吡啶氮氧化物电催化氧化苄位C-H键制备羰基化合物的方法

本发明涉及有机合成，具体涉及一种吡啶氮氧化物电催化氧化苄位c-h键制备羰基化合物的方法。

背景技术：

1、苄位氧化可将丰富的烷基芳烃转化为有价值的含氧化合物，是学术界和工业界一直在积极研究的重要且根本性的化学转化。迄今为止，大多数化学苄位氧化反应通常涉及使用各种昂贵的重金属催化剂(cr、v、mo、pd、rh、ni、cu、co、fe和mn等)或危险氧化剂(t-buooh、oxone、kmno4、m-cpba和h2o2等)。例如，公开号为114855192a的专利说明书公开了一种过渡金属氧化物催化剂电化学氧化制备苄基酮/醛类化合物的方法，包括：以负载过渡金属氧化物催化剂的电极为阳极，在含有电解质的水/有机溶剂混合溶液中，阳极选择性电化学氧化苄位碳氢键为羰基，制备相应苄基酮/醛类化合物；过渡金属为钴、镍、钨、锆、钼、镧、铈、铬、钐、铁、钛、钌、钒中的一种或多种。又如，公开号为cn107602393a的专利说明书公开了一种苄位c-h键直接氧化成酮或酸的方法，以含有苄位c-h键的化合物为底物，三氯异氰尿酸为氧化剂，溴化钠和四甲基哌啶氮氧化物为催化剂进行氧化反应得到目标产物。

2、事实上，金属催化剂和危险氧化剂容易引起工艺安全和原子经济性问题。因此，在过去的二十年中，开发更加温和的可替代当前苄位氧化方法的研究尤为重要。

3、有机电化学为有机合成提供了一种新颖而强大的策略，它使用“更绿色”的电代替传统的化学氧化还原试剂。电化学有机合成也显示出其通过直接或介导的电氧化过程进行苄位c-h键氧化的潜力。苄位c-h键的直接电化学氧化通常由单电子转移(set)引发，产生芳香族自由基阳离子，但此类方法受到大过电势的困扰。间接苄位c-h键氧化是通过氢原子转移(hat)实现的，该过程可以在较低电势下运行，并获得更好的反应结果。例如，nhpi、t-buooh、tempo和fe-oxo物种已被开发作为电化学氢原子转移试剂，用于苄位c-h键的羰基化。然而，电化学苄基c-h氧化在更广泛的应用中仍存在一些问题，如官能团耐受性、底物结构简单、反应效率低等。

4、因此，开发一种温和、经济、底物范围广、选择性好的苄位c-h键氧化的电化学反应体系仍然是有必要的。

技术实现思路

1、针对上述技术问题以及本领域存在的不足之处，本发明提供了一种吡啶氮氧化物电催化氧化苄位c-h键制备羰基化合物的方法，基于吡啶氮氧化物在电极表面氧化生成吡啶氮氧化物自由基，攫取底物苄位上的氢原子从而实现苄位氧化，得到氧化产物。本发明可以商业化的网状玻璃碳电极作为阳极，铂作为阴极，吡啶氮氧化物作为氢原子转移试剂，在温和条件下实现苄位的氧化，且吡啶氮氧化物可完全回收再利用。该方法适用于苯环和杂环苄位底物，避免传统氧化方法中使用的重金属催化剂或危险氧化剂的使用，减少了污染，且反应效果可以达到甚至优于现有方法，所得到的羰基化产物具有重要的应用前景。

2、一种吡啶氮氧化物电催化氧化苄位c-h键制备羰基化合物的方法，所述方法是利用氢原子转移试剂吡啶氮氧化物在通电条件下完成具有苄位c-h键的底物的氧化，包括：向含底物、吡啶氮氧化物和溶剂的反应混合液中插入阴阳极，在通电条件下氧化反应一段时间，底物的苄位c-h键氧化，获得羰基化合物；

3、所述吡啶氮氧化物具有如下所示结构：

4、

5、其中：

6、r1、r2分别独立选自氢、c1-c6的烷基、卤素或苯基，且当r1和/或r2为苯基时，与其所在母体吡啶环形成或不形成并环；

7、r3为氢、c1-c6烷氧基、c1-c6烷基、c1-c6烷氧羰基、硝基、或苯基，且当r3为苯基时，与其所在母体吡啶环形成或不形成并环。

8、进一步的，所述吡啶氮氧化物可为甲基异烟酸-n-氧化物、4-硝基吡啶-n-氧化物、4-甲氧基吡啶-n-氧化物、4-甲基吡啶氧化物、2,6-二甲基吡啶n-氧化物、异喹啉-n-氧化物、2,6-二氯代吡啶-n-氧化物、吡啶-n-氧化物、2,6-二苯基吡啶氮氧化物、2-氯吡啶-n-氧化物、2-甲基吡啶氧化物中的至少一种。

9、本发明方法在执行时，可将底物和吡啶氮氧化物加入反应管中(在一些实施例中还可加入电解质)，向反应管中加入溶剂溶解，得到反应混合液。然后，可将组装好的阳极与阴极插入到反应管中，加入磁子，将反应管密封，随后可通入氮气和/或氧气。接着可将组装好的反应装置固定在搅拌器上，接上电源，进行电化学氧化。反应结束后可向反应液中加入碱性水溶液，用有机溶剂萃取，有机相合并，洗涤，干燥，减压浓缩并经过柱层析纯化，得到目标化合物。所述碱性水溶液可以是碳酸氢钠水溶液、碳酸钠水溶液、有机碱水溶液等。所述有机溶剂包括乙酸乙酯、二氯甲烷、乙醚等。

10、本发明方法中底物所具有的苄位c-h键应做广义理解，其包含苯环和杂环苄位c-h键等。

11、所述底物可为下述化合物1至化合物4(化合物4即为具有杂环苄位c-h键的底物)中的一种或多种组合：

12、

13、其中：

14、r4为氢、卤素、氰基、硝基、三氟甲基、c1-c6的酯基、c1-c6的烷氧磺酰基、取代或未取代的苯基中的一种或多种，所述苯基上的取代基为卤素、氰基、硝基、三氟甲基、c1-c6的酯基、c1-c6的烷氧磺酰基中的一种或多种；

15、r5为取代或未取代的c1-c6的烷基或者取代或未取代的苯基，所述烷基上的取代基为卤素，所述苯基上的取代基为卤素、氰基、硝基、三氟甲基、c1-c6的羰基、c1-c6的酯基、c1-c6的烷氧磺酰基中的一种或多种；

16、r6为氢、卤素、氰基、硝基、三氟甲基、c1-c6的酯基、c1-c6的烷氧磺酰基、c1-c6的烷基、c1-c6的烷氧基中的一种或多种；

17、r7为氢、卤素、c1-c6的烷基、取代或未取代的苯基、取代或未取代的杂环中的一种或多种，且所述取代或未取代的苯基、取代或未取代的杂环与其所在的吡啶环形成或不形成并环，所述苯基、所述杂环上的取代基分别独立选自卤素、氰基、硝基、三氟甲基、c1-c6的羰基、c1-c6的酯基、c1-c6的烷氧磺酰基、c1-c6的烷基中的一种或多种；

18、r8为卤素、氰基、硝基、三氟甲基、c1-c6的酯基、c1-c6的烷氧磺酰基、c1-c6的烷氧基中的一种或多种；

19、r9为氢、卤素、c1-c6的烷基、取代或未取代的苯基、取代或未取代的杂环(例如吡啶环等)中的一种或多种，且所述取代或未取代的苯基、取代或未取代的杂环与其所在的骨架含氧环形成或不形成并环，所述苯基、所述杂环上的取代基分别独立选自卤素、氰基、硝基、三氟甲基、c1-c6的羰基、c1-c6的酯基、c1-c6的烷氧磺酰基、c1-c6的烷基中的一种或多种；

20、r10为c1-c6的酯基、c1-c6的烷氧磺酰基、c1-c6的烷基、c1-c6的烷氧基中的一种或多种；

21、r11、r12分别独立为氢、卤素、氰基、硝基、三氟甲基、c1-c6的酯基、c1-c6的烷氧磺酰基、c1-c6的烷基、取代或未取代的c1-c6酰基或者取代或未取代的苯基，所述c1-c6酰基上的取代基为卤素、苯基、一个或多个卤素取代的苯基中的一种或多种，所述苯基上的取代基为卤素、氰基、硝基、三氟甲基、c1-c6的羰基、c1-c6的酯基、c1-c6的烷氧磺酰基中的一种或多种。

22、在一些实施例中，所述底物可为3-苄基吡啶、对乙基硝基苯、3-苄基-6-溴-2-氯喹啉、9-氧杂-1-氮杂-蒽、6-溴色满、1-氟-4-(2-溴乙基)苯、4'-乙基-4-氰基联苯、4-丁基苯甲腈1-(3-(三氟甲基)-5,6-二氢-[1,2,4]三唑并[4,3-a]吡嗪-7(8h)-基)-4-(2,4,5-三氟苯基))-1-丁酮中的至少一种。

23、所述反应混合液中吡啶氮氧化物和底物的摩尔比可为0.05～1:1，优选为0.2～0.8:1。

24、所述氧化反应的反应温度可为室温。

25、本发明所述方法，氧化反应过程中可通入氧气和/或氮气。

26、所述通电条件可为恒电流条件。

27、通电电流密度可为0.01～2ma/cm2，优选为0.02～1.7ma/cm2。

28、所述氧化反应的时间可为20～30h。

29、插入的阴阳极材料可分别独立选自网状玻璃碳、石墨棒、石墨板、碳纸、碳布、铂丝、铂片、镀铂钛棒或镀铂钛板。

30、所述反应混合液中还可含有电解质。进一步的，所述反应混合液中电解质浓度可为0.001～10m。

31、所述电解质可为lix和/或r1r2r3r4nx，其中x为卤素阴离子、c1-c6的有机酸阴离子、四氟化硼阴离子、六氟磷酸根、高氯酸根或三氟甲磺酸根，r1、r2、r3、r4分别独立选自c1-c6烷基中的一种。

32、所述溶剂可为乙腈、二甲亚砜、n,n-二甲基甲酰胺、n,n-二甲基乙酰胺、碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、三氟乙酸、六氟异丙醇、三氟乙醇、水、盐酸中的任意两种组合，优选为乙腈和三氟乙酸，进一步优选为体积比为1～20:1的乙腈和三氟乙酸，更进一步优选为体积比为6～13:1(例如6:1、12:1等)的乙腈和三氟乙酸。

33、作为一个总的发明构思，本发明还提供了所述的吡啶氮氧化物作为氢原子转移试剂在电催化氧化苄位c-h键制备羰基化合物中的应用。

34、本发明与现有技术相比，有益效果有：

35、1)本发明发现了一种新型的电化学苄位氧化的氢原子转移试剂，该试剂是廉价且较为常用的有机小分子，且这种氢原子转移试剂可以回收循环使用。

36、2)本发明反应条件温和，效率较高，避免了传统苄位氧化所需的苛刻条件。

37、3)本发明所适合的底物多样，实用性较强。

38、4)本发明明确了其所适用的苄位底物类型，是对当前方法的一个很好补充。