研究背景

醛的選擇性氧化是合成羧酸最 常用的方法之一。過氧化羧酸被認(rèn)為是有效的氧化劑，廣泛應(yīng)用于酮、烯烴和肟等化合物的氧化，卻很少見到成功應(yīng)用于醛到羧酸的氧化。

由于潛在的爆炸風(fēng)險(xiǎn)，使用過氧化羧酸作為氧化劑的釜式反應(yīng)，通常在室溫或微熱的條件下進(jìn)行。相比之下，連續(xù)流反應(yīng)器的固有優(yōu)勢(shì)，如相對(duì)較小的反應(yīng)器體積、卓 越的傳熱和傳質(zhì)效果，能夠使高活性或有毒試劑原位生成和在線消耗，提高工藝過程安全。

歐洲著名連續(xù)流專家，奧地利Graz大學(xué)C. Oliver Kappe教授，開發(fā)了一種過氧甲酸在線合成，在流動(dòng)條件下持續(xù)進(jìn)行醛氧化成酸的工藝。

今天，小編就帶您看看他們是如何做的。

實(shí)驗(yàn)研究

1. 實(shí)驗(yàn)及參數(shù)優(yōu)化

作者以甲酸和雙氧水為原料在線合成過氧甲酸，氧化苯丙醛到苯丙酸做為模板反應(yīng)，進(jìn)行可行性實(shí)驗(yàn)和參數(shù)優(yōu)化（圖1A）。

• 初始連續(xù)流裝置由兩股進(jìn)料組成，分別為35 %的雙氧水溶液和溶于甲酸中的苯丙醛溶液，通過背壓閥來控制反應(yīng)過程中氣體的生成（圖1B）。

• 當(dāng)反應(yīng)溫度≥90 ℃時(shí)，反應(yīng)達(dá)到最 優(yōu)條件（表1）。

圖1. 過氧甲酸氧化苯丙醛裝置的比較

表1. 過氧甲酸氧化苯丙醛條件篩選

裝置1最 大的問題在于高溫下容易出現(xiàn)堵塞情況。為了解決這一問題，作者加入乙酸乙酯進(jìn)行助溶。為了防止甲酸副反應(yīng)的發(fā)生，將連續(xù)流裝置進(jìn)行了改造（圖1C）。

為了進(jìn)一步提高工藝效率，作者在反應(yīng)后端，通過泵補(bǔ)入少量的乙酸乙酯，苯丙醛就可以穩(wěn)定地進(jìn)料。在只有非常少量有機(jī)溶劑存在的情況下，成功地進(jìn)行氧化（圖1D）。

2. 連續(xù)流工藝的長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行

作者利用該連續(xù)流裝置和實(shí)驗(yàn)條件，進(jìn)行了4 小時(shí)的放大運(yùn)行（圖2），最 終獲得了34.77 g的產(chǎn)物，分離收率95 %。重要的是，在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中僅產(chǎn)生少量廢棄物，E-因子和PMI分別達(dá)到5.2和6.2。

圖2. 過氧甲酸氧化苯丙醛放大條件

表2. 過氧乙酸催化苯丙醛氧化的研究

作者同時(shí)利用該連續(xù)流裝置，對(duì)過氧乙酸的合成進(jìn)行了評(píng)估。同樣使用苯丙醛進(jìn)行氧化（表2），由表中可以看出，在不加H2SO4進(jìn)行催化時(shí)，反應(yīng)選擇性較低，當(dāng)加入3 %的H2SO4進(jìn)行催化時(shí)，反應(yīng)達(dá)到最 佳條件。

3. 底物擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)

考慮到生成過氧甲酸不需要強(qiáng)酸進(jìn)行催化，以及后續(xù)氧化反應(yīng)的安全性。作者以原位生成過氧甲酸的連續(xù)流裝置，分別對(duì)脂肪醛和芳醛氧化的適用范圍進(jìn)行了篩選（表3）。

表3. 過氧甲酸氧化脂肪醛和芳香醛拓展研究

由表中可以看出，隨著反應(yīng)停留時(shí)間的不同，該連續(xù)流裝置對(duì)大多數(shù)底物，均有著良好的適用范圍。

總結(jié)

• 作者以過氧化羧酸為經(jīng)濟(jì)高效的氧化劑，開發(fā)了一種醛氧化酸的連續(xù)流工藝；

• 該過氧酸在線生成，減少了運(yùn)輸和儲(chǔ)存的風(fēng)險(xiǎn)；

• PMI指數(shù)表明了該工藝的廢物生成量非常低；

• 拓展實(shí)驗(yàn)表明，該工藝具有一定的普適性；
  

• 苯丙醛氧化為苯丙酸克級(jí)規(guī)模的放大，驗(yàn)證了該工藝的可放大性。

  
  

參考文獻(xiàn)：ACS Sustainable Chem. Eng. 2021, 9, 5519?5525