一類便捷的低毒氧化醇方法
——DMSO-活化試劑氧化法

麻遠

(清華大學化學系 北京 100084)

在目前的國內(nèi)本科生有機化學教材中，對于伯醇氧化為醛的反應,大多只是介紹了金屬氧化物試劑，如三氧化鉻-雙吡啶絡合物(Sarrett試劑)，氯鉻酸吡啶鹽(pyridinium chlorochromate,PCC)，重鉻酸吡啶鹽(pyridinium dichromate,PDC)，新制MnO2。只有邢其毅、高占先和古練權等主編的少數(shù)幾本有機化學教材介紹了部分DMSO-活化試劑體系，如Pfitzner-Moffatt氧化和Swern氧化[1-3]。

由于鉻氧化物毒性大，近年來在有機合成中廣泛使用的醇羥基氧化反應正是DMSO-活化試劑體系，其中代表性的活化試劑為草酰氯(即Swern氧化反應)，其他常用的DMSO類氧化反應還包括Corey-Kim氧化，Parikh-Doering氧化和Pfitzner-Moffatt氧化[4]。

1 Swern 氧化反應的實例和機理

Swern 氧化反應的實例見圖1。

圖1 Swern氧化反應的實例

1978年，Swern等人對多種含羥基的底物進行氧化反應比較，發(fā)現(xiàn)DMSO-草酰氯是活性最好的試劑，反應速率快，收率高于DMSO-三氟乙酸酐、DMSO-三氧化硫-吡啶以及氯鉻酸吡啶鹽試劑[5]，原料中的雙鍵不受影響，某些含有三鍵的伯醇也可以被氧化為相應的醛，因而在有機合成中逐漸成為該類反應的首選試劑。Swern氧化反應使用DMSO和新蒸的草酰氯，以二氯甲烷作為溶劑，由于中間體二甲基氯锍鹽(CH3)2S+Cl在-20℃以上會部分發(fā)生分解，反應需要在低溫進行，一般選擇在-50～-60℃反應，但如果原料醇在低溫下難以溶解，也可以適當提高溫度。三乙胺是最常使用的堿，但根據(jù)需要，也可以使用二異丙基乙基胺等大位阻堿，或使用N-甲基嗎啉等較弱的堿代替三乙胺來提高收率。

例如：對于將長鏈的1-十四醇氧化為十四醛的反應，如果醇的量為1mol，使用1.5mol的氯鉻酸吡啶鹽(PCC)作為氧化劑，以CH2Cl2作為溶劑,在室溫(約25℃)反應1～2h，經(jīng)后處理后產(chǎn)物的收率為69%。而在Swern氧化反應條件下，同樣以CH2Cl2作為溶劑，使用4.8mol的DMSO和1.1mol的草酰氯，以及5.0mol的三乙胺，在-10℃下反應15min，經(jīng)處理，收率可達到97%。

在DMSO-活化試劑反應體系中，活化試劑的作用是使DMSO生成帶有好的離去基團的活性中間體锍離子。在Swern氧化反應中，該活性中間體锍鹽是二甲基氯锍鹽(1)，它是由DMSO及草酰氯經(jīng)兩次取代反應生成的。之后加入底物醇進攻活性中間體(1)，發(fā)生親核取代反應，得到關鍵中間體烷氧基锍鹽(2)(圖2)。

圖2 Swern氧化中烷氧基锍鹽的生成

在三乙胺等堿性條件下，2脫去酸性較強的甲基上的氫得到硫葉立德中間體(3)，3進一步脫去醇的α-H，并失去二甲硫醚后，底物醇轉化為醛(圖3)。

圖3 堿性條件下脫氫形成羰基的機理

2 其他DMSO-活化試劑氧化反應的條件與機理

從圖3可以看出，凡是能在反應過程中產(chǎn)生中間體1，2或3的體系，均可以通過上述機理來氧化醇羥基。其他DMSO-活化試劑體系正是通過類似途徑來進行氧化反應的。

Pfitzner-Moffatt氧化反應發(fā)現(xiàn)于1963年[6]，使用試劑為DMSO-N,N′-二環(huán)己基碳二亞胺(DCC)。由于DCC作為DMSO的活化試劑時，首先必須在酸性條件下進行質子化，而體系對酸的強度較為敏感。研究發(fā)現(xiàn)，在實驗中使用二氯乙酸、磷酸、吡啶甲磺酸鹽、吡啶磷酸鹽和吡啶三氟乙酸鹽的效果較好，反應溶劑為苯、甲苯、二氯甲烷或乙二醇二甲醚等低極性溶劑(圖4)[7]。該反應可以在室溫下進行，反應機理為通過烷氧基硫葉立德(3)進行脫氫(圖5)。

圖4 Pfitzner-Moffatt氧化反應實例

圖5 Pfitzner-Moffatt氧化反應中烷氧基硫葉立德(3)的形成機理

Pfitzner-Moffatt反應的缺點是需用3倍量的DCC，而且副產(chǎn)物脲(DCU)會給分離帶來困難。常用的解決辦法是加入蘋果酸幫助除去副產(chǎn)物；也可以使用水溶性的EDC(1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亞胺)來代替DCC[8]。

Parikh-Doering氧化報道于1967年[9]，使用DMSO-三氧化硫-吡啶復合物，反應可以在室溫進行，但是在0～10℃的條件下反應效果更好。由于該溫度低于DMSO的熔點(18.4℃)，一般使用DMSO與甲苯、1,1-二氯乙烷、THF或氯仿組成的混合溶劑(圖6)[10]。

圖6 Parikh-Doering氧化反應實例

Parikh-Doering氧化反應的機理也與體系中形成烷氧基锍鹽中間體(2)相關(圖7)；該反應的優(yōu)點是副產(chǎn)物烷氧基甲基硫醚很少。

圖7 Parikh-Doering氧化反應中產(chǎn)生烷氧基锍鹽(2)的機理

在1972年Corey-Kim報道的氧化反應中，盡管沒有使用DMSO，而是使用了二甲硫醚(DMS)與N-氯代丁二酰亞胺(NCS)，但反應活性中間體仍是類似的[11]。與Swern反應類似，體系中首先產(chǎn)生二甲基氯锍鹽(1)，隨后接受醇羥基的進攻得到烷氧基锍鹽(2)，然后在三乙胺的幫助下，烷氧基锍鹽脫氫完成氧化反應。1的生成機理如圖8所示。

圖8 Corey-Kim氧化反應中產(chǎn)生二甲基氯锍鹽(1)的機理

該反應已在工業(yè)界得到應用，能夠以300公斤級的規(guī)模生產(chǎn)大環(huán)內(nèi)酯抗生素Cethromycin[12]，由于中間體1易于分解，反應時溫度應控制在0℃以下(圖9)。

圖9 Cethromycin合成的氧化步驟

以Swern反應為代表的DMSO-活化試劑原料簡單易得，能夠在便捷條件下將伯醇氧化為醛，將仲醇氧化為酮，特別適用于含有對酸敏感的取代基的底物(如縮醛，糖基，N-Boc，TMS，TBS等)，因此，這類氧化試劑在天然產(chǎn)物和藥物的合成中得到了普遍應用[13-18]。建議今后在本科生有機化學教學中對這類氧化試劑加以簡介，以便在實際工作中對醇進行氧化時能夠優(yōu)先考慮采用這種低毒、快捷，對環(huán)境更加友好的方法。

參 考 文 獻

[1] 邢其毅,裴偉偉,徐瑞秋,等.基礎有機化學(上冊).第3版.北京:高等教育出版社,2005

[2] 古練權,汪波,黃志紓,等.有機化學.北京:高等教育出版社,2008

[3] 高占先.有機化學.第2版.北京:高等教育出版社,2007

[4] 胡躍飛,林國強.現(xiàn)代有機合成反應(第1卷) 氧化反應.北京:化學工業(yè)出版社,2008

[5] Mancuso A J,Huang S,Swern D.JOrgChem,1978,43:2480

[6] Pfitzner K,Moffatt J G.JAmChemSoc,1963,85:3027

[7] Suzuki T,Tanaka S,Yamada I,etal.OrgLett,2000,2:1137

[8] Edwards P D,Meyer E F Jr,Vijayalakshmi J,etal.JAmChemSoc,1992,114:1854

[9] Parikh J R,Doering W V E.JAmChemSoc,1967,89:5505

[10] Seki M,Mori Y,Hatsuda M,etal.JOrgChem,2002,67:5527

[11] Corey E J,Kim C U.JAmChemSoc,1972,94:7586

[12] Cink R D,Chambournier G,Surjono H,etal.OrgProResDev,2007,11:270

[13] Liu D,Chen J,Ai L,etal.OrgLett,2013,15:410

[14] Zanatta N,Aquino E D,da Silva F M,etal.Synthesis,2012,44:3477

[15] Lin S,Deiana L,Tseggai A,etal.EurJOrgChem,2012(2):398

[16] Tsuchiya D,Moriyama K,Togo H.Synlett,2011(18):2701

[17] Sreedhar E,Venkanna A,Chandramouli N,etal.EurJOrgChem,2011(6):1078

[18] Guagou T,Meyer M P.JOrgChem,2010,75:8088