Baeyer–Villiger重排反應(yīng)的研究進(jìn)展

武 寧， 孫曉云， 岳 爽， 臧樹良

（1. 遼寧石油化工大學(xué)， 遼寧 撫順 113001； 2. 沈陽航空航天大學(xué)，遼寧 沈陽110136； 3. 遼寧大學(xué)，遼寧 沈陽110036）

綜合評述

Baeyer–Villiger重排反應(yīng)的研究進(jìn)展

武 寧1， 孫曉云2， 岳 爽3， 臧樹良1

（1. 遼寧石油化工大學(xué)， 遼寧 撫順 113001； 2. 沈陽航空航天大學(xué)，遼寧 沈陽110136； 3. 遼寧大學(xué)，遼寧 沈陽110036）

介紹了近些年Baeyer-Villiger反應(yīng)中氧化方面的研究情況，主要介紹常用的催化劑，包括酸類和具有堿性的水滑石類、過渡金屬離子的分子篩類、微生物酶類及過渡金屬配合物類，同時介紹了離子液體在Baeyer-Villiger氧化反應(yīng)中的應(yīng)用現(xiàn)狀。

Baeyer-Villiger重排反應(yīng)；催化劑；離子液體

Baeyer-Villiger是將酮氧化成相應(yīng)的酯的一類氧化反應(yīng)，也叫做Baeyer–Villiger重排[1,2]。Adolf Baeyer等第一次于1899年報道了Baeyer–Villiger重排反應(yīng)，他們選擇過硫酸鈉和濃硫酸為氧化劑，進(jìn)行了薄荷酮等的Baeyer-Villiger氧化反應(yīng)。此后，此類反應(yīng)在天然產(chǎn)物等的合成中發(fā)揮著重要的意義。對于此反應(yīng)中常見的氧化劑，馮小明等[3]曾作過系統(tǒng)的綜述，常規(guī)的B-V反應(yīng)通常用三氟過氧乙酸、過氧苯甲酸等作為氧化劑，但用三氟過氧乙酸、過氧苯甲酸等作為氧化劑會對環(huán)境造成嚴(yán)重的污染，工業(yè)上已經(jīng)很少被使用，新型的Baeyer-Villiger反應(yīng)氧化劑以環(huán)境友好的H2O2和O2為主。

在對Baeyer–Villiger重排反應(yīng)的研究中，催化劑方面的研究一直是熱點。同時，離子液體作為一類新型的綠色溶劑，近幾年來也開始被應(yīng)用于Baeyer–Villiger氧化反應(yīng)。

1 Baeyer–Villiger氧化反應(yīng)5類催化劑

1.1 酸類

酸類催化劑作為一類高效催化劑在Baeyer-Villiger重排反應(yīng)中應(yīng)用廣泛。由于過酸在作為氧化劑的同時也具有很好的催化性能，所以也可以把過酸類催化體系歸于酸催化體系中。事實上，在很多反應(yīng)體系中，酸催化劑的存在會大大提高反應(yīng)活性。張研等[4]發(fā)現(xiàn)，在以乙酸酐為介質(zhì)的Baeyer–Villiger重排反應(yīng)中，可以用過碳酸鈉(Na2CO3﹒H2O2)作氧化劑，將環(huán)酮或酮氧化成相應(yīng)的內(nèi)酯或酯。Berkessel等[5]報道了環(huán)己酮等的Baeyer–Villiger重排反應(yīng)，反應(yīng)中他們選擇以酸作催化劑、以環(huán)境友好的H2O2為氧化劑。在溫度、溶劑等條件相同的情況下，與不加催化劑的空白試驗進(jìn)行對照，加入酸類催化劑時的反應(yīng)轉(zhuǎn)化率和產(chǎn)率都有很大的提高。同時，他們在試驗中還發(fā)現(xiàn)，該類Baeyer–Villiger重排反應(yīng)中存在溶劑效應(yīng)，在相同條件下，以1，1，1，3，3，3-六氟-2-丙醇（HFIP）為溶劑時，轉(zhuǎn)化率和產(chǎn)率較其他溶劑都高，所以選擇合適的溶劑也是該類重排反應(yīng)中的研究重點。

Lewis酸類如SnCl4等能夠與酮羰基之間發(fā)生絡(luò)合作用，進(jìn)而活化酮羰基，使H2O2、O2等氧化劑更容易進(jìn)攻酮羰基，促進(jìn)重排反應(yīng)的進(jìn)行。所以很多Lewis酸類也常用作Baeyer–Villiger重排反應(yīng)中的催化劑。

1.2 堿性的水滑石類

固體水滑石及類水滑石對Baeyer–Villiger重排反應(yīng)具有比較高的催化活性。Kanda等[6-10]研究發(fā)現(xiàn)，在以層狀水滑石等水滑石類作為催化劑催化的Baeyer–Villiger重排反應(yīng)中，不僅反應(yīng)中的產(chǎn)率較高，而且催化劑在反應(yīng)后可以很好的分離回收再利用。Kanda等認(rèn)為， Baeyer–Villiger重排反應(yīng)的活性中心恰好是水滑石的堿性中心，這個堿性中心可以促進(jìn)過酸把氧傳遞給酮這個重要過程的進(jìn)行。所以，堿性的水滑石類催化劑才會對Baeyer–Villiger重排反應(yīng)有著很高的催化活性。

Kanda等還認(rèn)為，由于 Fe3+，Cu2+等變價金屬離子可以和水滑石類的堿性中心發(fā)生協(xié)同作用，所以Fe3+，Cu2+等變價金屬離子的加入能明顯提高Baeyer–Villiger重排反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率和產(chǎn)率[11]。

1.3 過渡金屬離子的分子篩類

過渡金屬離子的分子篩在Baeyer–Villiger重排反應(yīng)中的應(yīng)用十分廣泛。Bhaumik等[12]第一次報道了在催化氧化Baeyer–Villiger重排反應(yīng)中應(yīng)用TS—1分子篩。Corma等[13]的研究結(jié)果表明，摻雜金屬離子Sn的β分子篩類，可以選擇地活化酮上的羰基，從而能夠有效的促進(jìn)Baeyer–Villiger重排反應(yīng)有效進(jìn)行，反應(yīng)產(chǎn)物中相應(yīng)內(nèi)酯的比例可達(dá)到98%。并且反應(yīng)中的選擇性也很高，對于不飽和酮，也能生成單一的目標(biāo)酯或內(nèi)酯，無環(huán)氧化物等副產(chǎn)物。他們還以對甲氧基苯甲醛為底物，以Sn—β分子篩等作催化劑，催化氧化對甲氧基苯甲醛生成甲酸酯，進(jìn)一步水解生成酚，其效果也較好[14-15]。

以Sn—β分子篩作催化劑的Baeyer–Villiger重排反應(yīng)過程有如下優(yōu)點：首先，由于此類催化劑催化的Baeyer–Villiger重排反應(yīng)中沒有由醛生成的相應(yīng)的酸的過程，因此提高了重排反應(yīng)的原子經(jīng)濟(jì)性；其次，無論是從反應(yīng)的溫度還是從溶劑的量來看，其溫和的反應(yīng)條件和較少的溶劑用量都使得Sn—β分子篩類催化劑有著較好的工業(yè)應(yīng)用前景。

1.4 微生物酶類

微生物酶是指起著催化生物體系中特定反應(yīng)的、由微生物活細(xì)胞產(chǎn)生的蛋白質(zhì)。作為催化劑的微生物酶，它可以加速三種反應(yīng)：水解反應(yīng)、氧化反應(yīng)和合成反應(yīng)。微生物酶可以在活細(xì)胞內(nèi)進(jìn)行催化作用，也可以透過細(xì)胞作用細(xì)胞外的物質(zhì)；前者稱內(nèi)酶，后者稱外酶。酶的催化過程是一個兩步反應(yīng)： E + S→ ES→ E + P 酶基質(zhì) 復(fù)合物 酶 底物酶具有專一性。酶的活性受環(huán)境條件的影響十分顯著，主要的物理環(huán)境條件有：溫度、需氧量和pH值，這些條件是廢水生物處理過程中的最重要因素。

微生物酶在氧化反應(yīng)中的催化活性較高。此類催化劑催化氧化的Baeyer–Villiger重排反應(yīng)可在室溫中性或接近中性的條件下進(jìn)行，這樣溫和的反應(yīng)條件會減低反應(yīng)中發(fā)生重排的幾率，而且無論是從綠色化學(xué)還是從能源節(jié)約的角度考慮，微生物酶類催化劑都明顯優(yōu)于其他類型的催化劑。最早被應(yīng)用于催化氧化Baeyer–Villiger重排反應(yīng)的微生物酶為CHMO(環(huán)己酮單氧酶)，近幾十年來，應(yīng)用于Baeyer–Villiger重排反應(yīng)的單酶有20多種。常見的微生物酶催化劑[16,17]有：E.coli Top 10 [pQR 239]、NCIMB9871，環(huán)戊酮單過氧化酶（CPMO）、以及4-羥基苯己酮單過氧化酶（HAPMO）等催化活性較高的微生物酶類。從反應(yīng)的立體選擇性的角度來講，微生物酶催化的Baeyer–Villiger重排反應(yīng)較化學(xué)法更高。目前，該方法由于在反應(yīng)中有代謝副產(chǎn)物的生成，所以應(yīng)用于工業(yè)化生產(chǎn)還有一定的局限性。近年來，基因工程酵母菌成為了人們研究的新熱點，基因工程酵母菌在Baeyer–Villiger重排反應(yīng)中的應(yīng)用不僅可以降低毒性，還可以提高催化活性，為微生物酶類催化的Baeyer–Villiger重排反應(yīng)的工業(yè)化應(yīng)用起到很好的促進(jìn)作用。

1.5 過渡金屬配合物類

在Baeyer-Villiger重排反應(yīng)催化劑的研究中，過渡金屬配合物類的應(yīng)用也很廣泛。按反應(yīng)體系可分為均相催化劑和非均相催化劑兩類，其中固體酸、硅膠負(fù)載的鈦配合物和硒等屬于非均相催化劑；均相催化劑主要基于鉑、鋯、錸、硒、砷和鉬等，此催化體系中通常采用的氧化劑為分子氧，此外，還常加入醛類作為體系的共氧化劑[18]。

1978 年，Jacobson等首次將過渡金屬Mo的配合物應(yīng)用于Baeyer-Villiger反應(yīng), 隨后又發(fā)展了一系列過渡金屬( Cu , W , Re , Mn ,Pt , Sc , Ti 等)的配合物，它們在光學(xué)活性化合物的合成中應(yīng)用較廣。1994年，Bolm第一次報道了環(huán)己酮和環(huán)庚酮的不對稱的Baeyer-Villiger重排反應(yīng)。他們選擇鎳和銅的金屬配合物作催化劑，將環(huán)酮類氧化成了目標(biāo)的內(nèi)酯。但試驗結(jié)果不太理想，而且此類催化體系在很大程度上受到溶劑種類的制約[19]。于此同時，Strukul等以手性鉑作催化劑催化不對稱的Baeyer-Villiger重排反應(yīng)[20]。Tatsuya等接著又以Co(Ⅲ)(salen)作催化劑、催化手性的3-取代的環(huán)丁酮生產(chǎn)相應(yīng)的內(nèi)酯，同樣取得了較好的產(chǎn)率和e.e.值[21-25]。

2 離子液體的應(yīng)用

離子液體即完全由正負(fù)離子組成的室溫下為液體的鹽，由于陰陽離子數(shù)目相等，因而整體上顯中性。又稱室溫離子液體或者室溫熔融鹽，也稱非水離子液體、液態(tài)有機(jī)鹽等。簡而言之，離子液體是指在室溫或室溫附近溫度下呈液態(tài)，并由陰陽離子組成的物質(zhì)。與熔鹽相比，離子液體的熔點低于100 ℃；與固態(tài)物質(zhì)相比，它是液態(tài)；與傳統(tǒng)的液態(tài)物質(zhì)相比，它是離子型，離子液體具有不揮發(fā)、熱穩(wěn)定性較高、便于反應(yīng)操作處理和易于回收等特點，近年來倍受關(guān)注。此外，通過陰陽離子的設(shè)計，可調(diào)節(jié)其對無機(jī)物、有機(jī)物、及聚合物的溶解性，并且其酸度可調(diào)至超酸。最初的離子液體主要用于電化學(xué)的研究，近年來在作為環(huán)境友好的溶劑方面有很大的潛力。目前，應(yīng)用于催化氧化Baeyer-Villiger重排反應(yīng)中的離子液體大多作為反應(yīng)溶劑，比較常用的是[bmim]BF4[26]，此外，還有HmimOAc[27]等。

2.1 [bmim]BF4

近年來，Roberta Bernini等將離子液體[bmim]BF4(圖1)應(yīng)用于Baeyer-Villiger重排反應(yīng)，建立了一種以離子液體作溶劑，催化氧化Baeyer-Villiger重排反應(yīng)的新的催化體系。

圖1 [bmim]BF4離子液體的結(jié)構(gòu)Fig.1 The structure of ionic liquid [bmim]BF4

MTO（甲基三氧化錸）在化學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用最多最廣的是作為多種有機(jī)化學(xué)的催化劑使用。Roberta Bernini等以MTO為催化劑，在離子液體[bmim]BF4中催化環(huán)丁酮等生成相應(yīng)的內(nèi)酯，獲得了較高的產(chǎn)率和轉(zhuǎn)化率。從綠色化學(xué)的角度講，此催化體系在較溫和的反應(yīng)條件下進(jìn)行（室溫或者40 ℃），此外，此催化體系可循環(huán)使用，而且在循環(huán)5次內(nèi)得到的產(chǎn)率沒有明顯降低。此反應(yīng)機(jī)理如圖2。

Bernini等還在MTO（甲基三氧化錸）上負(fù)載聚4-乙烯基吡啶，以丁醇為溶劑，以H2O2為氧化劑氧化甲基化的4′，5，7-三羥黃烷酮和和5，7，3′三羥基-4′甲氧基黃烷酮生成相應(yīng)的酯，產(chǎn)率也較高。上述反應(yīng)體系雖然達(dá)到了較高產(chǎn)率和轉(zhuǎn)化率，但反應(yīng)的選擇性不是很好，而且催化劑循環(huán)使用次數(shù)也有限。

圖2 離子液體中MTO催化氧化機(jī)理Fig.2 Pathway of cyclobutanone oxidation catalyzed by MTO

2.2 HmimOAc等

最近，Anna Chrobok等以過硫酸氫鉀為氧化劑，以各種離子液體為溶劑，在40 ℃的條件下，研究了各種離子液體在此體系中對Baeyer-Villiger氧化反應(yīng)的影響。實驗結(jié)果表明，此體系中效果最好的離子液體是[bmim]BF4和HmimOAc。隨后將這兩種離子液體應(yīng)用于其它內(nèi)酯和酯的合成中，都獲得了較高的產(chǎn)率（65%～95%）；這兩種離子液體被循環(huán)使用3次后，催化活性無較大的損失。該實驗體系雖然獲得了較高的產(chǎn)率和較好的選擇性，但是此體系中離子液體的循環(huán)使用次數(shù)有限。

3 結(jié)束語

幾十年來，在重排反應(yīng)的體系中，各種各樣的催化劑已廣泛應(yīng)用于催化氧化Baeyer-Villiger重排反應(yīng)。在Baeyer-Villiger重排反應(yīng)中，液態(tài)的過酸做氧化劑，加入苯甲醛等醛類做助催化劑的反應(yīng)體系不利于實現(xiàn)重排反應(yīng)的原子經(jīng)濟(jì)性，因此，上述介紹的5種催化體系中，固體酸和過渡金屬離子的分子篩類催化劑有著很好的工業(yè)應(yīng)用前景。從近幾年對Baeyer-Villiger重排反應(yīng)催化劑的研究現(xiàn)狀來看，催化體系中催化活性、反應(yīng)的原子經(jīng)濟(jì)性以及將Baeyer-Villiger重排反應(yīng)應(yīng)用于不對稱合成中等方面將是以后值得關(guān)注的重點方向。隨著人們的研究，綠色化學(xué)已經(jīng)深入到化學(xué)界的各個領(lǐng)域，離子液體作為一種新型綠色溶劑逐漸被人們認(rèn)識，在很多化學(xué)反應(yīng)中都開始嘗試使用離子液體來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的有機(jī)溶劑，它在增加反應(yīng)速率、提高催化性能和循環(huán)使用等方面有很大的潛力，因此將更多新型、功能型的離子液體應(yīng)用于Baeyer-Villiger重排反應(yīng)也將成為一種綠色環(huán)保的好方法。

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Research Progress of Baeyer-Villiger Rearrangement Reaction

WU Ning1，SUN Xiao-yun2，YUE Shuang3，ZANG Shu-liang1
（1. Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001，China；2. Shenyang Aerospace University, Liaoning Shenyang 110036，China; 3. Liaoning University, Liaoning Shenyang 110036，China）

Research situation of oxidation reaction in Baeyer-Villiger was introduced.Common catalysts were discussed, including acid and alkaline hydrotalcite-like compounds, zeolites with transition metal ions, microbial enzymes and transition metal complex. At last, application of ionic liquids in Baeyer-Villiger oxidation reaction was also introduced.

Baeyer-Villiger rearrangement； Catalyst； Ionic liquids

O 6

A

1671-0460（2012）02-0152-04

國家自然科學(xué)基金，項目號：N SFC (21071073)；國家青年科學(xué)基金項目，項目號：NSFC (21101084)

2011-12-20

武寧（1986-），女，遼寧營口人，在讀碩士，遼寧石油化工大學(xué)分析化學(xué)專業(yè)，研究方向：離子液體的合成及應(yīng)用。E-mail：wuning618@126.com。

臧樹良（1951-），男，教授，博士，研究方向：分析化學(xué)。