用二氧杂环戊烷氧化是指通过二氧杂环丙烷的作用将氧气引入有机分子中。二恶烷以烯烃氧化成环氧化物而闻名; 然而，它们也能够氧化其他不饱和官能团，杂原子和烷烃CH键。

介绍

二恶烷可以通过KHSO ₅对羰基化合物的作用产生。由于它们的低位σ* _OO轨道，它们是高度亲电子的氧化剂并与不饱和官能团，YH键（产生氧插入产物）和杂原子反应。^[2]用于有机合成的最常见的二恶烷是二甲基二环氧乙烷（DMD）和三氟甲基 – 甲基二环氧乙烷（TFD）。后者对CH和Si-H键的化学选择性氧化有效。^[3]尽管这类试剂最为着名的是烯烃的环氧化，但二恶烷也被广泛用于其他类型的氧化反应。

（1）

机制与立体化学

流行机制

炔烃和丙二烯的环氧化通过类似于简单烯烃的环氧化的协同机制进行。^[4]通常，这些环氧化产物是不稳定的，并通过不同的机制进行进一步的氧化反应，例如YH插入。

杂原子氧化的动力学研究已经证明它们的机制可能通过S _N 2过程而不是单电子转移途径进行。杂原子氧化的一个例子是DMD通过N-氧化物的亲核分解，副反应使还原的原料再生并将氧化剂转化为分子氧和丙酮。^[5]

（2）

关于CH和Si-H氧化的机理，已经提出了两种机制。争论的焦点在于氧化是通过协同的oxenoid型插入还是通过自由基中间体进行。大量证据（包括烯烃类似氧化和过酸环氧化）支持协同机制; ^[6]然而，最近对自由基反应性的观察已经做出。在手性烷烃的氧化中完全保留配置排除了游离的，未夹带的自由基的参与。然而，在一些DMD氧化中已观察到自由基分解途径的产物，表明自由基中间体。^[7]

（3）

立体选择性变体

对映选择性的二氧杂环丙烷氧化可能依赖于手性的非外消旋二恶烷，例如Shi的果糖基二氧杂环丙烷。例如，用Shi催化剂对内消旋二醇进行对映选择性氧化，产生具有中等对映选择性的手性α-羟基酮。^[8]

（4）

或者，可以通过使用手性金属络合物建立不对称环境。例如，硫化物与手性非外消旋过渡金属配合物的配位促进了与二恶烷的对映选择性磺化氧化。牛血清白蛋白也可用于建立磺化氧化的手性环境。^[9]

（5）

范围和限制

二恶烷氧化各种官能团。本节描述了二氧杂环丙烯环氧化的底物范围和最常见的产物。

炔烃，丙二烯，芳烃和其他独特的不饱和官能团的氧化可以产生环氧化物或其他氧化产物。氧化丙二烯得到丙二烯氧化钛或分子参与的产品。^[10]还观察到少量衍生自额外氧化或重排的副产物。

（6）

在杂芳族化合物的氧化中，获得的产物取决于反应条件。因此，在低温下，乙酰化的吲哚以高收率简单地环氧化（未受保护的吲哚经历N-氧化）。但是，当温度升至0℃时，得到重排产物。^[11]

（7）

DMD可以将杂原子氧化成相应的氧化物（或氧化物分解产物）。通常，这些氧化的结果取决于反应条件。叔胺清洁地得到相应的N-氧化物。^[12]伯胺得到硝基烷处理后与4个当量DMD的，但只用2当量处理后氧化偶氮化合物。^[13]仲胺提供羟胺或硝酮。^[14]

（8）

在硝基烷烃原位产生的硝酸根阴离子的氧化在氧化性Nef反应的实例中产生羰基化合物。^[15]

（9）

在单当量DMD存在下的硫化物氧化产生亚砜。^[16]增加DMD的使用量（2个或更多当量）导致砜。氮和硫都比碳 – 碳多键更容易氧化。

（10）

尽管烷烃通常难以直接官能化，但在许多情况下，用TFD进行CH插入是有效的过程。CH键的反应性顺序为：烯丙基>苄基>叔>仲>伯。通常，产生的中间体醇进一步被氧化成羰基化合物，尽管这可以通过用酸酐原位捕获来防止。手性烷烃在保留构型的情况下官能化。^[17]

（11）

二恶烷将伯醇氧化成醛或羧酸; ^[18]然而，DMD选择性地氧化仲醇而不是伯醇。因此，邻位二醇可以通过二氧杂环丙烷氧化转化为α-羟基酮。^[19]

（12）

环氧化通常比CH氧化更容易，尽管空间位阻的烯丙基可以进行选择性CH氧化而不是烯丙基双键的环氧化。^[20]

与其他方法比较

已知多种替代的杂原子氧化试剂，包括过氧化物（通常与过渡金属催化剂一起使用）和氧杂氮丙啶。这些试剂不会遇到与二氧杂环戊烷相关的过氧化问题和分解问题; 然而，它们的基底范围往往更受限制。二氧杂环戊烷到单线态氧的亲核分解是与二氧杂环丙烷杂原子氧化相关的独特问题。尽管手性二氧杂环戊烷不能提供与其他方案相同的对映选择性水平，例如Kagan的磺化氧化系统，^[21]与手性过渡金属络合物络合，然后氧化，得到具有良好对映选择性的光学活性亚砜。

芳烃和累积的氧化最初导致环氧化物。这些底物对许多环氧化试剂具有抗性，包括氧氮杂环丙烷，过氧化氢和锰氧化合物。有机金属氧化剂也与这些化合物反应缓慢，甲基三氧铼除外。^[22]过酸还与芳烃和催化剂反应，但不能与含有酸敏感官能团的底物一起使用。

CH键的直接氧化官能化是氧化化学中的持续问题。在无金属体系中，二氧杂环戊烷是将CH键转化为醇或羰基化合物的最佳氧化剂。然而，一些催化过渡金属体系，例如White的钯 – 亚砜体系，能够选择性地氧化CH键。^[23]

实验条件和程序

典型条件

二恶烷是挥发性过氧化物，应在通风良好的通风橱中小心处理。应严格避免吸入和皮肤接触。由于许多二氧杂环丙烷氧化依赖于反应条件，因此还应注意优化反应参数，例如氧化剂当量和温度。绝对不能在二恶烷的反应中使用羟基和醚类溶剂，因为溶剂会发生竞争性氧化。

TFD的制备^[24]

150毫升，五颈圆底容器配备机械搅拌器，松散填充硅烷化玻璃棉的空气冷却直接冷凝器，固体加料漏斗，延伸到反应混合物中的进气管和温度计。空气冷凝器横向连接到冷却在-75°C（干冰/丙酮）的高效夹套螺旋冷凝器的顶部入口; 该冷凝器的底部出口安装在一个双向馏分收集器适配器上，该适配器带有两个50毫升接收烧瓶，也在-75“C冷却。在适配器上连续放置两个冷阱，第一个冷却至-75℃。 °C，第二个在液氮温度下。主容器中装有NaHCO ₃（1.5 g）和Na ₂ H ₂将EDTA（0.5g）溶于15mL双蒸水中，并在2-5℃下冷却。向其中加入20g（0.179mol）1,1,1-三氟-2-丙酮，开始机械搅拌。将固体过氧单硫酸钾（0.081mol，25g Curox三盐）快速加入（1-2分钟）反应容器中，同时使温和的He（或Ar）气流通过混合物。在开始添加固体无机过氧化物之前，对最后的捕集器施加轻微的真空（650-700mmHg）。在添加开始后不久，切换末端双向适配器以插入主收集瓶，并且在6-8分钟内。收集12mL TFD在TFP中的黄色溶液，其中二氧杂环丙烷浓度范围为0.5至0.8M; ¹ H NMR（CF ₃ COCH ₃，Me ₄ Si，-20°C）6 1.97（s）。

TFP的冷溶液可以在MgSO ₄（Analar级）上短暂干燥，快速过滤，并在-20℃下储存在5Å分子筛上（保持良好的避光）。如果在使用额外清洁的玻璃器皿时进行护理（在干燥之前，最终洗涤时我们在双蒸水中使用0.01％Na ₂ H ₂ EDTA）并且小心地排除了痕量金属和其他杂质，只是溶液中二氧杂环丙烷含量的轻微损失是观察到（例如，在48小时内，在-20℃下56％）。可通过低温分馏（沸点22℃）通过高效柱从分解的二氧杂环丙烷溶液中回收昂贵的TFP溶剂。

示例氧化程序^[24]

（13）

将TFD（4.60mL，0.50M，2.30mmol）在三氟丙酮/ CH ₂ Cl ₂（2：1v / v）中于-20°的溶液加入到金刚烷（136mg，0.100mmol）在CH _2中的溶液中。Cl ₂（5mL）也在-20°，同时剧烈磁力搅拌。通过GLC分析跟踪反应进程，表明97％的金刚烷在40分钟内转化为其羟基化产物。在旋转蒸发器（-20°，15mmHg）上除去溶剂，得到1,3-二羟基金刚烷（156mg，91％）和单羟基金刚烷（4.6mg，3％）的混合物。1,3-二羟基金刚烷的光谱数据如下。IR（KBr）：3275（OH），2930和2851（CH），1453,1135,1027,968,911,801cm ^-1。¹1 H NMR（CDCl ₃）：1.50（m，2H），1.62（表观d，8H），1.65（s，2H），2.23（m，2H），4.88（OH）。