Fe/Co双金属催化剂催化叔胺酰胺化

张 博, 吉庆敏, 胡浩冉, 杜 杨

(南京理工大学 化学与化工学院,江苏省 南京市 210094)

酰胺结构的形成是有机化学中一种重要的反应类型,因为它广泛存在于各种化合物、生物活性分子、天然产物和聚合物中[1],且酰胺官能团是生命和许多生物活性化合物中最重要的官能团之一。因此,对酰胺日益增长的需求引起了人们对开发高效灵活的合成方法的兴趣。一般而言,经典的酰胺合成通常通过羧酸衍生物与胺的反应完成[2-3],但是在这之中一直存在着原子利用率低、环境污染和产率低等诸多问题。为了高效合成酰胺,人们开发了多种方法,例如贝克曼重排反应[4-5]、 Overman重排和施密特重排。在过去的20年中,还研究了替代方法来克服这些问题,包括醛的直接氧化酰胺化、醇或甲基芳烃与胺的转酰胺化、腈的选择性水解、胺和卤代硝基烷烃的偶联[6]、氨基羧化与芳族卤化物[7]等。然而,此类方法存在许多问题,例如:大量反应所需条件严格;底物范围和原料来源狭窄;使用有毒或有害试剂以及昂贵的过渡金属催化剂等,导致方法的实际应用在一定程度上受限。

目前一般采用催化氧化或者化学氧化法氧化生成酰胺,但该反应在氧化过程中存在大量问题。首先,将叔胺氧化为酰胺所用的有效催化剂一般是单一催化剂,比如氯化铜[8-9]和氯化亚铁等,催化效果不是特别突出。其次,在氧化过程中会产生过氧化和脱氨等副反应,导致产率较低,特别是当叔胺上有苄基和乙基等取代基时,反应会有选择性地氧化,使得主产物并非所需的目标产物。此外,氧化生成酰胺的过程中使用的一些化学试剂会产生大量有毒副产物,这与绿色化学的理念相违背。

曾有研究者以氧气[10]为绿色氧化剂,并以钯/碳为催化剂进行叔酰胺的合成,但钯催化剂的使用会使成本过高。鉴于此,该文章开发了一种以二氧化硅为载体的双金属催化剂Fe-Co@SHSss。金属在介孔二氧化硅中的掺入是惰性二氧化硅结构发挥作用的最有效途径之一,这种结构因其多样化的应用而受到极大关注[11-12]。介孔二氧化硅载体中掺杂金属也可以作为活性纳米催化剂,包括丙烷脱氢、乙炔氢氯化、二氧化碳甲烷化、有机污染物氧化和葡萄糖氧化。本文以N,N-二甲基苄胺为模拟反应底物,TBHP为氧化剂,Fe-Co@SHSss为催化剂,经过反应得到了N,N-二甲基苯甲酰胺(图1),产率可以达到82%,产物结构经过1H NMR,13C NMR和MS(ESI)表征。接着又选用了一系列反应底物研究该反应体系的酰胺化效果,发现在双金属的协同作用下[13-14],以叔丁基过氧化氢为绿色氧化剂构成的这种简单的体系对于叔胺的酰胺化十分高效。

图1 N,N-二甲基苯甲酰胺的合成

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

Bruker Avance DRX500型核磁共振仪(瑞士Bruker公司);Nicolet IS10型红外光谱仪(美国Thermo公司);Finnigan TSQ Quantum ultra AM型质谱仪(美国Thermo公司);Bruker-AXS D8 Advance型X射线衍射仪;PHI QUANTERAⅡ型X射线光电子能谱仪(XPS);FEI Quanta 250F型场发射环境扫描电镜;Titan G2 60-300型透射电镜;EDX1800BS型能量色散X射线荧光光谱仪。

乙腈(色谱纯)购自上海阿拉丁生化科技股份有限公司;70% TBHP购自阿法埃莎化学有限公司;实验中所用其他药品均为购买,未经进一步提纯。

1.2 合成

(1) 催化剂Fe-Co@SHSss的合成

二氧化硅在硼氢化钠溶液中的溶解再生长过程中整合了2种金属物种,使得铁和钴在二氧化硅球中结合在一起,在该过程中添加的金属离子倾向于吸附在带负电的硅酸盐物种上,并随着二氧化硅网络的重新生长而发生氧化。样品通过一锅水热法制备。通常,将0.500 g二氧化硅和金属前体(氯化铁和六水合氯化钴,均为1 mmol)加入10.0 mL去离子水中。超声10 min使二氧化硅完全分散,金属离子通过静电作用吸附在二氧化硅表面,然后在搅拌下加入0.500 g硼氢化钠。将悬浮液移入20.0 mL不锈钢高压釜中,140 ℃保存20 h,离心收集纳米材料,去离子水洗涤至中性pH,冷冻干燥机干燥。所制备的纳米材料命名为Fe-Co@SHSss。

(2)N,N-二甲基苯甲酰胺的合成

在25.0 mL圆底烧瓶中加入0.405 g(3 mmol)的N,N-二甲基苄胺,0.3 eq.碘单质和0.005 g催化剂Fe-Co@SHSss,加入20.0 mL乙腈溶剂,80 ℃下搅拌10 min,缓缓加入1.5 mL TBHP,搅拌5 h。反应液过滤,滤液旋蒸,经过柱层析法得到0.366 g白色产物a,产率为82%。1H NMR(500 MHz, CDCl3)δ: 7.44(q,J=3.2 Hz, 2.8 Hz, 5H), 3.15(s, 3H), 3.02(s, 3H);13C NMR(126 MHz, CDCl3)δ: 171.56, 136.34, 129.48, 128.32, 127.00, 39.54。

(3)N-甲基甲酰苯胺的合成

在25.0 mL圆底烧瓶中加入0.363 g(3 mmol)的N,N-二甲基苯胺,0.3 eq.碘单质和0.005 g催化剂Fe-Co@SHSss,加入20.0 mL乙腈溶剂,80 ℃下搅拌10 min,缓缓加入1.5 mL TBHP,搅拌5 h。反应液过滤,滤液旋蒸,经过柱层析法得到0.360 g淡黄色液体b,产率为88%。1H NMR(500 MHz, CDCl3)δ: 8.50(s, 1H), 7.44(dd,J=8.4 Hz, 7.4 Hz, 2H), 7.34～7.27(m, 1H), 7.22～7.17(m, 2H), 3.35(s, 3H);13C NMR(126 MHz, CDCl3)δ: 162.56, 142.14, 129.67, 126.52, 122.44, 32.16。

(4)N-甲基-N-(邻甲苯基)甲酰胺的合成

在25.0 mL圆底烧瓶中加入0.402 g(3 mmol)的4-异丙基甲苯,0.3 eq.碘单质和0.005 g催化剂Fe-Co@SHSss,加入20.0 mL乙腈溶剂,80 ℃下搅拌10 min,缓缓加入1.5 mL TBHP,搅拌5 h。反应液过滤,滤液旋蒸,经过柱层析法得到0.360 g黄色液体c,产率为80%。1H NMR(500 MHz, CDCl3)δ: 8.44(s, 1H), 7.23(d,J=8.1 Hz, 2H), 7.09(d,J=8.4 Hz, 2H), 3.32(s, 3H), 2.39(s, 3H);13C NMR(126 MHz, CDCl3)δ: 162.47, 139.65, 136.40, 130.17, 122.54, 32.24, 20.87。

(5) phenyl(pyrrolidin-1-yl)methanone的合成

在25.0 mL圆底烧瓶中加入0.483 g(3 mmol)的1-苄基吡咯烷,0.3 eq.碘单质和0.005 g催化剂Fe-Co@SHSss,加入20.0 mL乙腈溶剂,80 ℃下搅拌10 min,缓缓加入1.5 mL TBHP,搅拌5 h。反应液过滤,滤液旋蒸,经过柱层析法得到0.460 g无色油状物d,产率为88%。1H NMR(500 MHz, CDCl3)δ: 7.54～7.45(m, 2H), 7.41～7.31(m, 3H), 3.62(t,J=7.0 Hz, 2H), 3.39(t,J=6.7 Hz, 2H), 1.98～1.89(m, 2H), 1.87～1.79(m, 2H);13C NMR(126 MHz, CDCl3)δ: 169.69, 137.23, 129.76, 128.23, 127.05, 49.60, 24.45。

(6)N,N-二乙基苯甲酰胺的合成

在25.0 mL圆底烧瓶中加入0.489 g(3 mmol)的N-苄基二乙胺,0.3 eq.碘单质和0.005 g催化剂Fe-Co@SHSss,加入20.0 mL乙腈溶剂,80 ℃下搅拌10 min,缓缓加入1.5 mL TBHP,搅拌5 h。反应液过滤,滤液旋蒸,经过柱层析法得到0.400 g无色油状液体e,产率为75%。1H NMR(500 MHz, CDCl3)δ: 7.40(q,J=3.4 Hz, 5H), 3.57(s, 2H), 3.28(s, 2H), 1.38～1.01(m, 6H);13C NMR(126 MHz, CDCl3)δ: 171.33, 137.24, 129.12, 128.42, 126.27, 43.31, 12.92。

(7)N-甲基-N-苯基苯甲酰胺的合成

在25.0 mL圆底烧瓶中加入0.591 g(3 mmol)的N-甲基-N-苄基苯胺,0.3 eq.碘单质和0.005 g催化剂Fe-Co@SHSss,加入20.0 mL乙腈溶剂,80 ℃下搅拌10 min,缓缓加入1.5 mL TBHP,搅拌5 h。反应液过滤,滤液旋蒸,经过柱层析法得到0.530 g无色油状液体f,产率为83%。1H NMR(500 MHz, CDCl3)δ: 7.34(dd,J=7.1 Hz, 1.8 Hz, 2H), 7.29～7.15(m, 6H), 7.08(dd,J=7.7 Hz, 1.5 Hz, 2H), 3.55(s, 3H);13C NMR(126 MHz, CDCl3)δ: 170.74, 144.93, 135.95, 129.63, 128.75, 127.76, 126.95, 126.54, 38.45。

(8) 4-苯甲酰吗啉的合成

在25.0 mL圆底烧瓶中加入0.531 g(3 mmol)的4-苄基吗啉,0.3 eq.碘单质和0.005 g催化剂Fe-Co@SHSss,加入20.0 mL乙腈溶剂,80 ℃下搅拌10 min,缓缓加入1.5 mL TBHP,搅拌5 h。反应液过滤,滤液旋蒸,经过柱层析法得到0.460 g白色固体g,产率为80%。1H NMR(500 MHz, CDCl3)δ: 7.53～7.35(m, 5H), 3.96～3.30(m, 8H);13C NMR(126 MHz, CDCl3)δ: 170.44, 135.35, 129.90, 128.59, 127.11, 66.91, 48.39。

(9) 1-苯甲酰哌啶的合成

在25.0 mL圆底烧瓶中加入0.525 g(3 mmol)的1-苄基哌啶,0.3 eq.碘单质和0.005 g催化剂Fe-Co@SHSss,加入20.0 mL乙腈溶剂,80 ℃下搅拌10 min,缓缓加入1.5 mL TBHP,搅拌5 h。反应液过滤,滤液旋蒸,经过柱层析法得到0.470 g无色油状物h,产率为82%。1H NMR(500 MHz, CDCl3)δ: 7.43(s, 5H), 3.76(s, 2H), 3.38(s, 2H), 1.91～1.50(m, 6H);13C NMR(126 MHz, CDCl3)δ: 170.29, 136.52, 129.36, 128.41, 126.78, 48.77, 25.65, 24.59。

2 结果与讨论

2.1 Fe-Co@SHSss催化剂表征

图2(a)Fe-Co@SHSss的XRD谱图显示,Fe-Co@SHSss的衍射峰出现在30°附近,可以确定为钴铁氧化物(JCPDS No.22-1086),这表明,在硅的再生过程中,Fe和Co物种的共同掺入倾向于形成CoFeOx;从红外谱图2(b)发现1100/(cm-1)附近的硅氧烷的吸收转移到较低的波数,这表明随着金属的掺杂,形成了更多不完整的硅骨架[15-16]。

2θ/(°)

通过能量色散x射线光谱仪(EDX)分析表明:其组成为Fe和Co,对应的图谱如图3(a)所示。接着,又用扫描电镜和透射电镜对其形貌特征进行了表征,如图3(b)～3(d),表明Fe-Co@SHSss空心球由多孔纳米片组成,球体的直径约为500 nm,厚度约为40 nm。二氧化硅纳米片的厚度约为5～10 nm,同时可以观察到大小约为1～2 nm的微小黑点均匀分布在二氧化硅纳米片上。

图3 (a) Fe-Co@SHSss的EDS谱图, (b) SEM照片和(c～d) TEM照片

2.2 催化效果

以N,N-二甲基苄胺为底物探索了一系列不同催化剂参与下的氧化反应,比较了各种催化剂的催化效果(表1)。通过表1可以看到在没有催化剂的条件下,没有酰胺的产生;当使用铜基催化剂时,反应产率是较高的,分别是54%和48%;在当使用锰基催化剂和铁基催化剂时,反应效果不太理想,反应产率在20%左右。而当使用Fe-Co@SHSss作为催化剂时,效果是很显著的,反应产率在75%以上,显示出了其在酰胺化方面的优异性能,这是一种具有很大应用潜力的高效催化剂。

表1 各种催化剂的催化效果

之后,本文以Fe-Co@SHSss为催化剂,寻找了反应进行的最佳条件。由表1可以看出,反应的最佳温度是80 ℃,而当降低或者升高反应温度时,都会导致反应产率的下降。同时,用别的氧化剂时,反应的效果会有明显下降,特别是当用m-CPBA作为氧化剂,不会得到本文需要的反应产物。此外,当提高反应时间和催化剂用量时,发现产率也不能得到提高。

2.3 催化机理

对该反应的反应机理进行了推断(图4),首先TBHP在I2的作用下生成叔丁基过氧自由基,然后叔丁基过氧自由基在叔胺的C上捕捉一个H生成A,A又失去一个电子生成B,B在水的作用下生成了醛和仲胺,醛和仲胺生成C,然后在氧化剂和催化剂的作用下,最终生成了酰胺产物。

图4 催化机理

研究了一种以二氧化硅为载体的新型双金属催化剂Fe-Co@SHSss,基于这种催化剂开发了一种有效且新颖的体系并将其应用于叔胺的氧化,在前人对叔胺酰胺化的研究中,并未发现使用过双金属负载二氧化硅型催化剂。通过一系列实验证明该反应体系对于叔胺的酰胺化是很高效的。同时,以TBHP为氧化剂,有利于提高原子利用率,十分符合绿色化学的原则,具有良好的应用价值和应用潜力。