王妍，王兰英，胡向东，王云侠

西北大学化学与材料科学学院，化学国家级实验教学示范中心，西安 710127

缩醛/缩酮是一类重要的有机化合物。基础有机化学中，醛/酮与醇在酸催化条件下反应生成缩醛/缩酮，缩醛/缩酮在稀酸水溶液中水解，又可以回到原来的醛/酮，因此一般通过缩醛/缩酮的合成反应来保护醛/酮[1,2]。缩醛由于具有特殊气味，也可用作化妆品增香剂或食品添加剂[3]，缩醛还可以添加在生物柴油燃料中，起到防冻的作用[4]。因此，缩醛/缩酮的合成研究引起了合成化学家的广泛关注。

近年文献报道了多种酸催化缩醛/缩酮的合成方法，同时也出现了一些电催化和光催化的绿色合成方法来合成缩醛/缩酮。本文根据反应条件的不同，将缩醛/缩酮的合成进展分为酸催化方法、电催化方法以及光催化方法进行综述，详细介绍每种方法的适用范围及反应机理(图1)。

图1 文献已报道缩醛/缩酮的合成方法

1 酸催化

文献已经报道了许多在酸催化条件下合成缩醛/缩酮的方法(图2)，其中所用的酸可分为质子酸(例如：SO3H-SiO2[5]，0.1% HCl (摩尔分数)[6]等)、路易斯酸(例如：TiCl4[7]，ZrCl4[8]，RuCl3·3H2O[9]，InCl3[10]，CoCl2[11]，SnCl2[12]，B10H14[13]，Bi(OTf)3[14]，In(OTf)3[15]，Al(OTf)3[16]，Cu(BF4)2·xH2O[17]等)，以及tropylium盐[18]、吡啶盐衍生物[19]、咪唑盐类离子液体[20]、含氟肼类有机催化剂[21]、Pd(II)配合物[22]、Ni(II)配合物[23]、DDQ[24]、NBS[25,26]和I2[27]等。其中经典的质子酸催化适用于缩醛和缩酮的合成，ZrCl4，InCl3，B10H14，Bi(OTf)3，Cu(BF4)2·xH2O，In(OTf)3，Al(OTf)3以及DDQ，NBS，I2，Pd(II)配合物也可以合成缩醛和缩酮，而其他的催化剂比如TiCl4，RuCl3·3H2O，CoCl2，SnCl2，吡啶盐衍生物，咪唑盐类离子液体，tropylium盐，含氟肼类有机催化剂和Ni(II)配合物只适用于缩醛的合成。酸催化醛/酮与醇反应，制备缩醛/缩酮的机理如图3所示：在酸催化条件下，醛/酮的羰基氧被质子化后与醇发生亲核加成，随后失去质子，形成半缩醛/半缩酮。接着该半缩醛/半缩酮中的羟基质子化后被另外一分子醇取代，并失去质子最终得到缩醛/缩酮。

图2 酸催化缩醛/缩酮的合成

图3 酸催化缩醛/缩酮合成的反应机理

2 电催化

2019年丁轶课题组[28]报道了一种电化学方法合成缩醛和硫代缩醛(图4)。该反应以醛与醇或者硫醇为原料，铵盐BuNClO4为支持电解液，用石墨电极在隔膜电解池中通电反应，合成了多种缩醛和硫代缩醛。芳香醛、脂肪醛以及α,β-不饱和醛与一元醇、二元醇均可以反应。反应可能的机理如图5所示：醛在阳极被氧化失去一个电子生成了醛阳离子A，接着A与醇发生亲核加成反应和质子转移，形成稳定的半缩醛阳离子B，B再与另外一分子醇发生取代反应，生成产物缩醛阳离子C，最后未反应的醛与C发生阳离子交换，在得到产物缩醛的同时，形成了醛阳离子A。该醛阳离子A循环进行该反应。由此可见，阳极氧化醛产生的醛阳离子是该反应的真实催化剂。醇在阴极得到电子被还原成H2和烷氧基负离子。

图4 电催化缩醛的合成

图5 电催化缩醛合成的反应机理

3 光催化

能源危机和环境危机对化学合成提出了严峻的挑战，近年来光催化的有机合成逐渐成为绿色有机合成的一个新方向。目前，文献也已经报道了一些光催化缩醛的合成方法，下面从均相光催化和非均相光催化两方面来介绍。

3.1 均相光催化

2017年雷爱文课题组[29]报道了一种可见光引发的缩醛合成方法。该方法使用醛和醇为原料，Eosin Y为光催化剂，3 W绿色LED灯为光源，CH3CN为溶剂，N2氛下反应12 h得到一系列脂肪类、芳香类和杂芳香类的缩醛(图6)。该方法具有一定的化学选择性，只适用于醛合成缩醛，而酮不发生反应。机理研究结果表明，光照对该反应是必须的，催化量的碱Na2CO3会抑制该反应，因此推测该反应可能的机理是光催化剂Eosin Y表现为光酸，在光照条件下原位产生酸，进而催化该反应。

图6 Eosin Y催化缩醛的合成

2019年Kokotos课题组[30]报道了另外一种光催化的缩醛合成方法。该方法以醛和醇为原料，9-噻吨酮为光催化剂，家用灯泡为光源，反应1.5 h就可以合成一系列脂肪类和芳香类缩醛(图7)。机理研究实验证明，该反应是通过自由基机理进行的。如图8所示：在光照条件下，光催化剂与醛形成的电子给体-受体(EDA)配合物发生能量转移，使醛的LUMO轨道能量降低从而被活化，接着类似于酸催化活化的醛，该活化的醛与甲醇反应生成缩醛。同时，空气中的氧气与EDA配合物中的光催化剂作用，使得光催化剂回到基态，并继续与醛结合，从而循环催化该反应。实验结果表明，氩气氛下，该反应产率有所降低，推测O2参与并加速了该反应。

图7 9-噻吨酮催化缩醛的合成

图8 9-噻吨酮催化缩醛合成的反应机理

2020年该课题组又报道使用Schreinert’s thiourea作为光催化剂来合成缩醛(图9)[31]。该方法使用脂肪醛或者芳香醛与甲醇等为原料，家用灯泡为光源，反应3–24 h得到相应的产物缩醛。该反应可能的机理如图10所示：在光照条件下，Schreinert’s thiourea与醛之间通过氢键形成的配合物(A)受激发形成中间体(B)，接下来有两种可能的反应途径：一种途径是B的N―H键断裂释放的质子与醛结合，形成了活化的醛(C)，C再与醇反应生成缩醛。其中该光催化剂起到光酸的作用，产生的质子可以循环催化该反应(Pathway A)。另一种途径是B中的醛原位与醇发生亲核加成反应，产生中间体(D)，D再与另外一分子醛发生质子转移形成的中间体(E)，E再继续与另外一分子醇反应生成缩醛，同时产生的C按照Pathway A循环进行该反应(Pathway B)。

图9 Schreinert’s thiourea催化缩醛的合成

图10 Schreinert’s thiourea催化缩醛合成的反应机理

2020年陈路课题组[32]报道使用罗丹明衍生物Acid red 52作为光催化剂，醛和醇为原料，黄光灯泡作为光源，室温条件下高效地合成了一系列脂肪缩醛和芳香缩醛(图11)。可能的反应机理是，光催化剂在光照条件下产生的阳离子自由基物种类似酸，催化醛与醇反应生成缩醛。

图11 Acid red 52催化缩醛的合成

3.2 非均相光催化

与均相光催化相比，非均相光催化具有绿色、经济，催化剂易于从反应体系分离，且可循环使用等优点。目前文献报道了两种非均相光催化的缩醛/缩酮合成方法。

2013年刘金华课题组[33]以纳米TiO2(P25)为光催化剂，UV-LED (λ= 365 nm)为光源，30 °C恒温反应实现了一系列对位取代的苯甲醛相应缩醛的制备(图12)。该反应中醇既是反应物，又是溶剂，其中醇自身的pH对反应有很大影响，甲醇和乙醇反应产率较好，而正丁醇和异丙醇的反应产率大幅度降低。对位烷基取代或者氯取代的苯甲醛反应产率可以达到58%–97%，而对位有强吸电子取代基(例如―NO2，―CN)的苯甲醛反应产率很低，仅有12%–17%。该反应可能的机理如图13所示。紫外光照射下，TiO2表面发生电荷分离，产生电子(e−)和空穴(h+)，其中的e−转移到醛上形成的中间体A与醇电离出的质子结合形成中间体B；h+氧化醇电离出的烷氧基负离子(R’O−)得到烷氧基自由基(R’O·)，接着B与R’O·结合，生成的半缩醛在醇电离的酸催化作用下，脱去一分子水并与R’O−结合，生成最终的产物缩醛。

图12 TiO2催化缩醛的合成

图13 TiO2催化缩醛合成的反应机理

2016年Tsang课题组[34]使用g-C3N4作为非均相光催化剂，实现了脂肪类和芳香类缩醛/缩酮的制备(图14)。该方法以醛/酮和醇为原料，可见光照射条件下，0.1 MPa O2作为氧化剂，25 °C反应得到相应的缩醛/缩酮。该反应可能的机理如图15所示：可见光照射下，g-C3N4表面发生电荷分离，产生电子(e−)和空穴(h+)，其中的e−转移给O2形成了h+氧化醇产生质子，接着该质子催化活化醛/酮并与醇反应，生成最后的产物缩醛/缩酮。

图14 g-C3N4催化缩醛/缩酮的合成

图15 g-C3N4催化缩醛/缩酮合成的反应机理

4 结语

综上所述，缩醛/缩酮的合成方法中，传统的质子酸，以及部分路易斯酸催化，g-C3N4光催化，应用比较广泛，可用于缩醛和缩酮的制备。另外一部分路易斯酸催化，包括后来发展起来的电催化，均相光催化和TiO2光催化，化学选择性比较强，只适用于合成缩醛。与酸催化相比较，中性的电催化或者光催化方法反应条件温和，属于绿色的合成策略。目前的光催化方法中，均相光催化报道较多，催化剂以罗丹明类或荧光素类有机染料、9-噻吨酮或者硫脲类化合物为主。相比较而言，非均相光催化的方法仅有TiO2和g-C3N4两个体系，其中TiO2催化要用到紫外光，而且由于反应受pH的影响，底物适用范围很有限。g-C3N4催化用到可见光，同时也需要0.1 MPa O2，醛酮的适用范围也需要进一步拓展。非均相光催化剂一般是基于表面科学和半导体的固态化学来设计的，半导体的表面原子是反应的位点，比均相光催化剂的光转换效率高得多，而且该催化剂很容易通过离心或过滤从反应溶液中分离出来，这使得反应产物的分离和纯化更加方便[35–37]。因此，开发绿色、温和、高效、经济的非均相光催化合成方法是今后缩醛/缩酮合成研究的一个重要方向。