Baeyer-Villiger是将酮氧化成相应的
酯的一类
氧化反应,也叫做 Baeyer–Villiger重排 。Adolf Baeyer等第一次于1899年报道了Baeyer–Villiger重排反应,他们选择过硫酸钠和浓硫酸为氧化剂,进行了薄荷酮等的Baeyer-Villiger氧化反应。此后,此类反应在天然产物等的合成中发挥着重要的意义。
反应机理
过氧酸先与羰基进行亲核加成,然后酮羰基上的一个羟基带着一对电子迁移到-O-O-基团中与羰基碳原子直接相连的氧原子上,同时发生O-O键
异裂。因此,这是一个
重排反应。
具有光学活性的3-苯基丁酮和过氧酸反应,重排产物手性碳原子的构型保持不变,说明反应属于分子内重排:
不对称的酮氧化时,在重排阶段,羰基两侧的烃基均可迁移,但实验证明还是有选择性的,烃基迁移有快慢之分,其迁移能力大小顺序为:
醛氧化时的机理与此相似,但迁移的是氢负离子,得到的重排产物是羧酸:
催化剂
1、酸类
酸类催化剂作为一类高效催化剂在Baeyer-Villiger重排反应中应用广泛。由于过酸在作为氧化剂的同时也具有很好的催化性能,所以也可以把过酸类催化体系归于酸催化体系中。事实上,在很多反应体系中,
酸催化剂的存在会大大提高反应活性。张研等发现,在以乙酸酐为介质的Baeyer–Villiger重排反应中,可以用
过碳酸钠作氧化剂,将环酮或酮氧化成相应的内酯或酯。Berkessel等报道了环己酮等的Baeyer–Villiger重排反应,反应中他们选择以酸作催化剂、以环境友好的H2O2为氧化剂。在温度、溶剂等条件相同的情况下,与不加催化剂的
空白试验进行对照,加入酸类催化剂时的反应转化率和产率都有很大的提高。同时,他们在试验中还发现,该类Baeyer–Villiger重排反应中存在溶剂效应,在相同条件下,以1,1,1,3,3,3-六氟-2-丙醇(HFIP)为溶剂时,转化率和产率较其他溶剂都高,所以选择合适的溶剂也是该类重排反应中的研究重点。
2、碱性的水滑石类
固体水滑石及类水滑石对Baeyer–Villiger重排反应具有比较高的催化活性。Kanda等研究发现,在以层状水滑石等水滑石类作为催化剂催化的Baeyer–Villiger重排反应中,不仅反应中的产率较高,而且催化剂在反应后可以很好的分离回收再利用。Kanda等认为,Baeyer–Villiger重排反应的活性中心恰好是水滑石的碱性中心,这个碱性中心可以促进过酸把氧传递给酮这个重要过程的进行。所以,碱性的水滑石类催化剂才会对Baeyer–Villiger重排反应有着很高的催化活性。
Kanda等还认为,由于Fe3+,Cu2+等变价金属离子可以和水滑石类的碱性中心发生协同作用,所以Fe3+,Cu2+等变价金属离子的加入能明显提高Baeyer–Villiger重排反应的转化率和产率。
3、过渡金属离子的分子筛类
过渡金属离子的分子筛在Baeyer–Villiger重排反应中的应用十分广泛。Bhaumik等第一次报道了在催化氧化Baeyer–Villiger重排反应中应用TS-1分子筛。Corma等的研究结果表明,掺杂金属离子Sn的β分子筛类,可以选择地活化酮上的羰基,从而能够有效的促进Baeyer–Villiger重排反应有效进行,反应产物中相应内酯的比例可达到98%。并且反应中的选择性也很高,对于不饱和酮,也能生成单一的目标酯或内酯,无
环氧化物等副产物。他们还以
对甲氧基苯甲醛为底物,以Sn-β分子筛等作催化剂,催化氧化对甲氧基苯甲醛生成甲酸酯,进一步水解生成酚,其效果也较好。
以Sn-β分子筛作催化剂的Baeyer–Villiger重排反应过程有如下优点:首先,由于此类催化剂催化的Baeyer–Villiger重排反应中没有由醛生成的相应的酸的过程,因此提高了重排反应的原子经济性;其次,无论是从反应的温度还是从溶剂的量来看,其温和的反应条件和较少的溶剂用量都使得Sn—β分子筛类催化剂有着较好的工业应用前景。
4、过渡金属配合物类
在Baeyer-Villiger重排反应催化剂的研究中,过渡
金属配合物类的应用也很广泛。按反应体系可分为均相催化剂和
非均相催化剂两类,其中固体酸、硅胶负载的钛配合物和硒等属于非均相催化剂;
均相催化剂主要基于铂、锆、铼、硒、砷和钼等,此催化体系中通常采用的氧化剂为分子氧,此外,还常加入醛类作为体系的共氧化剂。
1978年,Jacobson等首次将过渡金属Mo的配合物应用于Baeyer-Villiger反应,随后又发展了一系列过渡金属(Cu,W,Re,Mn,Pt,Sc,Ti等)的配合物,它们在光学活性化合物的合成中应用较广。1994年,Bolm第一次报道了环己酮和环庚酮的不对称的Baeyer-Villiger重排反应。他们选择镍和铜的金属配合物作催化剂,将环酮类氧化成了目标的内酯。但试验结果不太理想,而且此类催化体系在很大程度上受到溶剂种类的制约。于此同时,Strukul等以手性铂作催化剂催化不对称的Baeyer-Villiger重排反应。Tatsuya等接着又以Co(Ⅲ)(salen)作催化剂、催化手性的3-取代的环丁酮生产相应的内酯,同样取得了较好的产率和e.e.值。