过氧化氢做为氧化剂的Baeyer-Villiger氧化反应在合成中的应用

朱 祥 宇

（兰州理工大学石油化工学院, 甘肃 兰州 730050）

1899年，64岁的Adolf von Baeyer和他的学生Victor Villiger首先报道了使用过硫酸氢钾复合盐（也称为Caro’s 酸）作为一种新的氧化剂将薄荷酮类化合物氧化成相应的酯[1]。在过酸的存在下,酮和环酮转变为相应的酯和内酯的反应称为Baeyer-Villiger反应[2]。

一个多世纪后的今天，由于对氧化剂的选择性和效率的要求，Baeyer-Villiger反应的发展仍很强劲[3]。由于Baeyer-Villiger氧化反应能控制产物的立体结构, 因此在有机合成中对官能团的转化和环的扩张有重要的意义。而且利用该反应能合成具有取代基的氧杂环化合物或含有其他特殊官能团的链状化合物, 因此 Baeyer-Villiger氧化反应的产物可广泛用于天然药物的合成。特别是该反应能生成一系列有价值且很难用其他方法合成的酯和内酯, 因此具有广泛的应用价值[4]。

目前, Baeyer-Villiger氧化反应采用的氧化剂有分子氧(用醛作共氧化剂) 或过氧化氢,后者主要副产物为H2O，环境友好, 且H2O2廉价易得, 从而得到广泛研究[5]。常规的B-V反应通常用三氟过氧乙酸、过氧苯甲酸等作为氧化剂，但用三氟过氧乙酸、过氧苯甲酸等作为氧化剂会对环境造成严重的污染，工业上已经很少被使用，比较新型的Baeyer-Villiger反应氧化剂以环境友好的H2O2和O2为主[6]。本文主要介绍了绿色、环境友好氧化剂H2O2在不同条件下对醛和酮的氧化。

1 H2O2作为氧化剂氧化醛的Baeyer-Villiger反应

醛氧化为酸，尤其是芳香醛氧化成芳香酸，一般都是通过无机强酸的氧化得到，例如KMnO4, CrO3,发烟HNO3,Jones试剂等。随着对环境保护的重视，人们把目光投向了B-V反应。以苯甲醛为例，由于使用不同的催化剂，可以生成相应的产物，如苯甲酸及相应的酯和酚类化合物。

目前使用的催化剂有Brønsted酸,甲基三氧化铼(MTO), 芳基硒代酸类,二氧化硒等[7]。虽然很多文献推测催化剂会影响芳香醛生成芳香酸或者酚,但Adejare,A.等[8]研究表明芳环上的电子云密度在更大程度上决定是生成芳香酸还是酚。当芳环上有给电子基团时，更容易生成酚；而当芳环上有吸电子基团时，则更容易生成酸。

此外，溶剂类型和pH也会影响醛的氧化选择性。Nikaido等[9]研究了胡椒醛在酸性条件下氧化成相应的酚的反应，Dobrowsky等[10]研究了胡椒醛在碱性条件下氧化成相应的酸的反应，Syper, L[11]研究了中性条件下，2-硝基苯二硒化合物作为催化剂，胡椒醛直接生成相应的酚的反应（如图1所示）。

图1 不同条件下胡椒醛经H2O2氧化的反应Fig.1 Oxidation of piperonal in different conditions

Noyori等[12]研究了使用了一个简单的亲酯酸催化剂[CH3(n-C8H17)3N]HSO4,在无有机溶剂、无金属条件下，在卤化物中将醛氧化成羧酸(如图 2所示)。这可能是到目前为止的最简单、绿色的将醛氧化成酸的合成方法之一。

图 2 对硝基苯甲醛氧化成对硝基苯甲酸的反应Fig.2 Oxidation of 4-nitrobenzaldehyde

为了避免硒催化剂的污染，Knochel[13-14]将3，5-二全氟辛苯硒丁基化合物固定在氟相。这样催化剂可以回收，并且不会失活。反应如图3所示。

图 3 固定在氟相的硒化物催化剂的B-V反应Fig.3 Fluorous phase BV oxidation immobilized selenium catalysts

2 H2O2作为氧化剂氧化酮的Baeyer-Villiger反应

很少有过渡金属可以催化H2O2做为氧化剂的B-V反应，早期的过渡金属(如钛、钒、钼、钨)可能在H2O2的作用下形成复杂的过氧化物，这些都是因为它们是亲电性的原因，但它们本身还是有活性的。随着研究的深入，Jacobson, S. E.等[15]的研究得到第一个过渡金属催化剂的是六价钼过氧化物。后来证明这是一个简单的酸催化反应，而不是亲核活性的六价过氧金属化合物的例子。反应如图4所示。

图4 钼催化环戊酮的B-V反应Fig.4 Molybdenum-catalyzed BV reaction of cyclopentanone

随后，Abu-Omar, M.[16]发现甲基三氧化铼(MTO)催化剂可以在不同环境下改变它的亲电/亲核行为。在环氧化时它表现为亲电性，而在B-V氧化时表现为亲核性。甲基三氧化铼催化剂的B-V反应[17]如图5所示。

图5 甲基三氧化铼催化环丁酮的B-V反应Fig.5 MTO-catalyzed oxidation of cyclobutanone

在这基础上，Phillips, A. M. F.[18]等发现MTO催化环丁酮类似物氧化时活性特别高，比其它以存方法氧化更快。反应如图6所示。

图6 甲基三氧化铼催化环链烷酮的B-V反应Fig.6 MTO-catalyzed oxidation of cycloalkanones

Yamazaki, O.[19]等发现全氟化的锡化物Sn[NSO2C8F17]4,它在35%的H2O2的氟的两相系统中可以高效催化环酮的B-V氧化。反应如图7所示。

图7 氟化锡化物催化剂在氟的两相中的B-V氧化Fig.7 Use of a fluorous Sn catalyst for BV oxidationsin a fluorous biphasic system

链酮在质子酸催下,经过氧化氢溶液发生B-V氧化后生成的酯容易发生进一步的氧化,因此收率普遍不高. Rozen, S.等[20]发现氟氧酸/乙腈氧化剂可以经过一个环氧烷中间体发生B-V氧化，产率提高。反应如图8所示。

图8 链酮的B-V氧化反应Fig.8 BV oxidation of 2-alkanones

3 结束语

综上所述，过氧化氢做为一种绿色，环境友好的氧化剂，应用于 Baeyer-Villiger氧化中，在不同催化剂的作用下可以高效、高选择性生成目标产物。随着研究的继续深入，会有更好更廉价催化剂应用于过氧化氢的 Baeyer-Villiger氧化，使之得到更为广泛的应用。

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