一种铁催化的醇氧化酯化制备羧酸酯的方法

技术领域

本发明属于化学合成技术领域，涉及一种铁催化的以氧气或空气作为氧化剂，醇直接氧化酯化制备羧酸酯化合物的方法。

背景技术

羧酸酯广泛存在于大宗化学品、精细化学品、天然产物以及聚合物中(Otera,J.Esterification:Methods,Reactions,and Applications,Wiley-VCH,Weinheim,2003.)。也正是由于它们用途广泛，关于酯类化合物的合成也备受关注。传统的方法一般是羧酸衍生物(酰卤，酸酐等)与醇发生亲核取代反应，但这些反应往往需要比较严苛的反应条件以及会产生化学当量的副产物(Otera,J.Chem.Rev.1993,931449.)。近些年来，从醛出发与醇发生氧化酯化反应也有大量的报道，但是目前该路径仍需化学当量的氧化剂，如MnO

发明内容

本发明克服了现有技术的不足，提供了一种成本低廉、适合工业化生产、反应条件温和、操作简便、绿色的铁催化的以氧气或空气为氧化剂，醇氧化酯化制备羧酸酯类化合物的方法。现有技术中关于Fe/TEMPO体系，以氧气或空气为氧化剂，醇的氧化酯化还未见报道。

本发明克服了现有氧化技术中使用当量或过量的氧化剂或贵金属作为催化剂，反应条件严苛、原料不可得、成本昂贵等缺陷，提供了一种在大气压的条件下，利用更加绿色、清洁、廉价的氧气或空气作为氧化剂，来实现醇的氧化酯化。反应以工业易得、廉价的硝酸铁、氮氧化物、Lewis酸为催化剂，氧气或空气作为氧化剂，成功实现了醇的氧化酯化。本发明所需成本低廉、原料来源广泛、反应过程绿色干净，具有成本低廉、适合工业化生产、反应条件温和、操作简便、对环境友好等有益效果。

本发明提供了一种铁催化的以氧气或空气作为氧化剂，醇直接氧化酯化制备羧酸酯类化合物的方法，在25℃-60℃的条件下，在有机溶剂中，以两种醇为原料，以九水合硝酸铁、氮氧化物和Lewis酸为催化剂，以氧气或空气作为氧化剂，将所述醇直接氧化酯化生成羧酸酯类化合物。在具体实施方案中，所述两种醇为R

其中，

所述R

所述带有官能团的烷基中的官能团为卤素、醚键、酯基、环烷基、芳基、杂芳基、烯基、炔基、联烯基、带官能团的炔基、氨基等；所述芳基为苯基、卤代苯基、烷基苯基、烷氧基苯基、烷氧基萘基、联苯基、硝基苯基、酯基取代的苯基、氰基苯基、间三氟甲基苯基等；所述杂芳基为噻吩基等；

所述带有官能团的炔基中的官能团为烷基、苯基等；

所述带有官能团的苯基为烷氧基、硝基等；

所述R

优选地，所述R

所述带有官能团的烷基中的官能团为氟、氯、溴、碘、醚键、酯基、烯基、炔基、联烯基、苯基、对氯苯基、烷基苯基、间甲氧基苯基、烷氧基萘基、联苯基、对硝基苯基、对氰基苯基、酯基取代的苯基、噻吩基、氨基。

进一步优选地，R

具体地，所述R

本发明方法中，所述的氮氧化物为2,2,6,6-四甲基哌啶氮氧化物(TEMPO)、4-乙酰氨基-2,2,6,6-四甲基哌啶氮氧化物(4-NHAc-TEMPO)、4-甲氧基-2,2,6,6-四甲基哌啶氮氧化物(4-OMe-TEMPO)、4-羟基-2,2,6,6-四甲基哌啶氮氧化物(4-OH-TEMPO)、9-氮杂双环[3.3.1]壬烷-N-氧基自由基(ABNO)等之一种或几种；优选地，所述氮氧化物为2,2,6,6-四甲基哌啶氮氧化物(TEMPO)、4-甲氧基-2,2,6,6-四甲基哌啶氮氧化物(4-OMe-TEMPO)；进一步优选地，为2,2,6,6-四甲基哌啶氮氧化物(TEMPO)。

本发明方法中，所述的Lewis酸为氯化铋、氯化铝、氯化铁、氯化铟、溴化铟、溴化铋、氯化锡、氟化铜、氯化锌、三氟甲磺酸镱、三氟甲磺酸镧、三氟甲磺酸钪等之一种或几种；优选地，所述Lewis酸为氯化铋、氯化铝；进一步优选地，为氯化铋。

本发明方法中，所述有机溶剂为二氯甲烷、1,2-二氯乙烷、1,1-二氯乙烷、三氯甲烷、甲苯、乙腈、氯仿、乙酸乙酯、1,3-二氯丙烷、1,2-二氯丙烷、硝基甲烷、乙二醇二甲醚、二氧六环等中的一种或多种混合；优选地，所述有机溶剂为1,2-二氯乙烷、甲苯；进一步优选地，为1,2-二氯乙烷。

本发明方法中，所述的原料醇R

本发明方法中，所述的原料醇R

本发明中，所述反应温度为25-60℃；优选地，反应温度为40-50℃；进一步优选地，反应温度为50℃。

本发明中，所述反应的时间为40-60小时，优选地，为48小时。

本发明中，所述氧气的来源为纯的氧气或空气。

本发明可能的机理如下：首先，醇在硝酸铁，TEMPO和Lewis酸(如BiCl

本发明通过监测反应验证了醛是本发明所述反应的中间体，而在反应过程中几乎未监测到酸的生成，监测反应图如图1所示，进一步证明本发明反应体系中并不涉及酸的生成；另外，在本发明反应体系中，BiCl

本发明的实质创新点在于：(1)从催化体系出发，本发明利用硝酸铁、氮氧化物、Lewis酸这一新的催化体系，使得两种醇直接发生氧化酯化得到羧酸酯类化合物，这在之前报道的硝酸铁、氮氧化物、无机卤化物的催化体系下是不能得到相应的羧酸酯类化合物的，具体见本发明对比例1；(2)从醇氧化酯化这一概念出发，本发明提出了一种方便简单的方法能够实现两种醇的氧化酯化，而之前报道的方法大多依赖于贵金属的试用，如Au，Pd等，这极大提高了生产成本，而铁/TEMPO这一体系不仅更为廉价，而且关于这一体系之前尚未报道。

本发明的有益效果包括：本发明公开了在25-60℃的条件下，在有机溶剂中，以R

本发明利用绿色，廉价，来源广泛的清洁能源氧气或空气替代传统氧化方法中所需要的化学氧化剂作为氧化剂，其副产物为水，整个反应过程中几乎不会对环境产生任何污染，符合绿色化学的要求。本发明方法中用到的九水合硝酸铁、氮氧化物和Lewis酸均为市售可得试剂，并且价格低廉，产率较高，可有效降低生产成本。本发明反应条件温和，后处理简单，因此操作方便且易控制。

附图说明

图1为本发明监测反应图。

具体实施方式

结合以下具体实施例，对本发明作进一步的详细说明。实施本发明的过程、条件、实验方法等，除以下专门提及的内容之外，均为本领域的普遍知识和公知常识，本发明没有特别限制内容。

注：以下实施例反应式中的mol表示摩尔；Fe(NO

实施例1

步骤I：向50mL的圆底瓶中依次加入Fe(NO

1

实施例2

操作同本发明实施例1步骤I，1b(270.5mg,1.0mmol)，Fe(NO

m.p.42.1-43.5℃(低熔点固体，无法重结晶，直接测熔点)；

实施例3

操作同本发明实施例1步骤I，1c(186.4mg,1.0mmol)，Fe(NO

1

实施例4

操作同本发明实施例1步骤I，1d(223.5mg,1.0mmol)，Fe(NO

1

实施例5

操作同本发明实施例1步骤I，1e(269.9mg,1.0mmol)，Fe(NO

1

实施例6

步骤II：向50mL的圆底瓶中依次加入Fe(NO

1

实施例7

步骤III：向50mL的圆底瓶中依次加入Fe(NO

1

实施例8

操作同本发明实施例6步骤II，1h(196.7mg,1.0mmol)，Fe(NO

1

实施例9

操作同本发明实施例1步骤I，1i(300.5mg,1.0mmol)，Fe(NO

1

实施例10

操作同本发明实施例6步骤II，1j(189.1mg,1.0mmol)，Fe(NO

1

实施例11

操作同本发明实施例6步骤II，1k(220.1mg,1.0mmol)，Fe(NO

1

实施例12

操作同本发明实施例1步骤I，1l(146.3mg,1.0mmol)，Fe(NO

1

实施例13

操作同本发明实施例6步骤II，1m(160.7mg,1.0mmol)，Fe(NO

1

实施例14

操作同本发明实施例6步骤II，1n(223.8mg,1.0mmol)，Fe(NO

1

实施例15

操作同本发明实施例6步骤II，1o(165.1mg,95％purity,1.0mmol)，Fe(NO

1

实施例16

操作同本发明实施例6步骤II，1p(171.3mg,1.0mmol)，Fe(NO

1

实施例17

操作同本发明实施例6步骤II，1q(126.9mg,1.0mmol)，Fe(NO

1

实施例18

/>

操作同本发明实施例1步骤I，1r(167.8mg,1.0mmol)，Fe(NO

1

实施例19

操作同本发明实施例1步骤I，1s(126.0mg,1.0mmol)，Fe(NO

1

实施例20

操作同本发明实施例6步骤II，1t(189.1mg,1.0mmol)，Fe(NO

1

实施例21

操作同本发明实施例6步骤II，1u(182.7mg,1.0mmol)，Fe(NO

1

实施例22

操作同本发明实施例6步骤II，1v(233.0mg,1.0mmol)，Fe(NO

1

实施例23

操作同本发明实施例1步骤I，1w(290.2mg,1.0mmol)，Fe(NO

1

实施例24

操作同本发明实施例6步骤II，1x(141.7mg,1.0mmol)，Fe(NO

1

实施例25

操作同本发明实施例1步骤I，1y(136.3mg,1.0mmol)，Fe(NO

1

实施例26

操作同本发明实施例1步骤I，1z(149.5mg,1.0mmol)，Fe(NO

1

实施例27

操作同本发明实施例1步骤I，1aa(167.5mg,1.0mmol)，Fe(NO

1

实施例28

操作同本发明实施例1步骤I，1ab(182.8mg,97％purity,1.0mmol)，Fe(NO

1

实施例29

操作同本发明实施例6步骤II，1ac(204.1mg,1.0mmol)，Fe(NO

1

实施例30

操作同本发明实施例6步骤II，1ad(161.1mg,1.0mmol)，Fe(NO

1

实施例31

操作同本发明实施例6步骤II，1ae(181.1mg,1.0mmol)，Fe(NO

1

实施例32

操作同本发明实施例6步骤II，1af(169.9mg,1.0mmol)，Fe(NO

1

实施例33

操作同本发明实施例6步骤II，1ag(175.5mg,95％purity,1.0mmol)，Fe(NO

1

实施例34

操作同本发明实施例1步骤I，1a(2.4195g,10.0mmol)，Fe(NO

1

实施例35

操作同本发明实施例1步骤I，1a(10.8905g,45.0mmol)，Fe(NO

1

实施例36

向1L的圆底瓶中依次加入Fe(NO

实施例37

操作同本发明实施例6步骤II，1q(631.8mg,5.0mmol)，Fe(NO

1

实施例38

向50mL的圆底瓶中依次加入Fe(NO

实施例39

向50mL的圆底瓶中依次加入Fe(NO

实施例40

向50mL的圆底瓶中依次加入Fe(NO

实施例41

向50mL的圆底瓶中依次加入Fe(NO

实施例42

向50mL的圆底瓶中依次加入Fe(NO

实施例43

向50mL的圆底瓶中依次加入Fe(NO

实施例44

向50mL的圆底瓶中依次加入Fe(NO

实施例45

向50mL的圆底瓶中依次加入Fe(NO

实施例46

向50mL的圆底瓶中依次加入Fe(NO

实施例47

向50mL的圆底瓶中依次加入Fe(NO

实施例48

向50mL的圆底瓶中依次加入Fe(NO

实施例49

向50mL的圆底瓶中依次加入Fe(NO

实施例50

向50mL的圆底瓶中依次加入Fe(NO

实施例51

向50mL的圆底瓶中依次加入Fe(NO

实施例52

向50mL的圆底瓶中依次加入Fe(NO

实施例53

向50mL的圆底瓶中依次加入Fe(NO

实施例54

向50mL的圆底瓶中依次加入Fe(NO

实施例55

向50mL的圆底瓶中依次加入Fe(NO

实施例56

向50mL的圆底瓶中依次加入Fe(NO

实施例57

向25mL的茄形瓶中依次加入Fe(NO

实施例58

向25mL的茄形瓶中依次加入Fe(NO

实施例59

向25mL的茄形瓶中依次加入Fe(NO

实施例60

向25mL的茄形瓶中依次加入Fe(NO

实施例61

向25mL的茄形瓶中依次加入Fe(NO

实施例62

向25mL的茄形瓶中依次加入Fe(NO

实施例63

向25mL的茄形瓶中依次加入Fe(NO

实施例64

向25mL的茄形瓶中依次加入Fe(NO

实施例65

向25mL的茄形瓶中依次加入Fe(NO

实施例66

向25mL的茄形瓶中依次加入Fe(NO

实施例67

向50mL的圆底瓶中依次加入Fe(NO

实施例68

向25mL的茄形瓶中依次加入Fe(NO

实施例69

向25mL的茄形瓶中依次加入Fe(NO

实施例70

向25mL的茄形瓶中依次加入Fe(NO

实施例71

向25mL的茄形瓶中依次加入Fe(NO

实施例72

向50mL的圆底瓶中依次加入Fe(NO

实施例73

向50mL的圆底瓶中依次加入Fe(NO

对比例1

向50mL的圆底瓶中依次加入Fe(NO

实施例74

本发明探讨醇类对反应产物的影响，结果发现甲醇效果最佳，乙醇和正丙醇能有相应酯化产物，但效率很低，其他醇反应不能得到目标产物5，详见表1。

表1

本发明的保护内容不局限于以上实施例。在不背离本发明构思的精神和范围下，本领域技术人员能够想到的变化和优点都被包括在本发明中，并且以所附的权利要求书为保护范围。