氨基醇雜多酸類離子液體催化環(huán)酮的Baeyer-Villiger氧化反應(yīng)

高 崇,于鳳麗,解從霞,于世濤

(1.青島科技大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院生態(tài)化工國家重點實驗室培育基地,2.化工學(xué)院,青島 266042)

Baeyer-Villiger(B-V)氧化反應(yīng)是將環(huán)酮或酮氧化成內(nèi)酯或酯的一類重要有機合成反應(yīng),其產(chǎn)物內(nèi)酯被廣泛用于高價值的商業(yè)產(chǎn)品中,如藥物、 香料、 染料、 抗生素以及一些高分子材料的單體[1～3].傳統(tǒng)的B-V氧化反應(yīng)以過氧酸為氧化劑,如過氧苯甲酸和三氟過氧苯甲酸等[4].雖然此類氧化劑的氧化性較高,但存在副產(chǎn)物污染重、 原子利用率低及高爆炸性等缺點[5].因此,從綠色環(huán)保和原子經(jīng)濟性角度考慮,以H2O2代替過氧酸作為B-V氧化反應(yīng)中的氧化劑是必然趨勢.低濃度H2O2安全低毒、 價格低廉、 后處理方便,副產(chǎn)物只有水,均滿足綠色化學(xué)的要求[6～8].但是H2O2自身的氧化能力并不高,無法直接活化環(huán)酮中的羰基.因此,制備高效的催化劑對于以H2O2為氧化劑的B-V氧化反應(yīng)具有重要意義.

Keggin型雜多酸作為一種質(zhì)子酸,具有獨特的酸性和氧化還原性質(zhì),由于其在催化反應(yīng)中對設(shè)備的低腐蝕性及溫和的反應(yīng)條件,近年來備受關(guān)注[9～11].雜多酸已被應(yīng)用于催化水合反應(yīng)[12]、 傅克酰基化反應(yīng)[13]、 Fries重排反應(yīng)[14]和異構(gòu)化反應(yīng)等[15].

離子液體(IL)作為一種綠色新型的功能性材料,因其具有熱穩(wěn)定性好、 難揮發(fā)、 結(jié)構(gòu)可設(shè)計、 低熔點及易于調(diào)控等優(yōu)良性能,而成為近年來的研究熱點[16～21].

氨基醇類酸功能化離子液體具有制備過程簡單、 結(jié)構(gòu)和功能可調(diào)節(jié)等優(yōu)點,通過在氨基醇的N原子上引入磺酸基可調(diào)節(jié)離子液體的酸性和水溶性.此外,由于氨基醇中帶有天然的手性基團,作為一類新型的手性離子液體對手性合成具有重要意義[22,23].迄今為止,尚未見涉及氨基醇雜多酸類離子液體催化B-V氧化反應(yīng)的報道.本文合成了一系列氨基醇雜多酸類離子液體,并應(yīng)用于催化環(huán)酮的B-V氧化反應(yīng).

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

L-脯氨醇(Pro,C5H11NO,純度98%)、 2-庚基環(huán)戊酮(C12H22O)、 環(huán)戊酮(C5H8O)、 2-甲基環(huán)戊酮(C6H10O)、 4-甲基環(huán)己酮(C7H12O)和環(huán)庚酮(C7H12O)的純度均為99%,購于阿拉丁化學(xué)試劑有限公司; 質(zhì)量分數(shù)為30%的過氧化氫(H2O2)、 磷鎢酸(H3PW12O40·xH2O)、 甲苯(C7H8)、 硅鎢酸(H4SiW12O40)、 乙酸乙酯(C4H8O2)、 無水硫酸鎂(MgSO4)、 磷鉬酸(H3PMo12O40)和碳酸氫鈉(NaHCO3)的純度均為99%,均購于國藥化學(xué)試劑有限公司;L-亮氨醇(Leu,C6H15NO,純度96%)、L-苯丙胺醇(Phe,C9H13NO,純度97%)、L-纈氨醇(Val,C5H13NO,純度98%)、 1,3-丙磺酸內(nèi)酯(C3H6O3S)、 聯(lián)苯(C12H10)、 環(huán)丁酮(C4H6O)、 環(huán)己酮(C6H10O)和2-金剛烷酮(C10H14O)的純度均為99%,均由上海麥克林生化科技有限公司提供.所用其它試劑或溶劑均為化學(xué)純.

7890A/5975C型色譜-質(zhì)譜分析儀(GC-MS,美國Agilent公司); 福立9790Plus型氣相色譜儀(FID檢測器,HP-FFAP毛細管柱,浙江福立分析儀器有限公司); Nicolet 510P型傅里葉變換紅外光譜儀(FTIR,美國Nicolet公司); Bruker AV500型核磁共振波譜儀(NMR,德國Bruker公司); FE20型pH計(上海梅特勒-托利多儀器有限公司).

1.2 實驗過程

1.2.1 催化劑的制備 參考文獻[24,25]方法制備氨基醇雜多酸類離子液體催化劑.所制備ILs的結(jié)構(gòu)如Scheme 1所示.

Scheme 1 Structures of the prepared amino alcohol heteropoly acid ILs

1.2.2 催化B-V氧化反應(yīng) 向裝有回流冷凝管的50 mL三口燒瓶中依次加入0.91 g(5 mmol) 2-庚基環(huán)戊酮、 0.03 mmol催化劑和0.02 g內(nèi)標物聯(lián)苯,攪拌3 min后滴加2.27 g質(zhì)量分數(shù)為30%的H2O2溶液,于50 ℃反應(yīng)6 h.反應(yīng)結(jié)束后,將反應(yīng)液移入分液漏斗中進行分液處理,分出水相.將有機相用質(zhì)量分數(shù)為5%的NaHCO3水溶液洗滌3次,再用蒸餾水洗滌至洗液為中性.將水相用乙酸乙酯萃取,并將萃取液與有機相合并.用無水MgSO4除去有機相中少量水分,減壓蒸餾去除溶劑得產(chǎn)物.用GC-MS對產(chǎn)物進行定性分析(見本文支持信息圖S1); 用配備FID檢測器的氣相色譜儀進行定量分析.2-庚基環(huán)戊酮的B-V反應(yīng)的氣相譜圖見圖S2(見本文支持信息).將水相烘干后,獲得的催化劑可以循環(huán)使用.

2 結(jié)果與討論

2.1 催化劑的催化活性

將制備的催化劑在相同反應(yīng)條件下用于催化2-庚基環(huán)戊酮的B-V氧化反應(yīng).采用正丁胺-乙腈法測定催化劑的酸強度[26,27],將0.5 g催化劑溶于30 mL乙腈中,用pH計記錄溶液的電位變化,磁力攪拌至電位穩(wěn)定,pH計記錄的電位穩(wěn)定值即為該催化劑的酸強度.由表1可見,在無催化劑的條件下,單純的H2O2無法將2-庚基環(huán)戊酮轉(zhuǎn)化為δ-十二內(nèi)酯(表1中Entry 1),并且在無酸性的L-脯氨醇中也未得到相應(yīng)的產(chǎn)物(表1中Entry 2).隨著不同種類雜多酸酸強度的逐漸增大,催化劑的活性逐漸提高(表1中Entries 3～5).不同種類的氨基醇離子液體表現(xiàn)出不同的催化效果(表1中Entries 5～8),其中基于L-脯氨醇制備的[Pro-H]H2PW12O40展示出較好的催化效果.不同比例的氨基醇與雜多酸制備的催化劑隨著其酸強度的降低,催化效果也降低(表1中Entries 5,9和10).通過在氨基醇中引入磺酸基,可進一步提高催化劑的酸強度,從而提升環(huán)酮的轉(zhuǎn)化率與選擇性(表1中Entries 11～16).其中,[Pro-ps]H2PW12O40展示出最佳的催化效果,底物環(huán)酮的轉(zhuǎn)化率為96.18%,產(chǎn)物選擇性為70.26%(表1中Entry 11).這不僅與催化劑的酸度有關(guān),還與催化劑的水溶性有關(guān).[Pro-ps]H2PW12O40具有比[Pro-H]H2PW12O40更好的水溶性,如圖S3(見本文支持信息)所示,將反應(yīng)結(jié)束后的水相離心后,明顯可見[Pro-H]H2PW12O40與水相分離.而[Pro-ps]H2PW12O40與H2O2溶液相互作用后,形成均相溶液,催化劑可以和H2O2充分接觸,H2O2的氧化能力得到進一步增強.[Pro-H]H2PW12O40與H2O2溶液作用后,仍然是非均相體系,其與H2O2的接觸面積以及對H2O2的活化能力均弱于[Pro-ps]H2PW12O40.另外,由表1還可知,適當提高催化體系的酸強度有利于內(nèi)酯產(chǎn)率的提升.H3PW12O40的酸強度要高于[Pro-ps]H2PW12O40(表1中Entry 17),但內(nèi)酯的選擇性卻明顯下降,這是由于體系中酸強度過大促進了內(nèi)酯的水解,使δ-十二內(nèi)酯選擇性下降.因此,催化體系的酸強度應(yīng)該控制在一個合理的范圍內(nèi).

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 催化劑的表征

2.3 催化劑用量對反應(yīng)的影響

由圖1可知,當催化劑用量較少時,體系中酸度較低,H2O2未得到充分活化,因此催化反應(yīng)速率較慢,δ-十二內(nèi)酯的收率較低; 逐漸增加催化劑的用量,底物環(huán)酮的轉(zhuǎn)化率和內(nèi)酯收率得到顯著提升; 當催化劑的使用量(摩爾分數(shù))為2-庚基環(huán)戊酮的3%時,產(chǎn)物內(nèi)酯的反應(yīng)選擇性達到最大值; 繼續(xù)加大催化劑使用量,δ-十二內(nèi)酯的選擇性卻出現(xiàn)下降趨勢,這是因為過量的催化劑使體系中酸量過高,加快了內(nèi)酯的水解速率.綜合考慮,確定最佳的催化劑用量(摩爾分數(shù))為2-庚基環(huán)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 氧化劑用量對反應(yīng)的影響

在B-V氧化反應(yīng)過程中,氧化劑的用量是重要的影響因素.如圖2所示,隨著H2O2用量的增加,底物環(huán)酮的轉(zhuǎn)化率和產(chǎn)物內(nèi)酯的選擇性先增大后減小.當n(H2O2)∶n(2-庚基環(huán)戊酮)=4∶1時,δ-十二內(nèi)酯的選擇性達到最大值; 繼續(xù)增大H2O2的用量,δ-十二內(nèi)酯產(chǎn)率和選擇性呈現(xiàn)持續(xù)減小的趨勢.這是由于隨著H2O2溶液用量的增加,體系中的含水量也不斷增加,由此促進了δ-十二內(nèi)酯的水解反應(yīng); 且過量的H2O2會將δ-十二內(nèi)酯的水解產(chǎn)物5-羥基十二酸繼續(xù)氧化生成5-羰基十二酸,因此δ-十二內(nèi)酯的水解平衡向右移動,使其反應(yīng)選擇性持續(xù)減小.綜上,確定最佳的氧化劑用量為n(H2O2)∶n(2-庚基環(huán)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 溫度對反應(yīng)的影響

為了探討溫度變化對催化反應(yīng)的影響,分別考察了20,30,40,50,60和70 ℃下底物環(huán)酮轉(zhuǎn)化率及產(chǎn)物內(nèi)酯選擇性的變化情況.反應(yīng)溫度的上升提高了分子間有效碰撞的次數(shù),使催化劑的催化活性明顯增強,2-庚基環(huán)戊酮的轉(zhuǎn)化率與δ-十二內(nèi)酯的產(chǎn)率與選擇性持續(xù)升高,當反應(yīng)溫度為40 ℃時,產(chǎn)物內(nèi)酯的反應(yīng)選擇性達到最大值.繼續(xù)升高溫度會增加產(chǎn)物內(nèi)酯的聚合和水解速率,使產(chǎn)率降低; 同時過高的溫度會增大H2O2的分解速率,降低反應(yīng)體系中H2O2的濃度,從而減弱其氧化性能(圖3).綜上所述,最佳反應(yīng)溫度為40 ℃.

2.6 反應(yīng)時間對反應(yīng)的影響

由圖4可知,反應(yīng)時間對δ-十二內(nèi)酯收率影響較大.初始階段隨著反應(yīng)時間的增加,2-庚基環(huán)戊酮的轉(zhuǎn)化率和δ-十二內(nèi)酯的收率不斷增加,反應(yīng)8 h時δ-十二內(nèi)酯收率達到最大值,此時2-庚基環(huán)戊酮的轉(zhuǎn)化率為98.19%,δ-十二內(nèi)酯的收率為81.34%,選擇性為82.84%.繼續(xù)延長反應(yīng)時間,2-庚基環(huán)戊酮的轉(zhuǎn)化率基本保持不變,但內(nèi)酯的水解程度加深使δ-十二內(nèi)酯收率下降,故選擇8 h為最佳反應(yīng)時間.

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 催化劑的循環(huán)利用

催化劑的循環(huán)使用性能是評價其優(yōu)劣的重要參考標準.將反應(yīng)后的水相減壓蒸餾并烘干,重新得到催化劑,應(yīng)用于下一個循環(huán)實驗.圖5示出了[Pro-ps]H2PW12O40在最優(yōu)反應(yīng)條件下催化2-庚基環(huán)戊酮B-V氧化反應(yīng)的循環(huán)使用性能,可見2-庚基環(huán)戊酮的轉(zhuǎn)化率和δ-十二內(nèi)酯的選擇性呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢,其原因可能是催化劑在每次循環(huán)使用時會有不同程度的分離損失,因而下一次的循環(huán)實驗中催化劑實際用量會比之前略微減少,δ-十二內(nèi)酯的收率隨之降低.催化劑[Pro-ps]H2PW12O40連續(xù)循環(huán)使用5次后,其質(zhì)量由起始的0.4650 g減少到0.4482 g,損失的質(zhì)量分數(shù)為3.61%.2-庚基環(huán)戊酮的轉(zhuǎn)化率仍在90%以上,δ-十二內(nèi)酯選擇性仍能保持約為80%.這說明該催化劑具備較好的重復(fù)使用性能和催化穩(wěn)定性.

2.8 催化反應(yīng)機理

Scheme 2 Proposed mechanism of Baeyer-Villiger oxidation

以2-庚基環(huán)戊酮為例,對氨基醇雜多酸類離子液體催化環(huán)酮B-V氧化反應(yīng)的機理進行了探討,其可能的反應(yīng)過程如Scheme 2所示.首先,催化劑提供氫離子活化羰基碳,H2O2進攻質(zhì)子化的羰基碳生成Criegee中間體; 隨后,Criegee中間體發(fā)生重排,與羰基相鄰的C進行遷移,O—O鍵斷裂,生成一分子H2O和一分子產(chǎn)物內(nèi)酯,同時釋放出氫離子參與下一個循環(huán).

2.9 底物拓展

催化劑[Pro-ps]H2PW12O40催化不同酮類的B-V氧化反應(yīng)結(jié)果如表2所示.在相同反應(yīng)條件下,環(huán)丁酮和2-金剛烷酮具有較小的環(huán)狀結(jié)構(gòu),表現(xiàn)出最高的催化效果(表2中Entries 1和2),這是由于兩者具有較大環(huán)張力,更容易擴環(huán).環(huán)戊酮與2-甲基環(huán)戊酮的內(nèi)酯選擇性達到80%以上(表2中Entries 3和4),這是因為六元環(huán)內(nèi)酯的結(jié)構(gòu)比五元環(huán)酮更穩(wěn)定,環(huán)張力也有所降低,使環(huán)酮的轉(zhuǎn)化率和內(nèi)酯選擇性升高,且羰基鄰位碳上帶有支鏈會增大空間位阻,因此環(huán)戊酮具有更高的內(nèi)酯選擇性.六元環(huán)及七元環(huán)酮(表2中Entries 5～8)具有較低的環(huán)張力,擴環(huán)難度相對較大,需要更高的外界能量才能提高其反應(yīng)活性; 對于甲基取代的環(huán)己酮來說,當甲基位置由對位變?yōu)猷徫粫r,甲基的空間位阻效應(yīng)也隨之增大,這不利于過氧化氫對酮羰基的親核進攻,因此2-甲基環(huán)己酮的轉(zhuǎn)化率相對較低.在催化開鏈酮方面(表2中Entries 9～12),對芳基酮的催化活性要低于開鏈的脂肪酮,但當芳環(huán)上帶有給電子基團時,其催化活性有所提高.綜上所述,不同結(jié)構(gòu)的酮類具有不同的反應(yīng)活性,[Pro-ps]H2PW12O40作為酮類B-V氧化反應(yīng)的催化劑具有良好的底物普適性.

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 結(jié) 論

在所制備的氨基醇雜多酸類離子液體的催化下,以質(zhì)量分數(shù)為30%的H2O2為氧化劑,可將各種環(huán)酮類底物高效地氧化成相應(yīng)的產(chǎn)物內(nèi)酯.其中,基于L-脯氨醇的離子液體[Pro-ps]H2PW12O40展示出最佳的催化性能,以2-庚基環(huán)戊酮為模板底物的Baeyer-Villiger氧化反應(yīng)中,得到最優(yōu)反應(yīng)條件:n(2-庚基環(huán)戊酮)∶n(催化劑)∶n(H2O2)=1∶0.03∶4,反應(yīng)溫度40 ℃,反應(yīng)時間8 h,無溶劑.在此條件下,2-庚基環(huán)戊酮的轉(zhuǎn)化率可達98.19%,產(chǎn)物δ-十二內(nèi)酯的選擇性為82.84%.該催化體系反應(yīng)條件溫和,催化劑制備過程簡單,且具較好的循環(huán)使用性和底物普適性,為通過酮類的Baeyer-Villiger氧化反應(yīng)制備內(nèi)酯開辟了一條綠色高效的新途徑.

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