通过铜催化的好氧酰胺键的形成对b-O-4木质素模板的化学转化外文翻译资料

通过铜催化的好氧酰胺键的形成对b-O-4木质素模板的化学转化¹

原文作者 Jian Zhang 杭州师范大学

摘要：已经发展出了将木质素beta;-O-4模型转化为酰胺衍生物和酚类的方法，这是通过仲苄醇的化学选择氧化和随后的Cu催化使得好氧酰胺键形成来实现。

不久的将来随着化石燃料的消耗，木质纤维素生物质已逐渐成为一种替代可再生能源的能源。 因此，许多努力致力于将生物质中的所有成分转化为有用的化学药品、药物、燃料、功能材料等。²在这样的背景下，纤维素和半纤维素的化学转化被细致地研究，木质素是第二高含量的生物聚合物，尽管稀缺，但占木质纤维素生物质的重量的15-30％和能量含量的40％。³这可能是由于其刚性的交联结构使木质素具有抗化学降解性。木质素最丰富的单元是beta;-O-4键（图1）。1-芳基-2-芳氧基丙烷-1,3-二醇衍生物通常作为木质素模板，以模仿beta;-O-4键，以探索化学转化的方法。

图1.木质素的结构和beta;-O-4键合模型

虽然这种生物聚合物的坚固特性阻碍了将木质素转化为有用化学品的有效方法的发展，但最近的一些研究表明，过渡金属催化剂具有能够选择性地裂解木质素模中的某些化学键的潜力。⁴一些代表性方法是Ni催化芳基醚键的氢解，⁵ Ru催化的C–O一系列的氢化还原醚键断裂裂解⁶和V催化的好氧C–C / C–O键断裂。^7,8这些方法仅在进行C–C / C–O键裂解中有效而不形成任何新的键，但分别在氢化和氧化成羧酸时会形成新的C–H和C–O键，这就会限制其合成应用。因此，仍然存在将木质素模板转化为有价值的化学品的挑战。在此，我们报导了将beta;-O-4木质素模型转化为酰胺和酚的过程和基于铜催化的好氧酰胺键的形成。

我们转换木质素beta;-O-4模型的策略（方案1）将从化学选择氧化开始，即把仲苄醇1转化为beta;-羟基酮2,⁹之后可以发生逆羟醛反应得到alpha;-苯氧基酮3。3的进一步氧化转化是通过相关新键的形成和C–C或C–O键裂解的一锅法来实现的。

方案1木质素beta;-O-4连锁模型的氧化转化

首先，酮3发生氧化转化的可能性已经被探索了。设想相应的烯胺由酮3和仲胺4衍生而来，并且经过过渡金属催化的有氧反应条件¹⁰。根据这一假设以及我们之前包含烯胺中间体的铜催化有氧反应的研究，¹¹我们便开始研究在铜催化的需氧反应条件下2-苯氧基苯乙酮（3aa）与哌啶（4a）的反应（表1）。发现在70°C的O₂气氛中，用10 mol％的CuCl处理3aa和4a（5当量）的混合物，得到的alpha;-酮酰胺5aa¹²和苯酚（6a），产率分别为69％和54％（条目1）。铜催化剂的筛选表明，CuI在该转化中表现最佳（条目3）。值得注意的是，该过程在空气气氛（O₂为0.21 atm）下也能顺利进行（表1，条目4）。

在1,2-二氯乙烷（DCE）和极性溶剂诸如MeCN，DMF和DMSO等中的反应也能获得5aa和6a的良好收率（条目6–9），而极性质子溶剂（如MeOH）会使该过程变慢（条目10）。各种氮配体的筛选过程中并没有看到任何显著的影响。RuCl₃和FeCl₃等其他金属配合物的含量较低催化活性（条目11和12）。在条目3的条件下，与各种仲胺4b-f的反应，包括环状、无环和链烯基胺，也一并被检测（条目13-17），并以中等至高的收率得到相应的beta;-酮酰胺5和苯酚6a。

优化了反应条件（表1，条目3）后，芳氧基苯乙酮上的甲氧基与哌啶（4a）反应的兼容性被我们研究，图3（表2）。以高收率获得了相应的alpha;-酮酰胺5并伴随着酚6的生成，而在苯环C端上安装了甲氧基后除了得到3dd（条目4）以外，还形成了酰胺7¹³（产率高达27％，条目2、3和5）。然后，我们将注意力转向了带有羟甲基片段的木质素模型2的转化反应（表2，条目6-10）。值得注意的是，目前CuI催化的好氧反应条件允许木质素模型2aa通过与胺4a，4b和4e反应直接转化为alpha;-酮酰胺5和苯酚（6a）并有着良好的收率（条目6-8）。同样，苯环C端带有甲氧基的2ec的反应不仅生成alpha;-酮酰胺5ea（产率58％），还生成酰胺7ea（产率24％）和苯酚6c（产率56％）（条目10）。

根据这些实验结果以及一些对照实验和使用¹⁸O₂的同位素标记反应¹⁴，提出了从氧化木质素模型2（或3）形成alpha;-酮基酰胺5和酰胺7以及苯酚6的可能机理如图2所示。在仲胺4的存在下，经过CuI的有氧催化，很可能诱导2通过相应的亚胺阳离子A的逆醛醇缩合反应得到烯胺B，烯胺B同样可由模型3生成。随后，用瞬态较高价的Cu（II）-氧物种对烯胺B进行单电子氧化，然后用O₂俘获B的阳离子基团，生成alpha;-亚氨基铜过氧化物C，它可以环化形成氨基二氧杂环丁烷D。随后D通过O-O键断裂，生成芳基乙醛酸芳基酯E^12b-d，其与胺4进一步反应形成alpha;-酮酰胺5和酚（6）（路径-I）。形成alpha;-酮酰胺5的另一种可能路径包括经过过氧化铜C的芬顿状断裂形成半缩醛F，该半缩醛F消除了酚6以得到芳基乙二醛G（路径-II）。在本反应条件下，通过与胺4反应，芳基乙二醛G可以转化为alpha;-酮酰胺5，这可以通过实验证实^12a。可以通过同时发生氨基二氧杂环丁烷D的O-O和C-C键裂解来得到酰胺7（途径III）。与酰胺7同时形成的甲酸酯I在本反应条件下水解可得到酚6。

受到有希望将木质素模板2转化为酰胺衍生物的鼓动，我们探索了木质素模板1ec的仲苄醇的选择性氧化。最后，木质素模型1ec的一锅直接转化受到了挑战（方案3）。 Markoacute;-oxidation^16,17和铜催化的需氧反应可以将哌啶（4a）转化为alpha;-酮酰胺5ea、酰胺7ea和苯酚6c，收率分别为48％、28％和41％（方案3a）。同样，NHPI–TBHP的氧化反应^9、18可能与CuI催化的酰胺形成有关，而酚6c却无法检测到（方案3b）。十分重要的是，这种一锅策略适用于三聚体木质素模型beta;-O-4 11ec，可得到alpha;-酮酰胺5ea、酰胺7ea和苯酚6c，产率分别为43％、22％和55％（方案3c ），尽管无法检测到源自中间苯环片段的酰胺衍生物的形成。

表1 3aa与胺4^a的好氧反应反应条件的优化

Yield^b（%）