周金龍，劉孝龍，傅 堯

（中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)應(yīng)用化學(xué)系,合肥230026）

氧化反應(yīng)在化學(xué)工業(yè)中具有舉足輕重的地位［1］，含氧化合物在藥物設(shè)計(jì)和生命系統(tǒng)中都扮演著重要角色［2］.迄今，全世界已售出了大量的含氧藥物（＞200種），包括廣泛使用的抗生素、抗凝劑和降低膽固醇的他汀類藥物［3］.當(dāng)前占主導(dǎo)地位的含氧化物合成方法需要使用化學(xué)計(jì)量的二氧化錳（MnO2）、次氯酸鹽、高錳酸鹽、四氧化鋨、活化的二甲基亞砜（DMSO）、碘代苯和PhCO3tBu等氧化劑，會(huì)產(chǎn)生大量的副產(chǎn)物，并且具有較高的E因子（單位質(zhì)量的產(chǎn)品產(chǎn)生的廢物質(zhì)量）［4～8］.因此，必須使用清潔的氧化劑以最大程度地減少釋放出廢物的數(shù)量和毒性.從綠色和可持續(xù)的角度而言，直接以氧氣或空氣作為氧化劑，以水或綠色溶劑作為無(wú)毒、可再生且廉價(jià)的溶劑，是開(kāi)發(fā)含氧化合物最理想的方法之一，也是公認(rèn)的可再生環(huán)保工藝.目前，已經(jīng)報(bào)道了幾種以氧氣作為氧化劑，過(guò)渡金屬為催化劑的均相或非均相體系［9～13］.但對(duì)貴金屬催化而言，昂貴的配體及有毒添加劑的使用阻礙了其在制藥行業(yè)中的應(yīng)用.基于2，2，6，6-四甲基哌啶氧化物（TEMPO）和無(wú)過(guò)渡金屬的硝基催化系統(tǒng)由于不含貴金屬，催化劑價(jià)格便宜、無(wú)毒且易于從反應(yīng)混合物中分離，更具有吸引力.但該反應(yīng)需要多種助催化劑、高溫及腐蝕性溶劑等條件［14，15］，仍需要進(jìn)一步的研究完善.

在過(guò)去的十年中，可見(jiàn)光促進(jìn)的利用氧氣為氧化劑的催化氧化反應(yīng)，因具有成本低、氧氣易得且環(huán)境友好等優(yōu)勢(shì)而成為有機(jī)化學(xué)中發(fā)展最快的研究領(lǐng)域之一［16］.便宜易得的有機(jī)染料如蒽醌類可以在環(huán)保及溫和的條件下高效激活氧分子，是一類理想的光催化劑.此外，有機(jī)染料分子還具有可調(diào)節(jié)的氧化還原電勢(shì)，使得染料小分子成為具有潛力的光催化選擇性氧化的催化劑之一.

本文選用價(jià)廉易得的染料分子作為光催化劑，以O(shè)2或空氣作為氧化劑，研究了其選擇性氧化伯醇和仲醇的能力.結(jié)果表明，在室溫和藍(lán)光照射條件下，2-氯蒽醌可高選擇性地將芳族、雜芳族取代伯醇和仲醇轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的醛和酮，具有良好的底物適用性和官能團(tuán)兼容性.

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

苯甲醇、4-（二甲氨基）芐醇、孟加拉玫瑰紅、苯醌、無(wú)水氯化銅（Ⅱ）購(gòu)于阿拉丁化學(xué)試劑有限公司；蒽醌和叔丁醇購(gòu)于國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；10-甲基-9-均三甲苯基吖啶高氯酸鹽（Acr+-Mes）、核黃素、9-芴酮、2，2，6，6-四甲基哌啶氧化物、5，5-二甲基-1-吡咯啉-N-氧化物（DMPO）、2-氯蒽醌（2-Cl-AQN）、1，8-二氯蒽醌（1，8-dCl-AQN）、二甲亞砜、N，N-二甲基苯胺（DMA）、四氫呋喃（THF）和亞甲基藍(lán)購(gòu)于Sigma-Aldrich公司；其它試劑購(gòu)于薩恩化學(xué)技術(shù)（上海）有限公司；所用試劑均為分析純.

GC-2010 plus型氣相色譜儀并配備AOC-20i自動(dòng)進(jìn)樣系統(tǒng)，日本島津公司；Bruker AvanceⅢ400MHz核磁共振波譜（NMR）儀，瑞士Bruker公司；氣相色譜?軌道阱高分辨質(zhì)譜儀（GC-HRMS），美國(guó)賽默飛世爾科技公司；JY Fluorolog-3-Tou型穩(wěn)態(tài)/瞬態(tài)熒光光譜儀，法國(guó)Jobin Yvon公司.

1.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

在裝有攪拌棒的10 mL反應(yīng)管中加入0.025 mmol 2-氯蒽醌，抽真空換氮?dú)?次后，加入0.5 mmol底物和5.0 mL干燥的DMSO，通過(guò)在反應(yīng)管管口套裝氧氣或空氣氣球使反應(yīng)處在充滿氧氣或空氣的密閉條件下，將所得混合物在36 W藍(lán)光LED燈照射下攪拌22～72 h，利用氣相色譜法（GC）監(jiān)測(cè)反應(yīng)進(jìn)度.反應(yīng)結(jié)束后，對(duì)所得混合物進(jìn)行水處理（使用蒸餾水或飽和NaCl水溶液），并用乙酸乙酯萃取3次；合并有機(jī)層并用無(wú)水Na2SO4干燥，過(guò)濾并真空濃縮；最后，通過(guò)柱色譜分離提純產(chǎn)物（石油醚和乙酸乙酯體積比為20∶1—1∶1）.

1.3 同位素標(biāo)記實(shí)驗(yàn)

在裝有攪拌棒的10 mL反應(yīng)管中加入0.025 mmol 2-氯蒽醌，抽真空換氮?dú)?次后，加入0.5 mmol苯甲醇和5.0 mL干燥的DMSO，通過(guò)在反應(yīng)管口套裝18O2氣球使反應(yīng)處在充滿18O2的密閉條件下，將所得混合物在36 W藍(lán)光LED燈照射下攪拌24 h.反應(yīng)結(jié)束后，取反應(yīng)液用氣相色譜?軌道阱高分辨質(zhì)譜儀檢測(cè)產(chǎn)物.

1.4 自由基淬滅實(shí)驗(yàn)

在裝有攪拌棒的10 mL反應(yīng)管中加入0.025 mmol 2-氯蒽醌和1 mmol自由基淬滅劑，抽真空換氮?dú)?次后，加入0.5 mmol苯甲醇和5.0 mL干燥的DMSO，通過(guò)在反應(yīng)管管口套裝氧氣氣球使反應(yīng)處在充滿氧氣的密閉條件下，將所得混合物在36 W藍(lán)光LED燈照射下攪拌24 h.對(duì)所得混合物進(jìn)行水處理（使用蒸餾水或飽和NaCl水溶液），并用乙酸乙酯萃取3次；合并有機(jī)層并用無(wú)水Na2SO4干燥，過(guò)濾并真空濃縮；最后，通過(guò)柱色譜分離提純產(chǎn)物（石油醚和乙酸乙酯體積比為20∶1）.

1.5 熒光猝滅實(shí)驗(yàn)

在真空手套箱中，用無(wú)水無(wú)氧的DMSO配制濃度為10 mmol/L的2-氯蒽醌溶液，分別加入裝有0，2.5，5，7.5，10，12.5和15 mmol苯甲醇的5.0 mL容量瓶并定容，混合均勻后將溶液轉(zhuǎn)移至比色皿中，封住比色皿口.另取一組10 mmol/L 2-氯蒽醌的DMSO溶液，向溶液中通入氧氣至完全飽和，將溶液轉(zhuǎn)移至比色皿中.測(cè)定各組溶液的熒光強(qiáng)度，采用的激發(fā)波長(zhǎng)為450 nm，發(fā)射波長(zhǎng)為535 nm.

2 結(jié)果與討論

2.1 反應(yīng)條件優(yōu)化

為了獲得最佳反應(yīng)條件，以苯甲醇和氧氣作為模型來(lái)識(shí)別和優(yōu)化潛在的反應(yīng)參數(shù)，結(jié)果列于表1.在催化劑方面，優(yōu)選了多種光敏催化劑以實(shí)現(xiàn)苯甲醇的選擇性氧化.結(jié)果表明，以9-芴酮、蒽醌及其衍生物為催化劑時(shí)得到了較高的轉(zhuǎn)化率（表1中Entries 5—8）.2-氯蒽醌在24 h內(nèi)以75%的產(chǎn)率及99%的選擇性將苯甲醇氧化為苯甲醛（2a）；延長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間至48 h可實(shí)現(xiàn)苯甲醇定量轉(zhuǎn)化為苯甲醛（表1中Entries 7和9）.與已報(bào)道的核黃素、Acr+-Mes和9-芴酮催化醇的氧化反應(yīng)相比，在保持選擇性不變的前提下，2-氯蒽醌可更快完成苯甲醇的轉(zhuǎn)化（表1中Entries 2，3，5和7）［17～19］.1，8-二氯蒽醌表現(xiàn)出較強(qiáng)的氧化速率，24 h內(nèi)即可完成苯甲醇的完全氧化，但轉(zhuǎn)化為苯甲醛的選擇性僅為30%（表1中Entry 8），這是由于其具有更強(qiáng)的氧化能力，使得苯甲醇過(guò)氧化為苯甲酸.Acr+-Mes、核黃素和亞甲基藍(lán)均表現(xiàn)出較高的選擇性（93%～99%），但催化活性較低（表1中Entries 2—4）.在溶劑方面，測(cè)試了使用DMA、甲苯和THF時(shí)的反應(yīng)轉(zhuǎn)化率.結(jié)果表明，該反應(yīng)在這些溶劑中反應(yīng)較慢，受到明顯抑制（表1中Entries 10—12）.在氧化劑方面，以空氣作為氧化劑，研究了2-氯蒽醌選擇性氧化苯甲醇的能力，在催化劑摩爾分?jǐn)?shù)為5%的條件下，產(chǎn)率達(dá)到95%（表1中Entry 15）.分別在無(wú)光、無(wú)氧氣和無(wú)催化劑的條件下氧化反應(yīng)不能發(fā)生（表1中Entries 13，14和16），表明該反應(yīng)需要光和催化劑的共同作用.

Table 1 Optimization of the reaction conditionsa

2.2 底物拓展

采用優(yōu)化后的反應(yīng)條件，探索了該體系可氧化的伯醇范圍，結(jié)果列于表2.可見(jiàn)，該反應(yīng)體系適用于芳族和雜芳族取代的伯醇，產(chǎn)物的核磁共振表征結(jié)果列于表3.與苯環(huán)上具有吸電子基團(tuán)的伯醇相比，苯環(huán)上具有給電子基團(tuán)的底物反應(yīng)更快（表2中Entries 2—4和7）.當(dāng)芳香環(huán)上存在醛取代基時(shí)，反應(yīng)也顯示出高選擇性（表2中Entry 6）.雜芳環(huán)取代的甲醇也以中等的收率選擇性地被氧化為醛（表2中Entries 10—12）.作為生物質(zhì)可再生原料的5-羥甲基糠醛（表2中Entry 11）以中等產(chǎn)率高選擇性地被氧化為2，5-二甲?；秽?進(jìn)一步探索仲醇的氧化范圍發(fā)現(xiàn)，與伯醇氧化結(jié)果一致，芳族取代的仲醇可被高效地氧化為相應(yīng)的酮（表2中Entries 13—18和20）.與二苯甲醇（表2中Entry 13）相比，當(dāng)1-苯乙醇的甲基被芳基取代時(shí)氧化速率更高（表2中Entry 17），這可能是由于多芳基的離域作用更有利于芐基位自由基的生成所致.另外，雜芳族取代的仲醇也以中等收率氧化為相應(yīng)的酮（表2中Entries 19和21）.

Table 2 Substrate scope for the oxidations of alcoholsa

Continued

Table 3 1H NMR and13C NMR data of target compounds

Continued

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該反應(yīng)體系還具有較廣泛的官能團(tuán)兼容性.當(dāng)芳香環(huán)上的取代基為烷基（表2中Entry 2）、甲氧基（表2中Entries 3和7）、二甲氨基（表2中Entry 4）、醛基（表2中Entries 6，11）和鹵原子（表2中Entries 5，8和14—16），芳香環(huán)為雜芳環(huán)（表2中Entries 10—12和18—21）和稠環(huán)（表2中Entries 9和18）時(shí)，均可高選擇性地氧化為相應(yīng)的羰基化合物.

2.3 反應(yīng)機(jī)理

為了研究可能的反應(yīng)途徑，向體系中分別添加不同的捕獲劑或淬滅劑以檢測(cè)參與反應(yīng)的活性物質(zhì)，結(jié)果列于表4.當(dāng)向體系中添加TEMPO時(shí)，反應(yīng)明顯被淬滅，說(shuō)明反應(yīng)涉及自由基過(guò)程；當(dāng)添加DMPO和苯醌時(shí)，反應(yīng)產(chǎn)率降低.因此，推測(cè)超氧陰離子及單線態(tài)氧參與了反應(yīng)；當(dāng)添加CuCl2時(shí)反應(yīng)停止，說(shuō)明反應(yīng)涉及電子轉(zhuǎn)移過(guò)程；而向反應(yīng)體系中添加叔丁醇時(shí)，反應(yīng)的產(chǎn)率并未降低，說(shuō)明催化過(guò)程中無(wú)羥基自由基的參與.此外，在反應(yīng)體系中還檢測(cè)到雙氧水的生成.

Table 4 Quenching experiments for the oxidation of benzyl alcohola

通過(guò)熒光猝滅實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步探究了催化循環(huán).實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，熒光強(qiáng)度隨著苯甲醇濃度的增加而急劇降低，以猝滅劑濃度（c，mol/L）與熒光強(qiáng)度（I）和初始熒光強(qiáng)度（I0）的比值進(jìn)行線性擬合，得到I/I0=1.00245－0.0127c（R2=0.99912）.但在氧氣飽和的溶液中并未觀察到光催化劑熒光強(qiáng)度的變化，表明苯甲醇比氧氣更容易猝滅激發(fā)態(tài)的光催化劑.

通過(guò)同位素標(biāo)記法監(jiān)測(cè)產(chǎn)物苯甲醛中氧的來(lái)源，以判斷斷鍵與成鍵過(guò)程.通過(guò)18O同位素標(biāo)記實(shí)驗(yàn)和GC-HRMS檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，只有一個(gè)氧原子被18O取代的二甲基砜（C2H6O18OS［M］+，m/z理論值：96.01255；m/z實(shí)驗(yàn)值：96.01261）.18O取代的苯甲醇及18O取代的二甲基砜均與18O在自然界的豐度相同.因此，推斷苯甲醇和二甲基砜的氧未被18O原子取代，產(chǎn)物苯甲醛中的氧來(lái)自于底物苯甲醇，而不是來(lái)源于氧氣.

基于以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果，推測(cè)的反應(yīng)過(guò)程如Scheme 1所示，催化劑2-氯蒽醌在藍(lán)光的照射下達(dá)到激發(fā)態(tài)；激發(fā)態(tài)的2-氯蒽醌經(jīng)歷單電子轉(zhuǎn)移過(guò)程（SET）奪取苯甲醇氧上的電子，轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的2-氯蒽醌自由基陰離子，2-氯蒽醌自由基陰離子再與O2反應(yīng)生成具有較強(qiáng)氧化能力的超氧陰離子；而失去電子的苯甲醇與超氧陰離子作用，進(jìn)一步脫去質(zhì)子轉(zhuǎn)化為芐氧自由基與過(guò)氧化物自由基，過(guò)氧化物自由基進(jìn)一步奪取芐基位置的一個(gè)氫原子，生成最終產(chǎn)物苯甲醛及過(guò)氧化氫.在反應(yīng)過(guò)程中激發(fā)態(tài)的光催化劑也可直接與氧氣相互作用生成單線態(tài)氧參與反應(yīng)，反應(yīng)產(chǎn)生的雙氧水與溶劑二甲亞砜反應(yīng)生成二甲基砜.

Scheme 1 Proposed reaction mechanism

3 結(jié) 論

以利用廉價(jià)易得的2-氯蒽醌作為光催化劑，在藍(lán)光照射下可將一系列的伯醇和仲醇選擇性氧化為相應(yīng)的羰基化合物.反應(yīng)體系簡(jiǎn)單，無(wú)需額外添加助劑和金屬，反應(yīng)條件溫和，選擇性高；并且以氧氣或空氣作為氧化劑，避免了化學(xué)計(jì)量氧化劑的使用，同時(shí)避免了有毒副產(chǎn)物的生成.此外，該催化體系還具有高氧化活性和選擇性，并顯示出較寬的底物適用范圍，為芳族和雜芳族取代的伯醇和仲醇轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的羰基化合物提供了一條新的、操作簡(jiǎn)單的合成方法，具有潛在的應(yīng)用前景.