介孔氮化碳光催化氧化苄基卤化物的反应

2021-08-17陈圣军钮腾飞倪邦庆

合成化学 2021年7期

陈圣军, 钮腾飞, 倪邦庆

(江南大学化学与材料工程学院，江苏无锡 214000)

苄基卤化物直接氧化成醛和酮是一类重要的有机合成反应，其产物通常可作为药物，维生素和香料等的重要前体和中间体[1]。比较经典的两种方法分别是Hass-Bender氧化法[2]和Sommelet氧化法[3]。前一种方法仅适用于对位的苄基卤化物，而后一种方法的普适性有限(仅适用于活泼的卤化物)。除此之外，诸如Kröhnke反应[4]和Kornblum氧化[5]的方法比较常用。

目前，苄基卤化物的氧化反应主要使用二甲亚砜(DMSO)[6-7]、吡啶-N-氧化物[8]、N-烷氧基吡啶鎓盐[9-10]、吡嗪基亚砜[11]、NaIO4-DMF[12]、 2-碘酰基苯甲酸(IBX)[13]、铬试剂[14]、金属硝酸盐[15-18]及H2O2[19]作为氧化剂，存在价格昂贵，污染大等缺陷。另一方面，此类反应主要依赖过渡金属配合物催化[20]，尽管过渡金属催化的苄基卤化物氧化成醛或者酮的反应取得了较好的产率和选择性，但是这些方法依然存在缺陷，例如反应时间长、温度高、贵金属催化剂难以回收等。

光催化具有高效、安全、环境友好等特点，已成为当下的研究热点。例如焦宁等[21]报道了在可见光下使用Ru(bpy)3Cl2作为光催化剂在空气氛围中催化苄基卤化物氧化成芳基酮。孙江涛等[22]报道了在24 W荧光灯下使用Eosin Y作为光催化剂在温和条件下将苄溴化合物氧化成相应的醛或醇。目前此类主要采用Ru(bpy)3Cl2等金属配合物或者 Eosin Y等有机染料作为均相光催化剂，但催化剂难以回收。为了解决这一问题，范晓彬等[23]通过将Eosin Y以共价键的方式固定到氧化石墨烯上，制备了可回收型光催化剂(RGO-EY)用于光催化氧化苄基卤化物，其后又通过在ZnO上掺杂少量的MoS2纳米片合成了MoS2/ZnO复合材料用作可回收的光催化剂催化苄基卤化物氧化裂解[24]，伊藤等[25]报道了使用介孔二氧化硅(FSM-16)作为光催化剂，在400 W高压汞灯下催化氧化芳基溴化物。这些方法虽然实现了光催化苄基卤化物氧化成芳基酸或酮，但缺点是催化剂制备困难，反应周期较长，且有些方法只适用于高活性的溴苄化合物。近年来采用半导体氮化碳(g-C3N4)作为光催化剂在可见光促进下催化有机反应受到了人们的关注。本文使用介孔氮化碳(mpg-C3N4)作为可回收的非金属光催化剂，Na2CO3作为添加剂，在可见光下，室温O2氛围中，将苄基卤化物氧化成相应的芳基醛或酮及其衍生物(2a～2u)。其结构经1H NMR,13C NMR和MS(ESI)证实。以4-甲基氯苄(1a)为例，探究了催化剂、溶剂、反应时间和催化剂用量对反应影响。

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

Brucker AVANCE 400 MHz Ⅲ 型核磁共振仪(CDCl3为溶剂，TMS为内标); Finnigan TSQ Quantum Ultra AM型质谱仪; D8型X-射线衍射仪；Utosorb iQ型多分析站全自动比表面积及空隙分析仪；UV-3600 plus型紫外可见近红外分光度计。

g-C3N4[26]和mpg-C3N4[27]参考文献方法合成；其余所用试剂均为分析纯。

1.2 合成(以2a为例)

依次称取Na2CO3212 mg(2.00 mol)，催化剂mpg-C3N420 mg加入到Schlenk反应管中，O2置换3次后用注射器依次加入4-甲基氯苄0.13 mL(1 mmol)、去离子水(0.5 mL)和乙腈(1.5 mL)，在氙灯(250 W)照射下搅拌6 h。待反应结束后，用二氯甲烷(3×12 mL)萃取，合并有机层，加入无水硫酸钠干燥并抽滤，减压浓缩，残余物经硅胶柱[洗脱剂：V(正己烷)/V(乙酸乙酯)=10/1] 层析纯化得无色油状液体2a99.6 mg，收率83%。

用类似方法合成2b～2u。

4-甲基苯甲醛(2a)：无色液体，收率83%;1H NMR(CDCl3, 400 MHz)δ: 9.96(s, 1H), 7.78(d,J=8.1 Hz, 2H), 7.45～7.23(m, 2H), 2.44(s, 3H);13C NMR(CDCl3, 101 MHz)δ: 192.0, 145.5, 134.2, 130.2, 129.8, 129.7, 129.2, 21.8; ESI(MS)m/z: 121{[M+H]+}。

3-甲基苯甲醛(2b)：无色液体，收率80%;1H NMR(CDCl3, 400 MHz)δ: 10.01(s, 1H), 7.70(dd,J=6.9 Hz, 1.1 Hz, 2H), 7.51～7.39(m, 2H), 2.46(s, 3H);13C NMR(CDCl3, 101 MHz)δ: 192.6, 138.9, 136.5, 135.3, 130.0, 128.9, 127.3, 21.2; ESI(MS)m/z: 121{[M+H]+}。

2-甲基苯甲醛(2c)：无色液体，收率81%;1H NMR(CDCl3, 400 MHz)δ: 10.27(s, 1H), 7.80(dd,J=7.6 Hz, 1.2 Hz, 1H), 7.48(td,J=7.5 Hz, 1.4 Hz, 1H), 7.36(t,J=7.5 Hz, 1H), 7.26(d,J=7.6 Hz, 1H), 2.67(s, 3H);13C NMR(CDCl3, 101 MHz)δ: 192.8, 140.6, 134.2, 133.7, 132.1, 131.8, 126.3, 19.6; ESI(MS)m/z: 121{[M+H]+}。

苯甲醛(2d)：无色液体，收率87%;1H NMR(CDCl3, 400 MHz)δ: 10.02(s, 1H), 7.88(dd,J=8.3 Hz, 1.4 Hz, 2H), 7.72～7.58(m, 1H), 7.53(dd,J=10.4 Hz, 4.6 Hz, 2H);13C NMR(CDCl3, 101 MHz)δ: 192.4, 136.4, 134.5, 129.8, 129.0; ESI(MS)m/z: 107{[M+H]+}。

4-氟苯甲醛(2e)：无色液体，收率73%;1H NMR(CDCl3, 400 MHz)δ: 9.98(s, 1H), 8.00～7.86(m, 2H), 7.22(dd,J=11.9 Hz, 5.2 Hz, 2H);13C NMR(CDCl3, 101 MHz)δ: 190.5, 167.8, 133.0, 133.0, 132.3, 132.2, 116.5, 116.2; ESI(MS)m/z: 125{[M+1]+}。

3-氟苯甲醛(2f)：无色液体，收率75%;1H NMR(CDCl3, 400 MHz)δ: 10.01(d,J=1.9 Hz, 1H), 7.69(dt,J=7.6 Hz, 1.2 Hz, 1H), 7.62～7.50(m, 2H), 7.35(tdd,J=8.3 Hz, 2.7 Hz, 1.0 Hz, 1H);13C NMR(CDCl3, 101 MHz)δ: 190.9, 190.9, 164.3, 161.9, 138.4, 138.4, 130.8, 130.8, 126.1, 126.1, 121.7, 121.5, 115.4, 115.2; ESI(MS)m/z: 125{[M+H]+}。

2-氟苯甲醛(2g)：无色液体，收率71%;1H NMR(CDCl3, 400 MHz)δ: 10.37(d,J=0.5 Hz, 1H), 7.95～7.81(m, 1H), 7.61(dddd,J=8.4 Hz, 7.3 Hz, 5.4 Hz, 1.9 Hz, 1H), 7.31～7.24(m, 1H), 7.18(ddd,J=10.4 Hz, 8.4 Hz, 0.8 Hz, 1H);13C NMR(CDCl3, 101 MHz)δ: 187.3, 187.2, 166.0, 163.4, 136.4, 136.3, 128.7, 128.7, 124.7, 124.6, 116.6, 116.4; ESI(MS)m/z: 125{[M+H]+}。

4-氯苯甲醛(2h)：无色固体，收率86%, m.p.48 ℃;1H NMR(CDCl3, 400 MHz)δ: 10.00(s, 1H), 7.91～7.80(m, 2H), 7.63～7.43(m, 2H);13C NMR(CDCl3, 101 MHz)δ: 197.3, 144.6, 140.1, 136.4, 134.6; ESI(MS)m/z: 141{[M+H]+}。

4-溴苯甲醛(2i)：无色固体，收率84%, m.p.55～58 ℃;1H NMR(CDCl3, 400 MHz)δ: 10.00(s, 1H), 7.91～7.80(m, 2H), 7.63～7.43(m, 2H);13C NMR(CDCl3, 101 MHz)δ: 191.0, 135.1, 132.4, 131.0, 129.8; ESI(MS)m/z: 185{[M+H]+}。

4-硝基苯甲醛(2j)：黄色粉状固体，收率63%, m.p.103～106 ℃;1H NMR(CDCl3, 400 MHz)δ: 10.18(s, 1H), 8.45～8.34(m, 2H), 8.13～8.03(m, 2H);13C NMR(CDCl3, 101 MHz)δ: 190.3, 151.1, 140.1, 130.5, 124.3; ESI(MS)m/z: 152{[M+H]+}。

4-氰基苯甲醛(2k)：白色固体，收率66%, m.p.100～102 ℃;1H NMR(CDCl3, 400 MHz)δ: 10.10(s, 1H), 8.04～7.97(m, 2H), 7.91～7.80(m, 2H);13C NMR(CDCl3, 101 MHz)δ: 190.7, 138.8, 132.9, 129.9, 117.7, 117.6; ESI(MS)m/z: 132{[M+H]+}。

4-醛基苯甲酸(2l)：白色固体，收率68%, m.p.247 ℃;1H NMR(DMSO, 400 MHz)δ: 13.39(s, 1H), 10.09(s, 1H), 8.17～8.07(m, 2H), 8.06～7.97(m, 2H);13C NMR(DMSO, 101 MHz)δ: 193.4, 167.0, 139.3, 136.1, 130.4, 130.0; ESI(MS)m/z: 151{[M+H]+}。

4-叔丁基苯甲醛(2m)：淡黄色液体，收率82%;1H NMR(CDCl3, 400 MHz)δ: 10.01(s, 1H), 7.84(d,J=8.4 Hz, 2H), 7.58(d,J=8.3 Hz, 2H), 1.38(s, 9H);13C NMR(CDCl3, 101 MHz)δ: 192.0, 158.5, 134.1, 129.7, 126.0, 35.4, 31.1; ESI(MS)m/z: 163{[M+H]+}。

4-甲氧基苯甲醛(2n)：无色液体，收率82%;1H NMR(CDCl3, 400 MHz)δ: 9.89(s, 1H), 7.93～7.79(m, 2H), 7.06～6.94(m, 2H), 3.89(s, 3H);13C NMR(CDCl3, 101 MHz)δ: 190.8, 164.6, 132.0, 130.0, 114.3, 55.6; ESI(MS)m/z: 137{[M+H]+}。

2-萘甲醛(2o)：淡黄色固体，收率79%, m.p.58～61 ℃;1H NMR(CDCl3, 400 MHz)δ: 10.19(s, 1H), 8.37(s, 1H), 8.13～7.90(m, 4H), 7.65(dddd,J=22.8 Hz, 8.1 Hz, 6.9 Hz, 1.3 Hz, 2H);13C NMR(CDCl3, 101 MHz)δ: 192.3, 136.5, 134.6, 134.2, 132.7, 129.6, 129.1, 129.1, 128.1, 127.1, 122.8; ESI(MS)m/z: 157{[M+H]+}。

苯乙酮(2p)：无色液体，收率84%;1H NMR(CDCl3, 400 MHz)δ: 8.09～7.90(m, 2H), 7.63～7.53(m, 1H), 7.53～7.45(m, 2H), 2.62(s, 3H);13C NMR(CDCl3, 126 MHz)δ: 197.1, 136.0, 132.0, 130.0, 128.4, 26.6; ESI(MS)m/z: 121{[M+H]+}。

4-氟苯乙酮(2q)：无色液体，收率67%;1H NMR(CDCl3, 400 MHz)δ: 8.09～7.81(m, 2H), 7.09(t,J=8.6 Hz, 2H), 2.55(s, 3H);13C NMR(CDCl3, 101 MHz)δ: 196.4, 167.0, 164.5, 133.6, 133.6, 131.0, 130.9, 115.7, 115.5, 26.5; ESI(MS)m/z: 139{[M+H]+}。

4-氯苯乙酮(2r)：无色液体，收率73%;1H NMR(CDCl3, 400 MHz)δ: 8.04～7.84(m, 2H), 7.53～7.40(m, 2H), 2.62(s, 3H);13C NMR(CDCl3, 101 MHz)δ: 196.8, 139.6, 135.5, 129.7, 128.9, 26.5; ESI(MS)m/z: 155{[M+H]+}。

4-溴苯乙酮(2s)：无色液体，收率81%;1H NMR(CDCl3, 400 MHz)δ: 7.90～7.75(m, 2H), 7.65～7.51(m, 2H), 2.59(s, 3H);13C NMR(CDCl3, 101 MHz)δ: 197.0, 135.8, 131.9, 129.8, 128.3, 26.5; ESI(MS)m/z: 199{[M+H]+}。

2-萘乙酮(2t)：白色固体，收率73%, m.p.53～55 ℃;1H NMR(CDCl3, 400 MHz)δ: 8.47(s, 1H), 8.05(dd,J=8.6 Hz, 1.7 Hz, 1H), 7.97(d,J=8.0 Hz, 1H), 7.89(dd,J=8.3 Hz, 4.6 Hz, 2H), 7.59(dtd,J=16.2 Hz, 6.9 Hz, 1.3 Hz, 2H), 2.73(s, 3H);13C NMR(CDCl3, 101 MHz)δ: 198.1, 135.6, 134.5, 132.5, 130.2, 129.6, 128.5, 128.4, 127.8, 126.8, 123.9, 26.7; ESI(MS)m/z: 171{[M+H]+}。

二苯甲酮(2u)：白色固体，收率75%, m.p.47～51℃;1H NMR(CDCl3, 400 MHz)δ: 7.84(ddd,J=7.3 Hz, 2.9 Hz, 1.6 Hz, 4H), 7.67～7.58(m, 2H), 7.51(tt,J=6.7 Hz, 1.2 Hz, 4H);13C NMR(CDCl3, 101 MHz)δ: 196.8, 137.6, 132.4, 130.1, 128.3; ESI(MS)m/z: 183{[M+H]+}。

2 结果与讨论

2.1 mpg-C3N4的表征

(1) XRD

图1为mpg-C3N4的XRD谱图。从图中可以看出mpg-C3N4在13.2°和27.4°两个XRD峰，这两个XRD峰分别对应石墨相氮化碳的(100)和(002)晶面。表明已成功合成了氮化碳催化剂。

2θ/(°)

(2) BET

图2为mpg-C3N4催化剂的氮气吸附-脱附等温线和Barret-Joyner-Halenda(BJH)孔径分布曲线。由图可知，mpg-C3N4催化剂的氮气吸附-脱附等温线上位于0.45

P/P0

(3) UV-Vis

mpg-C3N4作为光催化剂对光的吸收性能通过紫外-可见漫反射光谱(DRS)进行表征。图3显示mpg-C3N4对光的吸收边缘大约在450 nm左右。如图所示，mpg-C3N4的Eg约为2.84 eV。而文献中g-C3N4的禁带宽度为2.70 eV[26]， mpg-C3N4的紫外可见光谱较文献中g-C3N4发生了蓝移，这体现了量子尺寸效应。因此，mpg-C3N4的光催化效果更好。

λ/nm

2.2 反应条件优化

为获得最佳的收率，以4-甲基氯苄(1a)作为模板反应，探究催化剂种类及用量，溶剂和反应时间对反应的影响，结果见表1。首先对光催化剂的种类进行了筛选，Ru(bpy)3Cl2、 Ir(ppy)3、 Eosin Y和Rhodamine B这些均相光催化剂都可以催化底物并获得目标产物，但是收率都不理想(表1, Entry 1～4)。使用g-C3N4时可以获得稍高的产率(表1, Entry 5)，而比表面积更大的mpg-C3N4可以得到较优的产率(表1, Entry 6)。接下来我们对溶剂种类进行了筛选。当使用甲醇时收率急剧下降(表1, Entry 7)，使用MeCN/H2O混合溶液时收率有所升高，并确定MeOH/H2O最适比例为3/1(V/V)(表1, Entry 8)。

表1 反应条件对2a收率的影响

通过改变催化剂的用量发现收率均有所下降(表1, Entry 10, 11)，于是确定催化剂用量为20 mg。最后优化反应时间发现，反应收率在6 h时达到最大(表1, Entry 12)，随着继续延长反应时间，反应收率开始下降(表1, Entry 13)，主要原因是醛发生了进一步的氧化从而增加了副反应。综上，可见光催化下，苄基卤化物氧化合成芳基醛或酮的最优反应条件为：4-甲基氯苄1a(1 mmol), Na2CO3(2 mmol), mpg-C3N4(20 mg), CH3CN(1.5 mL), H2O(0.5 mL)，在充满氧气的反应管中用氙灯照射6 h。

2.3 底物适应性

为研究在最优条件下本反应的底物普适性(Scheme 1)，进行了底物拓展：以苄基卤化物氧化合成了一系列的芳基醛或酮及其衍生物(2a～2u)，并得到63%～87%收率。通过甲基和氟在苯环上的邻间对取代，发现取代基的空间位阻效应对反应影响较小(81%～83%, 71%～75%)。但是取代基的电子效应对反应有较大的影响：甲氧基、甲基、卤素取代的苄基卤化物反应后获得良好的产率(73%～86%)，而硝基，氰基和羧基由于吸电子效应导致反应收率较低(63%～65%)。

Scheme 1

2.4 催化剂的循环稳定性实验

催化剂的稳定性也是一个重要的考虑因素。以4-甲基氯苄1a(1 mmol), Na2CO3(2 mmol), mpg-C3N4(20 mg), CH3CN(1.5 mL), H2O(0.5 mL)，在充满氧气的反应管中用氙灯照射6 h。反应结束后mpg-C3N4开始慢慢沉淀，通过离心-乙醇洗涤，重复3次并于烘箱60 ℃干燥后继续投入下次循环中。从表2可以看出催化剂循环第5次时依然具有良好的催化活性。