n-Bu4NI/TBHP作用下水相中醛的高效氧化反应

丁丽媛, 高 颖, 曾晓飞, 钟国富

(杭州师范大学材料与化学化工学院,浙江 杭州 310036)

n-Bu4NI/TBHP作用下水相中醛的高效氧化反应

丁丽媛, 高 颖, 曾晓飞, 钟国富

(杭州师范大学材料与化学化工学院,浙江 杭州 310036)

在温和条件下,以n-Bu4NI作为催化剂,TBHP(过氧叔丁醇)作为氧化剂,高选择性地将对甲氧基苯甲醛氧化为相应的羧酸.结果表明，以水为溶剂,反应时间6 h,产率可以达到95%.在此条件下,拓展了一系列的醛类化合物,都能以大于90%的产率得到相应的羧酸衍生物.

醛；羧酸；水相；氧化反应

将醛类氧化为羧酸是有机化学中常见且具有重要价值的氧化反应[1-2],同时也是生物代谢过程的必经之路.生物体在水相中使用酶作为催化剂,氧气作为氧化剂,配合细胞内环境可以高效地实现醛到酸的转化.但是在工业和学术界,化学家们若要高效地实现由醛到酸的转化,方法却非常局限.因为普通的氧化反应很难使氧化停留在酸的阶段.最终反应的效率很差,且经常得到各种氧化产物的混合物.即使在今天,大多数这样的氧化反应,如著名的琼斯试剂[3-4]、Tollen’s试剂[5]、Fehling’s试剂[6]以及高锰酸钾[7]等,仍然需要用到污染且昂贵的氧化剂以及有毒溶剂[8-15].如何更加温和、环保、高效地实现醛到羧酸的氧化仍然是一个亟待解决的问题.

数十年来,水相有机反应成为有机合成的新热点,它不仅打破了传统的有机反应必须在有机溶剂中进行的要求,而且其条件更温和、成本低廉,有效减少了有机溶剂的使用,适应了当今社会对化学反应低能耗和绿色化的要求,因此有着十分重要的理论意义和现实意义[16].本文报道了在水相条件下,以n-Bu4NI作为催化剂、TBHP(过氧叔丁醇)作为氧化剂的醛的高效氧化反应,以优秀的产率高选择性地得到了一系列羧酸.

1 实验部分

1.1 主要仪器及试剂

所使用试剂和原料如无特殊说明,均为购置无需进一步处理.柱层析硅胶(200～300目,青岛海洋化工厂分厂),硅胶板(厚度0.20～0.25 mm,青岛海洋化工厂分厂).薄层层析用紫外灯(254 nm)、核磁共振仪(TMS内标,Bruker公司,500 MHz)、质谱仪(Agilent 5979).

对甲氧基苯甲醛,过氧叔丁醇,四丁基氯化铵,四丁基溴化铵,四丁基碘化铵,苯甲醛,对甲基苯甲醛,邻甲氧基苯甲醛,胡椒醛,对氟苯甲醛,邻氟苯甲醛,2-萘甲醛,邻氯苯甲醛,间氯苯甲醛,2-噻吩甲醛,对硝基苯甲醛,肉桂醛,对硝基肉桂醛,α-甲基肉桂醛,四氢呋喃,二氯甲烷,乙酸乙酯均从国药集团化学试剂有限公司购买.

1.2 目标产物的制备方法

取干净5 mL反应瓶,加入对甲氧基苯甲醛(0.5 mmol)、n-Bu4NI(0.11 mmol)、过氧叔丁醇(0.10 mL,1.5 mmol)、溶剂(1.0 mL)后在80 ℃条件下搅拌反应(TLC跟踪).反应结束后,用二氯甲烷(3×10 mL) 萃取,有机相用饱和食盐水、水洗涤,Na2SO4干燥,减压蒸干溶剂后用V(乙酸乙酯)∶V(石油醚)=1∶3的溶剂为洗脱剂,300目柱层析硅胶为填料,柱层析分离提纯得到目标产物.或者也可在反应结束后,直接过滤生成的固体并重结晶纯化得到目标产物.

3a:苯甲酸,1H NMR (CDCl3,500 MHz)δ(ppm):8.14[m,5H],7.63[tt,J=7.32,2.05 Hz,1H],7.49[t,J=7.32 Hz,2H];13C NMR (CDCl3,125 MHz)δ(ppm):172.7,133.8,130.2,129.3,128.5; MS(ESI)m/z(%):124 [M+1].

3b:对甲基苯甲酸,1H NMR (CDCl3,500 MHz)δ(ppm):12.77[br,1H],7.82[d,J=8.19 Hz,2H],7.28[d,J=8.19 Hz,2H],2.35[s,3H];13C NMR (CDCl3,125 MHz)δ(ppm):167.7,143.5,129.8,129.6,128.5,21.6; MS (ESI)m/z(%):137 [M+1].

3c:对甲氧基苯甲酸,1H NMR(CDCl3,500 MHz)δ(ppm):12.60[br,1H],7.88[dt,J=9.07,2.05 Hz,2H],7.00[dt,J=9.07 Hz,2H],3.80[s,3H];13C NMR (CDCl3,125 MHz)δ(ppm):167.4,163.3,131.8,123.4,114.3,55.9; MS (ESI)m/z(%):153 [M+1].

3d:邻甲氧基苯甲酸,1H NMR (CDCl3,500 MHz)δ(ppm):7.61[dd,J=7.90,2.05 Hz,1H],7.48[m,1H],7.10[d,J=8.49 Hz,1H],6.97[dt,J=7.32,0.88 Hz,1H],3.79[s,3H];13C NMR (CDCl3,125 MHz)δ(ppm):167.8,158.5,133.5,131.0,121.7,120.4,112.9,56.1; MS (ESI)m/z(%):153 [M+1].

3e:胡椒酸,1H NMR (CDCl3,500 MHz)δ(ppm):12.63[br,1H],7.55[dd,J=8.24,1.83 Hz,1H],7.36[d,J=1.83 Hz,1H],7.00[d,J=8.24 Hz,1H],6.12[s,3H];13C NMR (CDCl3,125 MHz)δ(ppm):167.1,151.6,147.9,125.4,125.1,109.2,108.5,102.4; MS (ESI)m/z(%):167 [M+1].

3f:对氟苯甲酸,1H NMR (CDCl3,500 MHz)δ(ppm):13.04[br,1H],7.98[m,2H],7.30[m,2H];13C NMR (CDCl3,125 MHz)δ(ppm):167.0,163.7 (JC-F=250.59 Hz),166.8,132.6,132.5 (JC-F=9.20 Hz),127.8,127.8 (JC-F=2.87 Hz),116.2,115.9 (JC-F=22.41 Hz); MS (ESI)m/z(%):141 [M+1].

3g:邻氟苯甲酸,1H NMR (CDCl3,500 MHz)δ(ppm):13.21[br,1H],7.84[m,1H],7.53[m,1H],7.20[m,2H];13C NMR (CDCl3,125 MHz)δ(ppm):165.5,163.3,159.9 (JC-F=256.91 Hz),134.9,134.8 (JC-F=8.62 Hz),132.3,132.3(JC-F=1.15 Hz),124.7,124.6 (JC-F=3.45 Hz),119.8,119.7 (JC-F=10.35 Hz),117.3,117.0 (JC-F=22.41 Hz); MS (ESI)m/z(%):141 [M+1].

3h:2-萘甲酸,1H NMR (CDCl3,500 MHz)δ(ppm):9.10[d,J=8.78 Hz,1H],8.44[dd,J=7.32,1.46 Hz,1H],8.11[d,J=7.90 Hz,1H],7.93[d,J=7.90 Hz,1H],7.68[m,1H],7.57[m,2H];13C NMR (CDCl3,125 MHz)δ(ppm):173.2,134.7,133.9,131.9,131.6,128.7,128.1,126.3,125.9,125.5,124.5; MS (ESI)m/z(%):173 [M+1].

3i:邻氯苯甲酸,1H NMR(CDCl3,500 MHz)δ(ppm):13.36[br,1H],7.76[m,1H],7.52[m,2H],7.42[m,1H];13C NMR (CDCl3,125 MHz)δ(ppm):167.2,133.0,132.0,131.9,131.2,131.1,127.7; MS (ESI)m/z(%):157 [M+1].

3j:间氯苯甲酸,1H NMR (CDCl3,500 MHz)δ(ppm):13.31[br,1H],7.88[m,2H],7.69[m,1H],7.52[t,J=7.90 Hz,1H];13C NMR (CDCl3,125 MHz)δ(ppm):166.5,133.8,133.3,133.2,131.1,129.3,128.4; MS (ESI)m/z(%):157 [M+1].

3k:2-噻吩甲酸,1H NMR (CDCl3,500 MHz)δ(ppm):7.91[dd,J=3.80,1.17 Hz,1H],7.66[dd,J=4.97,1.15 Hz,1H],7.15[dd,J=3.80,4.97 Hz,1H];13C NMR (CDCl3,125 MHz)δ(ppm):167.4,135.0,134.0,132.8,128.1; MS (ESI)m/z(%):129 [M+1].

3l:对硝基苯甲酸,1H NMR (CDCl3,500 MHz)δ(ppm):13.56,8.30[d,J=9.07 Hz,2H],8.15[d,J=9.07 Hz,2H];13C NMR (CDCl3,125 MHz)δ(ppm):166.2,150.5,136.9,131.1,124.2; MS (ESI)m/z(%):168 [M+1].

3m:肉桂酸,1H NMR (CDCl3,500 MHz)δ(ppm):12.26[br,1H],7.66[m,2H],7.58[d,Jtrans-=16.09 Hz,1H],7.39[m,3H],6.51[d,Jtrans-=16.09 Hz,1H];13C NMR (CDCl3,125 MHz)δ(ppm):168.0,144.4,134.7,130.7,129.3,128.6,119.7; MS (ESI)m/z(%):149 [M+1].

3n:对硝基肉桂酸,1H NMR (CDCl3,500 MHz)δ(ppm):12.77[br,1H],8.22[d,J=8.78 Hz,2H],7.96[d,J=8.78 Hz,2H],7.68[d,Jtrans-=16.09 Hz,1H],6.72[d,Jtrans-=16.09 Hz,1H];13C NMR (CDCl3,125 MHz)δ(ppm):167.5,148.4,141.8,141.2,131.1,129.7,124.4; MS (ESI)m/z(%):194 [M+1].

3o:α-甲基肉桂酸,1H NMR (CDCl3,500 MHz)δ(ppm):12.54[br,1H],7.58[d,J=1.46 Hz,1H],7.44[m,5H],2.00[d,J=1.46 Hz,3H];13C NMR (CDCl3,125 MHz)δ(ppm):169.8,138.1,136.0,130.0,128.9,128.8,14.4; MS (ESI)m/z(%):163 [M+1].

2 结果与讨论

2.1 反应条件优化

本文以对甲氧基苯甲醛为模板底物进行研究,以找到此反应的最佳条件.如表1所示，当反应中只加入反应底物和氧化剂TBHP时,反应不能发生.随后对反应的催化剂进行考察，发现四丁基卤化铵等催化剂都表现出良好的催化活性(序号2，3，4),但四丁基碘化铵能够得到明显高的产率(序号4),我们认为阴离子碘在自由基形成的过程中起到了良好的作用.接着尝试在不同溶剂条件下对此反应进行进一步研究,以期能够实现更好的产率.当以甲醇作为溶剂时,未能得到所需产物,而是进一步与甲醇酯化之后形成了甲酯(序号5).实验室常用溶剂乙酸乙酯、二氯甲烷等均未能进一步提高反应产率(序号6,7).令人意外的是,当采用水作为溶剂时,在更短的反应时间内以大于90%的产率得到了目标产物,这说明过量的水能够极大地加速目标产物的形成.

表1 不同反应条件对氧化反应的影响Tab. 1 Effect of different reaction conditions to the oxidation reaction

反应条件:对甲氧基苯甲醛0.5 mmol,催化剂0.025 mmol, TBHP (70% 水溶液,3.0 equiv.),溶剂(1.0 mL),80 ℃下搅拌反应.a:分离产率.

2.2 底物的拓展

在确定了以水为溶剂,四丁基碘化铵为催化剂,过氧叔丁醇为氧化剂,反应时间6 h为最佳反应条件之后,对醛类底物适用性进行探究,如表2所示.可以看出,各种取代的苯甲醛都能够在最优化的条件下顺利地生成目标产物,苯环上取代基的电子效应对产物产率的影响并不明显,都能得到大于90%的分离产率.同时还可以看出,萘基取代的芳香醛(2h)同样也能得到90%的产率；杂环芳香醛(2k)则以98%的产率得到了所需产物.另外,对于α,β-不饱和醛(2m,2n和2o)而言,在此反应中同样得到了令人满意的结果.特别值得注意的是,由于采用水作为反应的溶剂,在反应结束后生成大量的难溶于水的固体产物,而催化剂和过量的氧化剂皆为水溶性,因此只需经过简单的过滤就能够分离出粗品目标产物,这非常有利于反应的工业化放大生产.

表2 不同醛底物的氧化反应Tab. 2 The substrate scope of the oxidation reaction

反应条件:醛0.5 mmol,催化剂0.025 mmol, TBHP (70%水溶液,3.0 equiv.),溶剂(1.0 mL),80 ℃下搅拌反应.a:分离产率.

3 结论

本文报道了一种水相条件下,n-Bu4NI催化的、TBHP氧化的醛的高效高选择性氧化反应.以对甲氧基苯甲醛作为模板底物,探究不同催化剂、反应温度、反应溶剂等对反应的影响,之后选取最优反应条件,进一步对不同底物进行适用性探究.结果表明，在水中,n-Bu4NI作为催化剂,过氧叔丁醇作为氧化剂,可以将醛定向氧化为羧酸,并且产率均可达到90%以上.

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Highly Efficient Oxidation of Aldehydes Mediated byn-Bu4NI/TBHP in Water

DING Liyuan, GAO Ying, ZENG Xiaofei, ZHONG Guofu
(College of Material, Chemistry and Chemical Engineering, Hangzhou Normal University, Hangzhou 310036, China)

A highly efficient oxidation of aromatic aldehydes to corresponding carboxylic acids by using TBHP as oxidant catalyzed byn-Bu4NI under mild reaction conditions is reported. The results show that the yield can reach 95% with water as the solvent in 6 h. Under the optimised reaction condition, a series of aldehydes are investigated, and the carboxylic acids can be obtained in more than 90% yields.

aldehyde; carboxylic acid; aqueous media; oxidation reaction

10.3969/j.issn.1674-232X.2017.03.001

2017-02-23

浙江省公益技术研究社会发展项目(2016C33088)；杭州市留学归国人员创新创业项目.

曾晓飞(1983—)，男，教授，博士，主要从事有机合成、药物合成研究.E-mail:chemzxf@hznu.edu.cn

O625.51+1

A

1674-232X(2017)03-0225-05