鐵催化過氧化氫氧化端炔合成羧酸類化合物

俞星辰,肖亞平,韓 維

(南京師范大學化學與材料科學學院,江蘇 南京 210023)

羧酸類化合物是有機合成中重要的中間體,廣泛應用于合成醫(yī)藥、天然產(chǎn)物、農(nóng)藥、聚合物和染料[1-6]. 因此,發(fā)展新的方法合成羧酸類化合物引起了廣泛關(guān)注. 傳統(tǒng)合成羧酸的方法是通過烯烴或炔烴的臭氧分解[7-8],或用NaIO4和氧化劑先將烯烴或炔烴二羥基化,再氧化裂解二醇的兩步法[9]. 由于烯烴和炔烴較為廣泛地存在于自然資源(如煤炭和石油)中,因此使用烯烴或炔烴作為原料,氧化裂解生成羧酸化合物具有重要的研究價值[10-11].

已報導的炔烴氧化裂解生成羧酸的反應中,氧化劑主要有高錳酸鉀(KMnO4)[12]、高碘酸鈉(NaIO4)[13]、叔丁基過氧化氫(TBHP)[14]、間氯過氧苯甲酸[15]、高碘試劑[16]和過氧硫酸氫鉀復合鹽(Oxone)[17-18]. 它們的使用通常會導致大量固體廢物的產(chǎn)生、反應成本高或安全性問題. 研究更加環(huán)境友好的氧化劑是氧化反應領(lǐng)域重要的研究方向之一[19]. 過氧化氫是公認的一種環(huán)境友好的氧化劑,發(fā)生氧化反應后產(chǎn)生的唯一副產(chǎn)物是環(huán)境友好的水. 因此,發(fā)展過氧化氫為氧化劑進行氧化反應的研究備受青睞[20]. 然而遺憾的是,過氧化氫為氧化劑進行氧化炔為羧酸的報道甚少,而且需要用到價格昂貴的甲基三氧化錸為催化劑[21]. 在眾多過渡金屬催化劑中,鐵催化劑被公認為一種理想的催化劑,因為它價格低廉、來源廣泛(為地殼中含量第二大的金屬),和生物相容性好. 因此,發(fā)展鐵催化的過氧化氫氧化裂解炔合成羧酸的反應具有重要的研究意義.

本文研究了一種無需配體參與的鐵催化過氧化氫氧化斷裂端炔合成羧酸的合成方法. 該方法具有經(jīng)濟、環(huán)境友好、簡單易行和官能團相容性好的優(yōu)勢.

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

1H NMR和13C NMR使用Bruker AVANCE-400型核磁共振儀進行測試. 所有藥品和試劑均為市售分析純或化學純. 柱層析所用硅膠粒度為200～300目.

1.2 實驗方法

通用的反應步驟:在反應瓶中加入氯化亞鐵(0.05 mmol)、乙腈(3 mL)、水(1 mL)、炔1(0.5 mmol)、冰醋酸(0.75 mmol),攪拌均勻后,加入過氧化氫(1.5 mmol),加熱至50 ℃,反應3 h. 用薄層色譜法(TLC)跟蹤反應進程,待反應完全后,用乙酸乙酯萃取(10 mL×3),用飽和食鹽水洗滌(10 mL×3),無水硫酸鈉干燥,減壓蒸餾除去溶劑,使用柱層析分離,得到目標產(chǎn)物2.

以對氯苯甲酸(2a)的合成為例:在反應瓶中加入氯化亞鐵(6.4 mg,0.05 mmol)、乙腈(3 mL)、水(1 mL)、炔1a(69.7 mg,98%,0.5 mmol)、冰醋酸(43 μL,0.75 mmol),攪拌均勻后,加入過氧化氫(130 μL,35%,1.5 mmol),加熱至50 ℃,反應3 h. 用薄層色譜法(TLC)跟蹤反應進程,待反應完全后,用乙酸乙酯萃取(10 mL×3),用飽和食鹽水洗滌(10 mL×3),無水硫酸鈉干燥,減壓蒸餾除去溶劑,使用柱層析分離,得到目標產(chǎn)物2a. 白色固體,產(chǎn)率70%.1H NMR(400 MHz,Acetone-d6)δ8.05(d,J=8.6 Hz,2H),7.57(d,J=8.6 Hz,2H);13C NMR(100 MHz,Acetone-d6)δ165.9,138.6,131.3,129.4,128.7.(其它產(chǎn)物的表征數(shù)據(jù)均與標準譜圖對照,表明其結(jié)構(gòu)的正確性.)

2 結(jié)果與討論

2.1 條件篩選

以4-氯苯乙炔(1a)為底物,乙腈-水(3∶1)混合溶液為溶劑,過氧化氫為氧化劑,醋酸為促進劑,固定4-氯苯乙炔(1a)/過氧化氫投料比為1∶3,首先探究在無金屬催化條件下1a的氧化,反應3 h后沒有產(chǎn)物形成(表1,條目7). 基于本課題組在鐵催化方面的研究基礎(chǔ)[22-23],接著探究了多種鐵催化劑如氯化亞鐵、硫酸亞鐵、乙酰丙酮亞鐵、醋酸亞鐵、三氯化鐵、二茂鐵等對反應的影響(表1,條目1～6). 從表中可以看出,除了 Fe(OAc)2之外,其它鐵催化劑都取得了一定的催化效果,其中以氯化亞鐵的催化效果最優(yōu),2a的產(chǎn)率達到70%(表1,條目1).

表1 對氯苯乙炔氧化條件的優(yōu)化a
Table 1 Screening conditions for the oxidation of 4-chlorophenylacetylene

條目催化劑酸溶液溫度/℃產(chǎn)率/%條目催化劑酸溶液溫度/℃產(chǎn)率/%1FeCl2AcOHMeCN-H2O(3∶1)507011FeCl2PivOHMeCN-H2O(3∶1)50662FeSO4AcOHMeCN-H2O(3∶1)506012FeCl2TsOHMeCN-H2O(3∶1)50573Fe(acac)2AcOHMeCN-H2O(3∶1)503213FeCl2AcOHMeCN50434Fe(OAc)2AcOHMeCN-H2O(3∶1)50trace14FeCl2AcOHH2O50105FeCl3AcOHMeCN-H2O(3∶1)506315FeCl2AcOHMeCN:H2O(1∶1)50536FerroceneAcOHMeCN-H2O(3∶1)501016FeCl2AcOHMeCN-H2O(4∶1)50647—AcOHMeCN-H2O(3∶1)50017FeCl2AcOHDCE:H2O(3∶1)50trace8FeCl2—MeCN-H2O(3∶1)506218FeCl2AcOHDioxane:H2O(3∶1)50159FeCl2HCOOHMeCN-H2O(3∶1)506519FeCl2AcOHMeCN-H2O(3∶1)256510FeCl2TFAMeCN-H2O(3∶1)506920FeCl2AcOHMeCN-H2O(3∶1)8062

a1a(0.25mmol),鐵催化劑(10%),過氧化氫(3當量),酸(1.5當量),溶劑(4 mL),3 h.

在選定FeCl2為較優(yōu)催化劑后,對反應體系添加的酸進行了優(yōu)化. 未加酸2a產(chǎn)率相對較低(表1,條目8). 接著考察了多種有機酸如甲酸、乙酸、三氟甲酸、特戊酸、對甲苯磺酸對反應的影響(表1,條目1,9～12). 雖然其中大部分的酸對反應有一定的促進作用,但都比醋酸的效果差.

然后,對不同的溶劑體系進行優(yōu)化,在以乙腈為單獨溶劑時,1a的轉(zhuǎn)化率比乙腈-水(3∶1)少,2a的產(chǎn)率僅為43%(表1,條目13),以水為單獨溶劑時,1a的溶解較差,2a的產(chǎn)率僅為10%(表1,條目14). 接著,考察乙腈-水不同比例的混合溶劑對2a產(chǎn)率的影響,當乙腈-水(1∶1)(表1,條目15)時,底物1a的溶解性差,導致2a產(chǎn)率降低,說明水的比例過高不利于2a的生成. 當乙腈-水(4∶1)(表1,條目16)時,2a的產(chǎn)率比乙腈-水(3∶1)稍有下降. 因此,乙腈-水(3∶1)為較優(yōu)反應溶劑. 進一步考查二氯乙烷-水(3∶1)、二氧六環(huán)-水(3∶1)等不同的混合溶劑(表1,條目15～18)對反應的影響,結(jié)果較差.

最后,探究了不同溫度對反應的影響(表1,條目19～20). 室溫反應的速率變慢,反應效果適中;提高反應的溫度到80 ℃,雖能增加反應速率,但反應選擇性變差.

2.2 反應適用性研究

緊接著,在最優(yōu)反應條件下,探究炔類化合物的適應性,反應結(jié)果見表2. 無論苯環(huán)上連有吸電子基團、給電子基團或無取代基的炔類化合物,都能取得較好的反應收率(表2,條目1～11,產(chǎn)率60%～73%),而且相同反應條件下缺電子的炔和富電子的炔取得了類似的反應效果,表明電子效應的影響對該反應影響較小. 其中,對位、間位和鄰位氟取代的苯乙炔同樣給出了類似的反應結(jié)果,表明取代基的位置對反應的影響較小(表2,條目6～8). 同時,反應的官能團相容性好,如氯、甲基、甲氧基、氨基、氟、酯基、三氟甲基、硝基和吡啶基(表2,條目1和3～12). 值得一提的是,氨基和吡啶基通常難于兼容于氧化反應體系中,因為它們都易于被氧化或毒化催化劑(表2,條目5和12). 此外,需要指出的是,乙炔基噻吩1m和脂肪端炔1n的反應效果差,產(chǎn)率分別為25% 和21%(表2,條目13～14).

表2 炔類底物的氧化a
Table 2 Oxidation of alkynes

條目12產(chǎn)率/%條目12產(chǎn)率/%1708651a2a1h2h2659681b2b1i2i36010641c2c1j2j46311681d2d1k2k

續(xù)表2 Table 2 continued

a反應條件:1(0.5 mmol),氯化亞鐵(10%),過氧化氫(3當量),酸(1.5當量),溶劑(4 mL),50 ℃,3 h.

2.3 反應機理

綜合以上實驗的結(jié)果和根據(jù)相關(guān)文獻報道[24],對苯乙炔類化合物氧化反應的機理進行了推測(圖1):首先,Fe(II)/H2O2氧化炔I為環(huán)丙烯中間體II,進一步氧化環(huán)化為中間體III[24]. 隨后發(fā)生水解開環(huán)和脫水過程形成α-酮醛中間體IV,并進一步氧化為α-酮酸中間體V,隨后脫羧得到醛中間體VI. 最后醛中間體VI發(fā)生氧化反應得到目標產(chǎn)物羧酸VII.

同時,進行了機理控制實驗:(1)非末端炔1o在標準條件下反應得到二酮產(chǎn)物2o,但未得到羧酸產(chǎn)物2b[圖2反應式(1)]. 這是因為按照上述機理1o無法形成α-酮醛中間體,導致無法進一步被氧化成羧基和發(fā)生脫羧形成羧酸產(chǎn)物;(2)苯甲醛1b′為原料可以得到高產(chǎn)率的苯甲酸2b[圖2反應式(2)]. 表明芳醛為可能為反應中間體,符合上述機理. 這些實驗證據(jù)進一步表明推測的反應機理具有一定的合理性.

3 結(jié)論

本文以過氧化氫為氧化劑、使用控制單因素變量法,探究不同鐵催化劑、促進劑、溶劑、溫度對炔烴氧化裂解生成羧酸產(chǎn)率的影響. 結(jié)果表明,最優(yōu)條件為:氯化亞鐵為催化劑、醋酸為促進劑、乙腈-水(3∶1)混合溶液為溶劑、反應溫度為50 ℃. 在最優(yōu)反應條件下,芳香端炔取得了較優(yōu)的反應效果. 值得一提的是,氨基和吡啶基也能較好地兼容于該反應體系. 該方法經(jīng)濟有效、環(huán)境友好和簡單易行,無論是在在實驗室,還是工業(yè)生產(chǎn)上都具有好的應用價值.