張?zhí)扃?，趙茂旭，戎梅竹

(云南師范大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，云南 昆明 650000)

選擇性催化氧化醇類化合物為相應(yīng)的醛或酮是一重要的官能團(tuán)轉(zhuǎn)化反應(yīng)。其產(chǎn)物醛或酮在生物、醫(yī)藥、香料、合成纖維等領(lǐng)域發(fā)揮著不可或缺的作用。四甲基哌啶氧化物(TEMPO)是一種含有穩(wěn)定的氮氧自由基(NO·)的有機(jī)小分子催化劑，NO·可通過自身的強(qiáng)選擇性，在加快醛或酮轉(zhuǎn)化的同時(shí)不會(huì)過氧化成為羧酸。這一具有強(qiáng)氧化性能的活性中心被廣泛應(yīng)用于催化醇選擇性氧化反應(yīng)中。TEMPO具有價(jià)格昂貴、不易回收的缺點(diǎn)，但改性后的TEMPO催化體系可實(shí)現(xiàn)高活性的同時(shí)易與產(chǎn)物分離再利用。本文簡介TEMPO催化體系催化醇選擇性氧化反應(yīng)的機(jī)理，在此基礎(chǔ)上闡述了過渡金屬/TEMPO、非過渡金屬/TEMPO、固載化TEMPO等體系催化醇選擇性氧化反應(yīng)的研究情況，并介紹TEMPO在電催化以及光催化方面的應(yīng)用。

1 TEMPO催化醇選擇性氧化反應(yīng)機(jī)理

目前，普遍認(rèn)同TEMPO選擇性催化氧化醇的反應(yīng)活性中心是基于其結(jié)構(gòu)中氧銨鹽形態(tài)的NO·。自由基中未配對(duì)的電子在N-O鍵之間離域，離域能為125 kJ·mol-1[1]。因此，TEMPO在與有機(jī)物發(fā)生強(qiáng)的吸熱自由基奪氫反應(yīng)時(shí)，NO·可以穩(wěn)定存在[2]。催化氧化反應(yīng)初始，TEMPO失去一個(gè)電子成為TEMPO+，TEMPO+在反應(yīng)過程中起氧化劑作用；反應(yīng)結(jié)束后，TEMPO+被還原為2,2,6,6-四甲基-N-羥基哌啶(TEMPOH)(如圖1所示)。TEMPOH結(jié)構(gòu)中的O-H鍵解離能為292 kJ·mol-1[3]，低于大部分有機(jī)化合物的C-H鍵的解離能。因此，TEMPO在催化伯醇及小分子仲醇的過程中具有接近定量的產(chǎn)物選擇性和高效的催化作用，是一種具有高選擇性的均相催化劑[4]。

圖1 TEMPO在催化氧化反應(yīng)中的電子轉(zhuǎn)移過程

在整個(gè)反應(yīng)過程中，pH值會(huì)影響TEMPO的催化性能。堿性條件下，醇親核進(jìn)攻TEMPO+后形成的配體A是反應(yīng)的關(guān)鍵[5]。由于醇氧離子的位阻比較大，與TEMPO+形成配合物的難度大。因此，在堿性條件下，TEMPO可以選擇性催化氧化伯醇等位阻小的醇(圖 2 所示)。

圖2 堿性條件下TEMPO催化醇氧化機(jī)理

酸性條件下，TEMPO對(duì)醇的催化氧化速率比堿性條件下慢，pH<4時(shí)，位阻大的仲醇的反應(yīng)速率高于伯醇的反應(yīng)速率。Bailry W F等[6]通過計(jì)算NO·與甲醇或異丙醇反應(yīng)過程中的焓和自由能的變化，得到了酸性條件下氫化物從醇的R-碳到NO·中氧的雙電子轉(zhuǎn)移路徑，并提出了涉及中間體B的替代機(jī)理[7]，如圖3所示。

圖3 酸性條件下TEMPO催化醇氧化機(jī)理

2 催化醇選擇性氧化反應(yīng)的TEMPO體系

2.1 過渡金屬/TEMPO催化體系

2.1.1 Ru/TEMPO催化體系

Ru配位形成的有機(jī)化合物不僅具有較高的催化活性，同時(shí)還具有耐高溫、抗氧化、耐腐蝕、強(qiáng)度適中等優(yōu)良特性，在醇的催化氧化反應(yīng)中表現(xiàn)出良好的催化性能。

Dijkaman A等[8]報(bào)道了1%RuCl2(PPh3)3和3%TEMPO組成的催化劑，以氯苯為溶劑，能有效的催化氧化各種脂肪族伯醇、仲醇、芐醇和烯丙醇為醛或酮化合物，且選擇性大于99%。但該體系反應(yīng)溫度為100 ℃，反應(yīng)壓力為1013.2 kPa，條件比較苛刻。研究還發(fā)現(xiàn)，含有S、N、O等元素的配合物對(duì)醇的反應(yīng)是惰性的，這可能是基于這些元素對(duì)Ru的配位作用造成。隨后，Dijkaman A等[9]研究了RuCl2(PPh3)3/TEMPO催化體系在N2保護(hù)下對(duì)2-辛醇和芐醇的催化效果。結(jié)果表明，RuCl2(PPh3)3在反應(yīng)過程中與醇反應(yīng)生成了羰基化合物RuH2L3，TEMPO的作用是在重新產(chǎn)生Ru催化劑的同時(shí)生成TEMPOH，如圖4所示。

圖4 RuCl2(PPh3)3/TEMPO催化體系的反應(yīng)機(jī)理

Kobayashi T等[10]將水合RuCl3負(fù)載到聚合物P1上(如圖5所示)，與TEMPO在O2存在的情況下進(jìn)行醇的催化氧化反應(yīng)。在反應(yīng)過程中，Ru的流失量最低為0.017%，最大流失量小于0.27%。將此催化劑循環(huán)使用10次，仍然具有很好的催化活性。

圖5 水合RuCl3負(fù)載到聚合物P1上的制備過程

Ru催化體系在醇的催化氧化反應(yīng)中已經(jīng)取得了良好的研究進(jìn)展，但價(jià)格昂貴這一因素在一定程度上制約了其更為廣泛的應(yīng)用。因此，開發(fā)價(jià)格低廉、催化效果較好、重復(fù)使用性高的醇氧化催化體系是實(shí)現(xiàn)該反應(yīng)綠色、經(jīng)濟(jì)化的發(fā)展方向。

2.1.2 Cu/TEMPO均相催化體系

Cu價(jià)格低廉、分布較廣，可作為許多催化體系的活性中心。Semmelhack M F等[11]首次報(bào)道了CuCl/TEMPO作為醇選擇性氧化反應(yīng)催化體系的使用情況。結(jié)果表明，在較溫和的條件下，DMF溶劑中，該催化體系可將伯醇選擇性催化氧化成醛，對(duì)脂肪醇的氧化無效果。該課題組認(rèn)為TEMPO與Cu(Ⅱ)反應(yīng)生成TEMPO+和Cu(Ⅰ)，繼而TEMPO+作為活性物質(zhì)將醇氧化為醛，反應(yīng)后的Cu(Ⅱ)和TEMPO自由基可再生，由此構(gòu)成了一個(gè)完整的反應(yīng)循環(huán)體系(如圖6所示)。

圖6 CuCl/TEMPO催化體系的醇氧化機(jī)理[11]

Knochel B等[12]在前人研究的基礎(chǔ)上，對(duì)CuCl/TEMPO催化體系進(jìn)行了改進(jìn)，研發(fā)出了新型的CuBr·Me2S/TEMPO催化體系，此催化體系不但對(duì)伯醇、仲醇和烯丙基醇有較好的催化效果，對(duì)脂肪醇也有一定的氧化效果，但體系需要的反應(yīng)溫度為90 ℃。隨后，該課題組將傳統(tǒng)的有機(jī)溶劑改變?yōu)殡x子液體，同樣的反應(yīng)體系，在65 ℃下，使用摩爾分?jǐn)?shù)0.005%的CuCl和摩爾分?jǐn)?shù)0.005%的TEMPO便可以將芐型、烯丙型和脂族醇氧化為羰基化合物[13]。改進(jìn)后的催化體系可以在相對(duì)低溫的條件下實(shí)現(xiàn)醇的氧化，具有節(jié)約能源、反應(yīng)條件相對(duì)溫和的優(yōu)點(diǎn)。

Sheldon R A等[14]報(bào)道了乙酰-TEMPO/Cu(ClO4)2/DMAP 三組分體系。[Bmim]PF6為溶劑，催化劑體系重復(fù)使用5次后，活性沒有明顯降低。由于仲醇第二個(gè)取代基的立體位阻抑制了氧化反應(yīng)過渡態(tài)的形成，因此，該體系對(duì)仲醇沒有明顯的催化效果。隨后，再該小組又研究了乙酰-TEMPO/Cu(ClO4)2/DMAP/DABCO四組分體系[15]。該體系以DMSO為溶劑，反應(yīng)結(jié)束后通過加入極性小的有機(jī)溶劑就能萃取出產(chǎn)物，催化劑再生方法簡單，操作方便。

與Ru、Pd等貴金屬相比較，Cu價(jià)格低廉，實(shí)用價(jià)值較高，將Cu催化劑不斷改進(jìn)成為具有底物普適性廣、發(fā)展高效的催化體系其應(yīng)用前景更為廣泛。

2.1.3 含F(xiàn)e的TEMPO催化體系

Fe元素在自然界儲(chǔ)量豐富，同樣具有綠色清潔的優(yōu)點(diǎn)。鐵是仿生催化的一種重要金屬，研究者利用這一特性，將鐵化合物與TEMPO組成不同的催化體系，在醇的催化氧化反應(yīng)方面也取得了良好的進(jìn)展。

Wang N W等[16]最先研究了含F(xiàn)e的FeCl3/NaNO2/TEMPO催化體系。以PhCF3為溶劑，摩爾分?jǐn)?shù)為5%的FeCl3、NaNO2和摩爾分?jǐn)?shù)為2%的TEMPO為共催化劑，空氣作為氧源，室溫條件下，F(xiàn)eCl3/NaNO2/TEMPO催化體系可以將芳香族伯醇、含雜原子(N，S)伯醇和仲醇高選擇性的氧化成為相應(yīng)的醛或酮，對(duì)脂肪族伯醇活性較低。催化體系的催化機(jī)理可以描述成兩個(gè)氧化還原反應(yīng)組成的循環(huán)(如圖7所示)。采用化學(xué)計(jì)量的FeCl3和TEMPO催化苯甲醇的反應(yīng)，醇轉(zhuǎn)化率只有35%。此結(jié)果證明：TEMPO在Fe3+的協(xié)助下經(jīng)過一系列的電子轉(zhuǎn)移(Cycle Ⅰ)，引發(fā)了醇類的氧化反應(yīng)，F(xiàn)e3+-TEMPO(species 1)被還原生成Fe2+-TEMPO(species 2)。NaNO2產(chǎn)生的NO2氧化Fe2+-TEMPO為Fe3+-TEMPO的同時(shí)，自身被還原為NO[17]，F(xiàn)e3+又將TEMPOH氧化生成TEMPO[18]，最終O2將NO 氧化為NO2，完成整個(gè)催化體系的循環(huán)。

圖7 FeCl3/NaNO2/TEMPO體系催化醇氧化機(jī)理

隨后，Wang N W[19]采用更經(jīng)濟(jì)的Fe(NO3)3/4-OH-TEMPO催化體系，常溫常壓下，以乙腈為溶劑，可以高效、高選擇性地催化醇氧化反應(yīng)，并具有更廣的底物適用范圍。課題組認(rèn)為該體系催化醇氧化的機(jī)理與FeCl3/NaNO2/TEMPO催化體系機(jī)理相似，也可以用氧化還原反應(yīng)構(gòu)成的兩個(gè)循環(huán)來解釋。

2.1.4 含雙金屬鹽的TEMPO催化體系

Cecchetto A等[20]發(fā)現(xiàn)將Mn和Cu 兩種金屬結(jié)合在一起催化氧化效果更好。該課題組研究了雙金屬催化體系Mn(NO3)2/Cu(NO3)2/TEMPO在乙酸溶劑中對(duì)仲醇的催化效果。結(jié)果表明，TEMPO在酸性條件發(fā)生歧化反應(yīng)得到氮羰基陽離子，但該催化體系不溶于非酸性溶劑。

在此研究的基礎(chǔ)上，Guo Yanchun等[21]采用共沉淀法制備了Cu-Mn復(fù)合氧化物作為反應(yīng)體系的催化劑。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，Cu-Mn復(fù)合氧化物的催化性能比單一分的CuO和 MnO的效果更好，反應(yīng)條件更溫和，回收方法更簡便。

2.2 非過渡金屬/TEMPO催化體系

金屬參與的催化體系在使用后會(huì)產(chǎn)生一定的含金屬廢液，因此尋找不產(chǎn)生有害廢物的無過渡金屬參與的催化體系更符合綠色化學(xué)的理念。

Anelli P L等[22]首先研究探討了非過渡金屬TEMPO/NaClO催化體系，由于體系中含有部分的NaHCO3，因此，整個(gè)反應(yīng)在弱堿性條件下進(jìn)行，在短時(shí)間內(nèi)將醇氧化為相應(yīng)的醛或酮。在整個(gè)催化循環(huán)過程中，NaClO將TEMPO氧化為TEMPO+，隨后TEMPO+將醇氧化為相應(yīng)的醛或酮，TEMPO+則被還原為TEMPOH；生成的TEMPOH重新被NaClO氧化為TEMPO+；基于ClO-可以將Br-氧化為氧化性更強(qiáng)的BrO-。因此，反應(yīng)過程中加入了KBr以提高反應(yīng)速率(如圖8所示)。

圖8 TEMPO/NaClO體系催化醇氧化機(jī)理

基于此，以TEMPO/NaClO催化體系為基礎(chǔ)的衍生體系不斷被研發(fā)出來。Herrerial C I等[23]研究了TEMPO/Br2/PhIO2催化體系，利用NO來活化分子氧，加入的乙酰碘苯實(shí)現(xiàn)了NO2和TEMPO之間的電子轉(zhuǎn)移(見圖9)。該催化體系可高效、定量的將各種芳香醇氧化為相應(yīng)的醛和酮，含N、S雜原子的底物不影響反應(yīng)的進(jìn)行，伯醇的氧化產(chǎn)物中會(huì)有酸和酯生成。

圖9 TEMPO/Br2/PhIO2體系催化機(jī)理

Hu X等[24]開發(fā)了TBN/TEMPO雙組份催化體系。其中，TBN不穩(wěn)定，受熱后很容易釋放出NO或NO2，與氧氣作用后將TEMPO氧化為TEMPO+，TEMPO+迅速將醇氧化為醛或酮，自身被還原為TEMPOH，TEMPOH又被NO2重新氧化為TEMPO+，實(shí)現(xiàn)了整個(gè)催化體系的循環(huán)(如圖10所示)。

圖10 TBN/TEMPO體系催化機(jī)理

漆酶是一種多銅中心的生物仿生酶[25]，可催化氧化降解木質(zhì)纖維素，工業(yè)上常用來紙漿漂白。Arends I W C E等[26]嘗試將漆酶與TEMPO催化體系用于醇的催化氧化反應(yīng)，室溫、常壓和pH=5條件下反應(yīng)可進(jìn)行。但TEMPO用量較大(20%～30%)，反應(yīng)速率慢，存在反應(yīng)成本高、能耗大的問題，工業(yè)生產(chǎn)中受到了一定限制。

2.3 固載化TEMPO催化體系

作為均相催化劑，價(jià)格較高的TEMPO在使用過程中還存在不易被回收的問題。因此，將TEMPO固載后多相化，即可以解決其價(jià)格較高的缺點(diǎn)又可以實(shí)現(xiàn)催化劑的回收再利用。常用的固載 TEMPO 的載體包括硅膠、分子篩和聚合物等。

2.3.1 硅膠固載 TEMPO 催化體系

硅膠具有多孔性、吸附能力高、穩(wěn)定性好等特點(diǎn)。由于硅膠表面裸露羥基，可用于固載多種催化活性中心[27]。

文獻(xiàn)[28-29]制備了SiO2-NH-TEMPO催化劑(結(jié)構(gòu)如圖11所示)。課題組分別以苯甲醇、4-硝基苯甲醇、2-溴苯甲醇、2-壬醇等為底物，分別采用SiO2-NH-TEMPO和TEMPO 為催化劑進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)，1 h后，兩種催化劑皆能得到選擇性氧化產(chǎn)物，固載后的SiO2-NH-TEMPO與均相TEMPO催化效果相似，活性沒有降低。

圖11 SiO2-NH-TEMPO催化劑

2.3.2 介孔分子篩固載TEMPO催化體系

介孔分子篩具有比表面積大，孔徑分布均一，孔徑可調(diào)變等良好的結(jié)構(gòu)性能。由于介孔分子篩的孔內(nèi)壁上存在一定數(shù)量表面羥基缺陷，使得某些物質(zhì)可以通過與硅羥基發(fā)生反應(yīng)而鍵合于孔內(nèi)表面，是一優(yōu)異的載體材料。

Brunel D等[30]制備了MCM-41-ether-TEMPO和MCM-41-amide-TEMPO(結(jié)構(gòu)如圖12所示)兩種MCM-41負(fù)載TEMPO的催化劑。研究結(jié)果顯示，兩種催化劑均可以催化氧化α-甲葡萄糖苷成1-O-甲基葡萄糖醛，催化效果沒有差異，且選擇性大于95%。此外，以O(shè)2為氧源，MCM-41-ether-TEMPO/CuCl催化體系與均相TEMPO/CuCl催化體系具有相似的選擇性，都大于99%，但轉(zhuǎn)化率較低，僅為35%。

圖12 MCM-41-ether-TEMPO(左)和MCM-41-amide-TEMPO催化劑(右)

Babak K等[31]制備了SBA-15-TEMPO(結(jié)構(gòu)如圖13)。課題組探討了SBA-15-TEMPO/NaNO2/nBu4NBr催化體系以O(shè)2作為氧化劑對(duì)苯甲醇的催化性能。研究發(fā)現(xiàn)，99.8%的苯甲醇被選擇性氧化為苯甲醛，轉(zhuǎn)化率為100%。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，SBA-15-TEMPO 能夠在無過渡金屬存在的條件下催化伯醇和仲醇，連續(xù)循環(huán)使用14次后，TEMPO活性中心沒有流失。

圖13 SBA-15-TEMPO催化劑

2.3.3 聚合物固載TEMPO催化體系

常見的聚合物載體有聚乙二醇(PEG)、聚氨基甲酸酯(PU)、聚己內(nèi)酯多元醇(PCL)等。PEG是一種可溶性聚合物載體，具有無毒、溶解性高、易功能化、價(jià)格低廉和原材料易得等優(yōu)點(diǎn)。Pozzi G M 等[32]和Benaglia M等[33]嘗試將TEMPO負(fù)載到PEG上(如圖14所示)。結(jié)果表明，在PEG端嫁接TEMPO得到的多相催化劑具有良好的催化性能，PEG 的分子量及嫁接TEMPO的位置等因素對(duì)催化劑活性和回收率有直接影響[34]，添加適量乙醚可以使催化劑沉淀分離，催化劑回收率高于95%。

圖14 TEMPO-PEG催化劑

Dijksman A等[35]將TEMPO負(fù)載于可溶性低聚物光穩(wěn)定劑Chimassorb 944分子上，制成低聚物負(fù)載型TEMPO催化劑PIPO(如圖15)。PIPO/CH2Cl2/NaClO/KBr催化體系比 TEMPO的催化活性更高，而且后期分離操作簡單，通過過濾即可回收。

圖15 TEMPO-PIPO催化劑

Subhani M A等[36]以聚氨酯為載體，將帶有異氰酸基團(tuán)的聚合物與4-OH-TEMPO 結(jié)合作為活性中心進(jìn)行了負(fù)載，制備了PU-TEMPO和PS-TEMPO催化劑。該催化劑可以應(yīng)用于部分醇到醛的氧化，在水/二氯甲烷/NaOCl作為助氧化劑體系中或者單相的反應(yīng)體系中具有極高選擇性。

通過化學(xué)鍵將NO·連接到具有其他活性中心的有機(jī)配體上，可以得到同時(shí)具有NO·與其他活性中心的雙官能團(tuán)配合物。雙官能團(tuán)催化劑同時(shí)具有NO·其他活性的催化效果，利用這種新型的雙官能團(tuán)的配合物催化醇選擇性氧化反應(yīng)是一種新的催化方法。

Lu Z等[37-38]先后合成了三種含有聯(lián)吡啶和NO·活性中心的雙官能團(tuán)三嗪衍生物。在t-BuOK存在條件下，以CH3CN和H2O為混合溶劑，配合物與CuBr2共同作用可以有效催化芐醇的有氧氧化反應(yīng)。研究結(jié)果表明，化合物a～c(圖16)均可以與銅鹽原位生成絡(luò)合物，可更加高效的催化醇氧化反應(yīng)。

圖16 TEMPO/N-配體雙官能團(tuán)化合物結(jié)構(gòu)圖

2.4 其他TEMPO催化醇氧化方法

2.4.1 電催化醇氧化

催化醇氧化過程中，需加入一定量的氧化劑，有些氧化劑的加入會(huì)給環(huán)境帶來一定程度的污染。使用電極代替?zhèn)鹘y(tǒng)的氧化劑，利用電化學(xué)方法進(jìn)行氧化還原反應(yīng)是另一種符合綠色化學(xué)的方式。單室電解池和雙室電解池都可以進(jìn)行醇的催化氧化反應(yīng)。在單室電解池中，以 MeCN 和水的混合溶液作為溶劑[39]或以DCM 和水的兩相體系作為溶劑[40]都可以進(jìn)行電解；在雙室電解池中，以MeCN 或者 DCM作為溶劑，以催化化學(xué)計(jì)量的TEMPO，可以通過控制電位或者控制電流的方式進(jìn)行醇的催化氧化。在使用TEMPO進(jìn)行醇的催化氧化過程中，通過陽極氧化的方法得到TEMPO+，反應(yīng)機(jī)理如圖17[41]。

圖17 電化學(xué)方法催化醇氧化機(jī)理

離子液體是一種清潔型溶劑，具有優(yōu)異的傳導(dǎo)性和穩(wěn)定的電化學(xué)性質(zhì)。Barhdadi R等[42]通過循環(huán)伏安法，證明TEMPO在離子液體中發(fā)生了可逆的氧化還原反應(yīng)，能將醇氧化為醛的氮羰基陽離子。在很多研究中都達(dá)到接近100%的感應(yīng)電流和選擇性。但隨著電解時(shí)間的延長，得到烯醇式產(chǎn)物的同時(shí)會(huì)使催化劑失活。

2.4.2 光催化醇氧化

光催化醇氧化是在光照條件下，以氧氣或空氣作為氧化劑，以具有光催化效果的材料為催化劑，催化醇氧化為相應(yīng)的醛和酮[43]。Zhang M等[44]報(bào)道了經(jīng)過染料敏化的TiO2在可見光照射、常壓O2、無需任何溶劑條件下，與TEMPO形成催化氧化體系，具有節(jié)省能源、選擇性高的優(yōu)點(diǎn)，選擇性可達(dá)到100%，反應(yīng)機(jī)理如圖18所示。

圖18 光催化醇氧化反應(yīng)機(jī)理

Zhao J C等[45]構(gòu)建了TiO2/茜紅素/TEMPO三組份催化體系，利用TiO2將茜紅素氧化得到陽離子自由基氧化性活性物種，然后與4-羥基哌啶醇氧自由基反應(yīng)，得到具有溫和氧化性的TEMPO+，最終以O(shè)2為清潔氧化劑，實(shí)現(xiàn)各類醇到醛的高選擇性、高轉(zhuǎn)化率氧化。

3 結(jié)語與展望

含有氮氧自由基的TEMPO與其它化合物組成的均相催化劑體系顯示了優(yōu)異的催化性能，但是高昂的價(jià)格及后期分離問題限制了其進(jìn)一步的工業(yè)應(yīng)用。因此，將活性組分氮氧自由基固載，既可以解決其價(jià)格較高的缺點(diǎn)又可以實(shí)現(xiàn)催化劑的回收再利用。TEMPO的多相化更符合綠色可持續(xù)發(fā)展理念，這也是未來發(fā)展的趨勢。