UMCM?1?NH2的后合成修飾及在制備β?氨基醇反應中的應用

劉 鴻，王正仁，陳恒澤，張銳昌，陳 超，張 寧

（南昌大學化學學院應用化學研究所，南昌330031）

UMCM?1?NH2的后合成修飾及在制備β?氨基醇反應中的應用

劉 鴻，王正仁，陳恒澤，張銳昌，陳 超，張 寧

（南昌大學化學學院應用化學研究所，南昌330031）

采用后合成修飾（PSM）技術將水楊醛錨裝到UMCM?1?NH2上，得到席夫堿功能化的多孔金屬?有機骨架化合物UMCM?1?NH?Sal，在該化合物孔道內的席夫堿N、O原子上螯合銅離子得到UMCM?1?NH?Sal?Cu催化劑，并用核磁共振氫譜（1H NMR）、X射線衍射（PXRD）、熱重分析（TG）、N2吸附?脫附等手段對催化劑進行了表征，將其用于催化有機胺和環氧化物的開環反應制備β?氨基醇，結果表明該催化劑具有良好的催化效果.

金屬?有機骨架；后合成修飾；環氧化合物開環反應；β?氨基醇

β?氨基醇是一種用途廣泛的有機中間體，許多臨床藥物都含有β?氨基醇結構單元，因此具有重要應用價值，其合成過程也一直備受重視.環氧化物與有機胺的開環反應是制備β?氨基醇的重要途徑［1～5］.許多均相催化劑被應用于β?氨基醇的合成，例如氨基磺酸［6］、金屬醇鹽［7］、金屬鹵化物［8］、過渡金屬鹽［9］、鉬雜多酸鹽［10］和離子液體［11］等.另外，為提高催化劑使用效率，將均相催化劑負載在二氧化硅納米顆粒［12］或分子篩［13］等固態載體上的多相催化劑也得到一定的開發利用.但由于催化活性位點在載體上的分散不均勻，導致存在位置選擇性差、副反應多及催化活性單元流失等缺點.因此，尋找一種選擇性高、活性位點高度分散的新型多相催化劑是人們追求的目標.

金屬?有機骨架化合物（MOFs）具有較大的比表面積和規則的納米孔道［14，15］，其短程有序的晶態結構使其適合作為載體用于催化反應［16］.根據 MOFs的后合成修飾理論（Post?synthetic modification，PSM）的提出，可通過PSM共價鍵修飾技術將均相催化劑的活性單元嫁接到孔道內表面［17，18］，從而得到活性位點均一、高效的多孔催化劑.本文采用后合成修飾技術將水楊醛嫁接到一種具有較大比表面積的金屬?有機骨架化合物UMCM?1?NH2上，得到席夫堿功能化的化合物UMCM?1?NH?Sal，再利用席夫堿螯合Cu2＋離子得到具有路易斯酸中心的多相催化劑UMCM?1?NH?Sal?Cu（Scheme 1），并將其用于催化有機胺和環氧化合物的開環反應（Scheme 2）.

Scheme 1 Synthetic route for UMCM?1?NH?Sal?Cu

Scheme 2 Ring opening reaction of epoxidesw ith am ines

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

六水合硝酸鋅、氨基對苯二甲酸和2，4?乙酰基丙酮銅購于美國Acros公司；水楊醛、苯胺、氯仿、N，N?二甲基甲酰胺（DMF）和環氧氯丙烷購于國藥集團化學試劑有限公司.所用試劑均為分析純.

DD2 400MR型核磁共振波譜儀（NMR，安捷倫科技有限公司）；ASAP?2020型全自動物理化學吸附儀（美國Micromeritics公司）；DX?3型多功能X射線衍射儀（XRD，北京普析通用公司）；Q600型熱重分析儀（TG，美國TA公司）；GC7820A型氣相色譜儀（安捷倫科技有限公司）.

1.2 催化劑的合成

配體H3BTB［BTB＝1，3，5?三（4?羧基苯基）苯］及UMCM?1?NH2參考文獻［19，20］方法合成.將32μL水楊醛溶于2 mL CHCl3作為母液，在 55℃烘箱中浸泡已合成好的 UMCM?1?NH2晶體（0.05 mmol，56 mg）11 d，每2天更換1次母液.11 d后倒掉母液，用CHCl3洗滌（10 mL×3），并用CHCl3（5 mL）浸泡1 d.重復洗滌、浸泡過程3次后，即得到UMCM?1?NH?Sal晶體.倒掉母液，加入2 mL CHCl3和0.013 g（0.05 mmol）Cu（acac）2，于55℃下反應24 h后掉倒母液，晶體用CHCl3洗滌（10 mL×3）后，用CHCl3浸泡保存.

1.3 催化過程

倒掉浸泡UMCM?1?NH?Sal?Cu的小瓶中的CHCl3，加入2mL新鮮CHCl3，再加入苯胺（10mmol）和環氧氯丙烷（10 mmol），于55℃烘箱中反應48 h.取反應液并用油膜濾頭（孔徑25μm）進行過濾，得到的產物通過Agilent 7890A?MS5975氣相色譜?質譜和1H NMR譜進行鑒定，并采用Agilent 7820 A氣相色譜定量分析反應的轉化率和選擇性.

2 結果與討論

21 催化劑的表征

2.1.11H NMR表征 UMCM?1?NH2與水楊醛反應形成亞胺鍵，得到席夫堿化合物UMCM?1?NH?Sal.由于亞胺鍵在酸性條件下不穩定，通過用硼氫化鈉還原的方式使得雙鍵變為C—N單鍵（記為UMCM?1?Sal）［21］，而后者能在酸性條件下穩定存在.用DCl／D2O／DMSO?d6將UMCM?1?Sal消解，并進行1H NMR分析.圖 1中δ8.02附近的強峰為樣品消解后配體H3BTB的質子峰.UMCM?1?NH2的1H NMR在δ7.00，7.74，7.35處出現配體BDC?NH2中苯環上碳A、B、C上氫的信號峰.進行共價后修飾后，碳B上的氫向低場移動，化學位移變大；碳A、C上的氫向高場移動，化學位移變小.進行后修飾及還原后，在δ6.93，7.21，7.83處新出現了對應的氫的化學位移；此外，在δ6.70，6.84，7.04，7.08處新出現的峰可以說明氨基和Sal反應，生成了席夫堿.通過積分計算對應氫的積分面積比

為1∶1，則其后合成修飾比率為50%.

Fig.11H NMR spectra of UMCM?1?NH2（a）and UMCM?1?Sal（b）digested in DCl／D2O／DMSO?d6

2.1.2 氮氣吸附?脫附分析 樣品的氮氣吸附?脫附曲線如圖2所示.由UMCM?1?NH2，UMCM?1?NH?Sal 和UMCM?1?NH?Sal?Cu的氮氣吸附?脫附曲線測得的比表面積分別是4395，3951和3219 m2／g，可見，對MOF進行共價修飾與配位修飾使其比表面積不斷減小，但仍保持比一般載體更大的比表面積，這進一步印證了后修飾的成功.

Fig.2 Nitrogen adsorption?desorption isotherm s of UMCM?1?NH2（a），UMCM?1?NH?Sal（b）and UMCM?1?NH?Sal?Cu（c）

Fig.3 TG curves of UMCM?1?NH2（a），UMCM?1?NH?Sal（b）and UMCM?1?NH?Sal?Cu（c）

2.1.3 熱重分析 樣品的熱重分析曲線如圖3所示.由圖3可見，UMCM?1?NH2及其后修飾產物的熱穩定性基本相似.在50～100℃區間內三者均有較大的失重，這是由于MOF骨架上客體分子的失去所致；在100～400℃區間內MOF孔道內的溶劑分子逐漸失去，該溶劑分子與骨架上的有機基團存在非共價鍵作用.在400～500℃區間，由于MOF骨架坍塌，發生了急劇的失重過程.可見，后修飾并未改變UMCM?1?NH2骨架的穩定性；UMCM?1?NH2及其后修飾產物在400℃內骨架穩定.

2.1.4 PXRD分析 圖4是UMCM?1?NH2及其后合成修飾樣品的PXRD譜圖.由圖4可見，所合成的UMCM?1?NH2的PXRD譜與通過單晶結構數據模擬的PXRD譜吻合，表明合成的UMCM?1?NH2為純相.而UMCM?NH?Sal?Cu與UMCM?1?NH2的主要峰位置基本一致，說明后修飾后的UMCM?NH?Sal?Cu維持了主體結構，并未發生骨架坍塌現象.圖4譜線d是催化劑反應后測得的PXRD圖譜，和反應前的譜圖基本一致，可見催化反應的進行并沒有破壞催化劑的晶體結構.

Fig.4 PXRD patterns of simulated UMCM?1?NH2（a），UMCM?1?NH2in CHCl3（b），UMCM?1?NH?Sal?Cu in CHCl3（c）and UMCM?1?NH?Sal?Cu after catalytic reaction（d）

2.1.5 ICP分析 在UMCM?1?NH2上經過共價后合成修飾之后，骨架上的氨基基團與水楊醛之間形成席夫堿，由于MOF骨架上與N相連的以及水楊醛上與O相連的都是苯環，苯環的給電子效應使UMCM?1?NH?Sal對金屬離子的螯合能力大大增強.通過ICP測得UMCM?1?NH?Sal?Cu中Cu2＋的含量（質量分數）為1.81%.計算可得從UMCM?1?NH?Sal到UMCM?1?NH?Sal?Cu的轉化率為65%.

2.1.6 催化反應產物的質譜與核磁分析 催化反應的產物通過氣相色譜?質譜和1H NMR譜鑒定，其結果如下：EI?MS，m／z：185.5（M＋）；1H NMR（400 MHz，CDCl3），δ：7.20（t，2H），6.76（t，1H），6.65 （d，2H），4.06～4.14（m，1H），3.64（m，2H），3.36（dd，1H），3.23（dd，1H），2.62（bs，2H）.分析可知得到的產物是1?氯?3?苯氨基?2?丙醇.

2.2 催化性能

2.2.1 催化劑活性評價 選擇環氧氯丙烷和苯胺進行環氧化合物的開環反應（數據見表1）.從實驗結

果可知，在不加催化劑或在銅離子存在下并未產生β?氨基醇，將UMCM?1?NH2加入反應體系后，有極少的β?氨基醇生成，這可能是因為UMCM?1?NH2晶體表面存在部分缺陷，少量鋅原子不飽和，從而具有一定的傾向接受外來電子對，起到催化作用.當以合成的多相催化劑UMCM?NH?Sal?Cu為催化劑時，苯胺的轉化率可以達到53%，其選擇性高達99%，這說明UMCM?NH?Sal?Cu對環氧氯丙烷和苯胺的環氧化合物開環反應有很好的催化效果.UMCM?NH?Sal?Cu對該反應的高選擇性很可能是因為水楊醛和整個MOF的骨架結構對該反應形成位阻效應，從而使親核試劑優先進攻環氧化合物中氫原子多的碳原子；另外，銅離子被螯合在MOF中使得酸性活性中心均勻分散，不發生團聚現象，這也有助于反應具有高選擇性.氨基磺酸是環氧化合物和胺的開環反應常用的均相催化劑，通常是在沒有溶劑的情況下催化反應，但其選擇性比UMCM?NH?Sal?Cu低.催化劑UMCM?NH?Sal?Cu循環使用3次后催化性能無明顯下降，苯胺的轉化率均達到50%以上；且在反應進行5 h后，將催化劑趁熱濾出，濾液繼續反應，1?氯?3?苯氨基?2?丙醇的產率無明顯變化，說明UMCM?NH?Sal?Cu催化劑具有良好的循環使用性能.

Table 1 Ring?opening reaction of epichlorohydrin with anilinea

aniline（10mmol），CHCl3（2 mL），temperature：328 K；time：48 h；b．under solvent?free condition.

2.2.2 反應底物的擴展 將胺和環氧化合物開環反應的底物進行拓展，選擇含有其它取代基的環氧化合物及苯環上具有不同取代基的芳香胺進行催化反應（數據見表2）.從反應結果可知，更換反應底物后，環氧化合物開環反應的選擇性均達到90%以上，其產率也超過45%.

Table 2 Ring opening reaction of different epoxides with am ines using UMCM?NH?Sal?Cu as cataly st?

2.2.3 可能的反應機理 根據文獻［8］，在合成的UMCM?1?NH?Sal?Cu中，錨裝在MOF上的Cu2＋應扮演了路易斯酸催化中心的作用，可能的機理如Scheme 3所示.螯合在MOF上的Cu2＋吸附環氧化合物中的O原子，削弱了C—O鍵的強度，親核試劑胺在空間效應主導下進攻氫原子多的碳原子，發生類似于SN2的反應，開環后得到β?氨基醇，反應具有很好的選擇性.

Scheme 3 Proposed mechanism of the catalytic reaction

3 結 論

通過后合成修飾將席夫堿錨裝在UMCM?1?NH2孔道中，螯合Cu2＋離子制備了具有路易斯酸中心的多相催化劑UMCM?1?NH?Cu?Sal，并將其用于催化胺和環氧化合物的開環反應，得到高選擇性的產物β?氨基醇.該催化劑可循環使用，并能拓展到多種反應底物.

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Post?synthetic Modification of UMCM?1?NH2as a Catalyst to Prepareβ?Amino Alcohols?

LIU Hong，WANG Zhengren，CHEN Hengze，ZHANG Ruichang，CHEN Chao?，ZHANG Ning?
（Institute ofApplied Chemistry，Nanchang University，Nanchang 330031，China）

By themethod of post?synthetic modification of MOFs，salicylaldehyde was anchored to UMCM?1?NH2to give a Schiff base functionalized porous compound UMCM?1?NH?Sal.The copper ion can coordinate with N atoms and O atoms inside the channels of the compound to give another compound UMCM?1?NH?Sal?Cu.The compound could catalyze the ring?opening reaction of epoxideswith amines to yieldβ?amino alcohols，and showed good catalytic performance in such reactions.

Metal?organic framework；Post?synthetic modification；Epoxide ring?opening reaction；β?Amino alcohol

O643.3

A

10.7503／cjcu20160551

（Ed.：F，K，M）

?Supported by the National Natural Science Foundation of China（Nos.21561020，21261017），the Natural Science Foundation of Jiangxi Province，China（Nos.20153BCB23021，20133ACB20001，20132BAB213004）and the Natural Science Foundation of Educational Department of Jiangxi Province，China（No.GJJ13112）.

2016?07?29.

日期：2016?10?21.

國家自然科學基金（批準號：21561020，21261017）、江西省自然科學基金（批準號：20153BCB23021，20133ACB20001，20132BAB213004）和江西省教育廳自然科學基金（批準號：GJJ11012）資助.

聯系人簡介：陳 超，男，博士，教授，主要從事MOFs材料合成與催化研究.E?mail：chaochen@ncu.edu.cn 張 寧，男，博士，教授，主要從事多相催化研究.E?mail：nzhang.ncu@163.com