雙功能金屬鋅催化劑催化氮雜環(huán)丙烷與CO2環(huán)加成反應的研究

楊海健，聶 亨，文 勤，余 鵬，彭 靜，胡軍成

(中南民族大學 化學與材料科學學院，湖北 武漢 430074)

在有機合成當中，雜環(huán)化合物由于其獨特的結(jié)構(gòu)，具有極為廣泛的應用，尤其是在環(huán)境化學、藥學以及生命科學當中具有重要的作用[1].而氮雜環(huán)丙烷由于其獨特的結(jié)構(gòu)性質(zhì)，即有一個含氮的三元環(huán)，環(huán)張力比較大，具有很高的活性[2]，可以應用于有機合成中，做中間體，利用氮雜環(huán)丙烷以及其衍生物，可以合成一系列鄰氨基化合物和具有生物活性的含氮雜環(huán)化合物[3]，這些都是具有很高應用價值的產(chǎn)品.例如二氧化碳與氮雜環(huán)丙烷發(fā)生環(huán)加成反應，生成惡唑烷酮類的化合物[4]，而惡唑烷酮類的化合物可以作為抗生素類藥物，通過抑制細菌蛋白質(zhì)的合成，從而具備抗菌活性，在醫(yī)學上具有很高的應用價值[5].正因為氮雜環(huán)丙烷具有很高的利用價值，已成為當前研究的熱點，而其中研究的重點在于它的環(huán)加成反應[6].

因為氮雜環(huán)具有以上性質(zhì)，可以將其與CO2反應，生產(chǎn)出具有工業(yè)價值的產(chǎn)品[7].CO2是取之不盡用之不竭的C1資源，然而CO2的過度排放產(chǎn)生了溫室效應[8]，為了解決這一問題，可以將其轉(zhuǎn)化為尿素、甲醇等具有高附加值的產(chǎn)品[9].由于CO2化學性質(zhì)不活潑，故需要在轉(zhuǎn)化過程中加入催化劑，以實現(xiàn)CO2的催化轉(zhuǎn)化[10].目前已經(jīng)開發(fā)出了一系列催化劑，例如金屬Salen配合物[11]、離子液體[12]、MOFs材料[13]、光催化[14]等一系列催化劑或者催化手段，均取得了不錯的效果.

基于氮雜環(huán)丙烷和CO2的性質(zhì)，本文開發(fā)了一種雙功能金屬催化劑，其優(yōu)點是在無溶劑、無助催化劑的情況下，催化效果很好，原因在于其分子上同時存在Lewis酸中心和Lewis堿中心[15].通過合成一系列的氮雜環(huán)丙烷底物，來研究該催化劑的催化活性和底物適用性.

1 實驗部分

1.1 實驗藥品、試劑及儀器

水楊醛、氘代氯仿(百靈威科技有限公司)，多聚甲醛、碳酸氫鈉、二水醋酸鋅、鹽酸、甲苯、醋酸、醋酸銨、正戊烷、溴素、苯乙烯、乙腈、乙醚、無水硫酸鎂、氯化鈉、正丙胺、甲胺(國藥集團化學試劑有限公司)，三苯基膦、苯偶酰、甲硫醚、乙醇胺、N,N-二甲基乙二胺、異戊胺、4-氯苯乙烯、4-甲基苯乙烯、正丁胺、叔丁胺、芐胺(阿拉丁試劑(上海)有限公司)，石油醚、二氯甲烷(上海泰坦化學有限公司)，所有試劑均為分析純.DF-101B 集熱恒溫加熱磁力攪拌器(鞏義市英峪華儀器廠)，DHG-905311型電熱恒溫鼓風干燥箱(上海精宏設備有限公司)，NEXUS 470型傅立葉紅外光譜儀(美國Nicolet公司)，PE Lambda 35 紫外可見分光光度計(美國Nicolet公司)，PE 2400 II型CHNS/O元素分析儀(Perkin Elmer)，核磁共振儀(Bruker A1-400MHz，瑞士布魯克)，DZF-0B型真空干燥箱(上海躍進醫(yī)療器械廠)，旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀(上海亞榮生化儀器廠).

1.2 氮雜環(huán)丙烷合成與表征

參考文獻[16]，開發(fā)出一種合成氮雜環(huán)丙烷的方法，如圖1所示.

圖1 氮雜環(huán)丙烷底物的合成

1.2.1 MS1的合成

向單口圓底燒瓶中加入80 mL二氯甲烷，向其中加入0.4 mol甲硫醚，讓其處于冰水浴的環(huán)境中，同時將0.4 mol溴素和80 mL二氯甲烷的混合溶液緩慢滴入單口圓底燒瓶中，控制好反應速率，則立即產(chǎn)生許多橘黃色沉淀.待全部滴加完畢，進行過濾并用大量的乙醚洗滌，常溫干燥，得到MS1固體.

1.2.2 MS2的合成

向單口圓底燒瓶中加入100 mL的乙腈，將已經(jīng)干燥好的0.3 mol MS1固體加入其中，充分攪拌，使MS1溶解完全，置于冰水浴環(huán)境中.將0.3 mol苯乙烯慢慢滴入，對于制備苯環(huán)上有取代基的氮雜環(huán)丙烷，滴加帶有相應取代基的苯乙烯.當?shù)稳胪耆?，攪?0 min，將會產(chǎn)生許多白色沉淀，過濾并用大量的乙醚洗滌，之后對白色固體進行真空干燥，得到MS2固體.

1.2.3 氮雜環(huán)丙烷底物的合成

在圓底燒瓶中，將所得的20 mmol MS2完全溶解在80 mL超純水中，在室溫條件下，滴入80 mmol相對應的胺的溶液，攪拌使其反應12 h，待反應完全，加入80 mL的NaCl飽和溶液，然后用80 mL的乙醚萃取3次，加入無水硫酸鎂，干燥，過濾，將得到的濾液旋蒸除去溶劑，將得到的液體進行真空干燥，最后得到的液體即為純的不同的氮雜環(huán)丙烷底物.

1.2.4 氮雜環(huán)丙烷底物的表征

對于合成的一系列化合物進行結(jié)構(gòu)表征，表征數(shù)據(jù)如下文所示：

1a：淡黃色液體，產(chǎn)率為99%.1H NMR(400 MHz，CDCl3)δ 7.42～7.21(m，5H)，2.58～2.44(m，3H)，2.28(m，1H)，1.92(t，1H)，1.63(t，1H).13C NMR(101 MHz，CDCl3)δ 140.29，128.33，126.88，126.03，77.57，77.25，76.94，47.97，42.37，39.41.Selected IR peaks(KBr,cm-1)：3 036,2 970,2 946,1 452,1 385,1 081，696.Elemental analysis cald(%)for C9H11N:C 81.16，H 8.32,N 10.52，F(xiàn)ound:C 81.01，H 8.28，N 10.59.

1b：淡黃色液體，產(chǎn)率為99%.1H NMR(400 MHz，CDCl3)δ 7.30～7.25(m，5H)，2.52(m，1H)，2.36～2.27(m，2H)，1.92(d，1H)，1.76～1.67(m，3H)，0.99(s，3H).13C NMR(101 MHz，CDCl3)δ 140.29，128.33，126.88，126.03，77.57，77.25，76.94，47.97，42.37，39.41.Selected IR peaks(KBr,cm-1):3 035,2 931,2 878,1 458,1 379,1 082,697.Elemental analysis cald(%)for C11H15N：C 81.94，H,9.38，N 8.69，F(xiàn)ound:C 81.91 H 9.41，N 8.72.

1c：淡黃色液體，產(chǎn)率為96%.1H NMR(400 MHz，CDCl3)δ 7.38～7.21(m，5H)，2.51(m，1H)，2.33～2.28(m，2H)，1.91(d，1H)，1.71～1.63(m，3H)，0.93(t，3H).13C NMR(101 MHz，CDCl3)δ 140.29，128.33，126.88，126.03，77.57，77.25，76.94，47.97，42.37，39.41.Selected IR peaks(KBr,cm-1)：3 033，2 929，2 818，1 457，1 375，1 085，699.Elemental analysis cald(%)for C12H17N：C 82.23，H 9.78，N 7.99，F(xiàn)ound：C 82.27，H 9.75，N 7.96.

1d：淡黃色液體，產(chǎn)率為96%.1H NMR(400 MHz，CDCl3)δ 7.32(d，J=50.8 Hz，10H)，2.56(m，J=6.5 Hz，1H)，2.03(d，J=8.2 Hz，1H)，1.90(d，1H).13C NMR(101 MHz，CDCl3)δ 140.29，128.33，126.88，126.03，77.57，77.25，76.94，47.97，42.37，39.41.Selected IR peaks(KBr,cm-1)：3 363,3 030,2 913,1 494,1 453,1 356,699.Elemental analysis cald(%)for C15H15N：C 86.08，H 7.22，N 6.69，F(xiàn)ound：C 86.15，H 7.23，N 6.63.

1e：淡黃色液體，產(chǎn)率為96%.1H NMR(400 MHz，CDCl3)δ 7.46～7.29(m，J=46.4 Hz，5H)，2.67(m，1H)，1.93(m，1H)，1.67(m，1H).13C NMR(101 MHz，CDCl3)δ 140.29，128.33，126.88，126.03，77.57，77.25，76.94，47.97，42.37，39.41.Selected IR peaks(KBr,cm-1)：2 968,1 471,1 225,989,762,699.Elemental analysis cald(%)for C12H17N：C 82.23，H 9.78，N 7.99，F(xiàn)ound：C 82.27，H 9.72，N 7.81.

1f：淡黃色液體，產(chǎn)率為96%.1H NMR(400 MHz，CDCl3)δ 7.33～7.24(m，5H)，2.52(m，1H)，2.33(m，1H)，1.92(d，1H)，1.70(m，J=26.7 Hz，2H)，1.56(m，J=24.4 Hz，2H)，0.94(d，6H).13C NMR(101 MHz，CDCl3)δ 140.29，128.33，126.88，126.03，77.57，77.25，76.94，47.97，42.37，39.41.Selected IR peaks(KBr,cm-1)：2 931,2 874,1 492,1 087,1 014,810,654.Elemental analysis cald(%)for C13H19N：C 82.48，H 10.12，N 7.40，F(xiàn)ound：C 82.43，H 10.17，N 7.43.

1g：淡黃色液體，產(chǎn)率為96%.1H NMR(400 MHz，CDCl3)δ 7.32～7.23(m，5H)，2.73(m，2H)，2.37(m，1H)，1.92(d，1H)，1.73(d，1H).13C NMR(101 MHz，CDCl3)δ 140.29，128.33，126.88，126.03，77.57，77.25，76.94，47.97，42.37，39.41.Selected IR peaks(KBr,cm-1)：3 448,2 965,2 812,1 456,1 382,1 080,698.Elemental analysis cald(%)for C14H22N2：C 77.01，H 10.16，N 7.40，F(xiàn)ound：C 77.12，H 10.11，N 12.78.

1h：淡黃色液體，產(chǎn)率為98%.1H NMR(400 MHz，CDCl3)δ 7.27(m,J=36.4 Hz，5H)，3.76(m，2H)，1.96(d，1H)，1.77(d，1H)，1.21(t，J=7.0 Hz，1H).13C NMR(101 MHz，CDCl3)δ 140.29，128.33，126.88，126.03，77.57，77.25，76.94，47.97，42.37，39.41.Selected IR peaks(KBr,cm-1)：3 385,2 934,1 452,1 357,1 063,742,589.Elemental analysis cald(%)for C10H13ON：C 73.59，H 8.03，N 8.58,Found：C 73.65，H 8.09，N 8.52.

1i：淡黃色液體，產(chǎn)率為99%.1H NMR(400 MHz，CDCl3)δ 7.27～7.16(m,5H)，2.50(d，J=33.3 Hz，1H)，1.90(d，1H)，1.66(s，3H)，0.98(t，3H).13C NMR(101 MHz，CDCl3)δ 140.29，128.33，126.88，126.03，77.57，77.25，76.94，47.97，42.37，39.41.Selected IR peaks(KBr,cm-1)：2 930,2 874,1 517,1 378,1 077,790.Elemental analysis cald(%)for C12H17N：C 82.23，H 9.78，N 7.99,Found：C 82.21，H 9.75，N 7.98.

1j：淡黃色液體，產(chǎn)率為99%.1H NMR(400 MHz，CDCl3)δ 7.23(m，J=55.8 Hz，5H)，2.48(d，J=26.0 Hz，1H)，2.30(d，J=28.7 Hz，2H)，1.85(d，1H)，0.97(t，3H).13C NMR(101 MHz，CDCl3)δ140.29，128.33，126.88，126.03，77.57，77.25，76.94，47.97，42.37，39.41.Selected IR peaks(KBr,cm-1):3 033,2 859,1 466,1 367,743,697.Elemental analysis cald(%)for C11H14ClN：C 67.52，H 7.21，N 7.16，F(xiàn)ound：C 65.57，H 7.28,N 7.12.

1.3 雙功能催化劑Zn-PPBCl合成與表征

參考文獻[17]，合成了雙功能催化劑Zn-PPBCl，其合成方法如圖2所示.對多聚甲醛，鹽酸，水楊醛反應得到的產(chǎn)物進行重結(jié)晶和真空干燥，得到PCl.然后，在甲苯中加入PCl和三苯基膦，加熱回流，讓其反應完全，過濾，真空干燥，得到PPCl.將其和苯偶酰溶解在醋酸中，再加入醋酸銨，加熱回流，反應完全之后，加入過量超純水，抽濾，真空干燥，溶解，干燥，用二氯甲烷和正戊烷重結(jié)晶得到PPBCl.最后將其和二水醋酸鋅溶解在無水乙醇中，加熱回流，得到白色粉末，即為雙功能希夫堿鋅催化劑，其核磁氫譜數(shù)據(jù)如圖3所示.

圖2 雙功能催化劑Zn-PPBCl的合成

圖3 雙功能催化劑Zn-PPBCl的核磁氫譜數(shù)據(jù)

2 實驗結(jié)果與討論

向已經(jīng)經(jīng)過真空干燥的高壓反應釜中加入磁子，之后再分別加入一定量的催化劑和氮雜環(huán)丙烷，控制氣瓶開關，置換CO23次，再向其中通入CO2氣體到反應所需壓力之下，將其放入油浴鍋中加攪拌，20 min之后觀察氣壓表是否達到實驗值，若未達到，則需繼續(xù)通入CO2，使氣壓達到實驗所需值，在反應過程中壓力值需要保持恒定.當反應達到指定時間之后，將高壓反應釜降溫至室溫，之后將高壓反應釜閥門緩慢打開，將剩余的二氧化碳排放干凈，取少量反應液作1H NMR表征，計算得到出產(chǎn)率以及表示選擇性.

2.1 反應條件優(yōu)化

本次實驗的加成反應如圖4所示.以2-苯基1-丙基氮雜環(huán)丙烷作為探索條件的反應底物，探索反應的最佳條件，結(jié)果如表1所示.

圖4 加成反應

表1 雙功能金屬鋅催化劑催化2-苯基1-丙基氮雜環(huán)丙烷與CO2環(huán)加成反應條件優(yōu)化a

2.1.1 催化劑用量對產(chǎn)率的影響

催化劑用量對于反應活性有一定的影響(表1條目1,2,4,8)，可以看出，當催化劑用量為0.33%(物質(zhì)的量分數(shù))時，5-取代惡唑烷酮產(chǎn)物的產(chǎn)率為57%，當催化劑用量上升到0.5%(物質(zhì)的量分數(shù))時，產(chǎn)率上升，但是催化劑用量上升至1%(物質(zhì)的量分數(shù))時，產(chǎn)率進一步上升，說明適量多的催化劑可以促進氮雜環(huán)丙烷和CO2反應，顯示出較高的催化活性，故可以看出催化劑的合理比例為催化劑與氮雜環(huán)丙烷物質(zhì)的量之比為1∶100.

2.1.2 CO2壓強對產(chǎn)率的影響

CO2壓強對催化活性也有很大的影響(表1條目3,4,7)，可以看出隨著壓強由1 MPa升高到3 MPa，產(chǎn)物的產(chǎn)率先增多后減小，可以說明適當?shù)膲簭娍梢源龠M催化劑和底物結(jié)合從而使產(chǎn)率升高，但是過高的壓強會引起稀釋效應，不利于底物和催化劑相結(jié)合，使反應活性降低，進而使反應產(chǎn)率降低.因此，通過探究實驗可知，最佳的反應壓強是2 MPa.

2.1.3 溫度對產(chǎn)率的影響

溫度對于反應活性也有影響(表1條目4,9～11)，隨著溫度從90 ℃升至110 ℃，再升至130 ℃最后升溫至150 ℃時，5-取代產(chǎn)物的產(chǎn)率隨著溫度的升高而先增加后減少，而4-取代產(chǎn)物的產(chǎn)率則一直增加.但是該反應是以5-取代產(chǎn)物為主，故最后選取的最適溫度為130 ℃，而高溫情況下4-取代產(chǎn)物產(chǎn)率增加的可能原因是高溫促進氮雜環(huán)丙烷上亞甲基開環(huán)，從而使4-取代產(chǎn)物產(chǎn)率增加，抑制5-取代產(chǎn)物的合成.

2.1.4 時間和溶劑對產(chǎn)率的影響

反應時間對于反應活性的影響也是不可忽視的(表1條目2～4，6)，可以看出隨著時間從5 h增加到8 h，產(chǎn)率增加的比較多，但是時間增加到12 h時，產(chǎn)率基本保持恒定，故反應的最佳時間為8 h.當加入1 mL的二氯甲烷之后(表1 條目5)，產(chǎn)物的產(chǎn)率會減小，說明極性溶劑會影響催化劑的催化活性.

綜上所述，雙功能金屬鋅催化劑催化CO2與氮雜環(huán)丙烷環(huán)加成反應的最佳反應條件為CO2壓強為2 MPa、反應溫度為130 ℃、催化劑與底物物質(zhì)的量之比為1∶100，反應時間為8 h.

2.2 底物適用性探討

由于主要產(chǎn)物是5-取代產(chǎn)物，故只看5-取代產(chǎn)物的產(chǎn)率，結(jié)果如圖5所示，可以看到取代基是直鏈烷烴時，隨著碳鏈的增加，5-取代惡唑烷酮產(chǎn)率會隨之增加.當取代基為芐基時，轉(zhuǎn)化率值是最大的，但是取代基為叔丁基的時候，幾乎沒有產(chǎn)率，可能是空間位阻原因?qū)е?當取代基上有支鏈的時候，產(chǎn)率會相應地降低，可能也是位阻的原因.當取代基上有羥基存在時，產(chǎn)率較低，可能是氮雜環(huán)的活性被抑制.針對苯環(huán)上有取代基的氮雜環(huán)，氯原子會比甲基效果要好，說明苯環(huán)上帶有鈍化基團的底物比活化基團的底物反應性好.

圖5 催化CO2與不同種氮雜環(huán)丙烷底物環(huán)加成反應產(chǎn)率

3 反應機理研究

根據(jù)文獻[18]和研究結(jié)果，提出了圖6的反應機理:催化劑中的Zn通過與環(huán)胺上N原子配位的方式將其活化，可以使氯離子進攻氮雜環(huán)的兩種C，從而使三元環(huán)開環(huán)，生成兩種產(chǎn)物，一種是5-取代的惡唑烷酮，另一種是4-取代的惡唑烷酮.由前面的研究數(shù)據(jù)可知，5-取代產(chǎn)物為主要產(chǎn)物，故可知氯離子會更容易進攻位阻較大的C.但當溫度升高到一定值時，則會進攻位阻較小的C，使其能夠產(chǎn)生4-取代的惡唑烷酮，最后閉環(huán)得到相應的惡唑烷酮產(chǎn)物.

圖6 氮雜環(huán)丙烷底物和CO2環(huán)加成反應的反應機理

4 結(jié)語

合成了一系列氮雜環(huán)丙烷底物，并對它們的結(jié)構(gòu)進行了表征.隨后合成了雙功能催化劑Zn-PPBCl，將其用于催化氮雜環(huán)丙烷底物與CO2發(fā)生環(huán)加成反應，以制備化學品惡唑啉酮類化合物.系統(tǒng)研究了壓強、時間、溫度等參數(shù)對催化效率的影響，得到最佳催化條件(130 ℃，2 MPa，8 h，催化劑與氮雜環(huán)丙烷物質(zhì)的量之比為1∶100)，在該條件下，CO2可與多種氮雜環(huán)丙烷底物反應.最后，根據(jù)實驗結(jié)果和文獻報道，推斷出了可能的反應機理.該催化體系在工業(yè)和醫(yī)藥等領域具有較高的潛在實際應用價值.