基于铜MOFs催化的芳香碘代物氰基化反应

李仔豪，沈丽，谢建伟*

（石河子大学化学化工学院/新疆兵团化工绿色过程重点实验室，新疆 石河子832003）

基于铜MOFs催化的芳香碘代物氰基化反应

李仔豪，沈丽，谢建伟*

（石河子大学化学化工学院/新疆兵团化工绿色过程重点实验室，新疆 石河子832003）

有机腈化物在天然产物、药物合成、农药、材料、染料等领域是一类重要的合成中间体，但基于铜的金属有机框架材料（Cu-MOFs）作为催化剂催化的C-CN反应研究很少。本研究参照文献方法制备了有机配体分别为咪唑、2-羟基嘧啶、对苯二甲酸和均苯三甲酸的4种Cu-MOF催化剂，随后将其应用到卤代芳烃的氰基化反应，并对其反应溶剂、温度、时间等因素进行了优化。实验及优化结果表明：在DMSO中，MOF-199作为催化剂，Na2CO3为碱，以三水合亚铁氰化钾为氰源，在140℃下实现了多种芳香碘代物的氰基化反应，并实现了催化剂循环利用，这对于发展和完善Cu-MOF催化氰基化反应具有重要的意义。

芳香腈；Cu-MOF；三水合亚铁氰化钾；芳香碘代物；催化剂循环

腈类化合物是重要的有机合成中间体，不仅可以水解制备酸，也可以还原成胺，在农药、染料和医药等领域中广泛应用，因此氰基化反应的研究工作不仅具有重要的理论意义，也具有广泛的应用价值。腈类化合物的合成方法有很多，如Rosenmundvon Braun法、Sandmeyer法和工业氨氧化法等。传统的氰基化试剂有 NaCN[1-2]，KCN[3]，TMSCN(Trimethylsilyl cyanide)[4]，Zn(CN)2[5-6]，CuCN，(CH3)2C(OH)CN[7]。其中NaCN和KCN剧毒；Zn(CN)2和CuCN会造成重金属污染；TMSCN容易吸潮，处理不方便，与(CH3)2C(OH)CN一样均会在反应过程中放出剧毒的氰化氢气体[8]，造成环境严重污染。近年德国化学家开发了在配体协助催化下以K4[Fe(CN)6][8-11]为氰化试剂的氰化反应。K4[Fe(CN)6]由于无毒性，甚至可以作为食品添加剂，越来越受到广泛关注。金属有机框架材料（Metalorganic frameworks，MOFs）材料兼备有机高分子和无机化合物的双重优点，通过与不同的金属自组装，可形成不同的孔洞均一的可控结构，携带的金属催化剂可对反应物形成像分子筛一样的选择性催化[12-13]，另外孔洞结构使其具有了吸附气体的功能；此外，金属裸露在空隙之间，使其催化性能大大提高，在催化有机合成中的应用也十分广泛[14-15]。基于诸多功能，近几年来，MOFs材料的合成与应用已成为国内外化学科研工作者研究的热点[16-18]，但MOFs材料作为催化剂在氰基化反应中的应用的报道并不多，并且MOF材料作为催化剂可以克服配体催化体系不可循环回收的缺点，因此本研究在文献研究基础上对Cu-MOF催化碘代芳烃的氰基化反应进行了探索。

1 实验部分

1.1 实验材料和表征方法

薄层色谱板为青岛海洋化工厂GF254硅胶板；柱层析硅胶为青岛海洋化工厂生产，200-300目；其它化学试剂均为分析纯或化学纯，购自阿拉丁化学试剂公司等；1H NMR以TMS为内标，用Bruker Avance III HD 400型核磁共振仪（CDCl3为氘代试剂）测试；GC-MS用安捷伦7890A/5975C气质联用仪测试。

1.2 实验方法

1.2.1 四种Cu-MOF催化剂的合成

Cu(im)2的合成[19]：将 0.5 g CuSO4·5H2O 溶于 3 mL去离子水中，并用4 mol/L的 NH3定容至25 mL，配置成溶液一；再将0.25 g咪唑溶于25 mL去离子水中，形成溶液二，在搅拌状态下将溶液一加入至溶液二中，混合液产生褐色沉淀，过滤后静置放置过夜，得深绿色粉末，将粉末过滤后真空干燥即得产品。

[Cu(pymo)2]·2.25H2O 的合成[20]：在 30 mL 氨水溶液中加入1 mmol溴化铜，和2 mmol 2-羟基嘧啶盐酸盐，充分溶解后，敞口静置1天，生成深紫色固体，将固体过滤，真空干燥即得产品。

Cu(bdc)的合成[21]：在反应釜中将1.053 g硝酸铜和0.724 g对苯二甲酸溶解于87 mL DMF，放在110℃烘箱中反应36 h，生成蓝色晶体，将晶体过滤，用DMF洗涤，130℃真空干燥12 h，得到Cu(bdc)。

MOF-199的合成[22]：在25 mL乙醇中溶解4.91 g均苯三甲酸形成溶液一，在25 mL去离子水中溶解11 g Cu(NO3)2·2.5H2O形成溶液二，在室温下将溶液一缓缓倒入溶液二中，并搅拌30 min，再将混合物装入100 mL反应釜中，在110℃下晶化18 h，产生的晶体过滤后经水洗、醇洗后在110℃下烘干，再100℃真空干燥6 h。

1.2.2 Cu-MOF催化的芳香碘化物的氰基化反应的实验通法

在一10 mL的微波反应管中依次加入碘代芳烃（0.5 mmol）、三水合亚铁氰化钾（0.25 mmol）、Cu-MOF（0.05 mmol）、Na2CO3（1.0 mmol）和 1.0 mL DMF，将反应管放入已预热到140℃ 的油浴中加热反应 24 h；冷却到室温，反应液用乙酸乙酯抽提（3× 15 mL），合并有机相，无水硫酸钠干燥，抽滤，浓缩，柱层析分离得纯品3a-3j（石油醚和乙酸乙酯作为洗脱剂）。

1.2.3 目标化合物的结构表征

3a:1HNMR(400 MHz，CDCl3):δ7.57(d，J=9.2 Hz，2H)，6.94(d，J=8.8 Hz，2H)，3.85(s，3H);13CNMR(100 MHz，CDCl3):δ162.9，134.0，119.2，114.8，103.9，55.6;GCMS:m/z=157[M]+。

3b:1HNMR(400 MHz，CDCl3):δ7.56(d，J=7.2 Hz，2H)，6.92(d，J=7.2 Hz，2H)，4.07(q，J=7.2 Hz，2H)，1.43(t，J=7.2 Hz，3H);13CNMR(100 MHz，CDCl3):δ162.3，134.0，119.4，115.2，103.7，64.0，14.6;GC-MS:m/z=147[M]+。

3c:1HNMR(400 MHz，CDCl3):δ7.51(d，J=8.4Hz，2H)，7.25(d，J=7.6Hz，2H)，2.40(s，3H);13CNMR(100 MHz，CDCl3):δ143.7，132.0，129.9，119.2，109.3，21.9;GCMS:m/z=117[M]+。

3d:1HNMR(400 MHz，CDCl3):δ7.36(dd，J=8.2，1.4 Hz，1H)，7.31(ddd，J=8.8，6.8，2.0Hz，1H)，6.70-6.74(m，2H)，4.43(s，2H);13CNMR(100 MHz，CDCl3):δ149.7，134.1，132.4，118.1，115.3，96.0;GC-MS:m/z=118[M]+。

3e:1HNMR (400 MHz，CDCl3):δ7.45-7.48(m，1H)，7.36-7.40(m，1H)，6.87(d，J=8.4 Hz，1H)，6.81(td，J=7.2，1.2 Hz，1H)，3.02(s，6H);13CNMR (100 MHz，CDCl3):δ155.2，134.8，133.4，119.6，119.1，116.7，101.1，42.9;GC-MS:m/z=146[M]+。

3f:1HNMR(400 MHz，CDCl3):δ7.59(dt，J=8.8，2.0 Hz，2H)，7.46(dt，J=8.8，2.0 Hz，2H);13CNMR(100 MHz，CDCl3):δ139.6，133.5，129.8，118.1，110.9;GC-MS:m/z=137[M]+。

3g:1HNMR(400 MHz，CDCl3):δ7.63(dt，J=8.8，2.0 Hz，2H)，7.52(dt，J=8.8，2.0 Hz，2H);13CNMR(100 MHz，CDCl3):δ133.5，132.7，128.1，118.2，111.4;GC-MS:m/z=181[M]+。

3h:1HNMR(400 MHz，CDCl3):δ7.76-7.66(m，4H)，7.63-7.56(m，2H)，7.53-7.39(m，3H);13CNMR(100 MHz，CDCl3):δ145.8，139.3，132.7，129.2，128.8，127.8，127.3，119.0，111.0;GC-MS:m/z=179[M]+。

3i:HNMR(400 MHz，CDCl3):δ8.89(d，J=1.2 Hz，1H)，8.81(dd，J=5.2，2.0 Hz，1H)，7.96(dt，J=8.0，2.0 Hz，1H)，7.44(ddd，J=8.0，5.2，1.2 Hz，1H);13CNMR(100 MHz，CDCl3):δ153.1，152.6，139.4，123.7，116.6，110.2;GCMS:m/z=104[M]+。

3j:1HNMR(400 MHz，CDCl3):δ8.18(d，J=8.0 Hz，1H)，8.02(d，J=8.4 Hz，1H)，7.86(t，J=8.8 Hz，2H)，7.56-7.66(m，2H)，7.47(t，J=7.6 Hz.1H);13CNMR(100 MHz，CDCl3)δ133.2，132.8，132.6，132.2，128.6，128.5，127.5，125.0，124.9，117.8，110.1;GC-MS:m/z=153[M]+。

2 结果与分析

2.1 Cu-MOF催化芳香碘化物的氰基化反应条件的优化

首先，选用4-甲氧基碘苯和三水合亚铁氰化钾的氰基化反应作为模型反应，考察不同Cu-MOF催化剂、碱、溶剂、温度以及时间对氰基化反应的影响，结果如表1所示。

表1 反应条件的优化aTab.1 Optimization of the reaction conditionsa

当选取Na2CO3为碱，DMF为溶剂，发现不同的催化剂对实验结果影响较大，其中MOF-199为催化剂时，效果最好，收率达到76%，同时，空白实验表明，不加催化剂反应无法发生（序号1-5）。

随后考查不同的催化剂用量对反应结果的影响，结果表明：减少催化剂的用量，会降低反应的产率，所以催化剂的用量还是选取0.05 mmol（序号6-8）。

碱是影响催化反应性能的另一个重要因素，当使用K2CO3、Cs2CO3、K3PO4时，产率均较低；使用强碱NaOH、KOH时，产率有所提高，也不足最高的76%（序号 9-13）。

通过降温和延长反应时间实验，证明该反应降温不利于反应的进行，而延长反应时间，有利于反应的进行，提高反应产率（序号14-15）。

通过使用无水亚铁氰化钾，额外加入去离子水，改变反应体系的含水量，结果表明使用三水合亚铁氰化钾的效果最好（序号16-18）。

筛选不同的溶剂对反应的影响，结果表明DMSO效果最好（序号19-21）。在140℃下延长反应时间到24 h，产率最高达到98%（序号 22）。

通过上述反应条件优化的结果及分析可知，模型反应的最佳反应条件为：4-碘苯甲醚（0.50 mmol），三水合亚铁氰化钾（0.25 mmol），Na2CO3（1.0 mmol），MOF-199（10 mol%），DMSO（1.0 mL），反应温度为140℃，反应时间为24 h。

2.2 最优条件下氰基化反应底物拓展

在最优反应条件下，研究了不同取代基的芳香碘代物的氰基化反应，结果见表2。

表2 MOF-199催化的氰基化反应aTab.2 Cyanation Reactions catalyzed by MOF-199 catalytic system a

由表2可知：当碘代芳烃对位的具有较强的活化基团OMe或OEt时，几乎可以定量得到氰基化产物（3a和3b）；当对位取代基为甲基时，由于给电子能力下降，反应产率也相应下降，但仍得到75%的分离产率（3c）；而对于带有吸电子基团的碘代芳烃，在该催化体系下的氰基化反应都有较好的产率（3f、3g和3h）。但是，邻位取代的邻碘苯甲醚则由于位阻过大导致氰基化反应无法发生（3k）；而当邻位是强给电子基团的氨基以及氨基上甲基取代的碘代芳烃时，强给电子作用大于位阻影响，从而氰基化反应也可以发生，并且有很好的反应效果（3d和3e）；杂环的碘代芳烃和1-碘萘也有不错的效果，产率也能达到80%和 98%（3i和3j）。

2.3 循环反应实验

由于MOF-199与水和有机溶剂不相溶，所以选取在模型反应的最优条件下进行MOF-199的循环实验，探究其重复利用价值。使用0.5 mmol对碘苯甲醚，0.25mmol三水合亚铁氰化钾，1.0mmol Na2CO3，10 mol%MOF-199，1.0 mL DMSO，140 ℃，反应时间 24 h。当每一次反应完成后，使用离心机将催化剂与反应溶液分离，用水和乙醇多次洗涤，再在100℃下干燥6 h，之后再进行下一次反应物投料开始新一轮的循环。结果如图1所示。

由图1可以看出：4次循环，效果良好，目标产物3a的分离产率始终在90%以上，表明MOF-199是一种具有良好催化性能的、可循环使用的非均相催化剂。

图1 MOF-199催化剂的循环测试Fig.1 Cycle test of MOF-199 catalyst

3 讨论

（1）本文首次以MOF-199作为催化剂应用到碘代芳烃的氰基化反应中，并通过条件优化将将产率提升到72%-98%，最佳反应条件为：碘代芳烃（0.5 mmol），三水合亚铁氰化钾 （0.25 mmol），MOF-199（10 mol%），Na2CO3（1.0 mmol），DMSO（1.0 mL），反应温度为140℃，反应时间为24 h。

（2）在碘代芳烃的底物拓展结果显示，该反应对给电子基团的碘代芳烃效果优秀，同时，该反应受取代基的空间位阻影响较大，与取代基的给电子效应成竞争关系，当给电子效应大于位阻效应时该反应可以发生，当位阻效应大于给电子效应时该反应无法发生。

（3） 与金属-配体催化体系相比，MOF-199催化剂可以在该反应中循环使用，并且循环效果良好，目标产物的产率始终在90%以上，这个结果为后期的中试开发提供了基础。

4 结论

（1）建立了一种新的MOF-199催化体系用于氰基化反应，最高产率可达98%。

（2）在该催化体系下，成功实现了碘代芳烃的氰基化反应，并拓展了10种底物，产率为72%-98%也较为理想，并且MOF-199催化剂在模型反应中可以实现循环利用。

（3）本文通过实验成功建立的新的催化体系，对于发展和完善Cu-MOF催化氰基化反应具有重要的意义。

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Copper-based MOFs-catalyzed cyanation of Aryl iodides

Li Zihao,Shen Li,Xie Jianwei*
(School of Chemistry and Chemical Engineering/Key Laboratory for Green Processing of Chemical Engineering of Xinjiang Bingtuan,Shihezi University,Shihezi,Xinjiang 832003,China)

Organic cyanide is a kind of skeleton module which has important application in the field of organic synthesis,such as in natural products,drug synthesis,dyes,pesticides and materials.However,there is no example using copper-based metal-organic framework materials (Cu-MOF)as the catalyst for C-CN bond formation.Herein,four typical Cu-MOFs catalysts were prepared according to the method of literature reports(the organic ligands are imidazole,2-hydroxy pyrimidine,terephthalic acid and trimesic acid),which was then applied to the halogenated aromatic cyanation reaction.After optimization,the combination of 10 mol%MOF-199,2 equiv.Na2CO3,and 50 mol%of K4Fe(CN)6·3H2O at 140 ℃ for 24 h was the optimal conditions,and the corresponding cyanation products were obtained with good to excellent yields.Moreover,the catalyst can be reused at least 4 times without significantly decreasing of activity,which is great significance for developing and improving the Cu-MOF catalyzed cyanation reaction.

Aryl nitriles;Cu-MOF;trihydrate potassium ferrocyanide;aryl iodides;catalyst recycling

TQ246.7

A

10.13880/j.cnki.65-1174/n.2017.02.016

1007-7383(2017)02-0226-05

2016-08-25

国家自然科学基金项目(21606153）

李仔豪，男，硕士研究生，专业方向为材料化工。

*通信作者：谢建伟（1982-），男，副教授，从事有机合成、工业催化等研究，e-mail：cesxjw@foxmail.com。