专利名称：使用稳定的硝酰游离基在温和的条件下使醇发生无过渡金属催化的需氧氧化反应的方法
技术领域：
本发明涉及在低压，和稳定的硝酰游离基的存在下，使伯醇和仲醇无过渡金属需氧氧化为相应的醛和酮的方法。
背景技术：
醇氧化成相应的醛、酮或酸在一定程度上代表了有机合成中一类最重要的官能团转化反应，并且文献中已经报道了许多方法(Sheldon，R.A.，Kochi，J.K.Metal Catalysed Oxidations of Organic Compounds；Academic Press；New York，1981；Hudlicky，M.Oxidations in Organic Chemistry；American Chemical SocietyWashington D.C.1990)。
但是，很少有描述选择性氧化伯醇或仲醇成相应的醛和酮的方法，它们中的大多数都是通常使用化学计量的终端氧化剂(terminal oxidant)，例如氧化铬(Holum，J.R.J.Org.Chem.1961，26，4814-4816)，重铬酸盐(Lee，D.G；Spitzer，U.A J.Org.Chem.1970，35，3589-3590)，氧化锰(Highet，R.J.； Wildmax，W.C.J.Am.Chem.Soc.1955，77，4399-4401)以及锇或钌作为首选氧化剂(Murahashi，S.-I；Naota，T.J.Synth.Org.Chem.Jpn.1988，46，930-942)。
Anelli和他的同事报道了一种氧化伯醇和仲醇的便捷方法(J.Org.Chem.，1987，52，2559)。根据该方法，氧化反应在pH 8.5-9.5的CH2CL2缓冲水溶液中进行，使用2，2，6，6-四甲基哌啶-1-氧基(TEMPO)作为催化剂，KBr为助催化剂。在该体系中，最终的氧化剂为NaOCl。使用次氯酸钠或任何其它次卤酸盐作为计量氧化剂的主要缺点是反应中每一摩尔醇发生氧化，就会有1摩尔卤化盐生成。并且，频繁使用次卤酸盐导致不希望的卤化副产物生成，因此迫使氧化产物需要进行进一步纯化。基于以TEMPO为基础的氧化反应的方法的大量综述还可在其它文献中找到(Synthesis，1996，1153-1174；Topics in Catalysis 2004，27，49-66；Acc.Chem.Res.2002，35，774-781)。
U.S.5,821,374公开了在TEMPO催化氧化伯醇成醛的反应中，使用例如N-氯-4-甲苯磺酰胺钠盐等N-氯取代的化合物作为氧化剂。该方法的主要缺点是使用大量的溶剂以及作为氧化剂的N-氯取代的芳香化合物有毒性。
近些年，在改进既具有选择性又环境友好的以空气或氧气作为主要的氧化剂的氧化方法和基于稳定的硝酰游离基为氧化剂以及过渡金属盐为助催化剂的催化体系方面人们作出了许多努力。最普遍使用的助催化剂有(NH4)2Ce(NO3)6(Kim，S.S.；Jung，H.C.Synthesis 2003，14，2135-2137)，CuBr2-2，2′-二吡啶络合物(Gamez，P；Arends，I.W.C.E..；Reedijk，J.；Sheldon，R.A.Chem.Commun.2003，19，2414-2415)，RuCl2(PPh3)3(Inokuchi，T.；Nakagawa，K.；Torii，S.Tetrahedron Letters1995，36，3223-3226和Dijksman，A.；Marino-Gonzalez，A.；Payeras，A.M.；Arends，I.W.C.E.；Sheldon，R.A.J.Am.Chem.Soc.2001，123，6826-6833)，Mn(NO3)2-Co(NO3)2和Mn(NO3)2-Cu(NO3)2(Cecchetto，A.；Fontana，F.；Minisci，F.；Recupero，F.Tetrahedron Letters 2001，42，6651-6653)，以及在离子液体中的CuCl[bmim][PF6](Imtiaz，A.A；Gree，R.Organic Letters 2002，4，1507-1509)。
然而，从经济和环保的角度来说，上述提到的氧化方法有一个主要缺点。它们需要大量的昂贵和/或有毒的过渡金属络合物，并且，有一些还需要用到例如二氯甲烷等卤化试剂，使得这些方法不适合于工业规模的生产。最近，Hu等人公开了用不使用任何过渡金属作为助催化剂的基于TEMPO的催化体系需氧氧化伯醇和仲醇的方法(Liu，R.；Liang，X.；Dong，C.；Hu，X.J.Am.Chem.Soc.2004，126，4112-4113)。在该方法中，作者使用TEMPO(1mol％)，硝酸钠(4-8mol％)和溴(4mol％)的混合物作为活性催化体系。氧化反应在温度80-100℃和空气压力4巴下进行。但是该方法只适用于活性醇。如果使用苯甲醇，反应1-2小时后定量转化。如果使用非活性的脂肪醇(例如1-辛醇)或环状醇(例如环己醇)，空气压力需要上升到9巴，并经过3-4小时的反应时间才能达到完全转化。不利的是，这种新的氧化方法也依靠二氯甲烷作为溶剂，这是该方法在工业上应用的主要障碍。并且，作为助催化剂的单质溴由于其高蒸汽压、毒性和严重的腐蚀性，在标准钢装置中使用时在工业规模上很难操作。该方法其它的缺点还有在所使用的溶剂中的底物浓度很低以及检测到生成溴化副产物。
发明内容
因此本发明的目的之一是提供一种在温和的条件下催化氧化醇成为相应的醛和酮的方法，该方法使用含氧气体作为“清洁”氧化剂和环境友好且易操作的催化体系，选择性好、反应速率快、产率高。
本发明的另一目的是提供一种不使用任何过渡金属催化剂、危险的助催化剂或卤化溶剂的方法，能克服在上述氧化反应中提到的缺点。
本发明的进一步目的是提供一种能简单、安全地转化为工业规模的氧化方法。
通过本发明的第一实施方案达到这一目的和其它目的。该方案包括一种使醇氧化的方法，包括在催化剂组合物的存在下，将伯醇或仲醇与含氧气体反应，由此得到醛或酮，其中催化剂组合物包括(i)稳定的硝酰游离基衍生物，(ii)硝酸盐源，(iii)溴化物源，以及(iiii)羧酸。
图1显示了在液相中氧化1-己醇的反应时间与氧气消耗的依赖关系(实施例I-IV)。
图2显示了在液相中氧化1-己醇的反应时间与氧气消耗的依赖关系(实施例XV-XVI)。
具体实施例方式
本发明的发明人令人惊奇地发现，即使不存在任何过渡金属催化剂或任何卤化溶剂，在低压和温和的反应条件下，在含氧气体存在下，通过使用稳定的硝酰游离基、硝酸盐源、溴化物源和羧酸作为催化活化体系也可以选择性地氧化醇。所述方法代表了一种高消耗的有效催化氧化方法，能简单、安全的大规模生产并转化为工业规模。
在本发明内容中，“稳定的硝酰游离基”是指在室温下，氧气存在下储存至少1周基本上稳定的硝酰游离基。优选地，“稳定的硝酰游离基”为在氮原子邻位的任一α-C原子上没有被氢取代的硝酰游离基。并且，“稳定的硝酰游离基”优选在25℃氧气存在下储存1周后，与原始的硝酰游离基的含量相比，至少还剩有90％的硝酰游离基。
本发明涉及无过渡金属催化氧化醇成相应的醛或酮的方法。在一个实施方案中，本发明的方法包括将醇与含氧气体、一种具有通式(I)结构的稳定的硝酰游离基或其具有通式(II)结构的衍生物、硝酸盐源、溴化物源和羧酸在氧气分压为0.1-10巴，温度0-100℃的条件下反应。氧气分压包括在该数值范围内的所有值和子值，尤其是包括0.5，1，1.5，2，2.5，3，3.5，4，4.5，5，5.5，6，6.5，7，7.5，8，8.5，9和9.5巴。该温度包括所有在该范围内的值和子值，尤其包括5，10，15，20，25，30，35，40，45，50，55，60，65，70，75，80，85，90和95℃。
在式(I)和(II)中，R1，R2，R3，R4，R5和R6同时或各自代表(C1-C10)-烷基，(C1-C10)-烯基，(C1-C10)-烷氧基，(C6-C18)-芳基，(C7-C19)-芳烷基，(C6-C18)-芳基-(C1-C8)-烷基或(C3-C18)-杂芳基；R5和R6可以通过一个(C1-C4)-烷基链结合在一起，其可以是饱和的或不饱和的，未取代的或被R1、C1-C8-酰氨基、卤素、氧、羟基、氨基、烷氨基、二烷基氨基，芳氨基、二芳基氨基、烷基羧基、芳基羧基、烷基羰基氨基或芳基羰基氨基中的一个或多个取代。在式(II)中，Y-基团为阴离子。
式(I)或(II)的化合物可以单独使用，也可以混合使用。
本发明的方法可用于伯醇和仲醇。根据它们的反应活性，伯醇比仲醇氧化得更快。在分子式相同的仲醇存在下，伯醇官能团会被选择性氧化。然而，本发明方法中使用的醇优选具有伯醇官能团。
本发明中使用的术语“醇”包括具有伯或仲羟基的有机化合物。这里使用的术语“低级醇”是指具有1-10个碳原子的醇，这里使用的术语“高级醇”是指具有11个或更多碳原子的醇。醇的例子包括例如甲醇、乙醇、丙醇、丁醇、戊醇、2-甲基-1-丁醇、3-甲基-1-丁醇、新戊醇、己醇、2-甲基-1-戊醇、新己醇、庚醇、辛醇、2-乙基-1-己醇、壬醇、癸醇、月桂醇、十二烷醇、二十烷醇。未取代的醇的例子包括烯丙醇、巴豆醇、炔丙醇。芳香醇的例子包括苯甲醇、苯乙醇、苯丙醇等。所述的醇可以是一种醇或醇的混合物。
稳定的硝酰游离基可以是具有通式(I)结构或是其具有通式(II)结构的衍生物，其中R1，R2，R3，R4，R5和R6同时或各自代表(C1-C10)-烷基，(C1-C10)-烯基，(C1-C10)-烷氧基，(C6-C18)-芳基，(C7-C19)-芳烷基，(C6-C18)-芳基-(C1-C8)-烷基或(C3-C18)-杂芳基；R5和R6可以通过一个(C1-C4)-烷基链结合在一起，其可以是饱和的或不饱和的，未取代的或被R1、C1-C8-酰氨基、卤素、氧、羟基、氨基、烷氨基、二烷基氨基，芳氨基、二芳基氨基、烷基羧基、芳基羧基、烷基羰基氨基或芳基羰基氨基中的一个或多个取代。在式(II)中，Y-基团为阴离子。
稳定的硝酰游离基或它们的氧铵(oxoammonium)衍生物例子包括2，2，6，6-四甲基哌定-1-氧基(TEMPO)及其4-取代衍生物例如4-甲氧基-2，2，6，6-四甲基哌啶-1-氧基(4-MeO-TEMPO)、4-氧代-2，2，6，6-四甲基哌啶-1-氧基(4-氧代-TEMPO)、4-羟基-2，2，6，6-四甲基哌啶-1-氧基(4-羟基-TEMPO)、4-苯甲酮氧基-2，2，6，6-四甲基哌啶-1-氧基(BnO-TEMPO)、4-乙酰氨基-2，2，6，6-四甲基哌啶-1-氧基，4-乙酰氨基-2，2，6，6-四甲基哌啶-1-氧基(AA-TEMPO)、4-氨基-2，2，6，6-四甲基哌啶-1-氧基、N，N-二甲基氨基-2，2，6，6-四甲基哌啶-1-氧基(NNDMA-TEMPO)、3，6-二氢-2，2，6，6-四甲基-1(2H)-吡啶-氧基(DH-TEMPO)、以及二(2，2，6，6-四甲基哌啶-1-氧-4-基)癸二酸盐。所述的稳定的硝酰游离基可单独使用也可混合使用。
式(I)或(II)结构的四甲基哌啶-N-氧基或其混合物也可以是较大的大分子取代基，低聚或甚至是聚合结构。低聚结构的一个例子如下所示
也可以使用“多相”形式的稳定的硝酰游离基或其氧铵衍生物。这表明硝酰游离基或其氧铵衍生物是负载在，例如固体载体上的。所述的固体载体可以是无机载体，例如氧化铝，二氧化硅、氧化钛；或氧化锆；或聚合物；复合材料；或碳料。
稳定的硝酰游离基相对于醇底物的比例没有特别的限制。考虑到经济和生态学因素，优选该比例尽可能的低。基于所述醇的量，可以使用约0.001-10mol％的稳定的硝酰游离基衍生物。优选，相对于底物醇的量，硝酰游离基的催化量为0.01-2mol％，最优选0.5-1mol％。稳定的硝酰游离基的量包括在该数值范围内的所有值和子值，尤其是包括0.005，0.01，0.05，0.1，0.2，0.3，0.4，0.5，0.6，0.7，0.8，0.9，1，1.1，1.2，1.3，1.4，1.5，1.6，1.7，1.8，1.9，2，2.5，3，3.5，4，4.5，5，5.5，6，6.5，7，7.5，8，8.5，9，以及9.5mol％。
所述的硝酸盐源可以是硝酸、硝酸铵、烷基硝酸铵或任何碱金属或碱土金属硝酸盐，优选硝酸镁。硝酸镁具有可溶于水，无毒、价廉、易得等优点。硝酸盐源可单独使用，也可混合使用。由于本发明中硝酸盐源作为助催化剂存在于反应中，所以只需催化量即可。优选，相对于底物醇的量，硝酸盐源的量可以是0.01-10mol％，更优选0.1-2mol％，最优选0.5-1mol％。硝酸阴离子的量包括在该数值范围内的所有值和子值，尤其是包括0，0.5，0.1，0.5，1，1.5，2，2.5，3，3.5，4，4.5，5，5.5，6，6.5，7，7.5，8，8.5，9以及9.5mol％。
溴化物源可以是任何N-溴取代的物质，例如N-溴琥珀酰亚胺、N-溴苯邻二甲酰亚胺、四丁基溴化铵或无机盐例如NH4Br或任何其它碱金属溴化物或碱土金属溴化物，优选N-溴琥珀酰亚胺。溴化物源可以单独使用，也可以混合使用。N-溴琥珀酰亚胺具有易得到、无腐蚀性、无毒和易处理等优点。由于本发明中溴化物源作为助催化剂存在于反应中，所以只需催化量即可。优选，相对于底物醇的量，溴化物源的量可以是0.01-10mol％，更优选0.1-2mol％，最优选0.5-1mol％。溴化物源的量包括在该数值范围内的所有值和子值，尤其是包括0，0.5，0.1，0.5，1，1.5，2，2.5，3，3.5，4，4.5，5，5.5，6，6.5，7，7.5，8，8.5，9以及9.5mol％。
羧酸可以是乙酸、丙酸或任何其它能形成均相反应混合物的羧酸。优选，该有机酸为乙酸。羧酸可单独使用，也可以几种混合使用或与其它溶剂合用。本发明的方法中可以使用附加溶剂来悬浮反应物，也可以不用。相对于使用的底物醇的体积，可以使用大于0体积％到约70体积％的溶剂。溶剂的量包括在该数值范围内的所有值和子值，尤其包括5，10，15，20，25，30，35，40，45，50，55，60和65体积％。
如果需要，优选的溶剂为乙腈、四氢呋喃、乙酸乙酯、丙酮、二乙醚、甲基叔丁基醚等，或这些溶剂的混合物。优选，相对于底物醇的量，羧酸的量为0.1-200mol％，最优选10-50mol％。羧酸的量包括在该数值范围内的所有值和子值，尤其包括0.5，1，5，10，20，40，60，80，100，120，140，160和180mol％。
为优化时空产率，本发明方法优选不使用附加溶剂。优选，羧酸既用作添加剂，也用作使反应混合物保持均相的溶剂。但是，由于经济原因，羧酸的使用量应尽可能低。
作为含氧气体，可以使用纯氧气，氧气与惰性气体的任何混合物或更优选空气。氧气分压可以根据醇底物选择，但是没有特别的限定。然而随着氧气分压的提高，反应速率会显著提高。氧气分压通常维持在0.1-10巴的范围，优选0.2-5巴，最优选0.5-1巴。
本发明方法中的反应温度根据醇底物的反应活性而定，通常在0℃-100℃之间，优选20℃-80℃，最优选40℃-60℃。反应温度包括在该范围内的所有值和子值，尤其包括10，20，30，40，50，60，70，80和90℃。
本发明的工艺可以间歇、半间歇或连续进行。并且，不限定具体的反应器类型或装置。因此，可以使用搅拌罐反应器，管式反应器，阶式反应器，微反应器或任何所述反应器的组合。
氧化产物可通过任何已知的方法处理，例如，通过加水进行相分离并蒸馏有机相。根据对纯度的需求，也可以使用其它任何化学方法。
可以通过不同的方式实施本发明的方法。例如，将所需量的硝酸盐源(例如Mg(NO3)2·6H2O)，溴化物源(例如N-溴琥珀酰亚胺(NBS))，稳定的硝酰游离基(例如TEMPO或AA-TEMPO)和羧酸(例如乙酸)装入反应烧瓶中，然后连到多管式容量计上。搅拌催化剂溶液直到固体组分完全溶解，用氧气或空气清扫两次。搅拌30秒-10分钟，优选5分钟。将混合物加热至目标温度，使用氧气或空气将烧瓶加压至所需值。为引发反应，将所需量的醇用气密注射器通过隔片接合器注入反应烧瓶中。连续监测耗氧量，随时间记录。当反应完成后，产物溶液通过GC或GC/MS分析，使用癸烷作内标。
醇也可以以羧酸溶液的形式注入。含氧气体也可以在其它所有反应组分混合好后再加入。还可以将除了稳定的硝酰游离基衍生物以外的所有组分混合好，然后引入稳定的硝酰游离基衍生物开始反应。具有多种操作模式，稳定性好是本方法的显著优点。
反应后，可用已知方法处理产物。一种有利的方法是首先加水或饱和盐溶液对反应产物进行相分离，然后用合适的溶剂萃取水相。萃取步骤中使用的合适的溶剂选自二氯甲烷、乙酸乙酯、乙酸丁酯、二叔丁基醚、甲基叔丁基醚；或饱和烃溶剂，例如戊烷或己烷。希望得到的醛或酮可以从合并的有机相中使用蒸馏、分馏、结晶等常规方法回收或所得的醛可以通过与偏亚硫酸氢钠(Na2S2O5)反应进一步纯化。
结论是，通过改进得到一种有效的和环境友好的需氧氧化醇的方法。根据这种新的工艺，分子氧或空气可作为终端氧化剂。催化体系由稳定的硝酰游离基、硝酸盐、溴化物源和羧酸组成。即使在高的起始醇浓度的范围内，也能得到高的反应速率和高的醛选择性，这些是绝大部分已知的催化组合物不能达到的。本发明方法的另一个优点是在仲醇存在的情况下伯羟基会被选择性氧化。本方法还有另外的优点是不需要使用氯化溶剂以及产物醛中没有任何卤化副产物。
本发明大致描述至此，除非有特别的说明，下面通过具体的实施例说明帮助进一步理解本发明，其仅仅是用来解释本发明，而不是对本发明的限制。
实施例实施例I实施例I-IV描述本发明中的催化剂组合物用到的一些TEMPO衍生物选择性氧化1-己醇到己醛的活性。实施例I-IV用于说明在起始反应溶液中底物醇的浓度相对较低的情况。图1显示了氧化反应的图解示意。
将0.0913g4-MeO-TEMPO(0.48mmol)，0.124gMg(NO3)2·6H2O(0.48mmol)和.0086 g N-溴琥珀酰亚胺(0.048mmol)溶解在10mL的冰醋酸中，将所得溶液加入到75mL的反应烧瓶中。密封烧瓶，并将其与气体释放容量单元连接。催化剂溶液用氧气吹扫至少三次，然后搅拌下加热至46℃。当温度达到目标值后，用气密注射器滴加2mL1-己醇(16mmol)。然后用氧气将烧瓶的压力升至1巴(15psi)，搅拌速度设定到1200rpm，氧化反应随着氧气的消耗进行，连续监测耗氧量，随时间记录。反应完成后，等分试样用GC分析，采用癸烷作内标。从图1的曲线1计算耗氧速率为0.263mmol O2/min，反应溶液的GC分析显示醇的转化率为99.4％，对己醛的选择性为93.1％。
实施例II实施例II描述作为催化剂组合物成分的TEMPO衍生物的活性-图1中的曲线2。
将0.0766gTEMPO(0.48mmol)、0.124gMg(NO3)2·6H2O(0.48mmol)和0.013g N-溴琥珀酰亚胺(0.072mmol)溶解在10mL的冰醋酸中，将所得溶液加入到75mL的反应烧瓶中。密封烧瓶，并将其与气体释放容量单元连接。催化剂溶液用氧气吹扫至少三次，然后搅拌下加热至46℃。当温度达到目标值后，用气密注射器滴加2mL1-己醇(16mmol)。然后用氧气将烧瓶的压力升至1巴(15psi)，搅拌速度设定到1200rpm，氧化反应随着氧气的消耗进行，连续监测耗氧量，随时间记录。记录的耗氧速率为0.332mmol O2/min，反应6分钟后GC分析显示，起始醇的转化率为96.0％，对己醛的选择性为96.2％——图1曲线2。
实施例III实施例II描述作为催化剂组合物的成分的4-羟基-TEMPO衍生物的活性——图1曲线3。
将0.169g4-羟基-TEMPO(0.96mmol)，0.311 gMg(NO3)2·6H2O(1.2mmol)和0.0086 g N-溴琥珀酰亚胺(0.048mmol)溶解在10mL的冰醋酸中，将所得溶液加入到75mL的反应烧瓶中。密封烧瓶，并将其与气体释放容量单元连接。催化剂溶液用氧气吹扫至少三次，然后搅拌下加热至46℃。当温度达到目标值后，用气密注射器滴加2mL1-己醇(16mmol)。然后用氧气将烧瓶的压力升至1巴(15psi)，搅拌速度设定到1200rpm，氧化反应随着氧气的消耗进行，连续监测耗氧量，随时间记录。记录的耗氧速率为0.467mmol O2/min，反应45分钟后GC分析显示，起始醇的转化率为98.0％，对己醛的选择生为93.8％——图1曲线3。
实施例IV实施例IV描述作为催化剂组合物的成分的4-乙酰氨基-TEMPO(AA-TEMPO)衍生物的活性——图1曲线4。
将0.1394g AA-T’EMPO(0.64mmol)，0.311 g Mg(NO3)2·6H2O(1.2mmol)和0.0086 g N-溴琥珀酰亚胺(0.048mmol)溶解在10mL的冰醋酸中，将所得溶液加入到75mL的反应烧瓶中。密封烧瓶，并将其与气体释放容量单元连接。催化剂溶液用氧气吹扫至少三次，然后搅拌下加热至46℃。当温度达到目标值后，用气密注射器滴加2mL 1-己醇(16mmol)。然后用氧气将烧瓶的压力升至1巴(15psi)，搅拌速度设定到1200rpm，氧化反应随着氧气的消耗进行，连续监测耗氧量，随时间记录。记录的耗氧速率为0.768mmol O2/min，反应20分钟后GC分析显示，起始醇的转化率为100.0％，对己醛的选择性为94.78％——图1曲线4。
实施例V-XI描述在高底物醇浓度的起始反应溶液中，本发明的不同醇的选择性氧化的应用。
实施例V将0.1045g AA-TEMPO(0.48mmol)，0.124 gMg(NO3)2·6H2O(0.48mmol)和0.098 g N-溴琥珀酰亚胺(0.55mmol)溶解在4mL的冰醋酸中，将所得溶液加入到反应烧瓶中。密封烧瓶，并将其与气体释放容量单元连接。催化剂溶液用氧气吹扫至少三次，然后搅拌下加热至46℃。当温度达到目标值后，用气密注射器滴加所需量的1-己醇(64mmol)。然后用氧气将烧瓶的压力升至1巴(15psi)，搅拌速度设定到1200rpm。记录的耗氧速率为0.211mmol O2/min，反应280分钟后GC分析显示，起始醇的转化率为98％，对己醛的选择性为94％。
实施例VI实施例VI描述2-己醇的氧化。
将0.1045 gAA-TEMPO(0.48mmol)，0.124 gMg(NO3)2·6H2O(0.48mmol)和0.098 g N-溴琥珀酰亚胺(0.55mmol)溶解在4mL的冰醋酸中，将所得溶液加入到反应烧瓶中。2-己醇的量、温度、压力和搅拌速率与实施例V相同。记录的耗氧速率为0.024mmol O2/min，反应600分钟后GC分析显示，起始醇的转化率为34％，对己醛的选择性为96％。
实施例VII本实施例描述1-庚醇的氧化。
将0.1045 gAA-TEMPO(0.48mmol)，0.124 gMg(NO3)2·6H2O(0.48mmol)和0.098 g N-溴琥珀酰亚胺(0.55mmol)溶解在4mL的冰醋酸中，将所得溶液加入到反应烧瓶中。1-庚醇的量、温度、压力和搅拌速率与实施例V相同。记录的耗氧速率为0.181mmol O2/min，反应400分钟后GC分析显示，起始醇的转化率为100％，对庚醛的选择性为99％。
实施例VIII本实施例描述1-辛醇的氧化。
将0.1045 gAA-TEMPO(0.48mmol)，0.124 gMg(NO3)2·6H2O(0.48mmol)和0.098 g N-溴琥珀酰亚胺(0.55mmol)溶解在4mL的冰醋酸中，将所得溶液加入到反应烧瓶中。1-辛醇的量、温度、压力和搅拌速率与实施例V相同。记录的耗氧速率为0.168mmol O2/min，反应400分钟后GC分析显示，起始醇的转化率为100％，对辛醛的选择性为99％。
实施例IX本实施例描述1-十二烷醇的氧化。
将0.1045 gAA-TEMPO(0.48mmol)，0.124 g Mg(NO3)2·6H2O(0.48mmol)和0.098 g N-溴琥珀酰亚胺(0.55mmol)溶解在4mL的冰醋酸中，将所得溶液加入到反应烧瓶中。1-十二烷醇的量、温度、压力和搅拌速率与实施例V相同。记录的耗氧速率为0.122mmol O2/min，反应400分钟后GC分析显示，起始醇的转化率为93％，对十二烷醛的选择性为89％。
实施例X本实施例描述苯甲醇的氧化。
将0.1045 gAA-TEMPO(0.48mmol)，0.124 gMg(NO3)2·6H2O(0.48mmol)和0.098 g N-溴琥珀酰亚胺(0.55mmol)溶解在4mL的冰醋酸中，将所得溶液加入到反应烧瓶中。苯甲醇的量、温度、压力和搅拌速率与实施例V相同。记录的耗氧速率为0.631mmol O2/min，反应60分钟后GC分析显示，起始醇的转化率为100％，对苯甲醛的选择性为93％。
实施例XI本实施例描述1-苯乙醇的氧化。
将0.1045 g AA-TEMPO(0.48mmol)，0.124 g Mg(NO3)2·6H2O(0.48mmol)和0.098 g N-溴琥珀酰亚胺(0.55mmol)溶解在4mL的冰醋酸中，将所得溶液加入到反应烧瓶中。1-苯乙醇的量、温度、压力和搅拌速率与实施例V相同。记录的耗氧速率为0.248mmol O2/min，反应240分钟后GC分析显示，起始醇的转化率为89％，对苯甲醛的选择性为100％。
以下实施例XII-XVI描述了催化剂组合物的不同制备模式，1-己醇底物的引入方式以及对氧气的暴露。
实施XII本实施例与实施例V相似，只是催化剂组合物在氩气中加热，O2在注射1-己醇之后引入。
将0.1045 gAA-TEMPO(0.48mmol)，0.124 gMg(NO3)2·6H2O(0.48mmol)和0.098 g N-溴琥珀酰亚胺(0.55mmol)溶解在4mL的冰醋酸中，将所得溶液加入到反应烧瓶中。密封烧瓶，并与气体释放容量单元连接。催化剂溶液用氩气吹扫至少三次，然后搅拌下加热至46℃。当温度达到目标值后，用氧气代替氩气，平衡两分钟后，用气密注射器滴加8mL的1-己醇(64mmol)。记录的耗氧速率为0.221mmol O2/min，反应200分钟后反应溶液GC分析显示，起始醇的转化率为95.6％，对己醛的选择性为93.7％。
实施例XIII本实施例与实施例V相似，只是硝酸镁、N-溴琥珀酰亚胺、部分醋酸和1-己醇在氩气中加热，注入AA-TEMPO的醋酸溶液后用氧气加压。
将0.124 gMg(NO3)2·6H2O(0.48mmol)和0.098 g N-溴琥珀酰亚胺(0.55mmol)和8mL 1-己醇(64mmol)溶解在3mL的冰醋酸中，将所得溶液加入到反应烧瓶中。该溶液用氩气吹扫，然后加热至46℃。当温度达到目标值后，在反应器中加入溶解于1mL醋酸中的0.1045 gAA-TEMPO(0.48mmol)，平衡2min后，用氧气替代氩气，并将烧瓶的压力升至1巴(15psi)。记录的耗氧速率为0.242mmol O2/min，反应200分钟后反应溶液的GC分析显示，起始醇的转化率为97.5％，对己醛的选择性为92.6％。
实施例XIV本实施例与实施例V相似，只是硝酸镁、N-溴琥珀酰亚胺、部分醋酸和1-己醇在氩气中加热，注入AA-TEMPO溶液后，用氧气替代氩气。
将0.124 gMg(NO3)2·6H-H2O(0.48mmol)和0.098 g N-溴琥珀酰亚胺(0.55mmol)和8mL 1-己醇(64mmol)溶解在3mL的冰醋酸中，将所得溶液加入到反应烧瓶中。该溶液用氩气吹扫，然后加热至46℃。当温度达到目标值后，用氧气替代氩气，接着在反应器中加入用1mL醋酸溶解的0.1045 gAA-TEMPO(0.48mmol)。记录的耗氧速率为0.256mmol O2/min，反应200分钟后反应溶液的GC分析显示，起始醇的转化率为96.4％，对己醛的选择性为92.6％。
下述实施例XV-XVII与实施例V相同，只是用N2-O2混合气体代替氧气时气压升至5.17巴(75psi)。
实施例XV本实施例中N2/O2比为30∶45。
将0.1045gAA-TEMPO(0.48mmol)，0.124 gMg(NO3)2·6H2O(0.48mmol)和0.098 g N-溴琥珀酰亚胺(0.55mmol)溶解在4mL的冰醋酸中，将所得溶液加入到反应烧瓶中。密封烧瓶，并与气体释放容量单元连接。催化剂溶液用氧气吹扫至少三次，然后搅拌下加热至48℃。当温度达到目标值后，用气密注射器将所需量的1-己醇(64mmol)注入反应容器中。然后用N2将烧瓶的压力升至2.07巴(30psi)，然后与氧气释放装置连接直至压力升至5.17巴(75psi)。记录的耗氧速率为0.260mmol O2/min，反应140分钟后反应溶液的GC分析显示，起始醇的转化率为95.3％，对己醛的选择性为95.2％。本实施例的耗氧量曲线如图2曲线1所示。
实施例XVI本实施例中N2/O2比为60∶15。
将0.1045gAA-TEMPO(0.48mmol)，0.124 gMg(NO3)2·6H2O(0.48mmol)和0.098 g N-溴琥珀酰亚胺(0.55mmol)溶解在4mL的冰醋酸中，将所得溶液加入到反应烧瓶中。密封烧瓶，并与气体释放容量单元连接。催化剂溶液用氧气吹扫至少三次，然后搅拌下加热至48℃。当温度达到目标值后，用气密注射器将所需量的1-己醇(64mmol)注入反应容器中。然后用N2将烧瓶的压力升至4.14巴(60psi)，然后与氧气释放装置连接直至压力升至5.17巴(75psi)。记录的耗氧速率为0.170mmol O2/min，反应240分钟后反应溶液的GC分析显示，起始醇的转化率为96.7％，对己醛的选择性为93.7％。本实施例的耗氧量曲线如图2曲线2所示。
下述实施例XVII-XVIII与实施例V相同，只是反应量为800mmol，N2-O2混合气为13.79巴(200psi)和6.9巴(100psi)。氧化反应在Parr高压釜中进行。
实施例XVII将1.31 gAA-TEMPO(6.0mmol)，1.55gMg(NO3)2·6H2O(6.0mmol)和1.23 g N-溴琥珀酰亚胺(6.9mmol)溶解在50mL的冰醋酸中，将所得溶液加入到不锈钢高压反应器中。密封该反应器，并与气体释放单元连接。催化剂溶液用氧气吹扫至少三次，然后搅拌下加热至46℃。当温度达到目标值后，用气密注射器将100mL1-己醇(800mmol)注入反应容器中。然后首先用N2将烧瓶的压力升至11.03巴(160psi)，然后与氧气释放装置连接直至压力升至13.79巴(200psi)。记录的耗氧速率为2.72mmol O2/min，反应200分钟后反应溶液的GC分析显示，起始醇的转化率为98.0％，对己醛的选择性为93.1％。
实施例XVIII将1.31 gAA-TEMPO(6.0mmol)，1.55 gMg(NO3)2·6H2O(6.0mmol)和1.23 g N-溴琥珀酰亚胺(6.9mmol)溶解在50mL的冰醋酸中，将所得溶液加入到不锈钢高压反应器中。密封该反应器，并与气体释放容量单元连接。催化剂溶液用氧气吹扫至少三次，然后搅拌下加热至46℃。当温度达到目标值后，用气密注射器将100mL1-己醇(800mmol)注入反应容器中。然后首先用N2将烧瓶的压力升至5.52巴(80 psi)，然后与氧气释放装置连接直至压力升至6.9巴(100 pis)。记录的耗氧速率为2.05mmol O2/min，反应300分钟后反应溶液的GC分析显示，起始醇的转化率为94.9％，对己醛的选择性为94.4％。
所有上述提及的专利和公开出版物引入此处作为参考。
本发明的各种修改和变化均可能来自上述技术的启示。因此本发明以此处描述之外的其它实施方式，应该理解为在权利要求的保护范围内。
权利要求
1.—种氧化醇的方法，包括在催化剂组合物的存在下，将伯醇或仲醇与含氧气体反应，由此得到醛或酮，其中该催化剂组合物包括(i)稳定的硝酰游离基衍生物，(ii)硝酸盐源，(iii)溴化物源，以及(iiiii)羧酸。
2.如权利要求1的方法，其中所述稳定的硝酰游离基衍生物由式(I)或式(II)代表 其中，R1，R2，R3，R4，R5和R6同时或各自代表(C1-C10)-烷基，(C1-C10)-烯基，(C1-C10)-烷氧基，(C6-C18)-芳基，(C7-C19)-芳烷基，(C6-C18)-芳基-(C1-C8)-烷基或(C3-C18)-杂芳基；R5和R6可以通过一个(C1-C4)-烷基链结合在—起，其可以是饱和的或不饱和的，未取代的或被R1、C1-C8-酰氨基、卤素、氧、羟基、氨基、烷氨基、二烷基氨基，芳氨基、二芳基氨基、烷基羧基、芳基羧基、烷基羰基氨基或芳基羰基氨基中的—个或多个取代，以及Y-为阴离子。
3.权利要求1的方法，其中所述醇选自甲醇、乙醇、丙醇、丁醇、戊醇、2-甲基-1-丁醇、3-甲基-1-丁醇、新戊醇、己醇、2-甲基-1-戊醇、新己醇、庚醇、辛醇、2-乙基-1-己醇、壬醇、癸醇、月桂醇、十二烷醇、二十烷醇、不饱和醇、芳香醇及其混合物。
4.权利要求1的方法，其中所述稳定的硝酰游离基选自2，2，6，6-四甲基哌啶-1-氧基、4-羟基-2，2，6，6-四甲基哌啶-1-氧基、4-甲氧基-2，2，6，6-四甲基哌啶-1-氧基、4-氧代-2，2，6，6-四甲基哌啶-1-氧基、N，N-二甲基氨基-2，2，6，6-四甲基哌啶-1-氧基、4-氨基-2，2，6，6-四甲基哌啶-1-氧基、4-乙酰氨基-2，2，6，6-四甲基哌啶-1-氧基、4-乙酰氨基-2，2，6，6-四甲基哌啶-1-氧基、4-苯甲酰氧基-2，2，6，6-四甲基哌啶-1-氧基、3，6-二氢-2，2，6，6-四甲基-1(2H)-吡啶-氧基、二(2，2，6，6-四甲基哌啶-1-氧-4-基)癸二酸盐及其混合物。
5.权利要求1的方法，其中基于所述醇的量，存在约0.001-10mol％的稳定的硝酰游离基衍生物。
6.权利要求5的方法，其中基于所述醇的量，存在约0.01-2mol％的稳定的硝酰游离基衍生物。
7.权利要求1的方法，其中硝酸盐源选自碱金属硝酸盐、碱土金属硝酸盐、硝酸铵、烷基硝酸铵、硝酸及其混合物。
8.权利要求1的方法，其中硝酸盐源为硝酸镁。
9.权利要求1的方法，其中基于所述醇的量，硝酸盐源的量为约0.01-10mol％。
10.权利要求1的方法，其中基于所述醇的量，硝酸盐源的量为约0.1-2mol％。
11.权利要求1的方法，其中溴化物源选自N-溴琥珀酰亚胺、N-溴苯邻二甲酰亚胺、四丁基溴化铵、NH4Br、碱金属溴化物、碱土金属溴化物及其混合物。
12.权利要求1的方法，其中溴化物源为N-溴琥珀酰亚胺。
13.权利要求1的方法，其中基于所述醇的量，存在约0.01-10mol％的溴化物源。
14.权利要求1的方法，其中基于所述醇的量，存在约0.1-2mol％的溴化物源。
15.权利要求1的方法，其中含氧气体选自i)纯氧气、ii)空气、iii)氧气和惰性气体的混合物、以及iv)它们的混合物。
16.权利要求1的方法，其中羧酸为乙酸、丙酸、形成均相反应混合物的羧酸及其混合物。
17.权利要求1的方法，其中所述羧酸为乙酸。
18.权利要求1的方法，其中该方法在醇溶液中至少—种溶剂的存在下反应，所述溶剂选自乙腈、四氢呋喃、乙酸乙酯、丙酮、二乙醚、甲基叔丁基醚及其混合物。
19.权利要求18的方法，其中基于所述醇的体积，存在大于0体积％到约70体积％的所述溶剂。
20.权利要求1的方法，其中所述氧化反应在无溶剂存在下进行。
21.权利要求1的方法，其中反应温度为0-100℃。
22.权利要求21的方法，其中反应温度为20-80℃。
23.权利要求1的方法，其中氧气分压为0.1-10巴。
24.权利要求1的方法，其中氧气分压为0.2-5巴。
25.权利要求1的方法，进—步包括使用选自蒸馏、分馏、结晶、与偏亚硫酸氢钠反应以及组合使用这些方法的提纯方法提纯所述的醛或酮。
26.权利要求1的方法，其中该方法在无过渡金属的存在下进行。
27.权利要求1的方法，其中所述稳定的硝酰游离基衍生物由式(I)或式(II)代表 其中，R1，R2，R3，R4，R5和R6同时或各自代表(C1-C10)-烷基，(C1-C10)-烯基，(C1-C10)-烷氧基，(C6-C18)-芳基，(C7-C19)-芳烷基，(C6-C18)-芳基-(C1-C8)-烷基或(C3-C18)-杂芳基；R5和R6可以通过一个(C1-C4)-烷基链结合在一起，其可以是饱和的或不饱和的，未取代的或被R1、C1-C8-酰氨基、卤素、氧、羟基、氨基、烷氨基、二烷基氨基，芳氨基、二芳基氨基、烷基羧基、芳基羧基、烷基羰基氨基或芳基羰基氨基中的—个或多个取代；Y-为阴离子；以及其中至少一种所述的式(I)或式(II)的稳定硝酰游离基衍生物或其混合物为大分子、低聚结构或聚合结构的取代基。
28.权利要求1的方法，其中所述稳定的硝酰游离基衍生物由式(I)或式(II)代表 其中，R1，R2，R3，R4，R5和R6同时或各自代表(C1-C10)-烷基，(C1-C10)-烯基，(C1-C10)-烷氧基，(C6-C18)-芳基，(C7-C19)-芳烷基，(C6-C18)-芳基-(C1-C8)-烷基或(C3-C18)-杂芳基；R5和R6可以通过一个(C1-C4)-烷基链结合在一起，其可以是饱和的或不饱和的，未取代的或被R1、C1-C8-酰氨基、卤素、氧、羟基、氨基、烷氨基、二烷基氨基，芳氨基、二芳基氨基、烷基羧基、芳基羧基、烷基羰基氨基或芳基羰基氨基中的—个或多个取代；Y-为阴离子；并且其中至少一种式(I)或式(II)的稳定硝酰游离基衍生物或其混合物存在于固体载体上。
29.权利要求1的方法，其中所述醇选自烯丙醇、巴豆醇、炔丙醇以及其混合物。
30.权利要求1的方法，其中所述醇选自苯甲醇、苯乙醇、苯丙醇及其混合物。
全文摘要
一种氧化醇的方法，其中使用伯醇或仲醇与含氧气体在含有(i)稳定的硝酰游离基衍生物、(ii)硝酸盐源、(iii)溴化物源和(iiii)羧酸的催化剂组合物的存在下反应，得到醛或酮。
文档编号B01J31/02GK101024602SQ20061007390
公开日2007年8月29日 申请日期2006年2月17日 优先权日2006年2月17日
发明者S·塔尼尔彦, R·奥古斯丁, O·梅耶, M·科雷尔 申请人:德古萨公司