α-烯烃合成伯醇的研究进展

●574●化学通报2004年 第8期http://www. hxtb. orga-烯烃合成伯醇的研究进展冉学光江焕峰*朱新海许琳(中国科学院广州化学研究所广 州510650)摘要综述了a-烯烃通过有机硼、有机铝、有机硅、有机锆氧化水解法选择性反应生成伯醇的研究进展及其合成应用。关键词a-烯烃选择性伯醇The Progress in Preparation of Primary Alcohol via SelectiveReaction of a-OlefinsRan Xueguang ,Jiang Huanfeng" , Zhu Xinhai ,Xu Lin(Guangzhou Institute of Chemistry ,Chinese Academy of Sciences ,Guangzhou 510650 ,China)Abstract The progress in selective reaction of a-olefins to afford primary alcohols is reviewed inthis paper. These reactions mainly include oxidation-hydrolysis of organoboron, organoaluminum,organosilicon and organozirconium. Also its application is stated in organic-synthesis.Key words a-Olefins ,Selectivity , Primary alcohol以烯烃为原料的合成反应是有机合成中用途最广、最基本的反应,也是目前报道最深人、最广泛和系统的化学专题之一。这主要是基于烯烃来源广泛、价格低廉,引人氧、氮等其它原子之后不仅经济附加值成倍地增长,而且应用极其广泛,因此人们一直在努力通过烯烃合成醇、醛、酮、羧酸、酯、胺、酰胺等化合物。在合成这些化合物的过程中选择性尤为重要。近几十年来烯烃的选择性反应已成为有机合成化学研究最兴盛并已取得长足进步的领域之--。这些选撣性反应包括:区域选择性、立体选揮性和对映异构选择性等,特别是最近20年来其理论研究已日臻完善,技术开发方面不少工艺已经从实验室走向工业化生产。a-烯烃选择性反应制备伯醇是其区域选择性的一个典型反应实例。- 方面,-烯烃的1位和2位碳_上均可以连接羟基分别成为伯醇、仲醇;另一方面当分子中末端双键与非末端双键共存的时候,控制反应只生成伯醇更是一件富有挑战性的工作。本文综述了a-烯烃选择性反应制备伯醇这方面的工作,主要包括通过a-烯烃分别生成烷基硼、烷基铝、烷基硅以及烷基锆,然后氧化-水解制备伯醇。论述了这些反应的基本原理、基本路线、优缺点及发展趋势等。1 a-烯烃反应生成伯醇的理论研究1.1 与硼氢化试剂反应冉学光男,28 岁,硕士生,现从事有机合成与天然产物的研究与开发。* 联系人,E-mail:jhf@mail gic. ac. cn国家自然科学基金资助项目(20172053)2003-08-02收稿,2003-12-20接受http://www. hxtb. org化学通报2004年 第8期.●575.最初用到的硼氢化试剂为硼烷、简单卤代硼烷和烷基取代硼烷,通常用醚或硫醚作反应催化剂1.2 ,然而数十年来,人们虽然对这一加成反应进行了大量的动力学研究[3~6]和理论研究[^~10] ,但仍未能提出详细而明确的反应机理。1972年Pasto等对四甲基乙烯在THF溶液中硼氢化反应进行的动力学研究结果提出了交换机理[8],1980年Brown等对多种二烷基取代硼烷与烯烃硼氢化的动力学研究提出了分解机理(4,2001年陶凤岗等通过理论计算提出了理论模型1。反之硼氢化反应的应用远远超出了理论研究。Brown等(12研究了不同卤代硼烷、不同溶剂对不同类型烯烃反应的选择性比较,如表1所示。表1不同卤代硼烷与烯烃反应选择性的比较[12]Tab. 1 Regioselectivtles of hydroborations with haloboranes alkenes[12])选择性%硼氢化试剂n-Bu~Ph厂7F↑BHs. THF69419 8155 45BH2Cl●OEt2<0.5>99.54 9658 42BH2CI●SMez0.8 99.2793BH:Br●SMer0.4 99.6.6337从表1看出这类硼氢化试剂对a-烯烃加成生成末端烷基硼选择性很高,由于硼烷为有毒气体,实验操作极为不方便,因此人们不断地开拓出新的硼氢化试剂,如:9-BBN-H、Sia,BH、Chx,BH、MeS.BH.JIpc:BH等硼氢化试剂,这类试剂的特点是硼氢化试剂本身位阻较大。简单硼烷、大位阻硼烷与不同类型末端烯烃以及一个内部烯烃反应的选择性比较如表2所示。衰2不同硼烧与烯烃反应选择性的比较([1]Tab.2 Reloslectvites of bydroboratlons with boranes on alkenes[L8]选择性/%r-ClOAc厂￥- SiMesBHs●THF6 943 576040653540 60SiaeBH9397955.982559-BBN-H0.1 99.90.2 99.898.9 1.197.6 2.41000表2表明,这类大位阻硼烷作为硼氢化试剂对末端烯烃反应的选择性很高,这主要是空间效应起控制作用。当分子中同时存在分子内双键与末端双键时其区域选择性表现得尤为明显,这对某些.特殊天然产物的转化是一种非常有用的方法。而且这类硼氢化试剂还有一个优点就是只发生一次加成反应。2001年Peng等[0又开发出新的硼氢化试剂，即用丙二酸与硼氢化钠反应生成丙二酰氧基硼氢化钠,它与烯烃反应通常也具有高度的选择性。当分子中有分子内双键与末端双键共存时,该试剂只与末端双键反应生成相应的硼化物,且这类试剂不能进一步 反应生成二烷基取代硼氢化物。- -方面由于丙二酰氧基硼氢化钠空间位阻大,另-方面由于B-H键受到两个酰氧基的影响而变得更为惰性,这表明该硼氢化试剂为单-硼氢化试剂。赵德杰等[5]也得到相同的结果,生成的丙二酰氧基烷基硼经过氧化水解可以得到产率很高的伯醇,表示如下:●576●化学通报2004年 第8期.http:/www. hxtb. orgNaBH+CH2(COOH)2 .THFAr- →Na H2B'pTHF0]RCH一CH2+NaH2B→Na+ RCH2CH2OH△98%RCH2CH2这一方法的优点在于用固体硼氢化试剂代替了有毒的硼烷气体,实验操作条件容易控制,对环境比较友好。.有机硼中的B- -C键很容易被碱性双氧水氧化为C-0键,反应基本上是定量的,有机基团由硼到氧的转移(1,2-迁移)而构型保留,其机理普遍认为是H2O2与OH存在如下可逆过程:H-O- 0-H+OH°→H- _0- 0- +H2OHO2-与烷基硼作用生成烷氧基硼,之后在OH-作用下生成RO- ,RO-与H2O作用生成醇。随后人们又在碳硼键转化为碳氧键上开拓出许多新的氧化剂，如用过二硫酸钾、过氧酸、Me;NO等为氧化剂,氧化原理与碱性双氧水基本相同。在合成上用O2在THF中氧化R,B,制得烷基过氧化氢与醇，之后用碱萃取法分离得到伯醇。硼氢化试剂和氧化剂的拓展以及氧化方法的改进大大地丰富了a-烯烃通过硼氢化反应制备伯醇这.-理论。最近人们在反应介质、催化剂方面又有了新的发现,2000年Brown等发现用叔胺硼烷在THF中与末端烯烃反应后,常温下再用30%的双氧水氧化可得到96%以上的伯醇[16]。(1) THF, r.t./+-Me●BHs(2) 30%H2Ozi-Pr2000年Albanese等发现在季铵盐和溴代正丁烷存在条件下硼氢化钠与末端烯烃反应后再用碱性双氧水氧化可以得到产率很高的伯醇17]。CoH2(1) NaBH,H2O,[(Capry)3Me]C. BuBr,s.t.+ n-CnH2OH(2) H2O2(aq), NaOHJosyula等[18]发现用BH2Cl-dioxane和CH2Cl2与末端烯烃反应之后再用NaOH-MeOH-H2O2常温下反应3h,升温到40C反应1h也能得到产率很高的伯醇。an_ (1) BHLC-dioxanex CH:Cl2, ..+HO(CH2),Me(2) NaOH, MeOH, H2Or近年来,有机硼法合成伯醇理论上已经日臻完善[19~20],同时在有机合成中也得到了广泛的应.用22-25],无论是合成结构简单的目标分子还是复杂分子中间体都体现了这种方法高区域选撣性的特点,如下面的反应[80:H(1)RMeN合YCO2Me(2) H2O2N CO2MePhSO2 CO2Me由于硼化合物的结构特点和在有机合成中的广泛应用,使得a-烯烃通过有机硼法制备伯醇这●578●化学通报2004年第8期http://www. hxtb. orgHSiMe,Cl HSiEtCl2 ,HSiPh2Cl;(2)烷氧基硅,如HSi(OMe)3、HSiMe(OMe)2.HSi(OEt);(3)烷基硅,如HSiEt3.HSiMe2Ph.HSiEt2Me、H2SiPh2.这些硅氢化试剂与末端烯反应生成98%以上的正烷基硅,之后用氧化剂(如Me;NO、MCPBA.过叔丁酸以及过二硫酸钾[34~36)氧化,水解得到产率很高的伯醇。RCH= CH2HPtCleRCH2CH2SiCl;- K.[RCH2CH:SiFJ]- nMCPBA+RCH2CH2OHHSiClDMF-RCH2CH2SiFsMCPBA氧化碳硅键为伯醇可表示如下:Q],R-si→→R-0-Si→ROH0]^R-Si-十R-0-Si一十ROHTamao等[3以等摩尔不同烷基的五氟硅化物与MCPBA在干燥的DMF中室温搅拌6h转化为相应伯醇的产率进行了比较,如表4所示。表4 DMF 中MCPBA氧化五氟烷基硅化物[3]Tab.4 Oxidative cleavage of Kz[RSIF;] by MCPBA in DMF(8]烯烃，烷基硅中的烷基产物产率(收率)/%n-CHrgCH-CH2n-CgHr-n-CgH;OH82 (69)2n-CsHIεn-CHr-68 (57)3n-C1oHznCH-CH2n-CnqHxs-n-CzH2OH75 (43)MeO2C(CH2)xCH- -CH2MeO2C(CH2)1o-MeO2C(CH2)2eOH77 (35)CH--CH2CHcCH2-CH2CH2OH554 (35)6CsHi1-CcHn;OH22 (13)0从表4看出,末端烯烃很容易转化为伯醇,双键碳上取代基越多,醇的收率就越低。最近又有人用烷氧基硅烷在催化剂RhCl(PPhs)s作用下生成相应的烷基硅,在KF●HF/DMF作为介质直接用MezNO氧化可以得到产率很高的伯醇155]。RCH-CH2HSiMe(OEt)2RCH2CHzSiMe(OEt)2MeNOROH“ RhCl(PPhy);KF.HF碳硅键转变为碳氧键这一步，经过人们的努力,已开拓出许多既方便又实用的氧化剂，如Kohei等138.39]) 发现用H2Oz在不同条件下(如:中性条件30%H2O2/KHF2/DMF/r.t. ;酸性条件30%H2O2/ Ac2O/KHF:/DMF/r. t. ;碱性条件30%H2O2/KHCO3/MeOH/THF /60C)都能将烷基硅转变为相应的伯醇,所用的介质与反应的条件都十分方便。R-Si-H2O2- +ROH硅氢键极易水解,通过a-烯烃硅氢化制备伯醇要求溶剂无水,体系须用惰性气体保护。尽管硅氢化反应是等当量的,如果把这一过程与制备硅的其它工业结合,从经济角度出发可以实现工业http://www. hxtb. org化学通报2004年 第8期●579.化。有机硅法制备伯醇最近的发展趋势是拓展新催化剂和硅氢化试剂,已取得可喜的成绩(0.1),如下面的反应([42]:Me,(MerNNH)_- ,SiH+ CH2- CHR. 催化刑Me,(MeNNH)_ .SCH.CH,R- +RCH2CH2OH(R=C,H, - ,n=1、2)1.4 锆氢化反应1970年Wailes等第一次用CprZrCl2和LiAl(OBu-t)2H或LiAIH,在THF中成功地合成了Cp2ZrHCl后,在有机合成化学中得到了广泛的应用。Cp2ZrHCl与烯烃反应条件温和、反应产物的收率一般都较高。现在有机锆试剂已经应用于各类物质的合成，更适合伯醇的合成。该试剂的特点是当分子中同时存在分子内双键与末端双键时,由于位阻的原因它优先与末端双键反应;若只有分子内双键时,它会先加成、后消除最后歧化为末端双键的锆氢化物,整个过程需要在一定温度下较长时间内才能完成。其过程43.4]可以表示如下:CClCpzZr- CpzZrHCl 'CpzZrHCl Cp:ZrCpzZrHCl+→Cp2ZrCH2C,心Cr2人们虽对其机理进行了研究,但都不能给出满意的答案。尽管这样,CpzZrHCl还是制备伯醇很好的试剂。正因为有这样的反应特点,所以当分子中同时存在分子内双键和末端双键时,控制区域选择性反应生成末端醇时,烯烃要稍微过量,反应通常用苯、甲苯作为溶剂,得到有机锆之后再用氧气或碱性双氧水、过氧叔丁醇、间氯过氧苯甲酸、氯化氧铬等氧化剂氧化得到产率较高的伯醇,整个反应在30~40C下进行。H2O2/H2ONaOH2-Bu0OHCpzZrHCl +Cp2山wv-- Fc-十CH(CH2)6CH2OH-CO,HCrO2ChThomas等[41将不同烯烃与Cp2ZrHCl反应得到烷基锆,用不同氧化剂氧化得到伯醇，在VPC中检测其结果(表5)。表5烯烃锆氲化刎备醇Tab. 5 Hydrozirconation of alkenes to alcohols烯烃氧化剂_产物.转化率/%1-辛烯H2O/NaOH(aq)1-辛醇6t-CHyOOH7:m-CICsH.COzH4环已烯H2O2/NeOH(aq)环己醉2Sr-C.H,OOH环已醇环己醇763.3-二甲基-1-丁烯t-C.H2OOH3.3-二甲基-1-丁醇52-甲基2-丁烯O2-甲基-2-丁醇70异戊二烯3-甲基-3-丁烯-1-醇7从表5可以看出O2氧化烷基锆所得伯醇产率比其它氧化剂相对要高些。Thomas等提出先生成自,580●化学通报2004年 第8期.http://www. hxtb. org由基锆,之后再与氧气生成过氧基,再后生成活性的烷基自由基,反应得到烷氧基锆,水解即可得到相应的伯醇,这种机理还有待于进一步验证。1999 年Paul等对烷基锆的重排、氧化机理进行了详细的研究[46],限于篇幅,这里就不再详述。烯烃锆氢化反应已广泛应用于末端烯烃制备伯醇,尤其是分子中有末端双键与分子内双键共存而要求末端双键生成末端醇且其它双键不受影响时,这种方法的优点就更显突出。但这种方法所用的锆氢化试剂成本较高,且试剂不能循环利用，因此这类方法目前只能在实验室进行。2a烯烃合成伯醇在合成工业上的应用a-烯烃合成伯醇不仅在理论上取得了长足的进展，而且应用也很广泛。在某些天然产物的合成中优点更加明显,如作为大宗香原料的香茅醇最开始是从植物精油中提取,这类方法原料来源有限、精馏要求严格,因而成本较高。之后人们采用加工半成品法,如对香茅醛、香叶醇、柠檬醛的部分还原法(5748],这些方法选择性较低,而半成品原料也是经过天然产物的提取得到,价格较高,因而这类方法成本较高。随后人们用藏烷的裂解产物二氢月桂烯直接合成香茅醇,二氢月桂烯分子中有分子内双键和末端双键,要控制分子内双键不反应而让末端双键反应,且末端双键反应只生成伯醇而不是仲醇,Rienacker等通过硼氢化、铝氢化反应得到了较高产率的香茅醇(49.50。表示如下:B;HsCH2O-BH2O，L-OH(i-Bu)zAIH0]CH2O+AOH因为无论是有机硼还是有机铝都是等当量反应,再则这两种试剂的成本较高,而且这两种试剂都是一次性试剂不可回收,同时又无法和其它产业结合,要求工业化的条件较为苛刻,要使从二氢月桂烯合成香茅醇的这两种方法真正工业化还比较困难,不过这也为实现工业化生产提供了理论基础。目前笔者所在实验室正在探索用有机锆、有机硅法来合成香茅醇(46],尽管这两种试剂与末端烯烃的反应规律及选择性研兖较多,但将这些方法用于二氢月桂烯合成香茅醇还是第一次。举例如下:CprZrHCl[O]Cpr氧化剂可用H2O2/NaOH(aq)、t-BuOOH、m-ClCgH,CO3H或CrO2Cl2/H+ ,反应的选择性为100% ,香茅醇的产率达85%以上。3结语综上所述,a烯烃要制得高产率的伯醇应从三个方面考虑:(1)选撣特殊的反应试剂生成末端碳原子中间体;(2)将中间体如何方便地转化为伯醇，包括氧化剂的选择、氧化方法的改进,在工业生产中还要考虑分离、提纯等因素;(3)反应介质的影响,从一开始人们就在努力寻找最佳反应介质体系，目前以超临界二氧化碳流体作为反应介质最热门,它使反应得以在均相中进行,有利于产物从反应区移去,实现了反应与分离的一体化,更为重要的是它在缓和环境污染.节约能源方面将发htp://www. hxtb. org化学通报2004年 第8期.●581●挥重大的作用。目前,a-烯烃选择性制备伯醇这-研究领域发展方兴未艾,众多化学家都积极投身该领域,研究成果不断涌现，已呈现出一片欣欣向荣的景象,现在有些研究成果已经从实验室到工业化生产，相信随着人们认识不断的深入会有更好的新试剂、新方法问世。参考文献[1] N s lsacs. 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