高效多羟胺有机催化剂选择性催化分子氧氧化研究进展（英文）

基于氧气(空气)为氧源的选择性催化分子氧氧化技术在制备含氧精细化学品或食品添加剂与医药等的重要中间体方面一直受到科学界的广泛关注.由于碳氢化合物中碳氢键的反应惰性和分子氧的自旋禁阻作用,设计与开发高效催化剂或催化体系以实现碳氢化合物的选择性氧化是当前催化氧化领域的研究热点.在已发展的过渡金属盐、仿生催化剂、有机催化剂、酶、碳材料和卤化物等众多催化剂中,以羟基邻苯二甲酰亚胺(NHPI)为代表的羟胺有机催化剂由于在温和条件下的卓越催化性能而备受瞩目.尽管基于羟胺有机催化剂的催化体系具有良好的工业应用前景,但仍存在催化剂高温易分解、使用量较大和可回收性较差等缺点.近年来,许多实验与理论工作围绕改进这些缺点展开,设计了一系列羟胺有机催化剂及其协同催化体系,如在NHPI结构中修饰疏水链基团、吸电子基团、N-烷氧基团和离子液体,或固载金属-有机框架材料、无机物和聚合物,或组合光催化剂.尽管已有大量综述总结了相关研究进展,但尚未见到有关近年来发展的多羟胺有机催化剂及其高效催化氧化性能的综述报道.本文综述了近15年来多羟胺有机催化剂选择性催化分子氧氧化碳氢化合物的研究进展.首先,简要概述了二羟基邻苯二甲酰亚胺(NDHPI)和三羟基异氰基尿酸(THICA)两种多羟胺有机催化剂的合成方法,系统介绍了它们在各类碳氢化合物氧化中的高效催化性能,并与普遍应用的NHPI的催化性能进行对比.由于NDHPI与THICA具有多羟胺的独特结构,它们只需要比NHPI更少的用量便可获得比NHPI更高的催化氧化效率,可以直接利用高压空气实现对碳氢化合物的选择性催化氧化,并且在较高温度下依然具有较好的催化效果.在此基础上,介绍了联系实验与理论之间的重要工作,总结了多羟胺有机催化剂的合理设计策略.理论计算研究揭示了NDHPI与THICA的催化性能优于NHPI的主要原因是具有类似于吸电子效应的多羟胺与多氮氧自由基结构能显著增强催化剂的夺氢活性.通过对NDHPI结构的进一步修饰和夺氢活性研究,提出了该类催化剂的合理设计策略:在芳环体系中增加共轭的羟胺基团数量,或在NDHPI苯环中掺杂N原子或引入离子对基团都能提高催化剂的夺氢活性;增大芳环共轭体系对催化剂的夺氢活性影响较小,但该活性仍高于NHPI.这也为基于碳材料的非均相共轭多羟胺有机催化剂的开发提供了理论依据.最后,结合羟胺有机催化剂的发展现状和上述设计策略,设计了基于金属卟啉/席夫碱等仿生催化剂、(含离子对结构)聚合物、非均相碳材料和多N-烷氧基团等几种具有潜在发展前景的模型多羟胺有机催化剂,分别讨论了这些催化剂的优点和局限性,并展望了多羟胺有机催化剂的可能应用及其在催化氧化过程中仍需系统研究的方向.     

N-羟基邻苯二甲酰亚胺类羟胺有机催化剂在分子氧氧化研究中的支载策略

自上世纪90年代"Ishii体系"开发以来,N-羟基邻苯二甲酰亚胺(NHPI)类羟胺有机催化剂在温和条件下的选择性催化氧化性能一直受到科学界的广泛关注.然而,该类催化剂的热稳定性、可回收性等多种缺陷不利于其大量应用于工业化生产.本文作者从实验与理论角度对近几年国内外关于该类催化剂的离子对化合物均相支载策略和聚合物/无机材料非均相支载策略进行了综述,对这些支载策略的现状和使用前景进行了简评,并展望了支载类羟胺催化剂的潜在设计方向(如聚合物离子液体支载策略、非均相芳环共轭体系支载策略和金属卟啉/席夫碱仿生催化协同支载策略),寄希望于将其应用于工业化研究.     

多相/均相TiO2/N-羟酰亚胺混合体系中可见光诱导分子氧可控光催化氧化苄基反应

均相催化和多相催化通常被认为是独立甚至相互对立的学科.本文提出了一种新型的用于分子氧选择性氧化烷基苯的杂多酸/均相混合催化体系.该催化体系由N-羟基邻苯二甲酰亚胺(NHPI,用于自由基链式反应的均相有机催化剂)和纳米TiO2(多相紫外光活性光氧化催化剂)两种组分组成.NHPI与TiO2的协同作用使光氧化活性从紫外光转移到可见光,并产生邻苯二甲酰亚胺-N-氧基(PINO)自由基.NHPI/PINO催化的自由基链式反应能够在没有额外光输入的情况下进行,从而从根本上提高能源效率.通过控制NHPI/TiO2比率优化产物选择性,进而使烷基芳烃优先形成过氧化氢或酮.     

多相/均相TiO_2/N-羟酰亚胺混合体系中可见光诱导分子氧可控光催化氧化苄基反应（英文）

均相催化和多相催化通常被认为是独立甚至相互对立的学科.本文提出了一种新型的用于分子氧选择性氧化烷基苯的杂多酸/均相混合催化体系.该催化体系由N-羟基邻苯二甲酰亚胺(NHPI,用于自由基链式反应的均相有机催化剂)和纳米TiO_2(多相紫外光活性光氧化催化剂)两种组分组成.NHPI与TiO_2的协同作用使光氧化活性从紫外光转移到可见光,并产生邻苯二甲酰亚胺-N-氧基(PINO)自由基.NHPI/PINO催化的自由基链式反应能够在没有额外光输入的情况下进行,从而从根本上提高能源效率.通过控制NHPI/TiO_2比率优化产物选择性,进而使烷基芳烃优先形成过氧化氢或酮.     

N-羟基邻苯二甲酰亚胺及其类似物催化下的分子氧氧化反应

本文综述了近年来N-羟基邻苯二甲酰亚胺（NHPI）及其类似物催化下分子氧氧化的各种反应,并对它们的催化机理作了简要介绍。NHPI与过渡金属离子组成的催化体系能高效的催化乙烷氧化为乙酸、环烷烃氧化为二元羧酸、甲苯氧化为苯甲酸、烯烃氧化为环氧化物、炔烃氧化为炔酮、酰胺氧化为酰亚胺;NHPI单独使用能催化金刚烷发生氧化羰基化反应、催化氧化醇制取过氧化氢;NHPI与有机助催化剂如：偶氮二异丁腈、溴化季铵盐、蒽醌、醇等也能催化分子氧氧化反应。     

非均相催化臭氧氧化反应机制

臭氧催化氧化作为高级氧化技术是目前水处理领域研究的热点,其中非均相臭氧催化氧化技术因其氧化能力强、降低臭氧投加量特别是能显著提高有机物矿化率等优点而备受关注。非均相催化臭氧氧化领域不断研究新的催化剂,但是其反应过程及机制更加复杂。催化臭氧氧化的性能很大程度上取决于催化剂及其表面性质。污染物在催化剂表面形成络合物,或者臭氧在催化剂表面分解产生不同的含氧物种如表面氧原子、过氧化物和羟基自由基等。本文评述了非均相臭氧催化氧化反应中存在的多种机理,主要是自由基理论、氧空位理论、表面原子氧理论、表面络合物理论和臭氧直接氧化理论。催化剂表面的羟基基团是主要的催化活性中心,本文探讨了表面羟基基团催化反应机制,得出催化剂表面性质决定其表面活性位点的特性及含量,对诱导臭氧分解产生含氧活性物种起了关键作用;概述了催化剂改性后的结构形态、比表面积及其性能和作用机制;并讨论了非均相臭氧催化氧化反应催化剂未来的发展趋势,为催化臭氧氧化污水处理技术提供了理论参考。     

介孔石墨型氮化碳/N-羟基邻苯二甲酰亚胺组合催化体系催化醇类化合物的选择性氧化

醇的氧化产品(醛和酸)是精细化工中的重要中间体.醇类的选择性氧化无论是在基础研究还是在工业应用方面都具有非常重要的意义.传统的方法是使用化学计量的氧化剂(如：高氯酸盐,重铬酸盐,高锰酸盐,过氧酸)来氧化醇.但是,这些氧化剂具有强腐蚀性,价格较昂贵,有些氧化剂还具有很强的毒性或者反应后产生大量重金属废液.而以分子氧作为氧化剂在温和条件下实现醇到醛的氧化具有更好的经济性也更环保.在过去几十年里,科学家们发展了许多催化体系来活化氧气分子.这些体系大部分是基于钌、钯、铜和钛等金属催化剂.近年,考虑成本和环境因素,越来越多的科学家把目光投向无金属催化剂来实现醇的氧化.石墨型氮化碳(g-C3N4)是二维层状类石墨结构,层内原子以共价键相连,层与层之间由于分子间作用而堆叠在一起.在g-C3N4中引入介孔(mpg-C3N4)能够提高g-C3N4的比表面积,提供更多的活性位点.由于mpg-C3N4具有半导体性质(带隙宽度为2.7 eV),在可见光照射下能够激发出一个电子给氧气,氧气得到电子后生成具有较高氧化活性的?O2–.这样我们就可以在比较温和的条件下得到活性较高的氧化剂.但是?O2–活性和产量有限、并且容易被猝灭,因此我们想通过选用一个能形成比较稳定的自由基的有机分子来“传递氧化性”.基于上述思考,我们引入mpg-C3N4和N-羟基邻苯二甲酰亚胺(NHPI)作为组合催化体系实现光催化和有机催化有效的结合来催化选择性氧化醇.以苯甲醇为模型化合物、以mpg-C3N4/NHPI作为组合型催化剂、普通的钨丝灯为光源,在25 oC下通入1 atm O2,实现了醇的选择性氧化.通过电子自旋共振测试,我们探测到?O2–自由基.在只有mpg-C3N4的体系中,产生的?O2–自由基很快被猝灭,从而不能有效地氧化苯甲醇.而加入NHPI后,?O2–自由基能够夺取NHPI中O–H键的氢,形成PINO自由基.形成的PINO自由基能够在温和的反应条件下氧化苯甲醇得到苯甲醛.(图1)通过调节mpg-C3N4和NHPI的比例,我们发现增加mpg-C3N4的比例有利于苯甲醛的生成.一方面,较低的反应温度不利于生成的醛被进一步氧化成酸.另一方面,由于苯甲醇和mpg-C3N4通过O-H...N或者O-H...π相互作用能够很好的吸附到mpg-C3N4表面,从而氧化为苯甲醛;而生成的苯甲醛与mpg-C3N4的相互作用比较弱,容易脱附到溶液中,避免被进一步的氧化.同时,我们也将mpg-C3N4/NHPI催化体系拓展到其他醇类的氧化反应,同样能够得到很好的转化率和选择性.该催化体系不需要任何金属元素,利用偶合的光催化组合进行可见光催化氧化过程,反应温度低,为醇类分子的选择性氧化制备醛或者酸提供了一条有效并且环保的策略.     

介孔石墨型氮化碳/N-羟基邻苯二甲酰亚胺组合催化体系催化醇类化合物的选择性氧化（英文）

醇的氧化产品(醛和酸)是精细化工中的重要中间体.醇类的选择性氧化无论是在基础研究还是在工业应用方面都具有非常重要的意义.传统的方法是使用化学计量的氧化剂(如:高氯酸盐,重铬酸盐,高锰酸盐,过氧酸)来氧化醇.但是,这些氧化剂具有强腐蚀性,价格较昂贵,有些氧化剂还具有很强的毒性或者反应后产生大量重金属废液.而以分子氧作为氧化剂在温和条件下实现醇到醛的氧化具有更好的经济性也更环保.在过去几十年里,科学家们发展了许多催化体系来活化氧气分子.这些体系大部分是基于钌、钯、铜和钛等金属催化剂.近年,考虑成本和环境因素,越来越多的科学家把目光投向无金属催化剂来实现醇的氧化.石墨型氮化碳(g-C3N4)是二维层状类石墨结构,层内原子以共价键相连,层与层之间由于分子间作用而堆叠在一起.在g-C3N4中引入介孔(mpg-C3N4)能够提高g-C3N4的比表面积,提供更多的活性位点.由于mpg-C3N4具有半导体性质(带隙宽度为2.7e V),在可见光照射下能够激发出一个电子给氧气,氧气得到电子后生成具有较高氧化活性的·O–2.这样我们就可以在比较温和的条件下得到活性较高的氧化剂.但是·O–2活性和产量有限、并且容易被猝灭,因此我们想通过选用一个能形成比较稳定的自由基的有机分子来"传递氧化性".基于上述思考,我们引入mpg-C3N4和N-羟基邻苯二甲酰亚胺(NHPI)作为组合催化体系实现光催化和有机催化有效的结合来催化选择性氧化醇.以苯甲醇为模型化合物、以mpg-C3N4/NHPI作为组合型催化剂、普通的钨丝灯为光源,在25 oC下通入1 atm O2,实现了醇的选择性氧化.通过电子自旋共振测试,我们探测到·O–2自由基.在只有mpg-C3N4的体系中,产生的·O–2自由基很快被猝灭,从而不能有效地氧化苯甲醇.而加入NHPI后,·O–2自由基能够夺取NHPI中O–H键的氢,形成PINO自由基.形成的PINO自由基能够在温和的反应条件下氧化苯甲醇得到苯甲醛.(图1)通过调节mpg-C3N4和NHPI的比例,我们发现增加mpg-C3N4的比例有利于苯甲醛的生成.一方面,较低的反应温度不利于生成的醛被进一步氧化成酸.另一方面,由于苯甲醇和mpg-C3N4通过O-H...N或者O-H...π相互作用能够很好的吸附到mpg-C3N4表面,从而氧化为苯甲醛;而生成的苯甲醛与mpg-C3N4的相互作用比较弱,容易脱附到溶液中,避免被进一步的氧化.同时,我们也将mpg-C3N4/NHPI催化体系拓展到其他醇类的氧化反应,同样能够得到很好的转化率和选择性.该催化体系不需要任何金属元素,利用偶合的光催化组合进行可见光催化氧化过程,反应温度低,为醇类分子的选择性氧化制备醛或者酸提供了一条有效并且环保的策略.     

聚合物微球固载的N-羟基邻苯二甲酰亚胺在分子氧氧化甲苯过程中的催化性能

以交联聚苯乙烯(CPS)微球为基质,经过几步大分子反应在微球表面合成与固载了N-羟基邻苯二甲酰亚胺(NHPI),形成固载有NHPI的聚合物微球CPS-NHPI。本文主要将CPS-NHPI与过渡金属盐组成共催化体系,用于分子氧氧化甲苯的反应,考察了该非均相催化剂的催化特性与催化氧化机理。结果表明,几种过渡金属盐中,Co(OAc)2的助催化效果最好;微球CPS-NHPI与Co(OAc)2所构成的共催化体系,在温和条件(80℃和常压氧气)下可有效地将甲苯深度氧化为苯甲酸,显现出高的催化活性(甲苯转化率达到57%)与优良的选择性(苯甲酸的选择性达到84%)。催化氧化反应遵循自由基链式反应机理。主催化剂CPS-NHPI固载的NHPI与助催化剂Co(OAc)2适宜的摩尔比为14∶1,主催化剂所含NHPI为底物的12(mol)%时,催化剂用量较为合适。固体催化剂CPS-NHPI具有良好的再循环使用性能。     

固载化N-羟基邻苯二甲酰亚胺在分子氧氧化二苯甲醇为二苯甲酮反应过程中的催化特性

采用简捷高效的方法在交联聚苯乙烯(CPS)微球表面同步合成与固载了N-羟基邻苯二甲酰亚胺(NHPI),制备了非均相催化剂CPS-NHPI微球,我们将其用于分子氧对二苯甲醇的氧化过程,探索研究了其催化性能与催化氧化机理,并考察了主要因素对其催化性能的影响.研究结果表明,将固体催化剂微球CPS-NHPI与过渡金属盐组合形成复合催化剂,可有效地催化分子氧对二苯甲醇的氧化过程.在几种过渡金属盐中,助催化效果的顺序是VO(acac)2Co(OAc)2Co Cl2Mn(OAc)2.显然,乙酰丙酮氧钒盐的助催化效果最好.共催化体系CPS-NHPI+VO(acac)2可在温和条件(75℃、常压的氧气)下高效地将二苯甲醇催化氧化转变为二苯甲酮(二苯甲醇转化率为35.8%,且二苯甲酮是唯一产物),显示出良好的催化活性与优良的催化选择性,催化氧化反应遵循自由基链式反应的机理.体积比为7∶3的乙腈与乙酸乙酯的混合液为适宜的反应溶剂;VO(acac)2与固载NHPI的摩尔比为1∶15时,助催化剂的投加量较为适宜.固体催化剂CPS-NHPI还具有良好的再循环使用性能.     

"Nonsolvent" applications of ionic liquids in biotransformations and organocatalysis

The application of room-temperature ionic liquids (RTILs) as (co)solvents and/or reagents is well documented. However, RTILS also have "nonsolvent" applications in biotransformations and organocatalysis. Examples are the anchoring of substrates to RTILs; ionic-liquid-coated enzymes (ILCE) and enzyme-IL colyophilization; the construction of biocatalytic ternary reaction systems; the combination of enzymes, RTILs, membranes, and (bio)electrochemistry; and ionic-liquid-supported organocatalysts. These strategies provide more robust, more efficient, and more enantioselective bio- and organocatalysts with many practical applications. As shown herein, RTILs offer a wide range of promising alternatives to conventional chemistry.     

Organocatalyzed tandem process involving asymmetric protonations as a stereo-defining step

Enantioselective protonation reactions of enolates, enols, enol ethers, or enol esters have been extensively studied. On the other hand, their applications in tandem or cascade sequence have not been fully explored and examples of such reactions employing organocatalysts are few. This account describes some of the most common synthetic strategies recently developed to address such challenge.     

Asymmetric catalysis with peptides

Over the past decade several peptides have been developed as effective asymmetric catalysts for a range of synthetically useful reactions. Many have properties that are difficult to achieve with other catalysts. The article highlights features that render peptidic organocatalysts unique and attractive for future applications. Challenges such as the design of peptidic catalysts are discussed.     

Tuning the Oxidation States of Dopants: A Strategy for the Modulation of Material Photoluminescence Properties

Doped single-phase materials have been widely investigated owing to their easy to implement synthesis and the variety of their properties. This Minireview covers strategies for the co-stabilization and the ratio control of several oxidation states of dopants inserted in the same host. The tuning of the oxidation states of dopants opens up many possibilities for the optimization of specific properties and can be envisioned for various applications such as telecommunication, medicine, displays, lasers or lighting. Technics used for the quantification of each valence state of dopant are also emphasized, and the importance of high throughput methods for the discovery of efficient materials with dopants in multiple valence states is discussed.     

Organic hydrogen phosphites and hydrogen phosphates catalyzed Friedel-Crafts amidoalkylation of indoles with aryl aldimines

A highly efficient and selective Friedel-Crafts amidoalkylation reaction of indoles with N-Ts aryl aldimines has been developed utilizing dimethyl hydrogen phosphite or diphenyl hydrogen phosphate as the organocatalysts, providing a facile and cost-effective process for synthesis of 3-indolyl methanamine derivatives in good to excellent yields. This transformation displays a broad substrate scope and wide functional-group tolerability, regardless of the electronic and steric properties of N-Ts aryl aldimines. Given that the developed catalytic Friedel-Crafts amidoalkylation reaction exhibits several salient features such as metal-free catalysis, high efficiency, low cost and mild reaction condition, this process might have practical applications in the synthesis of 3-indolyl methanamine derivatives.     

Recent topics in the desymmetrization of meso-diols

The desymmetrization of meso compounds is one of the most effective strategies for asymmetric synthesis. This digest focuses on recent progress in the desymmetrization of meso-diols and their derivatives. The topics discussed here include methods for the enzymatic acylation of meso-diols and the hydrolysis of meso-diesters, acylation, related reactions of meso-diols with organocatalysts and metal catalysts, the oxidation of meso-diols by enzymes, organocatalysts, and metal catalysts, and the desymmetrization of meso-dicarbamates with metal catalysts. The desymmetrization of meso-diols using tandem reactions is also discussed.     

An organocatalytic ionic liquid

The carbene concentration in 1-ethyl-3-methylimidazolium-acetate ionic liquid is sufficiently high to act as a catalyst in benzoin condensation, hydroacylation and also in oxidation of an alcohol by using CO(2) and air. This observation reveals the potential of ionic liquid organocatalysts, uniting the beneficial properties of these two families of compounds.     

Enantioselective Brønsted base catalyzed [4+2] cycloaddition using novel amino-substituted tetraphenylene derivatives

This paper is concerned with the syntheses of 1,8,9,16-tetrahydroxytetraphenylene derivatives and their applications as Brønsted base organocatalysts for [4+2] cycloaddition between anthrone and maleimides. The structural modifications of the catalysts and their related catalytic properties are described and discussed in details.     

Cu‐Based Nanoparticles as Emerging Environmental Catalysts

This account provides an overview of current research activities on nanoparticles containing the earth‐abundant and inexpensive element copper (Cu) and Cu‐based nanoparticles, especially in the field of environmental catalysis. The different synthetic strategies with possible modification of the chemical/ physical properties of these nanoparticles using such strategies and/or conditions to improve catalytic activity are presented. The design and development of support and/or bimetallic systems (e. g., alloys, intermetallic, etc.) are also included. Herein, we report synthetic approaches of Cu and Cu‐based nanoparticles (monometallic copper, bimetallic copper and copper (II) oxide nanoparticles/nanostructures) and impregnation of such nanoparticles onto support material (e. g., Co₃O₄ nanostructure), along with their applications as environmental catalyst for various oxidation and reduction reactions. Finally, this account provides necessary advances and perspectives of Cu‐based nanoparticles in the environmental catalysis.     

Recent applications of mechanochemistry in enantioselective synthesis

In recent years, sustainable organocatalysis has become a relevant target in asymmetric organic synthesis. Among the most successful strategies to achieve “greener” organocatalyzed processes are (1) the elimination of solvent from reaction media, and (2) the use of alternative activation energies such as solvent-free mechanochemistry in high speed ball mills. In recent years we have stepped up efforts in the pursuit of organocatalysts and biocatalysts that allow reactions to take place in the absence of solvent and under mechanochemical activation. In this article we present the application of small dipeptides as chiral organocatalysts under solvent-free and high-speed ball milling conditions, with focus on the asymmetric aldol addition reaction. Finally, we report on recent results using supported enzymes for the resolution of racemic β-amino acids and amines, under mechanochemical conditions.