本发明涉及一种甘油缩醛系列衍生物(5-羟基-2-取代基-1,3-二氧六环)的氧化方法。
背景技术：
作为生物柴油生产的副产物的甘油，是一种重要的生物质平台化合物，它连接可再生的生物质资源与不可再生的化石燃料的桥梁，在化工生产中起着很重要的作用。目前，我国的甘油产能严重过剩，为了开发其应用价值，研究人员致力于其系列下游产品生产方法研究，例如乳酸的制备、1，3-二羟基丙酮(dha，dihydroxyacetone)的制备等。其中1，3-二羟基丙酮除了是一种重要的医药中间体之外，还是食品添加剂、化妆品防晒剂的成分，还可作为抗病毒试剂用于鸡蛋胚胎培养中，提高鸡崽成活率。因此，1，3-二羟基丙酮的制备方法引起了学者的广泛研究。
目前，工业上1，3-二羟基丙酮的成熟制备方法是酶催化法(j.fermenttechnol,1979,57(3):227)。酶催化法制备1，3-二羟基丙酮具有以下缺点：1)为保持菌类的活性，甘油的浓度较低，导致该法的收率较低，难以大规模生产满足市场需求。2)酶催化法副产物较多，导致后处理工艺复杂，成本较高。
除了酶催化法，国内外报道了许多化学合成法转化甘油为1，3-二羟基丙酮的化学合成方法，但这些方法大部分为甘油直接氧化法。直接氧化法受限于甘油的多羟基结构，普遍具有转化率和选择性低的问题。目前为止，国外报道的甘油直接氧化法制备1，3-二羟基丙酮的最高产率是37％(catalysistoday,2000,57:127)。由于，仅靠改进催化剂很难改变甘油直接氧化法反映时间长、转化率低和选择性等问题，cn101412706b提出了一种以甘油为原料制备1，3-二羟基丙酮的新方法，该方法首先用甘油和苯甲醛在酸作用下生成环状的甘油苯甲醛缩醛醚，将所得的甘油苯甲醛缩醛醚在三氧化铬二吡啶等强氧化剂下发生氧化反应得到5-羰基-2-苯基-1，3-二氧杂环环己烷，再将所得氧化产物水解得到1，3-二羟基丙酮二聚体。该方法成功的关键是甘油苯甲醛缩醛醚的氧化，但氧化反应釜需要铬盐、锰盐催化剂具有环境污染大，后处理复杂，成本较高等缺点。
技术实现要素：
本发明的目的在于针对上述技术分析和存在问题，提供一种甘油缩醛系列衍生物(5-羟基-2-取代基-1,3-二氧六环)的氧化方法，该制备方法催化剂用量少、产物收率高且易于分离、反应条件温和、生产成本低、安全无隐患且对环境友好。
本发明的技术方案：
1)、一种甘油缩醛衍生物的氧化方法，以甘油缩醛衍生物为底物、在氧气和氮氧化合物存在下，氧化为化合物2-取代基-1,3-二氧六环-5-酮，所述具有方法：将甘油缩醛衍生物溶于溶剂中，加入氮氧化合物、氧化剂、含氮配体和有机碱，在温度为0-100℃、氧气分压为0.01-4mpa、搅拌反应0.1-20小时，由甘油缩醛衍生物(5-羟基-2-取代基-1,3-二氧六环)氧化得到化合物2-取代基-1,3-二氧六环-5-酮。
2)、所述甘油缩醛系列衍生物的氧化方法，其氧化过程如式1所示：
式1，r为氢、烷基(分子式为cnh2n+1，n＝1-5)芳基，芳基烷基(分子式为c6h5cnh2n，n＝1-5)中的一种；
氧化剂a为碘化亚铜、溴化亚铜、氯化亚铜、四乙腈三氟甲磺酸铜(i)、亚硝酸叔丁酯、亚碘酰苯中的一种或多种；
氮氧化合物b为2,2,6,6-四甲基哌啶氧化物(tempo)、4-羟基哌啶醇氧自由基(4-oh-tempo)、9-氮杂双环[3.3.1]壬烷-n-氧自由基(abno；9-azabicyclo[3.3.1]nonan-n-oxyl)、9-氮杂双环[3.3.1]壬烷-3-酮-n-氧自由基(keto-abno)、2-氮杂金刚烷-n-氧自由基(azado；2-azaadamantane-n-oxyl)、1-甲基-2-氮杂金刚烷-n-氧自由基(1-me-azado；1-methyl-2-azaadamantane-n-oxyl)、9-氮杂去甲金刚烷-n-氧自由基(nor-azado；9-azanoradamantane-n-oxyl)以及上述氮氧化合物的负载物中的一种或多种。上述氮氧化合物的负载物的负载方式不限，可以是载体化学键负载，也可以是多孔载体吸附负载。
含氮配体c为2,2'-联吡啶及含有取代基的2,2'-联吡啶化合物(例如4,4'-二甲基-2,2'-联吡啶、4,4'-二甲氧基-2,2'-联吡啶)中的一种或多种。
有机碱d为n-甲基咪唑。
3)、所述氮氧化合物与甘油缩醛衍生物的物质的量比为0.001-0.2:1，优选物质的量比为0.005-0.02:1。
4)、所述氧化剂与甘油缩醛衍生物的物质的量比为0.01-0.3:1，优选物质的量比为0.05-0.01:1。
5)、所述含氮配体与甘油缩醛衍生物的物质的量比为0.01-0.3:1，优选物质的量比为0.05-0.01:1。
6)、所述有机碱与甘油缩醛衍生物的物质的量比为0.05-0.3:1，优选物质的量比为0.1-0.2:1。
7)、所述反应温度为0-100℃，优选反应温度为0-50℃；
所述含氧气体的氧分压为0.01-4mpa，优选氧气分压为0.2-2mpa；
所述搅拌反应时间为0.1-20h，优选搅拌反应时间为0.1-5h；
本发明可用气相质谱检测氧化反应的进行情况，不同的甘油缩醛衍生物发生氧化，温度，氧气分压，反应时间等反应条件略有不同。
8)、氧化反应中使用的有机溶剂为二氯甲烷、三氯甲烷、乙腈、1，4-环氧六环、环己烷、n,n-二甲基甲酰胺、n,n-二甲基乙酰胺中的一种或两种以上。
该方法解决了甘油缩醛衍生物(5-羟基-2-取代基-1,3-二氧六环)立体位阻大，难以氧化或氧化产率不高的问题，并且在此基础上，我们尝试了负载氮氧化合物，使其易于分离循环使用，降低了生产成本，具有显著的工业应用价值。
由于上述方案运用，本发明与现有的技术相比具有下列优点：
1.本发明所采用的催化体系反应条件较温和，操作简单，收率较高，产品纯度可达到95％以上。
2.本发明不采用铬盐、锰盐等强氧化剂，无复杂的副产物生成，简化了后处理工艺，具有潜在的应有价值。
3.本发明所提供的负载氮氧化合物具有回收容易、环境友好、成本较低，长时间反应稳定好等优点
综上所述，本发明所阐述的甘油缩醛系列衍生物氧化方法具有显著的工业应用价值。
具体实施方式
下面结合实施例详述本发明，但本发明范围并不限于下述的实施例。
实施例1
在圆底烧瓶中依次加入94.2mgcu(mecn)4otf、54.6mg4,4'-二甲氧基-2,2'-联吡啶、40ml乙腈混合均匀，于25℃下搅拌反应30min，然后依次加入41.1mgn-甲基咪唑、7.5mg9-氮杂双环[3.3.1]壬烷-n-氧自由基(abno)和0.59g甘油乙缩醛，得到红棕色反应液，室温搅拌反应3h。用气-质联用仪及气相色谱分析反应结果；甘油乙缩醛的转化率为60％，产物5-羟基-2-取代基-1,3-二氧六环的选择性大于95％。后处理：加入二氯甲烷，旋蒸除去二氯甲烷和乙腈溶剂，所得混合液减压蒸馏，得到纯度大于95％的无色透明的5-羟基-2-甲基-1,3-二氧六环产物。
实施例2
在圆底烧瓶中依次加入19.0mgcui、21.6mg4,4'-二甲氧基-2,2'-联吡啶、10ml乙腈混合均匀，于25℃下搅拌反应10min，然后依次加入16.4mgn-甲基咪唑、6.68mg9-氮杂双环[3.3.1]壬烷-n-氧自由基(abno)和0.24g甘油乙缩醛，得到红棕色反应液，室温搅拌反应3h。用气-质联用仪及气相色谱分析反应结果；甘油乙缩醛的转化率为95％，产物5-羟基-2-取代基-1,3-二氧六环的选择性大于98％。后处理：加入二氯甲烷，旋蒸除去二氯甲烷和乙腈溶剂，所得混合液减压蒸馏，得到纯度大于95％的无色透明的5-羟基-2-甲基-1,3-二氧六环产物。
实施例3
在圆底烧瓶中依次加入19.0mgcui、21.6mg4,4'-二甲氧基-2,2'-联吡啶、10ml乙腈混合均匀，于25℃下搅拌反应10min，然后依次加入16.4mgn-甲基咪唑、5.68mg9-氮杂双环[3.3.1]壬烷-3-酮-n-氧自由基(keto-abno)和0.24g甘油乙缩醛，得到红棕色反应液，室温搅拌反应2h。用气-质联用仪及气相色谱分析反应结果；甘油乙缩醛的转化率为96％，产物5-羟基-2-取代基-1,3-二氧六环的选择性大于98％。后处理：加入二氯甲烷，旋蒸除去二氯甲烷和乙腈溶剂，所得混合液减压蒸馏，得到纯度大于95％的无色透明的5-羟基-2-甲基-1,3-二氧六环产物。
实施例4
在圆底烧瓶中依次加入19.0mgcui、21.6mg4,4'-二甲氧基-2,2'-联吡啶、10ml乙腈混合均匀，于25℃下搅拌反应10min，然后依次加入16.4mgn-甲基咪唑、5.68mg9-氮杂双环[3.3.1]壬烷-3-酮-n-氧自由基(keto-abno)和0.36g甘油苯缩醛，得到红棕色反应液，室温搅拌反应3h。用气-质联用仪及气相色谱分析反应结果；甘油乙缩醛的转化率95％，产物5-羟基-2-取代基-1,3-二氧六环的选择性大于98％。后处理：加入二氯甲烷，旋蒸除去二氯甲烷和乙腈溶剂，所得混合液减压蒸馏，得到纯度大于95％的无色透明的5-羟基-2-苯基-1,3-二氧六环产物。
实施例5
在圆底烧瓶中依次加入19.0mgcui、18.4mg4,4'-二甲基-2,2'-联吡啶、20ml乙腈混合均匀，于25℃下搅拌反应10min，然后依次加入16.4mgn-甲基咪唑、5.68mg9-氮杂双环[3.3.1]壬烷-3-酮-n-氧自由基(keto-abno)和0.36g甘油苯缩醛，得到红棕色反应液，室温搅拌反应2h。用气-质联用仪及气相色谱分析反应结果；甘油乙缩醛的转化率100％，产物5-羟基-2-取代基-1,3-二氧六环的选择性大于98％。后处理：加入二氯甲烷，旋蒸除去二氯甲烷和乙腈溶剂，所得混合液减压蒸馏，得到纯度大于95％的无色透明的5-羟基-2-苯基-1,3-二氧六环产物。
实施例6
固载化配体sba-15-nh-abno的制备：
a)、氨丙基-sba-15(sba-15-nh2)的制备
在圆底烧瓶中依次加入3gsba-15、0.23ml(1mmol)3-氨丙基三乙氧基硅烷和100ml无水甲苯，120℃回流18h。降至室温，过滤得到白色固体材料。将其用滤纸包裹后置于索氏提取器中，在乙醇存在下连续提取24h。所得固体于105℃烘箱中干燥过夜。通过热重分析材料表面氨基担载量为0.35mmolg-1。
b)、sba-15-nh-abno的制备:
在圆底烧瓶中，依次加入1.5gsba-15-nh2，50ml超干甲醇，0.1g(0.7mmol)9-氮杂双环[3.3.1]壬烷-3-酮-n-氧自由基(keto-abno)，室温下搅拌反应。1mmol氰基硼氢化钠分三次加入。搅拌3h后加入0.33mmol氰基硼氢化钠，搅拌24h再加入0.33mmol氰基硼氢化钠，搅拌48h再加入剩余的0.34mmol氰基硼氢化钠。反应混合物在室温下总共搅拌反应三天。过滤移除溶液，得到的淡黄色固体用滤纸包裹后置于索氏提取器中，在乙醇存在下连续提取36h。通过热重分析材料keto-abno担载量为0.34mmolg-1。
在圆底烧瓶中依次加入19.0mgcui、18.4mg4,4'-二甲基-2,2'-联吡啶、20ml乙腈混合均匀，于25℃下搅拌反应10min，然后依次加入16.4mgn-甲基咪唑、33.3mg上述制备的sba-15-nh-abno负载配体和0.36g甘油苯缩醛，得到红棕色反应液，50℃搅拌反应2h。用气-质联用仪及气相色谱分析反应结果；甘油乙缩醛的转化率95％，产物5-羟基-2-取代基-1,3-二氧六环的选择性大于98％。后处理：过滤催化剂，用二氯甲烷洗涤催化剂滤饼，滤饼50℃干燥回收，收集滤液，所得混合液减压蒸馏，得到纯度大于95％的无色透明的5-羟基-2-苯基-1,3-二氧六环产物。所得sba-15-nh-abno循环用于该反应，结果如下表1所示
表1