铁介导的硫醇盐与双氧气的氧化反应——物种形成、自氧化及选择性

《ChemCatChem》：Iron-Mediated Oxidation of Thiolates with Dioxygen – Speciation, Autoxidation, and Selectivity

硫醇盐在氧气存在下的氧化反应研究表明，电子富集的硫醇盐（如NaSPh）可自氧化生成磺酸盐（96%产率），而初级硫醇盐需铁离子催化（FeCl?）才能有效氧化，产物包括磺酸盐（最高81%）、二硫键化合物（5%-62%）及硫代硫酸盐。反应机理涉及四硫醇酸铁阴离子（[Fe(SPh)?]2?）的形成与分解，M?ssbauer光谱证实铁物种的氧化态变化，并揭示溶剂极性和硫醇盐取代基对反应路径的影响。

　　在化学研究中，硫醇盐（thiolates）与氧气（O?）的反应是一个备受关注的领域，尤其是在有机合成和生物催化过程中。硫醇盐（RS?）是硫醇（RSH）失去一个质子后的产物，具有较高的电子密度，常用于合成各种含硫化合物，如磺酸盐（sulfonates）和磺酸酯（sulfinates）。然而，这些反应的机理和选择性在许多情况下仍存在挑战，尤其是在尝试开发高效的铁基催化剂时。本文探讨了硫醇盐在不同条件下与氧气反应的特性，以及如何通过设计合适的催化剂来实现选择性的氧化转化。

硫醇盐在与氧气接触时，往往会经历自氧化反应，生成相应的磺酸盐或磺酸酯。对于具有高电子密度的芳香族硫醇盐，例如苯硫醇盐（NaSPh），这种自氧化反应可以在没有铁离子的情况下产生较高的磺酸盐产率（高达96%）。然而，对于脂肪族的一级硫醇盐，它们通常对氧气反应不敏感，因此需要铁离子的参与才能有效促进其氧化。这种差异促使科学家们探索如何设计催化剂，以实现对不同硫醇盐的可控和选择性氧化。

在自然界的生物系统中，存在一些酶，如半胱氨酸双氧酶（CDO）和氨基乙硫醇双氧酶（ADO），它们能够催化硫醇盐的双氧反应，将硫原子氧化为磺酸盐。这些酶的活性中心通常包含一个铁（II）离子，其周围的配体结构能够有效地调控反应路径，防止过度氧化并促进特定的氧化产物形成。为了模仿这些酶的功能，研究人员开发了一系列低分子量的铁配合物，例如Tp??Fe(SCH?CH(NH?)CO(OEt))，这些配合物在结构上与CDO的底物复合物相似，并且在氧化反应中表现出良好的选择性和活性。

然而，在尝试开发催化方法时，研究人员发现当反应体系中存在过量的硫醇盐或其衍生物时，往往会生成二硫化物（disulfides）而非磺酸盐。这表明，铁离子在某些情况下可能并不总是有利于选择性的磺酸盐生成，反而可能导致副产物的形成。因此，为了建立一种有效的催化过程，研究者们进行了系统的实验，考察不同硫醇盐与氧气反应的条件，并通过多种分析手段，如摩斯巴auer谱学（M?ssbauer spectroscopy）和核磁共振（NMR）技术，对反应产物进行了深入研究。

在实验中，研究人员发现，当使用FeCl?作为催化剂时，硫醇盐与氧气的反应可以产生较高的磺酸盐产率，但同时也会导致部分产物的过度氧化。例如，在使用苯硫醇盐（NaSPh）进行反应时，加入FeCl?后磺酸盐的产率从5%增加到45%，而同时也会产生一定量的二硫化物和磺酸酯。这说明，虽然铁离子可以促进反应，但其作用机制可能较为复杂，涉及多种氧化中间体的形成。为了更清晰地理解这一过程，研究者们通过摩斯巴auer谱学分析了反应过程中铁的氧化状态变化，发现铁（III）配合物在反应后期占据主导地位，并且这些配合物通常会从溶液中析出，不再参与后续的反应。

此外，研究还发现，不同的溶剂对反应的选择性和产率有显著影响。协调性溶剂如四氢呋喃（THF）和乙腈（acetonitrile）能够促进硫醇盐的自氧化反应，而非极性溶剂如苯、二氯甲烷（DCM）和氯仿（chloroform）则几乎没有反应活性。这表明，在选择溶剂时需要考虑到其对硫醇盐氧化过程的调控作用。对于一些含有功能基团的硫醇盐，如氨基硫醇盐（cysteamine），其氧化反应的条件也需要特别优化。在保护氨基基团后，这些硫醇盐的氧化反应能够更有效地进行，从而提高磺酸盐的产率。

研究还揭示了不同硫醇盐的反应特性与其取代基的电子密度密切相关。例如，芳香族硫醇盐由于具有较高的电子密度，更容易发生自氧化反应，而脂肪族的一级硫醇盐则需要铁离子的参与才能实现有效的氧化。这一发现对于设计高效的铁基催化剂具有重要意义，因为它提示了催化剂需要针对不同的硫醇盐类型进行调整，以确保其在反应中发挥最佳的促进作用。

为了进一步验证这些结论，研究者们对不同的硫醇盐进行了系统的实验，分析了它们在不同条件下与氧气的反应情况。实验结果显示，使用FeCl?作为催化剂时，某些硫醇盐的磺酸盐产率显著提高，而其他硫醇盐则表现出较低的反应活性。这表明，催化剂的性能可能受到硫醇盐结构和反应条件的共同影响，需要综合考虑这些因素以实现最佳的催化效果。

研究还探讨了反应过程中可能的副反应，例如二硫化物的形成和磺酸酯的过氧化。这些副反应不仅降低了目标产物的产率，还可能影响反应的选择性。因此，在开发铁基催化剂时，需要特别关注如何避免这些副反应的发生，同时确保目标产物的高效生成。

综上所述，本文的研究为硫醇盐的双氧反应提供了重要的理论依据和实验数据。通过分析不同硫醇盐在有无铁离子条件下的反应特性，研究者们揭示了反应机制中的关键因素，并为设计高效的铁基催化剂提供了指导。这些发现不仅有助于理解自然界的氧化反应机制，还为有机合成中的催化反应提供了新的思路和方法。未来的研究可以进一步探索如何优化催化剂的结构和反应条件，以实现对硫醇盐的高效、选择性氧化，并推动其在制药和生物化学领域的应用。