浅析四氧化锇双羟基化反应

摘 要：通过使用不同助氧化剂，使四氧化锇由作为计量氧化剂转变成为催化剂，大大提高了四氧化锇催化氧化烯烃进行双羟基化在有机合成中的实用性，此外，还介绍了woodward顺式双羟基化反应、光催化和金属催化双羟基化反应。

关键字：双羟基化反应；助氧化剂；催化

邻二醇是有机合成中的重要的中间体，手性邻二醇是不对称合成手性天然产物和药物的重要原料。如何制备邻二醇，特别是手性邻二醇有着重要的学术意义和应用前景。在手性邻二醇的不对称合成方面，Sharpless带领的研究小组在这方面做了创造性的工作。1987年，他们发现了金鸡纳碱衍生物催化的烯烃不对称双羟基化反应（AD），该反应是现代有机合成化学中最重要的反应之一，经Sharpless及其他一些研究小组近十年来的努力，使这一反应不断完善，在典型的反应中，以0.2 mol%四氧化锇和1 mol%各种金鸡纳碱衍生物作催化剂，以计量的K3Fe（CN）6作氧化剂，对大多数烯烃都能得到高产率、高对映选择性的光学活性邻二醇，且反应条件极为温和，无需低温、无水、无氧等条件，使这一反应成为应用前景最为广泛的不对称催化反应之一[1]。

1 四氧化锇双羟基化方法

作为烯烃的双羟基化反应体系中，四氧化锇几乎是不可替代的关键组分。最初OsO4用于双羟基化反应时，是作为化学计量试剂进行反应的。由于四氧化锇价格昂贵，毒性大，用于有机合成的意义不大。因此通过发现使用廉价、易处理的助氧化剂，使四氧化锇由作为计量氧化剂转变成为催化剂，大大提高了四氧化锇催化氧化烯烃进行双羟基化在有机合成中的实用性。

1.1 四氧化锇固定在无机载体

Severeyns等将四氧化锇通过配体固定在二氧化硅上，制备出固载的四氧化锇催化剂。发现该催化体系对于包括烯烃和环烯烃在内的多类烯烃均具有较好的双羟基化性能[2]。

Choudary等将K2OsO4负载在纳米MgO上，制备了易回收可反复使用的固定催化剂AP-Mg-OsO4，在常温下使用NMO作为氧化剂顺利地实现了各类烯烃的双羟基化，是一种环境友好可反复使用的催化剂体系[3]。

1.2 四氧化锇固定在有机载体

Yang等将四氧化锇置于树脂内部，实现四氧化锇的固定化。通过这种简单的固定得到的XAD-OsO4系列催化剂在空气中稳定且不挥发，该催化体系对于多类烯烃均具有很好的不对称双羟基反应性能，并在连续的5次实验中没有催化活性的明显下降[4]。

Tang等在反应时原位生成的树枝状锇的配合物，通过水的加入，利用反应体系在极性溶剂相和非极性溶剂相之间的切换，使得产物所在的极性溶剂相与催化剂相完全分离，从而实现了催化剂相的回收及反复使用，在使用环己烯的双羟基化反应中，反复使用了10次，未出现收率的下降，是一种新颖的分离方法[5]。

1.3 离子交换法固定化

Choudary等通过离子交换法将OsO42-交换进入水滑石中的阴离子层，制备了可反复使用的有效的固体催化剂[6]。

1.4 四氧化锇的微封装法

微封装是近年来化学合成技术中发展的一种技术，该技术将活性物种封装在高分子中，可有效地提高活性物种的稳定性、实现可控的反应速率及进行有效的催化反应。值得指出的是，这种微封装方法同其他固定化方法不同，通常的固定化方法是通过化学键合完成的，而微封装则是一种物理方法。

在这方面Kobayashi等进行了一系列的研究工作[7]。最初是将四氧化锇封装在聚苯乙烯中，发现通过这种方法微封装的催化剂具有广泛的双羟基化性能，而且可多次反复使用未出现活性下降[8]。

接着通过变换封装材料，发现丙烯腈-丁二烯-聚乙烯聚合材料比聚乙烯有着更高的收率和对映选择性[8]。

1.5 助氧化剂

在烯烃的双羟基化反应中，NMO常用作助催化剂完成活性锇的催化循环。Bergstad等通过如图所示的反应机理，采用m-CPBA原位生成NMO，实现了锇的催化循环[9]。

Jonsson等没有用m-CPBA作为最终氧化剂，而采用过氧化氢促使了黄素完成了从NMM到NMO的氧化。

此外，还有使用NaClO2作为有效的烯烃双羟基化氧化剂的报道。

1.6 离子液体为溶剂

Yao在其双羟基化过程中，通过采用离子液体[bmim][PF6]，并将OsO4形成有机配合物，成功地应用于各类烯烃的双羟基化。

在连续的六次回收实验中，活性没有出现下降，说明是一种有效的可循环回收使用體系。Branco等在由[C4min][PF6]和叔丁醇与水形成的共溶剂体系中，以K2OsO2（OH）4为催化剂，K3Fe（CN）6为共氧化剂，（DHQD）2PYR作为配体，常温下1-己烯反应24 h，可获得收率为96%的邻二醇，对映选择性为91%。连续使用9次收率只下降了5%[10]。

Closson等则将黄素、钒的配合物和CH3ReO3固定化在离子液体[bmim][PF6]中，可直接使用过氧化氢作为氧化剂，成功地实现了电子传递，将烯烃双羟基化成相应的邻二醇。

2 其它双羟基化方法

2.1 woodward顺式双羟基化方法

Woodward最早在1958年发表，以CH3COOH为溶剂，I2和CH3COOAg催化烯烃再经水解后可以得到顺式二羟基[11]。

Lourdusamy E 等以高碘酸钠和溴化锂为催化剂，能有效地催化脂肪族以及芳香族烯烃，顺式二羟基化物的产率可高达91%。但是当以二乙酰氧基碘代苯和溴化锂为催化剂时，则得到的是反式二羟基化产物。

2.2 光催化双羟基化

Sanjuan等仅以氧气和水为反应试剂，制备的钛分子筛催化剂可将环己烯进行双羟基化。这给双羟基化提供了通过光催化反应得到相应产物的方法。

2.3 其它金属体系

双羟基化反应中，四氧化锇担任着举足轻重的作用。用其他金属作为活性物种进行双羟基化反应的报道不多。Shing等采用RuO4和RuCl3就分别实现了烯烃的双羟基化[13]。与锇催化剂相比，收率较低。

不同助氧化剂及其他助剂的选择会对反应结果有截然不同的表现，如Yang等报道了助氧化剂为Oxone时，烯烃发生了氧化均裂，生成相应的醛。

更令人兴奋的例子来自于Ho等最近的研究工作，他们将钌改性的羟基磷灰石RuHAP固体催化剂成功地应用于烯键的双羟基化。

2.4 金属催化体系

Usui等开发了一种无需有机溶剂和金属的固体催化体系。将磺酸基团固定在树脂上得到Nafion催化剂，以过氧化氢为氧化剂，70 ℃反应时，可将各类烯烃双键打开生成邻二醇[14]。在进行的循环回收实验中，环己烯在10次的双羟基化反应中，收率一直没有出现下降。

参考文献

[1] Kolb H C， Nieuwenhze M S， Sharpless K B. Catalytic Asymmetric Dihydroxylation[J]. Chem. Rev. 1994， （94）： 2483-2547.

[2] Severeyns A， De Vos D E， Fiermans L， Verpoort F， Grobet P J， Jacobs P A. A Heterogeneous cis-Dihydroxylation Catalyst with Stable， Site-Isolated Osmium-Diolate Reaction Centers[J]. Angew. Chem. Int. Ed. 2001， 40（3）： 586-589.

[3] Choudary B M， Jyothi K， Kantam M L， Sreedhar B. A chiral Dihydroxylation of Olefins by Osmate （OsO42-） Stabilised on Nanocrystalline Magnesium Oxide[J]. Adv. Synth. Catal. 2004， 346（1）： 45-48.

[4] Yang J W， Han H， Roh E J， et. al.. Osmium Tetroxide Anchored to Porous Resins Bearing Residual Vinyl Groups： A Highly Active and Recyclable Solid for Asymmetric Dihydroxylation of Olefins[J]. Org. Lett. 2002， 6（25）： 4685-4688.

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[11] Woodward R B， Brutcher F V. cis-hydroxylation of a synthetic steroid intermediate witn iodine， silver acetate and wet acetic acid[J]. J. Am. Chem. Soc.1958， 80（）： 209-211.

[12] Lourdusamy E， Tanveer M， Arumugan S. NaIO4/LiBr-mediated diastereoselective dihydroxylation of olefins： a catalytic approach to the Prevost-Woodwad reaction[J]. Org. Lett. 2005， 7（22）： 5071-5074.

[13] Shing T K M， Tam E K W. Solvent effect on ruthenium catalyzed dihydroxylation[J]. Tetrahedron Lett. 1999， 40（11）： 2179-2180.

[14] Usui Y， Sato K， Tanaka M. Catalytic Dihydroxylation of Olefins with Hydrogen Peroxide： An Organic-Solvent-and Metal-Free System[J]. Angew. Chem. Int. Ed. 2003， 42 （45）： 5623-5625.

作者簡介

罗维（1986-），女，硕士，2010年毕业于北京理工大学，现任广东环境保护职业学院实训中心实验员，主要从事实验教学与管理。