縮醛/縮酮的合成研究進(jìn)展

王妍，王蘭英，胡向東，王云俠

西北大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院，化學(xué)國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，西安 710127

縮醛/縮酮是一類重要的有機(jī)化合物。基礎(chǔ)有機(jī)化學(xué)中，醛/酮與醇在酸催化條件下反應(yīng)生成縮醛/縮酮，縮醛/縮酮在稀酸水溶液中水解，又可以回到原來(lái)的醛/酮，因此一般通過縮醛/縮酮的合成反應(yīng)來(lái)保護(hù)醛/酮[1,2]。縮醛由于具有特殊氣味，也可用作化妝品增香劑或食品添加劑[3]，縮醛還可以添加在生物柴油燃料中，起到防凍的作用[4]。因此，縮醛/縮酮的合成研究引起了合成化學(xué)家的廣泛關(guān)注。

近年文獻(xiàn)報(bào)道了多種酸催化縮醛/縮酮的合成方法，同時(shí)也出現(xiàn)了一些電催化和光催化的綠色合成方法來(lái)合成縮醛/縮酮。本文根據(jù)反應(yīng)條件的不同，將縮醛/縮酮的合成進(jìn)展分為酸催化方法、電催化方法以及光催化方法進(jìn)行綜述，詳細(xì)介紹每種方法的適用范圍及反應(yīng)機(jī)理(圖1)。

圖1 文獻(xiàn)已報(bào)道縮醛/縮酮的合成方法

1 酸催化

文獻(xiàn)已經(jīng)報(bào)道了許多在酸催化條件下合成縮醛/縮酮的方法(圖2)，其中所用的酸可分為質(zhì)子酸(例如：SO3H-SiO2[5]，0.1% HCl (摩爾分?jǐn)?shù))[6]等)、路易斯酸(例如：TiCl4[7]，ZrCl4[8]，RuCl3·3H2O[9]，InCl3[10]，CoCl2[11]，SnCl2[12]，B10H14[13]，Bi(OTf)3[14]，In(OTf)3[15]，Al(OTf)3[16]，Cu(BF4)2·xH2O[17]等)，以及tropylium鹽[18]、吡啶鹽衍生物[19]、咪唑鹽類離子液體[20]、含氟肼類有機(jī)催化劑[21]、Pd(II)配合物[22]、Ni(II)配合物[23]、DDQ[24]、NBS[25,26]和I2[27]等。其中經(jīng)典的質(zhì)子酸催化適用于縮醛和縮酮的合成，ZrCl4，InCl3，B10H14，Bi(OTf)3，Cu(BF4)2·xH2O，In(OTf)3，Al(OTf)3以及DDQ，NBS，I2，Pd(II)配合物也可以合成縮醛和縮酮，而其他的催化劑比如TiCl4，RuCl3·3H2O，CoCl2，SnCl2，吡啶鹽衍生物，咪唑鹽類離子液體，tropylium鹽，含氟肼類有機(jī)催化劑和Ni(II)配合物只適用于縮醛的合成。酸催化醛/酮與醇反應(yīng)，制備縮醛/縮酮的機(jī)理如圖3所示：在酸催化條件下，醛/酮的羰基氧被質(zhì)子化后與醇發(fā)生親核加成，隨后失去質(zhì)子，形成半縮醛/半縮酮。接著該半縮醛/半縮酮中的羥基質(zhì)子化后被另外一分子醇取代，并失去質(zhì)子最終得到縮醛/縮酮。

圖2 酸催化縮醛/縮酮的合成

圖3 酸催化縮醛/縮酮合成的反應(yīng)機(jī)理

2 電催化

2019年丁軼課題組[28]報(bào)道了一種電化學(xué)方法合成縮醛和硫代縮醛(圖4)。該反應(yīng)以醛與醇或者硫醇為原料，銨鹽BuNClO4為支持電解液，用石墨電極在隔膜電解池中通電反應(yīng)，合成了多種縮醛和硫代縮醛。芳香醛、脂肪醛以及α,β-不飽和醛與一元醇、二元醇均可以反應(yīng)。反應(yīng)可能的機(jī)理如圖5所示：醛在陽(yáng)極被氧化失去一個(gè)電子生成了醛陽(yáng)離子A，接著A與醇發(fā)生親核加成反應(yīng)和質(zhì)子轉(zhuǎn)移，形成穩(wěn)定的半縮醛陽(yáng)離子B，B再與另外一分子醇發(fā)生取代反應(yīng)，生成產(chǎn)物縮醛陽(yáng)離子C，最后未反應(yīng)的醛與C發(fā)生陽(yáng)離子交換，在得到產(chǎn)物縮醛的同時(shí)，形成了醛陽(yáng)離子A。該醛陽(yáng)離子A循環(huán)進(jìn)行該反應(yīng)。由此可見，陽(yáng)極氧化醛產(chǎn)生的醛陽(yáng)離子是該反應(yīng)的真實(shí)催化劑。醇在陰極得到電子被還原成H2和烷氧基負(fù)離子。

圖4 電催化縮醛的合成

圖5 電催化縮醛合成的反應(yīng)機(jī)理

3 光催化

能源危機(jī)和環(huán)境危機(jī)對(duì)化學(xué)合成提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，近年來(lái)光催化的有機(jī)合成逐漸成為綠色有機(jī)合成的一個(gè)新方向。目前，文獻(xiàn)也已經(jīng)報(bào)道了一些光催化縮醛的合成方法，下面從均相光催化和非均相光催化兩方面來(lái)介紹。

3.1 均相光催化

2017年雷愛文課題組[29]報(bào)道了一種可見光引發(fā)的縮醛合成方法。該方法使用醛和醇為原料，Eosin Y為光催化劑，3 W綠色LED燈為光源，CH3CN為溶劑，N2氛下反應(yīng)12 h得到一系列脂肪類、芳香類和雜芳香類的縮醛(圖6)。該方法具有一定的化學(xué)選擇性，只適用于醛合成縮醛，而酮不發(fā)生反應(yīng)。機(jī)理研究結(jié)果表明，光照對(duì)該反應(yīng)是必須的，催化量的堿Na2CO3會(huì)抑制該反應(yīng)，因此推測(cè)該反應(yīng)可能的機(jī)理是光催化劑Eosin Y表現(xiàn)為光酸，在光照條件下原位產(chǎn)生酸，進(jìn)而催化該反應(yīng)。

圖6 Eosin Y催化縮醛的合成

2019年Kokotos課題組[30]報(bào)道了另外一種光催化的縮醛合成方法。該方法以醛和醇為原料，9-噻噸酮為光催化劑，家用燈泡為光源，反應(yīng)1.5 h就可以合成一系列脂肪類和芳香類縮醛(圖7)。機(jī)理研究實(shí)驗(yàn)證明，該反應(yīng)是通過自由基機(jī)理進(jìn)行的。如圖8所示：在光照條件下，光催化劑與醛形成的電子給體-受體(EDA)配合物發(fā)生能量轉(zhuǎn)移，使醛的LUMO軌道能量降低從而被活化，接著類似于酸催化活化的醛，該活化的醛與甲醇反應(yīng)生成縮醛。同時(shí)，空氣中的氧氣與EDA配合物中的光催化劑作用，使得光催化劑回到基態(tài)，并繼續(xù)與醛結(jié)合，從而循環(huán)催化該反應(yīng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，氬氣氛下，該反應(yīng)產(chǎn)率有所降低，推測(cè)O2參與并加速了該反應(yīng)。

圖7 9-噻噸酮催化縮醛的合成

圖8 9-噻噸酮催化縮醛合成的反應(yīng)機(jī)理

2020年該課題組又報(bào)道使用Schreinert’s thiourea作為光催化劑來(lái)合成縮醛(圖9)[31]。該方法使用脂肪醛或者芳香醛與甲醇等為原料，家用燈泡為光源，反應(yīng)3–24 h得到相應(yīng)的產(chǎn)物縮醛。該反應(yīng)可能的機(jī)理如圖10所示：在光照條件下，Schreinert’s thiourea與醛之間通過氫鍵形成的配合物(A)受激發(fā)形成中間體(B)，接下來(lái)有兩種可能的反應(yīng)途徑：一種途徑是B的N―H鍵斷裂釋放的質(zhì)子與醛結(jié)合，形成了活化的醛(C)，C再與醇反應(yīng)生成縮醛。其中該光催化劑起到光酸的作用，產(chǎn)生的質(zhì)子可以循環(huán)催化該反應(yīng)(Pathway A)。另一種途徑是B中的醛原位與醇發(fā)生親核加成反應(yīng)，產(chǎn)生中間體(D)，D再與另外一分子醛發(fā)生質(zhì)子轉(zhuǎn)移形成的中間體(E)，E再繼續(xù)與另外一分子醇反應(yīng)生成縮醛，同時(shí)產(chǎn)生的C按照Pathway A循環(huán)進(jìn)行該反應(yīng)(Pathway B)。

圖9 Schreinert’s thiourea催化縮醛的合成

圖10 Schreinert’s thiourea催化縮醛合成的反應(yīng)機(jī)理

2020年陳路課題組[32]報(bào)道使用羅丹明衍生物Acid red 52作為光催化劑，醛和醇為原料，黃光燈泡作為光源，室溫條件下高效地合成了一系列脂肪縮醛和芳香縮醛(圖11)?？赡艿姆磻?yīng)機(jī)理是，光催化劑在光照條件下產(chǎn)生的陽(yáng)離子自由基物種類似酸，催化醛與醇反應(yīng)生成縮醛。

圖11 Acid red 52催化縮醛的合成

3.2 非均相光催化

與均相光催化相比，非均相光催化具有綠色、經(jīng)濟(jì)，催化劑易于從反應(yīng)體系分離，且可循環(huán)使用等優(yōu)點(diǎn)。目前文獻(xiàn)報(bào)道了兩種非均相光催化的縮醛/縮酮合成方法。

2013年劉金華課題組[33]以納米TiO2(P25)為光催化劑，UV-LED (λ= 365 nm)為光源，30 °C恒溫反應(yīng)實(shí)現(xiàn)了一系列對(duì)位取代的苯甲醛相應(yīng)縮醛的制備(圖12)。該反應(yīng)中醇既是反應(yīng)物，又是溶劑，其中醇自身的pH對(duì)反應(yīng)有很大影響，甲醇和乙醇反應(yīng)產(chǎn)率較好，而正丁醇和異丙醇的反應(yīng)產(chǎn)率大幅度降低。對(duì)位烷基取代或者氯取代的苯甲醛反應(yīng)產(chǎn)率可以達(dá)到58%–97%，而對(duì)位有強(qiáng)吸電子取代基(例如―NO2，―CN)的苯甲醛反應(yīng)產(chǎn)率很低，僅有12%–17%。該反應(yīng)可能的機(jī)理如圖13所示。紫外光照射下，TiO2表面發(fā)生電荷分離，產(chǎn)生電子(e?)和空穴(h+)，其中的e?轉(zhuǎn)移到醛上形成的中間體A與醇電離出的質(zhì)子結(jié)合形成中間體B；h+氧化醇電離出的烷氧基負(fù)離子(R’O?)得到烷氧基自由基(R’O?)，接著B與R’O?結(jié)合，生成的半縮醛在醇電離的酸催化作用下，脫去一分子水并與R’O?結(jié)合，生成最終的產(chǎn)物縮醛。

圖12 TiO2催化縮醛的合成

圖13 TiO2催化縮醛合成的反應(yīng)機(jī)理

2016年Tsang課題組[34]使用g-C3N4作為非均相光催化劑，實(shí)現(xiàn)了脂肪類和芳香類縮醛/縮酮的制備(圖14)。該方法以醛/酮和醇為原料，可見光照射條件下，0.1 MPa O2作為氧化劑，25 °C反應(yīng)得到相應(yīng)的縮醛/縮酮。該反應(yīng)可能的機(jī)理如圖15所示：可見光照射下，g-C3N4表面發(fā)生電荷分離，產(chǎn)生電子(e?)和空穴(h+)，其中的e?轉(zhuǎn)移給O2形成了h+氧化醇產(chǎn)生質(zhì)子，接著該質(zhì)子催化活化醛/酮并與醇反應(yīng)，生成最后的產(chǎn)物縮醛/縮酮。

圖14 g-C3N4催化縮醛/縮酮的合成

圖15 g-C3N4催化縮醛/縮酮合成的反應(yīng)機(jī)理

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，縮醛/縮酮的合成方法中，傳統(tǒng)的質(zhì)子酸，以及部分路易斯酸催化，g-C3N4光催化，應(yīng)用比較廣泛，可用于縮醛和縮酮的制備。另外一部分路易斯酸催化，包括后來(lái)發(fā)展起來(lái)的電催化，均相光催化和TiO2光催化，化學(xué)選擇性比較強(qiáng)，只適用于合成縮醛。與酸催化相比較，中性的電催化或者光催化方法反應(yīng)條件溫和，屬于綠色的合成策略。目前的光催化方法中，均相光催化報(bào)道較多，催化劑以羅丹明類或熒光素類有機(jī)染料、9-噻噸酮或者硫脲類化合物為主。相比較而言，非均相光催化的方法僅有TiO2和g-C3N4兩個(gè)體系，其中TiO2催化要用到紫外光，而且由于反應(yīng)受pH的影響，底物適用范圍很有限。g-C3N4催化用到可見光，同時(shí)也需要0.1 MPa O2，醛酮的適用范圍也需要進(jìn)一步拓展。非均相光催化劑一般是基于表面科學(xué)和半導(dǎo)體的固態(tài)化學(xué)來(lái)設(shè)計(jì)的，半導(dǎo)體的表面原子是反應(yīng)的位點(diǎn)，比均相光催化劑的光轉(zhuǎn)換效率高得多，而且該催化劑很容易通過離心或過濾從反應(yīng)溶液中分離出來(lái)，這使得反應(yīng)產(chǎn)物的分離和純化更加方便[35–37]。因此，開發(fā)綠色、溫和、高效、經(jīng)濟(jì)的非均相光催化合成方法是今后縮醛/縮酮合成研究的一個(gè)重要方向。