5,10,15,20-四(五氟苯基)氯化鐵卟啉催化開鏈芐醚的仿生氧化研究

韓彤輝，顧承志，馬曉偉

(石河子大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院/新疆兵團(tuán)化工綠色過程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，石河子 832003)

苯甲酸酯衍生物在有機(jī)化學(xué)、藥物化學(xué)和材料科學(xué)中的重要性已經(jīng)迫使科學(xué)家們開發(fā)更有效的制備方法[1-2]，傳統(tǒng)的這類羧酸酯衍生物都是先來自母體羧酸轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的化學(xué)計(jì)量的酰鹵、酸酐或者活性酯再與醇發(fā)生親核取代反應(yīng)而制備[3]。近幾年來自大自然靈感發(fā)展醚的α位直接催化氧化制備酯的方法受到極大關(guān)注[4-10]，這種催化氧化體系的底物都涉及到環(huán)狀芐醚，底物范圍很少包括開鏈芐醚。本文研究在前期研究的基礎(chǔ)上發(fā)展了金屬卟啉催化芳烴氧化成醌的方法，原本想在該催化體系下把1,3-二氫苯并異呋喃底物氧化成1,4-醌，但預(yù)期的氧化產(chǎn)物未得到，而是得到了3-氫苯并異呋喃-1-酮[11]，由此推測(cè)該催化體系可能對(duì)芐醚底物有效，并開展本文開鏈芐醚仿生氧化的研究。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

主要如下：IKA 加熱磁力攪拌器，IKA 機(jī)械攪拌器，Agilent7890 A-5975C氣質(zhì)聯(lián)用儀，BrukerAvanceⅢ 400 HD核磁共振儀，Thermo Fisher Scientific LTQ FTICR-MS高分辨質(zhì)譜儀；薄層色譜板為青島海洋化工廠GF254硅膠板；柱層析硅膠為青島海洋化工廠生產(chǎn)，300～400目；其它化學(xué)試劑均為分析純，阿達(dá)瑪斯-泰坦科技有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法及產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)表征

1.2.1 鐵卟啉催化開鏈芐醚的仿生氧化

依次稱取1 mmol不同取代的開鏈芐醚、2 mg F20TPP FeCl(0.2 mmol%)、16.3 mg NHPI(N-羥基鄰苯二甲酰亞胺)(0.1 mmol)加入到10 mL反應(yīng)管中，向該反應(yīng)管中加入10 mL乙腈溶解，反應(yīng)混合物置于35 ℃油浴中攪拌反應(yīng)6 h。TLC 跟蹤監(jiān)測(cè)，反應(yīng)結(jié)束后柱層析分離(石油醚∶乙酸乙酯為10∶1)得到固體或油狀液體產(chǎn)物 2a至2 r。

1.2.2 目標(biāo)化合物的結(jié)構(gòu)表征

Ethyl benzoate (2a)[12]。無色油狀液體，1H NMR (400 MHz,CDCl3) δ 8.07～8.04 (m,2H,Ar),7.57～7.53 (m,1H,Ar),7.45～7.42 (m,2H,Ar),4.38 (q,2H,J=7.2 Hz,—CH2—),1.40 (t,3H,J=7.2 Hz,—CH3)。13C NMR (101 MHz,CDCl3) δ 166.58,132.74,130.47,129.48,128.26,60.90,14.30。

Methyl 4-isopropylbenzoate (2b)[13]。無色油狀液體，1H NMR (400 MHz,CDCl3) δ 7.96 (d,2H,J=8.4 Hz,Ar),7.29 (d,2H,J=8.4 Hz,Ar),3.90 (s,3H,—OCH3),3.01～2.91 (m,1H,PhCH(CH3)2),1.27 (d,6H,J=6.8 Hz,PhCH(CH3)2)。13C NMR (101 MHz,CDCl3) δ 167.16,154.30,129.72,127.76,126.46,51.94,34.25,23.70。

Methyl p-methoxybenzoate(2c)[12]。無色固體，熔點(diǎn)40～41 ℃，1H NMR (400 MHz,CDCl3) δ 7.99 (d,2H,J=9.2 Hz,Ar),6.91 (d,2H,J=9.2 Hz,Ar),3.88 (s,3H,PhOCH3),3.86 (s,3H,—COCH3)。13C NMR (101 MHz,CDCl3) δ 166.83,163.29,131.55,122.58,113.57,55.39,51.83。

Methyl 2-chloro-3,4-dimethoxybenzoate (2 d)。無色油狀液體，1H NMR (400 MHz,CDCl3) δ 7.64 (d,J=8.8 Hz 1H,Ar),6.83 (d,J=8.8 Hz,1H,Ar),3.91 (s,3H,—OCH3),3.88 (s,3H,—OCH3),3.85 (s,3H,—OCH3)。13C NMR (101 MHz,CDCl3) δ 188.75,165.65,156.54,146.07,127.49,122.62,109.53,60.52,56.08,52.15。HRMS (ESI)C10H12ClO4[M+H]+理論計(jì)算值為231.041 86,實(shí)測(cè)值為231.041 75。

Butyl 4-isopropylbenzoate (2e)[12]。無色油狀液體，1H NMR (400 MHz,CDCl3) δ 7.97 (d,2H,J=8.4 Hz,Ar),7.29 (d,2H,J=8.0 Hz,Ar),4.31 (t,2H,J=6.6 Hz,—OCH2CH2CH2CH3),3.00～2.93 (m,1H,PhCH(CH3)2),1.78～1.71 (m,2H,—OCH2CH2CH2CH3),1.52～1.43 (m,2H,—OCH2CH2CH2CH3),1.27 (d,6H,J=7.2 Hz,PhCH(CH3)2),0.98 (t,3H,J=7.4 Hz,—OCH2CH2CH2CH3)。13C NMR (101 MHz,CDCl3) δ 166.74,154.16,129.68,128.15,126.41,64.61,34.25,30.82,23.71,19.28,13.76。

n-Butyl p-methoxybenzoate(2f)[12]。無色油狀液體，1H NMR (400 MHz,CDCl3) δ 7.99 (d,2H,J=9.2 Hz,Ar),6.91 (d,2H,J=8.8 Hz,Ar),4.29 (t,2H,J=6.6 Hz,—OCH2CH2CH2CH3),3.85 (s,3H,PhOCH3),1.77～1.70 (m,2H,—OCH2CH2CH2CH3),1.52～1.42 (m,2H,—OCH2CH2CH2CH3),0.97 (t,3H,J=7.4 Hz,—OCH2CH2CH2CH3)。13C NMR (101 MHz,CDCl3) δ 166.43,163.20,131.49,122.95,113.51,77.32,55.37,30.81,19.27,13.75。

Methyl 2-methylbenzoate (2 g)[12]。無色油狀液體，1H NMR (400 MHz,CDCl3) δ 7.91 (dd,1H,J=1.6 Hz,J=8.0 Hz,Ar),7.40 (td,1H,J=1.6 Hz,J=7.6 Hz,Ar),7.26～7.22 (m,2H,Ar),3.89 (s,3H,—OCH3),2.60 (s,3H,PhCH3)。13C NMR (101 MHz,CDCl3) δ 168.06,140.15,131.92,131.65,130.53,129.54,125.66,51.78,21.70。

Butyl 2-methylbenzoate (2 h)[14]。無色油狀液體，1H NMR (400 MHz,CDCl3) δ 7.91 (dd,1H,J=1.2 Hz,J=8.0 Hz,Ar),7.39 (td,1H,J=1.6 Hz,J=7.6 Hz,Ar),7.26～7.22 (m,2H,Ar),4.31 (t,2H,J=6.6 Hz,—OCH2CH2CH2CH3),1.79～1.72(m,2H,—OCH2CH2CH2CH3),1.53～1.46 (m,2H,—OCH2CH2CH2CH3),0.98 (t,3H,J=7.4 Hz,—OCH2CH2CH2CH3)。13C NMR (101 MHz,CDCl3) δ 167.77,139.98,131.77,131.62,130.48,129.98,125.64,64.60,30.78,21.73,19.34,13.75。

Benzyl 2-methylbenzoate (2i)[2]。無色油狀液體，1H NMR (400 MHz,CDCl3) δ 7.95 (dd,1H,J=8.4,1.3 Hz,Ar),7.46～7.44 (m,2H,Ar),7.41～7.33 (m,4H,Ar),7.24 (d,2H,J=8.0 Hz,Ar),5.34 (s,2H,PhCH2—),2.61 (s,3H,CH3Ph)。13C NMR (101 MHz,CDCl3) δ 167.31,140.34,136.13,132.03,131.68,130.67,129.44,128.57,128.18,128.17,125.69,66.49,21.80。

2-Methylbenzyl benzoate (2j)[15]。無色油狀液體，1H NMR (400 MHz,CDCl3) δ 8.08～8.01 (m,2H,Ar),7.58～7.53 (m,1H,Ar),7.45～7.41 (m,3H,Ar),7.29～7.20 (m,3H,Ar),5.38 (s,2H,o-MePhCH2—),2.42 (s,3H,PhCH3)。13C NMR (101 MHz,CDCl3) δ 166.41,137.06,133.96,132.98,130.38,130.13,129.66,129.24,128.53,128.36,126.02,65.21,19.00。

4-Isopropylbenzyl benzoate (2k)[15]。無色油狀液體，1H NMR (400 MHz,CDCl3) δ 8.09～7.99 (m,2H,Ar),7.55～7.23 (m,6H,Ar),5.35 (s,2H,—CH2—),2.99～2.86 (m,1H,—CH(CH3)2),1.25 (d,6H,J=6.8 Hz,—CH(CH3)2)。13C NMR (101 MHz,CDCl3) δ 166.40,154.41,136.21,132.90,129.84,128.51,128.28,128.03,126.44,77.32,34.22,23.66。

2-Bromo-4-fluorobenzyl benzoate (2l)。無色油狀液體，1H NMR (400 MHz,CDCl3) δ 8.10～7.88 (m,2H,Ar),7.58～7.35 (m,5H,Ar),7.08～7.04 (m,1H,Ar),5.41 (s,2H,—CH2—)。13C NMR (101 MHz,CDCl3) δ 166.13,164.84,162.18 (d,JC-F=250.1 Hz),133.49 (d,JC-F=9.3 Hz),133.20,131.30 (d,JC-F=8.6 Hz),129.73,128.44,123.90 (d,JC-F=9.7 Hz),120.26 (d,JC-F=24.4 Hz),114.64 (d,JC-F=21.0 Hz),65.57。HRMS (ESI)C14H11BrFO2[M+H]+理論計(jì)算值為308.992 10,實(shí)測(cè)值為308.992 40。

1-Phenylpropyl benzoate (2 m)。無色油狀液體，1H NMR (400 MHz,CDCl3) δ 8.10～8.08 (m,2H,Ar),7.57～7.53 (m,1H,Ar),7.45～7.40 (m,4H,Ar),7.36～7.24 (m,3H,Ar),5.92 (t,1H,J=6.6 Hz,PhCH(CH2CH3)—),2.13～1.90 (m,2H,PhCH(CH2CH3)—),0.96 (t,3H,J=7.4 Hz,PhCH(CH2CH3)—)。13C NMR (101 MHz,CDCl3) δ 165.84,140.59,132.85,130.52,129.60,128.39,128.31,127.80,126.44,77.86,29.55,9.94。HRMS (ESI)C16H17O2[M+H]+理論計(jì)算值為241.122 31,實(shí)測(cè)值241.122 10。

1-(4-Fluorophenyl) ethyl benzoate (2n)[14]。黃色油狀液體，1H NMR (400 MHz,CDCl3) δ 8.09～8.06 (m,2H,Ar),7.59～7.54 (m,1H,Ar),7.47～7.41 (m,4H,Ar),7.08～7.03 (m,2H,Ar),6.12 (d,J=6.6 Hz,1H,PhCH(CH3)—),1.67 (d,J=6.8 Hz,3H,PhCH(CH3)—)。13C NMR (101 MHz,CDCl3) δ 165.71,162.32 (d,JC-F=247.1 Hz),137.56 (d,JC-F=3.1 Hz),132.97,130.36,129.59,128.34,127.85 (d,JC-F=8.2 Hz),115.39 (d,JC-F=21.5 Hz),72.23,22.34。19F NMR (376 MHz,CDCl3) δ -114.37。

1-(2-Fluorophenyl) ethyl benzoate (2o)[14]。無色油狀液體，1H NMR (400 MHz,CDCl3) δ 8.09 (d,J=7.6 Hz,2H,Ar),7.56 (t,J=7.2 Hz,1H,Ar),7.51～7.43 (m,3H,Ar),7.30～7.25 (m,1H,Ar),7.14 (t,J=7.6 Hz,1H,Ar),7.08～7.04 (m,1H,Ar),6.39 (q,J=6.6 Hz,1H,PhCH(CH3)—),1.69 (d,J=6.8 Hz,3H,PhCH(CH3)—)。13C NMR (101 MHz,CDCl3) δ 165.52,159.75 (d,JC-F=248.5 Hz),132.98,130.30,129.64,129.33 (d,JC-F=8.4 Hz),129.02 (d,JC-F=13.5 Hz),128.35,127.12 (d,JC-F=4.1 Hz),124.25 (d,JC-F=3.5 Hz),115.62 (d,JC-F=21.6 Hz),67.45 (d,JC-F=2.9 Hz),21.4 (d,JC-F=8.2 Hz)。19F NMR (376 MHz,CDCl3) δ -118.28。

1-(2-Fluorophenyl) propyl benzoate (2p)。無色油狀液體，1H NMR (400 MHz,CDCl3) δ 8.12～8.09 (m,2H,Ar),7.55 (tt,J=1.4 Hz,J=7.2 Hz,1H,Ar),7.46～7.41 (m,3H,Ar),7.26～7.23 (m,1H,Ar),7.11 (td,J=1.2 Hz,J=7.6 Hz,1H,Ar),7.07～7.02 (m,1H,Ar),6.22 (t,J=6.6 Hz,1H,PhCH(CH2CH3)—),2.13～1.96 (m,2H,PhCH(CH2CH3)—),0.99 (t,J=7.4 Hz,3H,PhCH(CH2CH3)—)。13C NMR (101 MHz,CDCl3) δ 165.60,159.90 (d,JC-F=248.2 Hz),132.95,130.28,129.60,129.22 (d,JC-F=8.3 Hz),128.34,127.87 (d,JC-F=13.6 Hz),127.55 (d,JC-F=4.1 Hz),124.12 (d,JC-F=3.6 Hz),115.50 (d,JC-F=21.8 Hz),72.02 (d,JC-F=2.2 Hz),28.58 (d,JC-F=1.4 Hz),9.73。19F NMR (376 MHz,CDCl3) δ -118.04。HRMS (ESI)C16H16FO2[M+H]+理論計(jì)算值為259.112 88,實(shí)測(cè)值259.112 52。

1-(3-Chlorophenyl) ethyl benzoate (2q)。無色油狀液體，1H NMR (400 MHz,CDCl3) δ 8.10～8.07 (m,2H),7.57 (tt,J=1.2 Hz,J=7.6 Hz,1H,Ar),7.48～7.43 (m,3H),7.32～7.28 (m,3H),6.09 (d,J=6.8 Hz,1H),1.66 (d,J=6.4 Hz,3H)。13C NMR (101 MHz,CDCl3) δ 165.65,143.83,134.43,133.07,130.20,129.87,129.64,128.39,128.04,126.16,124.24,72.13,22.36。HRMS (ESI)C15H14ClO2[M+H]+理論計(jì)算值為261.067 68,實(shí)測(cè)值261.067 44。

2 結(jié)果與討論

2.1 反應(yīng)條件優(yōu)化

以芐基乙醚的氧化為模型反應(yīng)，反應(yīng)條件為1 mmol芐基乙醚、溶劑10 mL、反應(yīng)時(shí)間6 h，反應(yīng)方程式為

，篩選出最佳催化體系，結(jié)果如表1所示。

表1 反應(yīng)條件優(yōu)化

在本研究以前的反應(yīng)催化體系中(0.5 mol%的金屬卟啉、0.1 mmol四丁基碘化銨、2.1 mmol過硫酸氫鉀復(fù)合鹽(Oxone))，目標(biāo)氧化產(chǎn)物收率較低，僅為26%(序號(hào)1)；當(dāng)添加0.1 mmolNHPI(N-羥基鄰苯二甲酰亞胺)，目標(biāo)氧化產(chǎn)物分離產(chǎn)率提高到59%(序號(hào)2)；不加相轉(zhuǎn)移催化劑對(duì)反應(yīng)影響很小(序號(hào)3)，氧源為氧氣的分離收率為52%，且氧氣作為氧化劑顯然比過硫酸氫鉀更清潔環(huán)保。進(jìn)一步的控制實(shí)驗(yàn)表明，金屬卟啉、NHPI和氧氣至關(guān)重要，三者缺一不可(序號(hào)6～8)。金屬卟啉催化劑的用量實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明(序號(hào)9～12)，用量為0.2 mmol% 時(shí)產(chǎn)率達(dá)到58%；當(dāng)反應(yīng)溫度提高到35 ℃，目標(biāo)氧化產(chǎn)物的分離產(chǎn)率達(dá)到86%；反應(yīng)溶劑優(yōu)化(序號(hào)14～18)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，乙腈是最適合的溶劑。

綜上所述，確定最優(yōu)反應(yīng)條件如下：底物1 mmol，0.2 mol%鐵卟啉為催化劑，NHPI用量為0.1 mmol，氧氣為終端氧化劑，溶劑乙腈10 mL，反應(yīng)溫度為35 ℃，反應(yīng)時(shí)間6 h。

2.2 底物拓展

在最優(yōu)催化條件下對(duì)金屬卟啉催化開鏈芐基醚的反應(yīng)底物進(jìn)行拓展研究,反應(yīng)方程式如下：

，結(jié)果如表2所示。

表2 底物普適性調(diào)查

從表2可知：大多數(shù)的底物都是兼容的，尤其是供電子基團(tuán)在苯環(huán)4位時(shí)產(chǎn)率優(yōu)秀(2b、2c、2e和2f);當(dāng)苯環(huán)的鄰位有取代基時(shí)，無論供電子還是給電子基，產(chǎn)率中等;尤其是不對(duì)稱芐醚的空間位阻效應(yīng)尤其明顯，2，6-二氯芐基甲醚不反應(yīng)，除了鄰位取代的底物外，3位或4位無論是供電子還是拉電子基都有相應(yīng)的活性，最終的氧化產(chǎn)物的收率在57%～93%之間。

3 結(jié)論

(1)在鐵卟啉和NHPI催化下成功實(shí)現(xiàn)了以O(shè)2為終端氧化劑、開鏈芐醚溫和氧化成苯甲酸酯衍生物的反應(yīng)。這一方法不僅適用于間位或?qū)ξ黄S醚底物，也適用于鄰位空間位阻基團(tuán)合適的芐醚底物，產(chǎn)率21%～93%。

(2)反應(yīng)的最佳催化反應(yīng)條件為：開鏈芐醚底物1 mmol，鐵卟啉0.2 mol%，NHPI0.1 mmol，氧氣為終端氧化劑，溶劑乙腈10 mL，反應(yīng)溫度為35 ℃，反應(yīng)時(shí)間6 h。這一催化體系具有反應(yīng)條件溫和、底物適用范圍廣、原料廉價(jià)易得等優(yōu)點(diǎn)，在苯甲酸酯的綠色合成方面具有重要的應(yīng)用前景和實(shí)用價(jià)值。