臭氧氧化有機小分子反應研究進展

徐仁杰，壽成偉，夏穎帆，蔣成君

（1.浙江科技學院生物與化學工程學院，杭州 310029；2.內蒙古恒業成有機硅有限公司，內蒙古 烏海 016000）

氧化反應是合成化學的基本反應之一，廣泛地應用于醫藥、農藥等精細化工產品的生產[1]。常用的氧化劑有高氯酸、高錳酸、重鉻酸及其鹽類化合物，還包括雙氧水、過氧化鈉等，這些氧化劑大多都會產生大量有毒廢物，帶來嚴重的環境污染。臭氧氧化技術采用臭氧作為氧化劑，具有高效、環保、清潔的特點，在反應結束后可以自行分解不產生殘留和嚴重的三廢污染問題，符合當今綠色化學、清潔生產的發展要求[2]。

臭氧在常溫下是一種有特殊臭味的淡藍色氣體，可自行分解為氧氣。其熱分解為雙原子氧，釋放出143 kJ/mol的能量。O3分子中1個中心氧原子以sp2雜化與其他2個氧原子相結合形成三角形分子，鍵角為116.8°，分子中還存在三原子四電子非定域π鍵垂直于分子平面，O－O鍵距離為0.127 8 nm，表現出了相當大的雙鍵特征[3]。臭氧的體積很小，但它卻是一種難以用量子化學研究的分子，主要是由于臭氧價電子的廣泛離域性。

本文敘述臭氧氧化有機小分子方面的研究進展，并對其進行總結和展望，以期對臭氧氧化有機小分子有更深入的了解，為臭氧氧化技術在有機合成領域的應用拓展提供理論基礎。

1 臭氧與碳氫化合物反應

用臭氧氧化順式和反式十氫萘可以生成雙環[4,4,0]癸烷-9-醇。PRYOR等發現，臭氧對甲基和亞甲基具有一定的進攻作用，特別是對苯基位置的甲基和亞甲基[4]。在異丙苯的臭氧化反應中，當溫度加熱到室溫時，異丙苯會生成三氧化異丙苯，進一步生成二甲基苯甲醇：

CERKOVNIK等對異丙苯的臭氧化進行了更深入的研究，通過核磁共振證明了異丙苯臭氧化的產物中有三氧化二氫（HOOOH）和異丙苯臭氧化物的存在，認為異丙苯臭氧化物的形成與自由基機理有關，自由基（HOOO·）從異丙苯基自由基中得到氫原子形成HOOOH[5]：

OLAH等認為在強酸性介質中進行碳氫化合物的臭氧化時，質子化的臭氧會觸發親電取代[6-7]：

MAZUR等在-78℃，用質量分數4.5%的臭氧氧化具有叔碳原子的衍生物，發現產物中叔醇的收率很高[8]。這種方法通常適用于環狀飽和烴：

C－C鍵在-45℃硅膠上發生臭氧化，則裂解成酮：

溫度對產物比例有影響，在3-甲基戊烷的臭氧化反應中，隨著溫度升高，酮的比例逐漸增加：

新戊烷在這些條件下不被氧化，MAZUR解釋C－C鍵的斷裂是臭氧的親電攻擊，然后是碳的分子內移動[9]：

RINDONE等報道了環癸烷和環十二烷的臭氧化反應得到59%環烷酮和6%的環烷醇（轉化率96%）[10]：

MEIJèRE等提出，臭氧化也適用于α-位環丙基烴的官能化，生成環丙基烷基酮。此外，α位氧化成環丙基優于叔位的羥基化[11]：

AVZYANOVA等在-90℃下臭氧氧化金剛烷，得到了非常有選擇性的金剛烷-1-醇[12]：

MAZUR等通過C25-H前體的區域選擇性羥基化實現了在1-α,25-二羥基維生素D3合成的過程中合成C25-OH中間體（收率51%，轉化率11%）[13]：

這對于失活C－H鍵的羥基化很有指導意義。不飽和化合物的雙鍵在溴化的保護下，也可使用該方法。

夏士朋等提出了臭氧氧化對硝基甲苯制備對硝基苯甲酸的新工藝，收率高達93%[14]：

通過臭氧與碳氫化合物的反應可以得到一些相應的醇，酮等化合物，這些化合物通過常規的方法很難合成。

2 臭氧與烯烴反應

德國化學家SCH?NBOIN首次對臭氧與烯烴等有機物的反應進行了研究。在此基礎上HARRIES等進行了更為廣泛深入的研究，發現了著名的HARRIES臭氧化反應。該反應是將臭氧氣流通入含烯烴的溶液中，烯烴在臭氧的作用下，其雙鍵從中間斷裂，同時生成2個羰基化合物。隨后在硫化合物等還原劑的作用下可以得到羰基化合物（Me為甲基）：

德國化學家CRIEGEE提出了3步反應機理：1）臭氧先對烯烴進行1,3-偶極環加成得到一級臭氧化物；2）重排得到兩性離子過氧化物；3）再一次1,3-偶極環加成生成最終的臭氧化物。反應式為：

臭氧的高活性導致各種不同的反應路徑相互競爭，其分解機理的仍然不明確[15]。BAILEY等根據大量的實驗結果提出，初始協同的1,3-偶極環加成步驟決定了一級臭氧化合物的立體化學特性；E-烯烴形成具有雙軸向或雙橫向取代基的反式-一級臭氧化合物，而Z-烯烴形成具有軸向和橫向取代基的順式-一級臭氧化合物[16]。CREMER采用從頭算理論計算了烯烴臭氧化反應的整個歷程，提出反應的立體選擇性主要是由環上的取代基與取代基之間、偶極與偶極之間、取代基與環之間的相互作用來決定的[17]。

STORY提出了其他機理，作為烯烴臭氧化反應的重要中間體，羰基氧化物在羰基的加成反應中一般會發生不同程度的二聚和多聚。隨著親偶極體(如酮)的活性逐漸降低，羰基氧化物可直接被親核試劑捕獲，反應不產生二級臭氧化物和其他過氧化物[18-20]。例如通過內部捕獲臭氧分解樺樹還原芳香族化合物而產生的羰基氧化物，合成了三環雙螺氧基縮酮（X為OH或OOH、OMe）：

RIVA等在合成香豆素-8-卡巴醛的過程的最后一步使用了臭氧氧化體系，在含有過量聚合物負載的硫脲臥式填充床上進行臭氧化合物的還原，得到醛類化合物收率達92%[21-22]：

艾買提江·薩伍提等以油酸甲酯為原料，用臭氧氧化法制備壬二酸單甲酯（產物收率達78%以上，純度高達96%）[23]：

臭氧氧化烯烴是一種非常好的酮類化合物的合成方法，在工業上是有較大的應用價值。

3 臭氧與醇反應

PLESNI?AR等在低溫下用臭氧氧化仲醇（如異丙醇），得到了相應的臭氧化物。溫度升高，三氧化二氫（HOOOH）會分解為其他多種產物（t-BuOMe為甲基叔丁基醚）[24]：

ABDRAKHMANOVA等在-70℃下，以CFCl3為溶劑，用臭氧氧化外-雙環[2,2,1]庚烷-2-醇，得到了相應的臭氧化物。當溫度升至室溫后，分解為雙環[2,2,1]庚烷-2-酮和氧氣[25]：

臭氧氧化醇可以得到相應的酮，醛或酸，避免了重鉻酸鉀等氧化所帶來的污染問題。

4 臭氧與醚反應

PRICE等用臭氧氧化仲醚，生成相應的臭氧化物。臭氧氧化仲醚的第一步是將臭氧插入氧原子旁邊的C－H鍵[26]：

ERICKSON等在-78℃下臭氧化純二異丙醚，隨后將所得混合物加熱到室溫，得到3種產物，丙酮、異丙醇和乙酸異丙酯（摩爾比1:1.3:2.7）[27]：

結果可以通過臭氧化物的周環分解機理來解釋：

PLESNI?AR等提出從甲基α-甲基芐醚或α-甲基芐醇中提取的臭氧化物，是通過氫鍵自身締合產生的（R為H或Me，Ph為苯基）：

隨后，PLESNI?AR等又對這一觀點進行了修正。即便不能完全排除臭氧化物的非自由基（“周環”）分解路徑，但有證據支持RO－OOH鍵斷裂和隨后的籠型自由基對歧化。

臭氧氧化醚可以得到相應的醇或酮，常規的氧化反應難以實現這一過程。

5 臭氧與醛反應

PLESNI?AR等在低溫下臭氧氧化苯甲醛，首先臭氧1,3偶極體插入到醛的C－H鍵中，然后所產生的臭氧化物發生分子內氫轉移迅速分解，生成苯甲酸和單線態氧[28]：

HOCKING等認為在DAKIN反應中應該加入一種臭氧化物中間體。他們發現過氧化氫的反應為1、4級，而酮的反應為1級。在非常溫和的條件下，即可實現臭氧氧化醛得到酸[29]。

6 總結與展望

目前，臭氧在化工氧化方面存在如下問題：1）臭氧含量過低，傳統電解技術制備的臭氧的質量分數只能達到20%；2）反應產物中如何將未反應的臭氧/氧氣與液相物料分開；3）臭氧的在線檢測設備等有待于進一步研究；4）臭氧化合物的不穩定導致很難用儀器檢測其結構，一些反應的機理尚不明確。

臭氧的強氧化能力很容易打斷烯烴等有機物的碳鍵結合鍵，使其部分氧化后再組成新的化合物。目前，作為一種綠色清潔的氧化技術，臭氧氧化并不僅僅局限于處理有機廢水，在有機合成過程中也逐漸趨于成熟，并且在香料、香精、制藥等行業上得到很大規模應用。如在生產培南類抗生素中間體4-乙酰氧基氮雜環丁酮的過程中就大規模的使用了臭氧氧化技術。臭氧氧化處理廢水所使用的是含低含量臭氧的空氣或氧氣，臭氧生產的效率的不足是制約其在有機合成中應用的原因之一。臭氧氧化以產生自由基等活性中間體來強化臭氧化，自由基很難通過常規的方法檢測，基礎研究薄弱。對臭氧基礎理論進行研究是解決其大規模應用的途徑之一。