【名家案例】一步到位——醛的直接氧化酯化反應

研究背景

將醛直接氧化酯化是有機合成的研究熱點，但醛直接氧化酯化卻常有以下問題：

• “貴"：氧化醛酯化的典型方法依賴于在不同氧化劑，如H₂O₂、叔丁基過氧化氫（TBHP）或O₂存在下的各種過渡金屬催化劑，這種方法通常需要將昂貴的配體與特殊催化劑相結合；

• “危"：過氧化反應生產(chǎn)的過氧化物都含有過氧基（-O-O-），屬含能物質(zhì)。過氧化反應體系危險度已達到了四級或五級，而采用降低過氧化劑累積度的措施降低危險度很難保證不發(fā)生操作失誤。

歐洲著名連續(xù)流專家，奧地利Graz大學C.Oliver Kappe教授開發(fā)了一種過硫酸原位生成并在線消耗，直接實現(xiàn)醛的氧化酯化連續(xù)流合成的工藝，大大降低了安全隱患。

該工藝可擴展到多種脂肪族和芳香族醛的轉(zhuǎn)化，并通過多克級合成驗證了其制備能力。

研究過程

01  過硫酸的生成

Oliver教授將H₂O₂與硫酸混合生成過硫酸?？紤]到過硫酸的不穩(wěn)定性和爆炸性分解的傾向，作者通過連續(xù)流反應器，實現(xiàn)過硫酸的原位生成與在線消耗，提高過硫酸的實用性，并將安全風險降低。

在連續(xù)流工藝開發(fā)之前，為了表征過硫酸的形成和分解，評估反應過程中潛在的安全隱患，作者使用反應量熱儀探究了H₂SO₄-H₂O₂反應體系的熱行為。

圖1. 熱量滴定試驗

研究發(fā)現(xiàn)過硫酸的形成需要高于70°C (圖 1)，過硫酸在生成后直接發(fā)生降解，反應焓(-271.5±10.1 KJ.mol^-1)包括過硫酸的生成和分解。

02  氧化醛酯化反應

裝置搭建：在獲得了足夠的過硫酸形成與分解的數(shù)據(jù)后，作者搭建了連續(xù)流的反應裝置：在甲醇存在下形成過硫酸并隨后進行氧化醛酯化反應。

圖2. 直接氧化酯化的連續(xù)流動示意圖

實驗中肉桂醛作為底物溶解在MeOH中，將H₂SO₄的MeOH溶液與H₂O₂溶液進行連續(xù)混合，分別泵入反應器。經(jīng)反應器流出的反應液又通過加熱且?guī)в斜硥旱姆磻€圈，最后反應液被導入含有飽和NaHCO₃水溶液以及MnO₂混合物的燒瓶中，進行反應的在線淬滅。

反應優(yōu)化：作者對反應進行了優(yōu)化，結果如下。

表1. 肉桂醛直接氧化酯化反應的優(yōu)化

• 在反應溫度為100℃，H₂SO₄和H₂O₂都只有2eq. 時，轉(zhuǎn)化率可以達到100%，僅檢測到少量的副產(chǎn)物氫肉桂酸(2) (table1，entry2)；

• 相對于H₂O₂，使用過量的H₂SO₄更加有利于反應。推測其原因是更加利于縮二甲酯的形成(table1, entry6, entry7)；

• 當H₂SO₄為2.4eq.，反應器溫度達到120°C時，可以實現(xiàn)定量轉(zhuǎn)化和97%的選擇性(table 1, entry9 VS entry10)。

反應機理研究：通過對反應的研究，作者給出了可能的硫酸醛類氧化酯化反應的反應機理。

圖3. 可能的反應機理

03  過硫酸氧化酯化反應拓展

作者進一步研究了多種脂肪醛以及取代芳醛作為底物的反應體系，驗證過硫酸氧化酯化反應的實用性。

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表2. 取代芳醛作為底物的拓展研究

研究表明，該方法不管是對脂肪醛還是對芳香醛都有著廣泛的實用性。

04  可持續(xù)性和對環(huán)境影響的研究

為了評估過程的可持續(xù)性和對環(huán)境的影響，作者研究了著名藥物Paroxetine合成中的關鍵中間體。Paroxetine是一種選擇性血清素再攝取抑制劑，廣泛用于治療抑郁癥和驚恐障礙。

圖4. Paroxetine的合成

對γ-硝基醛（5）氧化酯化制γ-硝基酯（6），作者利用連續(xù)過硫酸氧化酯化得到的數(shù)據(jù)和基于N-溴代琥珀酰亞胺（NBS）的氧化的文獻數(shù)據(jù)，進行了分析E因子、過程質(zhì)量強度（PMI）、反應質(zhì)量效率（RME）、原子經(jīng)濟性（AE）和效率（OE）的比較。

表3. 可持續(xù)性和對環(huán)境影響的研究

結果表明，流動過程執(zhí)行地更好。流動過程對環(huán)境更友好、產(chǎn)生的廢物更少，因此更可持續(xù)。

研究小結

• 作者提出了一種過硫酸原位生成并在線消耗，直接實現(xiàn)醛的氧化酯化連續(xù)流合成的工藝。將過硫酸的安全隱患降低。

• 通過一系列脂肪族和芳香族底物的氧化酯化反應，驗證了該工藝的拓展通用性，均實現(xiàn)了良好的轉(zhuǎn)化率和較高的選擇性。

• 連續(xù)流反應器的應用使過硫酸成為一種簡單而有效的氧化劑，它在各種通量規(guī)模的合成應用都將成為可能。

• 流動過程對環(huán)境更有友好、產(chǎn)生的廢物更少，因此更可持續(xù)。

參考文獻：ChemSusChem 2023, 16, e202201868