2-甲基氮雜環(huán)丙烷與CO2的環(huán)加成反應(yīng)

孫志琴,張 偉

(1.山西職工醫(yī)學(xué)院,山西 晉中 030619; 2.榆次區(qū)人民醫(yī)院,山西 晉中 030600)

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2-甲基氮雜環(huán)丙烷與CO2的環(huán)加成反應(yīng)

孫志琴1*,張 偉2

(1.山西職工醫(yī)學(xué)院,山西 晉中 030619; 2.榆次區(qū)人民醫(yī)院,山西 晉中 030600)

采用堿金屬鹵化物和季銨鹽作為催化劑在溫和條件下催化2-甲基氮雜環(huán)丙烷的CO2環(huán)加成反應(yīng)，得到區(qū)域選擇性的4-甲基-2-噁唑烷酮.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該合成路線具有反應(yīng)條件溫和、收率高、區(qū)域選擇性好、操作簡單、對(duì)環(huán)境安全友好等特點(diǎn).

氮雜環(huán)丙烷；環(huán)加成反應(yīng)；噁唑烷酮

近年來，CO2的排放量急劇增加，直接導(dǎo)致了溫室效應(yīng)等一系列的環(huán)境問題，但CO2又是自然界中大量存在的廉價(jià)而寶貴的C資源，出于環(huán)保和能源的雙重需求，因此，固定CO2的綠色化學(xué)受到許多化學(xué)工作者的關(guān)注[1-2].氮雜環(huán)丙烷是一類具有生物活性的三元雜環(huán)化合物，許多天然產(chǎn)物中都含有氮雜環(huán)丙烷結(jié)構(gòu)[3-7].較大的環(huán)張力決定了氮雜環(huán)丙烷結(jié)構(gòu)具有較高的反應(yīng)活性，可與CO2發(fā)生環(huán)加成反應(yīng)合成重要的化工原料2-噁唑烷酮，且沒有副產(chǎn)物產(chǎn)生，符合綠色化學(xué)與原子經(jīng)濟(jì)性原則，是CO2轉(zhuǎn)化利用的重要途徑.2-噁唑烷酮是一類很重要的雜原子五元環(huán)有機(jī)化合物，在精細(xì)化工和材料科學(xué)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用.是許多農(nóng)用化學(xué)品和藥物的重要中間體，可作為起始原料合成臨床上應(yīng)用較多的亞硝基脲類抗腫瘤藥[8].

本文采用堿金屬鹵化物和四丁基溴化銨作為催化劑對(duì)氮雜環(huán)丙烷和CO2的環(huán)加成反應(yīng)進(jìn)行研究.以2-甲基氮雜環(huán)丙烷為原料，考察了催化劑種類、溶劑種類、反應(yīng)溫度對(duì)氮雜環(huán)丙烷的CO2環(huán)加成反應(yīng)的影響，得到了最佳的反應(yīng)條件.

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器和試劑

所用儀器有電子天平(AUY 120)，日本島津公司；磁力攪拌器(GSP-80-24)，泰縣分析儀器廠；集熱式恒溫加熱磁力攪拌器(DF-101D)，鞏義市英欲予華儀器廠；循環(huán)水式真空泵(SHZ-D(Ⅲ))，鞏義市予華儀器有限責(zé)任公司；旋片式真空泵(2XZ-4)，臺(tái)州市黃巖匯豐真空設(shè)備廠；旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器(RE-52A)，上海亞榮生化儀器廠；熔點(diǎn)測(cè)試儀(RD-Ⅱ)，天津市新天光儀器有限公司.所有試劑均為分析純，藥品均購自阿拉丁、百靈威化學(xué)試劑有限公司、北京北聯(lián)有限公司.使用前未經(jīng)任何純化處理.

1.2 環(huán)加成反應(yīng)

在Schlenk瓶中加入2-甲基氮雜環(huán)丙烷(0.875 mol)、催化劑(20%或50%，物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)，下同) 和10 mL溶劑，反應(yīng)前抽真空，然后向Schlenk瓶中充入CO2氣體，壓力為1 atm，在一定的溫度下攪拌反應(yīng)， TLC跟蹤反應(yīng)，反應(yīng)24 h后減壓蒸餾除去溶劑，殘留物經(jīng)柱色譜分離提純后得到產(chǎn)物4-甲基-2-噁唑烷酮.反應(yīng)路線如圖1所示.

圖1 2-甲基氮雜環(huán)丙烷與CO2的環(huán)加成反應(yīng)

2 結(jié)果與討論

大多數(shù)的氮雜環(huán)丙烷和CO2的環(huán)加成反應(yīng)都是在高溫高壓的苛刻條件下進(jìn)行的[9-15].本文在室溫和常壓下得了區(qū)域選擇性好的環(huán)加成產(chǎn)物.考察了催化劑種類、反應(yīng)溶劑和反應(yīng)溫度對(duì)反應(yīng)收率的影響.

2.1 催化劑對(duì)反應(yīng)收率的影響

初步對(duì)催化劑的種類進(jìn)行了篩選，以2-甲基氮雜環(huán)丙烷做為標(biāo)準(zhǔn)底物進(jìn)行研究，溶劑采用THF，實(shí)驗(yàn)結(jié)果列于表1.

表1 不同催化劑催化2-甲基氮雜環(huán)丙烷與CO2環(huán)加成反應(yīng)a

Table 1 Effect of different catalysts on the cycloaddition reaction of 2-methylaziridine and CO2a

序號(hào)催化劑收率/%b1None02LiClTrace3LiBr724LiI305NaBr356cNaBr697cKBr62

aReaction conditions:n(MeAz)=0.875 mol,n(MeAz)/n(M+X-)=5.0, 10 mL of THF, room temperature, 24 h.

bIsolated yield by flash chromatography.

cThe reaction was carried out in the presence of 5% 18-crown-6.

由結(jié)果可知(表1, 序號(hào)1-7)，首先選用LiBr作催化劑，根據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道LiBr對(duì)環(huán)氧丙烷與CO2的環(huán)加成反應(yīng)催化效能最高，反應(yīng)24 h后，將粗產(chǎn)品分離提純后得到區(qū)域選擇性的產(chǎn)物4-甲基-2-噁唑烷酮，收率為72%(表1, 序號(hào)3).其異構(gòu)體5-甲基-2-噁唑烷酮沒有生成.在此基礎(chǔ)上將催化劑改為LiCl和 LiI，使用LiCl時(shí)得到痕量的產(chǎn)物(表1, 序號(hào)2)，使用LiI時(shí)產(chǎn)物4-甲基-2-噁唑烷酮的產(chǎn)率為30%(表1, 序號(hào)4).由此可見，對(duì)于氮雜環(huán)丙烷與CO2的環(huán)加成反應(yīng)，LiBr的催化效能依然是最高的，說明堿金屬鋰的溴化物可以有效地促進(jìn)氮雜環(huán)丙烷與CO2的環(huán)加成反應(yīng).改用NaBr為催化劑時(shí)，得到的收率僅為35%(表1, 序號(hào)5).當(dāng)向反應(yīng)體系中添加5%的相轉(zhuǎn)移催化劑18-冠醚-6時(shí)，NaBr的催化效率得到提高，收率提高到69%(表1, 序號(hào)6).在18-冠醚-6存在的條件下，KBr的催化效率也較高，產(chǎn)率為62%(表1, 序號(hào)7).實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，堿金屬的溴化物對(duì)于2-甲基氮雜環(huán)丙烷與CO2的環(huán)加成反應(yīng)起到了有效的促進(jìn)作用.同時(shí)也得出該反應(yīng)體系最顯著的優(yōu)點(diǎn)就是反應(yīng)在室溫和常壓下即可平穩(wěn)的進(jìn)行.

在同樣的條件下，催化劑改為季銨鹽鹵化物.實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)季銨鹽鹵化物對(duì)于2-甲基氮雜環(huán)與CO2的環(huán)加成反應(yīng)同樣有效，可得到較理想的收率(表2, 序號(hào)1-7).其中相轉(zhuǎn)移催化劑四丁基溴化銨(TBAB)的催化效率最高，產(chǎn)率為91%(表2, 序號(hào)2).依據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以得出，催化劑的活性很大程度上取決于季銨鹽中的平衡陰離子(表2, 序號(hào)1、2和7)，其催化活性順序?yàn)锽r>I>Cl，對(duì)于上述堿金屬鋰的鹵化物的催化活性，發(fā)現(xiàn)也是同樣的順序.

2.2 溶劑對(duì)反應(yīng)收率的影響

當(dāng)催化劑為TBAB時(shí)，進(jìn)一步考察了不同溶劑對(duì)反應(yīng)收率的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果列于表2 (表2, 序號(hào)2-5) .

由表2可以看出，不同的溶劑對(duì)反應(yīng)的收率有顯著的影響，在室溫條件下，當(dāng)選用THF為溶劑時(shí)，效果最好，收率高達(dá)91%(表2, 序號(hào)2)；選用乙腈為溶劑時(shí)，收率為70%(表2, 序號(hào)3).選用甲醇為溶劑時(shí)，收率僅有10%(表2, 序號(hào)4).因此，THF為該環(huán)加成反應(yīng)的最佳溶劑.

2.3 溫度對(duì)反應(yīng)收率的影響

在選取催化劑為TBAB和溶劑為THF的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步考察反應(yīng)溫度對(duì)反應(yīng)收率的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果列于表2(序號(hào)2、5和6).

表2 2-甲基氮雜環(huán)丙烷和CO2環(huán)加成反應(yīng)的條件優(yōu)化a

Table 2 Optimization of the reaction conditions for cycloaddition reaction of 2-methylaziridine and CO2a

序號(hào)X溶劑t/℃收率/%b1ClTHFrt202BrTHFrt913BrCH3CNrt704BrMeOHrt105BrTHF0506BrTHF40677ITHFrt61

aReaction conditions:n(MeAz)=0.875 mol,n(MeAz)/n(n-Bu4N+X-)=20, 24 h.

bIsolated yield by flash chromatography.

由于溶劑THF的沸點(diǎn)為65～66 ℃，所以可考察的溫度范圍較窄.由結(jié)果可知，當(dāng)反應(yīng)溫度為0、25、40 ℃時(shí)，對(duì)應(yīng)的反應(yīng)收率分別為50%、91%、67%.可見，反應(yīng)溫度的升高或降低，都不利于該反應(yīng)的進(jìn)行.所以室溫為環(huán)加成反應(yīng)的最佳實(shí)驗(yàn)溫度.

3 結(jié)論

(1)堿金屬鹵化物L(fēng)iBr和季銨鹽鹵化物TBAB對(duì)于2-甲基氮雜環(huán)的CO2環(huán)加成反應(yīng)具有很高的催化活性，其適宜的催化反應(yīng)條件為: 0.875 mol 2-甲基氮雜環(huán)丙烷，20% LiBr或5% TBAB，1 atm，室溫下反應(yīng)24 h，產(chǎn)物4-甲基-2-噁唑烷酮的收率分別達(dá)到72% 和91%.

(2)該反應(yīng)條件溫和，操作簡單安全，區(qū)域選擇性好，收率高，因此，氮雜環(huán)丙烷與CO2環(huán)加成反應(yīng)是合成4-甲基-2-噁唑烷酮的一種有效路徑.

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[責(zé)任編輯：張普玉]

Cycloaddition reaction of 2-methyl-aziridine aziridine and CO2

SUN Zhiqin1*, ZHANG Wei2

(1.ShanxiMedicalCollegeforContinuingEducation,Jinzhong030619,Shanxi,China;2.People’sHospitalofYuci,Jinzhong030600,Shanxi,China)

A cycloaddition reaction of 2-methyl-aziridine and CO2was successfully catalyzed by alkali metal halide or tetraalkylammoniumhalide with mild conditions to give 4-methyl-2-oxazolidone.Finally, the optimized reaction condition has the characteristics of high yield, good regioselectivity, mild and simple operation and being environmentally-friendly.

aziridine; cycloaddition; oxazolidone

2016-07-18.

孫志琴(1986-), 女, 助教, 研究方向?yàn)橛袡C(jī)化學(xué).*

TQ252.9

A

1008-1011(2016)06-0704-03