電化學(xué)條件下芐醇到芳香醛的選擇性氧化

張金鳳，蔣 越，段榮琛，蘇玉潔，孟令國(guó)

（淮北師范大學(xué) 化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院，安徽 淮北 235000）

0 引言

醛作為眾多藥物、精細(xì)化學(xué)品、維生素和香料等材料的制備合成中間體，已然成為日常生活和工業(yè)生產(chǎn)中不可或缺的化學(xué)原料.經(jīng)典的有機(jī)化學(xué)反應(yīng)中，醇到醛的氧化方法較多［1-2］，但多數(shù)需要過渡金屬以及催化劑的協(xié)助（圖1）［3-5］，比較經(jīng)典的方法是利用沙瑞特（Sarrett）試劑來實(shí)現(xiàn)醇到醛的選擇性氧化［6］.但過渡金屬使用對(duì)環(huán)境產(chǎn)生的污染不可忽略，這不符合綠色化學(xué)和可持續(xù)發(fā)展的理念［7-8］.因此探索一種在無催化劑參與的條件下，使用綠色環(huán)保、操作簡(jiǎn)單的合成策略，實(shí)現(xiàn)醇到醛的選擇性氧化具有一定的研究意義.

圖1 醇到醛選擇性氧化的代表性合成方法

電催化合成策略已逐步發(fā)展成為一種重要的有機(jī)合成方法［9-14］，具有易操控、反應(yīng)條件溫和和綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，反應(yīng)過程是通過電極電勢(shì)來控制電子轉(zhuǎn)移的能力與速率，實(shí)現(xiàn)反應(yīng)底物在電極處的預(yù)氧化或預(yù)還原過程.從電氧化反應(yīng)本質(zhì)上來看，一般是在陽極失去單電子發(fā)生氧化，實(shí)現(xiàn)避免氧化劑的 使用.

本實(shí)驗(yàn)利用芐醇作為反應(yīng)底物，以四丁基醋酸銨為電解質(zhì)，以乙醇為溶劑，在電化學(xué)環(huán)境下（正極為石墨電極，負(fù)極為Pt電極），選擇性的氧化芐醇，得到芳香醛類化合物（見圖2）.電氧化反應(yīng)整個(gè)過程，無需過渡金屬試劑和額外氧化劑的協(xié)助，實(shí)現(xiàn)在環(huán)境友好、條件溫和的條件下成功氧化芐醇到芳香醛.另一發(fā)面該電化學(xué)氧化實(shí)驗(yàn)反映有機(jī)合成化學(xué)前沿發(fā)展動(dòng)態(tài)，以及綠色合成和可持續(xù)發(fā)展理念，適宜作為實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，培養(yǎng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)技能，拓寬專業(yè)知識(shí)視野，并引導(dǎo)在掌握基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)知識(shí)的基礎(chǔ)上，對(duì)電化學(xué)新型合成方法和策略有所了解.

圖2 電化學(xué)選擇性氧化醇到醛

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)原理

在非分割電解池環(huán)境中（正極為石墨電極，負(fù)極為Pt電極），以芐醇作為底物，四丁基醋酸銨作為電解質(zhì)，在空氣氛圍中8 mA 的電流強(qiáng)度下，室溫反應(yīng)5 h，得到芳香醛類化合物.該反應(yīng)可能機(jī)理如下（圖3）：反應(yīng)底物1a在陽極通過單電子轉(zhuǎn)移形成中間體A，A失去一個(gè)H+轉(zhuǎn)變成中間體B，中間體B通過H+轉(zhuǎn)移并在陽極再經(jīng)過單電子氧化過程形成中間體C，隨后中間體C脫去一個(gè)H+，最終轉(zhuǎn)化為選擇性氧化產(chǎn)物2a，芐醇底物氧化過程脫除下來的H+，在陰極通過還原反應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)镠2釋放出去.

圖3 可能的反應(yīng)機(jī)理

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器與藥品

1.2.1 實(shí)驗(yàn)儀器

電子天平，恒定電位儀，旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀，核磁共振儀，熔點(diǎn)儀，三用紫外分析儀等；

1.2.2 實(shí)驗(yàn)藥品

4-溴芐醇，4-氯芐醇，4-甲基芐醇，無水乙醇，四丁基醋酸銨，石油醚，乙酸乙酯等

1.3 實(shí)驗(yàn)步驟

1.3.1 條件篩選

為尋找最佳反應(yīng)條件，選擇芐醇為模板反應(yīng)底物.當(dāng)以乙腈為溶劑，以四丁基醋酸銨為電解質(zhì)，在8 mA的恒定電流下室溫反應(yīng)5 h，以47%的收率得到氧化產(chǎn)物苯甲醛（表1，序號(hào)1）；篩選溶劑發(fā)現(xiàn)以乙醇為溶劑，收率可增加到54%（表1，序號(hào)2~4）；通過增大或減小給予的恒定電流，反應(yīng)產(chǎn)率不能被進(jìn)一步的提高（表1，序號(hào)5~6）；當(dāng)用四丁基六氟硼酸銨作為電解質(zhì)，得到41%的收率，但以碘化鉀或高氯酸鋰為電解質(zhì)時(shí)，僅能發(fā)現(xiàn)痕量產(chǎn)物的生成（表1，序號(hào)7~9）.

表1 條件優(yōu)化

1.3.2 對(duì)照實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)人員首先分為3組.第一、二小組分別向含有EtOH（10 mL）的反應(yīng)管中，加入4-溴芐醇 （0.5 mmol，94.5 mg）和四丁基醋酸銨（0.5 mmol，93.5 mg）；第三小組只加4-溴芐醇，不加電解質(zhì)四丁基醋酸銨，最后加裝有電極（石墨電極和Pt電極）的橡膠塞.

1.3.3 底物拓展實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)人員分為四、五、六3個(gè)小組.第四小組向裝有磁子的反應(yīng)管中加入4-氯芐醇（0.5 mmol，71.3 mg）和四丁基醋酸銨（0.5 mmol，93.5 mg）；第五小組向裝有磁子的反應(yīng)管中加入4-甲基芐醇 （0.5 mmol，61.1 mg）和四丁基醋酸銨（0.5 mmol，93.5 mg），第六小組向裝有磁子的反應(yīng)管中加入肉桂醇（0.5 mmol，67 mg）和四丁基醋酸銨（0.5 mmol，93.5 mg），最后均加入10 mL的EtOH.

將以上6組實(shí)驗(yàn)分別用鐵架臺(tái)固定，置于磁力攪拌器上方.將每組實(shí)驗(yàn)的正負(fù)電極與恒定電位儀電極線正確連接，第一、三、四、五、六組實(shí)驗(yàn)都在30.00 V穩(wěn)壓、8 mA的恒定電流下室溫反應(yīng)5 h，第二組實(shí)驗(yàn)則在不通電流的條件下反應(yīng)5 h.1~6組實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示.前3組實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該反應(yīng)需要在恒定電流及電解質(zhì)的存在條件下才能發(fā)生；第四、五2組結(jié)果表明對(duì)于含有不同取代基的芐醇，也能在優(yōu)化反應(yīng)條件下轉(zhuǎn)化為目標(biāo)產(chǎn)物，但第六組實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，雖然在優(yōu)化反應(yīng)條件下肉桂醇消失，但未發(fā)現(xiàn)相應(yīng)目標(biāo)產(chǎn)物生成.

表2 1~6組實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

1.3.4 反應(yīng)后處理方法

反應(yīng)結(jié)束后，通過薄層色譜分析，得知第一、四、五小組得到相應(yīng)產(chǎn)物，分別轉(zhuǎn)移相應(yīng)反應(yīng)母液至50 mL茄形瓶?jī)?nèi)，加入適量粗硅膠，利用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀蒸除溶劑得到柱分析母樣.母樣經(jīng)過柱層析分離（洗脫劑：石油醚/乙酸乙酯=10：1）得到相應(yīng)產(chǎn)物，然后利用洗脫劑（石油醚/乙酸乙酯=5：1）分離出未參與反應(yīng)的原料［15］.具體實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示.

表3 實(shí)驗(yàn)記錄表

2 結(jié)果與討論

由1~3組實(shí)驗(yàn)可知，只有第一組得到目標(biāo)產(chǎn)物；第二和第三組由于缺少恒定電流或電解質(zhì)，無法實(shí)現(xiàn)選擇性氧化得到相應(yīng)的目標(biāo)產(chǎn)物；第四、五和六組底物拓展實(shí)驗(yàn)顯示，當(dāng)對(duì)氯芐醇或?qū)谆S醇代替對(duì)溴芐醇，也能以中等收率得到相應(yīng)目標(biāo)產(chǎn)物，底物廣譜性良好，但該電化學(xué)氧化反應(yīng)條件不適應(yīng)于肉桂醇底物.產(chǎn)物核磁測(cè)試數(shù)據(jù)如下：

4-溴苯甲醛：mp 56~57°C；1H NMR（600 MHz，CDCl3）：δ（ppm）9.97（s，1H），7.75~7.73（m，2H），7.68~7.67（m，2H）；13C NMR（CDCl3，150 MHz）：δ（ppm）191.0，135.0，132.4，130.9，129.7.

4-氯苯甲醛：mp 48~49 °C；1H NMR（600 MHz，CDCl3）：δ（ppm）9.98（s，1H），7.83（d，J=7.2 Hz，2H），7.52（d，J=7.8 Hz，2H）.13C NMR（CDCl3，100 MHz）：δ（ppm）190.8，140.9，134.7，130.9，129.4.

4-甲基苯甲醛：1H NMR（600 MHz，CDCl3）：δ（ppm）9.96（s，1H），7.78（d，J=7.2 Hz，2H），7.33（d，J=7.8 Hz，2H），2.43（s，3H）.13C NMR（CDCl3，150 MHz）：δ（ppm）192.0，145.5，134.2，129.8，129.7，21.8.

3 實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新性

1）操作簡(jiǎn)單、條件溫和、反應(yīng)選擇性良好.

2）避免過渡金屬、氧化劑的使用，符合綠色環(huán)保要求.

3）設(shè)計(jì)的電促進(jìn)合成醛的化學(xué)反應(yīng)，可用于有機(jī)化學(xué)教學(xué)實(shí)驗(yàn).

4 總結(jié)

本實(shí)驗(yàn)在電化學(xué)條件下，以四丁基醋酸銨為電解質(zhì)，以乙醇為反應(yīng)溶劑，成功實(shí)現(xiàn)芐醇到醛的氧化.實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新點(diǎn)是設(shè)計(jì)的電化學(xué)有機(jī)合成策略可用于芐醇到醛的選擇性氧化，且化學(xué)反應(yīng)選擇性良好，另外選用的恒定電流強(qiáng)度較小，實(shí)驗(yàn)安全可控，可引入有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，提升學(xué)生實(shí)驗(yàn)技能，培養(yǎng)學(xué)生有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的興趣，了解有機(jī)合成前沿發(fā)展動(dòng)態(tài).