專利名稱：用容易除去的硝酰基選擇性氧化醇的方法
技術領域：
本發明涉及一種用容易除去的基于硝酰基的多相氧化催化劑和用堿金屬次鹵酸鹽作為氧化劑選擇氧化醇成醛和酮的方法。
醇是有機合成中最重要的結構單元之一。許許多多的制備方法使伯醇和仲醇成為合成醛、酮、羧酸理想的初步步驟。常用的氧化劑是重金屬試劑，比如鉻(Ⅵ)化合物、鉛(Ⅳ)化合物和釕、錳和釩化合物，過酸，活化二甲亞砜(DMSO)和高價碘化合物。
在這些氧化方法中選擇性是頭等重要的。而且出現在分子中的官能團象比如雙鍵一般在選定的條件下應當不受影響。常常希望在沒有其他相應官能團受影響時仲醇同伯醇官能團選定氧化，反之亦然。在從伯醇合成醛中常常生成氧化反應(過度氧化)的副產物羧酸，1,2-二醇或α-羥基酮的氧化常伴有C-C裂解反應。很多氧化劑的進一步的缺點是他們常常使用相對不便或難以制備或處理；而且特別是含重金屬的試劑在大多數情況下毒性高且對生態環境有害。最后，不管怎樣，特別是想工業化應用時，氧化方法的成本有決定性作用。
已知在催化量的有機硝酰基存在下用次氯酸鈉水溶液伯醇和仲醇可以被轉化成相應的羰基化合物(A.E.J.deNooy,A.C.Besemer,H.Van Bekkum,Synthesis,1996,1153)。
到目前為止，這些反應-特別是當使用2,2,6,6-四甲基哌啶-1-氧基(TEMPO)時-絕大部分在均相中進行。考慮到TEMPO或由此得到的氧化產物反應以化學計量量或催化量進行。由于需要很多努力除去催化劑和其伴隨的產物，這些方法中反應產物的處理通常證明是不方便和復雜的。
然而，迄今為止，應用固定或容易除去的硝酰基化合物的氧化方法還沒有描述過。
現在令人驚奇的發現是通過一定較高分子量或低聚或聚合物固定的2,2,6,6-哌啶-1-氧基作為催化劑使醇和作為氧化劑的次氯酸鈉反應以很好的產率產生相應的羰基化合物。
在醛或酮存在時合適的實驗條件下脂肪1,3-二醇在堿性介質中分別直接生成相應的環狀縮醛和縮酮(1,3-二噁烷)。根據這些實驗條件，1,5-二醇反應生成四氫吡喃-2-醇或其醚或生成四氫吡喃-2-酮(6-戊內酯)。在羧基官能團α位置的羥基官能團不受影響。
加入溴負離子在使用次氯酸鹽/TEMPO體系進行均相氧化時會導致反應明顯加速(S.D.Rychnovsky,R.Vaidynathan,J.Org.Chem.,1999,64,310)，在本方法中可不用加入也不會有任何缺點。本方法的優點在于簡化了反應批次處理，催化劑重復的再利用和省去溴負離子作為反應加速添加劑。
本發明涉及一種在堿性條件下通過堿金屬次鹵酸鹽選擇性氧化醇成酮或醛的方法，該方法包括在不溶于反應介質和選自通式(Ⅰ)、(Ⅱ)、(Ⅲ)的化合物或4-氧鍵合于麥利費爾德聚合物(Merrifieldpolymer)上的4-氧-2,2,6,6-四甲基哌啶-1-氧化物的多相氧化催化劑存在下實施氧化反應， 式中，n是3到3000的數字。
優選n從10到1000的數字，特別是10到500，更特別為10到100。
方法中優選LiOCl,NaOCl,KOCl,LiOBr,NaOBr或KOBr作為堿金屬次鹵酸鹽。
特別優選LiOCl,NaOCl和KOCl，更特別優選NaOCl。
氧化劑優選以水溶液的形式加入到要氧化的醇中。濃度可以在很寬的基于要氧化醇的活性氯范圍內變化，優選重量百分比從5％到20％，特別是重量百分比10到15％。
同氧化劑一起，水溶液可以通過堿變為堿性。堿優選堿金屬或堿土金屬氫氧化物，堿金屬或堿土金屬碳酸鹽和相應的碳酸氫鹽水溶液。
優選堿金屬碳酸氫鹽，更為優選碳酸氫鈉。
需要的堿加入后，氧化水溶液的pH值在8到12范圍內，特別是在9到11范圍內，更為特別是在9到10范圍內。
被氧化的醇可以是液體或固體。液體醇情況下，反應可以不加入另外溶劑進行。但較大稀釋后實施氧化有利。固體醇總需要合適的有機溶劑。
合適的有機溶劑或溶劑混合物是水不混溶性的。實例包括脂肪碳氫化合物，芳香碳氫化合物，氯代碳氫化合物或這些溶劑同酮、酰胺或酯的混合物。
優選溶劑是芳香碳氫化合物或其和酮的混合物。優選實例包括苯、甲苯和如果需要可以和丙酮混合的二甲苯異構體。
混合比可以從10∶1到2∶1，但是優選從5∶1到2∶1。
特別優選3∶1的甲苯和丙酮的混合物。
優選的方法是其中應用4-氧鍵合于麥利費爾德聚合物上的4-氧-2,2,6,6-四甲基哌啶-1-氧化物的方法。
所謂的麥利費爾德聚合物對熟悉本領域的人是已知的且可以買到。就此而論，麥利費爾德聚合物是以二乙烯基苯部分交聯的氯甲基化聚苯乙烯，因而它不溶于常規有機溶劑。
交聯度可以是比如從1到5％，典型地是從1到2％。顆粒尺寸可以在很寬范圍內變化，典型地是從100到400目。氯的含量例如是從0.2到5mmol/g；普通的聚合物包含從0.6到4mmol/g。
麥利費爾德聚合物和氯原子的交換按如下圖示 多相氧化催化劑優選基于所用醇以重量百分比0.1到20％加入，特別是重量百分比從1到10％，更特別是重量百分比從2到6％。
優選應用兩相溶劑體系，其中一相是水溶液且包含氧化劑。
合適的溶劑和溶劑混合物，包括優選的那些此前已描述過的。
反應優選在溫度低于10℃時進行。
溫度范圍大約從0℃到10℃特別優選。
通式(Ⅰ)到(Ⅲ)化合物制備和改性的麥利費爾德聚合物制備根據本身已知的方法進行，與下面反應方案相適應。
第一步中，化合物3[4-羥基-2,2,6,6-哌啶-1-氧基(4-羥基-TEMPO)]同氫化鈉反應。4-羥基-TEMPO本身可以買到。 化合物4依照希望得到的終端產品根據反應2,3,4或5進一步反應。 通式(Ⅱ)和(Ⅲ)所示化合物是新的且本發明與此類似相關。
本發明也涉及通過堿金屬次鹵酸鹽在堿性條件下通式(Ⅰ)、(Ⅱ)、(Ⅲ)所示化合物或4-氧鍵合于麥利費爾德聚合物上的4-氧-2,2,6,6-四甲基哌啶-1-氧化物作為選擇性氧化醇成酮催化劑的應用。
下面的實施例解釋了本發明。
實施例A氧化催化劑制備實施例A1化合物6的制備。
在500ml的施萊克管(Schlecnk tube)中，20g(113.6mmol)的4-羥基-TEMPO，化合物3，溶于200ml無水甲苯，接著向其中分小批加入3.34g(139.2mmol)的NaH。本批反應室溫攪拌大約12小時，接著，4.75g(25.75mmol)的氰尿酰氯，化合物5溶于大約50ml的甲苯形成溶液逐滴加入其中。溶液首先在室溫下攪拌2.5小時，接著在大約70℃到90℃下攪拌72小時。冷到室溫后，有機相以每次100ml10％Na2CO3水溶液洗三次，接著用Na2SO4干燥。所有的揮發性組分在10-2托時真空蒸發除去，所剩下的紅色的油用少量乙酸乙酯重結晶，產生9.3g(61％)的產品，是細小的桔紅色針狀結晶。M.P.164-166℃。產品不溶于H2O但是溶于CH2Cl2,CHCl3,C6H5Cl，甲苯和乙酸乙酯。
實施例A2化合物8的制備在500ml施萊克管(Schlenk tube)中，20g(113.6mmol)的4-羥基-TEMPO，化合物3，溶于200ml無水THF，接著分小批加入3.34g(139.2mmol)NaH。本批反應在室溫攪拌大約12小時，接著6.26g(18mmol)六氯環三磷腈，化合物7，溶于大約50ml THF中形成溶液逐滴加進去，反應混合物在70℃回流下加熱大約24小時。冷到室溫后，揮發性組分真空蒸去(大約10-2托)，殘余物溶于100mlCH2Cl2。有機相以每次50ml10％的NaOH水溶液洗兩次，接著以每次大約50ml水洗三次。有機相以Na2SO4干燥，揮發組分真空蒸去(大約10-2托)，產生不溶于水和己烷，相對易溶于THF,CHCl3和CH2Cl2的桔紅色粉狀固體。
實施例A3化合物10的制備。
在500ml施萊克管(Schlenk tube)中，29.62g(168.3mmol)4-羥基-TEMPO，化合物3，溶于200ml THF，接著加入5.0克(208mmol)NaH。反應混合物在室溫攪拌12小時，接著逐滴加到5g(43.1mmol)的聚(二氯磷腈)，化合物9，溶于100mlTHF形成的溶液中。反應混合物在室溫下攪拌12小時，接著加熱回流兩小時，然后濃縮到其體積的10％，并傾入到冰水中。沉淀出的聚合物過濾除去，再以冰水處理。赭色的粉狀沉淀由過濾除去，接著以THF和H2O(20/80)的混合物洗滌，然后以己烷洗滌。得到的粉末真空干燥大約12小時，產生16g(95.7％)的化合物10的產品；m.p.＞180℃。化合物10溶于CH2Cl2,CHCl3，丙酮，THF和甲苯；Mw大約25000。
實施例A4化合物12的制備在500ml施萊克管(Schlenk tube)中，7g(40.63mmol)的4-羥基-TEMPO，化合物3，溶于120ml DMF或THF(新蒸的)中。在0℃時，1.6g(66.67mmol)的NaH加入到溶液中。本批反應物加熱到室溫，接著攪拌1小時。反應溶液接著在冰浴中冷到0℃，向其中加入3.5g的聚合物(Fluka的麥利費爾德聚合物(Merrifield polymer)，200-400目，1％二乙烯基苯，1.7mmol的Cl/g)，本批反應物在0℃時攪拌30分鐘，接著加熱到室溫，攪拌1到4天。然后反應物以冰水稀釋，攪拌和過濾。殘余物以冰水洗滌直到濾液無色。產物懸浮在甲苯中，攪拌1到2小時以除去非固定的4-羥基-TEMPO。接著再過濾，黃色粉末在空氣流中干燥。
粉末含有0.9mmol N-氧基/克。
實施例B醇的氧化伯醇或仲醇的一般氧化步驟a)NaOCl/NaHCO3溶液的制備4ml飽和NaHCO3溶液同2ml NaOCl溶液(13-14％)混合。溶液在封口的瓶中于0℃貯存。
b)氧化步驟1.0g的醇和0.25g實施例A4的化合物(12)引入250ml圓底燒瓶中，接著懸浮于5ml丙酮和15ml甲苯混合物中。反應物在室溫劇烈攪拌5到10分鐘直到醇溶解，樹脂溶脹。反應容器冷到0℃。劇烈攪拌下，加入6ml 1)中制備的NaOCl/NHCO3溶液，本批反應物在0到5℃攪拌0.5小時。以傳統方法處理后，幾乎以定量產率得到酮。
c)催化劑回收如果催化劑在很多反應中直接連續使用，那么在每一反應結束時，催化劑過濾除去(G3釉料漏斗)，簡單以丙酮洗滌后立即重新使用。用過十次以后，沒有檢測到活性的喪失。化合物(12)的催化活性也可以貯存來維持。為此濾出的催化劑以丙酮/甲苯，然后用水，再用丙酮，最后用丙酮/甲苯重復洗滌(除去NaOCl，起始原料和產物)，貯存是在濕潤狀態下示安全密封的容器中進行的。
實施例B1和B2簡單醇的氧化 實驗按一般步驟中所描述的進行。由13得到α-羥基酮14，由異丙醇17得到丙酮18，產率幾乎是定量的。
實施例B3從苯乙醇制備α-羥基苯乙酮 苯基乙二醇19按一般步驟中所描述的以重量百分比5％的12作為催化劑時同NaOCl反應生成α-羥基苯乙酮(20)。產物20以晶體的形式幾乎定量的分離出來。
實施例B4乙酰丙酮的制備 1.0g醇21和0.25g化合物12引入到250ml的圓底燒瓶中，接著加入20ml甲苯。然后反應容器冷到0℃。劇烈攪拌下，加入12ml上面描述的NaOCl/NaHCO3，本批反應物在0到5℃攪拌1/2小時。1,3-二酮22作為反應產物幾乎定量得到。
實施例B52,2,4,6-四甲基-1,3-二噁烷(23)的制備 反應按實施例4中描述的進行，只是在15ml甲苯和5ml丙酮混合物中而不是在20ml甲苯中進行。據氣相色譜幾乎定量地得到反應產物2,2,4,6-四甲基-1,3-二噁烷(23)。
實施例B62-乙基-2,4,6-三甲基-1,3-二噁烷(24)的制備 反應實施例4中描述進行，只是應用15ml甲苯和5ml 2-丁酮的混合物而不是20ml甲苯。幾乎定量的得到反應產物2-乙基-2,4,6-三甲基-1,3-二噁烷(24)。
實施例B7四氫吡喃-2-醇(21)和四氫吡喃-2-酮(22)的制備 1,5-戊二醇25在化合物12作為催化劑時同堿性NaOCl按實施例B4中所描述的被氧化，只是氧化劑，次氯酸鈉(13％活性氯)以化學計量量使用。反應30分鐘后，得到75％的化合物26和25％的化合物27的混合物。
實施例B8四氫吡喃-2-酮(27)的制備 實施例B7中制備的26和27混合物如同描述的那樣同過量的緩沖到pH9.0-9.5的NaOCl溶液反應，26被完全氧化成27。
實施例B92-(5-羥基-戊氧基)-四氫吡喃(26)的制備 上面描述的反應用相對于NaOCl四倍過量的二醇25進行。傳統方式處理后得到50％縮醛28和50％四氫吡喃-2-醇(26)的混合物。
實施例B10從苯偶姻制備偶苯酰(29) 5.0g(23.5mmol)的苯偶姻28按一般步驟中所描述的在1g化合物12存在時于0到5℃ 50ml 3∶1的甲苯/丙酮中同次氯酸鈉反應。在加入次氯酸鹽過程中，起初在反應混合物中出現的固體溶解。加完的時候，本批反應物攪拌45分鐘。由薄層色譜監測表明完全和選擇性轉化。傳統處理和隨后由正己烷對粗產品進行重結晶產生4.6g偶苯酰(29)(理論產率的93％)。
權利要求
1．一種在堿性條件下通過堿金屬次鹵酸鹽選擇性氧化醇成酮或醛的方法，該方法包括在不溶于反應介質和選自通式(Ⅰ)、(Ⅱ)、(Ⅲ)化合物或4-氧鍵合于麥利費爾德聚合物上的4-氧-2,2,6,6-四甲基哌啶-1-氧化物的多相氧化催化劑存在下實施氧化反應， 式中，n是3到3000的數字。
2．據權利要求1的方法，該方法包括應用LiOCl、NaOCl、KOCl、LiOBr、NaOBr或KOBr作為堿金屬次鹵酸鹽。
3．據權利要求1的方法，該方法包括應用4-氧鍵合于麥利費爾德聚合物上的4-氧-2,2,6,6-四甲基哌啶-1-氧化物。
4．據權利要求1的方法，該方法包括加入多相氧化催化劑基于所用醇的量重量百分比為0.1到20％。
5．據權利要求1的方法，該方法包括應用兩相溶劑體系，其中一相是水溶液且包括氧化劑。
6．據權利要求1的方法，該方法包括在低于10℃時實施反應。
7．據權利要求1通式Ⅱ或Ⅲ的化合物。
8．在堿性條件下以堿金屬次鹵酸鹽應用通式(Ⅰ)、(Ⅱ)、(Ⅲ)的化合物或4-氧鍵合于麥利費爾德聚合物上的4-氧-2,2,6,6-四甲基哌啶-1-氧化物作為催化劑選擇性氧化醇成為酮。
全文摘要
本發明涉及一種在堿性條件下通過堿金屬次鹵酸鹽選擇性氧化醇成酮或醛的方法,該方法包括在不溶于反應介質和選自通式(Ⅰ)、(Ⅱ)、(Ⅲ)化合物或4－氧鍵合于麥利費爾德聚合物上的4－氧－2,2,6,6－四甲基哌啶－1－氧化物的多相氧化催化劑存在下實施氧化反應,式中,n是3到3000的數字。本發明也涉及通式(Ⅱ)和(Ⅲ)的化合物和上面提及的氧化醇的氧化催化劑的應用。
文檔編號B01J31/02GK1304921SQ00132998
公開日2001年7月25日 申請日期2000年11月20日 優先權日1999年11月19日
發明者R·薩默拉德, H·格呂茨馬徹, S·博爾馬薩 申請人:西巴特殊化學品控股有限公司