其反应式可表示为: 苯乙烯催化氧化为苯乙酮 对于Tsuji-Wacker反应,其具有以下优点:1.羰基来源于末端烯烃,稳定性更好,使得产物能在碱性酸性和亲核性稳定存在。2.Pd(Ⅱ)能够在氯化亚铜的存在下循环再生,让催化剂的回收问题比较有效的解决。3.可供选择的催化剂组合与氧化剂种类较多。这些优点使得Tsuji-Wacker 氧化反应在相关领域的应用越来越广。然而,在工业生产过程中,传统Tsuji-Wacker氧化反应仍存在许多不利因素[3],主要包括: 1. 氧化剂和催化剂用量过大,使得在反应完成后残余大量重金属盐, 难以回收造成浪费,同时氯离子的存在对设备造成腐蚀,副产物的产生对产物的分离造成很大困难,且对环境不2 利; 2. 选择性差,产率低,且产物的专一性不好,副产物较多; 3. 反应条件不是最佳的,在溶剂,催化剂,氧化剂等方面还有很大的改进空间。
1.3 Tsuji-Wacker氧化反应条件的改变 针对Tsuji-Wacker氧化反应条件的优化,主要从以下几方面改进: 1.选取绿色有效的氧化剂:在这个催化氧化的反应中,氧化剂的存在,可以将还原的Pd(0)氧化,变为 Pd(Ⅱ) ,这样催化剂就可以重生循环。传统的 Tsuji-Wacker 氧化反应是PdCl2-CuCl 催化体系,其中存在的氯离子和铜可能会和配体络合,催化剂的效果大打折扣。因此,寻找经济环保的氧化剂来替代传统氧化剂,H2O2,N2O,O2,TBHP,BQ 等氧化剂都是有可能的选择[4]。(注:BQ 为苯醌,TBHP 为叔丁基过氧化氢) 2.选取良好的催化剂:钯化合物和种类不同,其反应活性也不同,良好的催化剂具有以下优势,增加反应速率,提高反应选择性,还能降低催化剂的用量。经典的 Tsuji-Wacker 氧化反应中,氯离子缺陷很大,一般不使用含氯离子的钯化合物。相关研究已经有以下选择,Pd(OAc)2,Pd(TFA)2和其他钯的配体化合物等[5]。 3.选取合适的溶剂:反应物在溶剂中的溶解度能够很大程度上影响反应的结果,合适的溶剂可以大大提高Tsuji-Wacker氧化的选择性和产率以及速率。常用的溶剂有:乙腈,乙醇,四氢呋喃,1,4-二氧六环,DMSO,丙酮,DMF(N,N-二甲基甲酰胺)等[6]。
1.4不同氧化剂的 Wacker反应
1.4.1 N2O催化氧化 Wacker反应 氮氧化物具有氧化性,可以作为 Wacker 氧化反应的氧化剂,如 N2O 等,这类氧化剂无毒无害绿色。Jessica Ettedgui[7]等人在2009 年提出,使用N2O 作为氧化剂,他们将 Pd(Ⅱ)配体化合物作为催化剂,溶剂为水和N,N-二甲基乙酰胺(DMAC)的混合物。这种氧化剂得到的反应产物是H2O 和N2,对环境没有污染,具有较好的清洁性。
1.4.2 TBHP作为氧化剂 叔丁基过氧化氢是一种比较强的氧化剂,主要是因为叔丁基的共轭作用和碳的电负性。Knochel[8]等团队在1998 年报道,使用相当少量的催化剂,催化剂为 Pd(Ⅱ)的络合物,TBHP可以氧化末端不饱和键为羰基。Sigman[9]等小组使用 PdCl2 作氧化剂,CH2Cl2 作为溶剂,反应温度为室温,TBHP 的氧化效果非常好,可以很大程度上减少催化剂的用量,降低经济成本。2015 年,刘强 等人使用叔丁基过氧化氢将烯丙基苯氧化为酮,催化剂是5%mmol 的醋酸钯,乙腈作为溶剂,对甲苯磺酸作为添加剂,室温下反应6h,可以得到较高产率的苯丙酮,说明TBHP对 Wacker 氧化反应的氧化效果不错,选择性也很高。
1.4.3 1,4-苯醌为氧化剂 BQ(1,4-苯醌)是一种常用的有机氧化剂,具有强烈的氧化作用。有人使用 BQ 可以避免 CuCl 的使用,可以提高反应速率和 增大底物的拓展范围。Grubbs[11]等人报道,他们用醋酸钯作催化剂,溶剂为乙腈,水以及二甲基乙酰胺的混合物,氧化剂为 BQ,将 4-庚烯氧化为酮,这个反应在室温下反应,当 DMA/MeCN/H2O 的比例为 3.5:3.5:1 时,3-庚酮的产率最高为89%。相比于之前的 Wacker氧化反应,此研究成果发现,这种反应条件下不仅可以氧化末端烯烃,还可以氧化非末端烯烃,遵守马氏规则,反应的产物大多数也还是酮。
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