案例：氧化反應(yīng)在連續(xù)流動(dòng)化學(xué)中的應(yīng)用

更新時(shí)間：2023-12-21 | 點(diǎn)擊率：814

　　氧化反應(yīng)是合成有機(jī)化合物的重要方法之一。目前常用的氧化方法較多，根據(jù)底物上的取代基不同可以選擇不同的氧化劑。其中強(qiáng)氧化劑主要包括重金屬氧化物，如重鉻酸鉀、高錳酸鉀和四氧化鋨等，但是它們具有高毒性。因此，常常使用一些綠色環(huán)保的氧化劑在催化劑催化條件下進(jìn)行氧化反應(yīng)來避免重金屬氧化物的使用。但是，這種綠色環(huán)保型氧化劑與有機(jī)化合物發(fā)生氧化反應(yīng)時(shí)存在發(fā)生爆炸的風(fēng)險(xiǎn)，需嚴(yán)格控制反應(yīng)條件。而使用連續(xù)流動(dòng)化學(xué)可以避免上述問題的發(fā)生。

醇的有氧氧化

　　因?yàn)轸驶诤铣苫瘜W(xué)中具有重要作用，所以將醇羥基氧化成羰基是合成化學(xué)的重要反應(yīng)之一。在包含醇氧化的多步連續(xù)流動(dòng)合成系統(tǒng)中，氧化反應(yīng)的條件應(yīng)盡可能溫和。目前，已經(jīng)開發(fā)出了許多將過渡金屬作為催化劑，并將其填充在反應(yīng)器中，以氧氣或空氣流為氧化劑在連續(xù)流動(dòng)條件下對伯醇或仲醇進(jìn)行氧化的方法。

　　方法一：在流動(dòng)系統(tǒng)中使用RuCl2(PPh3)3作為催化劑將苯甲醇以較高轉(zhuǎn)化率氧化成苯甲醛的方法。在此方法中催化劑無需預(yù)先氧化，直接將醇和N-甲基嗎啉-N-氧化物(NMO)混合液通入裝有催化劑的填充床反應(yīng)器中即可發(fā)生反應(yīng)，且在流動(dòng)反應(yīng)期間沒有觀察到釕金屬的浸出，如圖1所示。

圖1 連續(xù)流動(dòng)系統(tǒng)中PI-Ru催化苯甲醇氧化成苯甲醛

　　方法二：嵌入到穩(wěn)定的碳黑聚合物中的Au/Pt(Pd)雙金屬納米簇催化劑用于醇的連續(xù)流動(dòng)氧化。如圖2所示，伯醇在中性條件下轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的醛，而在堿性條件下獲得酸或酯，仲醇則以很好的收率被氧化成相應(yīng)的酮。

圖2 連續(xù)流動(dòng)系統(tǒng)中PI-CB/Au-Pt催化醇有氧氧化

　　方法三：由雙層金屬有機(jī)骨架@二氧化硅載體保護(hù)的鈀納米催化劑——Pd@MIL-88B-NH2@nano-SiO2，用于催化1-苯基乙醇在連續(xù)流動(dòng)條件下氧化成酮，以每小時(shí)5次的周期頻率連續(xù)操作7 d，苯乙酮的產(chǎn)率保持不變且沒有催化劑失活現(xiàn)象，如圖3所示。

圖3 連續(xù)流動(dòng)系統(tǒng)中硅-金屬-有機(jī)骨架催化1-苯基乙醇有氧氧化

　　有氧氧化反應(yīng)中，金屬催化劑表面常常被氧化，因此設(shè)計(jì)開發(fā)高性能、高耐久性催化劑是可持續(xù)性流動(dòng)化學(xué)的一個(gè)重要挑戰(zhàn)。研究表明，一些外加劑可介導(dǎo)O2的吸附和離解，從而防止金屬表面的過度氧化。對外加劑進(jìn)行批量篩選，發(fā)現(xiàn)Bi、Te、Pb 3種添加劑均能達(dá)到最佳效果，并以PdBi0.35Te0.23/C為催化劑，在連續(xù)流動(dòng)條件下對苯甲醇進(jìn)行氧化反應(yīng)，經(jīng)過近60 000次的催化循環(huán)，催化時(shí)長超過120 h時(shí)催化活性沒有下降。電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法(ICP-AES)測定金屬含量的分析表明，從填充床反應(yīng)器中浸出的3種元素含量小于1 ppm。

其他氧化反應(yīng)

　　方法四：以負(fù)載在介孔Al-SBA-15上的磁性氧化鐵納米粒子為催化劑，過氧化氫為氧化劑，將異丁香酚以較高的轉(zhuǎn)化率(88%)氧化成香草醛，研究還發(fā)現(xiàn)當(dāng)使用微波輻射時(shí)可顯著減少反應(yīng)時(shí)間，但同時(shí)降低了催化劑的重復(fù)使用能力。制備納米催化劑時(shí)的溫度超過195°C后其磁性能顯著降低。

　　方法五：使用RuO2/Al2O3催化劑在連續(xù)流動(dòng)條件下以空氣為氧化劑將各種脂族胺氧化脫氫成相應(yīng)的腈類化合物的連續(xù)流動(dòng)方法，胺的轉(zhuǎn)化率大于99%，腈的產(chǎn)率達(dá)到77%，如圖4所示。還發(fā)現(xiàn)水對RuO2/Al2O3催化劑的活性和穩(wěn)定性起關(guān)鍵作用，并應(yīng)用Hammett關(guān)系和原位紅外光譜揭示了RuO2/Al2O3催化劑催化胺氧化脫氫的機(jī)制。

圖4 連續(xù)流動(dòng)系統(tǒng)中RuO2/Al2O3催化脂肪胺氧化成腈

　　方法六：將催化材料含水漿料加載到玻璃珠上制備Pt/Al2O3填充床反應(yīng)器，并將其應(yīng)用到硅-Pyrex微反應(yīng)器中，成功發(fā)現(xiàn)用空氣代替氧氣能夠在不影響產(chǎn)率和選擇性的情況下將4-異丙基苯甲醛氧化成重要的原料藥中間體(對異丙基苯甲酸)的方法，見圖5。

圖 5 連續(xù)流動(dòng)系統(tǒng)中Pt/Al2O3催化4 -異丙基苯甲醛氧化成酸

　　單線態(tài)氧(1O2)，即為激發(fā)態(tài)氧分子，雖然其處于亞穩(wěn)定激發(fā)態(tài)，但它也是化合物氧化的實(shí)用試劑，可形成碳-氧和雜原子-氧鍵。其可以通過光敏化法、微波放電法和化學(xué)方法得到。其中，將單線態(tài)氧敏化劑固定在流動(dòng)反應(yīng)器中可以在光照的條件下得到單線態(tài)氧，使其立刻參與化合物的氧化。

　　方法七：在連續(xù)流動(dòng)條件下，將光敏化劑——[60]富勒烯負(fù)載在硅膠上并將其填充到填充床反應(yīng)器中，使用白色LED燈作為光源，甲硫氨酸甲酯在重水中幾乎定量氧化成甲硫氨酸甲酯亞砜。與使用鹵鎢燈的間歇式反應(yīng)器相比，流動(dòng)化學(xué)需要的反應(yīng)時(shí)間更短，僅需40 s，如圖6所示