金属咔咯催化Baeyer-Villiger氧化反应的研究

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拜耳-维利格(Baeyer-Villiger,B-V)氧化反应是有机合成中将酮转化为对应的内酯的经典反应,而ε-己内酯是合成环保型可降解聚合物的重要中间体。在全国大范围推广“限塑令”的背景下,大力发展可降解塑料具有深远意义,聚ε-己内酯作为可降解塑料原材料,其合成引起了人们广泛的兴趣。目前工业上ε-己内酯是通过过氧乙酸氧化环已酮的B-V氧化反应合成的,但该工艺要求高,容易爆炸,目前只有国外少数几家公司掌握其关键技术。开发新型、安全和环保的ε-己内酯合成方法是当今化工行业的热门课题。目前,已有研究报道金属卟啉在B-V氧化反应中表现出良好的催化活性。咔咯是卟啉家族的一种重要化合物,已广泛应用于催化氧化、环丙烷化和羟基化反应中。而金属咔咯应用于B-V氧化反应至今未见报道。本论文首次实现了以金属咔咯为催化剂,苯甲醛为牺牲剂的分子氧Baeyer-Villiger(B-V)反应。主要研究内容如下:1.通过“两步法”合成了5,10,15-三(五氟苯基)咔咯,并制备了相应的金属铁、钴、锰、铜配合物。应用紫外-可见光谱、核磁共振、高分辨质谱等对产物进行了鉴定。2.以环己酮作为模型底物,分别对氧化剂、催化剂的中心金属、溶剂、反应时间和温度、醛、醛酮比(苯甲醛与环己酮的摩尔比)、添加剂等因素对环己酮的B-V氧化反应的影响进行了探索。得到的最优条件为:1,2-二氯乙烷(3 m L),环己酮(1mmol),铁咔咯配合物Fe(tpfc)Cl(1×10-3mmol),4A-MS(0.1 g)和苯甲醛(1.5 mmol)混合物在60℃下O2鼓泡6 h时,得到ε-己内酯的最高产率(87.9%)。最后,在此最优条件下对实验体系的底物耐受性进行了研究,结果证明该反应对环酮底物效果更好,环酮中六元环酮具有最高的活性。该催化反应的克量级试验的TON值达到了7000。机理探究实验表明,该体系通过自由基机理进行。铁配合物能够加速苯甲醛形成过氧苯甲酸,同时与苯甲醛形成高价铁咔咯Cor FeⅤ=O中间体。最后形成Criegee加合物重排得到产物ε-己内酯。同时,4A-MS能够活化苯甲醛分子,加速该反应进程,提高反应的转化率。与金属卟啉催化体系相比,本论文将催化剂负载量降低到0.1 mol%时,反应6小时后ε-己内酯可达到87.9%。
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