几种仲醇的选择性氧化研究

刘　敏， 刘　娟， 李本浩， 李夏冰， 李宝林

(药用资源与天然药物化学教育部重点实验室， 陕西师范大学 化学化工学院， 陕西 西安 710119)



几种仲醇的选择性氧化研究

刘敏， 刘娟， 李本浩， 李夏冰*， 李宝林

(药用资源与天然药物化学教育部重点实验室， 陕西师范大学 化学化工学院， 陕西 西安 710119)

摘要：为了将几种邻位醇中的仲羟基选择性催化氧化成相应的酮羰基，首先以2,9-二甲基-1,10-菲啰啉(neocuproine)、三氟甲磺酸(HOTf)和醋酸钯为原料反应生成钯的配合物[(neocuproine)Pd(OAc)]2(OTf)2；并以此配合物为催化剂，对苯醌或氧气为氧化剂,乙腈与水的混合物(体积比为9∶1)为溶剂，实现了1,2-O-异丙叉基-α-D-呋喃葡萄糖、1-苯基-1,2-乙二醇和1,2-癸二醇中仲羟基的选择性氧化，获得了预期的结果。尤其是对1-苯基-1,2-乙二醇的选择性氧化产率高达93.0%。

关键词：邻位醇； Pd催化剂； 选择性氧化

将多元醇中仲羟基选择性氧化为酮羰基以获得α-羟基酮的工作具有非常重要的学术意义和应用价值，也是一项极具挑战性的工作。在许多重要的生物活性化合物中，如olivomycin A[1]、kurasoin A和kurasoin B[2]中都存在有α-羟基酮结构单元。α-羟基酮类化合物还可以作为反应前体制备一些重要的其他化合物，如氨基醇[3]等。含有α-羟基酮结构单元的1,2-O-异丙叉基-5-氧代-α-D-呋喃葡萄糖是抗糖尿病药物1-脱氧野尻霉素和米格列醇合成中的重要中间体[4]。尽管文献中已经报道了一些多元醇选择性氧化成相应的α-羟基酮的反应，包括以二甲基过氧化酮为氧化剂[5]，氯化钌为催化剂的催化氧化[6-8]等；然而，这些反应中存在所用氧化剂不稳定，催化剂昂贵、产率低、选择性差及因过度氧化而引起的碳-碳键断裂产生副产物等缺点[9-10]。还有报道利用锡的氧化物先与邻二醇形成中间体化合物，而后再以液溴为氧化剂进行选择性氧化[11]，此反应产率高、选择性好，但是所用的氧化剂Br2具有强烈的腐蚀性，而且锡氧化物用量过大，严重污染环境且不经济。Pd系催化剂在醇的催化氧化反应中表现出优越的催化性能，多种Pd催化体系，如PdCl2-NaOAc和Pd(OAc)2/DMSO/NaHCO3已经相继报道[12]。我们以Pd的络合物[(neocuproine)Pd(OAc)]2(OTf)2(1)[13-15]为催化剂，对苯醌或者氧气为氧化剂，探索了几种邻位醇中仲羟基的催化氧化，选择性地得到了相应的α-羟基酮。该反应过程的主要优势是低污染、低毒性，反应效率和选择性都得到了提高。

1 实验

1.1试剂与仪器

醋酸钯(分析纯，陕西瑞科新材料股份有限公司)，2,9-二甲基-1,10-菲啰啉(neocuproine，又称新亚铜试剂)、三氟甲磺酸(HOTf)、对苯醌(BQ，分析纯，上海达瑞精细化学品有限公司)，1,2-O-异丙叉基-α-D-呋喃葡萄糖(分析纯，上海有朋化工有限公司)，1-苯基-1,2-乙二醇、1,2-癸二醇(分析纯，百顺化学科技有限公司)。

Bruker Avance 300 MHz超导核磁共振仪(德国Bruker公司)，高压反应釜(美国PARR公司)。

1.2 实验方法

几种邻位醇中仲羟基的催化氧化如图1所示。

1.2.1 Pd催化剂[(neocuproine)Pd(OAc)]2(OTf)2(1)的合成 向100 mL的单口瓶中依次加入新亚铜试剂0.60 g(2.88 mmol)，醋酸钯0.59 g(2.63 mmol)，丙酮50.0 mL，室温(25 ℃)搅拌过夜，得黄色悬浊液，抽滤，滤饼用少许丙酮洗涤，真空干燥，得黄色固体配合物(A)0.87 g，产率69.8%。A的结构如图2所示，其理化数据与文献报道一致[16]。

将0.22 g(0.51 mmol)的配合物A溶于1.0 mL乙腈中，搅拌条件下加入三氟甲磺酸的乙腈溶液(0.33 mol/L, 3.8 mL)，室温(25 ℃)搅拌30 min，得到乳黄色悬浊液，搅拌条件下加入20.0 mL的乙醚进行沉淀，抽滤，少量乙醚洗涤，得到亮黄色固体配合物(B)0.11 g，产率30.1%。B的结构如图2所示，其理化数据与文献报道一致[15]。

向25 mL的单口瓶中依次加入0.20 g(0.46 mmol)配合物A，0.32 g(0.46 mmol)配合物B，乙腈30.0 mL。室温(25 ℃)搅拌30 min至全部溶解，用20.0 mL乙醚进行沉淀得到0.29 g黄色固体催化剂(1)，产率60.3%。1的结构如图2所示，其理化数据与文献报道一致[15]。

1.2.2 邻位醇的催化氧化方法一(以对苯醌为氧化剂)：取邻位醇a(1.0 mmol)于25 mL的单口瓶中，向瓶中依次加入混合溶剂10 mL(乙腈∶水=9∶1)，对苯醌(1.1 mmol)，于室温(25 ℃)下搅拌至溶解。加入催化剂1(0.002～0.004 mmol)，升温到50～80 ℃，跟踪至原料反应完全，需3～24 h。减压旋蒸除去溶剂，用1 mL乙酸乙酯溶解，抽滤，滤饼用少量乙酸乙酯洗涤回收Pd催化剂1，可下次再用。滤液浓缩得棕黄色固体，硅胶柱色谱分离后得化合物b。

方法二(以氧气为氧化剂)：取化合物a(1.0 mmol)置于100 mL高压反应釜中，依次加入混合溶剂10 mL(乙腈∶水=9∶1)，Pd催化剂1(0.002～0.004 mmol)，通入O2至压力3 MPa于50～80 ℃下搅拌反应，直至氧气压力不再下降，约需3～24 h。滤出催化剂后，浓缩后经硅胶柱色谱分离得化合物b。

1,2-O-异丙叉基-5-氧代-α-D-呋喃葡萄糖(b1)：浅黄浆状物，产率61.1%(方法一)。1H NMR (300 MHz, D2O)δ: 6.05(d,J=3.5 Hz, 1H),4.93(d,J=3.2 Hz, 1H), 4.67(d,J=3.5 Hz, 1H), 4.58(d,J=3.2 Hz, 1H), 4.42(s, 2H), 1.43(s, 3H), 1.29(s, 3H);13C NMR (75 MHz, D2O)δ: 207.1, 112.2,104.2, 83.8, 83.6, 74.4, 65.7, 25.2, 24.6。

2-羟基-1-苯基乙酮(b2)：白色固体，产率93.0%(方法一)。1H NMR (300 MHz,DMSO-d6)δ: 7.96 (br s, 1H),7.93 (br s, 1H), 7.63-7.68(m,1H), 7.51-7.56(m,2H), 5.11 (t,J=5.9Hz, 1H,OH),4.84 (d,J=5.9 Hz, 2H);13C NMR (75 MHz, DMSO-d6)δ: 199.1,134.5, 133.4, 128.7, 127.5, 65.3。

1-羟基-2-癸酮(b3)：白色固体，产率86.2%(方法一)。1H NMR (300 MHz, DMSO-d6)δ:5.02 (t,J=5.9 Hz, 1H, OH), 4.04 (d,J=5.9Hz, 2H), 2.38(t,J=7.3 Hz, 2H), 1.44～1.49(m, 2H), 1.25 (br s, 10H),0.86 (t,J=6.5 Hz, 3H);13C NMR (75 MHz, DMSO-d6)δ: 211.0,67.5, 37.5, 31.3, 28.8, 28.7, 28.6, 22.9, 22.1, 13.8。

2 结果与讨论

2.1 Pd催化剂的合成及催化氧化机理

本研究所用的Pd催化剂1是通过如图2所示的反应由配合物A和B按照文献[15-16]方法合成，所得催化剂的各种结构表征数据与文献报道一致。Painter等人曾将此Pd催化剂1用于甘油的选择性催化氧化，并对其催化反应的机理进行了讨论[17]。参照此文献，这里提出Pd催化剂1催化选择性氧化邻位醇的机理如图3所示。Pd催化剂1是以二聚体[(Neocuproine)Pd(OAc)]2(OTf)2的形式存在，在含乙腈的溶液中解离为配合物2；配合物2与醇分子中相邻的两个醇羟基互相作用，经过配体交换，得到五元环的Pd醇羟盐螯合物3，并失去一分子的HOAc和乙腈。随后Pd醇羟盐螯合物3发生β-H消除生成Pd氢化物6。6通过与对苯醌或氧发生氧化还原和溶剂置换，释放出α-羟基酮的同时转化为配合物2，从而完成仲羟基的选择性催化氧化。

2.2反应条件的优化

本实验先以对苯醌为氧化剂，对三种邻位醇进行选择性催化氧化的探索，研究了Pd催化剂的用量、反应温度对反应选择性和产率的影响，结果如表1所示。首先，考察催化剂用量对反应的影响，确定适合的催化剂用量为底物的0.2 mol%到0.4 mol%。实验结果表明，三种底物的产率随着催化剂用量的增加而增大，对于化合物a2和a3，催化剂用量增加到0.2 mol%时，其产率已经达到93.0%和86.2%。再增加催化剂的用量，反应没有明显的变化。在化合物a1的选择性氧化中，催化剂用量增至0.4 mol%时，仍只有61.1%的收率，这可能是由于化合物a1在与Pd催化剂1络合时，位阻较大，致收率降低。在所使用的三个底物中，我们分别在不同的温度下进行反应。对于化合物a1，反应温度升高，反应时间缩短且产率增高，但由于其本身是糖的衍生物，在高温下容易变质焦化，故温度不能过高，经过试验筛选，最终选择50 ℃为最佳反应温度。对于化合物a2和a3的反应，升高温度分别到65 ℃、80 ℃，温度升高可以明显缩短反应时间到3 h，且产率可分别高达93.0%和86.2%。最后在以上优化的反应条件下，以氧气代替对苯醌为氧化剂进行了三种底物的选择性催化氧化。氧气做氧化剂时，氧气被还原为水，反应体系更加绿色环保。但实验结果表明用氧气作氧化剂时各反应产率均较低，不能满足大量反应的需求。综合考虑，认为在此催化氧化体系中选择对苯醌作为氧化剂，可获得较高收率的选择性氧化产物。

*.溶剂：乙腈∶水=9∶1(V∶V)； a.分离产率。

4结论

α-羟基酮化合物是合成一系列天然药物的重要中间体，在生产和生活中都有着非常重要的应用。本文利用Pd催化剂1可以较高产率地将邻位醇选择性催化氧化成相应的α-羟基酮类化合物。在该催化剂的存在下，以对苯醌或氧气为氧化剂，乙腈∶水=9∶1(V∶V)为反应溶剂，分别对化合物a1、a2和a3进行催化氧化实验，结果表明，三种底物在此催化体系下均发生了仲羟基的氧化。特别是以对苯醌为氧化剂时，可以较高产率得到化合物b1(61.1%)、b2(93.0%)和b3(86.2%)。

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〔责任编辑王勇〕

The chemoselective oxidation of vicinal polyols

LIU Min, LIU Juan, LI Benhao, LI Xiabing*, LI Baolin

(Key Laboratory of Ministry of Education for Medicinal Resources and Natural Pharmaceutical Chemistry, School of Chemistry & Chemical Engineering,Shaanxi Normal University, Xi′an 710119, Shaanxi, China)

Abstract:This article presents a method for the selectively oxidation of the secondary hydroxyl group into the corresponding keto-carbonyl group. The complex [(neocuproine)Pd(OAc)]2(OTf)2synthesized from neocuproine (2,9-dimethyl-1,10-phenanthroline), HOTf and Pd(OAc)2, was used as a catalyst to the selective oxidation of several vicinal polyols with p-benzoquinone or O2as oxidant by using the mixture of acetonitrile and water (9∶1) as a solvent. This catalytic system was applied to the oxidation of several vicinal polyols including 1,2-O-isopropylidene-α-D-glucofuranose, 1-phenylethane-1,2-diol and 1,2-decanediol to afford corresponding α-hydroxy ketones in good yields. Especially for the selective oxidation of 1-phenylethane-1,2-diol, the chemical yield was up to 93.0%.Keywords: vicinal polyols; palladium catalyst;chemoselective oxidation

文章编号：1672-4291(2016)03-0075-04

doi:10.15983/j.cnki.jsnu.2016.03.333

收稿日期：2016-02-04

基金项目：国家自然科学基金(21272144)

*通信作者：李夏冰，女，讲师，博士。E-mail:xiabingli@snnu.edu.cn

中图分类号：O622.3

文献标志码：A