幾種仲醇的選擇性氧化研究

劉　敏， 劉　娟， 李本浩， 李夏冰， 李寶林

(藥用資源與天然藥物化學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 陜西師范大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院， 陜西 西安 710119)

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幾種仲醇的選擇性氧化研究

劉敏， 劉娟， 李本浩， 李夏冰*， 李寶林

(藥用資源與天然藥物化學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 陜西師范大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院， 陜西 西安 710119)

摘要：為了將幾種鄰位醇中的仲羥基選擇性催化氧化成相應(yīng)的酮羰基，首先以2,9-二甲基-1,10-菲啰啉(neocuproine)、三氟甲磺酸(HOTf)和醋酸鈀為原料反應(yīng)生成鈀的配合物[(neocuproine)Pd(OAc)]2(OTf)2；并以此配合物為催化劑，對(duì)苯醌或氧氣為氧化劑,乙腈與水的混合物(體積比為9∶1)為溶劑，實(shí)現(xiàn)了1,2-O-異丙叉基-α-D-呋喃葡萄糖、1-苯基-1,2-乙二醇和1,2-癸二醇中仲羥基的選擇性氧化，獲得了預(yù)期的結(jié)果。尤其是對(duì)1-苯基-1,2-乙二醇的選擇性氧化產(chǎn)率高達(dá)93.0%。

關(guān)鍵詞：鄰位醇； Pd催化劑； 選擇性氧化

將多元醇中仲羥基選擇性氧化為酮羰基以獲得α-羥基酮的工作具有非常重要的學(xué)術(shù)意義和應(yīng)用價(jià)值，也是一項(xiàng)極具挑戰(zhàn)性的工作。在許多重要的生物活性化合物中，如olivomycin A[1]、kurasoin A和kurasoin B[2]中都存在有α-羥基酮結(jié)構(gòu)單元。α-羥基酮類化合物還可以作為反應(yīng)前體制備一些重要的其他化合物，如氨基醇[3]等。含有α-羥基酮結(jié)構(gòu)單元的1,2-O-異丙叉基-5-氧代-α-D-呋喃葡萄糖是抗糖尿病藥物1-脫氧野尻霉素和米格列醇合成中的重要中間體[4]。盡管文獻(xiàn)中已經(jīng)報(bào)道了一些多元醇選擇性氧化成相應(yīng)的α-羥基酮的反應(yīng)，包括以二甲基過氧化酮為氧化劑[5]，氯化釕為催化劑的催化氧化[6-8]等；然而，這些反應(yīng)中存在所用氧化劑不穩(wěn)定，催化劑昂貴、產(chǎn)率低、選擇性差及因過度氧化而引起的碳-碳鍵斷裂產(chǎn)生副產(chǎn)物等缺點(diǎn)[9-10]。還有報(bào)道利用錫的氧化物先與鄰二醇形成中間體化合物，而后再以液溴為氧化劑進(jìn)行選擇性氧化[11]，此反應(yīng)產(chǎn)率高、選擇性好，但是所用的氧化劑Br2具有強(qiáng)烈的腐蝕性，而且錫氧化物用量過大，嚴(yán)重污染環(huán)境且不經(jīng)濟(jì)。Pd系催化劑在醇的催化氧化反應(yīng)中表現(xiàn)出優(yōu)越的催化性能，多種Pd催化體系，如PdCl2-NaOAc和Pd(OAc)2/DMSO/NaHCO3已經(jīng)相繼報(bào)道[12]。我們以Pd的絡(luò)合物[(neocuproine)Pd(OAc)]2(OTf)2(1)[13-15]為催化劑，對(duì)苯醌或者氧氣為氧化劑，探索了幾種鄰位醇中仲羥基的催化氧化，選擇性地得到了相應(yīng)的α-羥基酮。該反應(yīng)過程的主要優(yōu)勢(shì)是低污染、低毒性，反應(yīng)效率和選擇性都得到了提高。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1試劑與儀器

醋酸鈀(分析純，陜西瑞科新材料股份有限公司)，2,9-二甲基-1,10-菲啰啉(neocuproine，又稱新亞銅試劑)、三氟甲磺酸(HOTf)、對(duì)苯醌(BQ，分析純，上海達(dá)瑞精細(xì)化學(xué)品有限公司)，1,2-O-異丙叉基-α-D-呋喃葡萄糖(分析純，上海有朋化工有限公司)，1-苯基-1,2-乙二醇、1,2-癸二醇(分析純，百順化學(xué)科技有限公司)。

Bruker Avance 300 MHz超導(dǎo)核磁共振儀(德國(guó)Bruker公司)，高壓反應(yīng)釜(美國(guó)PARR公司)。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

幾種鄰位醇中仲羥基的催化氧化如圖1所示。

1.2.1 Pd催化劑[(neocuproine)Pd(OAc)]2(OTf)2(1)的合成 向100 mL的單口瓶中依次加入新亞銅試劑0.60 g(2.88 mmol)，醋酸鈀0.59 g(2.63 mmol)，丙酮50.0 mL，室溫(25 ℃)攪拌過夜，得黃色懸濁液，抽濾，濾餅用少許丙酮洗滌，真空干燥，得黃色固體配合物(A)0.87 g，產(chǎn)率69.8%。A的結(jié)構(gòu)如圖2所示，其理化數(shù)據(jù)與文獻(xiàn)報(bào)道一致[16]。

將0.22 g(0.51 mmol)的配合物A溶于1.0 mL乙腈中，攪拌條件下加入三氟甲磺酸的乙腈溶液(0.33 mol/L, 3.8 mL)，室溫(25 ℃)攪拌30 min，得到乳黃色懸濁液，攪拌條件下加入20.0 mL的乙醚進(jìn)行沉淀，抽濾，少量乙醚洗滌，得到亮黃色固體配合物(B)0.11 g，產(chǎn)率30.1%。B的結(jié)構(gòu)如圖2所示，其理化數(shù)據(jù)與文獻(xiàn)報(bào)道一致[15]。

向25 mL的單口瓶中依次加入0.20 g(0.46 mmol)配合物A，0.32 g(0.46 mmol)配合物B，乙腈30.0 mL。室溫(25 ℃)攪拌30 min至全部溶解，用20.0 mL乙醚進(jìn)行沉淀得到0.29 g黃色固體催化劑(1)，產(chǎn)率60.3%。1的結(jié)構(gòu)如圖2所示，其理化數(shù)據(jù)與文獻(xiàn)報(bào)道一致[15]。

1.2.2 鄰位醇的催化氧化方法一(以對(duì)苯醌為氧化劑)：取鄰位醇a(1.0 mmol)于25 mL的單口瓶中，向瓶中依次加入混合溶劑10 mL(乙腈∶水=9∶1)，對(duì)苯醌(1.1 mmol)，于室溫(25 ℃)下攪拌至溶解。加入催化劑1(0.002～0.004 mmol)，升溫到50～80 ℃，跟蹤至原料反應(yīng)完全，需3～24 h。減壓旋蒸除去溶劑，用1 mL乙酸乙酯溶解，抽濾，濾餅用少量乙酸乙酯洗滌回收Pd催化劑1，可下次再用。濾液濃縮得棕黃色固體，硅膠柱色譜分離后得化合物b。

方法二(以氧氣為氧化劑)：取化合物a(1.0 mmol)置于100 mL高壓反應(yīng)釜中，依次加入混合溶劑10 mL(乙腈∶水=9∶1)，Pd催化劑1(0.002～0.004 mmol)，通入O2至壓力3 MPa于50～80 ℃下攪拌反應(yīng)，直至氧氣壓力不再下降，約需3～24 h。濾出催化劑后，濃縮后經(jīng)硅膠柱色譜分離得化合物b。

1,2-O-異丙叉基-5-氧代-α-D-呋喃葡萄糖(b1)：淺黃漿狀物，產(chǎn)率61.1%(方法一)。1H NMR (300 MHz, D2O)δ: 6.05(d,J=3.5 Hz, 1H),4.93(d,J=3.2 Hz, 1H), 4.67(d,J=3.5 Hz, 1H), 4.58(d,J=3.2 Hz, 1H), 4.42(s, 2H), 1.43(s, 3H), 1.29(s, 3H);13C NMR (75 MHz, D2O)δ: 207.1, 112.2,104.2, 83.8, 83.6, 74.4, 65.7, 25.2, 24.6。

2-羥基-1-苯基乙酮(b2)：白色固體，產(chǎn)率93.0%(方法一)。1H NMR (300 MHz,DMSO-d6)δ: 7.96 (br s, 1H),7.93 (br s, 1H), 7.63-7.68(m,1H), 7.51-7.56(m,2H), 5.11 (t,J=5.9Hz, 1H,OH),4.84 (d,J=5.9 Hz, 2H);13C NMR (75 MHz, DMSO-d6)δ: 199.1,134.5, 133.4, 128.7, 127.5, 65.3。

1-羥基-2-癸酮(b3)：白色固體，產(chǎn)率86.2%(方法一)。1H NMR (300 MHz, DMSO-d6)δ:5.02 (t,J=5.9 Hz, 1H, OH), 4.04 (d,J=5.9Hz, 2H), 2.38(t,J=7.3 Hz, 2H), 1.44～1.49(m, 2H), 1.25 (br s, 10H),0.86 (t,J=6.5 Hz, 3H);13C NMR (75 MHz, DMSO-d6)δ: 211.0,67.5, 37.5, 31.3, 28.8, 28.7, 28.6, 22.9, 22.1, 13.8。

2 結(jié)果與討論

2.1 Pd催化劑的合成及催化氧化機(jī)理

本研究所用的Pd催化劑1是通過如圖2所示的反應(yīng)由配合物A和B按照文獻(xiàn)[15-16]方法合成，所得催化劑的各種結(jié)構(gòu)表征數(shù)據(jù)與文獻(xiàn)報(bào)道一致。Painter等人曾將此Pd催化劑1用于甘油的選擇性催化氧化，并對(duì)其催化反應(yīng)的機(jī)理進(jìn)行了討論[17]。參照此文獻(xiàn)，這里提出Pd催化劑1催化選擇性氧化鄰位醇的機(jī)理如圖3所示。Pd催化劑1是以二聚體[(Neocuproine)Pd(OAc)]2(OTf)2的形式存在，在含乙腈的溶液中解離為配合物2；配合物2與醇分子中相鄰的兩個(gè)醇羥基互相作用，經(jīng)過配體交換，得到五元環(huán)的Pd醇羥鹽螯合物3，并失去一分子的HOAc和乙腈。隨后Pd醇羥鹽螯合物3發(fā)生β-H消除生成Pd氫化物6。6通過與對(duì)苯醌或氧發(fā)生氧化還原和溶劑置換，釋放出α-羥基酮的同時(shí)轉(zhuǎn)化為配合物2，從而完成仲羥基的選擇性催化氧化。

2.2反應(yīng)條件的優(yōu)化

本實(shí)驗(yàn)先以對(duì)苯醌為氧化劑，對(duì)三種鄰位醇進(jìn)行選擇性催化氧化的探索，研究了Pd催化劑的用量、反應(yīng)溫度對(duì)反應(yīng)選擇性和產(chǎn)率的影響，結(jié)果如表1所示。首先，考察催化劑用量對(duì)反應(yīng)的影響，確定適合的催化劑用量為底物的0.2 mol%到0.4 mol%。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，三種底物的產(chǎn)率隨著催化劑用量的增加而增大，對(duì)于化合物a2和a3，催化劑用量增加到0.2 mol%時(shí)，其產(chǎn)率已經(jīng)達(dá)到93.0%和86.2%。再增加催化劑的用量，反應(yīng)沒有明顯的變化。在化合物a1的選擇性氧化中，催化劑用量增至0.4 mol%時(shí)，仍只有61.1%的收率，這可能是由于化合物a1在與Pd催化劑1絡(luò)合時(shí)，位阻較大，致收率降低。在所使用的三個(gè)底物中，我們分別在不同的溫度下進(jìn)行反應(yīng)。對(duì)于化合物a1，反應(yīng)溫度升高，反應(yīng)時(shí)間縮短且產(chǎn)率增高，但由于其本身是糖的衍生物，在高溫下容易變質(zhì)焦化，故溫度不能過高，經(jīng)過試驗(yàn)篩選，最終選擇50 ℃為最佳反應(yīng)溫度。對(duì)于化合物a2和a3的反應(yīng)，升高溫度分別到65 ℃、80 ℃，溫度升高可以明顯縮短反應(yīng)時(shí)間到3 h，且產(chǎn)率可分別高達(dá)93.0%和86.2%。最后在以上優(yōu)化的反應(yīng)條件下，以氧氣代替對(duì)苯醌為氧化劑進(jìn)行了三種底物的選擇性催化氧化。氧氣做氧化劑時(shí)，氧氣被還原為水，反應(yīng)體系更加綠色環(huán)保。但實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明用氧氣作氧化劑時(shí)各反應(yīng)產(chǎn)率均較低，不能滿足大量反應(yīng)的需求。綜合考慮，認(rèn)為在此催化氧化體系中選擇對(duì)苯醌作為氧化劑，可獲得較高收率的選擇性氧化產(chǎn)物。

*.溶劑：乙腈∶水=9∶1(V∶V)； a.分離產(chǎn)率。

4結(jié)論

α-羥基酮化合物是合成一系列天然藥物的重要中間體，在生產(chǎn)和生活中都有著非常重要的應(yīng)用。本文利用Pd催化劑1可以較高產(chǎn)率地將鄰位醇選擇性催化氧化成相應(yīng)的α-羥基酮類化合物。在該催化劑的存在下，以對(duì)苯醌或氧氣為氧化劑，乙腈∶水=9∶1(V∶V)為反應(yīng)溶劑，分別對(duì)化合物a1、a2和a3進(jìn)行催化氧化實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，三種底物在此催化體系下均發(fā)生了仲羥基的氧化。特別是以對(duì)苯醌為氧化劑時(shí)，可以較高產(chǎn)率得到化合物b1(61.1%)、b2(93.0%)和b3(86.2%)。

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〔責(zé)任編輯王勇〕

The chemoselective oxidation of vicinal polyols

LIU Min, LIU Juan, LI Benhao, LI Xiabing*, LI Baolin

(Key Laboratory of Ministry of Education for Medicinal Resources and Natural Pharmaceutical Chemistry, School of Chemistry & Chemical Engineering,Shaanxi Normal University, Xi′an 710119, Shaanxi, China)

Abstract:This article presents a method for the selectively oxidation of the secondary hydroxyl group into the corresponding keto-carbonyl group. The complex [(neocuproine)Pd(OAc)]2(OTf)2synthesized from neocuproine (2,9-dimethyl-1,10-phenanthroline), HOTf and Pd(OAc)2, was used as a catalyst to the selective oxidation of several vicinal polyols with p-benzoquinone or O2as oxidant by using the mixture of acetonitrile and water (9∶1) as a solvent. This catalytic system was applied to the oxidation of several vicinal polyols including 1,2-O-isopropylidene-α-D-glucofuranose, 1-phenylethane-1,2-diol and 1,2-decanediol to afford corresponding α-hydroxy ketones in good yields. Especially for the selective oxidation of 1-phenylethane-1,2-diol, the chemical yield was up to 93.0%.Keywords: vicinal polyols; palladium catalyst;chemoselective oxidation

文章編號(hào)：1672-4291(2016)03-0075-04

doi:10.15983/j.cnki.jsnu.2016.03.333

收稿日期：2016-02-04

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金(21272144)

*通信作者：李夏冰，女，講師，博士。E-mail:xiabingli@snnu.edu.cn

中圖分類號(hào)：O622.3

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A