環(huán)氧丁烷開環(huán)胺解合成β-氨基醇

孫艷榮，馬利國(guó)，張志鵬，李賽松，李冬至，申 鵬，李雙雯

北華航天工業(yè)學(xué)院材料工程學(xué)院，河北省熱防護(hù)材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 廊坊 065000

β-氨基醇是應(yīng)用很廣泛的有機(jī)合成中間體，也是良好的有機(jī)合成催化劑。β-氨基醇可用來進(jìn)行二乙基鋅和酮的不對(duì)稱性加成化學(xué)反應(yīng)[1]、不對(duì)稱性環(huán)氧化反應(yīng)[2-3]和不對(duì)稱催化Henry 反應(yīng)[4]，在不對(duì)稱性反應(yīng)催化劑研究中是主要的手性輔助化學(xué)試劑和手性配體，在參與的反應(yīng)中表現(xiàn)出良好的立體催化活性[5]，在人工合成擬腎上腺激素、β-受體阻滯劑[6]和具有抗癌活性的丁香酚[7]等手性藥物中也都存在著β-氨基醇的結(jié)構(gòu)單位，因此，β-氨基醇的制備以及尋找合成β-氨基醇的有效簡(jiǎn)便方法成為了研究熱點(diǎn)。

環(huán)氧化合物開環(huán)胺解反應(yīng)是制備β-氨基醇的常用方法。該反應(yīng)過程通常需要過量的胺類化合物，且反應(yīng)在高溫下進(jìn)行，由于大部分胺的親核性弱、空間位阻大，會(huì)導(dǎo)致反應(yīng)不均勻，而高溫環(huán)境下某些高敏感性官能團(tuán)會(huì)產(chǎn)生不良反應(yīng)[8]。因此，開發(fā)了許多催化劑用于此反應(yīng)來克服這些缺點(diǎn)。Chakravarti 等[9]以Pluronic F127 為結(jié)構(gòu)導(dǎo)向劑，在高酸性介質(zhì)中制備了具有籠型孔結(jié)構(gòu)的鋁硅酸鹽催化劑AIKIT-5，用于催化環(huán)氧化合物與各種芳香族和脂肪族胺的反應(yīng)；Robinson 等[10]采用蒸發(fā)誘導(dǎo)自組裝（EISA）方法合成的納米多孔鋁硅酸鹽材料催化芳香族化合物生成氨基醇；Mojtahedi 等[11]在無溶劑條件下，以MgBr2·OEt2為催化劑催化各種環(huán)氧化物與芳香族和脂肪族胺室溫下開環(huán)胺解。由于這些催化劑的合成比較麻煩，開環(huán)胺解反應(yīng)的副產(chǎn)物較多，人們研發(fā)了一些簡(jiǎn)單催化劑。Lee 等[12]采用陽離子Al-salen-Lewis 酸和非配位陰離子如BPh4-組成的催化劑催化環(huán)氧化物和苯胺反應(yīng)，以很高的區(qū)域選擇性和較高的產(chǎn)率成功地使多種環(huán)氧化物開環(huán)胺解，利用伯胺和仲胺選擇性合成了β-氨基醇。Ji 等[13]合成了一種高活性固體Lewis 酸催化劑（ZrOTf-BTC），可在溫和條件下催化環(huán)氧化物和芳香酮形成，以及環(huán)氧化物的區(qū)域選擇性開環(huán)生成β-氨基醇；Yang 等[14]分別使用Li2CO3，Na2CO3和K2CO3催化烷基磺酰胺對(duì)環(huán)氧化物的開環(huán)反應(yīng)，通過兩步Smiles 重排實(shí)現(xiàn)了無金屬β-氨基醇合成，研究發(fā)現(xiàn)K2CO3催化時(shí)具有更高的產(chǎn)物收率，該反應(yīng)對(duì)N-芳基化的氨基醇尤其有效。Azizi 等[15]利用Tb2(WO4)3@N-GQDs-FA 多相納米催化劑催化一系列胺類化合物和不同選擇性的環(huán)氧化物反應(yīng)合成了β-氨基醇；Said 等[16]以水作為催化劑，將(R)-(+)-α-甲基芐胺轉(zhuǎn)化為兩種仲胺和氨基甲酸酯，再與(+)-檸檬烯1,2-環(huán)氧化物反應(yīng)合成得到兩種新的β-氨基醇化合物。楊飛飛等[8]利用咪唑陰離子型堿性離子液體催化環(huán)氧化合物與芳香胺反應(yīng)，在水溶劑下合成了β-氨基醇。杜正銀等[17]則用水或甲醇水溶液作溶劑在一定溫度下進(jìn)行無催化劑的煙酰胺類化合物與環(huán)氧化物的熱開環(huán)加成化學(xué)反應(yīng)，也制備了一系列β-氨基仲醇。本工作從提高產(chǎn)物收率、簡(jiǎn)化反應(yīng)過程和綠色環(huán)保化學(xué)角度出發(fā)，探索溫和條件下環(huán)氧丁烷和戊胺無催化開環(huán)胺解反應(yīng)合成β-氨基醇類化合物的可能性，以及優(yōu)化合成條件。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 β-氨基醇制備

將戊胺加入裝有溶劑的容器中，攪拌成均相后在混合溶液中通入二氧化碳直至測(cè)得pH 值為7.4，然后緩慢滴入環(huán)氧丁烷，滴加完成后在室溫下攪拌反應(yīng)3 h，反應(yīng)液定時(shí)用薄層色譜（TLC）分析。反應(yīng)結(jié)束后加10 mL 乙醚進(jìn)行萃取，用分液漏斗分離。含有產(chǎn)物的乙醚溶液加入無水Na2SO4干燥，過濾后在通風(fēng)櫥中用氮?dú)獯祾? h，濃縮得到粗產(chǎn)物，再進(jìn)行柱色譜分離提純。

1.2 環(huán)氧丁烷開環(huán)胺解反應(yīng)產(chǎn)物分析

環(huán)氧丁烷（A）的開環(huán)主要發(fā)生在碳基團(tuán)，其被戊胺（B）上的胺基高度取代形成羥基，得到收率最多的產(chǎn)物C（目標(biāo)產(chǎn)物）和極其少量鏈端開環(huán)的產(chǎn)物D；另外由于戊胺單胺上的兩個(gè)氫是等量的，產(chǎn)物C 還可以繼續(xù)與環(huán)氧丁烷反應(yīng)生成少量的二取代副產(chǎn)物E，如式（1）所示[8,18]。目標(biāo)產(chǎn)物的收率為產(chǎn)物C 生成的物質(zhì)的量與進(jìn)料中反應(yīng)物A 的物質(zhì)的量之比。

2 結(jié)果與分析

2.1 溶劑的選擇

環(huán)氧化物的開環(huán)胺解反應(yīng)是一種親核取代反應(yīng)，由于胺類物質(zhì)能夠作為親核試劑攻擊環(huán)氧化物的碳鍵并生成C—H 鍵，其本身和產(chǎn)生的β-氨基醇類物質(zhì)都獲得了更高的配位結(jié)合能力[19-20]。但是，由于部分芳香胺的親核性較弱，在無溶劑情況下反應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)，再者部分胺的沸點(diǎn)低，在無溶劑情況下會(huì)揮發(fā)產(chǎn)生浪費(fèi)，而在有溶劑時(shí)胺溶解在溶劑中，不易揮發(fā)。于是，考察了不同溶劑對(duì)環(huán)氧丁烷與戊胺開環(huán)胺解反應(yīng)的影響。在環(huán)氧丁烷和戊胺的物質(zhì)的量比為1:15（環(huán)氧丁烷為34.8 μL，戊胺為693 μL）的條件下，常溫反應(yīng)至析出產(chǎn)物為止，在相同體積用量的去離子水、乙腈或甲醇溶劑體系中產(chǎn)物C 的收率分別為89%，61%和43%。根據(jù)不同溶劑反應(yīng)下的產(chǎn)物轉(zhuǎn)化率可知，去離子水溶劑參與反應(yīng)時(shí)產(chǎn)物的區(qū)域選擇性要比其他溶劑參與反應(yīng)時(shí)產(chǎn)物的區(qū)域選擇性高。實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，戊胺在甲醇中溶解性很小，在乙腈中溶解性也不好，而在去離子水中的溶解性很好，表明在去離子水參與反應(yīng)的情況下，反應(yīng)更均勻，同時(shí)因?yàn)槿ルx子水廉價(jià)易得，環(huán)保無毒，所以選擇去離子水作為反應(yīng)溶劑更好。

2.2 去離子水用量的影響

為了考察水溶劑用量對(duì)環(huán)氧丁烷開環(huán)胺化反應(yīng)結(jié)果的影響，在環(huán)氧丁烷和戊胺的物質(zhì)量比為1:15（環(huán)氧丁烷為34.8 μL，戊胺為693 μL），常溫，反應(yīng)3 h 的條件下，不同去離子水劑量體系中環(huán)氧丁烷和戊胺的反應(yīng)結(jié)果見表1。由反應(yīng)結(jié)果可知，在環(huán)氧化物開環(huán)胺解反應(yīng)中，當(dāng)水溶劑加入的量不同時(shí)，其反應(yīng)效果相差很大。當(dāng)去離子水的劑量為2 mL 時(shí)，產(chǎn)物C 的收率可達(dá)82%，由2 mL 增加到3 mL 時(shí)，產(chǎn)物C 的收率相應(yīng)提高；但水劑量再增加時(shí)，由于水量的增加和極性的原因，使原料與水中羥基反應(yīng)的比例增加，環(huán)氧化物會(huì)發(fā)生聚合或重排，造成產(chǎn)物C 收率下降。用去離子水作此反應(yīng)的促進(jìn)劑，在取得好的反應(yīng)效果的同時(shí)可以合理地對(duì)其加以處理再使用，不但無污染，同時(shí)節(jié)約資源，而且反應(yīng)的后處理也相對(duì)容易便捷。因此，確定去離子水的用量以2～3 mL 為宜。

表1 不同去離子水用量下產(chǎn)物C 的收率Table 1 Yield of product C with different amount ofdeionized water

2.3 反應(yīng)溫度的影響

在化學(xué)反應(yīng)中，反應(yīng)溫度對(duì)反應(yīng)速度以及反應(yīng)產(chǎn)物分布的影響很大。在環(huán)氧丁烷和戊胺的物質(zhì)量比為1:15（環(huán)氧丁烷為34.8 μL，戊胺為693 μL），水溶劑為2.5 mL，反應(yīng)時(shí)間為3 h 的條件下，考察了不同反應(yīng)溫度下環(huán)氧丁烷和戊胺的反應(yīng)，結(jié)果如表2 所示。從表2 可以看出，反應(yīng)溫度為0 ℃時(shí)產(chǎn)物C 的收率很低，只有42%，這是因?yàn)樵诠潭ǖ臅r(shí)間內(nèi)胺類化合物在低溫下不能完全溶解，反應(yīng)后溶液呈渾濁體，導(dǎo)致反應(yīng)效果不夠好。當(dāng)反應(yīng)溫度為10 ℃時(shí)產(chǎn)物C 收率最高，約為87%，說明此溫度下胺類化合物的溶解性對(duì)反應(yīng)基本沒有影響，有利于產(chǎn)物C 的收率提高。進(jìn)一步提高反應(yīng)溫度，產(chǎn)物C 的收率則降低，說明副產(chǎn)物反應(yīng)對(duì)溫度更敏感。綜合考慮選擇反應(yīng)溫度為10 ℃較佳。

表2 不同反應(yīng)溫度下產(chǎn)物C 的收率Table 2 Yield of product C at different reactiontemperatures

2.4 原料比的影響

在水溶劑為2.5 mL，戊胺為693 μL，反應(yīng)溫度為10 ℃，反應(yīng)時(shí)間為3 h 的條件下，考察了環(huán)氧丁烷滴加量不同（即環(huán)氧丁烷與戊胺的物質(zhì)的量比不同）時(shí)產(chǎn)物C 的收率，結(jié)果見表3。由表3 可以看出，在反應(yīng)條件下環(huán)氧丁烷與戊胺的物質(zhì)的量比為1:15 時(shí)目標(biāo)產(chǎn)物C 的收率最高。因?yàn)榄h(huán)氧化物在反應(yīng)過程中會(huì)發(fā)生自身水解，戊胺濃度的增加有利于產(chǎn)物C 的生成，環(huán)氧化物水解的比例相對(duì)減小，目標(biāo)產(chǎn)物C 的收率增加。但實(shí)驗(yàn)中環(huán)氧丁烷的滴加量更小時(shí)（如環(huán)氧丁烷為26 μL），實(shí)驗(yàn)操作誤差對(duì)結(jié)果的影響較大，導(dǎo)致目標(biāo)產(chǎn)物C 的收率下降。

表3 不同原料比時(shí)產(chǎn)物C 的收率Table 3 Yield of product C with different ratios ofraw materials

3 結(jié) 論

研究了溶劑中胺類化合物對(duì)環(huán)氧化物的開環(huán)加成反應(yīng)，在良好的反應(yīng)條件下成功制備了β-氨基醇。初步考察了溶液類型、反應(yīng)溫度、反應(yīng)投料比例和溶劑用量對(duì)目的產(chǎn)物C 收率的影響。環(huán)氧丁烷在無催化劑去離子水溶劑反應(yīng)體系中的開環(huán)胺解反應(yīng)操作簡(jiǎn)便，去離子水容易得到且環(huán)保安全，產(chǎn)物選擇性好，是一種合乎“綠色化學(xué)”、環(huán)境友好的β-氨基醇制備技術(shù)。