（有机化学专业论文）过渡金属催化的炔烃绿色氧化研究.pdf

，i - ，k t j ，一 ， 一 ，嬲f 剐嬲 苏州大学学位论文使用授权声明 本人完全了解苏州大学关于收集、保存和使用学位论文的规定， 即：学位论文著作权归属苏州大学。本学位论文电子文档的内容和纸 质论文的内容相一致。苏州大学有权向国家图书馆、中国社科院文献 信息情报中心、中国科学技术信息研究所( 含万方数据电子出版社) 、 中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社送交本学位论文的复印件和电子 文档，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存和汇编学位论文，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数 据库进行检索。 涉密论文口 本学位论文属 在年一月解密后适用本规定。 非涉密论文口 论文作者签名：兰兰生 日 期：鲨! ! ：呈：! !论文作者签名：兰兰生 日 期：鲨! ! ：呈：! ! l o l o 3 引 过渡金属催化的炔烃绿色氧化研究摘要 摘要 本论文研究过渡金属催化炔烃绿色氧化成1 ，2 二羰基类化合物。主要有两部 分组成： 1 钯催化的炔烃w a c k e r 型绿色氧化研究 我们发展了一种炔烃w a c k e r 型氧化体系：溴化钯作为催化剂，溴化铜作为助 催化剂，氧气作为最终氧化剂，1 ，4 二氧六环和水作为混合溶剂，6 0 0 c 反应2 4h 。 与以往炔烃氧化成双羰基反应相比，本体系的优点在于： 1 ) 水做产物中氧的供体，氧气作为最终氧化剂，反应对环境友好，符合绿色 化学发展的要求。 2 ) 反应条件温和，不需要强氧化剂，也不需要特殊的配体，操作安全简单， 对官能团的兼容性高，底物范围广，催化效率高。 3 ) 通过控制实验和理论计算，对水的进攻和溴化铜的作用提出了合理的解释。 2 钌催化的炔烃绿色氧化研究 本体系用r u ( c y m e n e ) c 1 2 2 做催化剂，碘为添加剂，过氧叔丁醇作氧化剂，将 一系列炔烃氧化成1 ，2 二羰基化合物。本体系具有以下优点： 1 ) 反应操作简单，直接在空气下进行即可。反应条件温和，使用过氧叔丁醇 做氧化剂，对环境友好。 2 ) 反应催化剂高效。催化剂用量只有十万分之一当量，t o n 高达4 2 00 0 0 ， 是迄今为止最高效的过渡金属催化氧化体系。此外，该体系可以放大到摩尔级且 催化效率仍然很高，因此该体系具有潜在的工业应用价值。 3 ) 反应底物广，官能团兼容性高。 4 ) 我们将二羰基产物进行原子发射光谱检测，发现产物中不含有金属钌。这 说明一般过渡金属催化反应中金属残留的问题在本体系中并不存在。 关键词：过渡金属，绿色氧化，炔烃 作者：任伟 指导教师：万小兵 a b s t r a c tt r a n s i t i o nm e t a l s - c a t a l y z e dg r e e no x i d a t i o no f a i k y n e s t r a n s i t i o nm e t a l s - - c a t a l y z e dg r e e no x i d a t i o no f a l k y n e s a b s t r a c t t r a n s i t i o nm e t a lc a t a l y z e dg r e e no x i d a t i o n so fa l k y n e sa r ei n c l u d e di nt h i st h e s i s ， w h i c hi sc o m p o s e d 、析t l lt w op a r t sa sf o l l o w s ： 1 w a c k e r - t y p eo x i d a t i o no fa l k y n e si n t o1 , 2 一d i k e t o n e su s i n gm o l e c u l a r o x y g e n i nt h i ss e c t i o n ，w ed e s c r i b ea ni n t r i g u i n gn e ww a c k e r - t y p eo x i d a t i o no fa l k y n e s c a t a l y z e db yp d b r 2a n dc u b r 2 ，w h i c ho p e n sa l le f f i c i e n ta c c e s st o1 , 2 一d i k e t o n e su s i n g m o l e c u l a ro x y g e na st h eu l t i m a t eo x i d a n t u n d e rt h eo p t i m i z e dc o n d i t i o n s ，av a r i e t yo f a l k y n e sb e a r i n g aw i d er a n g eo ff u n c t i o n a l g r o u p s ，i n c l u d i n gd i a r y l a l k y n e s ， a r y l a l k y l a l k y n e sa n dd i a l k y l a l k y n e s ，w e r ec o m p a t i b l es u b s t r a t e si nt h i st r a n s f o r m a t i o n b a s e du p o ne x p e r i m e n t a lo b s e r v a t i o n sa n dl i t e r a t u r e s ，ap l a u s i b l em e c h a n i s m ，i n v o l v i n g s e q u e n t i a la t t a c k so fw a t e rm o l e c u l e s ，w a sp r o p o s e d ab e t t e ru n d e r s t a n d i n go ft h e e x p e r i m e n t a lo b s e r v a t i o n sw a sa c h i e v e db yd f t c a l c u l a t i o n s 2 r u t h e n i u m c a t a l y z e da l k y n e so x i d a t i o nw i t hp a r t = p e r - m i l l i o nc a t a l y s t l o a d i n g s t h ec o m b i n a t i o no f 【r u ( c y m e n e ) c 1 2 2 ，1 2a n dt b h pa f f o r d sa ne f f i c i e n tc a t a l y t i c s y s t e mf o r t h eg r e e no x i d a t i o no fav a r i e t yo fa l k y n e s ，g i v i n gt h ec o r r e s p o n d i n g 1 ，2 - d i k e t o n e si nh i g ht oe x c e l l e n ty i e l d s t w on o t e w o r t h yf e a t u r e so ft h em e t h o da r e e x t r e m e l yh i 曲c a t a l y s tp r o d u c t i v i t y ( t o nu pt o4 2 00 0 0 ) a n ds c a l e - u pt o1m o l ，t h u s i m p l y i n gt h ef e a s i b i l i t yo fi n d u s t r i a l p r a c t i c a la p p l i c a t i o n s i m p o r t a n t l y ，n or e s i d u a l r u t h e n i u mi m p u r i t yw a sd e t e c t e db yi c pm a s sa n a l y s i si n ；h e1 , 2 一d i k e t o n ep r o d u c t s a f t e rr e c r y s t a l l i z a t i o no rc o l u m nc h r o m a t o g r a p h yp u r i f i c a t i o n b a s e du p o n1 。cn m r a n d1 8 0l a b e l i n ge x p e r i m e n t s ，f o r m a t i o no fi o d o n i u r ni o na n dw a t e ra sr e a g e n tw e r e p r o p o s e di nt h ec a t a l y t i cc y c l e k e yw o r d ：t r a n s i t i o nm e t a l s ，g r e e no x i d a t i o n ，a l k y n e s w r i t t e nb y ：r e nw e i s u p e r v i s e db y ：w a nx i a o b i n g n 、i ， i ， _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ - _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ - - - _ 一 目录 前言1 第一章文献综述2 第一节合成1 ，2 二羰基化合物常用方法2 第二节本论文的立题8 第二章p d 催化的炔烃w a c k e r 型氧化研究9 第一节烯烃的w a c k e r 氧化研究进展9 第二节反应体系的发现、优化及底物的拓展1 0 第三节反应机理的探索1 8 第四节本章小结”2 2 第三章钌催化的炔烃氧化研究2 4 第一节反应体系的设想”2 4 第二节反应体系的发现、优化及底物的拓展2 5 第三节反应机理的探索31 第四节本章小结3 5 第四章实验部分3 7 第一节实验通则3 7 第二节钯催化氧化体系3 7 第三节钌催化氧化体系3 8 第四节产物谱图数据3 9 参考文献6 9 攻读硕士学位期间发表的论文7 6 致谢一7 7 过渡金属催化的炔烃绿色氧化研究引言 引言 氧化反应是最基本的有机反应之一， 能适应时代的要求，比如氧化剂毒性大， 随着社会的发展，经典的氧化方法已不 反应选择性差，转化率不高，环境污染 严重等等。因此化学家们寻求氧气、过氧化氢、过氧叔丁醇等绿色氧化剂替代高 锰酸钾等传统的氧化剂。 许多含1 ，2 二羰基骨架的化合物具有生物活性，在医药工业里有着重要的应 用，此外，1 ，2 二羰基类化合物本身也是重要的有机合成中间体。炔烃氧化是制 备1 ，2 二羰基类化合物的方法之一。目前，炔烃氧化成1 ，2 二羰基的方法主要 有三种：金属氧化剂氧化，非金属氧化剂氧化，过渡金属催化氧化。金属氧化剂 的主要缺点是对环境的污染太大，不符合可持续发展和绿色化学的要求；非金属 氧化剂的主要缺点是氧化性太强，反应不容易控制，化学选择性低，产率不高， 官能团兼容性差；而使用过渡金属催化剂催化氧化的方法在官能团兼容性，选择 控制等方面有不俗的表现，只是这些方法都存在反应温度高、反应条件苛刻、催 化剂用量偏大等缺点。总的说来，迄今为止，炔烃氧化并没有探索出一种真正高 效，绿色，温和的方法。 我们希望能够探索一些催化体系，满足下面两个要求：一方面反应体系应该 温和、高效、官能团兼容性高；另一方面希望能够使用氧气、过氧化氢、过氧叔 丁醇等绿色氧化剂作为氧源。当然，在这两个条件都满足的前提下，我们希望能 够尽量降低催化剂的用量，使其具有工业应用前景。 第一章文献综述过渡金属催化的炔烃绿色氧化研究 第一章文献综述 第一节合成l ，2 二羰基化合物常用方法 氧化反应是最基本的有机反应之一，在有机合成中具有广泛的用途。传统氧 化方法一般需要使用当量的氧化剂，随着社会的发展，其弊端越来越受到人们的 关注，如氧化剂毒性大、反应选择性差、转化率不高、环境污染严重等等【l 】。迫于 环境的压力和可持续发展的要求，化学家寻求氧气、过氧化氢、过氧叔丁醇等绿 色氧化剂替代传统的氧化剂【2 】。 许多含1 ，2 二羰基类的化合物具有生物活性，在医药工业里有着重要的应用 【3 1 。例如，提取印度吉纳树的有效成分可以治疗牙痛，伤风感冒，腹泻和皮肤感染 等疾病。科学家还发现用吉纳树制作的木杯饮水甚至可以控制血糖含量【3 】。吉纳树 活性成分之一v i j a y o s i n 就含有1 ，2 二羰基结构( s c h e m e1 1 ) 。 h o ， o h o h s c h e m e1 1v i j a y o s i n 1 ，2 二羰基类化合物本身也是重要的有机合成中间体【4 1 。4 ，5 d i a r y l i m i d a z o l e s 化合物是许多药物公司竞相生产的抗炎药【5 1 ，合成它们的个重要中间体正是含l ， 2 - - 羰基骨架的化合物( s c h e m e l 2 ) 【6 】。 2 过渡金属催化的炔烃绿色氧化研究 第一章文献综述 f r 2 c h o ，n h 4 0 a c n 丫n 0 t b m e 。r t 内h r l t b m e ：t e r t - b u t y lm e t h y le t h e r s c h e m e1 2 2 目前合成1 ，2 二羰基化合物的方法主要有以下几种 7 1 ( s c h e m e1 3 ) ： ( a )二氧化硒或高锰酸钾氧化烯烃 ( b ) 氧气，碘，次溴酸钠氧化0 羟基酮 ( c ) 高锰酸钾等氧化炔烃 ( d ) 二氧化硒或高价碘氧化单羰基化合物 ( e )2 - ( p y r i d i n 4y 1 ) 1 ，3 - o x a z i n e 先与强碱作用生成氧负离子，再与酰氯反应，最 后水解得到l ，2 二羰基化合物 ( f )格氏试剂取代1 ，2 二羰基化合物 o r h 科似 h e t 域h h o h e t ( a r ) o h h e h t ( a r ) h e t v 入h e t ( a r ) io m 滋 o h e t ( a r ) 1 ) b a s e 2 、a r c o x 9 1 - - - - - - - - - - - - - - 一 3 ) h 2 0 e a f s c h e m e1 3 合成1 ，2 二羰基化合物的方法 m 矿h e t ( a r ) o c “m i mo 各类取代炔烃可以方便地通过s o n o g a s h i r a 偶联合成。因此，炔烃氧化是制备 l ，2 二羰基最直接的方法。通过此方法可以得到含不同官能团的1 ，2 二羰基衍生 第一章文献综述 过渡金属催化的炔烃绿色氧化研究 物【引。 炔烃氧化成1 ，2 二羰基类化合物主要有以下三种方法： ( a ) 金属氧化剂氧化 ( b ) 非金属氧化剂氧化 ( c ) 过渡金属催化氧化 下面就这三种方法做简单的介绍。 ( a ) 金属氧化剂氧化 1 9 4 6 年，g f h e n n i o n 和t f b a n i g a n 首次报道了利用高锰酸钾水溶液氧化 二叔丁基乙炔成l ，2 二羰基产物的方法【9 1 。反应在回流条件下3 0h 内分批添加 氧化剂完成。该反应的特点是操作方便，反应条件温和，后处理简单，产率良好 ( s c h e m e1 4 ，e q 1 ) 。该方法后来在很多合成中都被使用。但是使用高锰酸钾做 氧化剂使得底物官能团的兼容性受到很大限制，而且对环境的污染很大，就当前 而言，已不太可能在工业上得到应用。 19 8 3 年，s a u lw o l f eb o 等人报道了利用高锰酸锌做氧化剂氧化二苯乙炔成1 ， 2 二羰基化合物的研究。反应用二氯甲烷做溶剂，在4 0 0 c 下反应0 7 5h 以良好的 产率完成反应( s c h e m e1 4 ，e q 2 ) 。在同等温和的条件下，高锰酸钾却基本不反 应。与高锰酸钾相比，利用高锰酸锌做氧化剂，反应条件温和的多，反应效率也 很高。但高锰酸锌本身就是由高锰酸钾制备得来的【1 0 1 ，所以也具有高锰酸钾的缺 点。 2 0 0 2 年，d o n a l dg l e e 等用高锰酸钾加路易斯酸三氯化铁的方法氧化炔烃成 1 ，2 二羰基化合物【11 1 。反应用丙酮作溶剂，先在7 8 0 c ( 丙酮冰水浴) 条件下搅 拌8 0m i n ，然后在0 0 c 下再搅拌l h ( s c h e m e1 4 ，e q 3 ) 。该反应可看成是对传统 高锰酸钾氧化炔烃反应的有益补充。当氧化剂用量加大并延长反应时间时，1 ，2 - 二羰基化合物会断裂成酸。 2 0 0 0 年，香港大学支志明教授【1 2 】使用当量的r u ( v i ) ( f i g u r e1 1 ) 作氧化剂， 将各类炔烃衍生物氧化成相应的1 ，2 二羰基化合物( s c h e m e1 4 ，e q 4 ) 。反应用 三氟乙酸和乙腈做混合溶剂，氮气保护室温条件下反应5h 。反应以近乎定量的收 率得到产物，且体系中检测不到副产物的生成。三氟乙酸在反应中起着重要作用， 当不加入三氟乙酸时，收率只有4 5 。与之前的金属氧化剂相比，该反应的特点 是：高效，官能团兼容性好。但是钌作为贵金属价格是非常昂贵的，用高价钌作 过渡金属催化的炔烃绿色氧化研究 第一章文献综述 氧化剂是不经济的。 除了上述的金属氧化剂外，见诸于文献报道i 拘k t _ 有硝酸钍【1 3 1 ，四氧化钌【1 4 1 ， 四氧化锇【1 5 】等。 in够 v 夕n ，o 憎吣o f 3 c 飞 f i g u r e1 1 分批添加k m n 0 4 h 2 0 r e f l u x 。3 0 h z n ( m n0 4 ) 2 ，s i 0 2 c h 2 c 1 2 4 0 0 c ，0 7 5 h k m n 0 4 f e c l 3 。a c t o n e 1 先在8 0 0 c 搅拌8 0 m i n 2 恢复至u o o c 再搅拌1 h r u ( 、，i ) 。o 2mc f 3 c 0 2 h m e c n 。r t o 嘛h ，吼5 一n s c h e m e1 4 金属氧化剂对炔烃的氧化 ( 3 ) ( 4 ) ( b ) 有机氧化剂氧化 1 9 6 4 年，r i c h a r dn m c d o n a l d 和p e t e ra s c h w a b 用过氧三氟乙酸作氧化剂氧 化炔烃成1 ，2 二羰基化合物【l6 】。反应用二氯甲烷作溶剂，过氧三氟乙酸需要溶 解在二氯甲烷中慢慢滴加至反应体系中。反应的主产物为二羰基化合物，还生成 了一部分酸，说明反应有过度氧化的迹象( s c h e m e1 5 ，e q 1 ) 。过氧三氟乙酸的 氧化性太强且危险，这对实验操作，后处理，官能团兼容性都有不利的影响。在 这之前，有人报道了利用臭氧来氧化炔烃成二羰基化合物1 7 】，但此反应的产率很 低，只有5 5 l 。 第一章文献综述 过渡金属催化的炔烃绿色氧化研究 2 0 0 0 年，s h l o m or o z e n 等用次氟酸的乙腈溶液作氧化剂进行炔烃氧化【1 8 】。次 氟酸是一类氧化性非常强的酸，其性质非常活泼。即使在0 0 c 下也仅仅能保存数 小时而已。因此，该反应对安全操作要求很高。反应须在0 0 c 下进行，将次氟酸 的乙腈溶液慢慢滴加到反应体系中，大约十分钟后反应就完成了( s c h e m e1 5 ，e q 2 ) 。反应转化得很快，主要缺陷是：由于强氧化剂的存在，反应副产物多，且官 能团兼容性不好。 z h o n g h u iw a n 等人对炔烃的氧化提出了新思路【1 9 】。他们认为一步将炔烃氧化 成双羰基化合物在能量上可能有些困难，因此可以先将炔烃氧化成一个单羰基的 中间体，然后再进一步氧化成双羰基( f i g u r e1 2 ) 。该反应用二甲亚砜作氧化剂， 氢溴酸做催化剂，甲酸为溶剂，在1 0 5 11 0 0 c 下反应1 5h ( s c h e m e1 5 ，e q 3 ) 。 反应产率良好。该反应的最大优点是避免了使用有毒的金属氧化剂，无机氧化剂 和过渡金属催化剂。 h u af u 等【2 0 】在2 0 0 8 年报道了一种更为方便安全氧化炔烃成1 ，2 二羰基的方 法。该体系使用n i s 作为氧化剂，水和乙腈作为混合溶剂，在7 0 0 c 反应1 0h 。 ( s c h e m e1 5 ，e q 4 ) 与之前的无机氧化剂相比，这个方法对环境相对友好，因此 具有一定的实用价值。 2 c f 3 c o o h n a h p 0 4 c h 5 c 1 2 。 囝啪霉坐一 a ，三r 三竺塑篁兰 h b r ( c a t ) ，h 2 0 ，1 0 5 0 c o 靠 - 7 6 - + 口c 。h 1 7 s c h e m e1 5 非金属氧化剂对炔烃的氧化 6 、i ( 4 ) q 妻誊町嗒 过渡金属催化的炔烃绿色氧化研究 第一章文献综述 除了上述的非金属氧化剂外，见诸于文献报道的还有高价碘【2 1 1 ，二甲基二氧 丙环【2 2 】等。 ”h 2 0 ” h + io a r r i | o o l a ，儿r a n a ，o ，a r l r f i g u r e1 2 炔烃分步氧化成l ，2 二羰基产物 ( c ) 过渡金属催化氧化 1 9 9 5 年，y u b u s o v , m s 等报道了氯化钯催化炔烃氧化的研究 2 3 ，2 4 。该体系中 二甲亚砜既做氧化剂，同时也兼做溶剂。反应在1 2 0 1 2 5 0 c 下搅拌7h ( s c h e m e1 6 ， e q 1 ) 。该反应实现了炔烃的催化氧化，但是反应催化剂用量偏大( 1 0m o l ) ， 反应时间长，有的甚至要几天才能反应完。尤其是，底物的电子效应和空间位阻对 反应影响很大，含吸电子宫能团【2 5 2 叼( 如c n ，n 0 2 ) 或苯环上有邻位取代的底物2 7 】 几乎不反应。而且，当炔烃底物中含有杂原子比如吡咯或吡啶时，只能得到少量 的产物【2 钔。 o l i v i e rp r o v o t 2 8 1 在2 0 0 6 年报道了利用微波提供能源进行炔烃催化氧化的研 究。在他们的反应体系中，使用便宜无毒的三溴化铁做催化剂，二甲亚砜做氧化 剂( s c h e m e1 6 ，e q 2 ) 。反应须在2 0 0 0 c 高温下进行。虽然微波作为能源符合绿 色化学的要求，但是过高的温度使得反应条件显得苛刻，也使反应底物的局限性 很大，且收率最多只能达到中等。 2 0 0 8 年，o l i v i e rp r o v o t 又报道了一种氧化炔烃的方法【2 9 1 。在该反应体系中， 碘化钯为催化剂，二甲亚砜为氧化剂( s c h e m e1 6 ，e q 3 ) 。该反应体系对含氮杂 环也能兼容，因此在医药工业上有潜在使用价值。反应体系还可以通过一锅煮的 方法得到一些杂环化合物，比如喹喔啉，咪唑等( s c h e m e1 6 ，e q 4 ) 。这就使得 反应具有了合成上的意义。但是，催化剂碘化钯用量仍然偏大，而且反应温度也 很高，距离实际应用仍有一段距离。 7 第一章文献综述 过渡金属催化的炔烃绿色氧化研究 p d c l 210m 0 1 d m s o 。1 2 0 - 1 2 5o c f e b r 310m 0 1 d m s o 。2 0 0o c m w p d l 22m 0 1 d m s o 。1 4 0o c p d i ，。1 4 0 口c d m s o 1 先反应2 h 。生成二羰基产物 2 再加入邻苯二胺，反应3 h o 时舻 i i s c h e m e1 6 过渡金属催化的炔烃氧化反应 ( 3 ) ( 4 ) 综上所述，炔烃氧化成1 ，2 二羰基类化合物的方法中，金属氧化剂的主要缺 点是对环境造成很大的危害，不符合可持续发展和绿色化学的要求【2 4 , 2 8 , 2 9 ；非金属 氧化剂的主要缺点是氧化性太强，不易操作，化学选择性低，产率不高，官能团 兼容性差【2 4 2 8 ，2 9 】；而使用过渡金属催化剂催化氧化的方法在官能团兼容性，选择控 制等方面有不俗的表现，只是这些方法都存在反应温度高，反应条件苛刻，催化 剂用量偏大等缺点。因此，炔烃的绿色氧化是一个值得深入研究的领域。 第二节本论文的立题 如前所说，炔烃氧化成1 ，2 二羰基的方法有三大类：使用金属氧化剂、非金 属氧化剂、过渡金属催化氧化。鉴于环境的压力和绿色化学的发展要求，过渡金 属催化和绿色氧化剂的思路应是炔烃氧化的主题。但是，目前开发的催化体系反 应条件普遍苛刻，有的甚至要借助一些特殊的反应手段，如微波加热。 我们希望能够探索一些催化体系，满足下面两个要求：一方面反应体系应该 温和、高效、官能团兼容性高：另一方面希望能够使用氧气，过氧化氢，过氧叔 丁醇等绿色氧化剂。当然，在这两个条件都满足的前提下，我们希望能够尽量降 低催化剂的用量，努力使其具有潜在工业应用价值。 8 一 肿 。6 m 肿 过渡金属催化的炔烃绿色氧化研究第二章p d 催化的炔烃w a c k e r 型氧化研究 第二章p d 催化的炔烃w a c k e r 型氧化研究 第一节烯烃的w a c k e r 氧化研究进展 氧气为最终氧化剂，乙烯可以氧化得到乙醛，产物中的氧来自于溶剂中的水 ( s c h e m e2 1 ) 1 3 0 。该反应于1 9 6 0 年实现了工业化生产，这是首例过渡金属催化的 有机反应工业化实例【3 1 1 。 一+ 1 - 1 2 0 竺! 型型垒生 c h 3 c h o p d p d i l g 暑； ，17 p d o b h y d d d ep d i l h 2 妙c h 3 + h + h n z - - o h p d ( 1 1 ) 的生成： c u ( 1 i ) 的生成： p d ( 0 ) + 2c u c l 2 c u c l + 0 2 p d c l 2 + 2c u c i c u c l 2 + h 2 0 s c h e m e2 1w a c k e r 氧化及其机理 最近几年，w a c k e r 氧化取得了重要的进展。日本有机化学家k i y o t o m ik a n e d a l 3 2 ， 川利用6a t m 压强的氧气作为单一氧化剂，在氯化钯催化作用下，将末端烯烃氧化 为酮( s c h e m e2 2 ，e q 1 ) 。该体系不需要铜盐，氧气作为唯一氧化剂。去除铜盐一方 面降低了反应的成本，更加绿色，另一方面也可以减少副反应，使反应变得更加 简单。另外，化学家发现除了水之外，其它亲核试剂也能发生类似w a c k e r 氧化的 反应，这就拓展了w a c k e r 氧化的底物和应用范斟3 3 1 。如s h a n n o ns s t a h l 3 3 ，钉用二 乙腈氯化钯做催化剂，内酰胺对烯烃氧化加成，生成c - n 键( s c h e m e2 2 ，e q 2 ) 。 另一个研究热点是不对称的w a c k e r 氧化。b r i a nm s t o l t z 等用( ) s p a t e i n e 可以 9 第二章p d 催化的炔烃w a c k c r 型氧化研究 过渡金属催化的炔烃绿色氧化研究 实现分子内的不对称的w a c k e r 氧化【3 4 1 ( s c h e m e2 2 ，e q 3 ) 。 n c 7 h 1 5 a + h 2 0 坠监唑_ n c 7 h 1 5 dma。6 a t mo ，8 0 。c z + 员 h nx u 5m o i ( m e c n ) 2 p d c l 2 _ _ _ _ _ _ - _ - _ _ - _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ - - - _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ - _ _ _ _ _ 。- 1a t m0 2 5m 0 1 c u c l 2 4 0m o l ( - ) - s p a t e i n e p d ( t f a ) 2 ( 1 0m 0 1 ) m s 3 a t o l u e n e 。0 2 8 0 0 c 员 z - 纩n 一，x 、， 时 s c h e m e2 2w a c k e r 氧化最近进展 第二节反应体系的发现、优化及底物的拓展 ( 2 ) ( 3 ) 与烯烃w a c k e r 氧化研究取得蓬勃进展形成鲜明对照的是，炔烃的w a c k e r 型 氧化迄今却无人报道。把w a c k e r 反应由烯烃拓展至炔烃，无疑是非常有价值的研 究。炔烃的w a c k e r 氧化之所以迟迟未见报道，我们推想可能是机理上的困境造成 的。 p d a l p d o h h 2 c 2 c h 2 p d i i - - 垦毫h 、 ) ( ： p d i o p d l l - - p d o 广o h h a r i - c _ = c - r 2 p d _ r 1 i p d i i _ 妥 u r 2 b f i g u r e2 1 烯烃w a c k e r 氧化机理图及炔烃w a c k e r 氧化假想机理图 1 0 h 2 0 h + ， 过渡金属催化的炔烃绿色氧化研究 如图f i g u r e2 1 ，左边是烯烃w a c k e r 氧化的机理循环图，右面则是按照烯烃的 机理图假设的炔烃w a c k e r 氧化机理循环图。在烯烃的w a c k e r 反应中，首先是烯 烃与钯配位，然后发生水解，生成中间体a ，随后a 经过一个关键的攫氢步骤 生成酮，同时生成p d ( 0 ) ，最后p d ( 0 ) 又被氧化成p d ( i i ) ，从而完成了机理循环。由 此我们可以看到，烯烃的w a c k e r 氧化之所以能够顺利完成循环，是因为其中有一 个关键的攫氢步骤。我们再来看依照烯烃的w a c k e r 氧化机理图推导的炔烃氧化 机理图。当炔烃与p d ( i i ) 配位水解后，生成中间体b ，但是b 没有口氢，即b 不具 备口攫氢的条件，从而反应也就无法完成循环。 但是，我们注意到w a c k e r 氧化从发现到现在已逾半世纪，其真实的反应机理 究竟如何学术界依然是众说纷纭，争议不断【3 引。虽然从上面的机理来看，炔烃 w a c k e r 氧化是行不通的，但我们认为只有实验才能做出最终判断。我们将炔烃引 入到经典的烯烃w a c k e r 氧化条件下( s c h e m e2 3 ) ，即5m o l 的p d c l 2 为主催化 剂，1 0t 0 0 1 的c u c l 2 为助催化剂，2m l n ，n 二甲基甲酰胺( d m f ) 和0 4m l 水 为混合溶剂，氧气，6 0 0 c 下搅拌2 4h ，发现有氧化产物1 ，2 二苯基乙二酮生成。 虽然产率不高，只有2 1 ，但足以说明炔烃的w a c k e r 氧化是能够进行的。于是， 在这基础上我们开始进行一系列的条件优化。 p d c l 2 c u c l 2 d m f h 2 0 。0 2 s c h e m e2 3 t a b l e2 1 催化剂对反应的影响 【p d 。【c u 】 2 1 1 a 2 a 【p d 】的用量为5t 0 0 1 ，【c u 】的用量为10m 0 1 。产率为分离产率 第二章p d 催化的炔烃w a c k e r 型氧化研究 过渡金属催化的炔烃绿色氧化研究 我们首先在d m f h 2 0 溶剂条件下对不同的催化剂进行了筛选比较( t a b l e 2 1 ) 。结果发现，催化剂阴离子部分对反应的影响非常大。当阴离子为醋酸根离子 时，甚至得不到所要的产物，而当阴离子为溴负离子时，能够以7 2 的收率得到 产物。在烯烃的w a c k e r 氧化中，催化剂的阴离子对反应的影响同样很大【3 6 j 。 鉴于溶剂对有机反应往往有重大的影响，我们又对溶剂进行了筛选( t a b l e 2 2 ) 。其中以1 ，4 二氧六环的效果最好，几乎以定量的收率得到所要二羰基产物。 t a b l e2 2 溶剂对反应的影响 5m o i p d b r 2 10m o i c u b r ， 6 0o c 2 4h l a 2 a 产率均为分离产率 1 ，4 二氧六环h 2 0 为溶剂的条件下，我们考察了一些常用氧化剂对反应的影 响( t a b l e2 3 ) 。结果发现：氧气在这些氧化剂里是最好的。氧气是温和绿色的氧 化剂，对环境非常友好，便宜易得【3 7 】。另外，它不像一般氧化剂那样易燃易爆， 这在实验操作上就安全可靠。值得一提的是，反应直接在空气条件下也能进行， 且产率良好( t a b l e2 3 ，e n t r y1 ) 。 1 2 过渡金属催化的炔烃绿色氧化研究第二章p d 催化的炔烃w a c k e r 型氧化研究 t a b l e2 3 氧化剂对反应的影响 5m 0 1 p d b r 2 1 0m o i c u b r 2 - - - - - - - - - - - - - - - - - - ：- - - - - 6 0o c ，2 4h 1 a2 a 产率均为分离产率 为了能够确定体系中各组分有没有起作用，我们又做了一系列的对照实验进 行验证( t a b l e2 4 ) 。实验表明，溴化钯、溴化铜、氧气三者缺一不可。当没有溴 化钯或溴化铜时，反应都不会发生( t a b l e2 4 ，e n t r yl ，2 ) ；当反应有溴化钯和溴化 铜的参与，在氩气下进行时，反应也无法完成循环，只能以少量的收率得到产物 ( t a b l e2 4 ，e n t r y3 ) 。 第二章p d 催化的炔烃w a c k e r 型氧化研究过渡金属催化的炔烃绿色氧化研究 t a b l e2 4 控制实验 5 t 0 0 1 p d b r 2 1 0t 0 0 1 c u b r 2 6 0o c 2 4h l a 2 a 产率均为分离产率 优化好反应条件之后，我们便开始进行炔烃底物的拓展。如t a b l e2 5 所示， 反应对底物的官能团兼容性非常好，包括卤素，醛，酮，硝基，苄基的c h 键， 三氟甲基，羟基，酯基，氰基，甲氧基等都可以在该反应体系中兼容( t a b l e2 5 ，e n t r i e s 1 - 4 ，9 1 3 ，1 5 ) 。反应底物的范围也很广，除了二芳基炔烃，芳基烷基炔烃和双烷 基炔烃也能较好地进行反应，得到中等乃至良好的产率( t a b l e2 5 ，e n t r i e s1 2 1 4 ) 。 电子效应对反应底物的影响不大，无论是给电子官能团( t a b l e2 5 ，e n t r y4 ) 还是 吸电子官能团( t a b l e2 5 ，e n t r y1 ) 都能得到很好的收率。在很多有机反应中，空 间位阻对反应的影响是很大的，但在我们的体系中，空间位阻的影响不是很大 ( t a b l e2 5 ，e n t r y5 ) 。当芳基炔烃中引入稠环官能团时，产率不理想，这一缺陷可 以通过提高反应温度来弥补( t a b l e2 5 ，e n t r y8 ) 。我们还考察了芳环上取代基的位 置对反应的影响( t a b l e2 5 ，e n t r y5 7 ) ，结果发现取代基在邻，间，对位反应都很 好。 1 4 t a b l e2 5 产物拓展 5t 0 0 1 p d b r 2 11 竺! ! 兰! ! 呈! 兰 r 1a t m0 2 6 0o c d i o x a n e h 2 0 2 4h o e n l t y s u b s t r a t e p r o d u c t y i e i d a n c 2 c 3 1 b m e o 4 5 6 7 8 b t d l e 2 b m e o 2 e 幽舂p 1 h2 h 8 9 9 7 9 7 9 0 7 7 8 9 9 0 8 9 9 1 0 11 6 1 2 伊翼f粥f 3 9 强 1 1 c f 3 乙 一4 叫 p d ( o ) p d b r 2 b r o义,cybp入alpladd，atibo 。议 b i0 h c u ( i ) d i n a t i o n ：亍ra b r _ p 。d 。o h 2 i o x y p a l l a d a t h b r r 儿rprotono l y s i s r n p d 0 h b 2 - 悔u 1 1 ) c h f i g u r e2 5 可能的催化循环机理 h b r 首先是溴化钯，水和炔烃配位形成络合物a ，a 发生氧钯化脱去溴化氢形成络 合物b ，在没有溴化铜的时候，经过质子解形成单羰基化合物。当溴化铜存在的时 候，b 发生还原消除脱去溴化氢形成络合物c ，此时p d ( i i ) 还原为p d ( o ) 。c 在溴化 铜的氧化作用下p d ( o ) 又被氧化为p d ( i i ) 生成络合物d 。d 在水的参与下，再一次 发生氧钯化作用生成络合物e ，e 发生溴化氢还原消除和钯的攫氢反应，生成双 羰基产物，同时释放出p d ( o ) ，p d ( o ) 被溴化铜氧化为p d ( 1 1 ) 后，进入下一轮反应循环中。 第四节本章小结 我们发展了一种新的炔烃w a c k e r 型氧化体系：使用5m o l 溴化钯作为催化 剂，l om o l 溴化铜作为助催化剂，氧气作为最终氧化剂，l ，4 二氧六环和水作 为混合溶剂，6 0 0 c 反应。与以往炔烃氧化成双羰基反应相比，本体系的优点在于： 过渡金属催化的炔烃绿色氧化研究 第二章p d 催化的炔烃w a c k e r 型氧化研究 1 水做产物中氧的供体，氧气作为最终氧化剂，反应对环境友好，符合绿色化 学发展的要求。 2 反应条件温和，不需要强氧化剂，也不需要特殊的配体，操作安全简单，对 官能团的兼容性高，底物范围广，催化效率高。 3 通过控制实验和理论计算，对水和溴化铜的作用提出了合理的解释。 第三章钌催化的炔烃氧化研究过渡金属催化的炔烃绿色氧化研究 第三章钌催化的炔烃氧化研究 第一节反应体系的设想 钯催化的炔烃w a c k e r 型氧化在绿色、高效、官能团兼容性、底物范围等方面 取得了成功，但该体系有一个缺陷：5t 0 0 1 溴化钯和1 0m 0 1 溴化铜催化剂用量 相对偏高。这会导致成本高和金属残留等问题。这就需要我们寻找新的高效且催 化剂负载量低的催化体系。 钌催化的醇f 4 玎及烯烃【4 2 】等氧化有大量的报道。相应的炔烃氧化的研究却很少f 4 3 】。 支志明教授报道了当量钌氧化炔烃成1 ，2 二羰基化合物( s c h e m e3 1 ) 【4 3 一。 f 墨猡】+ + r 1 一z 詈b ( c n * ) r 洲 + + r 1 v 2 0 0 3 年，杨丹教授发表了一篇炔烃氧化成羧酸的报道m ( s c h e m e3 2 ) 。反应 用二氧化钌作催化剂，o x o n e 作氧化剂，室温下炔烃就可以断裂成羧酸。 n c 6 h 1 3 三 一c 6 h 1 3 - 1 1 r u 0 2 ( 3t 0 0 1 ) ，o x o n e ( 3 3e