有机化合物中巯基官能团的选择性氧化.doc

第 25 卷 第 3 期 1997 年 8 月河南师范大学学报 (自然科学版)V ol. 25 N o. 3J ou rn a l of H en a n N o rm a l U n iv e rs i ty (N a tu ra l S c ien ce) A u g. 1997 有机化合物中巯基官能团的选择性氧化段德慧李青李毅王桂兰蔡昆苏永祥(河南师范大学化学系, 453002, 新乡; 第 1 作者 25 岁, 男, 博士生)摘要化方法. 关键词 分类号本文综述了 20 余年来关于有机化合物中巯基官能团的多种选择性氧化剂和氧巯基; 选择性氧化; 硫醇; 硫酚; 二硫醚O 621. 254含巯基的化合物包括各种硫醇、硫酚以及人体必需的半胱氨酸和一些含有其它杂原子的硫羟基化合物, 它们是制备其它有机硫化合物的重要原料. 其中, 它的选择性氧化制备二硫醚, 已有广泛和深入的研究. 二硫键 ( -) 的形成和断裂在生命体和新陈代谢中是S - S -一个和酶催化氧化还原相联系的重要过程, 它的形成方式部分决定了多肽链和蛋白质的二级和三级结构. 此外, 偶联氧化硫醇制备相应的二硫醚, 具有反应条件温和, 产率高, 很有合 成价值和工业生产价值.常用的强氧化剂如H 2O 2、HN O 3、KM nO 4 等总是把硫醇氧化成磺酸, 中间可能经过次磺 酸、二硫醚、亚磺酸和二砜1 . 反应过程如下所示:R SH R SO H R SSR R SO 2H R SO 2 SO 2R R SO 3H为了实现对巯基官能团的选择性氧化, 使反应停留在二硫化合物阶段, 运用了多种选择 性氧化剂和氧化方法. 它们大致可归纳为 5 大类: 金属氧化剂的氧化; 非金属氧化剂的 氧化; 催化剂存在下的氧气氧化; 其它氧化剂的氧化; 电氧化.金属氧化剂的氧化这类氧化剂多数是一些常用的强氧化剂如 K 2C r2O 7、KM nO 4、(N H 4 ) 2C e (N O 3 ) 6 缩写为 CA N 等同季铵盐、吡啶及其衍生物以及某些聚合物组成的螯合型氧化剂. 氧化反应一般在 室温或更低的温度下, 于有机溶剂中进行, 反应时间短, 二硫醚产率高.1. 1铬试剂1由 C rO 2- , C r2O 2-与季铵盐、吡啶及其衍生物组成的选择性氧化剂为数众多, 它们通常47在 CH 2C l2 或 CH 3CN 中很容易将脂硫醇和芳硫醇、硫酚氧化成二硫醚. 典型反应如:CH 2C l2, 0 5, N 2 气保护R SHR SSR (C 6H 5CH 2© N (C 2H 5) 3 2C rO 2©7R = n - C 4H 9 (产率, 70% ) ; P hCH 2 (87% ) ; P h (100% ) 文稿收到日期: 1997- 02- 20.B. T am am i 详细研究了聚乙烯吡啶支持下 C r (V I) 试剂的氧化效应, 发现它们不仅温和高效, 而且比单聚体支持下的类似物更稳定, 后处理更容易, 且能循环再生. 而M . J u a r ist 研究 发现C rO 3 在 18- 冠醚- 6 相转移催化剂催化下, 脂硫醇同时存在时, 只对芳硫醇、硫酚氧化偶联, 在最佳条件下, 苄硫醇的偶联产率为 92% 2 , J. M . A izp a ru a 研究了复合物M e3 S iC l-C rO 3 3 和M e3 S iC l- K 2C r2O 7 对巯基化合物的偶联氧化性能. 其中 (CH 3CH 2CH 2 S ) 2 的收率 为 96% ; 而(HOO CCH 2 S) 2 的收率仅能达到 44%.1. 2锰试剂B a (M nO 4 ) 2 在沸腾的乙腈中能将硫醇氧化偶联成二硫醚. 用 10 倍过量的锰酸钡和长 链硫醇或芳硫醇在室温下搅拌, 能迅速形成 90% 100% 的相应的二硫化合物, 而对叔丁基硫醇氧化需要较长的时间, 而且产率偏低 (60% 70% ) 二 ( 2, 2- 二吡啶) 高锰酸铜 ( ¦ ) 复S合物在 CH 2C l2 中也能将 P h SH , B u SH 和氧化或相应的二硫化合物4 .NSH1. 3铈试剂H. A. M u a th en 制备的铈试剂B n 4N 2 C e (N O 3 ) 6 能将芳基取代的硫醇氧化偶联, 产率 在 80% 90%. D. N. D h a r 则直接将 CA N 和脂硫醇、芳硫醇以 21 摩尔比在乙腈中偶联 反应得到了相应的二硫醚5 , 产率都在 90% 以上.1. 4复合金属氧化剂这类氧化剂包括两类: 由两种强氧化剂相反应制成了一种新氧化剂, 它对硫醇的偶联 氧化 较 母 体 氧 化 剂 更 温 和, 选 择 性 更 好, 此 类 试 剂 有: C e (N O 3 ) 2 C rO 4 · 2H 2O , C e (N O 3 ) 3 2C rO 4 6 和 (N O 3 ) 3C e 3H 2 IO 6; 两种氧化剂以配合物的形式相结合, 在对巯基的 选择性氧化中同时起作用, 往往可以通过改变两者的配比而增加其选择性, 其中包括: DM 2SO - SbC l5 , B u 3 SnOM e- F eC l3 71. 5其它金属氧化剂复合物.包括锌试剂 Zn (C lC rO 3 ) 2 ·9H 2O , 铁试剂. 如B aF eO 4 ·H 2O 和皂土支持下的 F e (N O 3 ) 3·9H 2O ; 此外, 还有铋试剂 Zn (B iO 3 ) 2 和铊试剂 T l (OA c) 3 , 其中铊试剂只氧化分子中的巯 基官能团, 而不会影响分子中的其它基团如: 羟基、氨基和羰基等.非金属氧化剂的氧化这类氧化剂主要是由VA , K , 和½ A2主族元素的单质、氧化物、酸根以及它们同季铵盐或聚合物形成的配合物所组成. 这类氧化反应一般在室温下于碱性条件或两相体系内发生,二硫醚产率高.2. 1½ A 主族元素其中最具代表性的是溴试剂. 例如: 由丙二酸亚异丙酯与溴反应制得的 5, 5一二溴取 代物, 不仅适用于脂硫醇、芳硫醇及硫酚的氧化, 而且适用于杂原子相连的巯基的氧化, 是一 种合成二硫化物的新试剂8 , 反应如下:OOOCB rOC (C 2H 5 ) 3N 2R SB r+CC+ 2R SHCCCH 2C l2 室温OCB rOCOO (C 2H 5 ) 3N R SH + R SB r (82% 98% )oR SSRCH 2C l2 室温S其 中 R = n -C 类似的溴试剂还有C nH 2n+ 1 (n = 5, , 10) ; P h; P hCH 2; (C 2H 5O ) 2 P ; (CH 3 ) 2NB r B r其中前者能有效地氧化二巯基化合物以合成环状二硫醚, 也能B rCH (CO 2E t) 2 和B rB rO完成半胱氨酸到胱氨酸的转化.后者氧化 P hCH 2 SH , B u SH , O - M eC 6H 4 SH 和 P h SH 可得到 82% 90% 相应的二硫化合物. 此外, 溴和 KH CO 3 的水溶液在两相中能迅速氧化偶联多种巯基化合物9B r2KH CO 3 ( 10% )2R SH(92% 100% )R SSRH 2O CH 2C l2R = C 2H 5; i- C 3H 7; n - C 4H 9 , C 6H 5 等.M e一些特殊结构的二硫化物如 (M eOCONS 也可利用此试剂S ) 2 , R NCPC O合成. 另外, 用季铵盐或聚乙烯呲啶同溴组成的配合物对巯基的选择性偶联氧化也很有效.氯在选择性氧化硫醇中也有应用. 如乙基二氯磷酸酯10 和四氯化碳在氧化剂的氧化.反应在碱性介质中进行.许多水溶性好的硫醇在碘化钾的水溶液中能被碘单质氧化偶联为二硫醚11 . J am e s P.D an en y 研究了带有 -羧基的硫醇在这一反应中所呈现出的特殊现象. 即由于邻基参予,最后产物除二硫醚还生成 -羧基磺酸.碲和硒的化合物被广泛应用于巯基化合物的选择性氧化. N a2 T eO 3 和N a2 SeO 4 在相转移催化下用一步法可以合成不对称二硫醚. 并且该试剂在相同条件下, 能迅速氧化芳基硫 醇, 短链伯硫醇优先于长链伯硫醇的氧化, 对二级硫醇的氧化呈惰性, 不能氧化三级硫醇. 碲铵类化合物, 如: P h 2 T eN SO 2 P h , , 在室温下易氧化芳基硫醇、硫酚为硫醚. 此外, 二芳基氧化 碲、二芳基氧化硒以及它们在聚合物支持下的类似物, 都能氧化偶联多种巯基化合物12 13 .一些有机硫化合物如: 砜类、巯盐类和硫代甲酸酯等也可以选择性氧化巯基化合物. 例OOO©如:B r 以 及 M e2S© B rB r© ,2C F 3SO 3 © 和C l , M e SM e , B r SCH 3SSS©SS, M e C S 2 等. 典型的反应如:M eO C S 2 14S SOSH室温(1)2+ CH 3 S CH 3+ CH 3SCH 3 + H 2O(86% )SS(2)M eO C SS C OM e+ 2H SC 6H 4C l2M eO H + 2C S2 + (C lC 6H 4S) 2CH 3 (C 2H 5 ) 3N (3) 2C 6H 5SH + B r© - SB r©(C 6H 5S) 2 + CH 3 SCH 3 + 2HB rCH 3(96% )这些试剂对芳基硫醇的氧化比对脂硫醇更有效.过氧化物和超氧化物也被应用于巯基化合物的氧化偶联. 过氧化镍加到硫醇的苯或乙 醚溶液中, 随取代基的不同能得到 68% 96% 不等的二硫醚.主族元素2. 3VAH. Yo u n g. K im 研究, 发现在N 2O 4 氧化硫醇的反应中, 氧化剂量的多少直接影响产物的分配比例. 如分别用2、4、6当量的N 2O 4 与硫醇反应可分别生成二硫醚, 硫代磺酸酯或磺酸.催化氧化催化氧化指在钴、铜、碱金属或碱土金属等为中心组成的催化剂的催化下, 用空气或氧 气直接氧化巯基化合物得到二硫醚. 工业上大多采用这种方法. 例如, 在钼酸钴、碱金属和碱 土金属氢氧化物共同催化下, 烷基或环烷基硫醇可被氧气氧化成二硫醚. 典型的反应如下: CoM oO 4 A l2O 3 , N aO H 催化, 氧气3M e3C SHM e3C S- SCM e3M eO H , 54 60该反应可获得 99% 的转化率, 对二硫化物的生成有 85% 的选择性. 此外, 钴 ( ¦ ) 与酞菁、酞菁磺酸酯以及四苯基喹啉磺酸酯, 大环轮烯等组成的螯合物对氧气氧化硫醇都有很好的催 化效果.氧气在 C u SO 4 催化下氧化硫醇能制备高分子量的二硫化物. 酞菁铜在活性炭支持下也有好的催化性能. 在C uC l2 的催化下, 硫醇在DM F 中能被空气氧化偶联, 且催化剂2N能定量回收, 此外, M gO N a2O 联合催化下可高产率转化M eSH 成M eSSM e, 碱性氧化铝15, 离子簇化合物如:(B u4N ) 2 F e4 S4 (SR ) 4 16, 发面酵母等都对巯基的氧化偶联有良好的催化作用.其它氧化剂的氧化K iyo sh i, T an ak a 等人研究, 发现用 5- 亚甲芳基- 1, 3- 二甲基巴比妥酸 ( I) 氧化芳硫 醇或脂硫醇, 第一步能得到对称二硫醚, 而其还原加氢产物 ( ¦ ) 能和硫醇加成得到加成物 ( ) , ( ) 可以继续氧化其它硫醇而得到不对称二硫醚17 18 . 反应可以表示如下:4 18% 99% 80% 99% R 1 - S- S- R 2 2R 1 - SHR 1 -S- S- R 1R 2 - SHOR 3OR 3OR 3SR 1M eM e i) ii) NNNR 1SHOOOO NR 4ONR 4ONR 4M eM eM e( I )Y um ih iko , Y ano 等人, 在研究 8-( ¦ )( )氮杂黄素M eNN ONNNM eO对硫醇的化时发现, 在隔绝空气的环境中, 它可以作为氧化剂直接偶联氧化硫醇成二硫醚; 而在有氧条件下, 它又可以作为催化剂催化氧气偶联硫醇, 本身还可以循环使用. 其它还如 辅酶PQ Q 在非质子溶剂中和硫醇组成了一个新型的酶氧化还原模式, 可生成相应的二硫醚.5 电氧化5. 1 电极氧化硫醇的直接电氧化具有选择性. Se rg io. L. S. L e ite 以 CH 3O H CH 3ON a 为介质, 铂网做 阳极, 钨丝为阴极, 恒定电流为 500mA , 在未分隔中即可将多种硫醇氧化成对应的二硫醚. 其中氧化叔丁基硫醇的产率在 65% 79% , 而对甲基硫酚的偶联产率为 92% - 95% 19 .N. E. N igazym b e to v 利用直接电氧化硫醇的方法合成了多种脂肪烃基、芳香烃基以及 杂环芳烃基的二硫化物20 . 近来, 有人发现把催化剂涂抹在电极表面对二硫醚的电合成也 很有效.5. 2 间接电氧化 (作者将在有机化学待发表)在相转移催化条件下, 分别以 C e3+ C e4+ 和 C r3+ C r6+ 为媒质, 对巯基化合物进行了选 择性间接电氧化. 在实验条件下, 巯基化合物均被以较高产率选择性偶联为二硫化合物, 是一种合成二硫醚的新方法.综上所述, 可以预料, 今后对巯基化合物的选择性氧化, 实验室研究将主要致力于寻求 更加温和高效的选择性氧化剂和采用新型的选择性氧化方法, 如本文提到的电氧化方法和 相转移催化方法等; 规模化的工业生产将集中于寻找更加廉价高效的催化剂. 而且, 随着生命科学研究的发展, 巯基官能团的偶联氧化在生物学上的价值也必然会得到更加广泛的重视和研究.参考文献12邢其毅, 徐瑞秋, 周 政. 基础有机化学. 北京: 高等教育出版社, 1983. 950J ua r ist i M , A izp u rua J M , L ecea B , P a lom o C. R eagen t and syn th e t ic m e tho d s 41: o x ida t io n s w ith ch rom ium t r io x ide unde r th e inf luence o f c row n egh e r s. C an J C h em , 1984, 62 (12) : 2941A izp u rua J M , J ua r ist i M , L ecea B , P a lom o C. HA L O S IL A N E SCH ROM IUM T R IO X ID E A S E F F I23C IEN T O X ID IZ IN G R EA GEN T S. 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