TEMPO在溶剂中将醇氧化成醛的选择性-系列一

摘要

使用TEMPO催化将醇氧化为醛已成为此类转化应用最广泛的方法之一。其优点之一是利用次氯酸钠（家用漂白剂）作为氧化剂，水作为共用溶剂。但是这种方法的主要缺点是和水的双相反应介质使用的二氯甲烷，而二氯甲烷是严格管控的。之前的研究表明，很难找到二氯甲烷的替代品，因为替代品均会导致反应的抑制或者选择性的降低。因此，经过大量的实验之后，目前只有已知少数几种是可以替代二氯甲烷的。本文讨论在替代溶剂中寻找一种适用于各种TEMPO氧化醇的方法。本文发现了一种使用次氯酸钠替代二氯甲烷，在腈类溶剂中进行氧化的方法。除了芳族伯醇的氧化外，脂肪族伯醇、仲醇和二醇在使用这种方法时也成功转化，显示出这种方法对羰基化合物的高选择性，并且只产生少量的酸副产物。

TEMPO氧化溶剂选择背景

将醇选择性氧化成醛仍然是有机化学中的一个主要挑战。目前已有许多已知的方法，例如：铬基氧化、使用活化二甲基亚砜的氧化、高价碘物质的氧化、钌基氧化。而使用2,2,6,6-四甲基哌啶-氮-氧化物（TEMPO）催化的氧化是其中突出的和应用广泛的。由于铬盐的高毒性，铬基氧化方法在工业应用中存在严重隐患。伯醇向醛的Swern-氧化通常在极低温度下进行（约-80℃），这使得这种方法也不太受欢迎。戴斯-马丁氧化等高价碘类的氧化方法通常在卤化溶剂中进行，而用作氧化剂的戴斯-马丁高碘烷是一种昂贵且易爆的化合物，需要事先合成。作为氧化剂，次氯酸盐用于由水和二氯甲烷组成的双相反应介质。除了Anelli型TEMPO氧化外，还开发了许多其他类型的这种氧化方法。本系列探讨使用金属盐添加剂或不同的氧化剂、不同的 TEMPO 衍生物或固定化的TEMPO作为催化剂或不同的溶剂系统，研究了TEMPO作为将醇氧化为羰基化合物的催化剂。然而，使用次氯酸钠作为氧化剂和 TEMPO作为催化剂的“经典”TEMPO 氧化方法的主要缺点是用于将伯醇选择性氧化为醛的溶剂系统的严格管制，该溶剂系统由水的双相系统和二氯甲烷(DCM)组成。研究人员进行了许多实验以寻找替代溶剂，但尽管有一些可能的替代品，但没有发现通用溶剂或溶剂类型适用于选择性 TEMPO 催化将伯醇氧化为醛。例如，谢尔顿小组，研究使用乙酸乙酯 (EtOAc) 或甲基叔丁基醚 (MTBE)作为替代溶剂进行芳香族醇的氧化。尽管理论上可以表明，与二氯甲烷相比，TEMPO 氧化可以在替代有机溶剂中选择性地进行，但没有发现适用于所有基质的通用处理规程。正如作者所提到的，尤其是将脂肪醇（如香茅醇）在替代 DCM 的有机溶剂氧化为香茅醛中非常具有挑战性，而且存在着选择性的问题。然而，TEMPO 不是单独只有对氧化反应有活性的硝酰基自由基，而且例如 PIPO 作为聚合物固定的 TEMPO 衍生物同样被发现适用于催化醇氧化成醛或酮。PIPO 由抗氧化剂和光稳定剂(Chimassorb 944)合成，用作不同塑料的合成原料。

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A) 2,2,6,6-tetramethylpiperidinyloxy (TEMPO)

B) PIPO

由于Chimassorb 944已商业化生产，因此使用 PIPO 作为催化剂非常有吸引力。在 2000 年关于 PIPO 催化醇氧化的首份报告中，Sheldon小组研究了这种催化剂对不同醇氧化的反应性和适用性。在这项研究中，他们发现无溶剂方法可高选择性地将芳香伯醇氧化成醛。他们还发现了一种使用正己烷作为溶剂以高选择性将正辛烷-1-醇和正正-1-醇选择性氧化成相应醛的方法。这项研究主要表明 PIPO 似乎是一种更方便的硝酰基自由基催化氧化伯醇的催化剂，而且也可以使用其他溶剂。在我们的研究中，我们致力于基于使用替代的有机溶剂而不是 DCM，找到将伯醇和仲醇和二醇选择性氧化成相应的醛、酮或二醛的通用方案。这种方案将会解决TEMPO氧化的溶剂管制问题。在接下来系列二中将会介绍在替代有机溶剂中合成醛或酮的一般工作规程，而无需对每种醇基质进行优化。系列二中同样会介绍使用脂肪族水不混溶腈类作为 TEMPO 和 PIPO 氧化的普遍适用的溶剂。