β-環糊精在有機合成中的應用研究進展

陳炎釗

(紹興文理學院化學化工學院， 浙江 紹興 312000)

大多數有機反應中都存在反應產率低，時間長、副產物多的缺點，選擇增加合適的催化劑的使用可以使反應的選擇性提高、縮短反應時間、保證化學反應產物的高產率。β-環糊精(β-CD)是一種環狀低聚糖，是由7個吡喃葡萄糖基單元通過α-1，4-糖苷鍵聯而成的，具有內腔疏水、外腔親水的特點，提供疏水的結合部位，作為主體包結客體。本文對β-環糊精在合成反應、保護、脫保護反應、水解、開環、還原、加成、置換等反應的應用進行綜述。

1 合成反應

1.1 合成N-苯基鄰苯二甲酰亞胺

N-苯基鄰苯二甲酰亞胺是制備吲哚洛芬和2,3,4,5-四氟苯甲酸的關鍵中間體，在生物、醫藥方面廣泛應用。許子凌等人[1]以β-環糊精為催化劑，苯胺和鄰苯二甲酸酐為原料，在水溶劑中合成了N-苯基鄰苯二甲酰亞胺，100℃下反應5h，適當提高酸性，收率達88.7%，結果表明β-環糊精在酸性下有著良好的催化活性，且催化劑重復使用性好。

1.2 合成對羥基苯甲酸

對羥基苯甲酸是尼泊金酯類食品和化妝品防腐劑的主要原料。梁興泉等人[2]將苯酚和四氯化碳在溫和條件下反應生成對羥基苯甲酸，但通常生成的是對羥基苯甲酸和水楊酸兩種產物的混合物，不加CD時，對羥基苯甲酸的產率僅為8.6%，選擇性為55%，若以環糊精為催化劑，則對羥基苯甲酸的產率提高至40%，選擇性達到100%，而且作為催化劑的CD可回收并反復使用而不影響其選擇性。

1.3 合成縮醛

Daohong Xia等人[3]以β-環糊精為催化劑，合成了一系列的縮醛包括苯甲醛乙二醇縮醛、苯甲醛-1,2-丙二醇縮醛、苯甲醛-1,3-丙二醇縮醛、苯乙醛乙二醇縮醛等，實驗表明β-環糊精對有效催化制備縮醛的反應是合適的選擇。

1.4 合成硫氰酸芐酯

張有明等人[4]以β-環糊精為催化劑，通過芐基氯與硫氰酸鈉反應合成了硫氰酸芐酯，實驗表明β-環糊精對該反應有一定的催化作用。

1.5 合成β-羥基硫化物

Surendra等人[5]在中性環境下烯烴與苯硫酚經β-環糊精催化直接合成β-羥基硫化物，反應產率良好，具有高效的化學選擇性，且作為催化劑的CD可回收并反復使用而不改變催化活性。

2 保護反應

Kumar等人[6]以苯甲氧基羰基氯為保護基團，發現了在常溫下β-環糊精的水溶液體系中選擇性保護胺的胺基的反應，不僅反應快速(1～4min)，產率也高(89%～98%)。

3 脫保護反應

3.1 四氫吡喃醚的脫保護反應

通過形成四氫吡喃醚來保護羥基，通常四氫吡喃醚的脫保護反應有副產物產生。Reddy等人[7]在β-環糊精的水溶液體系中實現了羥基的脫保護反應，在50℃下反應8～12h，多種底物的單獨收率各達70%以上。

3.2 叔丁基二甲基硅醚的氧化脫保護反應

形成叔丁基二甲基硅醚也是廣泛應用的保護羥基的方法。盡管有許多關于對叔丁基二甲基硅醚脫保護的報道，但很少能一步完成叔丁基二甲基硅醚的氧化脫保護，以N-溴代丁二酰亞胺(NBS)為氧化劑，Reddy等[8]將叔丁基二甲基硅醚脫保護至醇后，再將醇氧化為相應的醛，產率為60%～92%，且沒有氧化產物酸生成。

3.3 肟的脫保護反應

將羰基轉化為相應的肟以保護羰基。利用β-環糊精對有機物的增溶和活化作用這一特性，石東坡等人[9]將β-環糊精應用于環己酮肟的脫保護反應，實驗結果表明，β-環糊精通過和酸共同作用顯著地催化了該脫保護反應，在60℃下加入β-環糊精，反應收率提高至92%。

3.4 二醋酸酯的脫保護反應

二醋酸酯易形成和脫去，因此成為保護羰基的常用方法。Reddy等[10]發現了在水中和在β-環糊精的催化下，直接將二醋酸酯脫保護生成相應的醛，與傳統的脫保護反應相比，反應條件更溫和。

3.5 縮醛、縮酮的脫保護反應

形成縮醛或二氧戊環也是一種保護羰基基團的方法。Krishnaveni等[11]實現了β-環糊精催化50℃下水中的芳香縮醛的脫保護反應，形成相應的醛。在眾多縮醛和二氧戊環中，只有具有適合空間的醇類才能得以順利的脫保護。

3.6 醛縮硫醇的脫保護氧化反應

除以上保護羰基基團的方法外，醛縮硫醇因其易形成且在許多條件下穩定也成為保護羰基的基團。Krishnaveni等[12]實現了以醛縮硫醇為底物、以2-碘酰基苯甲酸(IBX)為氧化劑，在常溫的β-環糊精水溶液中完成了醛縮硫醇的脫保護反應，將S氧化為O，得到了相應的羰基化合物，產率在85%～94%，無β-環糊精時，反應的產率僅10%～20%。

4 水解反應

由于CD所具備的特殊結構，因此成為目前人工合成模擬酶研究中的模型之一，研究發現β-環糊精以及修飾后的β-環糊精可以模擬許多酶對有機化合物進行催化水解反應等生化反應，曹書霞等人[13]發現了β-環糊精可以催化N-二異丙氧磷酰化氨基酸的水解反應。

5 開環反應

5.1 氧雜環丙烷的開環反應

氧雜環丙烷選擇性開環制備β-羥基類化合物，一般采用金屬類催化劑而收率較低，環糊精的底物選擇性和反應催化能力可提高反應的收率。Reddy等人[14]在β-環糊精水溶液中，以鹵化氫或鹵化鋰為開環劑，將氧雜環丙烷轉化為β-鹵代醇。β-環糊精和底物(端基環氧化物)形成包合物，提高了反應的選擇性。室溫下在β-環糊精水溶液中加入N-溴代丁二酰亞胺(NBS)或2-碘酰基苯甲酸(IBX)，都能有效的將芳香氧雜環丙烷轉化為α-羥基芳香酮。當苯環上有給電子基團時，則有利于反應進行；當苯環上有吸電子基團時，則不利于反應進行。若無β-環糊精的存在，則該反應不能進行，說明了β-環糊精能對該反應有效催化。

5.2 氮雜環丙烷的開環反應

與氧雜環丙烷相似，氮雜環丙烷在β-環糊精水溶液中也能開環。以鹵化氫或鹵化鋰、苯硫酚、芳胺等為開環劑，在β-環糊精水溶液中能順利完成含氮雜環丙烷系列的開環反應。Srinivas等人[15]在β-環糊精水溶液中直接將氮雜環丙烷開環，產率達85%以上，該反應在中性溫和條件下進行，沒有使用任何開環劑，是一個環保的方法。與氧雜環丙烷的開環氧化反應相似，在β-環糊精的催化下，以NBS或IBX為氧化劑，芳香氮雜環丙烷被直接氧化為α-胺基芳香酮，產率達90%以上。

5.3 硫雜環丙烷的親核開環反應

硫雜環丙烷同樣也能開環，但已報道的方法存在許多缺點，例如反應時間長、收率低等。Reddy等人[16]在β-環糊精水溶液中，以硫代苯酚為親核試劑，將硫雜環丙烷開環，產率高達90%，且該方法簡單，無聚合現象，對環境無害。

5.4 C-3選擇性開環反應

當環氧化合物不在末端時，水解發生在哪個碳上是有選擇性的。Surendra等人[17]研究在β-環糊精催化下對兩個碳的選擇性，發現了以芳香胺為親核試劑，在C-3上選擇性水解而得到相應的氨基醇，反應無副產物或重排產物生成，且收率高(80%～92%)，研究表明β-環糊精激活了底物，與環氧化合物形成了包合物。氫譜表明了反應選擇性高的原因，即當環氧化物還在β-環糊精的空腔內時，芳香胺從β-環糊精小口端進攻C-3位。

6 還原反應

Reddy等[18]發現了含有疊氮基團芳香酮的不對稱還原反應，由于苯環上其他的基團與疊氮基團在β-環糊精中的空間位置存在差異，有些給電子基團例如甲基、異氧丙基等則可獲得很高的對映選擇性，有些吸電子基團例如硝基等幾乎沒有對映選擇性。

7 加成反應

7.1 催化Diels-Alder反應

Nishikido等[19]發現了金屬酶模型的環糊精催化劑CDP-Sc(C4-methide)3使Diels-Alder反應在室溫下反應8h，產率達95%，而其他催化劑只有10%左右的收率。原因是反應底物進入環糊精空腔，與金屬中心接近，催化效率高。

7.2 醛的烯丙基化

Krishanaveni等[20]在酸性、水介質中，以烯丙基三丁基錫為烯丙基化試劑，以β-環糊精為催化劑，實現了一系列醛的烯丙基化，反應無副產物，產率高(88%～96%)，此方法沒有使用路易斯酸或過渡金屬催化劑，對環境友好。

7.3 芳香炔烴的氫硫化加成反應

Sridhar等[21]實現了對芳香炔烴的氫硫化加成反應，生成了具有立體結構的E-乙烯硫醚，反應在β-環糊精空腔內進行，反應時間短(4～5h)且反應產物唯一，選擇性好，收率高。

8 置換反應

Krishanaveni等[22]以β-環糊精為催化劑，通過硫氰酸鉀將氧雜環丙烷置換為硫雜環丙烷，該反應的關鍵在于β-環糊精包結配合物，β-環糊精不僅活化了底物氧雜環丙烷，而且通過包結物的形成促使了開環，若無β-環糊精的催化，則反應不能進行。

Surendra等[23]以硫脲代替硫氰酸鉀置換出環硫乙烷化合物，沒有副產物，由于包結物的形成阻礙了客體分子的重排和聚合，避免了重排產物和副產物，同時主客體間的氫鍵作用弱化環氧乙烷環，提高了環氧乙烷環的反應活性。

9 小結

綜上所述，環糊精是一類性能優良的環保有機反應催化劑。β-環糊精具有內腔疏水、外腔親水的特點，不僅有增溶作用，同時具有羥基和底物間的相互作用，由此對反應選擇性產生影響。β-環糊精使許多反應在溫和的條件下進行，通過乙酸乙酯便可加以回收，實現了資源的重復利用。

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(本文文獻格式：陳炎釗.β-環糊精在有機合成中的應用研究進展[J].山東化工，2018，47(02)：53-54,56.)