跳转到内容

拜耳-维立格氧化反应

维基百科，自由的百科全书
拜尔－维立格氧化重排反应
命名根据 Adolf von Baeyer
Victor Villiger
反应类型 有机氧化还原反应
标识
有机化学网站对应网页 baeyer-villiger-oxidation
RSC序号 RXNO:0000031

拜尔－维立格氧化重排反应（英语：Baeyer-Villiger oxidation）是酮在过氧化物(如过氧化氢、过氧乙酸等)的氧化下，于羰基和一个邻近烃基之间插入一个氧原子，得到相应的酯的化学反应 [1]。醛可以进行同样的反应，氧化的产物是相应的羧酸。

环酮发生反应会形成对应的内酯。

反应机理

从表面上看来，该反应仅是一个氧原子对碳-碳键进行的插入反应。事实上，该反应是一个典型的1,2-迁移反应，其机制与霍夫曼重排、频纳醇重排等是类似的。

首先，反应物的羰基被质子化（1），从而易于接受过氧酸的亲核进攻（2）。亲核加成的产物中带有一个氧𬭩离子，其质子将较容易转移到邻近的氧原子上，形成克里格中间体（3）。随后，与原来过氧酸对应的羧酸从中间体离去，留下一个缺电子的氧正离子（4）。由于氧具有很高的电负性，缺电子的氧是不稳定的，酮上的一个取代基（这里是R2）协同地迁移到氧上形成酯（5），并很快脱去质子而得到最终产物（6）[1] 。(4)被认为是决速步[2]。

立体电子效应

Baeyer-Villiger氧化反应的产物被认为是受立体电子效应控制的，该反应中的初级立体电子效应[注 1]指的是过氧化物中的O-O键必须在迁移基团RM的反面，这一取向有利于迁移轨道的𝛔轨道与过氧基𝛔*轨道的最大重叠[3]。次级立体电子效应[注 2]指的是羟基氧上的孤对电子必须在迁移基团RM的反面[1]，这一取向有利于氧上非键轨道与迁移基团RM的𝛔*轨道的最大重叠[3]。反应中基团迁移的一步被认为（至少模拟分析如此）是由两或三个过氧酸单元协助的，使质子能够转移到目标位置[4]。

立体电子效应

基团迁移能力的顺序为：叔烷基 > 环己基 > 仲烷基 > 芳基 > 伯烷基[5]。烯丙基发生迁移的能力介于伯烷基与仲烷基之间[6]。取代基上的吸电子基团会降低迁移率[7]，对于迁移能力的这种趋势有两种解释，第一种解释认为是克里格中间体过渡态分解时正电荷的聚积[8]，被取代的程度越大，碳正离子的稳定性就越强[9]，因此有叔基 > 仲基 > 伯基的趋势。

克里格中间体的共振式

另一种解释认为过渡态分子中的过氧基和非迁移取代基间存在邻位交叉效应，如果较大的基团在过氧基的反面，则形成酯上的取代基和过氧酸的羰基间的邻位交叉效应将减少。因此，大基团总是倾向于迁移到过氧基的反面[10]。

空间效应对迁移的影响

脂环酮中的迁移基团通常不会是伯烷基，不过，在使用CF3CO3H或BF3 + H2O2作为反应试剂的情况下，伯烷基可能会比仲、叔烷基更先发生迁移[11]。

历史

1899年，阿道夫·冯·拜耳和维克多·维立格（英语：Victor Villiger）首次发表了脂环酮，如薄荷酮、四氢香芹酮、樟脑与过一硫酸氧化形成内酯的研究报告[12][13]，这一反应后来被命名为Baeyer-Villiger氧化反应[13][14]。

Baeyer与Villiger报道的反应

早期共提出了三种Baeyer-Villiger氧化反应的反应机理，在当时这三种机理都被认为是与相关动力学研究相符的[15]。这三种反应机理可被分为过氧酸进攻的两条途径：羰基氧或碳[16]。对氧进攻会得到两种可能的中间体——由阿道夫·冯·拜耳和维克多·维立格提出的过氧化酮中间体，以及由格奥尔格·维蒂希和古斯塔夫·皮珀提出的过氧化物中间体[16]。对碳进攻则会得到由鲁道夫·克里格（英语：Rudolf Criegee）提出的克里格中间体[16]。

被提出的三种中间体

1953年，威廉·冯·艾格斯多林（英语：William von Eggers Doering）和埃德温·多尔夫曼通过氧-18标记的二苯基甲酮进行Baeyer-Villiger氧化反应，阐明了该反应的机理[15]。三种不同的机理理论上分别会得到不同位置的同位素标记产物：克里格中间体的标记仅出现在羰基氧上、过氧化物中间体的标记仅出现在酯结构的烷氧基上、过氧化酮中间体的标记同时会出现在上述二者位置（产物比例为1:1）[15]。标记实验的结果是只观察到符合克里格中间体的产物，因此该路线也成为现今普遍认可的反应机理[1]。

同位素标记实验的结果

立体化学

取代基的迁移不会改变原本的立体结构，即是立体保持的[注 3][17][18]。

氧化剂

常用于Baeyer-Villiger氧化反应的氧化剂有间氯过氧苯甲酸（mCPBA）和三氟过氧乙酸（TFPAA）[2]。总的趋势是，氧化剂的对应羧酸（或过氧化物中对应的醇）的pKa越低，反应性越强[6]。常用的氧化剂反应性顺序为[6]：

TFPAA ＞ 4-硝基过氧苯甲酸 ＞ mCPBA ≈ 过氧甲酸 ＞ 过氧乙酸 ＞ 过氧化氢 ＞ 过氧化叔丁醇

过氧化物的反应性远低于过氧酸[2]，过氧化氢作氧化剂时甚至需要使用催化剂 [5][19]。此外，使用有机过氧化物或过氧化氢时，也会产生更多的副反应[20]。

局限性

由于反应中使用了过氧化物，因此会将不希望氧化的基团一并氧化。例如，底物中的烯烃（特别是富电子时）和胺，可能被氧化成环氧化合物[21]。不过，已经有研究提出了保护官能团的方法，例如1962年，G. B. Payne在硒催化剂存在时使用过氧化氢将烯基酮氧化成环氧结构，而使用过氧乙酸则得到了酯结构[22]。

多个官能团时，不同的反应试剂可以得到不同的产物。

改性

催化Baeyer-Villiger氧化反应

使用过氧化氢/催化剂的反应更加环保，反应的副产物仅为水[5]。据报道，使用苯亚硒酸衍生物作催化剂的反应表现出高选择性[23]。固体路易斯酸催化剂，如锡硅分子筛[注 4]也表现出高选择性[25]，尤其是泡沸石（英语：zeolite）Sn-β型和无定型Sn-MCM-41展现出完全选择性[26][27]。

不对称Baeyer-Villiger氧化反应

有报道尝试用有机金属催化剂来进行对映选择性的Baeyer-Villiger氧化反应[5]，第一个报告前手性酮氧化的研究使用分子氧氧化，含铜催化剂催化，其他的如铂、铝催化剂也见报告。

Baeyer-Villiger单加氧酶

BVMO中黄素辅因子催化Baeyer-Villiger反应的机理。

在自然界中，被称为Baeyer-Villiger单加氧酶（BVMOs）的酶会进行类似化学反应的氧化过程[28]。为了促进该反应，BVMO含有一种黄素腺嘌呤二核苷酸（FAD）辅因子[29]。在催化循环中，细胞氧化还原当量的NADPH首先还原辅因子，使之随后与分子氧反应。产生的过氧黄素是底物氧化反应的催化剂，理论分析表明，该反应通过克里格中间体进行[30]。重排后得到的羟基黄素会自发地脱水形成氧化黄素，完成催化循环。

BVMO与含黄素的单加氧酶（英语：flavin-containing monooxygenase）（FMO）[31]密切相关，这些酶也存在于人体中，在肝脏的前线代谢解毒系统中沿细胞色素P450单加氧酶发挥作用[32]。人类FMO5被证明能够催化Baeyer-Villiger反应，因此该反应也可能发生在人体内[33]。

BVMOs因其作为生物催化剂的潜力而被广泛研究[34]，酶在有机合成中通常是更环保的选择[28]。BVMO更有趣的地方是，除了能应用在催化特定反应外，还发现它的一些天然同系物具有非常大的底物范围[注 5]（即反应性不限于单一的化合物）[35]。由于许多BVMO的三维结构已经确定，它们可以进行大规模生产，也可以应用酶工程生产具有改善热稳定性、反应性的变种[36][37]。另一个优点是它们经常能观察到区域/对映选择性，这得益于酶的活性位点内的催化过程中底物方向的空间控制[28][34]。

应用

Zoapatanol

Zoapatanol是一种生物活性分子，天然存在于被称作zeopatle的植物中，这种植物在墨西哥被用于制作诱导月经和分娩的茶[38]。1981年,Vinayak Kane与Donald Doyle报道了zoapatanol的全合成，他们使用Baeyer-Villiger氧化反应构建内酯，该步是合成zoapatanol的关键步[39][40]。

Kane与Doyle使用Baeyer-Villiger氧化反应合成zoapatanol

甾类

更多信息：甾体

2013年，Alina Świzdor报道了通过能产生BVMOs的真菌所诱导的Baeyer-Villiger氧化反应，该反应将脱氢表雄酮转化为抗癌剂睾内酯酮（维基数据所列：Q27102810）[41]。

据报告称该转化为内酯的过程产率高达70-99%

备注

  1. ^ primary stereoelectronic effect
  2. ^ secondary stereoelectronic effect
  3. ^ stereoretentive
  4. ^ stannosilicate，译名参考[24]
  5. ^ substrate scope

参见

外部链接

参考文献

  1. ^ 1.0 1.1 1.2 1.3 Kürti, László; Czakó, Barbara. Strategic Applications of Named Reactions in Organic Synthesis有限度免费查阅，超限则需付费订阅. Burlington; San Diego; London: Elsevier Academic Press. 2005: 28. ISBN 978-0-12-369483-6. 
  2. ^ 2.0 2.1 2.2 Krow, Grant R. The Baeyer-Villiger Oxidation of Ketones and Aldehydes. Organic Reactions. 1993, 43 (3): 251–798. ISBN 0471264180. doi:10.1002/0471264180.or043.03. 
  3. ^ 3.0 3.1 Crudden, Cathleen M.; Chen, Austin C.; Calhoun, Larry A. A Demonstration of the Primary Stereoelectronic Effect in the Baeyer-Villiger Oxidation of α-Fluorocyclohexanones. Angew. Chem. Int. Ed. 2000, 39 (16): 2851–2855. doi:10.1002/1521-3773(20000818)39:16<2851::aid-anie2851>3.0.co;2-y. 
  4. ^ Yamabe, Shinichi. The Role of Hydrogen Bonds in Baeyer−Villiger Reactions. The Journal of Organic Chemistry. 2007, 72 (8): 3031–3041. PMID 17367197. doi:10.1021/jo0626562. 
  5. ^ 5.0 5.1 5.2 5.3 ten Brink, G.-J.; Arends, W. C. E.; Sheldon, R. A. The Baeyer-Villiger Reaction: New Developments toward Greener Procedures. Chem. Rev. 2004, 104 (9): 4105–4123. PMID 15352787. doi:10.1021/cr030011l. 
  6. ^ 6.0 6.1 6.2 Myers, Andrew G. Chemistry 115 Handouts: Oxidation (PDF). [2022-07-09]. （原始内容存档 (PDF)于2017-05-16）. 
  7. ^ Li, Jie Jack; Corey, E. J. (编). Name Reactions of Functional Group Transformations. Hoboken, NJ: Wiley-Interscience. 2007. 
  8. ^ Hawthorne, M. Frederick; Emmons, William D.; McCallum, K. S. A Re-examination of the Peroxyacid Cleavage of Ketones. I. Relative Migratory Aptitudes. J. Am. Chem. Soc. 1958, 80 (23): 6393–6398. doi:10.1021/ja01556a057. 
  9. ^ Jones, Jr., Maitland; Fleming, Steven A. Organic Chemistry有限度免费查阅，超限则需付费订阅 4th. Canada: W. W. Norton & Company. 2010: 293. ISBN 978-0-393-93149-5. 
  10. ^ Evans, D. A. Stereoelectronic Effects-2. Chemistry 206 (Fall 2006-2007). 
  11. ^ Sanyal, S.N. Reactions, Rearrangements and Reagents 4. 2003: 90. ISBN 978-81-7709-605-7. 
  12. ^ Baeyer, Adolf; Villiger, Victor. Einwirkung des Caro'schen Reagens auf Ketone. Ber. Dtsch. Chem. Ges. 1899, 32 (3): 3625–3633 [2022-07-09]. doi:10.1002/cber.189903203151. （原始内容存档于2022-07-11）. 
  13. ^ 13.0 13.1 Hassall, C. H. The Baeyer-Villiger Oxidation of Aldehydes and Ketones. Organic Reactions. 1957, 9 (3): 73–106. ISBN 0471264180. doi:10.1002/0471264180.or009.03. 
  14. ^ Renz, Michael; Meunier, Bernard. 100 Years of Baeyer-Villiger Oxidations. Eur. J. Org. Chem. 1999, 1999 (4): 737–750. doi:10.1002/(SICI)1099-0690(199904)1999:4<737::AID-EJOC737>3.0.CO;2-B. 
  15. ^ 15.0 15.1 15.2 Doering, W. von E.; Dorfman, Edwin. Mechanism of the Peracid Ketone-Ester Conversion. Analysis of Organic Compounds for Oxygen-18. J. Am. Chem. Soc. 1953, 75 (22): 5595–5598. doi:10.1021/ja01118a035. 
  16. ^ 16.0 16.1 16.2 Doering, W. von E.; Speers, Louise. The Peracetic Acid Cleavage of Unsymmetrical Ketones. Journal of the American Chemical Society. 1950, 72 (12): 5515–5518. doi:10.1021/ja01168a041. 
  17. ^ Turner, Richard B. Stereochemistry of the Peracid Oxidation of Ketones. J. Am. Chem. Soc. 1950, 72 (2): 878–882. doi:10.1021/ja01158a061. 
  18. ^ Gallagher, T. F.; Kritchevsky, Theodore H. Perbenzoic Acid Oxidation of 20-Ketosteroids and the Stereochemistry of C-17. J. Am. Chem. Soc. 1950, 72 (2): 882–885. doi:10.1021/ja01158a062. 
  19. ^ Cavarzan, Alessandra; Scarso, Alessandro; Sgarbossa, Paolo; Michelin, Rino A.; Strukul, Giorgio. Green Catalytic Baeyer–Villiger Oxidation with Hydrogen Peroxide in Water Mediated by Pt(II) Catalysts. ChemCatChem. 2010, 2 (10): 1296–1302. S2CID 98508888. doi:10.1002/cctc.201000088. 
  20. ^ Schweitzer-Chaput, Bertrand; Kurtén, Theo; Klussmann, Martin. Acid-Mediated Formation of Radicals or Baeyer-Villiger Oxidation from Criegee Adducts. Angewandte Chemie International Edition. 2015, 54 (40): 11848–11851. PMID 26267787. doi:10.1002/anie.201505648. 
  21. ^ Grant R. Krow. Trost, Barry M.; Fleming, Ian , 编. Comprehensive Organic Synthesis - Selectivity, Strategy and Efficiency in Modern Organic Chemistry, Volumes 1 - 9. Elsevier. 1991: 671–688 [2022-07-09]. ISBN 978-0-08-035930-4. （原始内容存档于2022-07-08）. 
  22. ^ Payne, G. B. A Simplified Procedure for Epoxidation by Benzonitrile-Hydrogen Peroxide. Selective Oxidation of 2-Allylcyclohexanone. Tetrahedron. 1962, 18 (6): 763–765. doi:10.1016/S0040-4020(01)92726-7. 
  23. ^ ten Brink, Gerd-Jan; Vis, Jan-Martijn; Arends, Isabel W. C. E.; Sheldon, Roger A. Selenium-Catalyzed Oxidations with Aqueous Hydrogen Peroxide. 2. Baeyer−Villiger Reactions in Homogeneous Solution. J. Org. Chem. 2001, 66 (7): 2429–2433. PMID 11281784. doi:10.1021/jo0057710. 
  24. ^ LIU Yujia; XIA Changjiu; LIN Min; ZHU Bin; PENG Xinxin; LUO Yibin; SHU Xingtian. Stannosilicate molecular sieve: a new star in heteroatom incorporated zeolite family 39 (2): 605–615. 2020. 
  25. ^ Ferrini, Paola; Dijkmans, Jan; Clercq, Rik De; Vyver, Stijn Van de; Dusselier, Michiel; Jacobs, Pierre A.; Sels, Bert F. Lewis acid catalysis on single site Sn centers incorporated into silica hosts. Coordination Chemistry Reviews. 2017, 343: 220–255. doi:10.1016/j.ccr.2017.05.010. 
  26. ^ Corma, A; Navarro, MT; Nemeth, L; Renz, M. Sn-MCM-41—a heterogeneous selective catalyst for the Baeyer-Villiger oxidation with hydrogen peroxide. Chemical Communications. 7 November 2001, (21): 2190–1. ISSN 1364-548X. PMID 12240094. doi:10.1039/B105927K. 
  27. ^ Renz, M; Blasco, T; Corma, A; Fornés, V; Jensen, R; Nemeth, L. Selective and shape-selective Baeyer-Villiger oxidations of aromatic aldehydes and cyclic ketones with Sn-beta zeolites and H2O2. Chemistry. 18 October 2002, 8 (20): 4708–17. ISSN 1521-3765. PMID 12561111. doi:10.1002/1521-3765(20021018)8:20<4708::AID-CHEM4708>3.0.CO;2-U. 
  28. ^ 28.0 28.1 28.2 Leisch, Hannes; Morley, Krista; Lau, Peter C. K. Baeyer−Villiger Monooxygenases: More Than Just Green Chemistry. Chemical Reviews. 13 July 2011, 111 (7): 4165–4222 [2022-07-09]. ISSN 0009-2665. PMID 21542563. doi:10.1021/cr1003437. （原始内容存档于2021-09-26）. 
  29. ^ Sheng, Dawei; Ballou, David P.; Massey, Vincent. Mechanistic Studies of Cyclohexanone Monooxygenase: Chemical Properties of Intermediates Involved in Catalysis. Biochemistry. 1 September 2001, 40 (37): 11156–11167. ISSN 0006-2960. PMID 11551214. doi:10.1021/bi011153h. 
  30. ^ Polyak, Iakov; Reetz, Manfred T.; Thiel, Walter. Quantum Mechanical/Molecular Mechanical Study on the Mechanism of the Enzymatic Baeyer–Villiger Reaction. Journal of the American Chemical Society. 8 February 2012, 134 (5): 2732–2741. ISSN 0002-7863. PMID 22239272. doi:10.1021/ja2103839. 
  31. ^ van Berkel, W. J. H.; Kamerbeek, N. M.; Fraaije, M. W. Flavoprotein monooxygenases, a diverse class of oxidative biocatalysts. Journal of Biotechnology. 5 August 2006, 124 (4): 670–689. ISSN 0168-1656. PMID 16712999. doi:10.1016/j.jbiotec.2006.03.044. hdl:11370/99a1ac5c-d4a4-4612-90a3-4fe1d4d03a11 可免费查阅 （英语）. 
  32. ^ Iyanagi, Takashi. Molecular Mechanism of Phase I and Phase II Drug‐Metabolizing Enzymes: Implications for Detoxification. International Review of Cytology (Academic Press). 1 January 2007, 260: 35–112 [2022-07-09]. ISBN 9780123741141. PMID 17482904. doi:10.1016/S0074-7696(06)60002-8. （原始内容存档于2022-07-12） （英语）. 
  33. ^ Fiorentini, Filippo; Geier, Martina; Binda, Claudia; Winkler, Margit; Faber, Kurt; Hall, Mélanie; Mattevi, Andrea. Biocatalytic Characterization of Human FMO5: Unearthing Baeyer–Villiger Reactions in Humans. ACS Chemical Biology. 15 April 2016, 11 (4): 1039–1048. ISSN 1554-8929. PMID 26771671. doi:10.1021/acschembio.5b01016. 
  34. ^ 34.0 34.1 Fürst, Maximilian J. L. J.; Gran-Scheuch, Alejandro; Aalbers, Friso S.; Fraaije, Marco W. Baeyer–Villiger Monooxygenases: Tunable Oxidative Biocatalysts. ACS Catalysis. 6 December 2019, 9 (12): 11207–11241. doi:10.1021/acscatal.9b03396 可免费查阅. 
  35. ^ Fürst, Maximilian J. L. J.; Romero, Elvira; Gómez Castellanos, J. Rúben; Fraaije, Marco W.; Mattevi, Andrea. Side-Chain Pruning Has Limited Impact on Substrate Preference in a Promiscuous Enzyme. ACS Catalysis. 7 December 2018, 8 (12): 11648–11656. PMC 6345240 可免费查阅. PMID 30687578. doi:10.1021/acscatal.8b03793 可免费查阅. 
  36. ^ Fürst, Maximilian J. L. J.; Boonstra, Marjon; Bandstra, Selle; Fraaije, Marco W. Stabilization of cyclohexanone monooxygenase by computational and experimental library design. Biotechnology and Bioengineering. 2019, 116 (9): 2167–2177. ISSN 1097-0290. PMC 6836875 可免费查阅. PMID 31124128. doi:10.1002/bit.27022 可免费查阅 （英语）. 
  37. ^ Li, Guangyue; Garcia-Borràs, Marc; Fürst, Maximilian J. L. J.; Ilie, Adriana; Fraaije, Marco W.; Houk, K. N.; Reetz, Manfred T. Overriding Traditional Electronic Effects in Biocatalytic Baeyer–Villiger Reactions by Directed Evolution. Journal of the American Chemical Society. 22 August 2018, 140 (33): 10464–10472. ISSN 0002-7863. PMC 6314816 可免费查阅. PMID 30044629. doi:10.1021/jacs.8b04742. 
  38. ^ Levine, Seymour D.; Adams, Richard E.; Chen, Robert; Cotter, Mary Lou; Hirsch, Allen F.; Kane, Vinayak V.; Kanojia, Ramesh M.; Shaw, Charles; Wachter, Michael P.; Chin, Eva; Huettemann, Richard; Ostrowski, Paul. Zoapatanol and Montanol, Novel Oxepane Diterpenoids, from the Mexican Plant Zoapatle (Montanoa tomentosa). J. Am. Chem. Soc. 1979, 101 (12): 3405–3407. doi:10.1021/ja00506a057. 
  39. ^ Kane, Vinayak V.; Doyle, Donald L. Total Synthesis of (±) Zoapatanol: A Stereospecific Synthesis of a Key Intermediate. Tetrahedron Lett. 1981, 22 (32): 3027–3030. doi:10.1016/S0040-4039(01)81818-9. 
  40. ^ Kane, Vinayak V.; Doyle, Donald L. Total Synthesis of (±) Zoapatanol. Tetrahedron Lett. 1981, 22 (32): 3031–3034. doi:10.1016/S0040-4039(01)81819-0. 
  41. ^ Świzdor, Alina. Baeyer-Villiger Oxidation of Some C19 Steroids by Penicillium lanosocoeruleum. Molecules. 2013, 18 (11): 13812–13822. PMC 6270215 可免费查阅. PMID 24213656. doi:10.3390/molecules181113812 可免费查阅. 
检索自“https://zh.wikipedia.org/w/index.php?title=拜耳-维立格氧化反应&oldid=80836750”