有机醇、胺化合物的氧化官能团化 硕士

有机醇、胺化合物的氧化官能团化硕士版权声明任何收存和保管本论文各种版本的单位和个人，未经本论文作者同意，不得将本论文转借他人，亦不得随意复制、抄录、拍照或以任何方式传播。否则，引起有碍作者著作权之问题，将可能承担法律责任。博士研究生学位论文题目: 有机醇、胺化合物的氧化官能团化:反应性及反应机理的研究姓名: 刘良会学号: 1101110218院系: 化学与分子工程学院专业: 无机化学研究方向: 金属有

机催化导师姓名: 付雪峰二 0 一三年四月有机醇、胺化合物的氧化官能团化:反应性及反应机理研究刘良会(无机化学) 付雪峰(指导老师)摘要有机化合物官

能团之间的转化是有机化学研究的核心内容。而有机化合物的氧化官能团化则是向有机分子引入新官能团的一种有效方法。例如将胺类化合物氧化，可把 C-N 单键

氧化为 CN 双键，实现由胺到亚胺的转化。相比于传统的官能团转化手段，氧化转化反应具有成本低、步骤少等优点。有机化合物的氧化官能团化反应也是将丰富易得的工业原料转化为反应性质活泼的有机物的重要手段，例如锰/钴催化氧气氧化

对二甲苯为对苯二甲酸等。随着绿色化学的发展，“绿色氧化”的概念愈加受到重视，

)采用氧气作为最终氧化剂。氧气廉价易得，还原产物是水，其主要的发展方

向有:1

无污染。2)采用水作为溶剂。水不仅是一种环境友好的溶剂，而且有利于反应

的后处理和有机产物的分离提纯。3)开发高效金属催化剂以减少反应中的金属用量，或者使用非金属催化剂以避免金属的使用。金属的价格相对较高、毒性较大，且回收成本较高。例如，过去人们常采用当量的金属氧化剂(高锰酸钾、三氧化铬等)在

”体系用于卤代烷溶剂中将醇氧化为醛酮，而如今化学家们则致力于开发“绿色氧化醇的氧化转化，即在水相中，使用低用量金属催化剂和氧气，催化氧化醇为醛酮。基于以上研究背景，并着眼于揭示反应机理，本文成功开发了一系列将醇类、胺类化合物氧化官能团化的“绿色氧化”体系。本论文的工作主要分为两部分，第一部分是水溶性铑卟啉配合物催化的有机官能团转化反应，第二部分是无金属参与的有机化合物的氧化转化反应。在第一部分工作中，作者采用水溶性的铑卟啉配合物作为催化剂，成功实现了两类有机官能团的转化反应，并对反应机理进行了研究。1)在水相中，采用氧气作为氧化剂，实现了催化氧化醇为醛酮。该催化体系底物适用范围广，包括苯甲醇类、脂肪醇类底物;该催化体系官能团容忍度也较高，底物中可含有杂原子、不饱和双键。随后，作者对该反应的机理进行了探究:i)原位观察反应中间体 Rh-OMe 配合物，并测定了它和 Rh-OH 物种之间的平衡常数;ii)通过监测铑III卟啉配合物氧化异丙醇当量反应的动力学过程，作者发现该氧化反应对铑III卟啉配合物以及醇的浓度均为一级关系;iii)测定了反应的氘代效应(kH/kD 1.5)，并通过测定不同温度下的反应速率常数，得到了该反应的活化能(22kcal/mol)，与文献报道的金属烷氧基中间体βC-H 消除反应的活化能相近。2)利用该催化剂对可见光有良好的吸收这一特点，作者还开发了可见光促进的炔烃水化反应体系。已有的研究结果表明，苯乙炔类、脂肪端炔类均能高效地水化生成甲基酮类产物。该反应具有以下优点:i)反应条件温和，可在室温下进行;ii)催化剂用量低，仅需要 1mol。初步的机理研究表明，反应生成了Rh-CH2COR 中间体。作者还通过单独合成该配合物进一步确认了此中间体的生成。该中间体在可见光照射下能够快速发生 Rh-C 键裂解生成甲基酮类产物。在第二部分工作中，作者成功开发了三个无金属参与的氧化转化体系:1)一级胺在水相中发生氧气氧化偶联反应生成亚胺。初步的机理研究表明，该反应是一个“水面反应”，即反应发生在水油界面处;水加

速了胺的自氧化反应速率。2)偶氮二异丁腈(AIBN)引发的氧气氧化胺的反应: 一级胺发生氧化偶联生成亚胺，三级胺发生氧化氰基化生成α-氨基腈。AIBN 首先

分解生成碳自由基(CP?)，CP?与氧气反应转化成相应的氧自由基(CPO?);CPO?

夺取胺的α-H，生成底物自由基，自身转化为α-羟基异丁腈(CPOH);CPOH

脱

去一分子 HCN，最终生成丙酮。而引发?街璨牡孜镒杂苫稍谘跗惺迪肿杂苫囱趸从Γ 裳胺或者亚铵正离子，并进一步发生缩合或者加成反应生成 N- 取代亚胺或α-氨基腈。四丁基碘化铵催化的一级醇氧化酯化反应。 3) 以

叔丁基

过氧化氢(TBHP)为氧化剂，一级醇和甲苯衍生物发生氧化偶联反应生成苄酯。

酯类化合物是有机官能团转化反应中重要的中间体。该体系可通过“一锅法”直接由

一级醇和甲苯合成酯类，具有便捷高效的优点。系统的机理研究表明，一级醇依次

被氧化为醛和羧酸，最后与甲苯氧化偶联生成苄酯;四丁基碘化铵中的四丁基

铵根

离子起到相转移催化剂的作用，而碘离子则是反应的直接催化剂。关键词:绿

色氧

化水氧气无金属 Oxidative Functionalization of Organic Compounds: Reactivity and Mechanistic Studies Lianghui Liu Inorganic Chemistry Directed by Xuefeng FuAbstract Highly efficient selective and metal-free oxidation of organic substrates thatutilizes dioxygen as the terminal oxidant is one of the most important currentchallenges for synthetic

organic chemistry. Oxidation of primary and secondaryalcohols to aldehydes and ketones ranks among the most important functional grouptransformations thus catalytic aerobic alcohol oxidation is a major topic in transitionmetal catalysis research. Oxidation of primary alcohols also provides carboxylic acidesters which are not only among the most abundant chemicals in nature but alsoserving as important building blocks in organic transformations and chemical industry.Imines and α-aminonitriles are versatile synthetic intermediates in a variety of organictransformations. Imines are widely used in addition reduction aziridinationβ-lactamization and cyclization reactions and α-aminonitriles are useful

precursorsto synthesize α-amino acids α-amino aldehydes α-amino alcohols and

12-diamines.Oxidative coupling of primary amines provides an alternative strategy to synthesis ofimines and oxidative cyanation of tertiary amines represents one of the mostconvenient and straightforward methods to prepare α-aminonitriles. As growing

attention on energy crisis and environmental issues has been paid bythe whole society green chemistry has become one of the most important principlesfor designing fine chemical processes. Green catalytic oxidation process has gainedmore and more attention which requires oxygen/air as the sole oxidant water as thesolvent and small amount of metal loading or metal free system. In hope ofdeveloping green oxidation chemistry and also get mechanistic insight into someuseful organic

reactions we explored several green protocols for the oxidativefunctionalization of alcohols and amines. This dissertation can be divided into twoparts: one is water soluble rhodium prophyrin catalyzed functionalization of organicsubstrates the other is metal-free oxidation of organic compounds. The first part contains two types of catalytic processes: 1 A broad range ofalcoholsincluding benzylic aliphatic and hetero-atom bearing alcohols arecatalytically oxidized by TSPPRhIII in water using oxygen as the terminal oxidant.The TSPPRhIII catalyst system in water has permitted direct observation of alkoxideintermediates and evaluation of the activation parameters for the rate determiningRh-a lkoxide βC-H

elimination. Development of this new aqueous catalyst system

thatuses dioxygen without the need for co-catalysts suggests that this prototype catalystsystem may find application

in a wide range of “green” oxidation chemistry. 2 Wedeveloped a method for hydration

of alkynes using TSPPRhIII as a photo-catalyst.Under visible light irradiation aromatic and aliphatic acetylenes were hydrated tomethyl ketones. The reaction was performed at room temperature and the catalystloading was as low as 1 mol. Mechanistic investigation showed that β-ketone alkylrhodium complexes are active intermediates which underwent photolysis to releasethe ketone products. In the second part we firstly developed a green protocol for oxidative coupling ofbenzylamines to imines by simply refluxing aerated suspensions of

water and benzylamines. Next we developed AIBN initiated aerobic oxidative coupling of primaryamines to imines and cyanation of tertiary amines to α-aminonitriles. Catalyticamount of AIBN is consumed and dioxygen is the sole oxidant in this metal freesystem. These clean and mild synthetic methods may provide an ideal strategy for therational design of systems for the functionalization of sp3 C-H bonds adjacent tonitrogen. Attempting to expand the substrate scope of radical

initiated oxidations wedeveloped a Bu4NI-catalyzed system for alcohol oxidation. This is the first report onthe synthesis of benzyl esters directly from alcohols and toluene solvents. Thesequential oxidation of alcohols to aldehydes to carboxylic acid and to benzyl estersis accomplished in one-pot. The direct oxyacylation of benzyl C-H bond undertransition metal free conditions also provides a new strategy for the rational design ofmethods for the functionalization of sp3 C-H bonds.Keywords: green oxidation water oxygen metal-free 目录第一章序

言 ....................................................... 1 1.1 氧化反应在有

机化合物官能团转化中的意义....................... 1 1.2 绿色氧化发展的主要方

向 ...................................... 2 1.2.1 氧气作为氧化

剂 .............................................. 2 1.2.2 水作为溶

剂 .................................................. 4 1.2.3 无金属参与 .................................................. 7 1.3 醇类化合物氧化官能团化的研究背

景 ............................ 8 1.3.1 一级醇氧化到醛、二级醇氧化到酮的概述 (8)

1.3.2 一级醇通过氧化酯化反应一步法合成酯的概述 (12)

1.4 胺类化合物氧

化官能团化的研究背景 ........................... 14 1.4.1 一级胺氧化偶联成为亚胺概

述 ............................... 14 1.4.2 三级胺通过氧化氰基化反应一步法合成α-氨基腈概

述 ....... 18 1.5 炔烃水化成酮类化合物的研究背

景 ............................. 20 1.5.1 炔烃

水化反应的发展历史 .................................... 20 1.5.2 炔烃水化反应在烯烃氧化研究

中的意义 ...................... 22第二章合成及表

征 ................................................ 25 2.1 试剂采购以及表征仪器说明 ................................... 25 2.1.1 试剂 ........................................................ 25 2.1.2 仪器 ........................................................ 26 2.2 水溶性铑卟啉配合物的合成和表征 ............................. 26 2.3 不同pH 缓冲

溶液的配置方法 .................................. 27 2.4 亚胺产物的合成和表

征........................................ 27 2.5 亚胺进行 Aza-

Diels-Alder 反应的产物的合成和表

征.............. 32 2.6 氨基腈类产物的合成和表征.................................... 34 2.7 酯类产物

的合成和表征........................................ 37第三章水溶性铑卟啉配合物催化有机分子

转化反应的研究 ............... 47 3.1 铑卟啉配合物的结构和性

质 ...................................

47 3.2 水相中铑卟啉催化氧气氧化有机醇及机理的研究 .................

49 3.2.1 铑卟啉

配合物在甲醇-水混合溶液中的多重平衡 .............. 49 3.2.2 铑III卟啉配合物当量氧

化异丙醇动力学的研究 ............ 52 3.2.3 铑卟啉催化氧气氧化醇类化合物的反

应 ...................... 58 3.2.4 可能的反应机

理 ............................................. 61 3.2.5 本项工作总结 ............................................... 62 3.3 可见光促进的铑卟啉催化炔烃水化反

应及其机理的研究 ........... 64 3.3.1 设计思

路 .................................................... 64 3.3.2 反应条件的优化过程及初步的底物适用范围尝试 ............. 65 3.3.3 反应机理: 中间体的观察和合成 ............................. 68 3.3.4 可能的反应机

理 ............................................. 72 3.3.5 本项工作小结 ............................................... 72 3.4 本章总结以及前

景展望 ....................................... 73第四章无金属参与的氧化

体系 ..................................... 75 4.1 水相中一级胺氧化偶联成亚

胺 ................................. 75 4.1.1 条件优化及底物范

围 ......................................... 75 4.1.2 氧化交叉偶联反应........................................... 79 4.1.3 连续反应: Aza-Diels-Alder 反应 ........................... 81 4.1.4 可能的反应机

理 ............................................. 82 4.1.5 本项工作小结 ............................................... 83 4.2 偶氮二异丁腈热引发的胺类化合物的氧化偶联反应 ............... 84 4.2.1 设计思路 .................................................... 84 4.2.2 条件优化以及适用底物范

围 ................................. 84 4.2.3 底物的推广:三级胺类化合物的氧化氰基化反

应 ............. 88 4.2.4 机理研究:对照实

验 ........................................ 92 4.2.5 可能的反应机理 ............................................. 95 4.2.6 本项工作小

结 ............................................... 96 4.3 碘离子催化的一级醇的氧化酯化反

应 ........................... 96 4.3.1 条件优化以及适用底物范

围 .................................. 96 4.3.2 一级醇的氧化酯化反应适用底物范围 ........................ 98 4.3.3 机理研究:中间

体的推断 ................................... 101 4.3.4 机理研究:四丁基碘化铵的作

用 ............................ 105 4.3.5 可能的反应机

理 ............................................ 107 4.3.6 本项工作小

结 .............................................. 107 4.4 本章总结及前景展

望 ........................................ 108第五章论文总结和展

望 ........................................... 111 5.1 论文总结................................................... 111 5.2 展望....................................................... 113参考文献 ........................................................ 115攻读博士学位期间论文发表情况 .................................... 145谱图附录 ........................................................ 147致

谢 .......................................................... 213北京大学学位论文原创性声明和使用授权说明 ........................ 215 第一章序言

本论文是围绕“有机化合物的氧化”这个主题开展的。本章将阐述氧化反应在有机化

合物官能团转化中的意义，以及如何通过高效、低耗等环保的手段实现氧化转化，

发展“绿色氧化”方法。作者认为，绿色氧化发展的方向主要集中在三个方向:1)以

氧气为氧化剂，2)以水为溶剂，3)使用非金属催化剂或无金属参与。以“绿色氧化”

为中心思想，本章将介绍醇类、胺类化合物氧化官能团化的发展现状，以及作者在

相关领域的研究思路。1.1 氧化反应在有机化合物官能团转化中的意义有机化合物

的官能团种类多种多样，这种结构上的差异使得它们在性质上各不相同。有机化合

物官能团之间的转化是有机化学研究的核心内容。由于官能团的存在，有机化合物

中碳的氧化态是有差异的，而它们之间的转化常常是通过氧化还原反应来实现的。

从图 1.1-1 可以看到，仅含两个碳原子的有机化合物之间的氧化还原反应就已经非

常丰富了。图 1.1-1 部分含两个碳的有机化合物之间的转化在实际的工业生产

中，氧化还原反应是将自然资源转化成为人们日常生活用品的重要方式。例如，1)

石油及其初步炼化产品的主要成分是烷烃、烯烃等， 1将它们氧化转化是制备醇、

醛酮及环氧等化合物的重要途径;2)天然气的主要成分是甲烷、乙烷，由这些低链烷烃氧化制备甲醇、乙醇已经是工业化程度很高的生产方法;3)生物质是一种

可再生资源，通过化学或者生物技术可以大量生产甲醇、乙醇以及多醇类物质，对其氧化转化的研究将在一定程度上减轻人们对传统不可再生资源的依赖。(如图1.1-2 所示)。图 1.1-2 工业生产中的氧化转化反应1.2 绿色氧化发展的主要方向1.2.1 氧气作为氧化剂氧化反应中最重要的元素是氧化剂，在众多的氧化剂中，氧气无疑是最理想的选择。以氧气作为氧化剂的优点:1)氧气资源非常丰富，地球大气 23的组分是氧气;2)相比于其它氧化剂，氧气更加清洁。高锰酸钾、过硫酸氢钾、DDQ(二氯二氰基苯醌)、醋酸碘苯等的使用往往会伴随着大量的废弃物，而通常氧气的还原产物是水，无污染、环境友好;3)氧气氧化的过程中，氧原子能够全部转到产物，或者仅有水作为副产物，原子利用率高1。以氧气为氧化剂进行反应的途径主要有以下四种: 第一种反应途径是模拟自然界中的单加氧酶2-5，例如，铁卟啉配合物催化的 2烷烃氧化羟基化反应就是模拟了细胞色素

P450 的氧化机制3。这类反应往往能够在比较温和的条件下实现底物的催化氧化，有助于人们对生命过程的理解。然而，单加氧酶模式往往需要使用共还原剂(异丙醇、甲醛、三苯基膦等)，即需要另一种还原试剂活化氧气，然后进一步完成对目标底物分子的氧化(如图1.2.1-1 所示)。因此，这种方法的缺点是原子利用率相对较低。图 1.2.1-1 共还原剂法利用氧气第二种是自由基链式氧化反应6-9，有机化合物在空气中的自氧化反应就是这种反应模式。自由基链式氧化反应一般的过程是:1)底物与氧气反应形成过氧自由基; 过氧自由基夺取另外一分子底物中的氢原子， 2) 生成烷基过氧化氢;3)失去氢原子的底物自由基继续与氧气结合生成过氧自由基，引发氧化循环.