Реакции окисления, катализируемые оксоаммонием, включают преобразование органических субстратов в более окисленные материалы посредством действия видов N-оксоаммония . Нитроксиды также могут использоваться в каталитических количествах в присутствии стехиометрического количества конечного окислителя. [1] Используемые виды радикалов нитроксида представляют собой либо 2,2,6,6-тетраметилпиперидин-1-оксил (TEMPO), либо его производные.
(1)
Одноэлектронное окисление нитроксида приводит к образованию высокоэлектрофильных оксоаммониевых соединений, которые служат активным окислителем. [2] Нитроксид может использоваться в качестве катализатора в сочетании с более дешевыми стехиометрическими окислителями, такими как гипохлорит натрия [3] или бис(ацетокси)иодбензол (BAIB). [4]
В нейтральных или слабокислых условиях (например, в присутствии силикагеля) окисление происходит посредством первоначальной водородной связи между гидроксильной группой и азотом оксоаммония, за которой следует согласованный перенос протона и отщепление гидрида. [5] Необходимость водородной связи подтверждается низкой реакционной способностью β-алкокси и β-аминоспиртов, которые демонстрируют конкурентное внутримолекулярное водородное связывание. Механизм окисления в слабоосновных (пиридиновых) условиях аналогичен, за исключением того, что пиридин нейтрализует виды гидроксиаммония, и этот промежуточный продукт «соразмеряется» с солью оксоаммония, давая радикалы нитроксила и соли пиридиния (см. уравнение (3) ниже). Поскольку эта реакция потребляет основание и активный окислитель, в слабоосновных условиях необходимы два эквивалента основания и окислителя. Единый механизм в нейтральных и основных условиях представлен в недавней статье. [6] Авторы представляют всесторонний анализ ряда окислений, опосредованных солью оксоаммония.
(2)
В сильнощелочных условиях депротонированный субстрат реагирует с N-оксиаммониевыми видами. Может происходить атака алкоксида субстрата либо на азот, либо на кислород, хотя считается, что первый вариант действует на основе наблюдений за окислением N-алкоксиаминов (которые, предположительно, протекают через промежуточное соединение 1 ). [7] Сопропорционирование восстановленного продукта (гидроксиламина) с ионом оксоаммония конкурирует с окислением; таким образом, часто требуется избыток окислителя.
(3)
Катализируемые нитроксидами окисления включают промежуточные продукты N-оксоаммония в качестве активного окислителя. Механизм окисления радикала нитроксида зависит от используемого конечного окислителя. Двухэлектронные окислители, такие как NaOCl, способны напрямую преобразовывать нитроксиды в оксоаммонии.
(4)
Одноэлектронные окислители, такие как медь(II), действуют посредством более сложного механизма, в котором дикислород выступает в качестве конечного окислителя. [8] Медь(II) окисляет четыре эквивалента нитроксида до оксоаммония, два эквивалента которого (синие) реагируют со спиртами с образованием карбонильных соединений. Два других эквивалента оксоаммония (красные) подвергаются конпропорционированию для повторного образования нитрокси-радикалов (розовые). Наконец, дикислород повторно окисляет четыре эквивалента меди(I) обратно до меди(II). В целом, одна молекула дикислорода опосредует окисление двух эквивалентов спирта с образованием двух эквивалентов воды.
(5)
Энантиоселективные окисления обычно являются либо кинетическими разделениями хиральных спиртов, либо реакциями десимметризации. Эти окисления могут быть облегчены за счет использования хиральных нитроксильных радикалов в каталитическом режиме. Хорошим примером является кинетическое разделение рацемического 1-фенилэтанола. [9] С другой стороны, окислительные процессы десимметризации с использованием оксоаммониевых окислителей относительно редки. [10]
(6)
Окисления с использованием солей оксоаммония могут проводиться либо в стехиометрическом, либо в каталитическом режиме в кислых или основных условиях. В этом разделе описываются наиболее часто используемые условия для стехиометрического и каталитического окисления спиртов до карбонильных соединений с использованием солей оксоаммония. Хотя с использованием TEMPO можно окислять широкий спектр спиртов, иногда происходит конкурентное окисление более богатых электронами функциональных групп. Кроме того, селективность места окисления полиолов может различаться в зависимости от используемых условий.
В слабокислых или нейтральных условиях соли оксоаммония, такие как соль Боббитта, окисляют аллильные, бензиловые, [11] пропаргиловые, [12] или алифатические спирты до соответствующих альдегидов или кетонов. Вторичные спирты реагируют быстрее первичных, хотя селективность низкая. Удобный экспериментальный протокол позволяет повторно использовать соль оксоаммония. [12]
(7)
Амины, бензиловые эфиры и алкены окисляются быстрее, чем неактивированные спирты; таким образом, селективное стехиометрическое окисление неактивированных спиртов в присутствии этих функциональных групп невозможно. [13] Спирты с β-азотными или β-кислородными заместителями реагируют вяло в кислых условиях. [12] Аллиловые и бензиловые спирты могут селективно окисляться в этих условиях [13]
(8)
В основных условиях необходимы два эквивалента окислителя из-за конкурентного сопропорционирования между восстановленным нитроксилом и не прореагировавшим оксоаммонием (см. уравнение (3) выше). Пиридин обычно используется в качестве основания. Это наиболее распространенные условия для окисления нитроксила в стехиометрическом режиме.
(9)
Третичные аллиловые спирты также могут быть стехиометрически окислены солями оксоаммония до енонов в вариации реакции Баблера-Даубена . [14]
Каталитическое окисление оксоаммония может быть облегчено с использованием гипохлорита натрия в качестве конечного окислителя. Для протекания реакции pH должен поддерживаться ниже 10 с использованием буфера. Активным окислителем нитроксида является анион гипобромита; поэтому в качестве добавки используется бромистый калий. [3] Эпимеризация α-стереогенных центров в карбонилсодержащих продуктах не происходит.
(10)
Использование хлоритов в качестве конечных окислителей в сочетании с гипохлоритами и ТЕМПО дает карбоновые кислоты без побочных продуктов хлорирования. [15] Реакция обычно проводится в два этапа в одном и том же котле: частичное окисление осуществляется с ТЕМПО и гипохлоритом, затем добавляется хлорит для завершения окисления. Наблюдается только окисление первичного спирта. В сочетании с дигидроксилированием Шарплесса этот метод может быть использован для получения энантиомерно чистых α-гидроксикислот. [16]
(11)
Существенным ограничением обоих вышеперечисленных методов является несовместимость со свободной амино- или алкеновой функциональностью, которые оба подвергаются конкурентному окислению. Использование бис(ацетокси)иодбензола (BAIB) в качестве конечного окислителя позволяет избежать этой проблемы. BAIB не способен напрямую окислять нитроксидный радикал, и первоначальное образование оксоаммония, как полагают, происходит из-за кислотно-катализируемого диспропорционирования. Затем BAIB может окислить полученный гидроксиламин до оксоаммониевой соли. Хотя реакция проводится в кислых условиях (уксусная кислота является побочным продуктом и часто добавляется для облегчения диспропорционирования), селективность окисления первичного спирта является существенной. [4] Чувствительные к основаниям функциональные группы, такие как эпоксиды, допускаются в этих условиях. [17]
(12)
Другие двухэлектронные терминальные окислители, используемые с TEMPO, включают mCPBA (вторичное окисление является предпочтительным, хотя могут происходить побочные реакции), [18] N-хлорсукцинимид, [19] и Oxone. [20]
Медь(II), как в виде свободной хлоридной соли, так и в виде комплекса с бидентатными лигандами, окисляет TEMPO до его оксоаммониевой соли. В этих реакциях конечным окислителем служит воздух. [21] Неясно, окисляет ли воздух медь(I) до меди(II), или окисление спирта частично опосредовано медью, а воздух окисляет полученный гидроксиламин обратно до оксоаммониевой соли. Первое происходит во время процесса Ваккера , но последнее объясняет, почему комплексы меди и несколько других металлических комплексов способны окислять спирты в сочетании с TEMPO.
(13)
Активированный диоксид марганца , который окисляет аллильные и бензиловые спирты, дешевле, чем TEMPO, и прост в использовании. [22] Реагенты на основе хрома, такие как хлорхромат пиридиния, также могут использоваться для преобразования спиртов в карбонильные соединения; хотя стехиометрическое образование отходов хрома является недостатком. [23] Окисления с использованием диметилсульфоксида , такие как реакции Сверна и Моффата , не включают тяжелых металлов и окисляют широкий спектр субстратов. [24] Окисления оксоаммония предпочтительнее методов ДМСО для реакций диолов и ацетиленовых спиртов. Периодинан Десс-Мартина является высокоселективным, мягким окислителем спиртов, основными недостатками которого являются трудности с приготовлением и безопасностью. [25]