2-甲基氮杂环丙烷与CO2的环加成反应

孙志琴,张 伟

(1.山西职工医学院,山西 晋中 030619; 2.榆次区人民医院,山西 晋中 030600)



2-甲基氮杂环丙烷与CO2的环加成反应

孙志琴1*,张 伟2

(1.山西职工医学院,山西 晋中 030619; 2.榆次区人民医院,山西 晋中 030600)

采用碱金属卤化物和季铵盐作为催化剂在温和条件下催化2-甲基氮杂环丙烷的CO2环加成反应，得到区域选择性的4-甲基-2-噁唑烷酮.实验结果表明，该合成路线具有反应条件温和、收率高、区域选择性好、操作简单、对环境安全友好等特点.

氮杂环丙烷；环加成反应；噁唑烷酮

近年来，CO2的排放量急剧增加，直接导致了温室效应等一系列的环境问题，但CO2又是自然界中大量存在的廉价而宝贵的C资源，出于环保和能源的双重需求，因此，固定CO2的绿色化学受到许多化学工作者的关注[1-2].氮杂环丙烷是一类具有生物活性的三元杂环化合物，许多天然产物中都含有氮杂环丙烷结构[3-7].较大的环张力决定了氮杂环丙烷结构具有较高的反应活性，可与CO2发生环加成反应合成重要的化工原料2-噁唑烷酮，且没有副产物产生，符合绿色化学与原子经济性原则，是CO2转化利用的重要途径.2-噁唑烷酮是一类很重要的杂原子五元环有机化合物，在精细化工和材料科学领域有着广泛的应用.是许多农用化学品和药物的重要中间体，可作为起始原料合成临床上应用较多的亚硝基脲类抗肿瘤药[8].

本文采用碱金属卤化物和四丁基溴化铵作为催化剂对氮杂环丙烷和CO2的环加成反应进行研究.以2-甲基氮杂环丙烷为原料，考察了催化剂种类、溶剂种类、反应温度对氮杂环丙烷的CO2环加成反应的影响，得到了最佳的反应条件.

1 实验部分

1.1 仪器和试剂

所用仪器有电子天平(AUY 120)，日本岛津公司；磁力搅拌器(GSP-80-24)，泰县分析仪器厂；集热式恒温加热磁力搅拌器(DF-101D)，巩义市英欲予华仪器厂；循环水式真空泵(SHZ-D(Ⅲ))，巩义市予华仪器有限责任公司；旋片式真空泵(2XZ-4)，台州市黄岩汇丰真空设备厂；旋转蒸发器(RE-52A)，上海亚荣生化仪器厂；熔点测试仪(RD-Ⅱ)，天津市新天光仪器有限公司.所有试剂均为分析纯，药品均购自阿拉丁、百灵威化学试剂有限公司、北京北联有限公司.使用前未经任何纯化处理.

1.2 环加成反应

在Schlenk瓶中加入2-甲基氮杂环丙烷(0.875 mol)、催化剂(20%或50%，物质的量分数，下同) 和10 mL溶剂，反应前抽真空，然后向Schlenk瓶中充入CO2气体，压力为1 atm，在一定的温度下搅拌反应， TLC跟踪反应，反应24 h后减压蒸馏除去溶剂，残留物经柱色谱分离提纯后得到产物4-甲基-2-噁唑烷酮.反应路线如图1所示.

图1 2-甲基氮杂环丙烷与CO2的环加成反应

2 结果与讨论

大多数的氮杂环丙烷和CO2的环加成反应都是在高温高压的苛刻条件下进行的[9-15].本文在室温和常压下得了区域选择性好的环加成产物.考察了催化剂种类、反应溶剂和反应温度对反应收率的影响.

2.1 催化剂对反应收率的影响

初步对催化剂的种类进行了筛选，以2-甲基氮杂环丙烷做为标准底物进行研究，溶剂采用THF，实验结果列于表1.

表1 不同催化剂催化2-甲基氮杂环丙烷与CO2环加成反应a

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

序号催化剂收率/%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.

由结果可知(表1, 序号1-7)，首先选用LiBr作催化剂，根据文献报道LiBr对环氧丙烷与CO2的环加成反应催化效能最高，反应24 h后，将粗产品分离提纯后得到区域选择性的产物4-甲基-2-噁唑烷酮，收率为72%(表1, 序号3).其异构体5-甲基-2-噁唑烷酮没有生成.在此基础上将催化剂改为LiCl和 LiI，使用LiCl时得到痕量的产物(表1, 序号2)，使用LiI时产物4-甲基-2-噁唑烷酮的产率为30%(表1, 序号4).由此可见，对于氮杂环丙烷与CO2的环加成反应，LiBr的催化效能依然是最高的，说明碱金属锂的溴化物可以有效地促进氮杂环丙烷与CO2的环加成反应.改用NaBr为催化剂时，得到的收率仅为35%(表1, 序号5).当向反应体系中添加5%的相转移催化剂18-冠醚-6时，NaBr的催化效率得到提高，收率提高到69%(表1, 序号6).在18-冠醚-6存在的条件下，KBr的催化效率也较高，产率为62%(表1, 序号7).实验结果表明，碱金属的溴化物对于2-甲基氮杂环丙烷与CO2的环加成反应起到了有效的促进作用.同时也得出该反应体系最显著的优点就是反应在室温和常压下即可平稳的进行.

在同样的条件下，催化剂改为季铵盐卤化物.实验结果发现季铵盐卤化物对于2-甲基氮杂环与CO2的环加成反应同样有效，可得到较理想的收率(表2, 序号1-7).其中相转移催化剂四丁基溴化铵(TBAB)的催化效率最高，产率为91%(表2, 序号2).依据实验结果可以得出，催化剂的活性很大程度上取决于季铵盐中的平衡阴离子(表2, 序号1、2和7)，其催化活性顺序为Br>I>Cl，对于上述碱金属锂的卤化物的催化活性，发现也是同样的顺序.

2.2 溶剂对反应收率的影响

当催化剂为TBAB时，进一步考察了不同溶剂对反应收率的影响，实验结果列于表2 (表2, 序号2-5) .

由表2可以看出，不同的溶剂对反应的收率有显著的影响，在室温条件下，当选用THF为溶剂时，效果最好，收率高达91%(表2, 序号2)；选用乙腈为溶剂时，收率为70%(表2, 序号3).选用甲醇为溶剂时，收率仅有10%(表2, 序号4).因此，THF为该环加成反应的最佳溶剂.

2.3 温度对反应收率的影响

在选取催化剂为TBAB和溶剂为THF的基础上，进一步考察反应温度对反应收率的影响，实验结果列于表2(序号2、5和6).

表2 2-甲基氮杂环丙烷和CO2环加成反应的条件优化a

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

序号X溶剂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.

由于溶剂THF的沸点为65～66 ℃，所以可考察的温度范围较窄.由结果可知，当反应温度为0、25、40 ℃时，对应的反应收率分别为50%、91%、67%.可见，反应温度的升高或降低，都不利于该反应的进行.所以室温为环加成反应的最佳实验温度.

3 结论

(1)碱金属卤化物LiBr和季铵盐卤化物TBAB对于2-甲基氮杂环的CO2环加成反应具有很高的催化活性，其适宜的催化反应条件为: 0.875 mol 2-甲基氮杂环丙烷，20% LiBr或5% TBAB，1 atm，室温下反应24 h，产物4-甲基-2-噁唑烷酮的收率分别达到72% 和91%.

(2)该反应条件温和，操作简单安全，区域选择性好，收率高，因此，氮杂环丙烷与CO2环加成反应是合成4-甲基-2-噁唑烷酮的一种有效路径.

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[责任编辑：张普玉]

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.

孙志琴(1986-), 女, 助教, 研究方向为有机化学.*

TQ252.9

A

1008-1011(2016)06-0704-03