張 博, 吉慶敏, 胡浩冉, 杜 楊

(南京理工大學(xué) 化學(xué)與化工學(xué)院,江蘇省 南京市 210094)

酰胺結(jié)構(gòu)的形成是有機(jī)化學(xué)中一種重要的反應(yīng)類型,因?yàn)樗鼜V泛存在于各種化合物、生物活性分子、天然產(chǎn)物和聚合物中[1],且酰胺官能團(tuán)是生命和許多生物活性化合物中最重要的官能團(tuán)之一。因此,對酰胺日益增長的需求引起了人們對開發(fā)高效靈活的合成方法的興趣。一般而言,經(jīng)典的酰胺合成通常通過羧酸衍生物與胺的反應(yīng)完成[2-3],但是在這之中一直存在著原子利用率低、環(huán)境污染和產(chǎn)率低等諸多問題。為了高效合成酰胺,人們開發(fā)了多種方法,例如貝克曼重排反應(yīng)[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(zhuǎn)酰胺化、腈的選擇性水解、胺和鹵代硝基烷烴的偶聯(lián)[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(yīng)所需條件嚴(yán)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(dǎo)致方法的實(shí)際應(yīng)用在一定程度上受限。

目前一般采用催化氧化或者化學(xué)氧化法氧化生成酰胺,但該反應(yīng)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(chǎn)生過氧化和脫氨等副反應(yīng),導(dǎo)致產(chǎn)率較低,特別是當(dāng)叔胺上有芐基和乙基等取代基時,反應(yīng)會有選擇性地氧化,使得主產(chǎn)物并非所需的目標(biāo)產(chǎn)物。此外,氧化生成酰胺的過程中使用的一些化學(xué)試劑會產(chǎn)生大量有毒副產(chǎn)物,這與綠色化學(xué)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(jìn)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(fā)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(jié)構(gòu)發(fā)揮作用的最有效途徑之一,這種結(jié)構(gòu)因其多樣化的應(yīng)用而受到極大關(guān)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(jī)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(yīng)底物,TBHP為氧化劑,Fe-Co@SHSss為催化劑,經(jīng)過反應(yīng)得到了N,N-二甲基苯甲酰胺(圖1),產(chǎn)率可以達(dá)到82%,產(chǎn)物結(jié)構(gòu)經(jīng)過1H NMR,13C NMR和MS(ESI)表征。接著又選用了一系列反應(yīng)底物研究該反應(yīng)體系的酰胺化效果,發(fā)現(xiàn)在雙金屬的協(xié)同作用下[13-14],以叔丁基過氧化氫為綠色氧化劑構(gòu)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(shí)驗(yàn)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(zhì)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(fā)射環(huán)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(xué)有限公司;實(shí)驗(yàn)中所用其他藥品均為購買,未經(jīng)進(jìn)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(jié)合在一起,在該過程中添加的金屬離子傾向于吸附在帶負(fù)電的硅酸鹽物種上,并隨著二氧化硅網(wǎng)絡(luò)的重新生長而發(fā)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(jī)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(zhì)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(yīng)液過濾,濾液旋蒸,經(jīng)過柱層析法得到0.366 g白色產(chǎn)物a,產(chǎn)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(zhì)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(yīng)液過濾,濾液旋蒸,經(jīng)過柱層析法得到0.360 g淡黃色液體b,產(chǎn)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(zhì)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(yīng)液過濾,濾液旋蒸,經(jīng)過柱層析法得到0.360 g黃色液體c,產(chǎn)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(zhì)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(yīng)液過濾,濾液旋蒸,經(jīng)過柱層析法得到0.460 g無色油狀物d,產(chǎn)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(zhì)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(yīng)液過濾,濾液旋蒸,經(jīng)過柱層析法得到0.400 g無色油狀液體e,產(chǎn)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(zhì)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(yīng)液過濾,濾液旋蒸,經(jīng)過柱層析法得到0.530 g無色油狀液體f,產(chǎn)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(zhì)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(yīng)液過濾,濾液旋蒸,經(jīng)過柱層析法得到0.460 g白色固體g,產(chǎn)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(zhì)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(yīng)液過濾,濾液旋蒸,經(jīng)過柱層析法得到0.470 g無色油狀物h,產(chǎn)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(jié)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(xiàn)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(fā)現(xiàn)1100/(cm-1)附近的硅氧烷的吸收轉(zhuǎn)移到較低的波數(shù),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(yīng)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(jìn)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(diǎn)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(yīng),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(chǎn)生;當(dāng)使用銅基催化劑時,反應(yīng)產(chǎn)率是較高的,分別是54%和48%;在當(dāng)使用錳基催化劑和鐵基催化劑時,反應(yīng)效果不太理想,反應(yīng)產(chǎn)率在20%左右。而當(dāng)使用Fe-Co@SHSss作為催化劑時,效果是很顯著的,反應(yīng)產(chǎn)率在75%以上,顯示出了其在酰胺化方面的優(yōu)異性能,這是一種具有很大應(yīng)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(yīng)進(jìn)行的最佳條件。由表1可以看出,反應(yīng)的最佳溫度是80 ℃,而當(dāng)降低或者升高反應(yīng)溫度時,都會導(dǎo)致反應(yīng)產(chǎn)率的下降。同時,用別的氧化劑時,反應(yīng)的效果會有明顯下降,特別是當(dāng)用m-CPBA作為氧化劑,不會得到本文需要的反應(yīng)產(chǎn)物。此外,當(dāng)提高反應(yīng)時間和催化劑用量時,發(fā)現(xiàn)產(chǎn)率也不能得到提高。

2.3 催化機(jī)理

對該反應(yīng)的反應(yīng)機(jī)理進(jìn)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(chǎn)物。

圖4 催化機(jī)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(fā)了一種有效且新穎的體系并將其應(yīng)用于叔胺的氧化,在前人對叔胺酰胺化的研究中,并未發(fā)現(xiàn)使用過雙金屬負(fù)載二氧化硅型催化劑。通過一系列實(shí)驗(yàn)證明該反應(yīng)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(xué)的原則,具有良好的應(yīng)用價(jià)值和應(yīng)用潛力。