固載TEMPO應(yīng)用于醇選擇性氧化的研究進展

王彩霞，胡華院，張 洋，王鵬飛，霍東升，何曉蕓，石 苗，李啟貴

(西安瑞聯(lián)新材料股份有限公司，陜西 西安 710077)

將醇氧化為相應(yīng)的醛或酮是有機合成中重要的官能團轉(zhuǎn)換反應(yīng)之一，而要實現(xiàn)醇的高選擇性、高效氧化，關(guān)鍵在催化劑。

2,2,6,6-四甲基哌啶-N-氧自由基(TEMPO)是可以穩(wěn)定存在的氮氧自由基。1987年，Anelli[1-2]發(fā)現(xiàn)發(fā)現(xiàn)使用NaBr作為助催化劑時，TEMPO能夠非常快速地催化次氯酸鹽對醇的氧化，伯、仲醇都會被快速地選擇性氧化為相應(yīng)的醛或酮，且底物攜帶的手性和N保護基不受影響。由于其催化醇的氧化反應(yīng)具有操作簡單、反應(yīng)迅速、反應(yīng)條件溫和等特點，而且表現(xiàn)出了接近當量的醛酮選擇性，在工業(yè)生產(chǎn)中成功地得到了應(yīng)用[3]。但是TEMPO與產(chǎn)物分離難分離，殘留的TEMPO影響產(chǎn)物的純度，在實驗室可采用柱層析等手段提純，在大規(guī)模的工業(yè)生產(chǎn)上卻難以實施。另外TEMPO價格比較高、不能循環(huán)使用等缺點限制了TEMPO在催化醇氧化反應(yīng)中的廣泛應(yīng)用。

因此，通過物理或化學的方法將TEMPO負載在載體，將TEMPO多相化，以實現(xiàn)催化劑的回收再用成為TEMPO催化研究的一個新領(lǐng)域[3-4]。目前用于TEMPO固載的載體主要有分子篩、硅膠和聚合物等。已報道的固載催化劑在回收使用若干次后基本能夠保持催化活性，在應(yīng)用上展示出一定的可行性。

1 硅膠負載TEMPO

硅膠具有多孔性、吸附能力高、穩(wěn)定性好等特點，可用于固載多種催化劑，由于硅膠表面裸露羥基，可通過化學鍵將TEMPO錨定。

Thomas等[5-6]制得SiO2-NH-TEMPO催化劑，見式(1)。分別以苯甲醇、4-硝基苯甲醇、2-溴苯甲醇、2-壬醇等為底物，SiO2-NH-TEMPO、TEMPO為催化劑進行了對比試驗，發(fā)現(xiàn)1h后，皆得到了選擇性氧化產(chǎn)物，說明SiO2-NH-TEMPO的催化效果與均相TEMPO催化劑相似。

劉霖[7]等將硅膠氯化，再將氯化硅膠與TEMPO以醚鍵方式鍵合，得到了SiO2-TEMPO，制備方法比較簡單。采用SiO2-TEMPO/CuCl/NaHCO3/TBAB催化體系，分子氧為氧化劑，80℃催化氧化苯甲醇時發(fā)現(xiàn)：首次反應(yīng)20min后，轉(zhuǎn)化率達90%，選擇性93%；第一次回收使用反應(yīng)25min后，轉(zhuǎn)化率73%，選擇性90%；第二次回收使用反應(yīng)25min后，轉(zhuǎn)化率僅38%，選擇性94%，SiO2-TEMPO體系循環(huán)使用性能較差。原因可能是硅膠與TEMPO之間以醚鍵連接，在堿性條件下容易發(fā)生水解反應(yīng)，在萃取產(chǎn)物時易造成催化劑流失，故循環(huán)性能不好。

2 分子篩負載TEMPO

介孔分子篩具有大的比表面和均一的孔道直徑分布， 孔徑在1.5～10nm范圍可調(diào)變等獨特的結(jié)構(gòu)性能。由于介孔分子篩的孔內(nèi)壁上存在一定數(shù)量表面羥基缺陷，使得某些物質(zhì)通過與硅羥基發(fā)生反應(yīng)而鍵合于孔內(nèi)表面成為可能。

2001年D.Brunel等[8]制備了兩種MCM-41負載TEMPO的催化劑，分別為MCM-41-ether-TEMPO，和MCM-41-amide-TEMPO，見式(2,3)。研究發(fā)現(xiàn)在使用MCM-41-TEMPO/NaOCl催化體系時，a-甲葡萄糖苷成功地被氧化成1-o-甲基葡萄糖醛，選擇性大于95%，并且兩種催化劑MCM-41-ether-TEMPO和MCM-41-amide-TEMPO效果沒有差異。另外，使用氧氣作為氧化劑，將MCM-41-ether-TEMPO/CuCl和CuCl及均相TEMPO/CuCl催化體系對苯甲醇的氧化效果進行了對比，發(fā)現(xiàn)與均相體系相比，MCM-41-ether-TEMPO/CuCl表現(xiàn)出相似的選擇性，都大于99%，但是轉(zhuǎn)化率僅35%。

2007年，Karimi等[9]制得BA-15-TEMPO，見式(4)。以苯甲醇為底物，采用SBA-15-TEMPO/NaNO2/nBu4NBr催化體系，分子氧為氧化劑，發(fā)現(xiàn)苯甲醇99.8 %的被選擇性氧化為苯甲醛，其轉(zhuǎn)化率更是達到100 %，僅僅有0.2 %的苯乙酸副產(chǎn)物。進一步的研究發(fā)現(xiàn)SBA-15-TEMPO能夠在無過渡金屬的條件下催化伯醇、仲醇及高位阻醇的選擇性氧化；并且連續(xù)循環(huán)使用14次后其固載的TEMPO幾乎未脫落，母體SBA-15的介孔通道也無坍塌。

(3)

3 聚合物負載TEMPO

2000年Arne Dijksman等[10-11]通過H2O2/NaWO4·2H2O催化體系將低聚物受阻胺光穩(wěn)定劑944(MW=3000)氧化制得TEMPO固載化催化劑PIPO (polyamine immobilised piperidinyl oxyl, 式5)。以次氯酸鈉為氧化劑，PIPO為催化劑，二氯甲烷為溶劑氧化1-辛醇、2-辛醇、苯甲醇等，發(fā)現(xiàn)反應(yīng)20min后，反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率和選擇性都大于99%，PIPO表現(xiàn)出比TEMPO更高的活性。并且在無溶劑的情況下，PIPO亦表現(xiàn)出相當好的活性：反應(yīng)45min后，轉(zhuǎn)化率達95%，選擇性大于99%。反應(yīng)10min后將反應(yīng)混合物過濾，發(fā)現(xiàn)濾液無任何活性，而濾餅則可以作為催化劑使用至少2次。進一步研究發(fā)現(xiàn)在不使用Br-助催化劑的情況下，PIPO也能有效地催化NaOCl氧化醇。

2003年，Minisci等[12]報導了汽巴特種化工公司合成的一種多功能可循環(huán)使用的新型氮氧自由基:嫁接TEMPO的大環(huán)化合物，見式(6)，其在大多數(shù)有機溶劑中的溶解性很差，容易回收利用，具有很好的實用性。在Mn(NO3)2/Cu(NO3)2或Mn(NO3)2/Co(NO3)2的協(xié)助下，以苯甲醇、對甲氧基苯甲醇、糠醇等為底物，這個大環(huán)化合物能在室溫條件下催化空氣或分子氧或者H2O2對醇的選擇性氧化反應(yīng)，產(chǎn)率皆大于92%，而對應(yīng)的無催化劑或金屬鹽的空白實驗不反應(yīng)。進一步的研究發(fā)現(xiàn)其催化氧化反應(yīng)速率受反應(yīng)溫度和氮氧自由基濃度的影響，因此在工業(yè)生產(chǎn)中可以選用較低的溫度和較高濃度的催化劑，這點非常實用。

Michelle等[13-14]通過接枝有羧端基的共聚物FibreCatTM(羧基含量=6.5 mmol/g)與4-OH-TEMPO的酯化反應(yīng)，將TEMPO負載于聚合物上制得PS- TEMPO，見式(7)。以1-辛醇為底物，PS-TEMPO為催化劑，發(fā)現(xiàn)回收PS-TEMPO的催化活性無降低，與TEMPO相比其催化活性稍低，但反應(yīng)后可直接過濾分離，并且經(jīng)過20次重復使用后其活性未發(fā)現(xiàn)明顯降低。

Pedro等[15]以聚乙二醇為載體，在其端基嫁接TEMPO，制得負載催化劑PEG-TEMPO，見式(8)。發(fā)現(xiàn)僅接枝TEMPO的聚乙二醇具有優(yōu)異的催化活性，聚乙二醇的分子量以及接枝的間隔等影響催化劑的回收效率和催化性能[16]。

4 離子液體負載的TEMPO

室溫離子液體是由陰、陽離子組成且常溫下呈液態(tài)的離子化合物。同易揮發(fā)的有機溶劑比，離子液體沒有可測的蒸氣壓、熱容大、不可燃、熱穩(wěn)定性好、離子電導率高、電化學窗口寬等優(yōu)點。通過選擇適當?shù)年庪x子或陽離子的烷基鏈，可改善離子液體的物理或化學性質(zhì)。鑒于這種可調(diào)控性[17-18]，可將TEMPO負載于離子液體上。魏運洋等[19]制得2,2,6,6-四甲基-N-氧自由基哌啶醇負載離子液體TEMPO-IL，見式(9)。在[7bmim]PF6中，以TEMPO-IL和CuCl為催化劑，分子氧氧化各種醇為相應(yīng)的醛或酮。研究發(fā)現(xiàn)，該氧化體系對芐醇和烯丙醇有較好的氧化效果，65℃下反應(yīng)10 h，轉(zhuǎn)化率可達99%。氧化體系對醛酮有高度的選擇性，在實驗所采用的條件范圍內(nèi)未檢測到有羧酸生成。在苯甲醇的氧化中，溶劑和催化劑循環(huán)使用6次，反應(yīng)轉(zhuǎn)化率保持不變。

2006年Qian等[20]制備了三個負載于離子液體上的TEMPO催化劑，見式(10)，研究發(fā)現(xiàn)在相似的反應(yīng)條件下得到相同的收率時，催化劑7的反應(yīng)時間是催化劑4和6的二分之一，說明其活性是它們的2倍。將催化劑4和6循環(huán)使用5次后，其催化活性無明顯降低，可見以酯鍵相連的催化劑同以醚鍵相連的催化劑一樣穩(wěn)定。

5 結(jié)束語

TEMPO催化氧化醇轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的醛或酮反應(yīng)條件溫和，轉(zhuǎn)化率高。為解決因TEMPO價格昂貴、回收處理困難等對于該反應(yīng)廣泛應(yīng)用的限制，研究者們進行了多方面的嘗試。發(fā)現(xiàn)使用無機載體時，固載TEMPO經(jīng)過濾即可回收，但催化活性會有所降低。用聚合物等有機物作為載體，TEMPO6接枝方法容易，而且有些接枝TEMPO的聚合物催化劑表現(xiàn)出不同于TEMPO的新催化特點。總之，固載TEMPO研究今后仍將會是TEMPO催化醇氧化反應(yīng)的主要研究方向。