铁酞菁催化碘苯二乙酸酯氧化硫醚反应：催化与机理研究

《Inorganica Chimica Acta》：Iron phthalocyanine-catalyzed oxidation of sulfides with iodobenzene diacetate: Catalytic and mechanistic insights

　　

摘要

三价铁酞菁配合物被证明是有机硫化物化学选择性氧化的高效催化剂，使用二醋酸碘苯作为温和的供氧体。在优化条件下，各种硫化物被转化为相应的亚砜，取得良好至优异的选择性和高产率，实现高达 2000 的转换数 (TONs)。哈米特相关研究和 ¹⁸O 标记实验为催化途径提供了见解，支持涉及高价铁 - 氧物种的亲电氧原子转移 (OAT) 机理。一种反应性铁 - 氧酞菁中间体 (4) 已成功在 situ 生成，并通过与苯硫醚衍生物的动能研究独立探测了其反应性。值得注意的是，直接动能测量得到的相对速率常数比与催化竞争实验获得的产品分布之间的比较显示出了明显的差异。中间体 4 对电子效应的敏感性 (ρ⁺ = ?1.68) 显著高于催化系统 (ρ⁺ = ?0.72)，表明可观察到的铁 - 氧物种并非周转条件下主要的活性氧化剂。这些发现指出，在催化循环中，一种更短暂、高能的铁 - 氧物种作为主要的功能氧化剂参与其中。

引言

催化氧化在现代合成化学中起着至关重要的作用，但在温和且可持续的条件下实现高选择性仍然是一个核心挑战。[1]，[2]，[3] 在此背景下，将硫化物高效且选择性地氧化为亚砜代表了一种特别有价值的转化，因为亚砜在有机合成和功能材料中作为多功能中间体。[4]，[5] 除了合成用途外，光学活性亚砜是各种生物活性分子中的突出结构元素，包括临床上相关的药物。[6]，[7] 此外，硫化物氧化是工业过程（如氧化脱硫以减少燃料中的含硫污染物）的核心。[8]

自然界通过金属酶（如细胞色素 P450 酶）[9] 以令人瞩目的效率实现选择性氧化，[10] 它们通过高价金属 - 氧中间体在温和条件下实现氧原子转移 (OAT)。这些生物系统激发了大量基于过渡金属大环配合物的仿生氧化催化剂的开发努力。[11]，[12]，[13]，[14] 包括铁、锰、钛、钒和钌配合物在内的一系列金属系统已被探索用于各种氧化反应，[15] 包括亚砜化，通常涉及类似于酶氧化剂的亲电金属 - 氧或金属 - 过氧物种。[2]，[16]，[17]，[18]，[19] 尽管取得了重大进展，但许多合成亚砜化催化剂仍存在局限性，包括过度氧化成砜、底物通用性受限以及在氧化条件下稳定性降低，特别是当使用环境友好的氧化剂（如过氧化氢）时。[20]，[21]

金属酞菁 (MPcs) 已成为一类独特的大环催化剂，[22] 与传统金属卟啉体系相比具有几项优势。其刚性、共轭骨架赋予了增强的抗氧化降解能力，而其与血红素的结构相似性支持了类似的 OAT 化学反应活性模式。这些特征结合其在大制备规模上易于合成，[23] 使得 MPcs 得以应用于多种氧化过程。[24]，[25]，[26] 一个显著的例子是 Merox 工艺，其中磺化钴酞菁在石油炼制过程中催化硫醇和硫化物的有氧氧化。[27] 在机理上，MPc 催化的氧化反应通常被提议通过高价金属 - 氧中间体进行，类似于金属卟啉化学中的 I 型化合物或 II 型化合物。[28] 尽管通过光谱研究和产物分析获得了此类中间体的间接证据，[29] 但在酞菁框架内明确定义的反应性金属 - 氧物种的例子仍然稀少。Sorokin 及其同事于 2012 年首次鉴定了一种四价铁 - 氧自由基阳离子酞菁配合物，[30] 随后在 μ-亚硝基双酞菁体系中发现了二铁(IV)-氧核心的证据。[31] 最近，我们小组报道了 Mn(IV)-氧和 Fe(IV)-氧物种的化学和光化学生成，并系统地评估了它们对一系列底物的反应性。[32]，[33]，[34]

尽管 MPcs 在有氧氧化反应中得到了广泛研究，但它们在结合末端氧化剂方面的应用相对不发达。基于我们之前证明 PhI(OAc)? 作为金属卟啉和 corrole 体系中温和氧化剂有效性的研究，[35]，[36]，[37] 我们寻求将这种方法扩展到铁酞菁催化剂。在此，我们报道了一系列促进使用 PhI(OAc)? 将硫化物高效且化学选择性地氧化为亚砜的三价铁酞菁配合物。在优化条件下，一系列有机硫化物 undergo 高效转化，以高产率得到相应的亚砜，选择性高达 98%。同时，机理研究进一步揭示了使用 PhI(OAc)? 氧化三价铁前体时反应性铁 - 氧中间体的形成，并通过苯硫醚对其反应性进行了动力学研究。通过竞争实验考察了观察到的氧物种的参与情况，为其在催化条件下作为活性氧化剂的作用提供了见解。

章节片段

材料与仪器

所有商用试剂均为最高可用纯度，除另有说明外，均按供应使用。二醋酸碘苯，也称为 (二乙酰氧碘)苯，即 PhI(OAc)₂，购自 Sigma-Aldrich Chemical Co.，并直接接收使用。4-tert-丁基酞腈、4-(2,6-二甲基苯氧基)酞腈、4-十二烷氧基酞腈和 4-硝基酞腈购自 TCI America，并直接用于本工作中三价铁酞菁催化剂的合成。

苯硫醚催化氧化的筛选研究

尽管 PhI(OAc)? 长期以来一直用作温和的氧源，但据我们所知，其用于任何金属酞菁催化的氧化反应尚未得到探索。因此，首先在四种铁(III) 酞菁催化剂 (1a–d) 催化的苯硫醚氧化中评估了其效用，这些催化剂的配体电子和空间环境不同。众所周知，未取代的 Fe^III(Pc)Cl 在反应中表现出有限的溶解度

结论

总之，本工作证明三价铁酞菁配合物是作为催化剂，利用 PhI(OAc)₂ 选择性地将硫化物氧化为亚砜的高效系统。该系统在温和条件下运行，实现高转换数和优异的化学选择性，即使存在敏感官能团（如烯丙基双键）也是如此。在甲醇/水混合物中使用 PhI(OAc)₂ 有效地缓解了常见的催化剂聚集和氧化

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系，这些利益或关系可能会影响本论文中报告的工作。

致谢

本研究得到 国家科学基金会 (CHE 2154579) 的支持。C. Schlabach 和 J. Thomas 感谢 WKU 研究办公室授予内部 FUSE 资助。我们还感谢 WKU 先进材料研究所的 Stephanie Hagan 女士协助进行 ESI-MS 测量。

Candice Schlabach|Jesse Thomas|Zachary Talmon|Rui Zhang

化学与生物化学系，美国西肯塔基大学