王彩霞，胡华院，张 洋，王鹏飞，霍东升，何晓芸，石 苗，李启贵

(西安瑞联新材料股份有限公司，陕西 西安 710077)

将醇氧化为相应的醛或酮是有机合成中重要的官能团转换反应之一，而要实现醇的高选择性、高效氧化，关键在催化剂。

2,2,6,6-四甲基哌啶-N-氧自由基(TEMPO)是可以稳定存在的氮氧自由基。1987年，Anelli[1-2]发现发现使用NaBr作为助催化剂时，TEMPO能够非常快速地催化次氯酸盐对醇的氧化，伯、仲醇都会被快速地选择性氧化为相应的醛或酮，且底物携带的手性和N保护基不受影响。由于其催化醇的氧化反应具有操作简单、反应迅速、反应条件温和等特点，而且表现出了接近当量的醛酮选择性，在工业生产中成功地得到了应用[3]。但是TEMPO与产物分离难分离，残留的TEMPO影响产物的纯度，在实验室可采用柱层析等手段提纯，在大规模的工业生产上却难以实施。另外TEMPO价格比较高、不能循环使用等缺点限制了TEMPO在催化醇氧化反应中的广泛应用。

因此，通过物理或化学的方法将TEMPO负载在载体，将TEMPO多相化，以实现催化剂的回收再用成为TEMPO催化研究的一个新领域[3-4]。目前用于TEMPO固载的载体主要有分子筛、硅胶和聚合物等。已报道的固载催化剂在回收使用若干次后基本能够保持催化活性，在应用上展示出一定的可行性。

1 硅胶负载TEMPO

硅胶具有多孔性、吸附能力高、稳定性好等特点，可用于固载多种催化剂，由于硅胶表面裸露羟基，可通过化学键将TEMPO锚定。

Thomas等[5-6]制得SiO2-NH-TEMPO催化剂，见式(1)。分别以苯甲醇、4-硝基苯甲醇、2-溴苯甲醇、2-壬醇等为底物，SiO2-NH-TEMPO、TEMPO为催化剂进行了对比试验，发现1h后，皆得到了选择性氧化产物，说明SiO2-NH-TEMPO的催化效果与均相TEMPO催化剂相似。

刘霖[7]等将硅胶氯化，再将氯化硅胶与TEMPO以醚键方式键合，得到了SiO2-TEMPO，制备方法比较简单。采用SiO2-TEMPO/CuCl/NaHCO3/TBAB催化体系，分子氧为氧化剂，80℃催化氧化苯甲醇时发现：首次反应20min后，转化率达90%，选择性93%；第一次回收使用反应25min后，转化率73%，选择性90%；第二次回收使用反应25min后，转化率仅38%，选择性94%，SiO2-TEMPO体系循环使用性能较差。原因可能是硅胶与TEMPO之间以醚键连接，在碱性条件下容易发生水解反应，在萃取产物时易造成催化剂流失，故循环性能不好。

2 分子筛负载TEMPO

介孔分子筛具有大的比表面和均一的孔道直径分布， 孔径在1.5～10nm范围可调变等独特的结构性能。由于介孔分子筛的孔内壁上存在一定数量表面羟基缺陷，使得某些物质通过与硅羟基发生反应而键合于孔内表面成为可能。

2001年D.Brunel等[8]制备了两种MCM-41负载TEMPO的催化剂，分别为MCM-41-ether-TEMPO，和MCM-41-amide-TEMPO，见式(2,3)。研究发现在使用MCM-41-TEMPO/NaOCl催化体系时，a-甲葡萄糖苷成功地被氧化成1-o-甲基葡萄糖醛，选择性大于95%，并且两种催化剂MCM-41-ether-TEMPO和MCM-41-amide-TEMPO效果没有差异。另外，使用氧气作为氧化剂，将MCM-41-ether-TEMPO/CuCl和CuCl及均相TEMPO/CuCl催化体系对苯甲醇的氧化效果进行了对比，发现与均相体系相比，MCM-41-ether-TEMPO/CuCl表现出相似的选择性，都大于99%，但是转化率仅35%。

2007年，Karimi等[9]制得BA-15-TEMPO，见式(4)。以苯甲醇为底物，采用SBA-15-TEMPO/NaNO2/nBu4NBr催化体系，分子氧为氧化剂，发现苯甲醇99.8 %的被选择性氧化为苯甲醛，其转化率更是达到100 %，仅仅有0.2 %的苯乙酸副产物。进一步的研究发现SBA-15-TEMPO能够在无过渡金属的条件下催化伯醇、仲醇及高位阻醇的选择性氧化；并且连续循环使用14次后其固载的TEMPO几乎未脱落，母体SBA-15的介孔通道也无坍塌。

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3 聚合物负载TEMPO

2000年Arne Dijksman等[10-11]通过H2O2/NaWO4·2H2O催化体系将低聚物受阻胺光稳定剂944(MW=3000)氧化制得TEMPO固载化催化剂PIPO (polyamine immobilised piperidinyl oxyl, 式5)。以次氯酸钠为氧化剂，PIPO为催化剂，二氯甲烷为溶剂氧化1-辛醇、2-辛醇、苯甲醇等，发现反应20min后，反应的转化率和选择性都大于99%，PIPO表现出比TEMPO更高的活性。并且在无溶剂的情况下，PIPO亦表现出相当好的活性：反应45min后，转化率达95%，选择性大于99%。反应10min后将反应混合物过滤，发现滤液无任何活性，而滤饼则可以作为催化剂使用至少2次。进一步研究发现在不使用Br-助催化剂的情况下，PIPO也能有效地催化NaOCl氧化醇。

2003年，Minisci等[12]报导了汽巴特种化工公司合成的一种多功能可循环使用的新型氮氧自由基:嫁接TEMPO的大环化合物，见式(6)，其在大多数有机溶剂中的溶解性很差，容易回收利用，具有很好的实用性。在Mn(NO3)2/Cu(NO3)2或Mn(NO3)2/Co(NO3)2的协助下，以苯甲醇、对甲氧基苯甲醇、糠醇等为底物，这个大环化合物能在室温条件下催化空气或分子氧或者H2O2对醇的选择性氧化反应，产率皆大于92%，而对应的无催化剂或金属盐的空白实验不反应。进一步的研究发现其催化氧化反应速率受反应温度和氮氧自由基浓度的影响，因此在工业生产中可以选用较低的温度和较高浓度的催化剂，这点非常实用。

Michelle等[13-14]通过接枝有羧端基的共聚物FibreCatTM(羧基含量=6.5 mmol/g)与4-OH-TEMPO的酯化反应，将TEMPO负载于聚合物上制得PS- TEMPO，见式(7)。以1-辛醇为底物，PS-TEMPO为催化剂，发现回收PS-TEMPO的催化活性无降低，与TEMPO相比其催化活性稍低，但反应后可直接过滤分离，并且经过20次重复使用后其活性未发现明显降低。

Pedro等[15]以聚乙二醇为载体，在其端基嫁接TEMPO，制得负载催化剂PEG-TEMPO，见式(8)。发现仅接枝TEMPO的聚乙二醇具有优异的催化活性，聚乙二醇的分子量以及接枝的间隔等影响催化剂的回收效率和催化性能[16]。

4 离子液体负载的TEMPO

室温离子液体是由阴、阳离子组成且常温下呈液态的离子化合物。同易挥发的有机溶剂比，离子液体没有可测的蒸气压、热容大、不可燃、热稳定性好、离子电导率高、电化学窗口宽等优点。通过选择适当的阴离子或阳离子的烷基链，可改善离子液体的物理或化学性质。鉴于这种可调控性[17-18]，可将TEMPO负载于离子液体上。魏运洋等[19]制得2,2,6,6-四甲基-N-氧自由基哌啶醇负载离子液体TEMPO-IL，见式(9)。在[7bmim]PF6中，以TEMPO-IL和CuCl为催化剂，分子氧氧化各种醇为相应的醛或酮。研究发现，该氧化体系对苄醇和烯丙醇有较好的氧化效果，65℃下反应10 h，转化率可达99%。氧化体系对醛酮有高度的选择性，在实验所采用的条件范围内未检测到有羧酸生成。在苯甲醇的氧化中，溶剂和催化剂循环使用6次，反应转化率保持不变。

2006年Qian等[20]制备了三个负载于离子液体上的TEMPO催化剂，见式(10)，研究发现在相似的反应条件下得到相同的收率时，催化剂7的反应时间是催化剂4和6的二分之一，说明其活性是它们的2倍。将催化剂4和6循环使用5次后，其催化活性无明显降低，可见以酯键相连的催化剂同以醚键相连的催化剂一样稳定。

5 结束语

TEMPO催化氧化醇转化为相应的醛或酮反应条件温和，转化率高。为解决因TEMPO价格昂贵、回收处理困难等对于该反应广泛应用的限制，研究者们进行了多方面的尝试。发现使用无机载体时，固载TEMPO经过滤即可回收，但催化活性会有所降低。用聚合物等有机物作为载体，TEMPO6接枝方法容易，而且有些接枝TEMPO的聚合物催化剂表现出不同于TEMPO的新催化特点。总之，固载TEMPO研究今后仍将会是TEMPO催化醇氧化反应的主要研究方向。