专利名称：用容易除去的硝酰基选择性氧化醇的方法
技术领域：
本发明涉及一种用容易除去的基于硝酰基的多相氧化催化剂和用碱金属次卤酸盐作为氧化剂选择氧化醇成醛和酮的方法。
醇是有机合成中最重要的结构单元之一。许许多多的制备方法使伯醇和仲醇成为合成醛、酮、羧酸理想的初步步骤。常用的氧化剂是重金属试剂，比如铬(Ⅵ)化合物、铅(Ⅳ)化合物和钌、锰和钒化合物，过酸，活化二甲亚砜(DMSO)和高价碘化合物。
在这些氧化方法中选择性是头等重要的。而且出现在分子中的官能团象比如双键一般在选定的条件下应当不受影响。常常希望在没有其他相应官能团受影响时仲醇同伯醇官能团选定氧化，反之亦然。在从伯醇合成醛中常常生成氧化反应(过度氧化)的副产物羧酸，1,2-二醇或α-羟基酮的氧化常伴有C-C裂解反应。很多氧化剂的进一步的缺点是他们常常使用相对不便或难以制备或处理；而且特别是含重金属的试剂在大多数情况下毒性高且对生态环境有害。最后，不管怎样，特别是想工业化应用时，氧化方法的成本有决定性作用。
已知在催化量的有机硝酰基存在下用次氯酸钠水溶液伯醇和仲醇可以被转化成相应的羰基化合物(A.E.J.deNooy,A.C.Besemer,H.Van Bekkum,Synthesis,1996,1153)。
到目前为止，这些反应-特别是当使用2,2,6,6-四甲基哌啶-1-氧基(TEMPO)时-绝大部分在均相中进行。考虑到TEMPO或由此得到的氧化产物反应以化学计量量或催化量进行。由于需要很多努力除去催化剂和其伴随的产物，这些方法中反应产物的处理通常证明是不方便和复杂的。
然而，迄今为止，应用固定或容易除去的硝酰基化合物的氧化方法还没有描述过。
现在令人惊奇的发现是通过一定较高分子量或低聚或聚合物固定的2,2,6,6-哌啶-1-氧基作为催化剂使醇和作为氧化剂的次氯酸钠反应以很好的产率产生相应的羰基化合物。
在醛或酮存在时合适的实验条件下脂肪1,3-二醇在碱性介质中分别直接生成相应的环状缩醛和缩酮(1,3-二噁烷)。根据这些实验条件，1,5-二醇反应生成四氢吡喃-2-醇或其醚或生成四氢吡喃-2-酮(6-戊内酯)。在羧基官能团α位置的羟基官能团不受影响。
加入溴负离子在使用次氯酸盐/TEMPO体系进行均相氧化时会导致反应明显加速(S.D.Rychnovsky,R.Vaidynathan,J.Org.Chem.,1999,64,310)，在本方法中可不用加入也不会有任何缺点。本方法的优点在于简化了反应批次处理，催化剂重复的再利用和省去溴负离子作为反应加速添加剂。
本发明涉及一种在碱性条件下通过碱金属次卤酸盐选择性氧化醇成酮或醛的方法，该方法包括在不溶于反应介质和选自通式(Ⅰ)、(Ⅱ)、(Ⅲ)的化合物或4-氧键合于麦利费尔德聚合物(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剂存在下实施氧化反应， 式中，n是3到3000的数字。
优选n从10到1000的数字，特别是10到500，更特别为10到100。
方法中优选LiOCl,NaOCl,KOCl,LiOBr,NaOBr或KOBr作为碱金属次卤酸盐。
特别优选LiOCl,NaOCl和KOCl，更特别优选NaOCl。
氧化剂优选以水溶液的形式加入到要氧化的醇中。浓度可以在很宽的基于要氧化醇的活性氯范围内变化，优选重量百分比从5％到20％，特别是重量百分比10到15％。
同氧化剂一起，水溶液可以通过碱变为碱性。碱优选碱金属或碱土金属氢氧化物，碱金属或碱土金属碳酸盐和相应的碳酸氢盐水溶液。
优选碱金属碳酸氢盐，更为优选碳酸氢钠。
需要的碱加入后，氧化水溶液的pH值在8到12范围内，特别是在9到11范围内，更为特别是在9到10范围内。
被氧化的醇可以是液体或固体。液体醇情况下，反应可以不加入另外溶剂进行。但较大稀释后实施氧化有利。固体醇总需要合适的有机溶剂。
合适的有机溶剂或溶剂混合物是水不混溶性的。实例包括脂肪碳氢化合物，芳香碳氢化合物，氯代碳氢化合物或这些溶剂同酮、酰胺或酯的混合物。
优选溶剂是芳香碳氢化合物或其和酮的混合物。优选实例包括苯、甲苯和如果需要可以和丙酮混合的二甲苯异构体。
混合比可以从10∶1到2∶1，但是优选从5∶1到2∶1。
特别优选3∶1的甲苯和丙酮的混合物。
优选的方法是其中应用4-氧键合于麦利费尔德聚合物上的4-氧-2,2,6,6-四甲基哌啶-1-氧化物的方法。
所谓的麦利费尔德聚合物对熟悉本领域的人是已知的且可以买到。就此而论，麦利费尔德聚合物是以二乙烯基苯部分交联的氯甲基化聚苯乙烯，因而它不溶于常规有机溶剂。
交联度可以是比如从1到5％，典型地是从1到2％。颗粒尺寸可以在很宽范围内变化，典型地是从100到400目。氯的含量例如是从0.2到5mmol/g；普通的聚合物包含从0.6到4mmol/g。
麦利费尔德聚合物和氯原子的交换按如下图示 多相氧化催化剂优选基于所用醇以重量百分比0.1到20％加入，特别是重量百分比从1到10％，更特别是重量百分比从2到6％。
优选应用两相溶剂体系，其中一相是水溶液且包含氧化剂。
合适的溶剂和溶剂混合物，包括优选的那些此前已描述过的。
反应优选在温度低于10℃时进行。
温度范围大约从0℃到10℃特别优选。
通式(Ⅰ)到(Ⅲ)化合物制备和改性的麦利费尔德聚合物制备根据本身已知的方法进行，与下面反应方案相适应。
第一步中，化合物3[4-羟基-2,2,6,6-哌啶-1-氧基(4-羟基-TEMPO)]同氢化钠反应。4-羟基-TEMPO本身可以买到。 化合物4依照希望得到的终端产品根据反应2,3,4或5进一步反应。 通式(Ⅱ)和(Ⅲ)所示化合物是新的且本发明与此类似相关。
本发明也涉及通过碱金属次卤酸盐在碱性条件下通式(Ⅰ)、(Ⅱ)、(Ⅲ)所示化合物或4-氧键合于麦利费尔德聚合物上的4-氧-2,2,6,6-四甲基哌啶-1-氧化物作为选择性氧化醇成酮催化剂的应用。
下面的实施例解释了本发明。
实施例A氧化催化剂制备实施例A1化合物6的制备。
在500ml的施莱克管(Schlecnk tube)中，20g(113.6mmol)的4-羟基-TEMPO，化合物3，溶于200ml无水甲苯，接着向其中分小批加入3.34g(139.2mmol)的NaH。本批反应室温搅拌大约12小时，接着，4.75g(25.75mmol)的氰尿酰氯，化合物5溶于大约50ml的甲苯形成溶液逐滴加入其中。溶液首先在室温下搅拌2.5小时，接着在大约70℃到90℃下搅拌72小时。冷到室温后，有机相以每次100ml10％Na2CO3水溶液洗三次，接着用Na2SO4干燥。所有的挥发性组分在10-2托时真空蒸发除去，所剩下的红色的油用少量乙酸乙酯重结晶，产生9.3g(61％)的产品，是细小的桔红色针状结晶。M.P.164-166℃。产品不溶于H2O但是溶于CH2Cl2,CHCl3,C6H5Cl，甲苯和乙酸乙酯。
实施例A2化合物8的制备在500ml施莱克管(Schlenk tube)中，20g(113.6mmol)的4-羟基-TEMPO，化合物3，溶于200ml无水THF，接着分小批加入3.34g(139.2mmol)NaH。本批反应在室温搅拌大约12小时，接着6.26g(18mmol)六氯环三磷腈，化合物7，溶于大约50ml THF中形成溶液逐滴加进去，反应混合物在70℃回流下加热大约24小时。冷到室温后，挥发性组分真空蒸去(大约10-2托)，残余物溶于100mlCH2Cl2。有机相以每次50ml10％的NaOH水溶液洗两次，接着以每次大约50ml水洗三次。有机相以Na2SO4干燥，挥发组分真空蒸去(大约10-2托)，产生不溶于水和己烷，相对易溶于THF,CHCl3和CH2Cl2的桔红色粉状固体。
实施例A3化合物10的制备。
在500ml施莱克管(Schlenk tube)中，29.62g(168.3mmol)4-羟基-TEMPO，化合物3，溶于200ml THF，接着加入5.0克(208mmol)NaH。反应混合物在室温搅拌12小时，接着逐滴加到5g(43.1mmol)的聚(二氯磷腈)，化合物9，溶于100mlTHF形成的溶液中。反应混合物在室温下搅拌12小时，接着加热回流两小时，然后浓缩到其体积的10％，并倾入到冰水中。沉淀出的聚合物过滤除去，再以冰水处理。赭色的粉状沉淀由过滤除去，接着以THF和H2O(20/80)的混合物洗涤，然后以己烷洗涤。得到的粉末真空干燥大约12小时，产生16g(95.7％)的化合物10的产品；m.p.＞180℃。化合物10溶于CH2Cl2,CHCl3，丙酮，THF和甲苯；Mw大约25000。
实施例A4化合物12的制备在500ml施莱克管(Schlenk tube)中，7g(40.63mmol)的4-羟基-TEMPO，化合物3，溶于120ml DMF或THF(新蒸的)中。在0℃时，1.6g(66.67mmol)的NaH加入到溶液中。本批反应物加热到室温，接着搅拌1小时。反应溶液接着在冰浴中冷到0℃，向其中加入3.5g的聚合物(Fluka的麦利费尔德聚合物(Merrifield polymer)，200-400目，1％二乙烯基苯，1.7mmol的Cl/g)，本批反应物在0℃时搅拌30分钟，接着加热到室温，搅拌1到4天。然后反应物以冰水稀释，搅拌和过滤。残余物以冰水洗涤直到滤液无色。产物悬浮在甲苯中，搅拌1到2小时以除去非固定的4-羟基-TEMPO。接着再过滤，黄色粉末在空气流中干燥。
粉末含有0.9mmol N-氧基/克。
实施例B醇的氧化伯醇或仲醇的一般氧化步骤a)NaOCl/NaHCO3溶液的制备4ml饱和NaHCO3溶液同2ml NaOCl溶液(13-14％)混合。溶液在封口的瓶中于0℃贮存。
b)氧化步骤1.0g的醇和0.25g实施例A4的化合物(12)引入250ml圆底烧瓶中，接着悬浮于5ml丙酮和15ml甲苯混合物中。反应物在室温剧烈搅拌5到10分钟直到醇溶解，树脂溶胀。反应容器冷到0℃。剧烈搅拌下，加入6ml 1)中制备的NaOCl/NHCO3溶液，本批反应物在0到5℃搅拌0.5小时。以传统方法处理后，几乎以定量产率得到酮。
c)催化剂回收如果催化剂在很多反应中直接连续使用，那么在每一反应结束时，催化剂过滤除去(G3釉料漏斗)，简单以丙酮洗涤后立即重新使用。用过十次以后，没有检测到活性的丧失。化合物(12)的催化活性也可以贮存来维持。为此滤出的催化剂以丙酮/甲苯，然后用水，再用丙酮，最后用丙酮/甲苯重复洗涤(除去NaOCl，起始原料和产物)，贮存是在湿润状态下示安全密封的容器中进行的。
实施例B1和B2简单醇的氧化 实验按一般步骤中所描述的进行。由13得到α-羟基酮14，由异丙醇17得到丙酮18，产率几乎是定量的。
实施例B3从苯乙醇制备α-羟基苯乙酮 苯基乙二醇19按一般步骤中所描述的以重量百分比5％的12作为催化剂时同NaOCl反应生成α-羟基苯乙酮(20)。产物20以晶体的形式几乎定量的分离出来。
实施例B4乙酰丙酮的制备 1.0g醇21和0.25g化合物12引入到250ml的圆底烧瓶中，接着加入20ml甲苯。然后反应容器冷到0℃。剧烈搅拌下，加入12ml上面描述的NaOCl/NaHCO3，本批反应物在0到5℃搅拌1/2小时。1,3-二酮22作为反应产物几乎定量得到。
实施例B52,2,4,6-四甲基-1,3-二噁烷(23)的制备 反应按实施例4中描述的进行，只是在15ml甲苯和5ml丙酮混合物中而不是在20ml甲苯中进行。据气相色谱几乎定量地得到反应产物2,2,4,6-四甲基-1,3-二噁烷(23)。
实施例B62-乙基-2,4,6-三甲基-1,3-二噁烷(24)的制备 反应实施例4中描述进行，只是应用15ml甲苯和5ml 2-丁酮的混合物而不是20ml甲苯。几乎定量的得到反应产物2-乙基-2,4,6-三甲基-1,3-二噁烷(24)。
实施例B7四氢吡喃-2-醇(21)和四氢吡喃-2-酮(22)的制备 1,5-戊二醇25在化合物12作为催化剂时同碱性NaOCl按实施例B4中所描述的被氧化，只是氧化剂，次氯酸钠(13％活性氯)以化学计量量使用。反应30分钟后，得到75％的化合物26和25％的化合物27的混合物。
实施例B8四氢吡喃-2-酮(27)的制备 实施例B7中制备的26和27混合物如同描述的那样同过量的缓冲到pH9.0-9.5的NaOCl溶液反应，26被完全氧化成27。
实施例B92-(5-羟基-戊氧基)-四氢吡喃(26)的制备 上面描述的反应用相对于NaOCl四倍过量的二醇25进行。传统方式处理后得到50％缩醛28和50％四氢吡喃-2-醇(26)的混合物。
实施例B10从苯偶姻制备偶苯酰(29) 5.0g(23.5mmol)的苯偶姻28按一般步骤中所描述的在1g化合物12存在时于0到5℃ 50ml 3∶1的甲苯/丙酮中同次氯酸钠反应。在加入次氯酸盐过程中，起初在反应混合物中出现的固体溶解。加完的时候，本批反应物搅拌45分钟。由薄层色谱监测表明完全和选择性转化。传统处理和随后由正己烷对粗产品进行重结晶产生4.6g偶苯酰(29)(理论产率的93％)。
权利要求
1．一种在碱性条件下通过碱金属次卤酸盐选择性氧化醇成酮或醛的方法，该方法包括在不溶于反应介质和选自通式(Ⅰ)、(Ⅱ)、(Ⅲ)化合物或4-氧键合于麦利费尔德聚合物上的4-氧-2,2,6,6-四甲基哌啶-1-氧化物的多相氧化催化剂存在下实施氧化反应， 式中，n是3到3000的数字。
2．据权利要求1的方法，该方法包括应用LiOCl、NaOCl、KOCl、LiOBr、NaOBr或KOBr作为碱金属次卤酸盐。
3．据权利要求1的方法，该方法包括应用4-氧键合于麦利费尔德聚合物上的4-氧-2,2,6,6-四甲基哌啶-1-氧化物。
4．据权利要求1的方法，该方法包括加入多相氧化催化剂基于所用醇的量重量百分比为0.1到20％。
5．据权利要求1的方法，该方法包括应用两相溶剂体系，其中一相是水溶液且包括氧化剂。
6．据权利要求1的方法，该方法包括在低于10℃时实施反应。
7．据权利要求1通式Ⅱ或Ⅲ的化合物。
8．在碱性条件下以碱金属次卤酸盐应用通式(Ⅰ)、(Ⅱ)、(Ⅲ)的化合物或4-氧键合于麦利费尔德聚合物上的4-氧-2,2,6,6-四甲基哌啶-1-氧化物作为催化剂选择性氧化醇成为酮。
全文摘要
本发明涉及一种在碱性条件下通过碱金属次卤酸盐选择性氧化醇成酮或醛的方法,该方法包括在不溶于反应介质和选自通式(Ⅰ)、(Ⅱ)、(Ⅲ)化合物或4－氧键合于麦利费尔德聚合物上的4－氧－2,2,6,6－四甲基哌啶－1－氧化物的多相氧化催化剂存在下实施氧化反应,式中,n是3到3000的数字。本发明也涉及通式(Ⅱ)和(Ⅲ)的化合物和上面提及的氧化醇的氧化催化剂的应用。
文档编号B01J31/02GK1304921SQ00132998
公开日2001年7月25日 申请日期2000年11月20日 优先权日1999年11月19日
发明者R·萨默拉德, H·格吕茨马彻, S·博尔马萨 申请人:西巴特殊化学品控股有限公司