臭氧氧化有機(jī)小分子反應(yīng)研究進(jìn)展

徐仁杰，壽成偉，夏穎帆，蔣成君

（1.浙江科技學(xué)院生物與化學(xué)工程學(xué)院，杭州 310029；2.內(nèi)蒙古恒業(yè)成有機(jī)硅有限公司，內(nèi)蒙古 烏海 016000）

氧化反應(yīng)是合成化學(xué)的基本反應(yīng)之一，廣泛地應(yīng)用于醫(yī)藥、農(nóng)藥等精細(xì)化工產(chǎn)品的生產(chǎn)[1]。常用的氧化劑有高氯酸、高錳酸、重鉻酸及其鹽類(lèi)化合物，還包括雙氧水、過(guò)氧化鈉等，這些氧化劑大多都會(huì)產(chǎn)生大量有毒廢物，帶來(lái)嚴(yán)重的環(huán)境污染。臭氧氧化技術(shù)采用臭氧作為氧化劑，具有高效、環(huán)保、清潔的特點(diǎn)，在反應(yīng)結(jié)束后可以自行分解不產(chǎn)生殘留和嚴(yán)重的三廢污染問(wèn)題，符合當(dāng)今綠色化學(xué)、清潔生產(chǎn)的發(fā)展要求[2]。

臭氧在常溫下是一種有特殊臭味的淡藍(lán)色氣體，可自行分解為氧氣。其熱分解為雙原子氧，釋放出143 kJ/mol的能量。O3分子中1個(gè)中心氧原子以sp2雜化與其他2個(gè)氧原子相結(jié)合形成三角形分子，鍵角為116.8°，分子中還存在三原子四電子非定域π鍵垂直于分子平面，O－O鍵距離為0.127 8 nm，表現(xiàn)出了相當(dāng)大的雙鍵特征[3]。臭氧的體積很小，但它卻是一種難以用量子化學(xué)研究的分子，主要是由于臭氧價(jià)電子的廣泛離域性。

本文敘述臭氧氧化有機(jī)小分子方面的研究進(jìn)展，并對(duì)其進(jìn)行總結(jié)和展望，以期對(duì)臭氧氧化有機(jī)小分子有更深入的了解，為臭氧氧化技術(shù)在有機(jī)合成領(lǐng)域的應(yīng)用拓展提供理論基礎(chǔ)。

1 臭氧與碳?xì)浠衔锓磻?yīng)

用臭氧氧化順式和反式十氫萘可以生成雙環(huán)[4,4,0]癸烷-9-醇。PRYOR等發(fā)現(xiàn)，臭氧對(duì)甲基和亞甲基具有一定的進(jìn)攻作用，特別是對(duì)苯基位置的甲基和亞甲基[4]。在異丙苯的臭氧化反應(yīng)中，當(dāng)溫度加熱到室溫時(shí)，異丙苯會(huì)生成三氧化異丙苯，進(jìn)一步生成二甲基苯甲醇：

CERKOVNIK等對(duì)異丙苯的臭氧化進(jìn)行了更深入的研究，通過(guò)核磁共振證明了異丙苯臭氧化的產(chǎn)物中有三氧化二氫（HOOOH）和異丙苯臭氧化物的存在，認(rèn)為異丙苯臭氧化物的形成與自由基機(jī)理有關(guān)，自由基（HOOO·）從異丙苯基自由基中得到氫原子形成HOOOH[5]：

OLAH等認(rèn)為在強(qiáng)酸性介質(zhì)中進(jìn)行碳?xì)浠衔锏某粞趸瘯r(shí)，質(zhì)子化的臭氧會(huì)觸發(fā)親電取代[6-7]：

MAZUR等在-78℃，用質(zhì)量分?jǐn)?shù)4.5%的臭氧氧化具有叔碳原子的衍生物，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)物中叔醇的收率很高[8]。這種方法通常適用于環(huán)狀飽和烴：

C－C鍵在-45℃硅膠上發(fā)生臭氧化，則裂解成酮：

溫度對(duì)產(chǎn)物比例有影響，在3-甲基戊烷的臭氧化反應(yīng)中，隨著溫度升高，酮的比例逐漸增加：

新戊烷在這些條件下不被氧化，MAZUR解釋C－C鍵的斷裂是臭氧的親電攻擊，然后是碳的分子內(nèi)移動(dòng)[9]：

RINDONE等報(bào)道了環(huán)癸烷和環(huán)十二烷的臭氧化反應(yīng)得到59%環(huán)烷酮和6%的環(huán)烷醇（轉(zhuǎn)化率96%）[10]：

MEIJèRE等提出，臭氧化也適用于α-位環(huán)丙基烴的官能化，生成環(huán)丙基烷基酮。此外，α位氧化成環(huán)丙基優(yōu)于叔位的羥基化[11]：

AVZYANOVA等在-90℃下臭氧氧化金剛烷，得到了非常有選擇性的金剛烷-1-醇[12]：

MAZUR等通過(guò)C25-H前體的區(qū)域選擇性羥基化實(shí)現(xiàn)了在1-α,25-二羥基維生素D3合成的過(guò)程中合成C25-OH中間體（收率51%，轉(zhuǎn)化率11%）[13]：

這對(duì)于失活C－H鍵的羥基化很有指導(dǎo)意義。不飽和化合物的雙鍵在溴化的保護(hù)下，也可使用該方法。

夏士朋等提出了臭氧氧化對(duì)硝基甲苯制備對(duì)硝基苯甲酸的新工藝，收率高達(dá)93%[14]：

通過(guò)臭氧與碳?xì)浠衔锏姆磻?yīng)可以得到一些相應(yīng)的醇，酮等化合物，這些化合物通過(guò)常規(guī)的方法很難合成。

2 臭氧與烯烴反應(yīng)

德國(guó)化學(xué)家SCH?NBOIN首次對(duì)臭氧與烯烴等有機(jī)物的反應(yīng)進(jìn)行了研究。在此基礎(chǔ)上HARRIES等進(jìn)行了更為廣泛深入的研究，發(fā)現(xiàn)了著名的HARRIES臭氧化反應(yīng)。該反應(yīng)是將臭氧氣流通入含烯烴的溶液中，烯烴在臭氧的作用下，其雙鍵從中間斷裂，同時(shí)生成2個(gè)羰基化合物。隨后在硫化合物等還原劑的作用下可以得到羰基化合物（Me為甲基）：

德國(guó)化學(xué)家CRIEGEE提出了3步反應(yīng)機(jī)理：1）臭氧先對(duì)烯烴進(jìn)行1,3-偶極環(huán)加成得到一級(jí)臭氧化物；2）重排得到兩性離子過(guò)氧化物；3）再一次1,3-偶極環(huán)加成生成最終的臭氧化物。反應(yīng)式為：

臭氧的高活性導(dǎo)致各種不同的反應(yīng)路徑相互競(jìng)爭(zhēng)，其分解機(jī)理的仍然不明確[15]。BAILEY等根據(jù)大量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果提出，初始協(xié)同的1,3-偶極環(huán)加成步驟決定了一級(jí)臭氧化合物的立體化學(xué)特性；E-烯烴形成具有雙軸向或雙橫向取代基的反式-一級(jí)臭氧化合物，而Z-烯烴形成具有軸向和橫向取代基的順式-一級(jí)臭氧化合物[16]。CREMER采用從頭算理論計(jì)算了烯烴臭氧化反應(yīng)的整個(gè)歷程，提出反應(yīng)的立體選擇性主要是由環(huán)上的取代基與取代基之間、偶極與偶極之間、取代基與環(huán)之間的相互作用來(lái)決定的[17]。

STORY提出了其他機(jī)理，作為烯烴臭氧化反應(yīng)的重要中間體，羰基氧化物在羰基的加成反應(yīng)中一般會(huì)發(fā)生不同程度的二聚和多聚。隨著親偶極體(如酮)的活性逐漸降低，羰基氧化物可直接被親核試劑捕獲，反應(yīng)不產(chǎn)生二級(jí)臭氧化物和其他過(guò)氧化物[18-20]。例如通過(guò)內(nèi)部捕獲臭氧分解樺樹(shù)還原芳香族化合物而產(chǎn)生的羰基氧化物，合成了三環(huán)雙螺氧基縮酮（X為OH或OOH、OMe）：

RIVA等在合成香豆素-8-卡巴醛的過(guò)程的最后一步使用了臭氧氧化體系，在含有過(guò)量聚合物負(fù)載的硫脲臥式填充床上進(jìn)行臭氧化合物的還原，得到醛類(lèi)化合物收率達(dá)92%[21-22]：

艾買(mǎi)提江·薩伍提等以油酸甲酯為原料，用臭氧氧化法制備壬二酸單甲酯（產(chǎn)物收率達(dá)78%以上，純度高達(dá)96%）[23]：

臭氧氧化烯烴是一種非常好的酮類(lèi)化合物的合成方法，在工業(yè)上是有較大的應(yīng)用價(jià)值。

3 臭氧與醇反應(yīng)

PLESNI?AR等在低溫下用臭氧氧化仲醇（如異丙醇），得到了相應(yīng)的臭氧化物。溫度升高，三氧化二氫（HOOOH）會(huì)分解為其他多種產(chǎn)物（t-BuOMe為甲基叔丁基醚）[24]：

ABDRAKHMANOVA等在-70℃下，以CFCl3為溶劑，用臭氧氧化外-雙環(huán)[2,2,1]庚烷-2-醇，得到了相應(yīng)的臭氧化物。當(dāng)溫度升至室溫后，分解為雙環(huán)[2,2,1]庚烷-2-酮和氧氣[25]：

臭氧氧化醇可以得到相應(yīng)的酮，醛或酸，避免了重鉻酸鉀等氧化所帶來(lái)的污染問(wèn)題。

4 臭氧與醚反應(yīng)

PRICE等用臭氧氧化仲醚，生成相應(yīng)的臭氧化物。臭氧氧化仲醚的第一步是將臭氧插入氧原子旁邊的C－H鍵[26]：

ERICKSON等在-78℃下臭氧化純二異丙醚，隨后將所得混合物加熱到室溫，得到3種產(chǎn)物，丙酮、異丙醇和乙酸異丙酯（摩爾比1:1.3:2.7）[27]：

結(jié)果可以通過(guò)臭氧化物的周環(huán)分解機(jī)理來(lái)解釋?zhuān)?/p>

PLESNI?AR等提出從甲基α-甲基芐醚或α-甲基芐醇中提取的臭氧化物，是通過(guò)氫鍵自身締合產(chǎn)生的（R為H或Me，Ph為苯基）：

隨后，PLESNI?AR等又對(duì)這一觀點(diǎn)進(jìn)行了修正。即便不能完全排除臭氧化物的非自由基（“周環(huán)”）分解路徑，但有證據(jù)支持RO－OOH鍵斷裂和隨后的籠型自由基對(duì)歧化。

臭氧氧化醚可以得到相應(yīng)的醇或酮，常規(guī)的氧化反應(yīng)難以實(shí)現(xiàn)這一過(guò)程。

5 臭氧與醛反應(yīng)

PLESNI?AR等在低溫下臭氧氧化苯甲醛，首先臭氧1,3偶極體插入到醛的C－H鍵中，然后所產(chǎn)生的臭氧化物發(fā)生分子內(nèi)氫轉(zhuǎn)移迅速分解，生成苯甲酸和單線態(tài)氧[28]：

HOCKING等認(rèn)為在DAKIN反應(yīng)中應(yīng)該加入一種臭氧化物中間體。他們發(fā)現(xiàn)過(guò)氧化氫的反應(yīng)為1、4級(jí)，而酮的反應(yīng)為1級(jí)。在非常溫和的條件下，即可實(shí)現(xiàn)臭氧氧化醛得到酸[29]。

6 總結(jié)與展望

目前，臭氧在化工氧化方面存在如下問(wèn)題：1）臭氧含量過(guò)低，傳統(tǒng)電解技術(shù)制備的臭氧的質(zhì)量分?jǐn)?shù)只能達(dá)到20%；2）反應(yīng)產(chǎn)物中如何將未反應(yīng)的臭氧/氧氣與液相物料分開(kāi)；3）臭氧的在線檢測(cè)設(shè)備等有待于進(jìn)一步研究；4）臭氧化合物的不穩(wěn)定導(dǎo)致很難用儀器檢測(cè)其結(jié)構(gòu)，一些反應(yīng)的機(jī)理尚不明確。

臭氧的強(qiáng)氧化能力很容易打斷烯烴等有機(jī)物的碳鍵結(jié)合鍵，使其部分氧化后再組成新的化合物。目前，作為一種綠色清潔的氧化技術(shù)，臭氧氧化并不僅僅局限于處理有機(jī)廢水，在有機(jī)合成過(guò)程中也逐漸趨于成熟，并且在香料、香精、制藥等行業(yè)上得到很大規(guī)模應(yīng)用。如在生產(chǎn)培南類(lèi)抗生素中間體4-乙酰氧基氮雜環(huán)丁酮的過(guò)程中就大規(guī)模的使用了臭氧氧化技術(shù)。臭氧氧化處理廢水所使用的是含低含量臭氧的空氣或氧氣，臭氧生產(chǎn)的效率的不足是制約其在有機(jī)合成中應(yīng)用的原因之一。臭氧氧化以產(chǎn)生自由基等活性中間體來(lái)強(qiáng)化臭氧化，自由基很難通過(guò)常規(guī)的方法檢測(cè)，基礎(chǔ)研究薄弱。對(duì)臭氧基礎(chǔ)理論進(jìn)行研究是解決其大規(guī)模應(yīng)用的途徑之一。