β-環(huán)糊精在有機合成中的應用研究進展

陳炎釗

(紹興文理學院化學化工學院， 浙江 紹興 312000)

大多數(shù)有機反應中都存在反應產(chǎn)率低，時間長、副產(chǎn)物多的缺點，選擇增加合適的催化劑的使用可以使反應的選擇性提高、縮短反應時間、保證化學反應產(chǎn)物的高產(chǎn)率。β-環(huán)糊精(β-CD)是一種環(huán)狀低聚糖，是由7個吡喃葡萄糖基單元通過α-1，4-糖苷鍵聯(lián)而成的，具有內腔疏水、外腔親水的特點，提供疏水的結合部位，作為主體包結客體。本文對β-環(huán)糊精在合成反應、保護、脫保護反應、水解、開環(huán)、還原、加成、置換等反應的應用進行綜述。

1 合成反應

1.1 合成N-苯基鄰苯二甲酰亞胺

N-苯基鄰苯二甲酰亞胺是制備吲哚洛芬和2,3,4,5-四氟苯甲酸的關鍵中間體，在生物、醫(yī)藥方面廣泛應用。許子凌等人[1]以β-環(huán)糊精為催化劑，苯胺和鄰苯二甲酸酐為原料，在水溶劑中合成了N-苯基鄰苯二甲酰亞胺，100℃下反應5h，適當提高酸性，收率達88.7%，結果表明β-環(huán)糊精在酸性下有著良好的催化活性，且催化劑重復使用性好。

1.2 合成對羥基苯甲酸

對羥基苯甲酸是尼泊金酯類食品和化妝品防腐劑的主要原料。梁興泉等人[2]將苯酚和四氯化碳在溫和條件下反應生成對羥基苯甲酸，但通常生成的是對羥基苯甲酸和水楊酸兩種產(chǎn)物的混合物，不加CD時，對羥基苯甲酸的產(chǎn)率僅為8.6%，選擇性為55%，若以環(huán)糊精為催化劑，則對羥基苯甲酸的產(chǎn)率提高至40%，選擇性達到100%，而且作為催化劑的CD可回收并反復使用而不影響其選擇性。

1.3 合成縮醛

Daohong Xia等人[3]以β-環(huán)糊精為催化劑，合成了一系列的縮醛包括苯甲醛乙二醇縮醛、苯甲醛-1,2-丙二醇縮醛、苯甲醛-1,3-丙二醇縮醛、苯乙醛乙二醇縮醛等，實驗表明β-環(huán)糊精對有效催化制備縮醛的反應是合適的選擇。

1.4 合成硫氰酸芐酯

張有明等人[4]以β-環(huán)糊精為催化劑，通過芐基氯與硫氰酸鈉反應合成了硫氰酸芐酯，實驗表明β-環(huán)糊精對該反應有一定的催化作用。

1.5 合成β-羥基硫化物

Surendra等人[5]在中性環(huán)境下烯烴與苯硫酚經(jīng)β-環(huán)糊精催化直接合成β-羥基硫化物，反應產(chǎn)率良好，具有高效的化學選擇性，且作為催化劑的CD可回收并反復使用而不改變催化活性。

2 保護反應

Kumar等人[6]以苯甲氧基羰基氯為保護基團，發(fā)現(xiàn)了在常溫下β-環(huán)糊精的水溶液體系中選擇性保護胺的胺基的反應，不僅反應快速(1～4min)，產(chǎn)率也高(89%～98%)。

3 脫保護反應

3.1 四氫吡喃醚的脫保護反應

通過形成四氫吡喃醚來保護羥基，通常四氫吡喃醚的脫保護反應有副產(chǎn)物產(chǎn)生。Reddy等人[7]在β-環(huán)糊精的水溶液體系中實現(xiàn)了羥基的脫保護反應，在50℃下反應8～12h，多種底物的單獨收率各達70%以上。

3.2 叔丁基二甲基硅醚的氧化脫保護反應

形成叔丁基二甲基硅醚也是廣泛應用的保護羥基的方法。盡管有許多關于對叔丁基二甲基硅醚脫保護的報道，但很少能一步完成叔丁基二甲基硅醚的氧化脫保護，以N-溴代丁二酰亞胺(NBS)為氧化劑，Reddy等[8]將叔丁基二甲基硅醚脫保護至醇后，再將醇氧化為相應的醛，產(chǎn)率為60%～92%，且沒有氧化產(chǎn)物酸生成。

3.3 肟的脫保護反應

將羰基轉化為相應的肟以保護羰基。利用β-環(huán)糊精對有機物的增溶和活化作用這一特性，石東坡等人[9]將β-環(huán)糊精應用于環(huán)己酮肟的脫保護反應，實驗結果表明，β-環(huán)糊精通過和酸共同作用顯著地催化了該脫保護反應，在60℃下加入β-環(huán)糊精，反應收率提高至92%。

3.4 二醋酸酯的脫保護反應

二醋酸酯易形成和脫去，因此成為保護羰基的常用方法。Reddy等[10]發(fā)現(xiàn)了在水中和在β-環(huán)糊精的催化下，直接將二醋酸酯脫保護生成相應的醛，與傳統(tǒng)的脫保護反應相比，反應條件更溫和。

3.5 縮醛、縮酮的脫保護反應

形成縮醛或二氧戊環(huán)也是一種保護羰基基團的方法。Krishnaveni等[11]實現(xiàn)了β-環(huán)糊精催化50℃下水中的芳香縮醛的脫保護反應，形成相應的醛。在眾多縮醛和二氧戊環(huán)中，只有具有適合空間的醇類才能得以順利的脫保護。

3.6 醛縮硫醇的脫保護氧化反應

除以上保護羰基基團的方法外，醛縮硫醇因其易形成且在許多條件下穩(wěn)定也成為保護羰基的基團。Krishnaveni等[12]實現(xiàn)了以醛縮硫醇為底物、以2-碘?；郊姿?IBX)為氧化劑，在常溫的β-環(huán)糊精水溶液中完成了醛縮硫醇的脫保護反應，將S氧化為O，得到了相應的羰基化合物，產(chǎn)率在85%～94%，無β-環(huán)糊精時，反應的產(chǎn)率僅10%～20%。

4 水解反應

由于CD所具備的特殊結構，因此成為目前人工合成模擬酶研究中的模型之一，研究發(fā)現(xiàn)β-環(huán)糊精以及修飾后的β-環(huán)糊精可以模擬許多酶對有機化合物進行催化水解反應等生化反應，曹書霞等人[13]發(fā)現(xiàn)了β-環(huán)糊精可以催化N-二異丙氧磷?；被岬乃夥磻?。

5 開環(huán)反應

5.1 氧雜環(huán)丙烷的開環(huán)反應

氧雜環(huán)丙烷選擇性開環(huán)制備β-羥基類化合物，一般采用金屬類催化劑而收率較低，環(huán)糊精的底物選擇性和反應催化能力可提高反應的收率。Reddy等人[14]在β-環(huán)糊精水溶液中，以鹵化氫或鹵化鋰為開環(huán)劑，將氧雜環(huán)丙烷轉化為β-鹵代醇。β-環(huán)糊精和底物(端基環(huán)氧化物)形成包合物，提高了反應的選擇性。室溫下在β-環(huán)糊精水溶液中加入N-溴代丁二酰亞胺(NBS)或2-碘?；郊姿?IBX)，都能有效的將芳香氧雜環(huán)丙烷轉化為α-羥基芳香酮。當苯環(huán)上有給電子基團時，則有利于反應進行；當苯環(huán)上有吸電子基團時，則不利于反應進行。若無β-環(huán)糊精的存在，則該反應不能進行，說明了β-環(huán)糊精能對該反應有效催化。

5.2 氮雜環(huán)丙烷的開環(huán)反應

與氧雜環(huán)丙烷相似，氮雜環(huán)丙烷在β-環(huán)糊精水溶液中也能開環(huán)。以鹵化氫或鹵化鋰、苯硫酚、芳胺等為開環(huán)劑，在β-環(huán)糊精水溶液中能順利完成含氮雜環(huán)丙烷系列的開環(huán)反應。Srinivas等人[15]在β-環(huán)糊精水溶液中直接將氮雜環(huán)丙烷開環(huán)，產(chǎn)率達85%以上，該反應在中性溫和條件下進行，沒有使用任何開環(huán)劑，是一個環(huán)保的方法。與氧雜環(huán)丙烷的開環(huán)氧化反應相似，在β-環(huán)糊精的催化下，以NBS或IBX為氧化劑，芳香氮雜環(huán)丙烷被直接氧化為α-胺基芳香酮，產(chǎn)率達90%以上。

5.3 硫雜環(huán)丙烷的親核開環(huán)反應

硫雜環(huán)丙烷同樣也能開環(huán)，但已報道的方法存在許多缺點，例如反應時間長、收率低等。Reddy等人[16]在β-環(huán)糊精水溶液中，以硫代苯酚為親核試劑，將硫雜環(huán)丙烷開環(huán)，產(chǎn)率高達90%，且該方法簡單，無聚合現(xiàn)象，對環(huán)境無害。

5.4 C-3選擇性開環(huán)反應

當環(huán)氧化合物不在末端時，水解發(fā)生在哪個碳上是有選擇性的。Surendra等人[17]研究在β-環(huán)糊精催化下對兩個碳的選擇性，發(fā)現(xiàn)了以芳香胺為親核試劑，在C-3上選擇性水解而得到相應的氨基醇，反應無副產(chǎn)物或重排產(chǎn)物生成，且收率高(80%～92%)，研究表明β-環(huán)糊精激活了底物，與環(huán)氧化合物形成了包合物。氫譜表明了反應選擇性高的原因，即當環(huán)氧化物還在β-環(huán)糊精的空腔內時，芳香胺從β-環(huán)糊精小口端進攻C-3位。

6 還原反應

Reddy等[18]發(fā)現(xiàn)了含有疊氮基團芳香酮的不對稱還原反應，由于苯環(huán)上其他的基團與疊氮基團在β-環(huán)糊精中的空間位置存在差異，有些給電子基團例如甲基、異氧丙基等則可獲得很高的對映選擇性，有些吸電子基團例如硝基等幾乎沒有對映選擇性。

7 加成反應

7.1 催化Diels-Alder反應

Nishikido等[19]發(fā)現(xiàn)了金屬酶模型的環(huán)糊精催化劑CDP-Sc(C4-methide)3使Diels-Alder反應在室溫下反應8h，產(chǎn)率達95%，而其他催化劑只有10%左右的收率。原因是反應底物進入環(huán)糊精空腔，與金屬中心接近，催化效率高。

7.2 醛的烯丙基化

Krishanaveni等[20]在酸性、水介質中，以烯丙基三丁基錫為烯丙基化試劑，以β-環(huán)糊精為催化劑，實現(xiàn)了一系列醛的烯丙基化，反應無副產(chǎn)物，產(chǎn)率高(88%～96%)，此方法沒有使用路易斯酸或過渡金屬催化劑，對環(huán)境友好。

7.3 芳香炔烴的氫硫化加成反應

Sridhar等[21]實現(xiàn)了對芳香炔烴的氫硫化加成反應，生成了具有立體結構的E-乙烯硫醚，反應在β-環(huán)糊精空腔內進行，反應時間短(4～5h)且反應產(chǎn)物唯一，選擇性好，收率高。

8 置換反應

Krishanaveni等[22]以β-環(huán)糊精為催化劑，通過硫氰酸鉀將氧雜環(huán)丙烷置換為硫雜環(huán)丙烷，該反應的關鍵在于β-環(huán)糊精包結配合物，β-環(huán)糊精不僅活化了底物氧雜環(huán)丙烷，而且通過包結物的形成促使了開環(huán)，若無β-環(huán)糊精的催化，則反應不能進行。

Surendra等[23]以硫脲代替硫氰酸鉀置換出環(huán)硫乙烷化合物，沒有副產(chǎn)物，由于包結物的形成阻礙了客體分子的重排和聚合，避免了重排產(chǎn)物和副產(chǎn)物，同時主客體間的氫鍵作用弱化環(huán)氧乙烷環(huán)，提高了環(huán)氧乙烷環(huán)的反應活性。

9 小結

綜上所述，環(huán)糊精是一類性能優(yōu)良的環(huán)保有機反應催化劑。β-環(huán)糊精具有內腔疏水、外腔親水的特點，不僅有增溶作用，同時具有羥基和底物間的相互作用，由此對反應選擇性產(chǎn)生影響。β-環(huán)糊精使許多反應在溫和的條件下進行，通過乙酸乙酯便可加以回收，實現(xiàn)了資源的重復利用。

[1] 許子凌,羅根祥,劉春生，等.β-環(huán)糊精催化合成N-苯基鄰苯二甲酰亞胺[J]. 化學與黏合,2011,3(1):24-26.

[2] 梁興泉,吳蘭清， 吳蘭清.環(huán)糊精催化對羥基苯甲酸合成工藝研究[J].廣西大學學報(自然科學版),1996,21(3):247-250.

[3] Xia Daohong, Jiang Shengjuan, Li Lantao,et al. The biomimetic catalytic synthesis of acetal compouds usingβ-cyclodextrin as catalyst[J].Chinese Journal of Chemical Engineering,2016,24:140-150.

[4] 魏太保 ， 張有明 ， 王建林. β-環(huán)糊精催化下合成硫氰酸芐酯[J].西北師范大學學報(自然科學版),1999,35(1):47-49.

[5] Surendra K,Krishnaveni N S,Sridhar R,et al.Synthesis of β-hydroxysulfides from alkenes under supramolecular catalysis in the presence of β-cyclodextrin in water[J].J Org Chem,2006,71:5819-5821.

[6] Kumar V P,Reddy M S,Narender M,et al.Aqueous phase mono-protection of amines and amino acids as N-benzyloxycarbonyl derivatives in the presence of β-cyclodextrin[J].Tetrahedron Letter,2006,47:6393-6396.

[7] Reddy M A,Reddy L R,Bhanumathi N, et al.Selective deprotection of tetrahydropyranyl ethers catalysed byβ-cyclodextrin in water[J]. New J Chem,2001,25:359-360.

[8] Reddy M S,Nareder M,Nageswar Y V D,et al.[J].Synthesis，2005:714.

[9] 石東坡，紀紅兵，胡曉芳，等.β-環(huán)糊精促進環(huán)己酮肟水解脫保護生成環(huán)己酮[J].化工學報,2008,59(9):2242-2246.

[10] Reddy M A,Reddy L R,Bhanumathi N,et al.An efficient biomimetic cleavage of gem-diacetates to aldehydes by-Cyclodextrin under neutral conditions in aqueous medium[J]. Synth Commun,2002,32:273-277.

[11] Krishnaveni N S,Surendra K,Reddy M A,et al.Highly of aromatic acetals under neutral conditions deprotection using β-cyclodextrin in water[J].J Org Chem,2003,68:2018-2019.

[12] Krishnaveni N S,Surendra K,Nageswar Y V D,et al.Mild and efficient hydrolysis of aromatic thioacetals/thioketals using o-Iodoxybenzoic acid (IBX) in presence of β- cyclodextrin in water[J].Cheminform,2004,35(11):2295-2297.

[13] 曹書霞，徐 軍，張建臣，等.β-環(huán)糊精催化磷?；被崴夥磻碾妵婌F電離質譜研究[J].質譜學報,2004,25(2):84-87.

[14] Reddy M A,Surendra K,Bhanumathi N,et al.Highlyfacile biomi- metic regioselective ring opening b-CD[J].Tetrahedron,2002,58:6003.

[15] Srinivas B, Kumar V P,Sridhar R,et al.Regioselective nucleophilic opening of epoxides and aziridines under neutral conditions in the presence of β-cyclodextrin in water[J].J Mol Catal A,2007,261:1-5.

[16] Reddy M S,Surendra K,Krishnaveni N S,et al.β-Cyclodextrin-supported, completely regioselective ring opening of thiiranes with thiophenol in water[J]. Helv Chim Acta,2007,90:337-339.

[17] Surendra K, Krishnaveni N S,Rao K R.The selective C-3 cpening of aromatic 2,3-epoxy alcohols/epoxides with aromatic amines catalysed by β-cyclodextrin in water[J].Synlett,2005:506.

[18] Reddy M A,Bhanumathi N,Rao K R.[J].Chem Commun,2001:1974.

[19] Nishikido K,Nanbo M,Yoshida A,et.al.Etallo-enzyme model in pure water: cyclodextrin-lanthanide tris(perfluoroalkanesulfonyl)methide and bis(perfluoroalkanesulfonyl)amide complexes[J]. Synlett,2002(10):1613-1616.

[20] Krishanaveni N S,Surendra K,Kumar V P,et al. Cyclodextrin promoted of allylation of aldehyde with sallylatributyltin under supramolecular catalysis in water[J].Tetrahedron Lett,2005,46:4299-4301.

[21] Sridhar R,Surendra K, Krishanaveni N S ,et al. Stereoselective synthesis of e-vinyl sulfides from alkynes in water under neutral conditions using β-cyclodextrin[J]. Synlett ,2006, 3495-3497.

[22] Krishanaveni NS,Surendra K,Reddy M S,et al.Synthesis of thiiranes from oxiranes in the presence of β-cyclodextrin in water[J].Adv Synth Catal,2004,346:395-397.

[23] Surendra K,Krishanaveni N S.Rao K R. A new and efficient method for the synthesis of thiiranes from oxirane-beta-cyclodextrin complexes and thiourea in water[J].Tetrahedron Letters,2004,45:6523-6526.

(本文文獻格式：陳炎釗.β-環(huán)糊精在有機合成中的應用研究進展[J].山東化工，2018，47(02)：53-54,56.)