化合物的选择性氧化方法

本发明涉及化合物的选择性氧化方法。更具体地说，本发明涉 及有机化合物的选择性氧化方法，其中铁磁性二氧化铬被用作氧化 剂并通过磁分离而回收。

在包括农用化学品、药物、塑料等在内的许多重要的工业材料 的制造中，氧化是一个关键的步骤。常用的氧化剂包括铬酸水溶 液、高锰酸钾水溶液和活化的二氧化锰。但上述氧化剂都有某些缺 点。氧化产物与氧化剂及其还原型的分离需要大量劳动并且是低效 率的，使得产率很低。在某些情况下，氧化剂的选择性不太好。氧 化反应可能并未产生所需的产品。例如，在伯醇向醛的氧化过程 中，氧化反应可能向生成酸的方向进行。此外，氧化剂可能会氧化 多官能化合物中的其它官能团。这种选择性的缺乏使得分离过程复 杂化并且导致产率的降低。而且，氧化剂的选择关键取决于分离的 方法。

Fatiadi在Synthesis，1976，pp.65-167中公开了在选择性氧化 中使用活化二氧化锰的方法。然而，二氧化锰氧化的效率则取决于 二氧化锰的制备方法。此外，在这些反应中会出现分离困难的严重 情况。Marquise等人在美国专利3954666中公开了使用反应物的 磁分离的方法。在该专利中，将非均相催化剂和铁磁性材料包裹在 半渗透性聚合物微胶囊中。在与可氧化的材料反应之后，通过磁分 离除去微胶囊。然而，所述氧化剂选择性差，并且包囊过程成本高 且费时。Bottjer等人在美国专利3512930中公开了保护性屏蔽对 于二氧化铬颗粒的有效性的测定，其中未保护的二氧化铬将二苯基 甲醇氧化为二苯甲酮。然而，在该测定中仅测定到初始反应速率， 而对于整个反应的选择性并未讨论。因此，人们需要一种能够克服 上述氧化剂的缺点的、改进的、化合物的选择性氧化方法。

本发明提供可氧化化合物的选择性氧化方法，它包括下述步 骤：

(a)将铁磁性二氧化铬与可氧化化合物混合；

(b)使(a)中的混合物反应产生粘附在未反应二氧化铬和氧化产 物上的还原的铬化合物；和

(c)从氧化产物中磁分离出二氧化铬与还原的铬化合物。

在另一实施方案中，该方法还包括：

(d)通过在空气中加热步骤(c)中分离出来的二氧化铬与还原的 铬化合物而使二氧化铬再生。

本发明涉及某些化合物的选择性氧化方法。该方法中的氧化剂 是二氧化铬。我们惊讶地和出乎意料地发现，二氧化铬是一种温和 的和具有选择性的氧化剂。在氧化反应中，二氧化铬是反应物而不 是催化剂，从而形成还原的铬物质。我们还发现，基本上所有的铬， 即未反应的铁磁性二氧化铬和非铁磁性还原的铬物质可从反应混 合物中磁分离出来。因而，二氧化铬氧化剂能够既提供氧化的选择 性又能够使反应产物的分离变得容易。

在实施本发明时，可以使用任何预制的铁磁性二氧化铬。在许 多专利中都描述了适宜的铁磁性二氧化铬及其制备，包括美国专利 2885365，2923684，2923684，2956955，3034988， 3117093，3278263，3911095，4524008，4698220和4769165。在美 国专利4524008中给出了一种优选的方法(本文引为参考文献)。 二氧化铬应当是细碎分散的颗粒的形式以便为反应提供足够的表 面积。在本发明方法中所用的颗粒大小的低限最好应使得可以通过 施加磁场而将其从反应介质中有效地分离出来。除了会降低反应速 率之外，较大尺寸的颗粒并不对反应过程产生不利影响。一般来 说，二氧化铬的比表面积(SSA)优选不大于60平方米/克；更优选 15-40平方米/克的比表面积。

二氧化铬的表面最好未经处理。在许多情况下，对于将用于磁 带用途的二氧化铬要进行表面钝化或稳定化处理。例如，可参见 Bottjer等人的美国专利3512930。所述处理的目的是在保持磁性能 的同时，降低颗粒表面的氧化反应性。在本发明方法中重要的是二 氧化铬的氧化反应性以及磁性能，因此，任何降低二氧化铬颗粒的 氧化反应性的处理都是事与愿违的。

氧化反应产生铬的还原形式。它通常是铬(III)的氧-氢氧化物。 我们发现，该还原的铬与二氧化铬的结晶颗粒混在一起，可从中磁 分离出来。也就是说，尽管Cr(III)化合物不是铁磁性的，但是当施 加磁的时候，可将其从二氧化铬中除去。

二氧化铬与可氧化化合物反应。适宜的可氧化有机化合物包括 醇类。对于大多数氧化剂来说，伯醇直接氧化为羧酸，难以分离大 多数中间体醛。二氧化铬将伯醇选择性地氧化为醛。对于许多简单 的醇(例如伯烷基醇)的确如此。然而，活化的醇特别有利。本文 所用的“活化的醇”是指在与羟基相邻的位置有一富电子源的醇。 富电子源的例子包括烯、炔、芳族、脂环族和羰基基团。仲醇也是 适宜的可氧化有机化合物，它被氧化为酮。活化的醇的例子包括苄 醇类、杂苄醇类、烯丙醇类、炔丙醇类、α-羟基醚类、酚类和可烯 醇化的酮类。

适宜的可氧化有机化合物包括可氧化烃，其中甲基、亚甲基或 次甲基(即，具有叔氢的化合物，R3C-H)的直接氧化产生羟基、 羰基、醚基、偶联或脱氢的产物。最好将待氧化的基团象上述对醇 那样活化。适宜的可氧化有机化合物的例子包括多核芳烃，例如蒽 和芴、杂核芳烃、氢化的芳烃和氢化的杂芳烃。

适宜的可氧化有机化合物包括可氧化的无色染料。染料的无色 形式是具有一个或两个氢原子的染料的还原形式，它(在某些情况 下与附加的电子一起)的去除产生染料，即有色形式的染料。这种 无色染料被描述在例如美国专利3445234，4247618，和4622286中。 无色染料的例子包括三芳基甲烷、改性的二芳基甲烷和杂芳基甲 烷。

其它类型的在本发明的方法中可以起适宜的可氧化有机化合 物作用的化合物包括有机胺、有机硫、有机磷和杂环化合物。适宜 的非有机可氧化化合物包括金属亚硫酸盐、硫化氢和无机磷化合 物。

在本发明的方法中，将可氧化化合物与二氧化铬氧化剂接触并 使之反应。这可以通过任何混合两种反应物的常规方法来进行。通 常是通过在适当的溶剂中将两种成分混合在一起而完成的。反应可 以在室温或加热下进行。在某些情况下，如果特别强烈地放热，则 甚至必须将反应冷却。反应时间取决于待氧化的有机化合物的性 质、溶剂、温度和颗粒大小以及二氧化铬的用量。一般来说，反应 可以通过在溶剂如二氯甲烷中回流数小时来进行。

氧化反应完成后，利用磁性将铬产物从有机反应产物中分离出 来。材料的磁分离的原理是公知的，可参见许多标准的工程参考文 献，例如＂Chemical Engineers′Handbook＂(第五版，McGraw- Hill，1973)。该分离通常可以通过简单地将反应容器暴露在磁场中来 实现。未反应的二氧化铬以及结合的铬还原产物将移向磁体的位 置。该磁体可置于内部，即反应容器内。通常磁力搅拌器已足以进 行分离。为便于含铬产物的回收，最好将磁体置于外部，即反应容 器的外部。可以使用任何种类的磁体只要它有足够的力量吸引基本 上所有铬产物便可。这在大多数情况下可以很容易用肉眼确定。当 有磁体时，如果它具有足够的吸力，则基本上可以从反应混合物中 除去所有的黑色铬产物，化合物将变为清澈。

在用磁体将铬产物吸住不动之后，可以将混合物的非磁性部分 简单地倒出，例如将液相滗析掉。可以用任何常规方法例如蒸馏、 色谱、结晶等方法将所需的氧化产物分离和纯化。

如果磁体在反应器外面，则可以很容易地回收铬产物。能够通 过首先除去任何可能存在的溶剂然后在氧化剂的存在下将含铬物 料加热的方法将二氧化铬再生，从而使氧化反应性再生(参见美国 专利3529930所述)。再生最好通过在空气中、在200-400℃范围 的温度下加热数小时来完成。

本发明的方法可通过下述实施例加以说明，但不受其限制。

实施例1-8

这些实施例用来说明本发明方法在氧化活化的醇(实施例1，2， 4，5，7和8)、未活化的醇(实施例2)和活化的碳氢化合物(实 施例6)中的应用。实施例2，3，4和5显示了二氧化铬在使反应停 止在醛方面的选择性。实施例4和5显示了二氧化铬氧化醇而不与 化合物中的其它官能团起化学反应的选择性。

将10g二氧化铬(按照美国专利4524008的实施例2制备，未 经表面稳定化处理)和35ml溶剂组成的浆液投入装有水冷却冷凝 器和Vibro Mixer混合机(Chemapec，Inc.，Hoboken，NJ)的200毫升圆 底烧瓶中。将1.0g待氧化的化合物在15ml溶剂中的溶液加到混合 物中，加热回流2.5-3小时。

然后将混合物冷却至室温。为从铬产物中分离出氧化产物，在 烧瓶旁边放置一强磁体(横向距离为2英寸、厚度为3/8英寸的马 蹄形磁体，2000-5000高斯)，将液体滗析。再用一些溶剂将剩余 的铬固体漂洗并将漂洗液体加到滗析物中。然后在旋转蒸发器中将 溶剂汽提除去。分析分离的最终产物，用下述技术的至少一种进行 鉴定：IR或UV光谱，气相色谱(GC)。结果在下表中给出。 实施例      可氧化化合物         溶剂       产物         收率(分析) 1            二苯基甲醇 1        MeCl2   二苯甲酮

                                                         40％

                                                         (UV) 2                苄醇            MeCl2     苯甲醛         80％

                                                       (IR，GC) 3               1-辛醇           MeCl2     1-辛醛

                                                       ·40％

                                                       (IR，GC) 4              牻牛儿醇          MeCl2     柠檬醛         95％

                                                         (IR) 5               内桂醇           MeCl2     肉桂醛         75％

                                                         (IR) 6                  蒽             THF        蒽醌          25％

                                                         (IR) 7                苯偶姻          MeCl2   二笨基乙二酮     ·33％

                                                         (IR) 8                苯偶姻          丙酮     二苯基乙二酮 MeCl2＝二氯甲烷 THF＝四氢呋喃

实施例9

本实施例说明无色染料氧化成为染料形式。它也是对活化烃的 氧化的说明。

将100g二氧化铬(按照实施例1-8所述制备)和350ml二氯甲烷 组成的浆液投入装有水冷却冷凝器的500毫升圆底烧瓶中。将10g 无色绿染料、二(4-二乙氨基-2-甲基苯基)苯基甲烷在150ml二氯 甲烷中的溶液和4.54g对甲苯磺酸加到混合物中。将混合物置于超 声波浴中3小时。反应产生的热足以使二氯甲烷回流，按照实施例 1-8所述从含铬物料中分离出反应产物。

用TLC和可见光谱分析知，氧化产物为绿染料形式(在658nm 处取得最大值)。收率大于75％。

实施例10-11

这些实施例说明本发明的二氧化铬在氧化能力方面与常规的 氧化剂活化的二氧化锰(不能通过磁力回收)的相等。

在一个装有回流冷凝器和机械旋转的25mm特氟隆浆叶的 100ml三颈烧瓶中，将由10.0g氧化剂、1.0g苄醇和25ml二氯甲 烷组成的浆液搅拌并加热回流四小时。

在实施例10中，氧化剂是如上述那样制备的二氧化铬。按照实 施例1-8所述进行产物分离。通过对粗产物的NMR谱分析表明， 氧化产物是苯甲醛(收率：75％)，不含苄醇。

在实施例11中，氧化剂是活化的二氧化锰(Aldrich Chemical Co.，目录号：21，764-6，Milwaukee，WI)。由于氧化剂不是磁性的， 它通过将反应浆液滤过多孔玻璃过滤器而除去的。用大约15ml二 氯甲烷洗涤滤饼，将洗涤过的溶液与原滤液合并。氧化产物通过真 空蒸发除去二氯甲烷而得以分离。获得不含苄醇的苯甲醛(NMR 谱测定)，收率为57％。

实施例12

本实施例说明从铬反应产物中再生二氧化铬的过程。

将实施例2中的磁体保留的固体干燥，于385℃在空气中加热 两小时。然后用该铬材料重复实施例2。在二氯甲烷中仅经过一小 时的回流，IR谱分析便表明液相中主要含有氧化的产物和苯甲 醛。