TEMPO结构性质及其催化氧化体系

TEMPO的结构与性质

20世纪60年代TEMPO被报道TEMPO 和二叔丁基氮氧自由基的合成分别是由 Lebedev和 Kazarnovskii以及Hoffmann和 Henderson 在 1960 年和 1961 年报道的。在化学合成中，TEMPO 是促进官能团转变、C-C 和 C-N 的形成以及天然产物合成的有效催化剂。TEMPO 作为温和的催化剂，近年来开始被广泛应用到醇的催化氧化中。TEMPO 能够催化多种氧化剂，将醇氧化成相应的醛或酮，其参与的催化体系具有反应条件温和、高选择性和高转化率等优点，因此 TEMPO 在实验研究和工业领域都得到了广泛的应用。TEMPO 是拥有未配对电子的 N,N-二取代的 N-氧自由基，这类氮氧自由基通过不成对电子在氮氧之间的移动形成共振结构，从而具有高度的稳定性，TEMPO 还可以作为自由基捕获剂、自由基反应抑制剂和阻聚剂等。它具有很好的溶解性，能溶解在极性和非极性溶剂中，由于含有未配对电子，它也具有一定的磁性。自由基中未配对的电子在 N-O 键之间离域，二烷基氮氧自由基中自由电子的离域能是 125 KJ/mol该数据说明氮氧自由基的稳定性。此外，TEMPO 的还原态 2,2,6,6-四甲基-N-羟基哌啶（TEMPOH）的氧氢键离解能为 292 KJ/mol，其解离能远远小于大多数化合物中碳氢键的离解能，因此，TEMPO 在催化有机化合物的氧化过程中是吸热的，这就是 TEMPO 可以以自由基形态稳定存在的原因。

TEMPO催化氧化体系进展

1967年TEMPO被报道应用到醇的催化氧化中，伯醇可以被高选择性的氧化生成相应的醛。1983 年 Sheldon R小组对 TEMPO 体系选择性催化氧化伯醇、仲醇进行了研究。随后国内外研究者又提出了很多 TEMPO 参与的醇的催化氧化体系，其中 Anellie 课题组报道的 TEMPO/NaBr/NaClO 体系是较有代表性的，该催化体系是由 1mol% TEMPO、10mol% NaBr 和稍过量的 NaClO 溶液组成，可以高效高选择性的氧化伯醇和仲醇为相应的醛、酮，其自身被还原为TEMPOH。反应机理如图所示，体系中Na Br作为助催化剂与Na ClO反应生成NaBrO，并使TEMPO进行单电子的氧化生成具有强氧化性的氮羰基阳离子，在温和条件下将醇氧化成相应的醛或酮，TEMPO被还原为 TEMPOH，随后TEMPOH再次被次溴酸盐氧化为氮羰基阳离子。其中TEMPO单电子氧化成氮羰基阳离子是整个催化反应的关键，促进单电子氧化的方法主要有两类：一是通过助催化剂来活化氧化剂，并将氧化性传递到 TEMPO 的单电子氧化；二是TEMPO在酸性条件下发生歧化反应。当 pH小于 2 时，TEMPO 发生歧化反应分别生成氮羰基阳离子和TEMPOH；pH 大于3时，TEMPO则发生逆反应。TEMPO 的这个非自由基氧化机理避免了产物继续氧化成羧酸的过氧化现象，且在伯醇的氧化上表现出高选择性。Anelli法虽然能够极大地提高 TEMPO 对醇的催化氧化效果，但以 Na ClO 为氧化剂所带来的污染限制了Anelli 法的进一步发展。随后国内外研究者以氧气作为氧化剂，进一步提出过渡金属/TEMPO 催化体系和无过渡金属/TEMPO 催化体系。

过渡金属/TEMPO 催化体系

随着对 TEMPO 催化体系的深入研究，人们发现 TEMPO 与过渡金属组成的催化体系也可以将醇在温和条件下，高选择性的氧化为相应的醛或酮。

（1）含 Cu 的 TEMPO 催化体系

1984 年 CuCl/TEMPO 催化体系被报道，以二甲基甲酰胺（DMF）为溶剂，氧气为氧化剂，该体系在常温常压条件下将伯醇选择性氧化成相应的醛。通过研究提出了可能的反应机理：在反应过程中溶剂中的铜离子会发生氧化还原循环，实现 Cu(I)和 Cu(II)的转化，同时氧化 TEMPO 生成氮羰基阳离子，将伯醇氧化成醛，这是最早将 氧气与TEMPO 催化体系相结合应用到醇的催化氧化中，其不足之处是该催化体系对不活泼的脂肪醇尤其是长链脂肪醇不反应。此后，Sheldon 等人在深入研究了 CuCl/TEMPO 催化体系的基础上发展了多过渡金属/TEMPO 催化体系，发现 CuBr/联吡啶（bpy）/TEMPO/t-BuOK 可以在温和条件下高选择性的将伯醇氧化为相应醛，但对仲醇的氧化没有效果，可能原因是由于仲醇的取代基的立体位阻抑制了氧化反应过渡态的形成。在氧化活性较低的脂肪醇时则需要升高温度及延长反应时间才能得到理想的氧化效果。并提出可能的反应机理如图。

（2）含 Fe 的 TEMPO 催化体系

铁在地球上的储量丰富，人们发现铁是生物体中温和氧化反应所必须的元素，因此Fe开始逐渐被应用到TEMPO的催化体系中。最早将Fe应用到醇选择性氧化中的是麻生明教授提出的Fe(NO3)3/TEMPO体系。在此基础上，通过深入研究提出 TEMPO/FeCl3/NaNO3 催化体系，室温下，以氧气为氧化剂，能实现大多数芳香醇的氧化，选择性可达到 99%，但对不活泼脂肪醇的氧化效果不佳，脂肪醇易被过氧化生成酸。且该催化体系用三氟甲苯作溶剂，易造成环境污染，随后又将该催化体系进行优化，使用环保的 Fe(NO3)3·9H2O 来替代 FeCl3，使用 4-OH-TEMPO 替代较昂贵的 TEMPO，以乙腈作为溶剂，该体系对芳香醇的氧化有着同样良好的催化效果。TEMPO/FeCl3/NaNO2 体系的底物适用性广，除芳香仲醇在常温常压下能被高效氧化为相应的酮化合物外，其他杂原子醇在相同条件下也具有良好的反应效果。王乃伟等在该催化体系的基础上进行了更深入的研究，利用改性后的 TEMPO 选择性氧化醇，开发出一种反应条件温和，选择性高的新的醇氧化方法，并提出催化氧化反应机理。在反应的初始阶段，Fe3+被还原为 Fe2+，同时会产生质子酸，NaNO2在质子酸作用下还原生成 NO，同时将 Fe2+氧化为 Fe3+，NO被氧气氧化重新生成 NO2，构成一个氧化还原循环；TEMPO 在反应过程中将羟基氧化成羰基，自身则被还原成 TEMPOH，TEMPOH又能被 NO2重新氧化变成TEMPO，整个过程结束，TEMPO和FeCl3再次回到最初状态，整个催化氧化过程循环进行，直至醇完全被氧化成相应的醛或酮。