N-羟基邻苯二甲酰亚胺及其类似物 在有机氧化反应中的研究进展

张弘，徐保明，张家晖，李俊，陈坤，唐强

(湖北省研究生工作站，湖北工业大学，湖北 武汉 430068)

催化氧化是石油化工、有机合成等行业中一类重要的官能团转换反应，是生产醇、醛、酮、羧酸等化合物的核心技术。以往的工业生产中，大多使用过渡金属体系来催化各类有机原料转化为需要的氧化产物[1]。随着社会和科学技术的发展，传统过渡金属体系也暴露出越来越多的不足，如常见的甲苯催化氧化生产所使用的钴或锰与溴化物组成的催化氧化体系，除了存在设备腐蚀的缺陷外，其还会造成一定程度的环境污染[2]。

近年来对一些有机小分子催化体系研究发现，N-羟基邻苯二甲酰亚胺(NHPI)及含有N—OH结构的NHPI类似物在工业上常见有机原料如芳香烃[3]、环烷烃[4]的氧化过程中表现出良好的催化性能。同时，相比于过渡金属催化剂，NHPI成本更低廉、催化过程更清洁。因此，以NHPI或其类似物取代过渡金属催化剂构建催化体系，有望解决当前工业催化氧化所面临的问题，为绿色清洁催化体系发展提供新的方向。

1 NHPI催化体系

目前普遍认同的NHPI催化氧化的机理如图1。NHPI中的N—OH可以在氧气或助催化剂协助下脱去一个氢原子，转变为N-氧基邻苯二甲酰亚胺自由基(PINO)，该自由基再从底物的C—H键中夺取H转变回NHPI，同时使底物产生碳自由基，含碳自由基的底物再与氧气反应生成一系列氧化产物[5]。NHPI催化氧化的实质可以认为是N—OH得失氢所形成的NHPI和PINO相互转化的自由基链式反应。

图1 NHPI催化氧化的一般机理

1.1 均相催化体系

NHPI虽然已经被证实对于自由基催化氧化过程有促进作用，但在诸如甲苯、乙苯、环己烷等工业催化氧化常见的非极性原料中溶解性很差，这就使其工业化应用受到了极大的限制。人们为了解决这一问题，通常选用适宜的溶剂构建均相催化体系。如Lin等[6]单独使用NHPI催化一系列侧链含碳碳双键的芳香族化合物的分子氧氧化时，尝试采用了乙腈、二甲基甲酰胺、DMA等一系列溶剂，最后发现DMA作为溶剂时，对于氧化这些侧链含碳碳双键的芳香族化合物可以得到较好的催化效果。

除了溶解性的问题，单独使用NHPI催化氧化效率不高，若想得到理想的效果，往往需要建立在少量原料长时间反应的基础上。因此大部分研究者主要通过构建NHPI均相催化体系来达到提升催化效率，改善催化效果的目的。

1.1.1NHPI/过渡金属催化体系

过渡金属类催化剂是工业催化中常用的催化剂，人们常将NHPI与过渡金属类催化剂复合进行催化氧化。Zhang等[7]对一系列类含N—OH结构NHPI化合物的催化性能进行了考察。实验发现，包括NHPI在内的这类含N—OH结构的化合物在与过渡金属盐配合催化甲苯氧化时的效果，远比单独使用这类N—OH结构化合物或金属催化剂要好。从机理上来说由于金属催化剂的加入，N-OH结构化合物更易生成PINO自由基，加速整体催化氧化反应的进行。

目前比较常见的是采用钴化合物与NHPI构建共催化体系，这是因为钴在催化氧化过程中会发生价态变化，生成三价钴过氧自由基，进而促进NHPI产生PINO自由基催化反应进行[8]。沈晓东等[9]构建了NHPI/钴配合物的催化体系，在加入助引发剂和乙酸溶剂后催化一系列取代甲苯氧化为苯甲酸。结果表明，该催化体系对于除苯酚和硝基苯的其他取代甲苯底物均能取得较好的催化效果。

周玉路等[10-11]尝试构建了NHPI与磺化酞菁钴的共催化体系，并应用于乙酸溶剂条件下的乙苯和环己烷分子氧氧化。实验发现，该催化体系可以在分子氧条件下温和高效的催化乙苯氧化，底物转化率和苯乙酮选择率都可以达到80%左右；同时该体系也可以在空气环境下催化氧化乙苯，但底物转化率明显下降。相比催化乙苯氧化，催化环己烷分子氧氧化的效果并不理想，环己烷氧化产物的总产率只有12%。该催化体系下，乙苯及环己烷的主要氧化产物均为酮类。

除了与钴催化剂协同催化氧化，NHPI也可以和一些其他金属催化剂联用。Miao等[12]采用NHPI与Fe(NO3)3·9H2O共同催化分子氧室温下氧化苄基亚甲基底物，发现该体系能有效地催化底物生成相应的羰基化合物。

陈宁等[13]对比了NHPI分别与可溶性钴、锰、镍、铜盐协同催化乙酸溶剂中的苄基苯基醚分子氧氧化的效果。结果表明，NHPI分别与四种金属盐催化剂联用后，都能有效催化苄基苯基醚氧化为苯酚和苯甲醛，而且NHPI/铜催化剂的催化效果好于另外三种催化体系；NHPI/硝酸铜体系的催化效果最好。

NHPI/过渡金属催化体系在有机氧化反应中能取得不错的效果，同时根据底物种类、产物要求等具体情况可以对过渡金属催化剂的种类进行调整，使得该体系具备广泛的适用性。并且由于目前过渡金属催化在工业上已经得到成熟的应用，这为NHPI/过渡金属催化体系的工业化提供了良好的基础。

1.1.2NHPI/有机小分子催化体系

NHPI/过渡金属催化体系可以取得较好的催化氧化效果，但由于金属催化剂的限制，反应体系存在废液污染、产物金属残留等问题。因此人们希望寻找清洁无污染的非金属有机小分子来替代金属催化剂，与NHPI构建共催化体系。

部分有机小分子已经被证实对自由基催化氧化过程有促进作用。如偶氮二异丁腈(AIBN)作为一种自由基引发剂，能够明显促进NHPI生成PINO自由基，从而诱发自由基链式反应，改进催化效果。Orlińska等[14]在乙腈溶剂中，采用AIBN/NHPI体系分别催化几种芳烃及联苯芳烃。他们发现，在氧气及空气条件下，该体系均可有效的催化底物生成相应的氢过氧化产物。

方东兵等[15]在探究3,5-二甲基苯酚的合成新工艺时发现，NHPI/AIBN体系可以在空气条件下有效的催化5-异丙基间二甲苯氧化，原料转化率可以达到25%，反应选择性最高可以达到90%。

NHPI/醌类化合物体系也是常见的一类有机小分子催化氧化体系。其机理是醌类物质与NHPI作用，夺取NHPI羟基中的氢原子形成羟基醌自由基和PINO，从而引发自由基链式反应。Zhou等[16]对比了几种吸电子基取代的对苯醌与NHPI在乙腈溶剂中协同催化乙苯分子氧氧化的效果，发现NHPI/四溴对苯醌体系对乙苯的选择性催化氧化活性最高，乙苯的转化率最高达到66.3%，苯乙酮的选择性可以一直保持在80%以上。他们还尝试构建了针对醇类氧化的NHPI/二氯二氰基苯醌(DDQ)/NaNO2共催化体系[17]，NaNO2可以加速羟基醌自由基转变回醌类，进而促进PINO自由基的生成。该体系可以有效地催化醇类化合物氧化为相应的羰基化合物，并且实验中的几种醇的羰基化合物产物选择率均达到几乎100%。

NHPI/有机小分子催化体系与NHPI/过渡金属体系相比污染相对较小。虽然对于部分特定的有机物底物有不错的催化氧化效果，但该体系目前还处在一个初步探索阶段，适用环境的范围尚未明确，发展到工业应用的工艺条件也还需进一步确定。

1.2 非均相催化体系

NHPI均相催化体系虽然解决了NHPI在底物中溶解性差、单独使用效率低等缺点，但也带来了新的问题。一方面为了构建均相催化体系，需要使用大量有机溶剂；其次，均相体系反应结束后，NHPI难于从溶剂中分离，无法循环利用，这两点都极大的限制了NHPI均相催化体系在工业上的应用。为了解决这些问题，人们正尝试通过物理或化学方式将NHPI固载在无机材料或高分子材料的表面制成非均相催化剂进行催化氧化。

Meng等[18]通过分子设计，经过一系列反应合成了固定有NHPI的多孔有机聚苯乙烯。使用该非均相催化剂与少量醋酸钴催化甲苯氧化，可以将甲苯彻底氧化为苯甲酸，且可多次利用，有优异的催化性能和可回收性。

Blandez等[19]将羧基NHPI通过酯键共价键合到预先处理过的商业金刚石纳米粒子表面，制备成催化剂。该催化剂能够促进异丁基苯的自氧化，经分离后可重复使用至少三次。进一步实验发现该催化剂对于部分苄基烃和环烷烃的选择性厌氧氧化也有促进作用。

Dhakshinamoorthy等[20]将NHPI溶于有机溶剂中，再加入金属有机骨架材料Fe(BTC)并加热，得到了NHPI/ Fe(BTC)固载型催化剂。应用于几种环烯烃中的无溶剂分子氧氧化发现，该催化剂具有一定的普适性，底物均被氧化烯丙基产物和相应的环氧化物。

黄建龙等[21]在微球交联聚苯乙烯(CPS)表面，完成了NHPI的合成与固载，制备出一种NHPI微球催化剂，并研究了该微球催化剂与钴催化剂复合体系的催化效果，以及微球催化剂的重复使用性能。结果表明，在甲苯的催化氧化中，该NHPI微球催化剂复合体系表现出良好的催化活性，并且产物苯甲酸的选择性达到80%以上；同时制备的微球催化剂经抽滤洗涤就可有效回收利用，外貌形态以及催化活性在多次使用后几乎没有变化。

固载NHPI非均相体系避免了反应中溶剂的使用，减少了生产中的污染腐蚀，解决了氧化反应结束后NHPI催化剂的回收再利用难题，同时通过对载体结构进行修饰就可以对整体催化剂进行优化，目前来看是较为理想的工业氧化用催化剂。但目前大部分固载型NHPI催化剂面临的问题有两点：①催化活性偏低，距工业应用仍有距离；②制备方法较为复杂，成本偏高，难以大规模生产。这些不足是将来NHPI非均相体系工业化需要克服的障碍。

2 NHPI类似物的催化氧化

目前围绕NHPI建立的催化体系，不论是均相体系还是非均相体系都是通过构建适宜的催化环境来改善NHPI的催化性能，并没有对NHPI本身进行改变。因此，有部分研究者尝试从NHPI本身的结构入手，通过引入其它官能团合成含N-OH的NHPI类似物，期望解决当前使用NHPI催化氧化所存在的一些问题。

杨丹红等[22]以含吸电子基或供电子基的单取代苯酐为原料，合成了一系列相应的单取代N-羟基邻苯二甲酰亚胺(X-NHPI) ，并用于催化环己烷氧化。他们发现，含吸电子基团的X-NHPI的催化活性明显高于NHPI，而含供电子基团的X-NHPI的催化活性远低于NHPI。产生这样的原因是吸电子基团对催化过程中PINO自由基的生成产生了促进作用，进而使整体催化氧化反应速率提升。

图2 X-NHPI

高红杰等[23]以4-甲基苯酐为原料，制备出侧链含有溴化季铵盐结构的NHPI类似物。在使用该类化合物催化乙苯分子氧氧化时催化氧化可以温和进行，乙苯转化率及产物苯乙酮选择性都达到80%以上；同时实验中还观察到，季铵盐结构中R基团存在长碳链的化合物，在乙苯底物及乙腈溶剂中的溶解性能明显优于NHPI。

图3 含有溴化季铵盐结构的NHPI类似物

Chen等[24]研究了N,N-二羟基苯甲酰亚胺(NDHPI)和N,N′,N″-三羟基-异氰脲酸(THICA)的几何、电化学、热化学性质及催化活动的特征。发现，NDHPI能像NHPI一样在温和条件下催化反应的进行，但双N—OH结构使得NDHPI的催化活性更高。THICA不适合于无溶剂或非质子溶剂中的催化，但高温下THICA不需要助催化剂就能产生自由基，催化反应进行。

图4 NDHPI

图5 HICA

Du等[25]考察了N-羟基糖精(NHS)结构对有氧催化产生的影响。在跟踪记录了一系列含此结构的NHPI类似物的有氧催化过程后发现，亚磺酰基和磺酰基都通过改变前体的平面共振或共轭结构而改变催化反应性，尤其是亚磺酰基会大大降低反应活性。

图6 NHS

大部分NHPI类似物在催化氧化实验中都显示出了一定的催化性能，甚至有些类似物的催化活性远好于NHPI。同时，由于结构的改变，有部分NHPI类似物在诸如溶解性、底物适用等方面呈现出令人满意的表现。不过，目前NHPI类似物的催化研究大多还只是对其催化机理进行探索，构建成熟的催化体系还需要进一步的努力。

3 结束语

围绕NHPI及其类似物构建的催化体系，已经在众多氧化反应中表现出了良好的催化性能。相比于传统的过渡金属催化体系，NHPI及其类似物催化氧化条件更温和、过程更清洁；特别是部分NHPI类似物，其催化应用虽然还处于初始阶段，但就显露出令人瞩目的发展潜力。综合来看，由于基团引入、结构改造的灵活性与多变性，使合成的NHPI类似物具备优于NHPI的催化活性与适用性能。以具备特殊结构特殊功能的NHPI类似物代替NHPI构建催化体系势必会是今后重点的发展方向之一。相信随着研究应用的逐渐深入，NHPI及其类似物的催化氧化体系会解决目前面临的问题，真正服务于工业生产。