α-萘甲醇衍生物的选择性氧化及手性联萘二酸的合成*

张万轩, 曹 锰, 叶 康, 黄 巍

(湖北大学 有机功能分子合成与应用教育部重点实验室,湖北 武汉 430062)

KMnO4是一种强氧化剂，广泛应用于苯基侧链的氧化，但是少有萘环侧链氧化的报道，这是由于萘环的稳定性较差,在剧烈的反应条件下很容易被破坏;但当KMnO4负载在CuSO4·5H2O上，形成一种多相氧化剂后，它的氧化能力变得温和，更具有选择性[1，2]。

手性联萘二醛(S-4a)是合成联萘结构的手性配体和助剂的重要前体[3],手性联萘二酸二甲酯(S-5a)和手性联萘二酸(S-6a)是合成联萘结构的手性催化剂的重要原料[4]，但是合成S-6a的有效方法较少。文献[4]方法通过多步反应可以制备外消旋的6a，再通过化学拆分得到光学活性的S-6a。S-5a也可以由联萘二醇的三氟甲磺酸酯制得，但是反应需要使用有毒的CO气体，并需要在高压条件下进行[5]。

CompabcdefRHMeEt--CH2-

Scheme1

Scheme2

本文研究了负载型氧化剂A(KMnO4/CuSO4·5H2O)对α-萘甲醇衍生的选择性氧化(1→2, Scheme 1)。实验结果发现A极具选择性，几乎只对萘基苄位的羟基起作用，产物是相应的醛(酮)，产率68%～98%，副反应少，反应条件温和。A对联萘二醇(3)也能有效氧化(3→4, Scheme 1)。

由Scheme 2可见，光学纯的S-4a经过MnO2氧化制得S-5a; 再经碱性水解成功地合成了光学纯的S-6a。

1 实验部分

1．1 仪器与试剂

Varian Unity INOVA 600 MHz型核磁共振仪(CDCl3为溶剂,TMS 为内标);PE-Spectrum One型红外光谱仪(KBr压片);戴安U3000-HPLC型高效液相色谱(HPLC, DAICEL CHIRALCEL OD-H手性柱)。

所用试剂均为分析纯;甲醇用镁屑干燥。

1.2 实验步骤

(1) A的制备

将等质量的KMnO4和CuSO4·5H2O置于研钵中，研细混匀制得A。

(2) 选择性氧化反应的一般步骤(2的合成)

在反应瓶中加入CH2Cl230 mL, 1 1 mmol, A 1.58 g(5 mmol,以KMnO4计)，搅拌下回流反应(TLC检测)。用硅藻土滤去氧化剂，滤液经柱层析[洗脱剂:V(乙酸乙酯) ∶V(石油醚)=1 ∶5]分离得2。

S-3 1 mmol, A 3.16 g(10 mmol),用类似方法制得S-4。

2a(9 h): 白色固体,收率98%, m.p.58 ℃～60 ℃;1H NMRδ: 10.17(s, 1H), 8.35(s, 1H), 8.02(d,J=7.8 Hz, 1H), 7.98～7.91(m, 3H), 7.67～7.64(m, 1H), 7.61～7.59(m, 1H); IRν: 3 056, 2 923, 1 685, 1 323, 1 215, 810, 751 cm-1。

2b(9 h): 白色固体,收率89%, m.p.52 ℃～54 ℃;1H NMRδ: 8.45(s, 1H), 8.03～8.02(m, 1H), 7.95(d,J=7.8 Hz, 1H), 7.89～7.86(m, 2H), 7.61～7.58(m, 1H), 7.56～7.53(m, 1H), 2.72(s, 3H); IRν: 3 058, 1 675, 1 362, 1 282, 870, 834, 754 cm-1。

2c(9 h): 白色固体,收率96%, m.p.59 ℃～60 ℃;1H NMRδ: 8.05～8.04(m, 1H), 8.03～7.95(m, 1H), 7.90～7.87(m, 2H), 7.60～7.28(m, 2H), 3.16～3.13(d,J=14.4 Hz, 2H), 1.30～1.28(m, 3H); IRν: 2 975, 1 683, 1 189, 1 373, 1 126, 873, 802, 756 cm-1。

2d(12 h): 白色固体,收率95%, m.p.76 ℃～78 ℃(80 ℃～81 ℃[6]);1H NMRδ: 8.27(s, 1H), 7.95(s, 2H), 7.93(d,J=3.6 Hz, 1H), 7.91(d,J=3.6 Hz, 1H), 7.87(d,J=7.2 Hz, 2H), 7.64～7.61(m, 2H), 7.57(d,J=7.2 Hz, 1H), 7.54～7.51(m, 2H); IRν: 3 055, 1 658, 1 269, 819, 753, 697 cm-1。

2e(27 h): 微黄色固体,收率88%, m.p.128 ℃～131 ℃;1H NMRδ: 8.26(s, 1H), 7.94～7.91(m, 4H), 7.61～7.60(m, 1H), 7.57～7.56(m, 1H), 7.45(s, 3H), 2.39(s, 6H); IRν: 2 917, 1 659, 1 306, 1 191, 781 cm-1。

2f(9 h): 微黄色固体,收率68%, m.p.92 ℃～93 ℃;1H NMRδ: 8.55(s, 1H), 8.06～8.07(m, 1H), 7.96～7.97(m, 1H), 7.86～7.90(m, 2H), 7.59～7.62(m, 1H), 7.54～7.57(m, 1H), 7.33～7.34(m, 3H), 7.24～7.27(m, 2H), 4.42(s, 2H); IRν: 3 434, 3 028, 1 680, 1 184, 728 cm-1。

2g(9 h): 白色固体,收率90%, m.p.112 ℃～114 ℃;1H NMRδ: 10.68(s, 1H), 8.51～8.52(m, 1H), 7.94(d,J=8.4 Hz, 1H), 7.89～7.86(m, 2H), 7.71～7.68(m, 2H); IRν: 3 061, 2 829, 1 693, 1 344, 1 166, 871, 835, 751 cm-1。

S-4a(12 h): 黄色油状液体,收率96%;1H NMRδ: 9.61(s, 2H), 8.20～8.19(m, 2H), 8.13～8.12(m, 2H), 8.02～8.00(m, 2H), 7.65～7.62(m, 2H), 7.38～7.36(m, 2H), 7.24～7.22(m, 2H); IRν: 3 060, 2 841, 1 690, 1 322, 1 221, 821, 759 cm-1。

S-4b(36 h): 白色固体,收率60%;1H NMRδ: 8.04～8.03(d,J= 8.4 Hz, 2H), 7.95～7.91(m, 4H), 7.53(m, 2H), 7.28(m, 2H), 7.15～7.14(m, 2H), 2.09(s, 6H); IRν: 3 050, 3 000, 1 688, 1 233, 815, 745 cm-1。

S-4d(40 h): 白色固体,收率70%, m.p.159.7 ℃～161.2 ℃;1H NMRδ: 8.07～8.02(m, 2H), 7.92～7.89(m, 2H), 7.64～7.60(m, 2H), 7.34～7.33(m, 2H), 7.51～7.50(m, 2H), 7.45～7.42(m, 2H), 7.30～7.29(m, 4H), 7.19～7.16(m, 2H), 7.05～7.01(m, 4H); IRν: 3 050, 1 654 cm-1。

(3)S-6a的合成

在反应瓶中加入S-4a0.80 g(2.58 mmol), NaCN 1.34 g(27.30 mmol),活性MnO29.43 g(108.40 mmol),冰醋酸0.47 mL(8.22 mmol),无水甲醇80 mL,搅拌下于室温反应4 d。蒸干甲醇后加入CH2Cl2和水，分液，有机相用无水Na2SO4干燥，经柱层析[洗脱剂：V(乙酸乙酯) ∶V(石油醚)=1 ∶20]分离得白色固体S-5a，产率70%，光学纯度99%ee[HPLC测试条件：流动相(1 mL·min-1)V(异丙醇) ∶V(正己烷)=8 ∶92, tS-5a=9.45 min, tR-5a=8.20 min], m.p.156 ℃～157 ℃(157 ℃～158 ℃[4]);1H NMRδ: 8.18(d,J=8.9 Hz, 2H), 8.01(d,J=8.9 Hz, 2H), 7.95(d,J=8.1 Hz, 2H), 7.52(t,J=8.1 Hz, 2H), 7.24(t,J=7.2 Hz, 2H), 7.07(d,J=9.0 Hz, 2H), 3.49(s, 6H); IRν: 1 730(C=O) cm-1。

在反应瓶中依次加入热的KOH甲醇溶液(NaOH 7.5 g,甲醇40 mL),S-5a1.5 g(4.05 mmol),搅拌下回流反应15 h。蒸除溶剂后加入蒸馏水30 mL，冰水浴冷却下小心加入浓盐酸酸化至不再析出白色沉淀,过滤，滤饼用丙酮重结晶得白色固体[4]S-6a,产率86%, m.p.272.2 ℃～272.9 ℃(文献值272 ℃～274 ℃);1H NMR(DMSO-d6)δ: 12.37(s, 2H), 7.57～8.09(m, 6H), 7.30～7.55(m, 2H), 7.28～6.89(m, 2H), 6.88～6.86(m, 2H); IRν: 2 994, 2 526, 1 689(C=O), 1 466, 1 411, 1 285, 1 254, 766 cm-1。

2 结果与讨论

在1氧化为2的过程中，没有发现C-C键断裂的产物。我们曾经尝试使用α-甲基萘直接与A在CH2Cl2中回流反应24 h。结果只有微量的α-萘甲醛生成，产率低于10%。这说明A能选择性地氧化萘基苄位上的羟基,除2f外2的产率都在80%以上。

在多相氧化中，反应的速率取决于反应物的吸附速率和吸附的方位。所以当R体积较大时，1吸附在氧化剂上的速率就会变慢，反应的位阻变大，反应速率降低。

1e的R体积明显大于其他底物，在氧化剂上的吸附速率比较慢，反应时间(27 h)明显较其他底物(平均9 h)长。这也是3b和3d反应时间明显较长的原因，产率也因此而降低。

在由S-4a制备S-5a的反应过程中，TLC检测发现反应是分步进行的，在反应开始的12 h内，主要是S-4a的一个醛基被氧化，生成单酯;在接下来的反应时间内，主要是单酯中的另一个醛基被氧化。反应成功的关键在于体系的无水程度，所以使用新干燥的甲醇是非常有必要的，微量水的存在会减弱MnO2的活性，使产率降低或者终止反应。由于反应时间较长，我们曾经尝试通过升高温度(回流)来加快反应速率，但是发现升温会导致生成很多副产物。增加冰醋酸用量同样会导致产率降低，副反应增多。整个反应过程中没有发生构型的变化。

3 结论

自制的负载型氧化剂KMnO4/CuSO4·5H2O能够选择性地将α-萘甲醇同系物和联萘二醇氧化成相应的醛(酮)(产率68%～98%),为制备这类化合物提供了有效的合成方法。

[1] Smith K Ed. Solid supports and catalysts in organic synthesis[M].Ellis Horwood and PTR Prentice Hall:New York,1992.

[2] Nazih A Noureldin, Zhao Dongyuan, Donald G Lee. Heterogeous permanganate oxidations 7.The Oxidation of aliphatic side chains[J].J Org Chem,1997,62(25):8767-8772.

[3] Zhu Chen, Shi Yun. An efficient and versatile approach for optical resolution ofC2-symmetric axially chiral biaryl dials.Synthesis of enantiopure biaryl-derived cyclictrans-1,2-diols[J].Org Lett,2008,10(6):1243-1246.

[4] Steven L Colletti, Ronald L Halterman. Asymmetric synthesis and metalation of a binapathylcyclopentadiene: aC2-symmetric chiral cyclopentadiene[J].Organometallics,1991,10(10):3438-3448.

[5] Tetsuo Ohta, Masato Ito, Kohji Inagaki,etal. A convenient synthesis of optically pure dimethyl-1,1′-binaphthalene-2,2′-dicarboxylate from 1,1′-binaphthalene-2,2′-diol[J].Tetrahedron Lett,1993,34(10):1615-1616.

[6] Maddali L N Rao, Varadhachari Venkatesh, Debasis Banerjee. Atom efficient cross-coupling reactions of triarylbismuths with acyl chlorides under Pd(0) catalysis[J].Tetrahedron,2007,63(52):12917-12926.

[7] Axel G Griesbeck, Miyeon Cho. 9-Mesityl-10-methylacridinium:An efficient type Ⅱ and electron-transfer photooxygenation catalyst[J].Organic Letters,2007,9(4):611-613.

[8] Simon S Moleele, Joseph P Michael, Charles B de Koning. Tetralones as precursors for the synthesis of 2,2′-disubstituted 1,1′-binaphthyls and related compounds[J].Tetrahedron,2008,64(46):10573-10580.

[9] Li Huanrong, Guan Bingtao, Wang Wenjin,etal. Aerobic oxidation of alcohol in aqueous solution catalyzed by gold[J].Tetrahedron,2007,63(35):8430- 8434.

[10] Imanzadeh G H, Hajipour A R, Mallakpour S E. Solid state cleavage of oximes with potassium permanganate supported on alumina[J].Synthetic Communications,2003,33(5):735-740.

[11] Zhao Baowei, Lu Xiyan. Cationic palladium(Ⅱ)-catalyzed addition of arylboronic acids to nitriles. One-step synthesis of benzofurans from phenoxyacetonitriles[J].Org Lett,2006,8(26):5987-5990.