黃飛鴻,王樂,張朋飛

(東華大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院 纖維材料改性國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 201600)

含氮分子是大部分生物活性分子、藥物合成中間體、天然產(chǎn)物和功能性材料的重要組成單元[1-3]。酰胺化反應(yīng)作為最古老的有機(jī)化學(xué)反應(yīng)之一,能夠準(zhǔn)確地在分子內(nèi)引入氮原子,酰胺基團(tuán)具有獨(dú)特的氫鍵能力,其中普遍存在的酮互變異構(gòu)體,酰胺基團(tuán)中就存在兩種不同類型的氫鍵位點(diǎn),一部分是羰基,其可以作為氫鍵的受體,另一部分則是可以作為氫鍵供體的氨基。從而實(shí)現(xiàn)分子的生物活性和藥化性質(zhì)的導(dǎo)向轉(zhuǎn)變[4-5]。據(jù)統(tǒng)計(jì),市場(chǎng)上在售的醫(yī)藥藥物分子排行榜中前200位中,有118種藥物分子含有氮原子。早在2007年,全球制藥公司就把如何實(shí)現(xiàn)酰胺鍵的構(gòu)建列入到搶先研究的項(xiàng)目當(dāng)中,至此以來,酰胺鍵的構(gòu)建一直都是有機(jī)化學(xué)領(lǐng)域亟需解決的研究問題。然而傳統(tǒng)酰胺化反應(yīng)大多需要較高的反應(yīng)溫度來促進(jìn)偶聯(lián)反應(yīng)的進(jìn)行,但存在著酰氯儲(chǔ)存易分解、化學(xué)廢物多、反應(yīng)條件嚴(yán)苛等限制因素[6-7]。而且會(huì)浪費(fèi)大量的縮合試劑,成本過高。隨著研究的不斷深入,通過催化方法得到酰胺類產(chǎn)物,能夠兼顧經(jīng)濟(jì)環(huán)保的同時(shí),還能實(shí)現(xiàn)酰胺化產(chǎn)物的高效產(chǎn)出。于是愈來愈多的科研人員將目光轉(zhuǎn)移到合成穩(wěn)定高效的催化劑降低反應(yīng)勢(shì)壘來催化酰胺化反應(yīng)進(jìn)行[8-9]。目前酰胺化反應(yīng)的催化劑主要是通過貴金屬配合物或者氮雜環(huán)卡賓過渡金屬配合物等金屬催化劑催化醛類、醇類和酮類小分子酰胺化。這類方法由于底物范圍較窄、存在金屬離子殘留、產(chǎn)物不易分離以及成本過高等因素大大限制了其在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用。如何克服以上不足,構(gòu)建一個(gè)穩(wěn)定高效的催化反應(yīng)體系實(shí)現(xiàn)酰胺的高效合成是一個(gè)亟需解決的研究問題。

金屬有機(jī)框架材料(MOFs)是一類由金屬離子/團(tuán)簇和高度對(duì)稱的有機(jī)配體,通過金屬與配位原子的強(qiáng)配位作用生成的一類具有永久空隙的晶態(tài)多孔材料[10-12]。MOFs不僅有精確的微化學(xué)環(huán)境,明確的活性位點(diǎn),還具有豐富的結(jié)構(gòu)預(yù)設(shè)計(jì)性,可以通過對(duì)金屬離子/團(tuán)簇和配體的調(diào)控以及對(duì)MOFs的合成后修飾來得到一系列具有特定功能的MOFs。如今,人類日常生活中用到的各種化學(xué)產(chǎn)品95%以上(按體積計(jì))是通過工業(yè)生產(chǎn)和加工出來的,而催化劑是工業(yè)生產(chǎn)和產(chǎn)品加工過程中最為關(guān)鍵的因素,這使得對(duì)更高效催化材料的研究成為一個(gè)激動(dòng)人心且充滿活力的研究領(lǐng)域。金屬有機(jī)框架材料由于其前所未有的結(jié)構(gòu)多樣性、固有的有機(jī)雜化-無機(jī)性質(zhì)、存在不協(xié)調(diào)的金屬位置和易于接近的有機(jī)支柱、合理設(shè)計(jì)的可能性以及明確的孔隙度等特點(diǎn),使成為了非均相催化劑設(shè)計(jì)的最佳平臺(tái)。一般來說金屬有機(jī)框架材料可以通過以下幾個(gè)位置進(jìn)行催化作用:1)當(dāng)金屬氧簇出現(xiàn)空配位點(diǎn)時(shí),可以通過材料裸露的金屬位點(diǎn)進(jìn)行催化;2)通過配體的設(shè)計(jì)引入催化位點(diǎn);3)利用雜化材料光電屬性和配體與金屬間電荷轉(zhuǎn)移來觸發(fā)光催化過程;4)作為其他催化位點(diǎn)(如納米顆粒、酶或其他部分)封裝的宿主;5)通過MOF支架的合成后改性;6)作為通過控制分解形成納米顆粒或單中心催化劑的前體;以及通過結(jié)合上述幾個(gè)方式進(jìn)行催化劑的設(shè)計(jì)。因此,MOFs逐漸成為了非均相催化劑設(shè)計(jì)與構(gòu)建的最佳平臺(tái),而鋯基金屬有機(jī)框架材料(Zr-MOFs)由于Zr-O鍵的強(qiáng)配位作用,使得Zr-MOFs表現(xiàn)出更加優(yōu)異的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性[13]。光催化由于其清潔、無污染等優(yōu)點(diǎn),且光敏劑小分子能夠在光激發(fā)下躍遷至激發(fā)態(tài)通過電子轉(zhuǎn)移等方式實(shí)現(xiàn)小分子高效氧化?；谝陨系葍?yōu)點(diǎn),本文通過對(duì)鋯基金屬有機(jī)框架材料(Zr-MOFs)進(jìn)行后修飾改性并作為非均相光催化劑,光催化氧化醛類分子原位生成酰氯活性中間體,通過簡(jiǎn)單的一鍋法反應(yīng),高效合成酰胺衍生物。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 催化劑合成

光催化劑小分子[Ru(dcbpy)(bpy)2]Cl2的合成首先在裝有冷凝器和磁力攪拌棒的100 mL的雙頸圓底燒瓶中加入三氯化釕(RuCl3,400 mg,1.92 mmol)、2,2′-聯(lián)吡啶(bpy,600 mg,3.85 mmol)和氯化鋰(LiCl,800 mg,18.87 mmol)。循環(huán)抽真空通氮?dú)馊魏?加入13 mL DMF溶液。將反應(yīng)混合物在N2下回流24 h,反應(yīng)完成后加入丙酮(120 mL)。最后,將混合物放在冰箱中過夜,得到粗黑綠色晶體(cis-Ru(bpy)2Cl2·2H2O)。過濾混合物并用去離子水和乙醚洗滌。然后,160 mg,0.33 mmol產(chǎn)物和 2,2′-聯(lián)吡啶-5,5′-二羧酸(H2dcbpy,101 mg,0.42 mmol)混合在20 mL EtOH/H2O(體積比)中,在N2條件下回流24 h,通過真空濃縮除去溶劑后,在甲醇/乙醚混合溶液中重結(jié)晶得到[Ru(dcbpy)(bpy)2]Cl2,如圖1所示。1H NMR(600 MHz,DMSO-d6):δ9.05(d,J= 8.5 Hz,1H),8.91(dd,J= 24.5,8.1 Hz,2H),8.53(dd,J= 8.4,1.9 Hz,1H),8.24(td,J= 7.9,1.5 Hz,1H),8.18(td,J= 7.9,1.5 Hz,1H),8.01(d,J= 1.8 Hz,1H),7.88～7.84(m,1H),7.81～7.77(m,1H),7.61(dd,J= 7.5,5.8 Hz,1H),7.51(dd,J= 7.5,5.8 Hz,1H)。

圖1 [Ru(dcbpy)(bpy)2]Cl2的合成

MOFs的合成方法是根據(jù)已報(bào)道過的合成方法進(jìn)行了適當(dāng)?shù)男薷腫14],PCN-808合成先稱取四氯化鋯(ZrCl4,60 mg,0.25 mmol)和配體(H4TPTB,30 mg,0.04 mmol),置于15 mL的耐高溫玻璃瓶中。再加入酸性調(diào)節(jié)劑苯甲酸(2 g,16.39 mmol)和10 mLN,N-二甲基甲酰胺(DMF),放入90 Hz的超聲波清洗機(jī)均勻分散20 min,待溶液完全澄清后移入到120 ℃高溫烘箱中,3 d后,可以在常規(guī)光學(xué)顯微鏡下觀察到針狀無色透明晶體。待冷卻至室溫后,每天用10 mL DMF沖洗3次洗3 d,再用10 mL丙酮(Aceton)每天洗3次洗3 d,在80 ℃下抽真空10 h活化樣品備用。

采用溶劑輔助的后修飾手法對(duì)合成后的MOFs材料進(jìn)行光化學(xué)改性。取100 mg PCN-808于玻璃瓶中,另取40 mg的光催化劑小分子[Ru(dcbpy)(bpy)2]Cl2浸泡在20 mL的DMF溶液中 ,分別在裝有MOFs的玻璃瓶中加入10 mL混合溶液,置于100 ℃的高溫烘箱中,通過溶劑的動(dòng)態(tài)吸附光催化劑小分子會(huì)與框架中未配位的Zr-O簇配位,從而固定在晶體框架內(nèi)部,24 h 后取出。用新鮮的DMF溶液清洗3次后得到相應(yīng)的PCN-808-Ru晶體有機(jī)框架材料,并對(duì)其進(jìn)行下一步分析于表征。

1.2 催化劑表征

對(duì)合成的PCN-808以及后修飾的PCN-808-Ru進(jìn)行了粉末X射線衍射分析(PXRD),從而確定樣品的晶體構(gòu)型,如圖2a所示。通過實(shí)驗(yàn)得到的PXRD衍射圖譜可以看出,實(shí)驗(yàn)合成的晶體以及通過溶劑輔助插入光催化劑小分子完成后修飾的晶體材料,與之前報(bào)道的晶體原型具有相同的結(jié)晶度,僅僅是相位發(fā)生了小小的偏移,由此可以證明,由后修飾法引入光催化位點(diǎn)并不會(huì)對(duì)晶體的結(jié)晶度產(chǎn)生過大的影響。為了進(jìn)一步驗(yàn)證經(jīng)過后修飾過程之后,光催化劑小分子[Ru(dcbpy)(bpy)2]Cl2是否成功地引入到晶體框架內(nèi)部中,對(duì)后修飾后的材料進(jìn)行了紫外近可見分析,首先根據(jù)相關(guān)報(bào)道,PCN-808晶體材料是沒有光吸收的,如果成功地將配體分子引入的話,那么后修飾得到的PCN-808-Ru應(yīng)該在[Ru(dcbpy)(bpy)2]Cl2對(duì)應(yīng)的波長范圍出現(xiàn)吸收特征峰,于是優(yōu)先對(duì)光催化劑小分子[Ru(dcbpy)(bpy)2]Cl2,和MOFs材料進(jìn)行了光譜分析(UV-vis),如圖2b所示。由圖可以明顯看出,在經(jīng)過后修飾處理得到的PCN-808-Ru相比與未處理的PCN-808在～475 nm左右出現(xiàn)了明顯的吸收峰,而吸收峰的藍(lán)移可能是因?yàn)榫w的空間結(jié)構(gòu)和化學(xué)環(huán)境導(dǎo)致光敏劑分子構(gòu)型發(fā)生改變。吸收峰的出現(xiàn)說明通過簡(jiǎn)單的溶劑法是可以很好地構(gòu)建小分子[Ru(dcbpy)(bpy)2]Cl2與晶體框架上位配位的氧原子相互配位,從而通過配體的插入實(shí)現(xiàn)光催化位點(diǎn)的成功引入的。

(a)PXRD圖譜;(b)Uiv-vs圖譜圖2 PCN-808和PCN-808-Ru的PXRD圖譜和Uiv-vs圖譜

1.3 條件篩選

首先選取苯甲醛作為反應(yīng)條件優(yōu)化的模型底物,從反應(yīng)時(shí)間,催化劑負(fù)載量,催化劑種類,氯源含量和光照等因素對(duì)最佳反應(yīng)條件進(jìn)行篩選,如表1所示。首先對(duì)反應(yīng)時(shí)間進(jìn)行了研究,分別在反應(yīng)3,5,7 h分別取上清液做產(chǎn)率分析,結(jié)果表明在反應(yīng)7 h效果最佳,如條目1～3所示。之后對(duì)催化劑用量和種類進(jìn)行了對(duì)比分析,選取合成的小分子均相催化劑Ru(dcbpy)(bpy)2和PCN-808-Ru進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明當(dāng)PCN-808-Ru的用量減少到5 mg(物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)約3%時(shí))的酰氯產(chǎn)率高達(dá)95%,而相同比例的傳統(tǒng)均相小分子催化劑僅為88%,如條目3～5、8、9所示。其次對(duì)氯代試劑NCS的用量進(jìn)行了研究,根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明NCS的用量在1.5和3 mmol時(shí),產(chǎn)率相當(dāng),但出于成本和環(huán)保角度考慮NCS用量在1.5 mmol最佳,如條目3、6～7所示。之后對(duì)有無光照,有無催化劑進(jìn)行對(duì)比分析,發(fā)現(xiàn)幾乎無產(chǎn)物生成,如條目10,11所示。綜上所述,PCN-808-Ru催化酰胺化反應(yīng)的最佳條件是:底物0.5 mmol,PCN-808-Ru(物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)3%),NCS(1.5 mmol),MeCN(2 mL)反應(yīng)7 h后旋干反應(yīng)液,加入芐氧胺鹽酸鹽(3 mmol)和K2CO3(3 mmol)在4 mL DCM中反應(yīng)16 h得到最終產(chǎn)物芐氧酰胺類衍生物。

表1 PCN-808-Ru催化酰胺化反應(yīng)條件優(yōu)化圖

2 結(jié)果與討論

通過反應(yīng)條件篩選得到最優(yōu)反應(yīng)條件之后,進(jìn)一步對(duì)底物適用范圍進(jìn)行了拓展,包括雜原子鄰位、富電子基團(tuán)、缺電子基團(tuán)取代的芳香醛類底物進(jìn)行了反應(yīng)研究,都取得較高的產(chǎn)率,底物范圍拓展如圖3所示。該反應(yīng)體系對(duì)具有富電子基團(tuán)取代的芳香醛類底物具有較高的產(chǎn)率,其中苯甲醛(1)和對(duì)甲基苯甲醛(2)的產(chǎn)率都高于80%,而具有缺電子基團(tuán)取代的芳香醛的產(chǎn)率稍低于富電子基團(tuán)。而對(duì)于缺電子基團(tuán)的強(qiáng)弱對(duì)該反應(yīng)體系的產(chǎn)率沒有過大的影響。對(duì)氰基苯甲醛(4)、4-F-苯甲醛(5)、3-三氟甲基苯甲醛(6)和4-氯苯甲醛(7)的產(chǎn)率分別為73%,75%,62%和68%。綜上所述,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該反應(yīng)體系對(duì)芐氧胺類鹽酸鹽和芳香醛的酰胺化反應(yīng)具有高反應(yīng)活性和官能團(tuán)耐受性。

圖3 底物范圍拓展圖

N-(benzyloxy) benzamide(1):由快速柱色譜純化系統(tǒng)分離得到白色固體(洗脫劑:V正己烷∶V乙酸乙酯=8∶2)。1H NMR:δ11.81(s,1H),7.79～7.75(m,2H),7.57～7.52(m,1H),7.50～7.44(m,4H),7.43～7.38(m,2H),7.38～7.34(m,1H),4.95(s,2H)。13C NMR:δ164.44,135.94,132.37,131.63,128.95,128.48,128.35,128.33,127.13,77.03,40.06。

N-(benzyloxy)-4-methylbenzamide(2):由快速柱色譜純化系統(tǒng)分離得到白色固體(洗脫劑:V正己烷∶V乙酸乙酯=8∶2)。1H NMR:δ8.84(s,1H),7.57(d,J= 8.0 Hz,2H),7.45～7.40(m,2H),7.40～7.32(m,3H),7.18(d,J= 7.9 Hz,2H),5.00(s,2H),2.37(s,3H)。13C NMR:δ142.71,135.46,129.45,129.43,129.13,128.86,128.73,127.18,78.43,21.61。

N-(benzyloxy)-3-methylbenzamide(3):由快速柱色譜純化系統(tǒng)分離得到白色固體(洗脫劑:V正己烷∶V乙酸乙酯=8∶2)。1H NMR:δ8.12(s,1H),7.43(d,J= 7.2 Hz,3H),7.39～7.36(m,3H),7.35～7.30(m,1H),7.29～7.23(m,1H),7.18(d,J= 7.5 Hz,1H),5.22(s,2H),2.37(s,3H)。13C NMR:δ149.40,138.53,137.64,132.22,130.84,128.70,128.58,128.51,128.09,127.59,124.61,76.49,21.44。

N-(benzyloxy)-4-cyanobenzamide(4):由快速柱色譜純化系統(tǒng)分離得到白色固體(洗脫劑:V正己烷∶V乙酸乙酯=8∶2)。1H NMR:δ12.04(s,1H),8.10～7.79(m,4H),7.49～7.29(m,5H),4.95(s,2H)。13C NMR:δ162.86,136.37,135.73,132.58,129.01,128.42,128.38,127.98,118.26,114.00,77.10。

N-(benzyloxy)-4-fluorobenzamide(5):由快速柱色譜純化系統(tǒng)分離得到白色固體(洗脫劑:V正己烷∶V乙酸乙酯=8∶2)。1H NMR:δ8.87(s,1H),7.71～7.66(m,2H),7.44～7.40(m,2H),7.40～7.34(m,3H),7.06(t,J= 8.6 Hz,2H),5.00(s,2H)。13C NMR:δ165.97,164.29,135.29,129.63,129.46,128.99,128.80,128.18,115.93(d,J= 22.0 Hz),78.54。

N-(benzyloxy)-3-(trifluoromethyl) benzamide(6):由快速柱色譜純化系統(tǒng)分離得到白色固體(洗脫劑:V正己烷∶V乙酸乙酯=8∶2)。1H NMR:δ8.16(s,1H),7.85(s,1H),7.75(d,J= 7.8 Hz,1H),7.61(d,J= 7.8 Hz,1H),7.49(t,J= 7.8 Hz,1H),7.44～7.41(m,2H),7.41～7.37(m,2H),7.36～7.32(m,1H),5.24(s,2H)。13C NMR:δ147.69,137.32,133.24,131.47,131.25,130.33,129.32,128.65,128.58,128.26,126.41(d,J= 3.5 Hz),123.81(d,J= 3.9 Hz),76.89。

N-(benzyloxy)-2,4-dichlorobenzamide(7):由快速柱色譜純化系統(tǒng)分離得到白色固體(洗脫劑:V正己烷∶V乙酸乙酯=8∶2)。1H NMR:δ8.51(s,1H),7.85(d,J= 8.5 Hz,1H),7.47～7.38(m,6H),7.28～7.21(m,1H),5.25(s,2H)。13C NMR:δ145.20,137.23,136.15,134.43,129.72,128.72,128.63,128.56,128.25,128.04,127.54,76.93。

3 結(jié)論

采用溶劑輔助的后合成修飾法,對(duì)PCN-808進(jìn)行光化學(xué)改性,并將PCN-808-Ru作為非均相光催化劑催化苯甲醛和芐氧胺鹽酸鹽的酰胺化反應(yīng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,該反應(yīng)體系具有較高的產(chǎn)率以及對(duì)富電子和缺電子基團(tuán)的芳香醛都具有較好的耐受性。該項(xiàng)研究結(jié)果拓寬了酰胺化產(chǎn)物的合成方法,后合成改性可以很好地對(duì)MOFs材料進(jìn)行導(dǎo)向改性,從而得到具有特定功能的MOFs材料,對(duì)推動(dòng)MOFs材料在催化化學(xué)方面的應(yīng)用具有重大意義。