使用钌配合物催化剂选择性氧化乙醛醛生成乙二醛

《ChemPlusChem》：Selective Oxidation of Glycolaldehyde to Glyoxal Using Ruthenium Complex Catalysts

　　摘要

纤维素由葡萄糖单元组成，因此葡萄糖及其衍生物作为替代化石燃料的碳源受到了关注。特别是通过逆醛醇反应从葡萄糖获得的双缩醛，再经过甘油醛的氧化后，可以成为有用的化学品的原料。然而，由于双缩醛会发生不必要的过度氧化，目前尚未报道从甘油醛高效催化合成双缩醛的方法。在这项研究中，使用带有溴苯基吡啶配体的钌配合物催化剂进行了从甘油醛催化合成双缩醛的实验。在优化反应条件后，使用氧气作为氧化剂，在100°C下，经过3小时反应，能够在N,N-二甲基甲酰胺中以32%的产率获得双缩醛。此外，所得混合物与亚硫酸钠反应生成沉淀物，这些沉淀物是亚硫酸酯加合物。通过过滤可以容易地将双缩醛从催化剂和溶剂中分离出来。这些结果表明，已经开发出一种从生物质衍生的甘油醛合成双缩醛的新方法。

图形摘要

使用钌(II)配合物催化剂和氧气从甘油醛催化合成双缩醛的方法已经实现。双缩醛的产率达到32%，且进一步氧化可以忽略不计。此外，含有双缩醛的混合物与亚硫酸钠反应后生成沉淀物，通过过滤可以确认亚硫酸酯加合物可以从催化剂、溶剂和副产物中分离出来。

1 引言

木质生物质是地球上最丰富的资源，由纤维素、半纤维素和木质素组成[1, 2]。特别是纤维素是木质生物质的主要成分之一，它是一种由1,4-β-糖苷键构成的葡萄糖聚合物（图S1A, B）。因此，纤维素可以用作有机化学品的原料，作为化石燃料的替代品[3-7]。因此，有效转化纤维素引起了人们的关注。纤维素的糖苷键可以通过布朗斯特酸或碱的作用被断裂，生成葡萄糖。已经报道了使用矿物酸通过水解从纤维素生产葡萄糖和低聚糖[8]。近年来，异相催化剂已被用于纤维素的有效水解[9-11]。葡萄糖长期以来一直被用作各种关键化工产品的原料[12-21]。例如，乙醇可以通过酶法从葡萄糖合成[12]。最近，还报道了通过脱氢将葡萄糖催化转化为己二酸[13]，通过三分子脱水缩合将羟甲基糠醛转化为羟甲基糠醛[14, 15]，通过氢化将山梨醇转化为山梨醇[16, 17]，以及通过氢化和随后的脱水缩合将异山梨醇转化为异山梨醇[18, 19]，这些产物都被用作生物塑料的原料。此外，还通过逆醛醇反应从葡萄糖或其异构体合成了C1到C4的各种化合物[20-22]。这些工业方法生产的产品都是从化石燃料中合成的，因此从葡萄糖合成C1到C4的化合物受到了关注。在葡萄糖的逆醛醇反应产物中，甘油醛是一种含有一个羟基和一个甲酰基的C2化合物，是多种化合物的原料[23-25]。通过使用负载型金属催化剂进行氢化，可以将甘油醛中的甲酰基还原为乙醇，这种反应已经被报道为通过葡萄糖的逆醛醇反应后进行还原的一锅法[26, 27]。此外，还可以通过氧化甘油醛获得双缩醛、羟基乙酸和草酸[28-30]。特别是双缩醛已被用作纸张和纤维的改性剂。最近，开发了基于生物的木质粘合剂——木质素-双缩醛，以替代传统的含酚和甲醛的石油基木质粘合剂[31]。已经报道了使用甘油氧化酶或PdCl2–CuCl2/[BMim]Cl体系从甘油醛化学计量合成双缩醛，产率分别为100%和91%[32, 33]。然而，尚未实现从甘油醛高效催化合成双缩醛的方法。为了从甘油醛获得双缩醛，需要氧化羟基并抑制甲酰基的进一步氧化。甲酰基在水中会发生水合，形成偕二醇，这些偕二醇容易氧化为羧酸。特别是双缩醛容易形成偕二醇，因此容易生成草酸、羟基乙酸等羧酸（图1）。因此，使用H2O2[30]和HNO3[34]等氧化剂氧化甘油醛时会发生过度氧化，生成相应的羧酸。因此，仍然需要开发通过催化氧化从甘油醛高效合成双缩醛的方法。图1（在图查看器中打开）

通过Ru催化剂和氧气从甘油醛催化合成双缩醛。双缩醛的产率达到32%，且进一步氧化可以忽略不计。此外，含有双缩醛的混合物与亚硫酸钠反应后生成沉淀物，通过过滤可以确认亚硫酸酯加合物可以从催化剂、溶剂和副产物中分离出来。

2 结果与讨论

2.1 钌配合物催化剂1的合成

通过混合钌配合物tris(triphenylphosphine)-dichlororuthenium(II) (Ru(PPh3)3Cl2)和4′-(4-bromophenyl)2,2′:6′, 2′’-terpyridine (Br-Ph-tpy) [40]，合成了用于氧化甘油醛的钌配合物催化剂1。为了有效地将甘油醛氧化为双缩醛，使用了钌–氧配合物的前体。据报道，饱和的钌(II)配合物[RuH(CO)Cl(PPh3)3]在氧气的作用下会失去PPh3配体，形成钌(IV)氧配合物，该配合物可以将各种醇氧化为醛[37]。此外，使用多齿配体作为辅助配体预计可以提高配合物的稳定性，并不会抑制目标反应。此外，由于溴苯基团可以作为Suzuki–Miyaura交叉偶联等反应的底物，预计还可以为Br-Ph-tpy配位的配合物提供额外的功能[41, 42]。基于这些原因，选择了带有PPh3和Br-Ph-tpy配体的钌(II)配合物1。通过NMR光谱和MALDI-TOF-MS对所得配合物1进行了表征（图S2, S3）。此外，还进行了单晶X射线结构分析（图2，表S1）。晶体结构是一种八面体六配位结构，类似于不含有溴基的6,6-双(间甲苯氨基)吡啶配位的钌配合物[43]（图2（在图查看器中打开））。

2.2 甘油醛氧化产物的确认

通过HPLC分析量化了甘油醛氧化的产物。首先，甘油醛被氧化为双缩醛或羟基乙酸。随着进一步氧化的进行，会生成羟基乙酸和草酸（图1）。此外，草酸会被进一步氧化为甲酸和二氧化碳。这些产物（不包括二氧化碳）通过HPLC分离。甘油醛、双缩醛、羟基乙酸、草酸和甲酸的保留时间分别为14.1、11.8、14.8、11.6、8.8和16.4分钟（图S4）。其中，双缩醛和羟基乙酸的峰重叠，这些峰可以通过紫外检测器（220 nm）识别。双缩醛在220 nm处不吸收紫外光，而羟基乙酸在220 nm处显示出由羰基的π–π*跃迁引起的吸收峰（图S4A）。因此，可以通过紫外检测器确认羟基乙酸的存在。值得注意的是，在任何反应条件下都没有出现羟基乙酸的峰。因此，11.8分钟处的峰（RI检测器）来源于双缩醛（图S4B），双缩醛的产率是根据该峰计算得出的。此外，双缩醛与少量水反应聚合形成了聚双缩醛[44]。实际上，通过HPLC分析确认所得双缩醛是寡聚物，通过加热混合物可以使其解聚。此外，还确认甲酸是甘油醛氧化的产物。这表明羟基乙酸可能是中间产物；但由于其迅速被消耗，未能检测到。此外，使用气体检测器确认了二氧化碳的存在（数据未显示）。未鉴定的产物被归类为“其他”（表1）。

表1. 通过钌催化剂氧化甘油醛的结果

| 催化剂 | 转化率/% | 产率/% |
|-------|---------|---------|
| 1 | 无催化剂 | 49 |
| 2 | RuCl2(PPh3)3 | 79 |
| 3 | RuCl3•xH2O | 74 |
| 4 | Ru/Al2O3 | 83 |
| 5 | Ru/Al2O3 0.6 | 68 |
| 6 | RuCl2(PPh3)3 | 5.8 |
| 7 | RuCl3 | 36 |
| 8 | Ru/Al2O3 | 32 |
| 9 | RuCl2(PPh3)3 | 3.8 |
| 10 | Ru/Al2O3 | 2.8 |
| 11 | Ru/Al2O3 | 1.9 |
| 12 | Ru/Al2O3 | 6.9 |
| 13 | Ru/Al2O3 | 8.7 |
| 14 | Ru/Al2O3 | 6.0 |
| 15 | Ru/Al2O3 | 3.6 |
| 16 | Ru/Al2O3 | 1.8 |
| 17 | Ru/Al2O3 | 6.2 |
| 18 | Ru/Al2O3 | 13 |
| 19 | Ru/Al2O3 | 24 |
| 20 | Ru/Al2O3 | 23 |
| 21 | Ru/Al2O3 | 21 |
| 22 | Ru/Al2O3 | 18 |
| 23 | Ru/Al2O3 | 12 |
| 24 | Ru/Al2O3 | 60 |
| 25 | Ru/Al2O3 | 40 |
| 26 | Ru/Al2O3 | 9.0 |
| 27 | Ru/Al2O3 | 8.7 |
| 28 | Ru/Al2O3 | 6.9 |
| 29 | Ru/Al2O3 | 1.8 |
| 30 | Ru/Al2O3 | 6.8 |
| 31 | Ru/Al2O3 | 3.5 |
| 32 | Ru/Al2O3 | 1.9 |
| 33 | Ru/Al2O3 | 2.8 |
| 34 | Ru/Al2O3 | 0.9 |

2.3 钌催化剂的筛选

通过甘油醛的氧化反应筛选了钌催化剂（图1）。使用氧气作为氧化剂，在N,N-二甲基甲酰胺（DMF）中于100°C下反应3小时。当不使用催化剂时，49%的甘油醛被消耗，获得了3.8%的双缩醛等甘油醛氧化物（表1，条目1）。这可能是由于氧气的自氧化[45]。使用三氯化钌或Ru(PPh3)3Cl2时，甘油醛的转化率和产率与不使用催化剂时几乎相同（条目2, 3）。这些条件下产生了3.6%的甲酸（条目2）和5.3%的产物（条目3），但没有生成羟基乙酸和草酸。因此，在这些条件下，羟基乙酸和草酸可能被立即消耗。当使用Ru/Al2O3时，获得了一些双缩醛和进一步氧化的化合物（条目4）。双缩醛的甲酰基容易水合形成偕二醇，进而进一步氧化为羧酸。另一方面，钌配合物催化剂1的双缩醛产率为32%（转化次数（TON）约为16），进一步氧化的化合物的产率可以忽略不计。此外，使用1作为催化剂时没有生成羟基乙酸。所需的化合物双缩醛可以通过氧化甘油醛中的羟基获得。这表明形成了钌(IV)氧配合物，该配合物氧化了甘油醛中的羟基生成双缩醛。提出的反应机制的详细信息将在后面解释。从目前的结果来看，使用钌配合物催化剂1可以获得最高产率的双缩醛。

2.4 溶剂和氧化剂的影响

确认了溶剂和氧化剂对甘油醛氧化反应的影响，使用的催化剂为1。作为溶剂使用了水、乙腈和DMF。当使用水时，产生的双缩醛量很少（6.9%），由于催化剂1在水中的溶解度低，没有生成进一步的氧化物（表1，条目6）。另一方面，当使用乙腈时，生成了大量的羧酸（条目7）。当使用DMF时，获得了30%的双缩醛产率（条目5）。催化剂1通过消除PPh3配体并随后形成钌–氧配合物而被活化。结果，羟基的氧化得以进行。然而，乙腈可以与钌配合物催化剂配位，从而抑制了羟基的配位。因此，在乙腈中甘油醛氧化为双缩醛的过程不够充分。此外，在乙腈中生成羧酸（如羟基乙酸和甲酸）的原因是氧气的溶解度较高。据报道，在25°C下，氧气分压为0.212 bar时，氧气在乙腈中的溶解度为77.4 mg/L，高于在DMF中的溶解度（33.7 mg/L）[46, 47]。因此，在乙腈中甘油醛氧化产生了相应的羧酸。此外，还研究了氧化剂对乙二醛氧化的影响。当使用TBHP水溶液时，生成了少量的乙二酸，随后在TBHP中通过水进一步氧化生成了丙二醇酸等化合物（见条目8）。因此，我们选择了氧气作为氧化剂，DMF作为溶剂。

2.5 时间进程和副产物

为了研究反应温度和反应时间对乙二醛氧化的影响，我们确认了不同温度下乙二醛转化率和乙二酸产率的时间进程（见图3）。在70°C下进行反应时，转化率随反应时间的增加而逐渐提高，24小时后乙二酸产率达到28%。另一方面，在100°C下，反应1小时后乙二醛转化率显著提高至32%，3小时后达到68%。然而，反应时间的延长导致乙二酸产率下降，3小时后产率为32%，6小时后降至27%，24小时后低于0.1%。这表明更长的反应时间会导致进一步的氧化，特别是生成了15%产率的甲酸。因此，提高反应温度可以改善转化率和乙二酸产率；但是，过长的反应时间由于过度氧化导致乙二酸产率降低。

2.6 乙二酸的分离

在传统方法中，乙二酸是通过乙二醇的氧化合成的，并通过蒸馏进行纯化。然而，从乙二醛氧化产物混合物中纯化乙二酸通常很困难，因为会生成各种不需要的副产物，如丙二醇酸和甲酸。在这里，我们使用亚硫酸钠获得了乙二酸亚硫酸盐加合物，以实现简单分离，类似于脂肪亚硫酸盐加合物[48]。当醛类底物与亚硫酸氢钠或亚硫酸钠混合时，会形成亚硫酸盐加合物[48-50]。亚硫酸盐加合物不溶于DMF等有机溶剂中，因此可以通过过滤轻松地将乙二酸从有机溶剂、催化剂和副产物中分离出来。亚硫酸盐加合物的形成是在乙二酸产率最高的条件下进行的（见表1，条目5），得到了白色固体。在条目5中，生成了32%的乙二酸和0.9%的甲酸，同时剩余了32%的乙二醛。因此，白色固体应包含反应产物，即乙二酸亚硫酸钠和乙二醛亚硫酸钠（见图S5）。通过1H NMR光谱分析（见图4），在4.92 ppm处观察到了来自乙二酸亚硫酸钠的信号。此外，在3.93 ppm、3.7–3.8 ppm和4.0–4.6 ppm处观察到的信号被鉴定为乙二酸亚硫酸钠（寡聚物）。另外，在3.77 ppm处出现的信号来自乙二醛亚硫酸钠。值得注意的是，没有观察到来自钌复合物催化剂1的信号。根据这些结果，可以通过过滤将得到的乙二酸亚硫酸钠从含有DMF、催化剂1和副产物的反应混合物中分离出来。因此，通过用NaOH水溶液脱保护乙二酸衍生物中的亚硫酸基团并随后进行蒸馏，可以进一步分离和纯化乙二酸。

2.7 反应机理

为了阐明钌复合物催化剂1对乙二醛氧化的反应机理，我们对乙二醛氧化前后进行了XPS测量。氧化前后的反应混合物分别涂覆在玻璃基底上（见图5，S6），并测量了Ru 3p 3/2、O 1s、Cl 2p 3/2、C 1s、N 1s和P 2p 3/2的XPS光谱。氧化前的XPS光谱中，Ru 3p 3/2的峰出现在462.3 eV处，而氧化后的峰移至更高的能量（462.8 eV，见图5A）。Ru (II) 3p 3/2的峰出现在461.2–462.6 eV之间，低于Ru (IV) 3p 3/2的峰（463.2 eV）[51]。这表明钌中心的价态在氧化后升高为四价，形成了钌-氧络合物。此外，氧化后O 1s的峰强度大于氧化前的峰强度，表明来自氧气的氧原子与钌中心形成了配位。当形成钌-氧络合物时，氧化前的配体应该被消除。氧化后Cl 2p 3/2和N 1s的峰与氧化前的峰相当（见图S6（B），（C））。同时，氧化后P 2p 3/2的峰消失了（见图5B），表明通过消除PPh3激活了Ru，并形成了钌-氧络合物。进一步确认，在钌-氧络合物形成后PPh3没有与钌中心配位。此外，反应后1的颜色从棕色变为深灰色，这与XPS结果一致（见图5C，D）。基于这些结果和类似的报道[36, 52]，提出了钌复合物催化剂1对乙二醛的反应机理（见图6）。首先，通过消除PPh3配体形成了钌-氧络合物（IV），随后氧原子与Ru (II)中心配位。然后，乙二醛插入，生成了一个五元环的过渡态。接着，生成了乙二酸并从钌络合物催化剂中释放出来，水分子与Ru (II)中心配位。最后，水分子通过O2气体的反应被消除，钌-氧催化剂（IV）得以再生。该机理与XPS结果一致。

3 结论

使用钌复合物催化剂1从乙二醛合成乙二醛的方法得到了验证。通过优化反应条件，在100°C下使用O2气体作为氧化剂，在DMF中反应3小时后，乙二酸产率达到32%。1与O2气体反应生成了钌-氧络合物，乙二醛中的羟基被氧化为甲酰基。进一步确认，含有乙二酸的混合物通过与亚硫酸钠反应沉淀出来。亚硫酸盐加合物可以通过过滤从催化剂、溶剂和副产物中分离出来。这些结果表明了一种从乙二醛合成乙二醛的新方法，而乙二醛可以从木质生物质中提取的葡萄糖获得。这种新的合成方法可以替代目前使用化石燃料的方法，有望减少对环境的影响。

4 实验部分

4.1 材料

草酸、甲酸（98%）、RuCl3·nH2O、三苯基膦（PPh3）、丙二醇酸、钌铝氧（Ru 5%，Ru/Al2O3）和Na2SO3从FUJIFILM Wako Pure Chemical Corporation购买。乙二酸（39%水溶液）、乙二氧酸（50%水溶液）、叔丁基过氧化氢（70%水溶液，TBHP水溶液）和4′-(4-溴苯基)2,2′:6′,2″-吡啶（Br-Ph-tpy）从Tokyo Chemical Industry购买。DMF和乙醚（Et2O）从Nacarai Tesque Co. Ltd.购买。乙二醛和乙腈从Sigma–Aldrich购买。实验中使用了Advantec RFD210TA和Advantec RFD414BA制备的蒸馏水和超纯水（18.2 MΩ•cm）。

4.2 三苯基膦-二氯钌（II）（Ru(PPh3)3Cl2）的制备

Ru(PPh3)3Cl2按照之前的方法制备，并进行了若干修改[53]。将RuCl3·nH2O（100 mg，0.38 mmol；按RuCl3·3H2O计算）和PPh3（600 mg，2.29 mmol）溶解在甲醇中，混合物回流3小时。冷却至室温后，过滤并用甲醇和乙醚洗涤。所得产品在减压下干燥，得到棕色粉末（Ru(PPh3)3Cl2；320 mg，86%）。

4.3 钌复合物催化剂1的制备

合成方法按照之前的方法进行，并进行了若干修改[40]。将Ru(PPh3)3Cl2（147 mg，0.15 mmol）和Br-Ph-tpy（59 mg，0.15 mmol）加入甲苯（15 mL）中，回流18小时。粗产物用甲苯和乙醚洗涤后过滤收集。所得产品在减压下干燥，得到紫色固体（Ru复合物1；112 mg，90%）。通过NMR和MALDI-TOF-MS对Ru复合物1进行了表征（见图S2和S3）。

1H NMR（400 MHz，CDCl3）：δ 7.00 (td, J = 2.0, 7.5 Hz, 6H, CH), 7.10 (td, J = 1.4, 7.4 Hz, 3H, CH), 7.20–7.30 (m), 7.31 (m, J = 6.6 Hz, 2H, CH), 7.44 (d, J = 8.7 Hz, 2H, CH), 7.48 (d, J = 8.5 Hz, 2H, CH), 7.55 (s, 2H, CH), 7.58 (m, J = 8.3 Hz, 2H, CH), 7.73 (d, J = 8.1 Hz, 2H, CH), 9.44 (d, J = 5.2 Hz, 2H, CH)。31P NMR（162 MHz，CDCl3）：δ 40.7。MALDI-TOF-MS计算得到的C39H30BrClN3PRu的分子量为786.00 [M?Cl]+；实际测得为785.50。晶体数据：单斜晶系；空间群P 21；a = 11.181 (2) ?, b = 12.274(2) ?, c = 30.900 (6) ?; V = 4223.5 (13) ?3; Z = 4; ρcalcd = 1.526 g cm?3; μ = 0.118 mm?1; 2θmax = 53.42°; 收集的反射数：45 312，独立反射数：14 833 (Rint = 0.0337), R1(I > 2σ) = 0.0296, wR2(I > 2σ) = 0.0674。该论文的补充晶体学数据可从The Cambridge Crystallographic Data Centre和Fachinformationszentrum Karlsruhe获取：http://www.ccdc.cam.ac.uk/structures Access Structures service [54]。

4.4 用Ru催化剂氧化乙二醛

将乙二醛（0.50 mmol）和催化剂（RuCl2(PPh3)3, RuCl3•xH2O, Ru/Al2O3, 和1）溶解在1.5 mL溶剂中（TVS-N2，Taiatsu Glass Kogyo有限公司），并将O2气体加压至0.25 MPa。然后将装置放入油浴中，保持反应温度在100°C。冷却反应器后，通入N2气体30秒以替换O2气体。向混合物中加入水（0.5 mL），使用配备HPX-87H柱的高效液相色谱仪（HPLC，流动相：0.5 mM H2SO4水溶液，流速0.5 mL min?1，温度35°C）分析可溶性产物。通过使用购买的化合物作为标准品，通过绝对校准方法确定了乙二酸、丙二醇酸、乙二氧酸和甲酸的产率。此外，还进行了无催化剂和用TBHP水溶液代替O2气体的氧化对照实验。此外，还进行了通过亚硫酸钠分离所得乙二酸的实验：向混合物中加入饱和亚硫酸钠水溶液（0.1 mL）生成白色沉淀。然后加入乙醇（2.0 mL）并倾析出白色固体。白色固体用乙醇洗涤并在减压下干燥。白色固体通过1H NMR光谱进行了表征。

4.5 乙二酸和甲酸的氧化

乙二酸和甲酸的氧化反应与乙二醛的氧化反应类似。使用乙二醛（0.50 mmol）和甲酸（0.50 mmol）代替乙二醛（0.50 mmol），在70°C或100°C下反应3小时。反应后，使用配备HPX-87H柱的HPLC进行分析。气相通过带有CO2检测管的气体检测器（GV-110S，GASTEC）进行分析。

4.6 特性分析

NMR光谱在AVANCE 400 M光谱仪（Bruker）上记录。1H NMR（400 MHz）和31P NMR（162 MHz）光谱使用4,4-二甲基-4-磺基戊烷-1-磺酸钠盐（DSS）作为外部标准进行测量，31P NMR（162 MHz）使用85%磷酸作为外部标准。基质辅助激光解吸/飞行时间质谱（MALDI-TOF-MS）在JMS-S3000（JEOL）上记录。X射线光电子能谱（XPS）在JPS-9030（JEOL）上记录。通过从其DMSO/CHCl3溶液中重结晶，制备得到了Ru配合物的单晶。晶体数据是在D8 QUEST（Bruker）仪器上，使用石墨单色化的Mo Kα射线（λ = 0.71073 ?）在90 K温度下收集的。晶体结构采用内在相位法（SHELXT-2014）[55]进行解析，并通过F2全矩阵最小二乘法（SHELXL-2016）[56]以及APEX 4软件进行了优化。非氢原子采用各向异性优化方法进行精修，而氢原子则采用各向同性优化方法进行精修。所得到的晶体结构如图2所示。更多支持信息可在线查阅“支持信息”部分。

致谢

本研究得到了日本学术振兴会（JSPS）青年科学家资助计划（项目编号19K15608（T.S.）和23K13780（T.S.））的支持。

资金支持

本研究得到了日本学术振兴会（JSPS）的资助（项目编号19K15608、23K13780）。

利益冲突声明

作者声明不存在任何利益冲突。

数据获取声明

支持本研究结果的数据可向通讯作者索取。由于隐私或伦理限制，这些数据不对外公开。