拜耳-维利格氧化催化剂研究进展

邱金倬，韦念想，刘玉蓉，石浙秦

(浙江新和成股份有限公司，浙江 新昌 312500)

众所周知，非均相催化剂会随使用时间长而失活，而催化剂的再生(活化)却很难。催化剂失活最常见的原因有结垢、中毒和热降解。结垢是某些杂质、反应物或产物在催化剂表面上沉积以阻断活性位点[1]；中毒是反应体系中某组分与催化剂表面活性位点之间有强烈相互作用而失去催化作用[2]；非均相催化剂制备成高表面积，在热力学上是不稳定的，高温下催化剂将重新排列以形成更有利的较低表面积附聚物，活性位点被附聚物屏蔽而失去催化作用。

非均相催化剂的再生(活化)取决于化学、经济和环境因素。从化学性质上讲，非均相催化剂应有较高的分子量-活性中心比；从经济因素出发，非均相催化剂应廉价、稳定且可以回收再利用；对环境而言，非均相催化剂固定或稳定化方法需要满足环境要求。

拜耳-维利格反应(Baeyer-Villiger Reaction)是有机化学中最重要的反应之一，具有广泛的应用前景，包括合成抗生素，类固醇，信息素和聚合单体。该反应基于有机过酸，单过氧硫酸钾，过氧化氢或烷基氢过氧化物将酮氧化为酯或内酯[3]，可以由酸，碱，过渡金属化合物或酶催化。并且，该反应在存在多个官能团的情况下仍然可以发生反应，具有立体选择性，显示出对迁移基团的区域选择性[4]。

从环境角度来看，拜耳-维利格氧化的主要缺点是必须使用有机过氧酸和卤化溶剂。因此，人们尝试朝着更环保的方向去研究拜耳-维利格反应。在新的氧化催化系统中，酶和过氧化氢是比较环保的选择。对于来自不同来源或整个细胞的单加氧酶[5]，与对映选择性生物催化有关，而过氧化氢则需要活化。几种多相催化剂[6]，如硒化合物[7]和金属络合物也曾报道过。此外，使用含氟镧系催化剂[8]的氟双相体系和纳米流体系也有人研究。在金属催化剂中[9]，尽管仍然需要氯化溶剂，但铂(II)配合物与二膦螯合具有良好的效果[10]。

1 氧化催化剂的原理与应用

1.1 Pt(II)-H2O2离子液体

利用Pt在含有H2O2的离子液体中[11]催化环己酮的拜耳-维利格反应。在室温下，惰性气体(氩气)保护、催化剂为[Pt(dppd)(μ-OH)]2(BF4)2(dppb=1，4-双(二苯基膦基)丁烷)[12](图1)，催化剂P-Pt-P角度越大，催化效果越好。考虑到催化剂寿命的问题，方便再循环利用，选择环己酮作为底物，不引入氯化溶剂，由于生成了大量1，1-二羟基二环己基过氧化物而导致收率偏低。

图1 旧油气回收装置工艺图

图1 Pt(II)催化氧化环己酮的拜耳-维利格反应

结果表明，Pt(II)催化的环己酮拜耳-维利格反应时间更短，收率增加，即内酯收率为氯化溶剂的两倍，在亲水性离子液体中比在氯仿中反应快，并测试了具有相同阳离子和不同阴离子的疏水性IL，在含有不同浓度的H2O2离子液体实验中，初始浓度的变化对反应时间影响很大，没有催化剂存在的空白试验则没有反应。总之，Pt(II)催化的环己酮拜耳-维利格反应在H2O2离子液体两相系统中更快更有效，比在H2O-卤化溶剂系统中收率高。

1.2 氧化铝[12]

拜耳-维利格反应的多相催化剂的文章中[13]，催化剂主要通过三种方式起作用：(1)通过增加亲核性和促进氧化物质对羰基碳的进攻来活化H2O2；(2)活化羰基；(3)同时活化O-O键和羰基部分。

Rafael Augusto Steffen等[14]展示了使用过氧化氢和不含过渡金属的氧化铝作为催化剂进行环己酮拜耳-维利格反应的可能性。使用70wt%的过氧化氢水溶液或无水过氧化氢作为氧化剂，在乙酸乙酯中反应，90 ℃下共沸除水，环己酮：氧化剂的摩尔比为1∶4，转化率为53%，对ε-己内酯的选择性为98%。此外，环辛烯环氧化和环己酮氧化之间的竞争反应，可以阐明拜耳-维利格反应的活性位点。

Knozinger和Ratnasamy模型[15]表明氧化铝表面有五个羟基位点。通过研究不同类型的Al-OH位点在环氧化和H2O2分解中的活性，发现氧化铝表面的H2O2活化是通过弱Ia型布朗斯台德酸位点与H2O2反应发生的，产生表面过氧化物Al-OOH，它负责O-O键的极化，使氧转移到亲核烯烃。最弱的Ib型Al-OH位点在H2O2活化中不起作用，原因是在氧化铝表面活性位点优先被醋酸盐化学吸附而失去活性，这与强酸位点IIa、IIb和III与H2O2分解有关。

拜耳-维利格反应的底物转化率和过氧化氢的消耗与氧化铝的弱酸和强酸位点有关。研究结果表明，弱酸位点可以激活过氧化氢，催化亲核烯烃的环氧化，进而导致拜耳-维利格反应的发生。强酸位点也通过羰基的活化参与拜耳-维利格反应，羰基与强酸位点的相互作用减少了过氧化氢的分解，即氧化铝的弱酸位点负责环氧化，强酸性位点负责分解过氧化氢。

1.3 负载硫酸氢根离子液体

早期有文献报道将离子液体固定在固相载体上，2009年，Anna Chrobok等[16]提出一种有效的内酯合成方法，使用负载硫酸氢根离子液体催化拜耳-维利格反应，其固定在酸性催化剂表面[17]，可以得到更加高效且能重复利用的新型催化剂。

离子液体的合成和表征方法：1-甲基-3-(三乙氧基甲硅烷基丙基)咪唑硫酸氢盐，通过阳离子-阴离子固定在固体载体上，不与表面结合。二氧化硅材料作为载体，固定离子液体后结构不会被破坏。这种组合材料(图2)作为酸性催化剂在拜耳-维利格反应中进行了测试，在无水二氯甲烷中，环酮很容易在短时间内(5～20 h)被68%的过氧化氢氧化为相应的内酯，获得60%～91%的产率。催化剂重复使用三次，也不会损失催化剂活性。这种离子液体作为酸性催化剂已经被用于许多其他重要的有机反应中，为合成反应中氧化反应的改进提供了一个新思路。

图2 油气回收装置回收量和排放浓度示意图

图2 离子液体固定在二氧化硅表面上

1.4 FeTPPCl/SnO2共催化

对于酮的拜耳-维利格氧化，锡离子与硅酸盐的复合物是高活性和高选择性的催化剂，Corma等[18]发现，含锡硅酸盐对于阿达曼他酮和环己酮氧化成内酯具有良好的选择性，此外，将锡引入不同结构类型的介孔分子筛的硅框架中，均可形成高选择性的催化剂。

2013年，Shaoyun Chen等[19]提出了一种共催化机理，研究了在环己酮的拜耳-维利格氧化反应中氧化锡与含三价铁离子的卟啉的共催化作用，环己酮的转化率显著提高，达到96%，以环己酮为模型底物，无催化剂时，环己酮的转化率仅为22%；当氧化锡在拜耳-维利格反应中单独作为催化剂时，环己酮的转化率提高到37%；而当含铁卟啉和氧化锡共催化时，经过8h后转化率可达到96%。

在所有的环酮中，六元环酮可以最有效地氧化成相应的内酯，这与空间构型与金属卟啉分子的大环是否相匹配有关，由于邻位的空间效应，甲基取代基在邻位的转化率低于对位。催化机理经原位拉曼光谱证实，氧化锡的主要作用是激活环己酮分子，如图3所示，路易斯酸位点(Sn4+)与碳基的氧原子配位，在反应中激活了环己酮分子，PorFeV=O对活化环己酮的亲核攻击有利于形成缩合物，进一步重排形成ε-己内酯。

图3 FeTPPCl/SnO2共催化体系机理示意图

1.5 固体高氯酸黄酮盐

在拜耳-维利格反应中，用羧酸作氧供体的反应会相应形成羧酸或其他盐，使用金属催化剂会产生含有不利于环境的金属离子废物，而伴有仿生反应的生物催化是有机合成反应的绝佳替代方案[20]，包括拜耳-维利格氧化反应等[21]。BV单加氧酶(BVMOs)是催化酮亲核氧化生成拜耳-维利格氧化产物的黄素酶。异咯嗪(orflavin)衍生物是BVMOs和其他黄素酶的辅基，可以作为模拟反应的合成化学模型。

2018年，Ram Singh等通过环戊酮和过氧化氢溶液(35%，w/w)，与溶解在叔丁醇中的黄素催化剂(5乙基-3-甲基黄高氯酸盐)在室温下反应24 h，环戊酮转化为δ-戊内酯的收率达89%(图4)，该反应使用过氧化氢作为廉价氧化剂，无金属有机物作为催化剂，且可以在室温下进行，尝试了四种反应溶剂，分别为水、甲醇、乙腈和叔丁醇。结果显示，在叔丁醇中收率最高。过氧化氢(H2O2)的作用也被证实为是氧供体，没有它的存在就观察不到反应发生。

图4 环酮的Baeyer-Villiger氧化

1.6 二氧化钼配合物

在生物系统中，含钼黄霉素酶可以催化多种氧化反应[22]，钼辅助因子(Moco)为活性位点。为了模拟和应用这种生化反应，结构和功能并重的含有大量钼辅助因子的配合物被研究作为氧原子转移和氧化反应的催化剂，比如钼(VI)和钼(IV)配合物[23]，由于各种单核钼因子会含有配体钼呤，多数均涉及含硫配体[24]。2021年，Md Kamal Hossain等[25]合成了含有三齿状肼基配体的顺式二氧化钼(VI)配合物[MoO2(L2)(H2O)]和[MoO2(L3)(H2O)]，其中L2和L3是基于三齿肼的O、N供体，通过红外、1H和13C核磁共振波谱、质谱和单晶X射线衍射分析进行表征，评价两种配合物在各种氧化反应中的催化效果，包括氧原子从二甲基亚砜到三苯基膦的转移，甲基对甲苯硫醚的亚砜氧化等。

以三苯基膦作为氧受体底物，配合物在催化氧原子转移反应中的活性，反应在氘化二甲亚砜(DMSO-d6)中进行，以此作为最终氧供体(图5)，并通过31p核磁共振波谱进行监测。配合物的催化效果研究是在65 ℃下以低剂量(5mol%)进行的，[MoO2(L3)(H2O)]比[MoO2(L2)(H2O)]表现出更好的催化性能，二甲基亚砜在20h后转化率为85%，40 h后可大于99%。对于[MoO2(L3)(H2O)]来说，反应可能受到肼配体中电荷存在的影响，取代基可以降低氧化基的碱性，假定在氧原子转移反应中形成Mo(IV)单氧中间体，从而更容易从底物(DMSO)中提取一个氧原子。

图5 二氧化钼(VI)催化由DMSO生成PPh3的OAT反应

其次研究了配合物[MoO2(L3)(H2O)]和[MoO2(L2)(H2O)]对叔丁基过氧化氢对甲苯硫醚的催化效果(图6)，反应在25 ℃下CD3CN溶液中进行，催化剂剂量为1mol%，以溶剂残留量为内标，通过1H NMR来监测亚砜的产率。无催化剂作为对照实验，基本没有反应。而实验组立即开始反应，不需要诱导时间，在24 h内溶液无颜色变化，表明催化剂性能完好。两种配合物均有中等产量的催化效率，分别为55%和67%。虽然两种催化剂和亚砜产物都是手性的，但由于钼催化剂为外消旋，故不能评价反应的潜在对映选择性。

图6 二氧化钼(VI)催化甲基对甲苯硫醚的氧化反应

2 结 语

本文主要介绍了近年来氧化反应中不同种类催化剂的原理，包括多相催化剂、金属催化剂和离子液体等，以及其在化学生产催化技术中的巨大潜力，如表1所示，以拜耳-维利格氧化为例，可以看到，在新的氧化剂系统中，酶和过氧化氢是比较环保的选择，在Pt(II)-H2O2离子液体体系中，通过对比多种不同取代的阴离子、阳离子离子液体以及亲水性、疏水性的离子液体，可以得到较好的收率和产量，并且离子液体可以回收再利用；在氧化铝-H2O2体系中，拜耳-维利格氧化的底物转化率和过氧化氢的消耗与氧化铝的弱酸和强酸位点有关，即氧化铝的弱酸部位负责环氧化，而强酸性部位可以分解过氧化氢，了解氧化铝五个活性位点的活性异同，以及它们在拜耳-维利格氧化过程中的重要性，为氧化反应的优化提供了新思路。下表为拜耳-维利格氧化新型催化剂的优势。

表1 储油库油气排放环节及推荐管控技术

表1 新型催化剂的优势

表2 主要油气回收技术的比较

另外，氧原子转移(OAT)过程因其在工业氧化反应中的广泛应用而引起关注，催化环氧化在氧化反应中是一大难点，未来可将这些共催化体系应用于环催化，后续可通过进一步的反应机理研究和计算模型充分评估其催化性能。化学合成反应需要催化剂来提高反应速率，理论上了解和研究新型拜耳-维利格氧化催化剂的原理和最新进展对于大生产和工业化具有显著的指导意义。