專利名稱：：一種氧氣氧化醇制備醛或酮的方法
技術(shù)領(lǐng)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(guò)催化氧氣氧化醇制備醛或酮的化學(xué)反應(yīng)過(guò)程，具體地說(shuō)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(shù)：
：醇氧化為羰基化合物是有機(jī)合成中是最重要的單元反應(yīng)之一，該反應(yīng)大量應(yīng)用于精細(xì)化學(xué)品和有機(jī)中間體的合成中文獻(xiàn)1.Hudlicky，M.;OxidationsinOrganicChemistry.Washington,DC:ACS,1990。這類反應(yīng)傳統(tǒng)上采用化學(xué)計(jì)量的氧化劑，例如氧化鉻文獻(xiàn)2.Muzart,J.Chem.Rev.，1992,92,113—140.、氧化錳文獻(xiàn)3.Regen,S.L.;Koteel，C.J.Am.Chem.Soc.，1977，99，3837—3838.、氧化釕文獻(xiàn)4.:Griffith,W.P.Chem.Soc.Rev"1992，21，179-185、Dess-Martin試劑文獻(xiàn)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(yīng)過(guò)程產(chǎn)生的大量廢棄物嚴(yán)重污染了環(huán)境。當(dāng)今日益突出的環(huán)境污染也是一個(gè)令人棘手的問(wèn)題，所以如何解決這些問(wèn)題越來(lái)越受到人們的重視。因此無(wú)論從經(jīng)濟(jì)的角度，還是從保護(hù)環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展的觀點(diǎn)來(lái)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(guó)專利申請(qǐng)?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(guò)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(yīng)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(qǐng)中所給出的實(shí)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(dāng)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(yīng)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(guò)程中可能存在爆炸的風(fēng)險(xiǎn)；(4)使用二氯甲烷等鹵代烴類溶劑對(duì)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(duì)設(shè)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(jī)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(guò)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(guò)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(yīng)溫度為0-80°C;反應(yīng)時(shí)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(guò)渡金屬硝酸鹽的過(guò)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(guò)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(yīng)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(jī)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(gòu):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(yīng)底物計(jì)，l-8mol%的更經(jīng)濟(jì)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(guò)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(yīng)1-36小時(shí)，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(yīng)。本發(fā)明適用于醫(yī)藥中間體、農(nóng)用化學(xué)品、香料等精細(xì)化學(xué)品以及基本化學(xué)品的醛或酮的生產(chǎn)。本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)-1.采用便宜、豐富的空氣或氧氣替代化學(xué)氧化劑，有效地降低原料成本。2.反應(yīng)條件溫和，操作易于控制。反應(yīng)在有機(jī)溶劑中進(jìn)行，反應(yīng)溫度控制在08(TC,在室溫下，反應(yīng)就可以順利進(jìn)行。氧氣壓力低，在0.1MPa氧氣或空氣壓力下，反應(yīng)即可順利進(jìn)行。3.后處理簡(jiǎn)單，產(chǎn)品收率高。4.整個(gè)過(guò)程對(duì)環(huán)境友好，不存在污染。由于反應(yīng)過(guò)程中所用氧化劑是氧氣，副產(chǎn)物是水，所以整個(gè)過(guò)程幾乎對(duì)環(huán)境不會(huì)造成任何污染，是一種綠色化學(xué)合成方法。具體實(shí)施方式下面通過(guò)實(shí)施例對(duì)本發(fā)明給予進(jìn)一步的說(shuō)明，當(dāng)然，本發(fā)明不僅限于下述的實(shí)施例。實(shí)施例1反應(yīng)在裝有磁子的具有Teflon襯里的316L不銹鋼釜(300mL)中進(jìn)行，釜中的空氣在反應(yīng)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(yù)先升至80'C的油浴中，反應(yīng)到一定相應(yīng)時(shí)間后停止攪拌，降溫，小心地放壓。取樣進(jìn)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(xì)地用二氯甲垸洗釜，合并有機(jī)溶液。用飽和的Na2S203的水溶液洗滌有機(jī)相，除去TEMPO和無(wú)機(jī)鹽，有機(jī)層用無(wú)水硫酸鈉干燥，然后旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)，除去有機(jī)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(cè)定采用Agilent68卯N氣相色譜系統(tǒng)，HP-5柱(30mmX0.25mm)，氫火焰檢測(cè)器，檢測(cè)器的溫度為250'C，進(jìn)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(duì)比與標(biāo)準(zhǔn)化合物的氣相色譜保留時(shí)間，GC-MS和iHNMR、"CNMR來(lái)確證產(chǎn)物。實(shí)施例2所用過(guò)渡金屬鹽為硝酸銅,試驗(yàn)方法和步驟同實(shí)施例1，反應(yīng)溫度為8(TC，反應(yīng)時(shí)間為lh，收率94%。實(shí)施例3所用過(guò)渡金屬鹽為硝酸鉻[Cr(N03)y9H20]，試驗(yàn)方法和步驟同實(shí)施例1，反應(yīng)溫度為80'C,反應(yīng)時(shí)間為lh,收率92%。實(shí)施例4氧化反應(yīng)在裝有磁子的長(zhǎng)頸單口圓底燒瓶(50mL)中進(jìn)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(yīng)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(yīng)到10小時(shí)后停止攪拌。取樣進(jìn)行氣相色譜分析反應(yīng)完全，將反應(yīng)液體轉(zhuǎn)移到分液漏斗中，然后仔細(xì)地用乙酸乙酯洗燒瓶，合并有機(jī)溶液。依次用飽和的Na2S203水溶液和NaHC03水溶液洗滌有機(jī)相，除去4-OH-TEMPO和無(wú)機(jī)鹽，有機(jī)層用無(wú)水硫酸鈉干燥，然后旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)，除去有機(jī)溶劑即可得到純的苯甲醛，收率95%，GC分析含量為99%以上。實(shí)施例5試驗(yàn)方法和步驟同實(shí)施例4，但所用的催化劑是TEMPO，反應(yīng)時(shí)間為12h，苯甲醛收率95%，含量》99%。實(shí)施例6試驗(yàn)方法和步驟同實(shí)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(yīng)llh，苯甲醛收率96%，含量>99%。實(shí)施例7試驗(yàn)方法和步驟同實(shí)施例5，但所用的溶劑是冰乙酸，反應(yīng)時(shí)間為10h，苯甲醛收率93%,含量》99%。實(shí)施例8試驗(yàn)方法和步驟同實(shí)施例5,但所用的催化劑是TEMPO,反應(yīng)時(shí)間為15h，苯甲醛收率95%，含量》99%。實(shí)施例9-29試驗(yàn)方法和步驟同實(shí)施例5，用不同的醇(5.0mmo1)作為反應(yīng)底物，在8mL乙腈中敞口攪拌反應(yīng)一定時(shí)間，取樣用GC分析底物的轉(zhuǎn)化率和選擇性。反應(yīng)完全后，將反應(yīng)液體轉(zhuǎn)移到分液漏斗中，然后仔細(xì)地用乙酸乙酯洗燒瓶，合并有機(jī)溶液。依次用飽和的Na2S203水溶液和NaHC03水溶液洗滌有機(jī)相，除去4-OH-TEMPO和無(wú)機(jī)鹽，有機(jī)層用無(wú)水硫酸鈉干燥，然后旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)，除去有機(jī)溶劑即可得到相應(yīng)的純的醛或酮類產(chǎn)品。具體結(jié)果見(jiàn)表l。表1實(shí)施例底物產(chǎn)物方法時(shí)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(yīng)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(yīng)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(yīng)的取代苯甲醛(實(shí)施例9-18)。苯甲醇類化合物的苯環(huán)上的供電子基能促進(jìn)反應(yīng)；而吸電子基則明顯抑制反應(yīng)，需要增加4-OH-TEMPO的用量并延長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)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(yīng)的芳香酮(實(shí)施例19-21)。但對(duì)于脂肪醇而言，反應(yīng)速度顯著降低，需要增加催化劑用量和延長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)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(shí)施例22-23)。由于有與過(guò)渡金屬較強(qiáng)的配位能力，糠醇、4-甲硫基苯甲醇和2-噻吩甲醇被認(rèn)為是難以被常見(jiàn)的過(guò)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(yīng)的醛(實(shí)施例24-26)。對(duì)于苯甲醇/苯甲硫醚的混合物(實(shí)施例27)，盡管同時(shí)存在硫醚和羥基兩種易氧化的官能團(tuán)，但反應(yīng)仍不受硫醚官能團(tuán)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(shuō)明，通常不適用于過(guò)渡金屬催化氧化的硫醚官能團(tuán)，并沒(méi)有對(duì)本氧化反應(yīng)造成有害的影響。而對(duì)于3-吡啶甲醇，由于Fe(N03)3會(huì)被具有堿性的吡啶環(huán)部分中和，即使加入2化學(xué)計(jì)量冰乙酸中和其堿性，采用方法B室溫下反應(yīng)24h轉(zhuǎn)化仍很慢；而改用冰乙酸為溶劑反應(yīng)11h,則可100%選擇性地完全轉(zhuǎn)化(實(shí)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(shí)施例29)。由上述的實(shí)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(tuán)的醇氧化相應(yīng)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(yīng)條件溫和，操作易于控制，成本低，安全，整個(gè)過(guò)程對(duì)環(huán)境友好，不存在污染等特點(diǎn)。權(quán)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(jī)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(guò)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(guò)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(yīng)溫度為0-80℃；反應(yīng)時(shí)間為1-36h。2.按照權(quán)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(quán)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(guò)渡金屬硝酸鹽的過(guò)渡金屬為鐵、銅、鉻、錳、鈷中的一種或多種。4.按照權(quán)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(guò)渡金屬硝酸鹽的量為醇的l-8mol%。5.按照權(quán)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(quán)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(yīng)溫度為10-35aC。7.按照權(quán)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(jī)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(quán)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(gòu)<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(yīng)底物計(jì)，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(guò)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(yīng)1-36小時(shí)，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(yīng)條件溫和，操作易于控制，成本低，安全，整個(gè)過(guò)程對(duì)環(huán)境友好，不存在污染等特點(diǎn)。文檔編號(hào)B01J31/02GK101544548SQ20081001075公開日2009年9月30日申請(qǐng)日期2008年3月26日優(yōu)先權(quán)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(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所