基于有机小分子新型仿生催化剂构建及其催化脂肪伯醇选择氧化的研究

The oxidation of unreactive primary aliphatic alcohols to aldehydes is among the most synthetically important classes of alcohols oxidation reactions, but it is also among the most challenging. In the process of catalytic aerobic oxidation of primary aliphatic alcohols to aldehydes, aldehyde products are more reactive than substrate alcohol, and the aldehyde products are also more susceptible to over-oxidation to the carboxylic acids, resulting in lower product selectivity. Organisms enzyme catalysis is of high selectivity. This project intends to focus on establishing the molecular oxygen as oxidant catalytic system for mimic enzyme-catalyzed selective oxidation of the primary alcohol. Under the guidance of mimic enzyme catalytic oxidation theory, with the help of hydrogen transfer reagent nitroxyl radical TEMPO and N-containing ligands, bifunctional transition metal complexes are designed and prepared via introducing hydrogen transfer reagent TEMPO to the ligand skeleton. The complexes are of complex catalysis and hydrogen transfer two functions. The catalytic activity was adjusted via the regulation and control spatial location of ligand and nitroxyl radical on the link. Highly efficient and selective catalytic system was established using the bifunctional catalyst for the oxidation of primary aliphatic alcohols. Based on the study of relationship between catalyst structure and its properties of catalytic oxidation of alcohols, the reaction mechanism can be investigated systematically in order to provide theoretical basis for the design of high efficiency catalyst.

非活泼脂肪伯醇高选择性地氧化成醛是醇氧化中非常有挑战性的反应。在催化氧气氧化脂肪伯醇制备醛的过程中，产物醛的活性比底物醇高，容易发生深度氧化为酸，从而导致产物的选择性降低。生物体酶催化具有高度选择性，本项目拟围绕建立分子氧作为氧化剂模拟酶催化伯醇选择性氧化的催化体系的相关问题展开研究。在模拟酶催化氧化理论指导下，拟借助于有机小分子氢转移试剂氮氧自由基TEMPO和含氮配体，将氢转移试剂TEMPO引入配体骨架中，设计和制备具有模拟酶性质的双功能过渡金属配合物，该配合物兼有络合催化和氢转移两种功能，通过调控配体原子和氢转移试剂在链接分子上的空间位置，进而调变其催化活性。以其为催化剂建立高效高选择性的脂肪伯醇催化氧化体系，同时在研究催化剂结构与其催化醇氧化性能之间的构效关系基础上，系统研究醇氧化反应机理，进而为高效催化剂的设计提供理论基础。

非活泼脂肪伯醇高选择性地氧化成醛是醇氧化中非常有挑战性的反应。在催化氧气氧化脂肪伯醇制备醛的过程中，产物醛的活性比底物醇高，容易发生深度氧化为酸，从而导致产物的选择性降低。本项目围绕建立分子氧作为氧化剂模拟酶催化伯醇选择性氧化的催化体系的相关问题展开研究。围绕有机小分子氮氧自由基，结合模拟酶仿生催化方法，开发了多个催化剂体系用于脂肪伯醇的氧化，并表现出高的催化活性。设计和制备了Bpy-TEMPO双功能分子，该分子有稳定的自由基TEMPO和能够与金属离子结合的配体。Bpy-TEMPO结合金属铜作为催化剂能够实现各种伯醇包括脂肪、烯丙基、炔基、芳香及含杂原子醇高效高选择性氧化为相应的醛。尤其是脂肪伯醇，含有双键、三键、卤素、醚键等官能团都能够高选择性氧化为醛。通过UV–vis光谱，研究了催化体系各组分相互作用。半乳糖氧化酶的活性中心含有咪唑基的氮，首次把TEMPO和氮甲基咪唑结合，制备氮甲基咪唑衍生的TEMPO (NMI-TEMPO)多功能分子，该分子氮甲基咪唑既能够与Cu配位，降低CuⅡ/CuⅠ还原电势，提高CuⅠ活化氧气的能力，也能攫取羟基氢，同时，由于TEMPO上存在氮甲基咪唑取代基，改变了TEMPO的电子性质，从而表现出更高的催化活性。该多功能分子结合CuI和联吡啶类配体组成催化体系，可以高效地催化氧化非活泼脂肪伯醇为相应的醛；同时该体系后处理过程更简单。开发了一种Fe(NO3)3/ABNO催化体系，解决了TEMPO参与的Fe催化体系对脂肪伯醇选择性差的问题。在室温敞口条件下，不需要任何添加剂，不使用含卤溶剂，能够高选择性实现脂肪伯醇氧化为醛，对含有双键、三键、卤素、醚键等官能团脂肪醇也具有高选择性。Hammett结果反应常数ρ为-1.8，说明速率控制步骤中反应中心存在正电荷，负电子基团对反应有利。动力学同位素研究， kH/kD 数值大于2，认为β-H 的消除即C-H键的断裂是决速步，即底物的氧化过程为反应速率决速步。