常壓下DDQ/TBN催化的芐醇有氧氧化

(浙江工業大學 化學工程學院，浙江 杭州 310014)

將伯醇和仲醇氧化成相應的羰基化合物是有機化學中重要的官能團轉化反應[1-2]，傳統使用的氧化方法需要使用化學計量的氧化劑，從而產生大量的副產物，不僅浪費試劑、成本高，并且嚴重污染環境。分子氧價格低廉、來源豐富，反應生成的副產物是水，清潔無污染。從經濟性和環境方面來考慮，分子氧是一種理想的終端氧化劑[3-5]。然而，由于分子氧和有機化合物之間存在高能量勢壘，在氧化反應中，直接用分子氧氧化有機化合物是很困難的。因此，針對溫和條件下分子氧如何活化及其在醇氧化反應中的應用已經展開了大量的研究[6]。

1 實驗部分

1.1 實驗試劑及儀器

采用Agilent 7890A氣相色譜儀對產物進行分析，色譜柱為FFAP(30 m×0.25 mm×0.33 μm)，采用FID檢測器。進樣口溫度為230 ℃，載氣為氮氣，其流量為1 mL/min。所選用的測試條件：柱溫120 ℃，保持2 min，20 ℃/min程序升溫至230 ℃，恒溫20 min，分流比為30∶1。另外，筆者所使用的試劑若無特別說明，均為市售CP或AR級，不經特別處理，直接使用。

1.2 實驗方法

苯甲醇的氧化典型操作步驟：在25 mL的雙口反應瓶中，加入0.216 0 g苯甲醇(2 mmol)，0.022 7 g DDQ(0.1 mmol)和10.3 mg TBN(0.1 mmol)，5 mL乙二醇二乙醚，將冷凝管置于反應瓶上，冷凝管另一端連接氧氣球。然后開通氧氣球，置換裝置內的氣體，置換完后用橡皮塞密封反應瓶另一端。隨后，將反應瓶放入油浴(油浴已預熱至100 ℃)中加熱，開啟磁力攪拌器。反應過程中通過取樣針進行取樣檢測，直至原料反應完全。原料轉化率和產物選擇性由面積歸一化法確定，部分產物表征數據如下：

對甲基苯甲醛：1H NMR (500 MHz, CDCl3)δ為9.98 (s, 1H), 7.79 (d,J=8.1 Hz, 2H), 7.35 (d,J=8.0 Hz, 2H), 2.46 (s, 3H); MS (EI),m/z為120.06 [M+]。

間氯苯甲醛：1H NMR (500 MHz, CDCl3)δ為9.99 (s, 1H), 7.87 (t,J=1.7 Hz, 1H), 7.785 (d,J=7.6 Hz, 1H), 7.61～7.63 (m, 1H), 7.50 (t,J=7.8 Hz, 1H); MS (EI),m/z為140.01 [M+]。

對甲硫基苯甲醛：1H NMR (500 MHz, CDCl3)δ為9.92 (s, 1H), 7.77～7.79 (m, 2H), 7.27～7.34 (m, 2H), 2.54 (s, 3H); MS (EI),m/z為152.03 [M+]。

1-對甲苯基乙酮：1H NMR (500 MHz, CDCl3)δ為7.85～7.87 (m, 2H), 7.25～7.27 (m, 2H), 2.58 (s, 3H), 2.41 (s, 3H); MS (EI),m/z為135.06 [M+]。

2-羥基-1,2-二苯乙酮：1H NMR (500 MHz, CDCl3)δ為7.91～7.92 (m, 2H), 7.50～7.53 (m, 1H), 7.38～7.41 (m, 2H), 7.26～7.35 (m, 5H), 5.95 (s, 1H), 4.57 (s, br, 1H); MS (EI),m/z為212.09 [M+]。

2-(2,6-二甲基-1-氧-1,2-二氫異喹啉-3-基)苯甲醛(1)：1H NMR (500 MHz, CDCl3)δ為10.00 (s, 1H), 8.36 (d,J=8.2 Hz, 1H), 8.06 (m, 1H), 7.73 (m, 1H), 7.65 (t,J=7.5 Hz, 1H), 7.46 (m, 1H), 7.35 (m, 1H), 7.27 (s, 1H), 6.38 (s, 1H), 3.30 (s, 3H), 2.48 (s, 3H).

2 結果與討論

2.1 反應條件優化

為了確定最佳反應條件，以苯甲醇作為模型底物，分別考察了溶劑、溫度和DDQ/TBN用量對反應的影響。

2.1.1 溶劑對反應的影響

在催化氧化反應中，溶劑對反應體系具有重要影響，在不同溶劑中，催化劑會表現出不同的反應活性，因此，考察了一些常用的溶劑對該反應的影響，結果見表1。從表1可以看出不同的溶劑對反應的影響顯著。當以四氯乙烷和乙二醇二乙醚作為溶劑時，原料苯甲醇的轉化率較高，分別為95%和100%；當反應溶劑分別為乙二醇和正丁醇時，原料苯甲醇的轉化率比較低。在產物的選擇性方面，選用正丁醇、甲苯、三氟甲苯、氯苯、四氯乙烷和乙二醇二乙醚為溶劑，產物選擇性均大于95%，而在乙二醇和乙二醇單乙醚中產物選擇性比較差。綜上所述，選用乙二醇二乙醚為溶劑時，原料苯甲醇能完全轉化，產物選擇性也大于99%，所以，最終選用乙二醇二乙醚作為最佳反應溶劑，并在此基礎上對其他反應條件進行篩選。

表1 不同的溶劑對反應的影響Table 1 The effect of different solvents on the reaction

注：苯甲醇2 mmol，5 mL表中所列溶劑，反應溫度(油浴)100 ℃，氧氣球，反應結束后GC檢測，轉化率和選擇性由面積歸一化法確定。

2.1.2 溫度對反應的影響

反應溫度對化學反應的影響很大，需要選擇一個合適的反應溫度，因此，對不同的溫度進行了考察，結果見表2。從表2中可以看出：當反應溫度為100 ℃時，反應5 h后，原料已完全轉化，產物選擇性也大于99%，反應效果最好；當溫度為80 ℃時，5 h后轉化率僅為67%，雖然選擇性也很高，但反應速率過慢；當溫度升高到120 ℃時，雖然反應時間縮短了，但產物選擇性卻降低為90%。綜上所述，最終選擇以100 ℃作為最佳反應溫度。

表2 溫度對反應的影響Table 2 The effect of different temperature on the reaction

注：苯甲醇2 mmol，5 mL乙二醇二乙醚，油浴加熱，氧氣球，反應結束后GC檢測，轉化率和選擇性由面積歸一化法確定。

2.1.3 DDQ/TBN用量對反應的影響

同時，試圖減少催化劑DDQ和TBN的用量，研究是否能達到相同的實驗結果，結果見表3。從表3中可以看出：當DDQ和TBN的摩爾分數小于5%時，原料都無法完全轉化；而當兩者均為5%時，原料能完全轉化；當繼續增加催化劑量時，所需的反應時間越來越短。在實驗范圍內，產物的選擇性沒有顯著變化，苯甲醇幾乎都定量地被氧化成苯甲醛。由于增加催化劑的用量只是減短了反應時間，產物選擇性與催化劑摩爾分數為5%時沒有很大區別，所以DDQ和TBN的摩爾分數均為5%。

經過上述實驗的對比分析，最終確定最佳反應條件：苯甲醇 (2 mmol)，DDQ (0.1 mmol)，TBN (0.1 mmol)，乙二醇二乙醚為溶劑，100 ℃下氧氣氛圍中反應5 h。

表3 DDQ/TBN用量對反應的影響Table 3 The effect of the amount of DDQ/TBN on the reaction

注：苯甲醇2 mmol，5 mL乙二醇二乙醚，反應溫度(油浴)100 ℃，氧氣球，反應結束后GC檢測，轉化率和選擇性由面積歸一化法確定。

2.2 底物拓展

各類芐醇有氧氧化反應的反應方程式為

在2.1節的最優反應條件下，對反應的普適性進行了考察，反應結果如表4所示。從表4中可以看出：芐醇類化合物苯環上取代基不同或取代基位置不同時，其在該氧化體系下的氧化效果有明顯的差異(Entries 1～10)。無任何取代基的苯甲醇(Entry 1)可以定量高選擇性地轉化成相應產物苯甲醛。當底物苯環上的間位或對位有供電子基團(甲基或甲氧基)取代時，都能被定量高選擇性地氧化生成相應的醛(Entries 2，3，5)。然而當底物苯環上有吸電子基團取代時，除了間氯苯甲醇和對氯苯甲醇在增加一倍催化劑量下能夠完全轉化外(Entries 9，10)，其他底物的氧化效果不是很理想(Entries 8，11)。當底物醇中含有O，S雜原子時(Entries 12，13)，底物能在較短的時間內氧化成相應的醛。當底物對位有甲硫基取代時，也能在較短的時間內氧化成4-甲硫基苯甲醛(Entry 14)。

表4 各類芐醇的有氧氧化Table 4 The aerobic oxidation of different benzylic alcohols

注：反應條件為2 mmol底物，0.10 mmol DDQ，0.10 mmol TBN，5 mL乙二醇二乙醚，氧氣球, 100 ℃，轉化率和選擇性由面積歸一化法確定。

① 括號中數據為分離收率；② DDQ (0.16 mmol)，TBN (0.16 mmol)；③ DDQ (0.2 mmol)，TBN (0.2 mmol)。

而在芳香族仲醇的氧化中，當底物為1,2-苯基乙二醇(Entry 17)時，也能定量高效地轉化成相應的酮類物質，而沒有發生C—C鍵的斷裂生成苯甲醛。

通過對一系列底物的實驗結果的分析，發現常壓下DDQ/TBN催化的有氧氧化體系適用于能夠在反應中形成穩定碳正離子的底物，如帶供電子基團的底物；當帶強吸電子基團底物的氧化時，由于無法生成穩定的碳正離子，所以反應比較困難；同時底物取代基的空間位阻對反應也有一定的影響。

茚并[1,2-c]異喹啉類化合物具有很高的生物活性，2-(2,6-二甲基-1-氧-1,2-二氫異喹啉-3-基)苯甲醛(1)是合成茚并[1,2-c]異喹啉類化合物的關鍵中間體[23]。使用筆者所提供的方法，3-(2-(羥甲基)苯基)-2,6-二甲基異喹啉-1(2H)-酮(2)可以順利地被氧化為1，分離收率達到83%。DDQ/TBN/O2催化氧化化合物2為化合物1的反應方程式為

2.3 反應機理

結合文獻[15-16,18]，筆者推測了可能的反應機理：在該體系中，TBN熱裂解釋放出NO，NO迅速與氧氣反應生成NO2。DDQ把芐醇氧化為醛或酮，本身被還原為DDHQ，DDHQ可以被NO2氧化DDQ，使得DDQ不斷循環，而NO2的還原產物NO又馬上被氧氣氧化為NO2。DDQ/TBN催化芐醇的有氧氧化機理為

3 結 論

筆者成功開發了一種簡單、高效的DDQ/TBN催化芐醇的有氧氧化方法，此方法以有機小分子DDQ為催化劑，另一有機小分子TBN為助催化劑，綠色氧化劑氧氣為終端氧化劑。DDQ/TBN這一組合催化體系能有效地催化芐醇類、雜芳香芐醇類和取代α-苯乙醇類底物有氧氧化得到相對應的醛或酮。該方法不需要加壓，操作簡單安全，反應條件溫和，無需過渡金屬催化劑參與且所用催化劑廉價易得，具有綠色環保的特點。