脂肪雙胺稀土金屬配合物的合成及催化性能的研究*

周　琳，馮乙巳，朱　強(qiáng)

(1.桐城師范高等?？茖W(xué)校；2.合肥工業(yè)大學(xué))

*安徽省高等學(xué)校自然科學(xué)研究重點(diǎn)項(xiàng)目(KJ2016A701)

0　引言

Henry反應(yīng)是基于羰基和含α-活潑氫的硝基烷烴化合物發(fā)生親核取代的反應(yīng).它是形成C-C鍵的常用方法，生成的產(chǎn)物β-硝基醇的雙官能團(tuán)化合物則是有應(yīng)用前景廣闊的中間體，可以合成硝基烯，硝基酮，2-氨基醇等多種化合物[1].特別是通過在不對(duì)稱Henry反應(yīng)中進(jìn)一步還原可以得到的手性β-硝基醇類化合物，其用途更為廣泛，很多具有生物活性的藥物都可以用它合成[2].為了避免在反應(yīng)中過多使用有機(jī)試劑而造成的環(huán)境污染問題，通過水相或無溶劑Henry 反應(yīng)就成為人們研究的方向.Ballini等人分別用新型相轉(zhuǎn)移催化劑水溶液中進(jìn)行Henry反應(yīng)和用化學(xué)當(dāng)量的KOH粉末在無溶劑條件下來進(jìn)行Henry反應(yīng)，存在后期提純中仍需要有機(jī)試劑，操作繁冗，產(chǎn)率不是很高等問題[3].

將脂肪雙胺配體稀土金屬配合物應(yīng)用于催化Henry反應(yīng)，合成在很多領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用的β-硝基醇及其衍生物，解決工業(yè)生產(chǎn)和日常生活所需要的防腐殺菌劑、殺菌滅藻劑和工業(yè)水處理劑等需求，同時(shí)β-硝基醇及其衍生物是很多天然產(chǎn)物和醫(yī)藥的中間體,因此選擇性地催化不對(duì)稱Henry反應(yīng)具有很高的研究?jī)r(jià)值[4].盡管目前文獻(xiàn)已經(jīng)報(bào)道了一些具有催化活性的稀土金屬配合物，但即具有高催化活性又具有一定經(jīng)濟(jì)實(shí)用性的稀土金屬配合物卻不多.

該研究的主要內(nèi)容是：通過相應(yīng)的合成手段，組裝出多個(gè)脂肪雙胺配體稀土金屬配合物；通過現(xiàn)代的科學(xué)表征手段對(duì)所組裝的配合物進(jìn)行構(gòu)架表征，然后進(jìn)一步研究其催化Henry反應(yīng)活性.為Henry反應(yīng)制備β-硝基醇及其衍生物提供合理的反應(yīng)途徑.

1　實(shí)驗(yàn)部分

1.1　實(shí)驗(yàn)所需儀器和試劑

實(shí)驗(yàn)過程中所用的主要儀器和原料見表1.

表1　主要試劑儀器

1.2　脂肪雙胺化合物制備

(1)N,N-二甲基乙二胺為基體(簡(jiǎn)稱L1H2)

在250 mL的圓底燒瓶?jī)?nèi)加入約150 mL的無水甲醇，開啟攪拌，依次加入N,N-二甲基乙二胺(84.7mL, 772 mmol)和37%乙二醛水溶液(25 mL, 336 mmol)，水浴溫度在75℃，反應(yīng)24 h左右，反應(yīng)體系逐漸出現(xiàn)白色懸濁物，TLC定時(shí)監(jiān)測(cè)(薄層硅膠點(diǎn)板)至反應(yīng)物不顯現(xiàn)為反應(yīng)終點(diǎn).冷卻至室溫后，分批加入NaBH4對(duì)其進(jìn)行還原，TLC監(jiān)測(cè)至原料基本消失，加水淬滅，有固體析出，用CH2Cl2萃取兩次，減壓抽濾，得到白色固體，用冷甲醇洗滌數(shù)次，真空干燥，得白色粉末，產(chǎn)率約67.2%.主要反應(yīng)為：

13C-NMR解譜

1H-NMR解譜

(2)苯甲胺為基體制備 (簡(jiǎn)寫為L(zhǎng)2H2)

在圓底燒瓶?jī)?nèi)加入約100 mL無水甲醇，磁開啟攪拌，依次加入乙二醛水溶液(7.0 mL,84 mmol)和苯甲胺(18.5 mL, 168 mmol)，控制油浴溫度65℃，反應(yīng)約24 h.后續(xù)處理與1.3(1)相同，最終產(chǎn)率：61.1%.主要反應(yīng)為：

13C-NMR解譜

1H-NMR解譜

(3)環(huán)己胺為基體制備(簡(jiǎn)寫為L(zhǎng)3H2)

在圓底燒瓶?jī)?nèi)加入約150 mL無水甲醇，磁開啟攪拌，依次加入乙二醛水溶液(10.0 mL, 120 mmol)和環(huán)己胺(27.7 mL, 240 mmol)，控制油浴溫度70 ℃，反應(yīng)約24 h.后續(xù)處理與1.3(1)相同，最終產(chǎn)率：72.7%.反應(yīng)為：

13C-NMR解譜

1H-NMR解譜

1.3　稀土金屬配體制備

1.3.1無水三氯化鑭的制備

稱取10 g的La2O3，用20 mL濃HCl溶解，振蕩使固體溶解并澄清，再加入15 g分析純NH4Cl，用加熱套加熱，待溶液澄清后趁熱用布氏漏斗減壓抽濾，置于烘箱蒸干溶液，把所得固體裝入升華管，減壓狀態(tài)下逐步升溫以此除水.然后將溫度逐漸升至450 ℃，讓余下的NH4Cl慢慢升華，直至沒有NH4Cl升華，得到無水三氯化鑭，在氮?dú)獗Ｗo(hù)下冷卻后，標(biāo)定稀土含量備用[5].

1.3.2環(huán)戊二烯基鈉制備

將兩口瓶經(jīng)過脫水脫氧處理過后，加入100 mL四氫呋喃和固體NaOH(過量),啟動(dòng)攪拌，通過注射器加入一定量新蒸餾的環(huán)戊二烯，反應(yīng)中有氣泡產(chǎn)生，當(dāng)氣泡結(jié)束后，在40 ℃的溫度下反應(yīng) 8～10 h.定期取樣檢測(cè)溶液濃度，至產(chǎn)物的濃度不再變化后停止反應(yīng)，過濾過量的NaOH，得到淺紅色環(huán)戊二烯基鈉/四氫呋喃溶液,標(biāo)定濃度后封管備用[6].

1.3.3(C5H5)3La(THF) 的合成

在室溫下稱取無水LaCl39.38 g (41.2 mmol)，加入反應(yīng)瓶中，攪拌同時(shí)緩緩加入適量THF溶液，將反應(yīng)瓶密封，升溫至50℃左右，持續(xù)活化至無塊狀LaCl3.冷卻至室溫后，在攪拌下向活化后的LaCl3的THF懸濁液中注射加入3.0當(dāng)量的C5H5Na(123.6 mmol) 的THF溶液，將反應(yīng)瓶密封，室溫反應(yīng)12 h.持續(xù)加熱，然后用THF進(jìn)行多次萃取，趁熱通過離心機(jī)除去NaCl，在室溫下澄清溶液析出大量無色塊狀晶體，標(biāo)定含量后封存?zhèn)溆?

1.4　脂肪雙胺稀土金屬配合物的合成

由于稀土金屬配合物對(duì)H2O和O2均極為敏感，因此在操作中需要采用標(biāo)準(zhǔn)的Schlenk技術(shù)，整個(gè)實(shí)驗(yàn)在無水無氧和Ar保護(hù)的條件下進(jìn)行.實(shí)驗(yàn)過程中以循環(huán)泵制冷的方法降溫，用水浴加熱的方法升溫.對(duì)易爆、易燃、有毒和有刺激性等物質(zhì)的操作和處理，按照相關(guān)的操作規(guī)定進(jìn)行[7].

(1)L1H2-稀土金屬配合物制備

在室溫下稱取(C5H5)3La(THF) (0.96 g, 2.70 mmol)，加入三口燒瓶中，緩慢加入THF溶液, 稱取L1H2配體(8.10 mmol)，加入離心瓶中并使用四氫呋喃充分溶解，再將該配體溶液緩慢加入到(C5H5)3La(THF)液的三口燒瓶中，室溫反應(yīng)24 h后，溶液混濁且有固體物質(zhì)析出，通過離心機(jī)使固液分離.得到的固體用過量四氫呋喃溶解，持續(xù)加熱，通過二次結(jié)晶提高產(chǎn)品純度, 產(chǎn)率約73%，反應(yīng)后生成的稀土金屬配合物為L(zhǎng)aR3型[8].

(2)L2H2-稀土金屬配合物制備

稱取(C5H5)3La(THF) (0.96g, 2.70 mmol)，加入三口燒瓶中，加入THF溶液, 在離心瓶中稱取L2H2配體(8.10 mmol)，后續(xù)操作與(1)相同，產(chǎn)率63.3%.

(3)L3H2-稀土金屬配合物制備

稱取(C5H5)3La(THF) (0.96 g, 2.70 mmol)，加入三口燒瓶中，加入THF溶液, 在離心瓶中稱取L3H2配體(8.10mmol)，后續(xù)操作與(1)相同，產(chǎn)率51.7%.

1.5　稀土金屬配合物催化Henry反應(yīng)

在硝基甲烷(CH3NO2)和苯甲醛(Ar-CHO)的Henry反應(yīng)中存在副反應(yīng)，在設(shè)計(jì)催化劑時(shí)需要盡量避開這些副反應(yīng)，常見的副反應(yīng)有：脫水、醛的自身縮合和Nef型反應(yīng)的發(fā)生[9].

圖5

在研究中發(fā)現(xiàn)L1H2-稀土金屬配合物、L2H2-稀土金屬配合物、L3H2-稀土金屬配合物均可以有效地催化 Henry 反應(yīng)，選用產(chǎn)率較高的L1H2-稀土金屬配合物作為催化劑，從催化劑用量、溫度、反應(yīng)時(shí)間對(duì)反應(yīng)條件進(jìn)行評(píng)價(jià)優(yōu)化.

2　結(jié)果與討論

2.1　催化劑用量

由表2可以看出，增加催化劑的用量有助于提高反應(yīng)的產(chǎn)率，當(dāng)催化劑用量過少(0.5 mol%)，Henry反應(yīng)產(chǎn)率偏低，產(chǎn)率僅為51%，將催化劑用量增加到1 mol%時(shí)，反應(yīng)產(chǎn)率迅速提高至75%，將催化劑用量增加到2 mol%時(shí)，產(chǎn)率可達(dá)83%.當(dāng)催化劑用量繼續(xù)提高時(shí)，產(chǎn)率趨于平緩.綜合考慮，催化劑用量為2 mol%時(shí)，便可以達(dá)到較好的催化反應(yīng)效果.

表2　LaR3催化Henry反應(yīng)

2.2　反應(yīng)溫度

為了避免2 mol%以上的催化劑用量對(duì)產(chǎn)率影響過大，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)不能明顯看出溫度對(duì)反應(yīng)的影響，我們選用1 mol%的催化劑用量. 由表3數(shù)據(jù)可知， 0～40℃時(shí)升高溫度有利于反應(yīng)進(jìn)行，產(chǎn)率明顯提高，但是40℃以上繼續(xù)升溫反而會(huì)使產(chǎn)率不斷降低.當(dāng)反應(yīng)溫度達(dá)到80℃時(shí)，反應(yīng)體系的顏色明顯變化有紅棕色出現(xiàn)，可能存在副反應(yīng).在反應(yīng)溫度為40℃時(shí)，反應(yīng)產(chǎn)率可達(dá)82%，所以認(rèn)為最佳溫度為40℃.

表3　LaR3催化Henry反應(yīng)

2.3　反應(yīng)時(shí)間

由表4可以發(fā)現(xiàn)，Henry在催化劑作用下反應(yīng)速率得很快，反應(yīng)在進(jìn)行0.5 h后產(chǎn)率提升速度較快，如果要得到更高產(chǎn)率應(yīng)當(dāng)延長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間，反應(yīng)在進(jìn)行2 h后，產(chǎn)率即達(dá)到68%，反應(yīng)在進(jìn)行3 h后，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)反應(yīng)產(chǎn)率繼續(xù)緩慢地提升，當(dāng)反應(yīng)在進(jìn)行5.5 h后，產(chǎn)率達(dá)到85%，繼續(xù)延長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間，產(chǎn)率提高趨于平緩.所以，選擇5.5 h為最佳反應(yīng)時(shí)間.

表4　LaR3催化Henry反應(yīng)

3　結(jié)論

該研究通過以N,N-二甲基乙二胺、苯甲胺和環(huán)己胺為基體，組裝成三種LaR3稀土金屬配合物.通過從催化反應(yīng)時(shí)間、反應(yīng)溫度、催化劑用量和催化劑本身的合成產(chǎn)率四個(gè)方面來綜合評(píng)價(jià)三種LaR3稀土金屬配合物作為催化劑的性能和優(yōu)勢(shì)，最終選用L1H2-稀土金屬配合物作為硝基甲烷(CH3NO2)和苯甲醛(Ar-CHO)反應(yīng)的催化劑.當(dāng)催化劑用量為2 mol%、反應(yīng)溫度為40℃、反應(yīng)時(shí)間為5.5 h時(shí)，硝基甲烷(CH3NO2)和苯甲醛(Ar-CHO)的Henry反應(yīng)在催化劑作用下，副反應(yīng)少，反應(yīng)速率很快，最高產(chǎn)率可達(dá)85%.

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