鄭鵬，劉建國(guó)，3，張琦

（1中國(guó)科學(xué)院廣州能源研究所，廣東廣州 510640；2中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100871；3中國(guó)科學(xué)院潔凈能源創(chuàng)新院，遼寧大連 116023）

每年全世界羰基化合物年產(chǎn)量超過107噸，大多由醇氧化得來，因此催化醇氧化成羰基化合物在化學(xué)工業(yè)生產(chǎn)中具有非常重要的意義[1-2]。傳統(tǒng)催化醇氧化的催化劑和氧化劑在反應(yīng)過程中有著明顯局限和不足，如反應(yīng)條件苛刻、成本高、過度氧化、產(chǎn)生大量不易處理的污染物等，不符合當(dāng)今綠色化學(xué)和可持續(xù)化學(xué)的概念[3]。因此在醇催化氧化研究和開發(fā)過程中，使用對(duì)環(huán)境友好的氧化劑，選擇高性能、廉價(jià)、清潔的催化劑，開發(fā)高效的催化體系，對(duì)于保護(hù)環(huán)境、工業(yè)化生產(chǎn)意義重大[4]。2,2,6,6-四甲基哌啶-1-氧自由基（TEMPO）作為有機(jī)小分子，形成的催化反應(yīng)體系具有反應(yīng)高效、反應(yīng)條件溫和、選擇性好等優(yōu)點(diǎn)，在催化醇氧化領(lǐng)域得到了人們的廣泛關(guān)注[5-6]，近些年來，各種TEMPO類型催化劑的催化氧化體系被相繼提出。

1 TEMPO均相催化體系

1.1 非過渡金屬/TEMPO催化體系

醇的非金屬催化氧化主要在均相條件下進(jìn)行，研究重點(diǎn)主要集中在氮氧自由基的催化氧化，TEMPO[3,7]就是一種典型的氮氧自由基型催化劑（圖1）。在實(shí)驗(yàn)室研究以及化學(xué)工業(yè)生產(chǎn)中，常用催化劑以TEMPO及其衍生物為主，TEMPO制備過程簡(jiǎn)單，催化體系具有容易操作、反應(yīng)條件溫和、選擇性和轉(zhuǎn)化率高等優(yōu)點(diǎn)。

圖1 穩(wěn)定的TEMPO自由基[3]

1987年，Lucio Anelli等[8]報(bào)道了TEMPO/NaClO催化氧化體系在工業(yè)上得到實(shí)際應(yīng)用，在該催化反應(yīng)體系中，伯醇和仲醇被氧化成相應(yīng)的醛和酮，反應(yīng)選擇性高。相應(yīng)的氧化機(jī)理如圖2，溶液中的Br-與ClO-反應(yīng)生成氧化性更強(qiáng)的BrO-，從而加快反應(yīng)速率。

圖2 TEMPO/NaClO體系中醇氧化機(jī)理[8]

1999年，Rychnovsky等[9]以m-CPBA為氧化劑、TEMPO為催化劑，以Bu4NBr作為添加劑，將反應(yīng)底物擴(kuò)展至仲醇，產(chǎn)物酮的收率可達(dá)到91%～97%。與此同時(shí)，研究了催化劑對(duì)于各種鹵素離子的依賴性，經(jīng)過一系列對(duì)比實(shí)驗(yàn)后，得出結(jié)論，一般的酸會(huì)抑制仲醇的氧化，真正起到助催化作用的是Cl-、Br-等鹵素離子，且Br-比Cl-更加有效，這剛好印證了Lucio Anelli等對(duì)TEMPO/NaClO體系中加入適量Br-能加快反應(yīng)速率的理論。

2000年，Bolm等[10]證明了TEMPO/oxone的結(jié)合是醇氧化制醛酮的有效體系。季銨鹽的存在對(duì)催化劑的性能有很大影響，Bu4NBr的加入有利于大多數(shù)底物的氧化。此外，TEMPO/oxone體系的反應(yīng)條件比以前報(bào)道的化學(xué)計(jì)量氧化劑的反應(yīng)條件溫和得多，從而提高了官能團(tuán)的耐受性，避免了對(duì)相應(yīng)羧酸的過度氧化。

2004年，Liang等[11]提出了TEMPO/Br2/NaNO2的催化體系，該體系受助于TEMPO-Cl2[12]體系和TEMPO-Br2/I2[13]體系的啟發(fā)。在后兩種體系中，設(shè)計(jì)者用NaHCO3或Na2CO3中和副產(chǎn)物HX（X=Cl，Br，I），因此也會(huì)消耗化學(xué)計(jì)量的X2。Liang認(rèn)為，如果HX能被分子氧原位氧化再生X2，而不是被無機(jī)堿清除，則可以建立一個(gè)催化量為X2的TEMPO催化過程。因此Liang等成功地開發(fā)了一種高效、不含過渡金屬的醇類有氧催化氧化工藝。在此過程中，NO2作為活化試劑，Br2充當(dāng)電子轉(zhuǎn)移中間體，實(shí)現(xiàn)NO2和TEMPO兩者間的電子轉(zhuǎn)移（圖3）。該方法通過空氣將不同的醇底物轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的羰基化合物，特別是苯甲醇氧化為苯甲醛，產(chǎn)率較高。

圖3 TEMPO/Br2/NaNO2體系氧化醇的機(jī)理[11]

2012年，張華[14]開發(fā)了基于TEMPO/TBN活化分子氧的綠色非金屬選擇性催化體系（圖4）。研究發(fā)現(xiàn)，即使常溫條件下，延長(zhǎng)時(shí)間和加大催化劑量也能有效實(shí)現(xiàn)醇的催化氧化。該體系還能對(duì)含有N雜原子的脂肪醇、芳香醇進(jìn)行高選擇性的催化氧化，醇轉(zhuǎn)化率高達(dá)100%，醛酮收率達(dá)93%～98%。

圖4 TEMPO/TBN/O2催化體系中的醇氧化

2017年，張同偉[15]開發(fā)了兩種催化體系。一種是基于活性炭作為鍵合基質(zhì)的AC-TEMPO/NOx雙組分催化氧化體系，在常溫常壓空氣中，該催化體系對(duì)17種典型的醇底物在3h內(nèi)進(jìn)行氧化反應(yīng)，大多數(shù)芳香醇氧化率達(dá)到99%以上?；厥盏腁C-TEMPO催化劑經(jīng)過10次氧化循環(huán)反應(yīng)，苯甲醇的轉(zhuǎn)化率均維持在88%以上。另一種是以氧化石墨烯為鍵合基質(zhì)的GO-TEMPO/TBN雙組分催化氧化體系，大部分芳香醇的目標(biāo)產(chǎn)物選擇性高于99%，催化劑經(jīng)過5次循環(huán)反應(yīng)仍保持高效氧化能力，回收率達(dá)到95%以上。

2018年，Rafiee等[16]開發(fā)了一種電催化方法，使用4-乙酰氨基-TEMPO（ACT）可將伯醇和醛氧化為相應(yīng)的羧酸（圖5）。該方案使用水和碳酸鹽/重碳酸鹽作為電解質(zhì)，在室溫下進(jìn)行，使用廉價(jià)的催化劑，易于大規(guī)模應(yīng)用且唯一副產(chǎn)物為氫氣，因此非常實(shí)用。在該研究中，氨氧基的電催化活性受氨氧基的氧化還原電位的影響比受其空間性質(zhì)的影響更大。對(duì)于電位較高的氨氧基，觀察到更高的催化活性，即使將空間位受阻的TEMPO衍生物與受空間位阻較小的TEMPO衍生物進(jìn)行比較，這一趨勢(shì)也是明顯的。此結(jié)論將有助于TEMPO衍生物電催化劑的進(jìn)一步設(shè)計(jì)研究。

圖5 ACT作用下的伯醇與醛的催化氧化[16]

2018年，Karimi等[17]報(bào)道了第一個(gè)催化活性高、穩(wěn)定性好的TEMPO基團(tuán)的溶膠-凝膠電極，通過電化學(xué)活性面積（EASA）方法在電極表面沉積一層有機(jī)物修飾的薄膜，然后通過直接與含TEMPO的硅醇溶液接枝對(duì)所得有機(jī)二氧化硅的通道進(jìn)行功能化。由10%苯基修飾和30%甲基化組成的烷基化程度特別穩(wěn)定和活躍。新薄膜不受非晶態(tài)ORMOSIL電極的傳質(zhì)和擴(kuò)散限制，確保了快速的襯底擴(kuò)散和電氧化。而且，由于更好的表面親水性-親脂性平衡，電極既保持了對(duì)活性部位的可訪問性，又保持了極好的穩(wěn)定性，該電極在電流作用下對(duì)醇的高選擇性氧化反應(yīng)體現(xiàn)出良好的催化活性。該方法對(duì)不同的底物表現(xiàn)出廣泛的適用性，為精細(xì)化工和制藥行業(yè)廣泛采用該清潔技術(shù)開辟了道路。

2019年，Delorme等[18]研究了TEMPO在室溫條件下、不同離子液體[19]（RTILs）中電催化醇氧化的反應(yīng)（圖6）。以多種離子液體為電化學(xué)溶劑，通過改變RTIL參數(shù)（如烷基鏈的長(zhǎng)度、芳環(huán)的存在和陰離子的H鍵堿性）來調(diào)節(jié)RTIL對(duì)TEMPO介導(dǎo)的電氧化的反應(yīng)性和選擇性。循環(huán)伏安法表明，TEMPO/TEMPO+氧化還原電位取決于離子液體的組成。催化反應(yīng)速率常數(shù)隨TEMPO/TEMPO+電位的增加而增大，與RTIL陰離子氫鍵堿性降低有關(guān)。比較4種不同醇類底物的催化氧化速率，發(fā)現(xiàn)離子液體對(duì)TEMPO具有不同程度的催化識(shí)別能力，證實(shí)TEMPO的活性可以通過離子液體的選擇來控制。離子液體中的電化學(xué)TEMPO介導(dǎo)的氧化提供了比傳統(tǒng)的醇氧化具有更高原子效率的醇氧化途徑，因?yàn)殡娀瘜W(xué)與TEMPO的耦合最大限度地減少了氧化過程中化學(xué)計(jì)量試劑或危險(xiǎn)試劑的輸入，以及離子液體作為溶劑和電解質(zhì)的使用減少了電合成所需的試劑的量。

圖6 離子液體中的電催化醇氧化[18]

1.2 過渡金屬/TEMPO催化體系

過渡金屬由于其獨(dú)特的價(jià)層d軌道，容易得到和失去電子，有著多種價(jià)態(tài)，作催化劑時(shí)，有著很高的原子效率，所以過渡金屬催化劑一直是眾多研究者關(guān)注的熱點(diǎn)。在醇氧化的研究體系發(fā)展進(jìn)程中，過渡金屬/TEMPO催化體系既有過渡金屬較強(qiáng)的氧化還原性能，又具備TEMPO良好的催化性能，反應(yīng)底物的轉(zhuǎn)化率和產(chǎn)物收率都得到極大提高。

1.2.1 金屬Cu/TEMPO催化體系

作為一種較為廉價(jià)的金屬，Cu具有資源豐富、來源廣、簡(jiǎn)單易得等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)又具有過渡金屬的性能，所以在催化氧化領(lǐng)域很早就受到人們的關(guān)注。

1984年，Semmelhack等[20]報(bào)道了TEMPO/CuCl催化體系，首次提出以O(shè)2作為氧化劑、TEMPO/CuCl作為催化劑。研究結(jié)果表明，在溫和條件下，該體系能將芐醇、烯丙醇氧化成相應(yīng)的羰基化合物。2000年，Knochel等[21]報(bào)道了一種以全氟烷基化吡啶與Cu(I)配位得到的Cu(I)鹽/TEMPO催化體系，在該催化氧化體系下，烯丙醇，脂肪族伯、仲醇等皆可被氧化成相應(yīng)的醛和酮，催化劑可以循環(huán)利用且保持高活性，并且不會(huì)使醇過度氧化。

Punniyamurthy等[22]于2006報(bào)道了{(lán)Cu(salen)}/TEMPO催化體系（圖7），該體系可用于伯醇在仲醇基團(tuán)存在下的選擇性氧化，催化劑重復(fù)使用后活性穩(wěn)定，無需其他助催化氧化劑。

圖7 [Cu(salen)]/TEMPO催化體系下的醇氧化[21]

離子液體[22]作為一種設(shè)計(jì)可控的“綠色溶液”，具有傳統(tǒng)有機(jī)溶劑無法比擬的優(yōu)點(diǎn)，2008年，Wei等[23]報(bào)道了離子液體[bmim]PF6作溶劑的CuCl/TEMPO/base催化體系。在該體系中，堿作為共催化劑起著重要的作用，能顯著提高催化活性，大多數(shù)芐基或烯丙基醇氧化反應(yīng)在3h內(nèi)完成，選擇性達(dá)到99%。但在無堿存在的反應(yīng)條件下，反應(yīng)速率明顯下降，要達(dá)到相同轉(zhuǎn)化率需要20多小時(shí)，堿的存在顯著加快了氧化速率。不同的堿對(duì)反應(yīng)的促進(jìn)作用不同（圖8），作者認(rèn)為與堿的配位能力有關(guān)，配位能力較低的堿（如NaOH和三乙胺）只表現(xiàn)出適度的促進(jìn)作用，此時(shí)堿只起到去質(zhì)子化的作用；而吡啶、N-甲基咪唑等配位能力強(qiáng)的堿具有較強(qiáng)的促進(jìn)作用，可能具有既是脫質(zhì)子的堿基，又是與銅(Ⅰ)鹽配位的配體的雙重作用。

圖8 堿對(duì)硝基苯甲醇氧化的影響[23]

2013年，Hoover等[24]公開了一種(bpy)Cu(I)/TEMPO/NMI（NMI為N-甲基咪唑）催化體系，該體系使用空氣中的O2作為氧化劑，與具有不同官能團(tuán)的底物兼容，能將芐基、烯丙基和脂肪族伯醇選擇性氧化成相應(yīng)的醛。同時(shí)，通過系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)和光譜研究對(duì)有氧條件下Cu(Ⅰ)/TEMPO催化醇氧化的機(jī)理進(jìn)行了探究，從而比較了芐基和脂肪醇的反應(yīng)活性。相對(duì)于芐醇，脂肪醇的反應(yīng)活性受到較高的羥基pKa值和較強(qiáng)的α-C—H鍵的阻礙。在芐醇存在的情況下，醇的氧化速率完全由Cu(Ⅰ)的有氧氧化控制，在脂肪族醇存在的情況下，多個(gè)步驟在動(dòng)力學(xué)上相關(guān)。因此，對(duì)于不同類別的醇，最佳催化劑將有所不同，要充分利用各種醇在反應(yīng)活性和動(dòng)力學(xué)上的表現(xiàn)設(shè)計(jì)催化劑。

2015年，Gupta等[25]設(shè)計(jì)了一種SiO2-Cu(Ⅱ)/TEMPO/O2催化氧化芐醇的方法，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該體系催化活性高，產(chǎn)物醛的選擇性很高，尤其對(duì)苯甲醇選擇性合成醛具有很好的催化效果，產(chǎn)率高達(dá)91%。通過可回收性試驗(yàn)，催化劑可循環(huán)使用至第5次，活性無明顯下降，進(jìn)一步證實(shí)了多相催化劑的經(jīng)濟(jì)性，不足之處是該催化劑合成的過程非常復(fù)雜（圖9），導(dǎo)致實(shí)際應(yīng)用成本過高。

圖9 SiO2與Cu(II)的合成配位[25]

2018年，Mao等[26]開發(fā)了一種綠色、溫和的方法，可將芐基醇氧化成芳香醛。該反應(yīng)以雙(8-羥基喹啉)銅(Ⅱ)為催化劑、TEMPO為助催化劑，在無堿條件下，以水為綠色溶劑，可直接在室溫環(huán)境、空氣中進(jìn)行。該方法對(duì)環(huán)境友好、操作簡(jiǎn)便、產(chǎn)率高，為芳香醛的合成提供了一條切實(shí)可行的途徑，具有很好的工業(yè)應(yīng)用前景。

2018年，Gao等[27]報(bào)道了一種新的、易得的雙功能分子，N-甲基咪唑衍生物TEMPO作為多功能分子，CuI結(jié)合該新型雙功能分子作為催化劑被用于以NMI為添加劑的醇氧化。在室溫下，各種未活化的伯脂肪族伯醇被有效地氧化成醛。在多功能NMI-TEMPO中，NMI的作用之一是可以錨定銅離子以降低Cu(Ⅱ)/Cu(Ⅰ)的還原電位并提高CuI絡(luò)合物還原O2的能力，另一個(gè)作用是使醇作為有機(jī)堿去質(zhì)子化，促使形成醇鹽。TEMPO作為助催化劑，可以通過在NMI存在下調(diào)節(jié)電子性能來提高其催化活性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，多功能分子與CuI的結(jié)合在室溫下對(duì)多種醇的氧化均顯示出有效的活性，尤其對(duì)仲醇有較高的氧化選擇性，與此同時(shí)，未活化的伯族脂肪醇也可以很順利地被氧化成相應(yīng)的醛，且產(chǎn)率很高。在忽略空間效應(yīng)的情況下，仲芐基醇也可以轉(zhuǎn)化為所需的酮。

2018年，Yang等[28]設(shè)計(jì)了一種(CuO-REC)/TEMPO/O2的醇氧化方法，其以Cu2+與酸活化累托石（REC）共沉淀產(chǎn)物為原料，在pH為6下煅燒制備了環(huán)境友好型CuO累托石（CuO-REC）。它可以很好地分散在水中，并用作TEMPO的助催化劑，能選擇性地將醇類高轉(zhuǎn)化率地氧化成醛。通過掃描電鏡（SEM）表征（圖10），發(fā)現(xiàn)純的CuO顆粒連接在一起，看起來像一串珠子；在CuO-REC中，可以觀察到一些CuO粒子成功地沉積在REC的表面，但與純CuO粒子不同的是，它們是相互獨(dú)立的，且與CuO顆粒相比，CuO-REC具有更大的比表面積，表明其對(duì)有氧醇氧化有更好的催化活性。

圖10 Ca-REC、H-REC、CuO和CuO-REC的SEM圖[28]

2019年，Lin等[29]以Cu為催化劑、TEMPO為助催化劑，以空氣為氧源，開發(fā)出了一種香草醇（VAL）催化氧化為香蘭醛（VN）的氧化工藝。在此工藝中，溫度是VAL氧化的最大影響因素，在90℃時(shí)轉(zhuǎn)化率可達(dá)99%，選擇性高達(dá)93%，相應(yīng)的產(chǎn)率達(dá)到89%。

1.2.2 金屬Ru/TEMPO催化體系

金屬釕（Ru）易形成有機(jī)配合物，在醇的氧化過程中表現(xiàn)出良好的催化性能，因此Ru作為貴金屬，雖然價(jià)格昂貴，但依舊被人們給予高度的關(guān)注。

1999年，Shelden等[30]報(bào)道了一種RuCl2(pph3)3/TEMPO催化氧化體系，可將烯丙醇和芐基醇氧化成相應(yīng)的醛、酮等產(chǎn)物，選擇性大于99%。之后該課題組[31]提出了該體系的反應(yīng)機(jī)理，認(rèn)為該體系中RuCl2(pph3)3為催化劑，TEMPO為電子轉(zhuǎn)移體。

2013年，Li等[32]開發(fā)了一種均相可見光-TEMPO醇氧化催化的方法，可將伯醇選擇性氧化成相應(yīng)的醛，可能的反應(yīng)機(jī)理如圖11。研究表明，一系列取代的苯甲醇類底物均體現(xiàn)出良好的選擇性和收率。但該方法對(duì)苯環(huán)上帶有強(qiáng)吸電子取代基的苯甲醇（如硝基和磺酰基）不起作用。當(dāng)反應(yīng)底物擴(kuò)展至脂肪族醇類時(shí)，伯醇和仲醇也具有良好的選擇性。該催化氧化方法沒有產(chǎn)生化學(xué)計(jì)量的污染廢物，是現(xiàn)有伯醇選擇性氧化環(huán)保和實(shí)用的替代方法。

圖11 可見光作用下醇的催化氧化機(jī)理[32]

1.2.3 金屬Fe/TEMPO催化體系

鐵元素在地球上分布廣泛，礦藏量巨大，而且其化學(xué)性質(zhì)活潑，具有多種Fe離子價(jià)態(tài)，不管是作為氧化還原劑，還是作為催化劑，金屬Fe都是一種很好的選擇。在醇的催化氧化領(lǐng)域，金屬Fe與TEMPO形成的催化體系受到廣泛的研究。

2005年，Liu等[33]報(bào)道了FeCl3/TEMPO/NaNO2的催化氧化體系（圖12）。室溫條件下，該催化體系可以對(duì)醇類底物進(jìn)行有效的氧化，催化劑活性高且醇轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的醛、酮類產(chǎn)物轉(zhuǎn)化率高。此外，催化劑還表現(xiàn)出良好的底物耐受性，不會(huì)因?yàn)楹蚧衔锏拇嬖诙鴮?dǎo)致中毒失活。實(shí)驗(yàn)結(jié)果還表明，該催化體系能對(duì)含有C==C雙鍵和N、S雜原子等廣泛范圍的醇底物進(jìn)行高效氧化。

圖12 FeCl3/TEMPO/NaNO2體系的醇氧化機(jī)理[33]

2008年，梁鑫淼等[34]報(bào)道了以Fe(NO3)3·9H2O為助催化劑，廉價(jià)易制備的4-OH-TEMPO取代了TEMPO作為催化劑的新催化體系。在該體系下，能將含有C==C雙鍵、N、O和S等雜原子的較廣底物范圍的伯醇和仲醇氧化成相應(yīng)的醛或酮，選擇性高，催化劑穩(wěn)定性強(qiáng)，而且不易被含N、S雜原子化合物毒化失活。

2013年，Ma等[35]以Fe(NO3)3·9H2O/TEMPO/NaCl為催化劑，在常溫常壓條件下開發(fā)了一種實(shí)用、環(huán)保的高炔丙醇氧化法，而氧化得到的炔丙酮能夠很容易異構(gòu)化成烯丙酮，在此之前，幾乎沒有研究能用小化學(xué)計(jì)量氧化劑完成對(duì)高炔丙醇的氧化。此工作還可以根據(jù)底物性質(zhì)（sp-取代）的不同，拓展多個(gè)醇類底物，且能以中等至較好的產(chǎn)率合成了烯丙酮或高炔丙酮類化合物。

2019年，Ma等[36]以Fe(NO3)3·9H2O/NaCl為催化體系，用廉價(jià)的4-OH-TEMPO取代了TEMPO，進(jìn)行了鐵催化的醇類與醛類和酮類的有氧氧化反應(yīng)，同時(shí)提高了形成醛類的選擇性。該反應(yīng)可以在室溫、氧氣或空氣條件下，對(duì)寬范圍的底物的醇類進(jìn)行催化氧化作用，尤其是對(duì)高炔丙醇底物的催化氧化，該方法以更低成本的途徑拓展了低估值醇類向高附加值醛酮轉(zhuǎn)化。

除了以上介紹的幾種過渡金屬與TEMPO形成的醇催化氧化體系外，還有一些其他過渡金屬也被用于與TEMPO共催化氧化的研究，如Co、Mn、Mo等[37-38]，對(duì)于一些脂肪醇類底物來說，也表現(xiàn)出良好的選擇性和氧化性能，但相對(duì)于Fe、Cu來說，還是有著價(jià)格昂貴、應(yīng)用性相對(duì)較差的缺陷。因此，考慮到生產(chǎn)應(yīng)用成本，在過渡金屬/TEMPO共催化劑的研究中，F(xiàn)e、Cu具有更大的吸引力。

目前，TEMPO存在下的液態(tài)均相催化醇氧化已有大量研究，其高活性、高選擇性也使得其成為工業(yè)生產(chǎn)中一個(gè)重要的選擇，但TEMPO催化氧化依然存在一些問題，即TEMPO價(jià)格貴，反應(yīng)后TEMPO回收提純難度大，成本高。但如果將TEMPO小分子通過化學(xué)鍵或者范德華力的作用下連接在聚合物或者硅膠等固體上，則TEMPO回收成本高的問題能通過簡(jiǎn)單地過濾得到解決，這項(xiàng)工作已有了大量的研究，固載在不同底物的TEMPO催化氧化體系被相繼報(bào)道。

2 固載化TEMPO非均相催化體系

2001年，Bolm等[39]開發(fā)出了基于二氧化硅的聚合物負(fù)載型TEMPO催化劑，用于將醇Anelli氧化為相應(yīng)的羰基化合物。催化劑可以循環(huán)使用，并且已經(jīng)通過進(jìn)行連續(xù)的催化氧化證明了其適用性。該研究證實(shí)聚合物表面上官能團(tuán)的分離有利于催化劑的穩(wěn)定性，并使得引入多孔二氧化硅負(fù)載的TEMPO催化劑對(duì)于芳香醇和脂肪醇的氧化具有較高的催化活性和較高的選擇性。這種通過修飾載體、偶聯(lián)負(fù)載TEMPO的方法為固載型TEMPO催化劑的合成應(yīng)用開辟了新的思路。

2006年，Reiser等[40]等開發(fā)了一種簡(jiǎn)單實(shí)用的方案，使用CuI催化的炔-疊氮化物環(huán)加成作為連接方法，從而將廉價(jià)易得的4-OH-TEMPO接枝到聚苯乙烯樹脂上。研究證明，所得的PS-CLICKTEMPO（圖13）在溫和條件下，用漂白劑和分子氧對(duì)醇進(jìn)行化學(xué)選擇性氧化非常有效。而且，它可以容易地回收和再循環(huán)，不會(huì)損失任何催化活性，因此該研究對(duì)工業(yè)應(yīng)用過程極具吸引力。

圖13 PS-CLICK-TEMPO的合成[40]

2007年，Karimi等[41]的研究表明SBA-15材料可用于負(fù)載硝基氧基TEMPO，從而為醇的有氧氧化提供極其穩(wěn)定且可重復(fù)使用的催化劑，該方法是在空氣常壓下使用納米結(jié)構(gòu)的負(fù)載型有機(jī)催化劑對(duì)多種醇類進(jìn)行無過渡金屬需氧氧化的第一個(gè)實(shí)例。與無定形固體相比，有序介孔材料SBA-15具有相對(duì)均勻的孔徑（2～30nm）、較大的空隙體積和較高的表面積，可以將有機(jī)基團(tuán)穩(wěn)定地固定，這些納米結(jié)構(gòu)材料還優(yōu)于有機(jī)聚合物，因?yàn)橛袡C(jī)聚合物的價(jià)格高昂并且容易受到有機(jī)骨架的熱化學(xué)損害，這導(dǎo)致有機(jī)聚合物應(yīng)用受到了極大限制。所以這項(xiàng)研究為醇的無過渡金屬催化氧化方案的開發(fā)建立了新途徑。

2008年，Reiser等[42]在將4-OH-TEMPO接枝到聚苯乙烯樹脂研究的基礎(chǔ)上，又開發(fā)了一種利用CuI催化炔烴/疊氮化物環(huán)加成法將TEMPO有機(jī)衍生物接枝到磁性C/Co納米粒子的方案。將炔丙基醚TEMPO接枝到C/Co納米顆粒上，通過醇類氧化底物的轉(zhuǎn)化率和選擇性，證明了該方案的可行性，而且C/Co為高度穩(wěn)定且易于分離的磁性顆粒，催化劑回收成本低，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方案形成的催化劑重復(fù)性強(qiáng)，即使多次運(yùn)行也沒有出現(xiàn)活性或化學(xué)選擇性的降低。

2010年，Garrell等[43]通過使用強(qiáng)金屬氧化物螯合的膦酸酯和疊氮化物/炔烴點(diǎn)擊化學(xué)反應(yīng)，將有機(jī)TEMPO小分子固定在氧化鐵（Fe3O4）超順磁性納米顆粒上。這種簡(jiǎn)單的制備方法可生產(chǎn)具有良好TEMPO負(fù)載的可回收TEMPO涂層納米顆粒。通過膦酸酯鍵固定化催化劑可使顆粒在較少催化劑浸出的情況下經(jīng)受酸性氧化環(huán)境。膦酸酯連接基的穩(wěn)定性和這種催化劑固定方法的簡(jiǎn)便性，使其成為將TEMPO催化劑束縛在氧化物載體上極具吸引力的方法，從而產(chǎn)生可在中性或酸性條件下使用的可磁分離的催化劑。重復(fù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出，該具有催化性能的納米顆粒在Minisci條件醇氧化情況下，可以循環(huán)使用20次以上，在Anelli條件下可以循環(huán)使用8次，具有良好的基材轉(zhuǎn)化率和優(yōu)異的產(chǎn)品選擇性。

2012年，Wang等[44]發(fā)現(xiàn)了一種高效、可溶且可回收的多壁碳納米管用于支撐TEMPO的方法（圖14），在醇類底物的催化氧化活性驗(yàn)證中發(fā)現(xiàn)，負(fù)載型催化劑（MWNTs-TEMPO）的催化活性遠(yuǎn)優(yōu)于其非均相對(duì)應(yīng)物，苯甲醇轉(zhuǎn)化率和選擇性均高于99%。該方法的創(chuàng)新和優(yōu)點(diǎn)在于通過利用碳納米管可溶于反應(yīng)介質(zhì)的功能性，可以克服將均相催化劑固定在固體載體上時(shí)難以表征和活性損失的問題。除此之外，該方法還具有易于回收和基于溶液容易表征的特點(diǎn)，從而為組合溶液相合成以及固定可回收試劑、清除劑或均相催化劑開辟了新的前景。但該方法目前的局限性在于SOCl2的使用條件為干燥無水，過于苛刻，不易操作。

圖14 TEMPO固定在MWNT上的合成路徑[44]

2015年，呂風(fēng)蓮[45]開發(fā)了一種負(fù)載TEMPO（DES-TEMPO）與Fe(NO3)3·9H2O結(jié)合的催化體系。在溫和條件、無其他溶劑參與的情況下，該體系對(duì)苯甲醇有很好的催化氧化效果。此外，該體系對(duì)于芳香族、脂肪族、雜環(huán)類等醇底物也均取得了較好的效果。該催化劑循環(huán)使用5次，反應(yīng)活性沒有明顯降低。

2016年，Cao等[46]合成了由C60、1,6-己二胺（HDA）和4-氨基-TEMPO組成的聚合富勒烯空心球（圖15）。這種易于制備的催化劑用作多相催化劑，在醇選擇性氧化為相應(yīng)醛或酮的過程中表現(xiàn)出高活性和出色的催化劑可回收性。該合成途徑方便有效，與之前報(bào)道的二氧化硅、聚合物等載體相比，碳材料由于其惰性而對(duì)化學(xué)環(huán)境表現(xiàn)出更強(qiáng)的耐受性和穩(wěn)定性，可為探索負(fù)載于碳基材料上的高活性和穩(wěn)定的多相有機(jī)催化劑提供新的方法。

圖15 TEMPO催化劑鍵合聚合富勒烯的合成路線[46]

2018年，Uozumi等[47]將TEMPO固定在聚乙烯-g-聚丙烯酸上得到接枝聚合物（g-TEMPO），開發(fā)了用于伯醇和仲醇選擇性化學(xué)氧化的三相（固體-有機(jī)-水）連續(xù)流動(dòng)反應(yīng)系統(tǒng)。與非均相分批催化相比，連續(xù)流中的反應(yīng)還具有催化劑的分離和再循環(huán)能被連續(xù)的過程所取代的優(yōu)勢(shì)，從而簡(jiǎn)化了后處理過程。在不混溶的流動(dòng)條件下，g-TEMPO表現(xiàn)出比負(fù)載在硅膠或交聯(lián)聚苯乙烯上的TEMPO更高的接觸效率，在優(yōu)化的條件下，該研究在三相流系統(tǒng)中研究了g-TEMPO與NaClO和N-氯代琥珀酰亞胺（NCS）的共氧化劑的耐性，在NaClO/g-TEMPO流動(dòng)系統(tǒng)中，研究發(fā)現(xiàn)3天后，反應(yīng)器會(huì)在次氯酸鹽漂白的影響下而變得堵塞。然而，使用NCS/g-TEMPO，在不堵塞反應(yīng)器的情況下至少保持9天的高轉(zhuǎn)化率，催化活性未見明顯損失。因此，從再循環(huán)的角度來看，NCS/g-TEMPO系統(tǒng)對(duì)于伯醇的氧化更優(yōu)越，該系統(tǒng)為伯醇化學(xué)選擇性氧化為醛提供了溫和的條件，具有更高的反應(yīng)效率。

2020年，Schulze等[48]通過將TEMPO固定在介孔二氧化硅顆粒上制備多相有機(jī)催化劑，通過選用NCS作為共催化劑活化可提高性能。在催化測(cè)試中，二氧化硅-TEMPO催化劑顯示出芐醇向苯甲醛的良好轉(zhuǎn)化（圖16）。此外，該工作用固定化的催化劑TEMPO和氨丙基進(jìn)行的新穎的兩步連續(xù)流式合成可以得到高產(chǎn)率的乙基-2-氰基-3-苯基丙烯酸乙酯，在連續(xù)的兩步合成中成功地與另一個(gè)催化劑塔結(jié)合使用，證明了將流動(dòng)優(yōu)化的載體材料和有機(jī)催化劑結(jié)合具有巨大的潛力，同時(shí)具有良好的材料性能和催化劑活性。

圖16 SiO2-TEMPO催化劑連續(xù)流催化醇氧化實(shí)驗(yàn)示意圖[48]

固載化TEMPO催化劑在多相醇氧化方面的應(yīng)用目前僅停留在實(shí)驗(yàn)室研究階段，限制其向工業(yè)擴(kuò)大生產(chǎn)的因素有：①載體的不穩(wěn)定性和低耐受性會(huì)導(dǎo)致負(fù)載的TEMPO活性降低，無法達(dá)到均相催化的效果；②載體的結(jié)構(gòu)性質(zhì)直接影響TEMPO的負(fù)載量，從而影響整個(gè)反應(yīng)的催化氧化效率；③高穩(wěn)定的載體材料，如碳基等前期制備成本高且只能少量制備；④固載化TEMPO催化劑連續(xù)流動(dòng)催化醇氧化前景巨大，但當(dāng)前的研究最大問題是反應(yīng)時(shí)間過長(zhǎng)，催化劑聚集堆積及反應(yīng)中副產(chǎn)物會(huì)導(dǎo)致流動(dòng)管道的堵塞。

3 結(jié)語

在整個(gè)TEMPO催化醇氧化研究過程中，無論是均相催化體系還是多相催化體系，都得到了較快的發(fā)展，其形成的催化氧化反應(yīng)體系高效、反應(yīng)條件溫和、選擇性強(qiáng)。但考慮到從實(shí)驗(yàn)室研究向工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用，目前已有的TEMPO催化醇氧化仍有很大研究空間，結(jié)合前人工作的一些成果，未來TEMPO催化醇氧化研究應(yīng)該從以下幾方面進(jìn)行：①利用離子液體中的電化學(xué)催化活性強(qiáng)、效率高的特點(diǎn)與TEMPO的協(xié)同作用為醇氧化提供新途徑；②在過渡金屬參與的TEMPO體系中，深度利用Cu、Fe等過渡金屬因其儲(chǔ)量及廉價(jià)的優(yōu)勢(shì)，研究開發(fā)新的催化氧化體系，探尋綠色反應(yīng)溶劑，如水、清潔氧化劑分子氧代替原有的次氯酸鈉氧化劑和有機(jī)溶劑的體系；③從原子經(jīng)濟(jì)學(xué)和綠色化學(xué)的發(fā)展角度出發(fā)，開發(fā)廉價(jià)高效的TEMPO負(fù)載型催化劑，如以硅基材料、碳基材料作為載體，篩選出流動(dòng)過程中與醇類底物接觸率更高的TEMPO負(fù)載型催化劑，然后將該催化劑應(yīng)用到連續(xù)流動(dòng)醇氧化研究中。