9-氮杂双环[3.3.1]壬烷-N-氧基自由基：高效有机催化剂

基本信息

中文常用名：9-氮杂双环[3.3.1]壬烷-N-氧基自由基

英文名称：9-Azabicyclo[3.3.1]nonane N-oxyl

CAS号：31785-68-9

分子式：C8H14NO*

分子量：140.20286

EINECS号：803-697-7

9-氮杂双环[3.3.1]壬烷-N-氧基自由基（9-Azabicyclo[3.3.1]nonane N-Oxyl，简称ABNO，CAS号31785-68-9）是一种双环结构的稳定氮氧自由基。与经典的TEMPO（2,2,6,6-四甲基哌啶-1-氧自由基）相比，ABNO的空间位阻显著更小，因而展现出更强的反应活性。其独特的双环骨架结构使氮氧自由基活性位点暴露更充分，能够更高效地与底物分子发生相互作用。

一、核心优势

反应活性更强、底物适用范围更广

ABNO最突出的优势在于其无位阻的分子结构。TEMPO分子中四个甲基的空间位阻较大，限制了其对大位阻醇类底物的氧化效率；而ABNO的双环骨架使活性位点充分暴露，能够高效氧化伯醇、仲醇、烯丙醇、苄醇以及脂肪醇等各类醇。在相同条件下，ABNO催化的反应通常在1小时内即可完成，而TEMPO体系需要数小时甚至无法反应。在催化剂用量仅为0.01 mol%的条件下，ABNO可获得81%的产物收率，而TEMPO仅能得到23%。

反应条件温和、绿色环保

ABNO可在常温常压下以空气中的氧气作为氧化剂，高效催化醇类氧化为相应的醛或酮。体系无需高温高压，无需使用当量的化学氧化剂，副产物仅为水。这一特性使其符合绿色化学的核心理念，被列为绿色化学优选替代产品。

官能团兼容性优异

ABNO催化体系对多种官能团具有良好的耐受性，可在含有敏感官能团的复杂分子中实现选择性氧化。这一特性使其尤其适用于药物分子后期官能化等精细合成场景。

二、典型应用

醇的选择性催化氧化

ABNO最核心的应用是作为醇类选择性氧化催化剂。与Cu(I)盐（如(MeObpy)CuOTf）组成的催化体系，可在室温、空气氛围下高效氧化各类伯醇和仲醇，1小时内即可获得90%以上的分离收率。代表性的氧化结果包括：苯甲醇氧化为苯甲醛收率>99%、1-苯乙醇氧化为苯乙酮收率98%、肉桂醇氧化为肉桂醛收率98%、环己醇氧化为环己酮收率94%。

与Fe(NO₃)₃·9H₂O组成的铁/ABNO体系同样可在室温空气中高效催化醇的需氧氧化。Bi(NO₃)₃/ABNO体系也被报道可在温和条件下实现醇到羰基化合物的高效转化。

胺到亚胺的需氧氧化

2012年有研究报道，ABNO（具体为ketoABNO）可作为高效催化剂，在温和条件下实现胺类化合物到亚胺的需氧氧化。该反应以空气中的氧气为氧化剂，条件温和，操作简便。

醇与胺氧化偶联合成酰胺

Cu/ABNO催化体系可实现醇与胺的氧化偶联，直接构建酰胺键。该反应在室温下即可完成，四种组合（苄基/脂肪族醇与伯/仲胺）均可适用，为酰胺类化合物的合成提供了一条绿色高效的路径。

二元醇的氧化内酯化与氧化环化

Cu/ABNO体系可高效催化对称及大位阻不对称二元醇的需氧氧化内酯化反应。此外，该体系还可催化二元醇与伯胺的氧化偶联，一步构建N-取代吡咯类化合物。

电化学氧化反应

ABNO在电化学氧化领域同样表现出良好的应用前景，可用于吡咯烷的选择性电化学Shono型氧化，以高选择性制备吡咯烷酮类化合物。

蛋白质修饰与化学生物学

ABNO及其衍生物的应用已从小分子合成拓展至蛋白质修饰领域。ketoABNO可用于丝氨酸选择性氧化切割以及色氨酸选择性生物偶联。ABNOH连接的核苷酸也被用于DNA的生物偶联与交联研究。

丙酮酸钠的制备

在丙酮酸钠的合成工艺中，以空气为氧化剂、9-氮杂双环[3.3.1]壬烷-N-氧基自由基为催化剂、亚硝酸钠为助催化剂，可催化氧化合成丙酮酸乙酯，再经水解中和制备丙酮酸钠。在该工艺条件下，丙酮酸乙酯收率可达92%，丙酮酸钠收率可达93%。

9-氮杂双环[3.3.1]壬烷-N-氧基自由基（ABNO）凭借其无位阻的分子结构、优异的催化活性、温和的反应条件以及广泛的底物适用性，已成为有机合成领域备受关注的高效有机催化剂。无论是在醇的选择性氧化、胺到亚胺的转化、酰胺键的绿色构建，还是在电化学氧化与蛋白质修饰等前沿领域，ABNO均展现出广阔的应用前景。随着绿色化学和可持续催化的不断推进，ABNO作为一种高效、环保的催化工具，其应用价值将持续得到发掘与拓展。