Fe/Co雙金屬催化劑催化叔胺酰胺化

張 博, 吉慶敏, 胡浩冉, 杜 楊

(南京理工大學 化學與化工學院,江蘇省 南京市 210094)

酰胺結構的形成是有機化學中一種重要的反應類型,因為它廣泛存在于各種化合物、生物活性分子、天然產物和聚合物中[1],且酰胺官能團是生命和許多生物活性化合物中最重要的官能團之一。因此,對酰胺日益增長的需求引起了人們對開發高效靈活的合成方法的興趣。一般而言,經典的酰胺合成通常通過羧酸衍生物與胺的反應完成[2-3],但是在這之中一直存在著原子利用率低、環境污染和產率低等諸多問題。為了高效合成酰胺,人們開發了多種方法,例如貝克曼重排反應[4-5]、 Overman重排和施密特重排。在過去的20年中,還研究了替代方法來克服這些問題,包括醛的直接氧化酰胺化、醇或甲基芳烴與胺的轉酰胺化、腈的選擇性水解、胺和鹵代硝基烷烴的偶聯[6]、氨基羧化與芳族鹵化物[7]等。然而,此類方法存在許多問題,例如:大量反應所需條件嚴格;底物范圍和原料來源狹窄;使用有毒或有害試劑以及昂貴的過渡金屬催化劑等,導致方法的實際應用在一定程度上受限。

目前一般采用催化氧化或者化學氧化法氧化生成酰胺,但該反應在氧化過程中存在大量問題。首先,將叔胺氧化為酰胺所用的有效催化劑一般是單一催化劑,比如氯化銅[8-9]和氯化亞鐵等,催化效果不是特別突出。其次,在氧化過程中會產生過氧化和脫氨等副反應,導致產率較低,特別是當叔胺上有芐基和乙基等取代基時,反應會有選擇性地氧化,使得主產物并非所需的目標產物。此外,氧化生成酰胺的過程中使用的一些化學試劑會產生大量有毒副產物,這與綠色化學的理念相違背。

曾有研究者以氧氣[10]為綠色氧化劑,并以鈀/碳為催化劑進行叔酰胺的合成,但鈀催化劑的使用會使成本過高。鑒于此,該文章開發了一種以二氧化硅為載體的雙金屬催化劑Fe-Co@SHSss。金屬在介孔二氧化硅中的摻入是惰性二氧化硅結構發揮作用的最有效途徑之一,這種結構因其多樣化的應用而受到極大關注[11-12]。介孔二氧化硅載體中摻雜金屬也可以作為活性納米催化劑,包括丙烷脫氫、乙炔氫氯化、二氧化碳甲烷化、有機污染物氧化和葡萄糖氧化。本文以N,N-二甲基芐胺為模擬反應底物,TBHP為氧化劑,Fe-Co@SHSss為催化劑,經過反應得到了N,N-二甲基苯甲酰胺(圖1),產率可以達到82%,產物結構經過1H NMR,13C NMR和MS(ESI)表征。接著又選用了一系列反應底物研究該反應體系的酰胺化效果,發現在雙金屬的協同作用下[13-14],以叔丁基過氧化氫為綠色氧化劑構成的這種簡單的體系對于叔胺的酰胺化十分高效。

圖1 N,N-二甲基苯甲酰胺的合成

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

Bruker Avance DRX500型核磁共振儀(瑞士Bruker公司);Nicolet IS10型紅外光譜儀(美國Thermo公司);Finnigan TSQ Quantum ultra AM型質譜儀(美國Thermo公司);Bruker-AXS D8 Advance型X射線衍射儀;PHI QUANTERAⅡ型X射線光電子能譜儀(XPS);FEI Quanta 250F型場發射環境掃描電鏡;Titan G2 60-300型透射電鏡;EDX1800BS型能量色散X射線熒光光譜儀。

乙腈(色譜純)購自上海阿拉丁生化科技股份有限公司;70% TBHP購自阿法埃莎化學有限公司;實驗中所用其他藥品均為購買,未經進一步提純。

1.2 合成

(1) 催化劑Fe-Co@SHSss的合成

二氧化硅在硼氫化鈉溶液中的溶解再生長過程中整合了2種金屬物種,使得鐵和鈷在二氧化硅球中結合在一起,在該過程中添加的金屬離子傾向于吸附在帶負電的硅酸鹽物種上,并隨著二氧化硅網絡的重新生長而發生氧化。樣品通過一鍋水熱法制備。通常,將0.500 g二氧化硅和金屬前體(氯化鐵和六水合氯化鈷,均為1 mmol)加入10.0 mL去離子水中。超聲10 min使二氧化硅完全分散,金屬離子通過靜電作用吸附在二氧化硅表面,然后在攪拌下加入0.500 g硼氫化鈉。將懸浮液移入20.0 mL不銹鋼高壓釜中,140 ℃保存20 h,離心收集納米材料,去離子水洗滌至中性pH,冷凍干燥機干燥。所制備的納米材料命名為Fe-Co@SHSss。

(2)N,N-二甲基苯甲酰胺的合成

在25.0 mL圓底燒瓶中加入0.405 g(3 mmol)的N,N-二甲基芐胺,0.3 eq.碘單質和0.005 g催化劑Fe-Co@SHSss,加入20.0 mL乙腈溶劑,80 ℃下攪拌10 min,緩緩加入1.5 mL TBHP,攪拌5 h。反應液過濾,濾液旋蒸,經過柱層析法得到0.366 g白色產物a,產率為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圓底燒瓶中加入0.363 g(3 mmol)的N,N-二甲基苯胺,0.3 eq.碘單質和0.005 g催化劑Fe-Co@SHSss,加入20.0 mL乙腈溶劑,80 ℃下攪拌10 min,緩緩加入1.5 mL TBHP,攪拌5 h。反應液過濾,濾液旋蒸,經過柱層析法得到0.360 g淡黃色液體b,產率為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-(鄰甲苯基)甲酰胺的合成

在25.0 mL圓底燒瓶中加入0.402 g(3 mmol)的4-異丙基甲苯,0.3 eq.碘單質和0.005 g催化劑Fe-Co@SHSss,加入20.0 mL乙腈溶劑,80 ℃下攪拌10 min,緩緩加入1.5 mL TBHP,攪拌5 h。反應液過濾,濾液旋蒸,經過柱層析法得到0.360 g黃色液體c,產率為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圓底燒瓶中加入0.483 g(3 mmol)的1-芐基吡咯烷,0.3 eq.碘單質和0.005 g催化劑Fe-Co@SHSss,加入20.0 mL乙腈溶劑,80 ℃下攪拌10 min,緩緩加入1.5 mL TBHP,攪拌5 h。反應液過濾,濾液旋蒸,經過柱層析法得到0.460 g無色油狀物d,產率為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圓底燒瓶中加入0.489 g(3 mmol)的N-芐基二乙胺,0.3 eq.碘單質和0.005 g催化劑Fe-Co@SHSss,加入20.0 mL乙腈溶劑,80 ℃下攪拌10 min,緩緩加入1.5 mL TBHP,攪拌5 h。反應液過濾,濾液旋蒸,經過柱層析法得到0.400 g無色油狀液體e,產率為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圓底燒瓶中加入0.591 g(3 mmol)的N-甲基-N-芐基苯胺,0.3 eq.碘單質和0.005 g催化劑Fe-Co@SHSss,加入20.0 mL乙腈溶劑,80 ℃下攪拌10 min,緩緩加入1.5 mL TBHP,攪拌5 h。反應液過濾,濾液旋蒸,經過柱層析法得到0.530 g無色油狀液體f,產率為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-苯甲酰嗎啉的合成

在25.0 mL圓底燒瓶中加入0.531 g(3 mmol)的4-芐基嗎啉,0.3 eq.碘單質和0.005 g催化劑Fe-Co@SHSss,加入20.0 mL乙腈溶劑,80 ℃下攪拌10 min,緩緩加入1.5 mL TBHP,攪拌5 h。反應液過濾,濾液旋蒸,經過柱層析法得到0.460 g白色固體g,產率為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圓底燒瓶中加入0.525 g(3 mmol)的1-芐基哌啶,0.3 eq.碘單質和0.005 g催化劑Fe-Co@SHSss,加入20.0 mL乙腈溶劑,80 ℃下攪拌10 min,緩緩加入1.5 mL TBHP,攪拌5 h。反應液過濾,濾液旋蒸,經過柱層析法得到0.470 g無色油狀物h,產率為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 結果與討論

2.1 Fe-Co@SHSss催化劑表征

圖2(a)Fe-Co@SHSss的XRD譜圖顯示,Fe-Co@SHSss的衍射峰出現在30°附近,可以確定為鈷鐵氧化物(JCPDS No.22-1086),這表明,在硅的再生過程中,Fe和Co物種的共同摻入傾向于形成CoFeOx;從紅外譜圖2(b)發現1100/(cm-1)附近的硅氧烷的吸收轉移到較低的波數,這表明隨著金屬的摻雜,形成了更多不完整的硅骨架[15-16]。

2θ/(°)

通過能量色散x射線光譜儀(EDX)分析表明:其組成為Fe和Co,對應的圖譜如圖3(a)所示。接著,又用掃描電鏡和透射電鏡對其形貌特征進行了表征,如圖3(b)～3(d),表明Fe-Co@SHSss空心球由多孔納米片組成,球體的直徑約為500 nm,厚度約為40 nm。二氧化硅納米片的厚度約為5～10 nm,同時可以觀察到大小約為1～2 nm的微小黑點均勻分布在二氧化硅納米片上。

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

2.2 催化效果

以N,N-二甲基芐胺為底物探索了一系列不同催化劑參與下的氧化反應,比較了各種催化劑的催化效果(表1)。通過表1可以看到在沒有催化劑的條件下,沒有酰胺的產生;當使用銅基催化劑時,反應產率是較高的,分別是54%和48%;在當使用錳基催化劑和鐵基催化劑時,反應效果不太理想,反應產率在20%左右。而當使用Fe-Co@SHSss作為催化劑時,效果是很顯著的,反應產率在75%以上,顯示出了其在酰胺化方面的優異性能,這是一種具有很大應用潛力的高效催化劑。

表1 各種催化劑的催化效果

之后,本文以Fe-Co@SHSss為催化劑,尋找了反應進行的最佳條件。由表1可以看出,反應的最佳溫度是80 ℃,而當降低或者升高反應溫度時,都會導致反應產率的下降。同時,用別的氧化劑時,反應的效果會有明顯下降,特別是當用m-CPBA作為氧化劑,不會得到本文需要的反應產物。此外,當提高反應時間和催化劑用量時,發現產率也不能得到提高。

2.3 催化機理

對該反應的反應機理進行了推斷(圖4),首先TBHP在I2的作用下生成叔丁基過氧自由基,然后叔丁基過氧自由基在叔胺的C上捕捉一個H生成A,A又失去一個電子生成B,B在水的作用下生成了醛和仲胺,醛和仲胺生成C,然后在氧化劑和催化劑的作用下,最終生成了酰胺產物。

圖4 催化機理

研究了一種以二氧化硅為載體的新型雙金屬催化劑Fe-Co@SHSss,基于這種催化劑開發了一種有效且新穎的體系并將其應用于叔胺的氧化,在前人對叔胺酰胺化的研究中,并未發現使用過雙金屬負載二氧化硅型催化劑。通過一系列實驗證明該反應體系對于叔胺的酰胺化是很高效的。同時,以TBHP為氧化劑,有利于提高原子利用率,十分符合綠色化學的原則,具有良好的應用價值和應用潛力。