氣或空氣作氧化劑，以4-羥基-2，2，6，6-四甲基哌啶-氧自由基(4-OH-TEMPO)或其類似化合物和過渡金屬硝酸鹽作為催化劑，氧化醇生成醛或酮；其中，醇、4-OH-TEMPO或其類似化合物、過渡金屬硝酸鹽的物質(zhì)的量之比為100:1-8:1-8;氧氣或空氣壓力為0.1-0.8MPa;反應溫度為0-80°C;反應時間為1-36h。本發(fā)明提供的氧氣氧化醇制備醛或酮的方法，所述4-羥基-2，2，6，6-四甲基哌啶_氧自由基的類似化合物為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)中至少一種。本發(fā)明提供的氧氣氧化醇制備醛或酮的方法，所述過渡金屬硝酸鹽的過渡金屬為鐵、銅、鉻、錳、鈷中的一種或多種。本發(fā)明提供的氧氣氧化醇制備醛或酮的方法，所述過渡金屬硝酸鹽的用量為醇的l-8mol%。本發(fā)明提供的氧氣氧化醇制備醛或酮的方法，所述氧氣或空氣壓力優(yōu)選為0.1-0.4MPa。本發(fā)明提供的氧氣氧化醇制備醛或酮的方法，所述反應溫度優(yōu)選為10-35°C。本發(fā)明提供的氧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、(x，a，a-三氟乙醇中至少一種。本發(fā)明提供的氧氣氧化醇制備醛或酮的方法，所述醇具有如下的結(jié)構:其中Rt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。本發(fā)明提供的氧氣氧化醇制備醛或酮的方法,按5mmol的反應底物計，l-8mol%的更經(jīng)濟便宜的4-羥基-2,2，6，6-四甲基哌啶-氧自由基(4-OH-TEMPO)或其類似化合物、l-8moP/。過渡金屬硝酸鹽為催化劑，用常壓的氧氣或空氣為氧化劑，在室溫下反應1-36小時，可以高選擇性地把一系列醇氧化成醛或酮。本發(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)仲醇的氧化反應。本發(fā)明適用于醫(yī)藥中間體、農(nóng)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(chǎn)。本發(fā)明具有如下優(yōu)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(chǎn)品收率高。4.整個過程對環(huán)境友好，不存在污染。由于反應過程中所用氧化劑是氧氣，副產(chǎn)物是水，所以整個過程幾乎對環(huán)境不會造成任何污染，是一種綠色化學合成方法。具體實施方式下面通過實施例對本發(fā)明給予進一步的說明，當然，本發(fā)明不僅限于下述的實施例。實施例1反應在裝有磁子的具有Teflon襯里的316L不銹鋼釜(300mL)中進行，釜中的空氣在反應前未經(jīng)氧氣置換。先將lOmL二氯甲烷加入到高壓釜中，再將lO.Ommol苯甲醇和O.lmmolTEMPO加入到lOmL溶劑中，然后再加入0.15mmo1硝酸鐵[Fe(N03)y9H20]，密封。將釜充壓至0.1MPa，轉(zhuǎn)移到已預先升至80'C的油浴中，反應到一定相應時間后停止攪拌，降溫，小心地放壓。取樣進行氣相色譜分析后，將釜中的液體轉(zhuǎn)移到分液漏斗中，然后仔細地用二氯甲垸洗釜，合并有機溶液。用飽和的Na2S203的水溶液洗滌有機相，除去TEMPO和無機鹽，有機層用無水硫酸鈉干燥，然后旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)，除去有機溶劑即可得到純的苯甲醛，收率95%。GC分析純度為99%以上。含量測定采用Agilent68卯N氣相色譜系統(tǒng)，HP-5柱(30mmX0.25mm)，氫火焰檢測器，檢測器的溫度為250'C，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3min。對比與標準化合物的氣相色譜保留時間，GC-MS和iHNMR、"CNMR來確證產(chǎn)物。實施例2所用過渡金屬鹽為硝酸銅,試驗方法和步驟同實施例1，反應溫度為8(TC，反應時間為lh，收率94%。實施例3所用過渡金屬鹽為硝酸鉻[Cr(N03)y9H20]，試驗方法和步驟同實施例1，反應溫度為80'C,反應時間為lh,收率92%。實施例4氧化反應在裝有磁子的長頸單口圓底燒瓶(50mL)中進行。先將5.0mmo1苯甲醇和0.05mmo14-OH-TEMPO加入到圓底燒瓶中，再加入8mL乙腈作反應溶劑，然后再加入0.15mmol硝酸鐵[Fe(NO3)3.9H20]，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，將反應液體轉(zhuǎn)移到分液漏斗中，然后仔細地用乙酸乙酯洗燒瓶，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4-OH-TEMPO和無機鹽，有機層用無水硫酸鈉干燥，然后旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)，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。實施例5試驗方法和步驟同實施例4，但所用的催化劑是TEMPO，反應時間為12h，苯甲醛收率95%，含量》99%。實施例6試驗方法和步驟同實施例5，所用的催化劑是4-OH-TEMPO，但其用量增至0.2511111101，而Fe(NO3)y9H2O用量增至0.25mmo1。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llh，苯甲醛收率96%，含量>99%。實施例7試驗方法和步驟同實施例5，但所用的溶劑是冰乙酸，反應時間為10h，苯甲醛收率93%,含量》99%。實施例8試驗方法和步驟同實施例5,但所用的催化劑是TEMPO,反應時間為15h，苯甲醛收率95%，含量》99%。實施例9-29試驗方法和步驟同實施例5，用不同的醇(5.0mmo1)作為反應底物，在8mL乙腈中敞口攪拌反應一定時間，取樣用GC分析底物的轉(zhuǎn)化率和選擇性。反應完全后，將反應液體轉(zhuǎn)移到分液漏斗中，然后仔細地用乙酸乙酯洗燒瓶，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4-OH-TEMPO和無機鹽，有機層用無水硫酸鈉干燥，然后旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)，除去有機溶劑即可得到相應的純的醛或酮類產(chǎn)品。具體結(jié)果見表l。表1實施例底物產(chǎn)物方法時間(h)轉(zhuǎn)化率(%)選擇性(%)收率w(%)9A101001009510A111001009611、o"、o"A181001009712Cr0XT°HB111001009913CI"A181001009814FiX0A2410010096<table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table>4-OH-TEMPO(5mol%),Fe(N03)3(5mol%);方法C:4-OH-TEMPO(8mol%)，F(xiàn)e(N03)3(8mol%)。[b]反應結(jié)束后PhSMe未發(fā)生氧化。[c]加入2等量的冰乙酸。[d]改用冰乙酸作為反應溶劑。如表1所示，所有的苯甲醇類化合物都可高選擇性、高收率地得到相應的取代苯甲醛(實施例9-18)。苯甲醇類化合物的苯環(huán)上的供電子基能促進反應；而吸電子基則明顯抑制反應，需要增加4-OH-TEMPO的用量并延長反應時間才能使底物完全轉(zhuǎn)化。此外，各種活潑芳香仲醇也可得到高選擇性和幾乎定量收率的相應的芳香酮(實施例19-21)。但對于脂肪醇而言，反應速度顯著降低，需要增加催化劑用量和延長反應時間；脂肪仲醇2-辛醇和環(huán)己醇則可高選擇性地完全轉(zhuǎn)化成酮(實施例22-23)。由于有與過渡金屬較強的配位能力，糠醇、4-甲硫基苯甲醇和2-噻吩甲醇被認為是難以被常見的過渡金屬所催化氧化，而在本催化體系作用下均可順利地高收率地得到相應的醛(實施例24-26)。對于苯甲醇/苯甲硫醚的混合物(實施例27)，盡管同時存在硫醚和羥基兩種易氧化的官能團，但反應仍不受硫醚官能團的影響，而髙選擇性地將羥基氧化成羰基，而苯甲硫醚不被氧化。這也說明，通常不適用于過渡金屬催化氧化的硫醚官能團，并沒有對本氧化反應造成有害的影響。而對于3-吡啶甲醇，由于Fe(N03)3會被具有堿性的吡啶環(huán)部分中和，即使加入2化學計量冰乙酸中和其堿性，采用方法B室溫下反應24h轉(zhuǎn)化仍很慢；而改用冰乙酸為溶劑反應11h,則可100%選擇性地完全轉(zhuǎn)化(實施例29)。此外，肉桂醇也可選擇性地完全轉(zhuǎn)化且C=C雙鍵不受影響(實施例29)。由上述的實例表明，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(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，反應條件溫和，操作易于控制，成本低，安全，整個過程對環(huán)境友好，不存在污染等特點。權利要求1.一種氧氣氧化醇制備醛或酮的方法，其特征在于在有機溶劑中，以氧氣或空氣作氧化劑，以4-羥基-2，2，6，6-四甲基哌啶-氧自由基或其類似化合物和過渡金屬硝酸鹽作為催化劑，氧化醇生成醛或酮；其中，醇、4-OH-TEMPO或其類似化合物、過渡金屬硝酸鹽的物質(zhì)的量之比為100∶1-8∶1-8；氧氣或空氣壓力為0.1-0.8MPa；反應溫度為0-80℃；反應時間為1-36h。2.按照權利要求1所述氧氣氧化醇制備醛或酮的方法，其特征在于所述4-羥基-2，2，6，6-四甲基哌啶-氧自由基的類似化合物為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-氧自由基中至少一種。3.按照權利要求1所述氧氣氧化醇制備醛或酮的方法，其特征在于所述過渡金屬硝酸鹽的過渡金屬為鐵、銅、鉻、錳、鈷中的一種或多種。4.按照權利要求1所述氧氣氧化醇制備醛或酮的方法，其特征在于所述過渡金屬硝酸鹽的量為醇的l-8mol%。5.按照權利要求1所述氧氣氧化醇制備醛或酮的方法，其特征在于所述氧氣或空氣壓力為0.1-04MPa。6.按照權利要求1所述氧氣氧化醇制備醛或酮的方法，其特征在于所述反應溫度為10-35aC。7.按照權利要求1所述氧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、二氯甲垸、二氯乙烷、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。8.按照權利要求1所述氧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<formula>formulaseeoriginaldocumentpage3</formula>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。全文摘要本發(fā)明提供了一種氧氣氧化醇制備醛或酮的方法，按5mmol的反應底物計，以1-8mol％的4-羥基-2，2，6，6-四甲基哌啶-氧自由基或其類似化合物、1-8mol％過渡金屬硝酸鹽為催化劑，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(fā)明具有產(chǎn)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(huán)境友好，不存在污染等特點。文檔編號B01J31/02GK101544548SQ20081001075公開日2009年9月30日申請日期2008年3月26日優(yōu)先權日2008年3月26日發(fā)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