一种由醇氧化为醛、酮或羧酸的方法

摘要

本发明公开了一种醇氧化为相应醛、酮或酸物的方法，该方法系在金属氮杂环卡宾类化合物为催化剂，以空气中的氧气为氧化剂，高效温和地将醇类化合物选择性氧化成醛或酮；加热条件下又可以将无α-氢的伯醇高效氧化生成相应的羧酸化合物。

说明书

技术领域

本发明属于一种新型高效专一绿色的由醇类化合物分别制备相应醛、酮或羧 酸的方法，具体的说是以金属氮杂环卡宾或其咪唑盐前体作为催化剂，醇类化合 物为底物，氧化性气体为氧化剂，在碱的参与下通过改变不同反应条件高产率制 备醛、酮或羧酸的方法。

背景技术

醇的氧化反应是一类重要的有机反应。其中，伯醇（RCH₂OH）可被氧化为醛 (RCHO)或羧酸(RCO₂H)；而仲醇(R¹R²CHOH)通常氧化为酮(R₁R₂C=O)的形式；叔 醇(R¹R²R³COH)则通常难于发生氧化反应。直接将伯醇氧化至羧酸通常要经过相 应的醛的阶段，也就是在继续氧化为羧酸前，与水先反应形成醛的水合物 (RCH(OH)₂)。

用于将伯醇氧化至醛类的氧化剂，对于将仲醇氧化至酮类这一过程同样适 用。当量或者过量型的氧化剂有1.金属铬氧化，如Collins试剂、PDC和PCC等； 2.活化的DMSO，可以从DMSO和亲电试剂反应获得，例如草酰氯(Swern氧化)、 碳二亚胺(Moffat氧化)和SO₃·Py络合物(Parikh-Doering氧化)；3.高价碘化合物， 如：Dess-Martin氧化剂或2-碘酰基苯甲酸；4.金属氧化物，如二氧化锰、氧化 银等。这些方法不符合原子经济性，产生大量有毒有害的三废。催化量的氧化反 应有：1.催化量的TPAP与过量的NMO协同氧化(Ley氧化)；2.催化量的TEMPO 与过量次氯酸钠(Anelli氧化)。这两个方法一则使用高毒性的重金属试剂和氧化 剂，二则使用强致癌的自由基化合物，后处理时还需进一步考虑除去这些高毒致 癌物质。

仲醇可以被许多氧化剂氧化为酮，但通常不能被氧化成醛，如：1.三氧化 铬的硫酸溶液(Jones试剂)；2.在异丙醇铝条件下，使用丙酮作为氧化剂 (Opphenauer氧化)。前者仍然因为使用高毒氧化物而使用受限，而后者反应中使 用催化量的含铝试剂也显得不够环保，且反应温度较高，反应过程剧烈。

直接将伯醇氧化至羧酸可通过如下方法有：高锰酸钾、Jones氧化、PDC的 2,5-二甲基呋喃溶液、Heyns氧化、四氧化钌和TEMPO等。这些过程同样使用 了大量高毒试剂，且反应过程剧烈，一直以来是长期困扰该类氧化反应实际应用 的主要原因。

因此，本发明的目的是提供能够高效地由醇类化合物通过改变具体反应条件 使产物为单一的醛酮类化合物抑或一步氧化为羧酸类化合物，使用反应条件温 和，采用试剂绿色环保，成本低廉，转化率高且具有一定的工业价值。

发明内容

本发明提供了一种高效廉价绿色温和的氧化方法，通过改变不同的实验条 件，可以由醇类化合物转化为醛或酮类化合物，也可将无α-氢的醇类化合物一步 法直接生成相应的羧酸。

本发明的最佳方式

在室温~150℃温度下、有机溶剂和氧化性气体中，醇类化合物、催化剂、碱 和助剂反应0.5~72h得到相应的醛、酮或羧酸。

所述的醇类化合物指具有如(1)、(2)、(3)和(4)类结构的醇类：

其中R¹，每处均独立选自：H、卤素、C1~10的烷基、C1~10的烯基、C1~5 的烷氧基、C1~6的烷氨基、C1~2的酰基、硝基、氰基、羟基或氨基；R²是H、 C1~10的烷基或者是苯、吡啶、呋喃、噻吩基团；R³、R⁴、R⁵和R⁶每处出现时 均独立选自：H、卤素、C1~10的烷基、C1~10的烯基和苯环；R⁷和R⁸每处出 现时均独立选自：H、卤素、C1~10的烷基、C1~10的烯基、苯环、呋喃、吡啶 和噻吩结构；R⁹和R¹⁰每处出现时均独立选自：H、C1~10的烃基、具有C3~C8 的碳环、呋喃、吡啶和噻吩结构；

所述的催化剂是以下四种：1.咪唑盐；2.金属氮杂环卡宾配合物；3.咪唑 盐和金属粉末；4.咪唑盐和金属化合物；

催化剂的用量如下：1.当直接使用咪唑盐作为催化剂，与醇类化合物的摩尔 比为0.005~0.05:1；2.如使用金属氮杂环卡宾配合物作为催化剂，与醇类化合物 的摩尔比为0.01~0.08；3.咪唑盐和金属粉末，其中咪唑盐与醇类化合物摩尔比为 0.005~0.05:1，金属粉末与咪唑盐的摩尔比为1:1~4；4.咪唑盐和金属化合物， 其中咪唑盐与醇类化合物摩尔比为0.005~0.05:1，金属化合物与咪唑盐的摩尔比 为1:1~4；

所述的咪唑盐的结构如式(5)-(18)所示：

X可能为F^-、Cl^-、Br^-、I^-、ClO₄^-、BF₄^-、SbF₆^-、PF₆^-、OTf^-、NTf₂^-、HSO₄^-或者OAc^-；

所述的金属氮杂环卡宾配合物为ML_aX_b结构：M为Fe、Co、Ni、Cu、Zn 或Ag；L如式(19)-(32)所示的氮杂环卡宾；X可能为F^-、Cl^-、Br^-、I^-、ClO₄^-、 BF₄^-、SbF₆^-、PF₆^-、OTf^-、NTf₂^-、HSO₄^-、OAc^-、AgCl₂^-、AgBr₂^-、CuCl₂^-、CuBr₂^-或CuI₂^-；a可以为1~6，b为1~4；

所述的金属粉末是锰粉、铁粉、钴粉、镍粉、铜粉、锌粉、银粉、镁粉或铝 粉；所述的金属化合物为锰、铁、钴、镍、铜、锌、银、镁或铝的氧化物或卤化 物；

所述的碱是：碳酸钠、碳酸钾、碳酸铯、磷酸钾、乙酸钠、乙酸钾、三乙胺、 二乙胺、四丁基氢氧化铵、氢氧化钠、氢氧化钾、叔丁醇钾、叔丁醇钠、吡啶、 1,8-二氮杂环[5,4,0]十一烯-7(DBU)、2,6-二甲基吡啶、嘧啶、喹啉或异喹啉；所 述的碱与醇类化合物的摩尔比0.1~6:1；

所述的助剂分为吸水剂或相转移催化剂：所述的吸水剂是无水氯化钙、无水 硫酸镁、无水硫酸钠、无水氧化钙、无水碳酸钾、钠丝、氢化钙、氢化钠、分子筛或分子筛；所述的相转移催化剂是四乙基氯化铵、四丁基氯化铵、四 丁基溴化铵、四丁基碘化胺、四丁基硫酸氢铵或三辛基甲基氯化铵的季铵盐；四 正丁基氯化鏻或四正丁基溴化鏻的季鏻盐；或者冠醚；所述的吸水剂与醇类底物 相对于醇类底物的重量比为0.05~0.50；所述的相转移催化剂与醇类底物的摩尔 比为0.005~0.3:1；

所述的有机溶剂为乙醚、二异丙醚、甲基叔丁基醚、甲基正丁基醚、乙基正 丁基醚、环戊基甲基醚、乙二醇二甲醚(DME)、甲苯、苯、乙酸乙酯、二氯甲烷、 四氢呋喃(THF)、2-甲基四氢呋喃、乙腈、N,N-二甲基甲酰胺(DMF)、二甲亚砜 (DMSO)、醇、石油醚、己烷、庚烷、辛烷、环己烷或者它们的混合溶剂，

所述的有机溶剂控制起始所述的醇类化合物的浓度为0.05mol/L至12mol/L 之间。

所述的氧化性气体是空气或氧气。

所述的温度是：当所需要的产物为醛酮时，温度-20~70℃；当所需要产物为 羧酸时，温度为50~150℃。

所述的催化剂与醇类底物的摩尔比为0.001~0.03:1，所述的相转移催化剂与 醇类底物的摩尔比为0.10~0.20:1。

反应产物经过纯化过滤、浓缩、柱层析、重结晶或减压蒸馏纯化。

本发明有如下特点：

不使用高毒性的试剂，使用金属都是较为廉价的金属并且毒性非常低，也并 不适用具有致癌作用的稳定自由基分子；只利用空气中的氧气作为氧化剂，是一 种绿色合成方法。

反应过程简单，易于操作，反应条件容易控制，通过改变反应条件可以将产 物控制在醛酮一步，也可以将产物控制在羧酸一步。催化剂重复性好，容易实现 工业放大。

产物收率高，体系中未反应的原料可以回收并且继续反应。

实施例

以下例举实施例说明本发明，但本发明并不受这些实施例的限定。 醇类化合物转化为醛酮

实施例1

反应管里加入对甲氧基苯甲醇(1mmol)、叔丁醇钾(0.1mmol)和咪唑盐 (9)(10μmol)，体系抽真空后冲入空气，加入10mL甲苯为溶剂，加入几粒分 子筛和四正丁基碘化铵(0.05mmol)室温搅拌12小时，得到产物对甲氧基苯甲醛， 产率95%。

¹H NMR(300MHz,CDCl₃)δ9.82(s,1H),7.78(d,J=8.7Hz,1H),6.94(d,J=8.6 Hz,2H),3.82(s,3H);ESI-MS[M+Na]m/z159.0.

实施例2

反应管里加入对4-羟基-3-甲氧基苯甲醇(1mmol)、三乙胺(1.5mmol)、金属氮 杂环卡宾配合物[Ag(25)₂]⁺BF₄^-(20μmol)，体系抽真空后纯氧气，加入8mL无水 二氯甲烷为溶剂，加入25mg无水硫酸钠和四正丁基氯化鏻(15μmol)45℃搅拌24 小时，得到4-羟基-3-甲氧基苯甲醛(即香兰素)，产率92%。

¹H NMR(300MHz,CDCl₃)δ9.77(s,1H),7.56–7.30(m,2H),7.00(d,J=8.5Hz, 1H),6.81(s,1H),3.89(s,3H);ESI-MS[M]m/z152.0.

实施例3

反应管里加入香叶醇(1mmol)、氢氧化钾(2mmol)、铁粉、咪唑盐(12)(0.02mmol) 和30mg氯化钙，加入13mLDME为溶剂和四乙基氯化铵(50μmol)，室温搅拌6 小时，得到产物香叶醛(即柠檬醛)，产率99%。

¹H NMR(300MHz,CDCl₃)δ9.91(dd,J=30.1,8.2Hz,1H),5.84(d,J=8.0Hz, 1H),5.05(d,J=7.9Hz,1H),2.56(t,J=7.4Hz,1H),2.37–2.08(m,4H),1.95(s, 2H),1.65(s,3H),1.57(d,J=4.9Hz,3H);EI-MS[M+H]m/z153.1.

实施例4

反应管里加入1-苯乙醇(1mmol)、吡啶(3mmol)、咪唑盐(10)(0.03mmol)和 二氧化锰(0.01mmol)，加入7mL THF为溶剂、氢化钠(1.4mmol)和四正丁基硫酸 氢铵(30μmol)，35℃加热搅拌反应8小时，得到产物苯乙酮，产率89%。

¹H NMR(300MHz,CDCl₃)δ7.94-7.92(d,J=7.8Hz,2H),7.56-7.51(t,J=7.35Hz, 1H),7.45-7.40(t,J=7.5Hz,2H),2.57(s,3H);EI-MS[M]m/z120.1.

实施例5

反应管里加入肉桂醇(1mmol)、磷酸钾(4mmol)和咪唑盐(16)(40μmol)，加入 20mL二甲亚砜为溶剂，加入无水硫酸镁和18-冠-6(20μmol)，40℃搅拌6小时， 得到产物肉桂醛，产率96%。

¹H NMR(300MHz,CDCl₃):δ9.71(d,J=8.4Hz,1H),7.59-7.43(m,5H),6.76(dd, J=8.4,6.9Hz,1H),6.70(dd,J=8.4,6.9Hz,1H);EI-MS[M]m/z120.1.

实施例6

反应管里加入水杨醇(1mmol)、碳酸钾(0.1mmol)、NiCl₂(0.15mmol)和咪唑盐 (17)(0.03mmol)，体系抽真空后冲入空气，加入10mL乙醚为溶剂，加入无水硫 酸钠和四正丁基溴化铵(50μmol)室温搅拌12小时，得到产物水杨醛，产率95%。

¹H NMR(300MHz,CDCl₃):δ9.80(s,1H),7.70(d,J=9.6Hz,1H),7.64-7.40(m, 1H),7.24-7.10(m,1H),6.55-6.48(m,1H);EI-MS[M]m/z122.2.

实施例7

反应管里加入吡啶-2-甲醇(1mmol)、氢氧化钠(6mmol)和金属氮杂环卡宾配 合物[Cu(27)]⁺Cl^-(10μmol)，鼓入空气，加入1mL无水DMF为溶剂、四丁基氯化 铵(20μmol)和30mg氧化钙，25℃搅拌7小时，得到产物吡啶-2-甲醛，产率94%。

¹H NMR(300MHz,CDCl₃):δ10.11(d,J=7.8Hz,1H),8.81(d,J=4.2Hz,1H), 7.98(d,J=7.5Hz,1H),7.90(t,J=8.4Hz,15.0Hz,2H),7.56-7.52(m,1H); EI-MS[M]m/z107.0.

实施例8

反应管里加入噻吩-2-甲醇(1mmol)、碳酸钠(1.5mmol)、咪唑盐(7)(5μmol)和 CuI(2μmol)，体系抽真空后充入纯氧气，加入0.8mL无水二氯甲烷为溶剂，加入 分子筛和15-冠-5(60μmol)，30℃搅拌24小时，得到产物噻吩-2-甲醛， 产率90%。

¹H NMR(300MHz,CDCl₃):δ9.90(s,1H),7.80–7.59(m,2H),7.18(t,J=4.3Hz, 1H);EI-MS[M⁺]m/z112.0.

实施例9

反应管里加入二苯甲醇(1mmol)、正丁基氢氧化铵(2mmol)和咪唑盐 (13)(0.1mmol)，加入5mL2-甲基四氢呋喃为溶剂、四正丁基碘化铵(20μmol)和 分子筛，35℃加热搅拌反应15小时，得到产物二苯甲醛，产率89%。

¹H NMR(300MHz,CDCl₃):δ7.47-7.50(m,4H),7.58-7.61(m,2H),7.80-7.82(m, 4H);EI-MS[M]m/z182.1.

实施例10

反应管里加入3-戊醇(1mmol)、二乙胺(0.5mmol)、铜粉和咪唑盐(11)(50μmol)， 体系抽真空后充入干燥的空气，加入0.5mL乙基正丁基醚为溶剂和少许四正丁 基碘化胺(25μmol)，40℃加热搅拌21小时，得到产物3-戊酮，产率97%。

¹H NMR(300MHz,CDCl₃):δ1.06(t,J=7.2Hz,6H),2.43(q,J1=14.4Hz,J2=7.2 Hz,4H);EI-MS[M]m/z86.1.

实施例11

反应管里加入9-芴醇(1mmol)、2,6-二甲基吡啶(0.5mmol)、Ag₂O(20μmol)和 (25)(50μmol)，体系抽真空后充入干燥的空气，加入0.5mL乙腈为溶剂和少许四 正丁基氯化铵(30μmol)，40℃加热搅拌20小时，得到产物9-芴酮，产率87%。

¹H NMR(300MHz,CDCl₃):δ7.29(td,J=7.5,1.4Hz,2H),7.46-7.54(m,4H),7.66 (d,J=7.5Hz,2H);EI-MS[M]m/z180.1.

醇类化合物一步转化为羧酸

实施例12

反应管里加入噻吩-2-甲醇(1mmol)、碳酸钾(5mmol)和金属氮杂环卡宾配合 物Ni(29)₂Br₂(15μmol)，加入2mL甲基正丁基醚为溶剂和四正丁基溴化铵 (27μmol)，加入几粒分子筛115℃搅拌14小时，得到产物噻吩-2-甲酸，产率 96%。

¹H NMR(300MHz,DMSO)δ13.13(s,1H),7.93(dd,J=4.9,1.1Hz,1H),7.77(dd, J=3.6,1.2Hz,1H),7.22(dd,J=4.9,3.7Hz,1H);EI-MS[M]m/z128.0.

实施例13

反应管里加入1-苯基-3-丁炔-1-醇(1mmol)、碳酸钠(0.5mmol)和金属氮杂环 卡宾配合物[Co(19)₄]⁺PF₆^-(50μmol)，体系抽真空后充入干燥的空气，加入0.5mL 环戊基甲基醚为溶剂、分子筛和15-冠-5(35μmol)，130℃加热搅拌12小时， 得到产物1-苯基-3-丁炔-1-酸，产率91%。

¹H NMR(300MHz,DMSO)δ7.64–7.46(m,5H);EI-MS[M]m/z146.0.

实施例14

反应管里加入对氟苯甲醇(1mmol)、乙酸钾(0.5mmol)和金属氮杂环卡宾配合 物[Fe(22)₂]Cl₂(50μmol)，体系抽真空后充入干燥的空气，加入0.5mL二异丙醚为 溶剂、分子筛和少许18-冠-6(43μmol)，90℃加热搅拌23小时，产率90%。 和少许四正丁基溴化鏻，110℃加热搅拌14小时，得到产物对氟苯甲酸，产率 92%。

¹H NMR(300MHz,DMSO)δ13.33(1H,s),7.90-7.88(2H,m),7.70(1H,d,J=8.2 Hz),7.54(1H,t,J=8.0Hz);EI-MS[M]m/z140.0.

实施例15

反应管里加入对氯苯甲醇(1mmol)、叔丁醇钠(0.5mmol)、ZnBr₂和咪唑盐 (13)(50μmol)，体系抽真空后充入干燥的空气，加入0.5mL二氯甲烷为溶剂、分子筛和15-冠-5(25μmol)，100℃加热搅拌18小时，得到产物对氯苯甲酸，产 率93%。

¹H NMR(300MHz,DMSO)δ13.45(br s,1H),7.93(d,J=8.5Hz,2H),7.52(d,J =8.5Hz,2H);EI-MS[M]m/z156.0.

实施例16

反应管里加入邻甲氧基苯甲醇(1mmol)、四正丁基氢氧化铵(0.5mmol)、无水 二溴化锌(10μmol)和咪唑盐(18)(30μmol)，体系抽真空后充入干燥的空气，加入 0.5mL四氢呋喃和少许四正丁基氯化鏻(10μmol)，150℃加热搅拌22小时，得到 产物邻甲氧基苯甲酸，产率95%。

¹H NMR(300MHz,DMSO)δ12.63(s,1H),7.63(dd,J=7.6,1.4Hz,1H),7.50(dd, J=11.3,4.5Hz,1H),7.11(d,J=8.4Hz,1H),6.99(t,J=7.5Hz,1H),3.80(s,3H); EI-MS[M]m/z152.0.

实施例17

反应管里加入间甲氧基苯甲醇(1mmol)、DBU(0.5mmol)、MgO和咪唑盐(8) (50μmol)，体系抽真空后充入干燥的空气，加入0.5mL乙二醇二甲醚为溶剂、20mg 无水氯化钙和少许四正丁基硫酸氢铵(35μmol)，130℃加热搅拌15小时，得到产 物间甲氧基苯甲酸，产率88%。

¹H NMR(500MHz,CDCl₃)δH7.73(dt,J=7.6,1.2Hz,1H)7.63(dd,J=2.6,1.2 Hz,1H),7.39(t,J=8.0Hz,1H),7.17(ddd,J=8.3,2.6,1.2Hz,1H),3.87(s,3H); EI-MS[M]m/z152.0.

实施例18

反应管里加入对溴苯甲醇(1mmol)、氢氧化钾(0.5mmol)、三氯化铁和(15) (50μmol)，体系抽真空后充入干燥的空气，加入0.5mL四氢呋喃为溶剂、30mg 无水硫酸镁和少许四正丁基溴化鏻(32μmol)，90℃加热搅拌23小时，得到产物 对溴苯甲酸，产率87%。

¹H NMR(300MHz,DMSO)δ13.29(s,1H),7.91(dd,J=8.4,2.4Hz,2H),7.75(dd, J=8.2,2.1Hz,2H);EI-MS[M]m/z199.8。