氨基醇杂多酸类离子液体催化环酮的Baeyer-Villiger氧化反应

高 崇,于凤丽,解从霞,于世涛

(1.青岛科技大学化学与分子工程学院生态化工国家重点实验室培育基地,2.化工学院,青岛 266042)

Baeyer-Villiger(B-V)氧化反应是将环酮或酮氧化成内酯或酯的一类重要有机合成反应,其产物内酯被广泛用于高价值的商业产品中,如药物、 香料、 染料、 抗生素以及一些高分子材料的单体[1～3].传统的B-V氧化反应以过氧酸为氧化剂,如过氧苯甲酸和三氟过氧苯甲酸等[4].虽然此类氧化剂的氧化性较高,但存在副产物污染重、 原子利用率低及高爆炸性等缺点[5].因此,从绿色环保和原子经济性角度考虑,以H2O2代替过氧酸作为B-V氧化反应中的氧化剂是必然趋势.低浓度H2O2安全低毒、 价格低廉、 后处理方便,副产物只有水,均满足绿色化学的要求[6～8].但是H2O2自身的氧化能力并不高,无法直接活化环酮中的羰基.因此,制备高效的催化剂对于以H2O2为氧化剂的B-V氧化反应具有重要意义.

Keggin型杂多酸作为一种质子酸,具有独特的酸性和氧化还原性质,由于其在催化反应中对设备的低腐蚀性及温和的反应条件,近年来备受关注[9～11].杂多酸已被应用于催化水合反应[12]、 傅克酰基化反应[13]、 Fries重排反应[14]和异构化反应等[15].

离子液体(IL)作为一种绿色新型的功能性材料,因其具有热稳定性好、 难挥发、 结构可设计、 低熔点及易于调控等优良性能,而成为近年来的研究热点[16～21].

氨基醇类酸功能化离子液体具有制备过程简单、 结构和功能可调节等优点,通过在氨基醇的N原子上引入磺酸基可调节离子液体的酸性和水溶性.此外,由于氨基醇中带有天然的手性基团,作为一类新型的手性离子液体对手性合成具有重要意义[22,23].迄今为止,尚未见涉及氨基醇杂多酸类离子液体催化B-V氧化反应的报道.本文合成了一系列氨基醇杂多酸类离子液体,并应用于催化环酮的B-V氧化反应.

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

L-脯氨醇(Pro,C5H11NO,纯度98%)、 2-庚基环戊酮(C12H22O)、 环戊酮(C5H8O)、 2-甲基环戊酮(C6H10O)、 4-甲基环己酮(C7H12O)和环庚酮(C7H12O)的纯度均为99%,购于阿拉丁化学试剂有限公司; 质量分数为30%的过氧化氢(H2O2)、 磷钨酸(H3PW12O40·xH2O)、 甲苯(C7H8)、 硅钨酸(H4SiW12O40)、 乙酸乙酯(C4H8O2)、 无水硫酸镁(MgSO4)、 磷钼酸(H3PMo12O40)和碳酸氢钠(NaHCO3)的纯度均为99%,均购于国药化学试剂有限公司;L-亮氨醇(Leu,C6H15NO,纯度96%)、L-苯丙胺醇(Phe,C9H13NO,纯度97%)、L-缬氨醇(Val,C5H13NO,纯度98%)、 1,3-丙磺酸内酯(C3H6O3S)、 联苯(C12H10)、 环丁酮(C4H6O)、 环己酮(C6H10O)和2-金刚烷酮(C10H14O)的纯度均为99%,均由上海麦克林生化科技有限公司提供.所用其它试剂或溶剂均为化学纯.

7890A/5975C型色谱-质谱分析仪(GC-MS,美国Agilent公司); 福立9790Plus型气相色谱仪(FID检测器,HP-FFAP毛细管柱,浙江福立分析仪器有限公司); Nicolet 510P型傅里叶变换红外光谱仪(FTIR,美国Nicolet公司); Bruker AV500型核磁共振波谱仪(NMR,德国Bruker公司); FE20型pH计(上海梅特勒-托利多仪器有限公司).

1.2 实验过程

1.2.1 催化剂的制备 参考文献[24,25]方法制备氨基醇杂多酸类离子液体催化剂.所制备ILs的结构如Scheme 1所示.

Scheme 1 Structures of the prepared amino alcohol heteropoly acid ILs

1.2.2 催化B-V氧化反应 向装有回流冷凝管的50 mL三口烧瓶中依次加入0.91 g(5 mmol) 2-庚基环戊酮、 0.03 mmol催化剂和0.02 g内标物联苯,搅拌3 min后滴加2.27 g质量分数为30%的H2O2溶液,于50 ℃反应6 h.反应结束后,将反应液移入分液漏斗中进行分液处理,分出水相.将有机相用质量分数为5%的NaHCO3水溶液洗涤3次,再用蒸馏水洗涤至洗液为中性.将水相用乙酸乙酯萃取,并将萃取液与有机相合并.用无水MgSO4除去有机相中少量水分,减压蒸馏去除溶剂得产物.用GC-MS对产物进行定性分析(见本文支持信息图S1); 用配备FID检测器的气相色谱仪进行定量分析.2-庚基环戊酮的B-V反应的气相谱图见图S2(见本文支持信息).将水相烘干后,获得的催化剂可以循环使用.

2 结果与讨论

2.1 催化剂的催化活性

将制备的催化剂在相同反应条件下用于催化2-庚基环戊酮的B-V氧化反应.采用正丁胺-乙腈法测定催化剂的酸强度[26,27],将0.5 g催化剂溶于30 mL乙腈中,用pH计记录溶液的电位变化,磁力搅拌至电位稳定,pH计记录的电位稳定值即为该催化剂的酸强度.由表1可见,在无催化剂的条件下,单纯的H2O2无法将2-庚基环戊酮转化为δ-十二内酯(表1中Entry 1),并且在无酸性的L-脯氨醇中也未得到相应的产物(表1中Entry 2).随着不同种类杂多酸酸强度的逐渐增大,催化剂的活性逐渐提高(表1中Entries 3～5).不同种类的氨基醇离子液体表现出不同的催化效果(表1中Entries 5～8),其中基于L-脯氨醇制备的[Pro-H]H2PW12O40展示出较好的催化效果.不同比例的氨基醇与杂多酸制备的催化剂随着其酸强度的降低,催化效果也降低(表1中Entries 5,9和10).通过在氨基醇中引入磺酸基,可进一步提高催化剂的酸强度,从而提升环酮的转化率与选择性(表1中Entries 11～16).其中,[Pro-ps]H2PW12O40展示出最佳的催化效果,底物环酮的转化率为96.18%,产物选择性为70.26%(表1中Entry 11).这不仅与催化剂的酸度有关,还与催化剂的水溶性有关.[Pro-ps]H2PW12O40具有比[Pro-H]H2PW12O40更好的水溶性,如图S3(见本文支持信息)所示,将反应结束后的水相离心后,明显可见[Pro-H]H2PW12O40与水相分离.而[Pro-ps]H2PW12O40与H2O2溶液相互作用后,形成均相溶液,催化剂可以和H2O2充分接触,H2O2的氧化能力得到进一步增强.[Pro-H]H2PW12O40与H2O2溶液作用后,仍然是非均相体系,其与H2O2的接触面积以及对H2O2的活化能力均弱于[Pro-ps]H2PW12O40.另外,由表1还可知,适当提高催化体系的酸强度有利于内酯产率的提升.H3PW12O40的酸强度要高于[Pro-ps]H2PW12O40(表1中Entry 17),但内酯的选择性却明显下降,这是由于体系中酸强度过大促进了内酯的水解,使δ-十二内酯选择性下降.因此,催化体系的酸强度应该控制在一个合理的范围内.

a.Reaction conditions:n(2-heptylcyclopentanone)=5 mmol,n(catalyst)=0.3 mmol,n(H2O2)=20 mmol,50 ℃,6 h,solvent free;b.m(Cat.)=0.5 g,V(acetonitrile)=30 mL.

2.2 催化剂的表征

2.3 催化剂用量对反应的影响

由图1可知,当催化剂用量较少时,体系中酸度较低,H2O2未得到充分活化,因此催化反应速率较慢,δ-十二内酯的收率较低; 逐渐增加催化剂的用量,底物环酮的转化率和内酯收率得到显著提升; 当催化剂的使用量(摩尔分数)为2-庚基环戊酮的3%时,产物内酯的反应选择性达到最大值; 继续加大催化剂使用量,δ-十二内酯的选择性却出现下降趋势,这是因为过量的催化剂使体系中酸量过高,加快了内酯的水解速率.综合考虑,确定最佳的催化剂用量(摩尔分数)为2-庚基环戊酮的3%.

Fig.1 Effect of the catalyst dosage on the catalytic performance Reaction conditions: n(2-heptylcyclopentanone)=5 mmol,n(H2O2)=20 mmol,50 ℃,6 h,solvent free.

Fig.2 Effect of the amount of H2O2 on the catalytic performance Reaction conditions: n(2-heptylcyclopentanone)=5 mmol,n(catalyst)=0.15 mmol,50 ℃,6 h,solvent free.

2.4 氧化剂用量对反应的影响

在B-V氧化反应过程中,氧化剂的用量是重要的影响因素.如图2所示,随着H2O2用量的增加,底物环酮的转化率和产物内酯的选择性先增大后减小.当n(H2O2)∶n(2-庚基环戊酮)=4∶1时,δ-十二内酯的选择性达到最大值; 继续增大H2O2的用量,δ-十二内酯产率和选择性呈现持续减小的趋势.这是由于随着H2O2溶液用量的增加,体系中的含水量也不断增加,由此促进了δ-十二内酯的水解反应; 且过量的H2O2会将δ-十二内酯的水解产物5-羟基十二酸继续氧化生成5-羰基十二酸,因此δ-十二内酯的水解平衡向右移动,使其反应选择性持续减小.综上,确定最佳的氧化剂用量为n(H2O2)∶n(2-庚基环戊酮)=4∶1.

Fig.3 Effect of reaction temperature on the catalytic performance Reaction conditions: n(2-heptylcyclopentanone)=5 mmol,n(catalyst)=0.15 mmol,n(H2O2)=20 mmol,6 h,solvent free.

2.5 温度对反应的影响

为了探讨温度变化对催化反应的影响,分别考察了20,30,40,50,60和70 ℃下底物环酮转化率及产物内酯选择性的变化情况.反应温度的上升提高了分子间有效碰撞的次数,使催化剂的催化活性明显增强,2-庚基环戊酮的转化率与δ-十二内酯的产率与选择性持续升高,当反应温度为40 ℃时,产物内酯的反应选择性达到最大值.继续升高温度会增加产物内酯的聚合和水解速率,使产率降低; 同时过高的温度会增大H2O2的分解速率,降低反应体系中H2O2的浓度,从而减弱其氧化性能(图3).综上所述,最佳反应温度为40 ℃.

2.6 反应时间对反应的影响

由图4可知,反应时间对δ-十二内酯收率影响较大.初始阶段随着反应时间的增加,2-庚基环戊酮的转化率和δ-十二内酯的收率不断增加,反应8 h时δ-十二内酯收率达到最大值,此时2-庚基环戊酮的转化率为98.19%,δ-十二内酯的收率为81.34%,选择性为82.84%.继续延长反应时间,2-庚基环戊酮的转化率基本保持不变,但内酯的水解程度加深使δ-十二内酯收率下降,故选择8 h为最佳反应时间.

Fig.4 Effect of reaction time on the catalytic performance Reaction conditions: n(2-heptylcyclopentanone)=5 mmol,n(catalyst)=0.15 mmol,n(H2O2)=20 mmol,40 ℃,solvent free.

Fig.5 Recycling efficiency of the catalyst Reaction conditions: n(2-heptylcyclopentanone)=5 mmol,n(catalyst)=0.15 mmol,n(H2O2)=20 mmol,40 ℃,8 h,solvent free.

2.7 催化剂的循环利用

催化剂的循环使用性能是评价其优劣的重要参考标准.将反应后的水相减压蒸馏并烘干,重新得到催化剂,应用于下一个循环实验.图5示出了[Pro-ps]H2PW12O40在最优反应条件下催化2-庚基环戊酮B-V氧化反应的循环使用性能,可见2-庚基环戊酮的转化率和δ-十二内酯的选择性呈现逐渐减小的趋势,其原因可能是催化剂在每次循环使用时会有不同程度的分离损失,因而下一次的循环实验中催化剂实际用量会比之前略微减少,δ-十二内酯的收率随之降低.催化剂[Pro-ps]H2PW12O40连续循环使用5次后,其质量由起始的0.4650 g减少到0.4482 g,损失的质量分数为3.61%.2-庚基环戊酮的转化率仍在90%以上,δ-十二内酯选择性仍能保持约为80%.这说明该催化剂具备较好的重复使用性能和催化稳定性.

2.8 催化反应机理

Scheme 2 Proposed mechanism of Baeyer-Villiger oxidation

以2-庚基环戊酮为例,对氨基醇杂多酸类离子液体催化环酮B-V氧化反应的机理进行了探讨,其可能的反应过程如Scheme 2所示.首先,催化剂提供氢离子活化羰基碳,H2O2进攻质子化的羰基碳生成Criegee中间体; 随后,Criegee中间体发生重排,与羰基相邻的C进行迁移,O—O键断裂,生成一分子H2O和一分子产物内酯,同时释放出氢离子参与下一个循环.

2.9 底物拓展

催化剂[Pro-ps]H2PW12O40催化不同酮类的B-V氧化反应结果如表2所示.在相同反应条件下,环丁酮和2-金刚烷酮具有较小的环状结构,表现出最高的催化效果(表2中Entries 1和2),这是由于两者具有较大环张力,更容易扩环.环戊酮与2-甲基环戊酮的内酯选择性达到80%以上(表2中Entries 3和4),这是因为六元环内酯的结构比五元环酮更稳定,环张力也有所降低,使环酮的转化率和内酯选择性升高,且羰基邻位碳上带有支链会增大空间位阻,因此环戊酮具有更高的内酯选择性.六元环及七元环酮(表2中Entries 5～8)具有较低的环张力,扩环难度相对较大,需要更高的外界能量才能提高其反应活性; 对于甲基取代的环己酮来说,当甲基位置由对位变为邻位时,甲基的空间位阻效应也随之增大,这不利于过氧化氢对酮羰基的亲核进攻,因此2-甲基环己酮的转化率相对较低.在催化开链酮方面(表2中Entries 9～12),对芳基酮的催化活性要低于开链的脂肪酮,但当芳环上带有给电子基团时,其催化活性有所提高.综上所述,不同结构的酮类具有不同的反应活性,[Pro-ps]H2PW12O40作为酮类B-V氧化反应的催化剂具有良好的底物普适性.

Table 2 Baeyer-Villiger oxidation of different ketones catalyzed by [Pro-ps]H2PW12O40a

a. Reaction conditions: ketone(5 mmol),catalyst(0.15 mmol),H2O2(20 mmol),40 ℃,8 h,solvent free;b.moles of lactone(major product) per mole of converted substrate.

3 结 论

在所制备的氨基醇杂多酸类离子液体的催化下,以质量分数为30%的H2O2为氧化剂,可将各种环酮类底物高效地氧化成相应的产物内酯.其中,基于L-脯氨醇的离子液体[Pro-ps]H2PW12O40展示出最佳的催化性能,以2-庚基环戊酮为模板底物的Baeyer-Villiger氧化反应中,得到最优反应条件:n(2-庚基环戊酮)∶n(催化剂)∶n(H2O2)=1∶0.03∶4,反应温度40 ℃,反应时间8 h,无溶剂.在此条件下,2-庚基环戊酮的转化率可达98.19%,产物δ-十二内酯的选择性为82.84%.该催化体系反应条件温和,催化剂制备过程简单,且具较好的循环使用性和底物普适性,为通过酮类的Baeyer-Villiger氧化反应制备内酯开辟了一条绿色高效的新途径.

支持信息见http://www.cjcu.jlu.edu.cn/CN/10.7503/cjcu20190618.