有机醇、胺化合物的氧化官能团化 硕士

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博士研究生学位论文题目: 有机醇、胺化合物的氧化官能团化:反应性及反应机理的研究姓名: 刘良会学号: 1101110218院系: 化学与分子工程学院专业: 无机化学研究方向: 金属有机催化导师姓名: 付雪峰二 0 一三年四月有机醇、胺化合物的氧化官能团化:反应性及反应机理研究刘良会(无机化学) 付雪峰(指导老师)摘要有机化合物官能团之间的转化是有机化学研究的核心内容。

而有机化合物的氧化官能团化则是向有机分子引入新官能团的一种有效方法。

例如将胺类化合物氧化，可把 C-N 单键氧化为 CN 双键，实现由胺到亚胺的转化。

相比于传统的官能团转化手段，氧化转化反应具有成本低、步骤少等优点。

有机化合物的氧化官能团化反应也是将丰富易得的工业原料转化为反应性质活泼的有机物的重要手段，例如锰/钴催化氧气氧化对二甲苯为对苯二甲酸等。

随着绿色化学的发展，“绿色氧化”的概念愈加受到重视，)采用氧气作为最终氧化剂。

氧气廉价易得，还原产物是水，其主要的发展方向有:1无污染。

2)采用水作为溶剂。

水不仅是一种环境友好的溶剂，而且有利于反应的后处理和有机产物的分离提纯。

3)开发高效金属催化剂以减少反应中的金属用量，或者使用非金属催化剂以避免金属的使用。

金属的价格相对较高、毒性较大，且回收成本较高。

例如，过去人们常采用当量的金属氧化剂(高锰酸钾、三氧化铬等)在”体系用于卤代烷溶剂中将醇氧化为醛酮，而如今化学家们则致力于开发“绿色氧化醇的氧化转化，即在水相中，使用低用量金属催化剂和氧气，催化氧化醇为醛酮。

基于以上研究背景，并着眼于揭示反应机理，本文成功开发了一系列将醇类、胺类化合物氧化官能团化的“绿色氧化”体系。

本论文的工作主要分为两部分，第一部分是水溶性铑卟啉配合物催化的有机官能团转化反应，第二部分是无金属参与的有机化合物的氧化转化反应。

在第一部分工作中，作者采用水溶性的铑卟啉配合物作为催化剂，成功实现了两类有机官能团的转化反应，并对反应机理进行了研究。

1)在水相中，采用氧气作为氧化剂，实现了催化氧化醇为醛酮。

该催化体系底物适用范围广，包括苯甲醇类、脂肪醇类底物;该催化体系官能团容忍度也较高，底物中可含有杂原子、不饱和双键。

随后，作者对该反应的机理进行了探究:i)原位观察反应中间体 Rh-OMe 配合物，并测定了它和 Rh-OH 物种之间的平衡常数;ii)通过监测铑III卟啉配合物氧化异丙醇当量反应的动力学过程，作者发现该氧化反应对铑III卟啉配合物以及醇的浓度均为一级关系;iii)测定了反应的氘代效应(kH/kD 1.5)，并通过测定不同温度下的反应速率常数，得到了该反应的活化能(22kcal/mol)，与文献报道的金属烷氧基中间体βC-H 消除反应的活化能相近。

2)利用该催化剂对可见光有良好的吸收这一特点，作者还开发了可见光促进的炔烃水化反应体系。

已有的研究结果表明，苯乙炔类、脂肪端炔类均能高效地水化生成甲基酮类产物。

该反应具有以下优点:i)反应条件温和，可在室温下进行;ii)催化剂用量低，仅需要 1mol。

初步的机理研究表明，反应生成了Rh-CH2COR 中间体。

作者还通过单独合成该配合物进一步确认了此中间体的生成。

该中间体在可见光照射下能够快速发生 Rh-C 键裂解生成甲基酮类产物。

在第二部分工作中，作者成功开发了三个无金属参与的氧化转化体系:1)一级胺在水相中发生氧气氧化偶联反应生成亚胺。

初步的机理研究表明，该反应是一个“水面反应”，即反应发生在水油界面处;水加速了胺的自氧化反应速率。

2)偶氮二异丁腈(AIBN)引发的氧气氧化胺的反应: 一级胺发生氧化偶联生成亚胺，三级胺发生氧化氰基化生成α-氨基腈。

AIBN 首先分解生成碳自由基(CP?)，CP?与氧气反应转化成相应的氧自由基(CPO?);CPO?夺取胺的α-H，生成底物自由基，自身转化为α-羟基异丁腈(CPOH);CPOH脱去一分子 HCN，最终生成丙酮。

而引发?街璨牡孜镒杂苫稍谘跗惺迪肿杂苫囱趸从Γ 裳胺或者亚铵正离子，并进一步发生缩合或者加成反应生成 N- 取代亚胺或α-氨基腈。

四丁基碘化铵催化的一级醇氧化酯化反应。

3) 以叔丁基过氧化氢(TBHP)为氧化剂，一级醇和甲苯衍生物发生氧化偶联反应生成苄酯。

酯类化合物是有机官能团转化反应中重要的中间体。

该体系可通过“一锅法”直接由一级醇和甲苯合成酯类，具有便捷高效的优点。

系统的机理研究表明，一级醇依次被氧化为醛和羧酸，最后与甲苯氧化偶联生成苄酯;四丁基碘化铵中的四丁基铵根离子起到相转移催化剂的作用，而碘离子则是反应的直接催化剂。

关键词:绿色氧化水氧气无金属 Oxidative Functionalization of Organic Compounds: Reactivity and Mechanistic Studies Lianghui Liu Inorganic Chemistry Directed by Xuefeng FuAbstract Highly efficient selective and metal-free oxidation of organic substrates thatutilizes dioxygen as the terminal oxidant is one of the most important currentchallenges for syntheticorganic chemistry. Oxidation of primary and secondaryalcohols to aldehydes and ketones ranks among the most important functional grouptransformations thus catalytic aerobic alcohol oxidation is a major topic in transitionmetal catalysis research. Oxidation of primary alcohols also provides carboxylic acidesters which are not only among the most abundant chemicals in nature but alsoserving as important building blocks in organic transformations and chemical industry.Imines and α-aminonitriles are versatile synthetic intermediates in a variety of organictransformations. Imines are widely used in addition reduction aziridinationβ-lactamization and cyclization reactions and α-aminonitriles are usefulprecursorsto synthesize α-amino acids α-amino aldehydes α-amino alcohols and12-diamines.Oxidative coupling of primary amines provides an alternative strategy to synthesis ofimines and oxidative cyanation of tertiary amines represents one of the mostconvenient and straightforward methods to prepare α-aminonitriles. As growingattention on energy crisis and environmental issues has been paid bythe whole society green chemistry has become one of the most important principlesfor designing fine chemical processes. Green catalytic oxidation process has gainedmore and more attention which requires oxygen/air as the sole oxidant water as thesolvent and small amount of metal loading or metal free system. In hope ofdeveloping green oxidation chemistry and also get mechanistic insight into someuseful organicreactions we explored several green protocols for the oxidativefunctionalization of alcohols and amines. This dissertation can be divided into twoparts: one is water soluble rhodium prophyrin catalyzed functionalization of organicsubstrates the other is metal-free oxidation of organic compounds. The first part contains two types of catalytic processes: 1 A broad range ofalcoholsincluding benzylic aliphatic and hetero-atom bearing alcohols arecatalytically oxidized by TSPPRhIII in water using oxygen as the terminal oxidant.The TSPPRhIII catalyst system in water has permitted direct observation of alkoxideintermediates and evaluation of the activation parameters for the rate determiningRh-a lkoxide βC-Helimination. Development of this new aqueous catalyst systemthatuses dioxygen without the need for co-catalysts suggests that this prototype catalystsystem may find applicationin a wide range of “green” oxidation chemistry. 2 Wedeveloped a method for hydrationof alkynes using TSPPRhIII as a photo-catalyst.Under visible light irradiation aromatic and aliphatic acetylenes were hydrated tomethyl ketones. The reaction was performed at room temperature and the catalystloading was as low as 1 mol. Mechanistic investigation showed that β-ketone alkylrhodium complexes are active intermediates which underwent photolysis to releasethe ketone products. In the second part we firstly developed a green protocol for oxidative coupling ofbenzylamines to imines by simply refluxing aerated suspensions ofwater and benzylamines. Next we developed AIBN initiated aerobic oxidative coupling of primaryamines to imines and cyanation of tertiary amines to α-aminonitriles. Catalyticamount of AIBN is consumed and dioxygen is the sole oxidant in this metal freesystem. These clean and mild synthetic methods may provide an ideal strategy for therational design of systems for the functionalization of sp3 C-H bonds adjacent tonitrogen. Attempting to expand the substrate scope of radicalinitiated oxidations wedeveloped a Bu4NI-catalyzed system for alcohol oxidation. This is the first report onthe synthesis of benzyl esters directly from alcohols and toluene solvents. Thesequential oxidation of alcohols to aldehydes to carboxylic acid and to benzyl estersis accomplished in one-pot. The direct oxyacylation of benzyl C-H bond undertransition metal free conditions also provides a new strategy for the rational design ofmethods for the functionalization of sp3 C-H bonds.Keywords: green oxidation water oxygen metal-free 目录第一章序言 ....................................................... 1 1.1 氧化反应在有机化合物官能团转化中的意义....................... 1 1.2 绿色氧化发展的主要方向 ...................................... 2 1.2.1 氧气作为氧化剂 .............................................. 2 1.2.2 水作为溶剂 .................................................. 4 1.2.3 无金属参与 .................................................. 7 1.3 醇类化合物氧化官能团化的研究背景 ............................ 8 1.3.1 一级醇氧化到醛、二级醇氧化到酮的概述 (8)1.3.2 一级醇通过氧化酯化反应一步法合成酯的概述 (12)1.4 胺类化合物氧化官能团化的研究背景 ........................... 14 1.4.1 一级胺氧化偶联成为亚胺概述 ............................... 14 1.4.2 三级胺通过氧化氰基化反应一步法合成α-氨基腈概述 ....... 18 1.5 炔烃水化成酮类化合物的研究背景 ............................. 20 1.5.1 炔烃水化反应的发展历史 .................................... 20 1.5.2 炔烃水化反应在烯烃氧化研究中的意义 ...................... 22第二章合成及表征 ................................................ 25 2.1 试剂采购以及表征仪器说明 ................................... 25 2.1.1 试剂 ........................................................ 25 2.1.2 仪器 ........................................................ 26 2.2 水溶性铑卟啉配合物的合成和表征 ............................. 26 2.3 不同pH 缓冲溶液的配置方法 .................................. 27 2.4 亚胺产物的合成和表征........................................ 27 2.5 亚胺进行 Aza-Diels-Alder 反应的产物的合成和表征.............. 32 2.6 氨基腈类产物的合成和表征.................................... 34 2.7 酯类产物的合成和表征........................................ 37第三章水溶性铑卟啉配合物催化有机分子转化反应的研究 ............... 47 3.1 铑卟啉配合物的结构和性质 ...................................47 3.2 水相中铑卟啉催化氧气氧化有机醇及机理的研究 .................49 3.2.1 铑卟啉配合物在甲醇-水混合溶液中的多重平衡 .............. 49 3.2.2 铑III卟啉配合物当量氧化异丙醇动力学的研究 ............ 52 3.2.3 铑卟啉催化氧气氧化醇类化合物的反应 ...................... 58 3.2.4 可能的反应机理 ............................................. 61 3.2.5 本项工作总结 ............................................... 62 3.3 可见光促进的铑卟啉催化炔烃水化反应及其机理的研究 ........... 64 3.3.1 设计思路 .................................................... 64 3.3.2 反应条件的优化过程及初步的底物适用范围尝试 ............. 65 3.3.3 反应机理: 中间体的观察和合成 ............................. 68 3.3.4 可能的反应机理 ............................................. 72 3.3.5 本项工作小结 ............................................... 72 3.4 本章总结以及前景展望 ....................................... 73第四章无金属参与的氧化体系 ..................................... 75 4.1 水相中一级胺氧化偶联成亚胺 ................................. 75 4.1.1 条件优化及底物范围 ......................................... 75 4.1.2 氧化交叉偶联反应........................................... 79 4.1.3 连续反应: Aza-Diels-Alder 反应 ........................... 81 4.1.4 可能的反应机理 ............................................. 82 4.1.5 本项工作小结 ............................................... 83 4.2 偶氮二异丁腈热引发的胺类化合物的氧化偶联反应 ............... 84 4.2.1 设计思路 .................................................... 84 4.2.2 条件优化以及适用底物范围 ................................. 84 4.2.3 底物的推广:三级胺类化合物的氧化氰基化反应 ............. 88 4.2.4 机理研究:对照实验 ........................................ 92 4.2.5 可能的反应机理 ............................................. 95 4.2.6 本项工作小结 ............................................... 96 4.3 碘离子催化的一级醇的氧化酯化反应 ........................... 96 4.3.1 条件优化以及适用底物范围 .................................. 96 4.3.2 一级醇的氧化酯化反应适用底物范围 ........................ 98 4.3.3 机理研究:中间体的推断 ................................... 101 4.3.4 机理研究:四丁基碘化铵的作用 ............................ 105 4.3.5 可能的反应机理 ............................................ 107 4.3.6 本项工作小结 .............................................. 107 4.4 本章总结及前景展望 ........................................ 108第五章论文总结和展望 ........................................... 111 5.1 论文总结................................................... 111 5.2 展望....................................................... 113参考文献 ........................................................ 115攻读博士学位期间论文发表情况 .................................... 145谱图附录 ........................................................ 147致谢 .......................................................... 213北京大学学位论文原创性声明和使用授权说明 ........................ 215 第一章序言本论文是围绕“有机化合物的氧化”这个主题开展的。