专利名称：一种水溶剂体系中催化空气氧化制备芳香醛酮的方法
技术领域：
本发明涉及一种制备芳香醛酮的方法，具体地，涉及一种以水为溶剂，用氧气或空气为氧化剂制备芳香醛酮的方法。
背景技术：
芳香醇氧化制备芳香醛是有机化学中最重要的官能团转换反应之一，寻找高效清洁的催化氧化体系一直是有机化学的研究热点。
在过去的几十年里，化学家们已经开发了两大类有效的氧化体系。一种是过渡金属催化的以氧气或空气为氧源的催化氧化体系，催化反应的产物容易分离，并且没有太多的废物。但是，催化剂价格昂贵，常用的金属有钯(Pd)、钌(Ru)等贵金属，并且还需要结构复杂的配体。这一类催化剂的催化活性通常会因为反应产生的水而失活；反应底物中的杂原子(N、S等)会使催化剂中毒。另一种是氮氧自由基(代表化合物2，2，6，6-四甲基哌啶-氧自由基TEMPO)催化的以化学计量的氧化剂的催化氧化体系。常用的氧化剂是次氯酸钠(NaClO)、卤素等。该催化体系效率很高，但产生大量的无机废物。
发明内容
本发明的目的在于提供一种水溶剂体系中催化空气氧化制备芳香醛酮的方法。
为实现上述目的，本发明采用了不含过渡金属的催化剂，用氧气或空气为氧化剂，以水为溶剂，把芳香醇和杂芳香醇氧化成相应的芳香醛和酮。
具体地说，本发明以催化量的2，2，6，6-四甲基哌啶-氧自由基(TEMPO)、1，3-二溴-5，5-二甲基海因和亚硝酸钠为催化剂，用低于1.0MPa的空气为氧化剂，在80度下可以高选择性地把一系列的芳香醇和杂芳香醇氧化成相应的芳香醛和酮。
催化剂的组成中，TEMPO可以修饰，比如用更经济的4-苯甲酰基-2，2，6，6-四甲基哌啶-氧自由基(4-苯甲酰基-TEMPO)或4-乙酰胺基-2，2，6，6-四甲基哌啶-氧自由基(4-乙酰胺基-TEMPO)；1，3-二溴-5，5-二甲基海因可以用N-溴代丁二酰亚胺或三溴吡啶盐替代；亚硝酸钠可以是其他亚硝酸盐，如亚硝酸钾、亚硝酸酸锂等。
本发明具有如下效果1.以水作溶剂，以1mol％TEMPO/4mol％1，3-二溴-5，5-二甲基海因/4mol％NaNO2组成的催化剂，0.9MPa的空气，80度，1.5小时内，可以把苄醇氧化成苯甲醛；反应的转化率和选择性均大于99％。
2.以水作溶剂，以1mol％ TEMPO/4mol％ 1，3-二溴-5，5-二甲基海因/4mol％NaNO2组成的催化剂，0.9MPa的空气，80度，7小时内把氯代苄醇(邻、间或对位)氧化成氯代苯甲醛(邻、间或对位)；把甲基苄醇(邻、间或对位)氧化成甲基苯甲醛(邻、间或对位)。反应的转化率和选择性均大于99％，反应产物的分离收率大于95％。
3.以水作溶剂，以1mol％TEMPO/4mol％ 1，3-二溴-5，5-二甲基海因/4mol％NaNO2组成的催化剂，0.9MPa的空气，80度，6小时内，可以把3-吡啶甲醇氧化成3-吡啶甲醛，转化率大于98％，选择性大于99％；分离收率大于90％。
4.以水作溶剂，以1mol％TEMPO/2mol％三溴吡啶盐/4mol％NaNO2组成的催化剂，0.9MPa的空气，80度，6小时内，可以把2-噻吩甲醇氧化成2-噻吩甲醛，反应的转化率大于99％，选择性大于98％。反应产物的分离收率大于90％。
5.以水作溶剂，以1mol％TEMPO/4mol％1，3-二溴-5，5-二甲基海因/4mol％NaNO2组成的催化剂，0.9MPa的空气，80度，4小时内把α-甲基苄醇氧化成苯乙酮。反应的转化率和选择性均大于99％，反应产物的分离收率98％。
本发明适用于芳香苄醇的高选择性氧化成醛和酮，尤其适用于杂芳香苄醇(含N、S等)的选择性氧化反应。
本发明适用于医药中间体、农用化学品、香料等精细化学品以及基本化学品的醛和酮的生产。
与现有技术相比较，本发明的优点和效果1)用水作溶剂，反应安全；2)产品分离简单、无机废物少3)1，3-二溴-5，5-二甲基海因安全性较好现有技术特征和效果一、过渡金属催化剂/氧气(或空气)催化氧化体系1)用氧气或空气作氧化剂；2)产品分离简单、无机废物少；3)高效率但催化剂昂贵且易失活、对含杂原子(N，S等)底物活性低。
二、TEMPO/化学计量氧化剂催化氧化体系1)高选择性，底物适用范围广；2反应条件温和；3)大量无机废物、分离麻烦。
三、TEMPO/Br2/NaNO2/O2(空气)氧化体系1)高选择性；2)使用溴，不方便，有毒性。
综上所述，不难看出本发明的的新颖性和创造性在于新颖性本发明实现不含过渡金属的、用氧气或空气作为氧化剂的在水作溶剂的反应体系中将芳香醇、杂芳香醇(含N，S等元素)催化氧化合成相应的醛和酮。
创造性本发明使用亚硝酸钠作为NO的等价物有效的活化了分子氧，通过用催化量的亚硝酸盐和原位产生的溴正离子(来自1，3-二溴-5，5-二甲基海因与水作用产生的次溴酸)，以水作溶剂，使得催化量的TEMPO作用下将活泼的芳香苄醇和通常容易使金属催化剂失活的杂芳香苄醇高选择性地氧化成相应醛和酮成为可能。同时，由于使用水作溶剂，极大到降低了氧气或空气作氧化剂的安全问题。使得放大新发明的氧化体系承担较小的风险。
具体实施例方式
实施例1
在300mL聚四氟乙烯内衬的压力釜中，加入3.24g苄醇(30mmol)，46.8mg TEMPO(0.3mmol)，343mg 1，3-二溴-5，5-二甲基海因(1.2mmol)，84mg NaNO2(1.2mmol)，10mL水，密闭压力釜，充空气气至压力表为0.9MPa，将压力釜放入到预先升温至80度的油浴中，反应1.5小时。降温并小心卸压后，用有机溶剂提取三次，有机相用气相色谱(GC)分析，转化率为99.8％，产物苯甲醛选择性100％。分离收率为88％。
实施例2在300mL聚四氟乙烯内衬的压力釜中，加入3.66g 4-甲基苄醇(30mmol)，46.8mg TEMPO(0.3mmol)，343mg 1，3-二溴-5，5-二甲基海因(1.2mmol)，84mg NaNO2(1.2mmol)，10mL水，密闭压力釜，充空气气至压力表为0.1MPa，将压力釜放入到预先升温至120度的油浴中，反应2小时。降温并小心卸压后，用有机溶剂提取三次，有机相用气相色谱(GC)分析，转化率为100％，产物对甲基苯甲醛选择性100％。分离收率为98％。
实施例3在300mL聚四氟乙烯内衬的压力釜中，加入3.66g 3-甲基苄醇(30mmol)，46.8mg 4-苯甲酰基-TEMPO(0.3mmol)，343mg N-溴代丁二酰亚胺(1.2mmol)，84mg KNO2(1.2mmol)，10mL水，密闭压力釜，充空气气至压力表为0.9MPa，将压力釜放入到预先升温至80度的油浴中，反应2小时。降温并小心卸压后，用有机溶剂提取三次，有机相用气相色谱(GC)分析，转化率为99.7％，产物间甲基苯甲醛选择性100％。分离收率为98％。
实施例4在300mL聚四氟乙烯内衬的压力釜中，加入3.66g 2-甲基苄醇(30mmol)，46.8mg 4-乙酰胺基-TEMPO(0.3mmol)，343mg三溴吡啶盐(1.2mmol)，84mg LiNO2(1.2mmol)，10mL水，密闭压力釜，充空气气至压力表为0.9MPa，将压力釜放入到预先升温至80度的油浴中，反应2.5小时。降温并小心卸压后，用有机溶剂提取三次，有机相用气相色谱(GC)分析，转化率为100％，产物邻甲基苯甲醛选择性100％。分离收率为95％。
实施例5在300mL聚四氟乙烯内衬的压力釜中，加入4.28g 4-氯苄醇(30mmol)，46.8mg TEMPO(0.3mmol)，343mg 1，3-二溴-5，5-二甲基海因(1.2mmol)，84mg NaNO2(1.2mmol)，10mL水，密闭压力釜，充空气气至压力表为0.9MPa，将压力釜放入到预先升温至80度的油浴中，反应6小时。降温并小心卸压后，用有机溶剂提取三次，有机相用气相色谱(GC)分析，转化率为100％，产物对氯苯甲醛选择性100％。分离收率为95％。
实施例6在300mL聚四氟乙烯内衬的压力釜中，加入4.28g 3-氯苄醇(30mmol)，46.8mg TEMPO(0.3mmol)，343mg 1，3-二溴-5，5-二甲基海因(1.2mmol)，84mg NaNO2(1.2mmol)，10mL水，密闭压力釜，充空气气至压力表为0.9MPa，将压力釜放入到预先升温至80度的油浴中，反应6小时。降温并小心卸压后，用有机溶剂提取三次，有机相用气相色谱(GC)分析，转化率为100％，产物间氯苯甲醛选择性100％。分离收率为96％。
实施例7在300mL聚四氟乙烯内衬的压力釜中，加入4.28g 2-氯苄醇(30mmol)，46.8mg TEMPO(0.3mmol)，343mg 1，3-二溴-5，5-二甲基海因(1.2mmol)，84mg NaNO2(1.2mmol)，10mL水，密闭压力釜，充空气气至压力表为0.9MPa，将压力釜放入到预先升温至80度的油浴中，反应7小时。降温并小心卸压后，用有机溶剂提取三次，有机相用气相色谱(GC)分析，转化率为99.2％，产物对氯苯甲醛选择性99.8％。分离收率为96％。
实施例8在300mL聚四氟乙烯内衬的压力釜中，加入4.28g 2-氯苄醇(30mmol)，46.8mg TEMPO(0.3mmol)，343mg 1，3-二溴-5，5-二甲基海因(1.2mmol)，84mg NaNO2(1.2mmol)，10mL水，密闭压力釜，充空气气至压力表为0.9MPa，将压力釜放入到预先升温至80度的油浴中，反应7小时。降温并小心卸压后，用有机溶剂提取三次，有机相用气相色谱(GC)分析，转化率为99.2％，产物对氯苯甲醛选择性99.8％。分离收率为96％。
实施例9在300mL聚四氟乙烯内衬的压力釜中，加入3.66g α-甲基苄醇(30mmol)，46.8mg TEMPO(0.3mmol)，343mg 1，3-二溴-5，5-二甲基海因(1.2mmol)，84mg NaNO2(1.2mmol)，10mL水，密闭压力釜，充空气气至压力表为0.9MPa，将压力釜放入到预先升温至80度的油浴中，反应4小时。降温并小心卸压后，用有机溶剂提取三次，有机相用气相色谱(GC)分析，转化率为99.6％，产物选择性100％。产物苯乙酮的分离收率为97％。
实施例10在300mL聚四氟乙烯内衬的压力釜中，加入3.27g 3-吡啶甲醇(30mmol)，46.8mg TEMPO(0.3mmol)，343mg 1，3-二溴-5，5-二甲基海因(1.2mmol)，84mg NaNO2(1.2mmol)，10mL水和2.0mL醋酸，密闭压力釜，充空气气至压力表为0.9MPa，将压力釜放入到预先升温至80度的油浴中，反应6小时。降温并小心卸压后，用有机溶剂提取三次，有机相用气相色谱(GC)分析，转化率为98.2％，产物选择性100％。产物3-吡啶甲醛的分离收率92％。
实施例11在300mL聚四氟乙烯内衬的压力釜中，加入3.42g 2-噻吩甲醇(30mmol)，46.8mg TEMPO(0.3mmol)，172mg 1，3-二溴-5，5-二甲基海因(0.6mmol)，84mg NaNO2(1.2mmol)，10mL水，密闭压力釜，充空气气至压力表为1.2MPa，将压力釜放入到预先升温至40度的油浴中，反应16小时。降温并小心卸压后，用有机溶剂提取三次，有机相用气相色谱(GC)分析，转化率为100％，产物选择性98.4％。产物2-噻吩甲醛的分离收率93％。
与发明相关的比较例1)美国专利US Patent 5,118,866(TEPMO/Cu(I)催化O2氧化醇生成醛的工艺)向一个含有10.0克维生素A(34.9mmol)、545毫克TEMPO(3.49mmol)、345毫克氯化亚铜(CuCl，3.49mmol)和75毫升N，N-二甲基甲酰胺(DMF)的溶液中，在室温下以每分钟50-60毫升的速度通入氧气。通氧气时间2小时。将反应液倒入到150毫升食盐水中，用甲基叔丁基醚萃取至有机层无色。有机层用水洗并用无水硫酸钠干燥，减压脱去溶剂。残余物用二氯甲烷快速通过硅胶柱得到9.1克产物，收率为91.6％。产物中含有不超过5％的顺式异构体，产物的纯度用核磁共振(1H-NMR)得到确认。粗产物用正己烷重结晶得到7.2克纯品，收率72.6％。熔点60-62度。
2)德国专利(DE 40 07 923 A1)(TEMPO催化NaClO氧化醇生成醛的工艺)向一个含有16克2-氟-3-异丙基-苄醇(95mmol)、0.3克TEMPO(1.9mmol)、0.56溴化钾(KBr，4.8mmol)、1.5克二水磷酸二氢钠(NaH2PO42H2O，9.5mmol)、1.7克二水磷酸氢二钠(Na2HPO42H2O，9.5mmol)、90毫升二氯甲烷和90毫升水的混合液，控制体系温度为20度，在30分钟内滴加55.6克14％的次氯酸钠(NaClO，105mmol)水溶液，并用pH计监测反应液的pH在6.5-8.0之间。反应结束后分出二氯甲烷层，有机层用饱和碳酸氢钠水溶液洗涤，脱去溶剂的残余物减压蒸馏，收集38℃/0.2mBar馏分，收率为79％。
3)欧洲专利(EP775,684)(TEMPO催化TCIA氧化醇生成醛的工艺)将一个含有3.5克三氯异氰尿酸(TCIA，15.1mmol)、3.7克醋酸钠(45.1mmol)、10毫克TEMPO(0.06mmol)和40毫升二氯甲烷的悬浮液，降温至-7-9度。搅拌下在20分钟内滴加5克1-辛醇(38.4mmol)的20毫升二氯甲烷溶液。加完后控制体系温度在-7-9度达80分钟。这样，反应就完成了。白色沉淀物过滤，滤液分别用饱和碳酸氢钠水溶液和食盐水洗。粗产物蒸馏得到4.5克正辛醛，色谱含量98.2％(面积百分比)。
4)世界专利(WO03/006435A1)(TEMPO催化I2氧化醇生成醛的工艺)向含有2.2千克5-甲氧基-3-苯并噻吩甲醇(11.34mol)的甲苯/四氢呋喃溶液中加入3.0千克碳酸氢钠(35.6mol)和30升水，搅拌至碳酸氢钠完全溶清。室温下加入6千克碘(I2，23.7mol)，老化1小时。然后加入140克TEMPO(0.90mol)。反应混合液在室温下搅拌2-6小时至原料完全消耗。反应混合物维持室温，加入15升10％的亚硫酸钠(Na2SO3)水溶液以除去过量的碘。分层后有机层用15升水洗，有机层进一步分别用2.2千克10％碳酸钠水溶液和2千克水洗。
5)美国专利US Patent 5,136,102(TEPMO催化HNO3/O2氧化醇生成酮的工艺)向100毫升的圆底烧瓶中，加入4.2克2-辛醇、1克TEMPO、25毫升乙腈、0.25克溴化钾(KBr)和1克水。向混合液中加入1克70％的硝酸(HNO3)。通入氧气流鼓泡。控制反应温度在室温下反应4小时。原料含量小于0.1％，产物2-辛酮的选择性大于99.9％。
6)美国专利US Patent 5,155,279(TEPMO催化HNO3/O2氧化醇的工艺)向100毫升的圆底烧瓶中，加入6克十二碳醇、1克TEMPO、25毫升乙腈、0.25克溴化钾(KBr)和1克水。向混合液中加入1克70％的硝酸(HNO3)。通入氧气流鼓泡。控制反应温度在35度下反应4小时。原料转化率大于99％，醛的选择性为3％，二聚体选择性为7％，酸的选择性为90％。
7)中国专利200410003791.X(TEMPO/Br2/NaNO2氧化醇的工艺)在300mL聚四氟乙烯内衬的压力釜中，加入1.09g 3-吡啶甲醇(10mmol)，62.4mg TEMPO(0.4mmol)，55.2mg NaNO2(0.8mmol)，10mL含128mg溴(0.8mmol)的二氯甲烷，密闭压力釜，充空气至压力表为0.9MPa，将压力釜放入到预先升温至100度的油浴中，反应五小时。降温并小心卸压后，有机相用气相色谱(GC)分析，转化率为94.4％，产物选择性100％。产物3-吡啶甲醛的分离收率93.5％。
权利要求
1.一种水溶剂体系中催化空气氧化制备芳香醛酮的方法，用2，2，6，6-四甲基哌啶-氧自由基及其衍生物、亚硝酸盐和与水作用原位产生次溴酸的溴代物，氧气或空气氧化芳香苄醇生成醛和酮；其中2，2，6，6-四甲基哌啶-氧自由基及其衍生物∶亚硝酸盐∶活性溴＝1∶2-4∶4mmol；2，2，6，6-四甲基哌啶-氧自由基及其衍生物∶芳香苄醇＝1∶100mmol；氧气或空气作用压力0.1-1.2MPa；反应时间1.5-16小时；反应温度40-120℃；所述芳香苄醇指芳香苄醇包括杂芳香苄醇。
2.权利要求1的方法，所述2，2，6，6-四甲基哌啶-氧自由基的衍生物是4-苯甲酰基-2，2，6，6-四甲基哌啶-氧自由基或4-乙酰胺基-2，2，6，6-四甲基哌啶-氧自由基。
3.权利要求1的方法，所述溴代物是1，3-二溴-5，5-二甲基海因、N-溴代丁二酰亚胺或三溴吡啶盐；
4.权利要求1的方法，所述芳香苄醇包含取代苄醇。
5.权利要求1的方法，所述杂芳香苄醇包含有N、S的芳香杂环取代的甲醇。
6.权利要求1的方法，所述亚硝酸盐为亚硝酸钠或亚硝酸钾。
全文摘要
一种水溶剂体系中催化空气氧化制备芳香醛酮的方法，以催化量的2，2，6，6－四甲基哌啶－氧自由基(TEMPO)，1，3－二溴－5，5－二甲基海因和亚硝酸钠为催化剂，水为溶剂，用低于1.2MPa的空气为氧化剂，在低于160度下可以高选择性地把一系列的芳香醇和杂芳香醇氧化成相应的芳香醛和酮。
文档编号C07C45/00GK1789225SQ20041009893
公开日2006年6月21日 申请日期2004年12月16日 优先权日2004年12月16日
发明者胡信全, 刘仁华, 董春燕, 梁鑫淼 申请人:中国科学院大连化学物理研究所