Fe-MIL-101催化Paal-Knorr反應合成吡咯衍生物

楊　明, 湯　甲, 王靜靜, 范　爽, 張　歡, 陶柳實, 譚　麗

(1. 北京科技大學材料科學與工程學院, 2. 新材料技術研究院, 北京 100083)

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Fe-MIL-101催化Paal-Knorr反應合成吡咯衍生物

楊明1, 湯甲1, 王靜靜1, 范爽1, 張歡1, 陶柳實1, 譚麗2

(1. 北京科技大學材料科學與工程學院, 2. 新材料技術研究院, 北京 100083)

摘要以Fe-MIL-101為非均相催化劑, 通過多種伯胺與2,5-二甲氧基四氫呋喃進行Paal-Knorr反應, 高效合成相應的吡咯衍生物. 在Fe-MIL-101結構中, 裸露的Fe(Ⅲ)配位點作為催化活性中心參與吡咯衍生物的催化合成反應. 同時Fe-MIL-101的高比表面積和大的孔尺寸確保了底物分子與催化活性中心的充分接觸以及產物的自由脫離, 從而促進了催化反應的快速進行. Fe-MIL-101在催化反應過程中具有很好的穩定性, 多次循環使用后仍能表現出良好的催化性能. 此外, 該催化劑在伯胺(包括脂肪胺、芳香胺)與2,5-己二酮的Paal-Knorr縮合反應中也具有優異的催化性能.

關鍵詞Fe-MIL-101非均相催化劑; Paal-Knorr反應; 吡咯衍生物

吡咯及其衍生物作為一類重要的雜環化合物, 在有機合成、藥物化學及材料化學等領域具有廣泛的應用[1～4]. 目前合成該類化合物的方法很多, 主要包括Hantzsch反應[5,6]、1,3-偶極環加成反應[7]、環化反應[8]和Paal-Knorr反應[9,10]等. 其中, 1,4-二羰基化合物與胺的Paal-Knorr縮合反應是最常用的. 近年來, 均相催化劑如三氟甲基磺酸鈧[11]、氨基磺酸[12]、方酸[13]及過渡金屬銅鹽[14,15]等在Paal-Knorr反應中具有優異的催化活性. 然而均相催化劑存在難以回收再利用、易造成環境污染等問題, 因此非均相催化劑的開發和利用成為解決上述問題的有效途徑. 目前已報道的非均相催化劑如PEG-SO3H[16]、Nano-FGT[17,18]和沸石分子篩[19,20]等在Paal-Knorr反應中具有良好的催化效果, 但是上述非均相催化劑仍存在著一些不足, 如催化劑制備過程復雜、目標產物產率低及循環穩定性差等. 因此, 構筑具有活性高、毒性小且循環性能優異的新型非均相催化劑成為目前研究的主要趨勢.

金屬有機骨架(Metal organic frameworks, MOFs) 是一類由金屬離子與有機配體之間通過配位鍵構筑而成的多孔材料[21～25]. 在MOFs結構中高度分散的金屬離子具有不飽和的配位點, 這些具有不飽和配位點的離子可作為催化活性中心參與到催化反應中[26～28]. 同時該類材料還擁有較大的比表面積和孔體積, 有利于反應的快速進行. 目前MOFs在醇的氧化、醛的烴化、烯烴環氧化、縮醛反應、Suzuki偶聯反應和硝基的還原等催化反應中均表現出優異的催化性能[22,28～30], 然而MOFs作為非均相催化劑應用于Paal-Knorr反應還較為少見[31].

本文利用Fe(Ⅲ)與有機配體構筑Fe-MOFs(Fe-MIL-101) 多孔材料, 并將其作為非均相催化劑用于Paal-Knorr反應催化合成吡咯及其衍生物. 在Fe-MIL-101的結構中, Fe(Ⅲ)中未飽和的配位點被溶劑分子占用, 通過去溶劑化, 使這些配位點得以裸露, 進而作為活性點位參與催化反應[32]. Fe-MIL-101制備簡單, 同時具有較高的比表面積(2670.49 m2/g) 和較大的孔體積(0.75 cm3/g), 有利于Fe(Ⅲ)與底物的充分接觸以及產物的脫離, 促進了催化反應的快速進行.

1實驗部分

1.1試劑與儀器

對苯二甲酸(H2BDC)和FeCl356H2O, 分析純, Alfa Aesar(北京) 化學有限公司; 其它試劑均為分析純, 北京化學試劑公司.

ZEISS SUPRA55型掃描電子顯微鏡; M21X型X射線衍射儀(XRD), CuKα射線(λ=0.154178 nm); 6700 Thermo Scientific 型紅外光譜儀(KBr壓片); Agilent 7890A/5975C GCMS氣質聯用儀.

1.2實驗過程

1.2.1Fe-MIL-101的制備將0.658 g(3.96 mmol) 對苯二甲酸和1.07 g(3.96 mmol) FeCl3·6H2O溶解于90 mL DMF中, 并向其中加入3.6 mL乙酸, 分散均勻, 在110 ℃下保溫24 h. 反應結束后離心分離, 所得固體產物用DMF和甲醇分別洗滌3次, 最后在80 ℃條件下干燥24 h, 得到磚紅色的固體產物Fe-MIL-101. 另外, 為了進一步驗證所制材料是Fe-MIL-101, 根據文獻[33]方法, 采用微波合成法制備出Fe-MIL-101, 記為MIL-101(Fe).

1.2.2吡咯及其衍生物的催化合成過程將Fe-MIL-101(0.2 mmol) 加入到含有胺(5 mmol)、2,5-二甲氧基四氫呋喃(6 mmol)、水(2 mL)以及以硝基苯(1 mmol)為內標物的混合溶液中, 在100 ℃下磁力攪拌50 min. 反應結束后, 加入適量乙醇稀釋, 離心, 上清液通過氣相色譜-質譜進行檢測分析, 將回收后的催化劑, 用乙醇洗滌3次, 在90 ℃下干燥, 以備循環使用, 催化反應式如下:

2結果與討論

2.1催化劑的表征

從圖1(A)的SEM照片可以看出, 所制備材料的形貌為正八面體結構, 晶體尺寸均一, 大小約為800 nm. 通過圖1(B)的PXRD譜圖可以看出, Fe-MIL-101的峰位置和峰型與MIL-101的模擬結構以及采用微波法所制備的MIL-101(Fe)相吻合. 由圖1(C)的FTIR譜圖可以看出, Fe-MIL-101的特征吸收峰與MIL-101(Fe)也基本吻合, 表明制備了Fe-MIL-101.

Fig.1　SEM image of Fe-MIL-101(A), PXRD patterns(B) of Cr-MIL-101-simulation(a), Fe-MIL-101(b), 　MIL-101(Fe)(c) and FTIR spectra(C) of Fe-MIL-101(a) and MIL-101(Fe)(b)

2.2不同催化劑對Paal-Knorr反應的影響

為了考察Fe-MIL-101在Paal-Knorr縮合反應中的催化活性, 研究了幾種常見的鐵源催化劑的催化性能, 結果列于表1. 可以看出, 在無催化劑條件下, 反應60 min后, 苯胺的轉化率為20.4%(表1,Entry 1), 以FeCl3·6H2O, Fe(NO3)3·9H2O和Fe2(SO4)3為催化劑時, 苯胺的轉化率得到了明顯提升, 反應50 min后幾乎所有的苯胺都轉化成了相應產物(表1, Entries 2～4). 而以配位型的Fe(C5H5)2為催化劑時, 反應50 min后苯胺的轉化率僅有13.3%(表1, Entry 5). 在相同反應條件下, 加入含有相同摩爾量Fe(Ⅲ)的Fe-MIL-101后, 苯胺的轉化率高達98.9%(表1, Entry 6). Fe-MIL-101中不飽和配位的Fe(Ⅲ)作為催化活性中心能夠高效催化Paal-Knorr縮合反應, 同時高的比表面積和大的孔體積保證了Fe(Ⅲ)與底物的充分接觸以及產物的脫離. Fe-MIL-101作為一種新型的非均相催化劑, 有望替代傳統的均相鐵源催化劑高效催化Paal-Knorr縮合反應.

Table 1　Influence of Fe(Ⅲ)-catalysts on the Paal-Knorr reaction conversion*

2.3不同溶劑對Paal-Knorr反應的影響

在不同溶劑下考察Paal-Knorr催化反應, 結果示于表2. 在無溶劑或分別以乙醇、乙腈、三氯甲烷、四氫呋喃及二氯乙烷為溶劑條件下, 苯胺的轉化率均比較低(表2, Entries 1～6). 以水為溶劑時, 苯胺轉化率高達98.9%(表2中Entry 7), 這可能是由于水分子首先參與2,5-二甲氧基四氫呋喃的水解反應生成2,5-二羥基四氫呋喃, 然后進一步失水生成丁二醛, 進而在催化劑的作用下與苯胺反應生成吡咯產物(圖2)[15]. 為了進一步驗證水分子在該縮合反應中的重要作用, 在以二氯乙烷為溶劑的體系中引入適量水, 反應50 min后, 其轉化率由原來的8.7%(表2中Entry 6) 提升至64.1%(表2中Entry 8), 延長反應時間至180 min, 幾乎所有的苯胺轉化為相應的產物(表2中Entry 9). 因此, 對于苯胺和2,5-二甲氧基四氫呋喃的Paal-Knorr反應, 水是一種優良的溶劑[34].

Table 2　Influence of different solvents on the Paal-Knorr reaction conversiona

a. Reaction conditions: Fe-MIL-101(0.2 mmol); aniline(5 mmol); tetrahydro-2,5-dimethoxyfuran(6 mmol); nitrobenzene(1 mmol); reaction temperature(100 ℃);b. 2 mL solvent;c. solvent: 2 mL C2H4Cl2+24 mmol water.

Fig.2　Water involved in the process of the Paal-Knorr reaction

2.4反應溫度和時間對Paal-Knorr縮合反應的影響

在反應溫度分別為60, 80和100 ℃時, 反應1 h后, 苯胺的轉化率分別為1.91%, 37.1%和99.6%(表3中Entries 1, 3和7); 控制反應溫度為60 ℃, 反應時間由1 h延長至24 h, 苯胺的轉化率則由1.91%提升至46.8%(表3, Entries 1, 2); 當升高反應溫度至80 ℃時, 6 h后, 苯胺幾乎全部轉化為相應產物(表3, Entry 5); 當反應溫度升至100 ℃時, 僅需反應50 min, 苯胺的轉化率便高達98.9%(表3, Entry 6). 因此, 在后續反應中, 反應溫度和時間分別設定為100 ℃和50 min.

Table 3　Influence of temperature and time on the Paal-Knorr reaction conversion*

* Reaction conditions: Fe-MIL-101(0.2 mmol); aniline(5 mmol); tetrahydro-2,5-dimethoxyfuran(6 mmol); nitrobenzene(1 mmol); water(2 mL).

2.5Fe-MIL-101催化伯胺與2,5-二甲氧基四氫呋喃的Paal-Knorr反應

以Fe-MIL-101為催化劑, 催化多種結構的伯胺與2,5-二甲氧基四氫呋喃的Paal-Knorr縮合反應. 由表4可以看出, 取代基在苯環上的不同位置對目標產物的產率影響較微弱(表4, Entries 2～4). 無論芳香伯胺帶有給電子基(表4, Entries 4, 5), 還是吸電子基(表4, Entries 6～8), Fe-MIL-101存在的條件下均可以與2,5-二甲氧基四氫呋喃進行Paal-Knorr縮合反應, 高效轉化為相應的吡咯衍生物. 這可能是由于中間產物丁二醛較為活潑, 易與伯胺發生親核-加成反應, 催化反應幾乎不受空間位阻和電子效應的影響.

Table 4　Paal-Knorr reaction catalyzed by Fe-MIL-101 between tetrahydro-2,5-dimethoxyfuran and amines*

*. Reaction conditions: Fe-MIL-101(0.2 mmol), amine(5 mmol), tetrahydro-2,5-dimethoxyfuran(6 mmol), nitrobenzene(1 mmol), water(2 mL). Reaction temperature: 100 ℃, reaction time: 50 min.

Fig.3　Recycling test of Fe-MIL-101

2.6催化劑的穩定性及循環性能

為了考察Fe-MIL-101在反應體系中的穩定性, 反應結束后, 將催化劑回收并對其進行PXRD和FTIR分析. 結果表明, 回收的催化劑與新制備的催化劑具有相同的衍射峰; FTIR顯示催化反應前后的Fe-MIL-101特征吸收峰沒有明顯變化, 表明Fe-MIL-101具有很好的穩定性. Fe-MIL-101經過5次循環后, 仍然具有較好的催化活性(圖3), 第5次催化反應苯胺的轉化率仍高于80%.

2.7催化劑應用于伯胺與2,5-己二酮的Paal-Knorr反應體系

為了進一步拓展催化劑Fe-MIL-101在Paal-Knorr縮合反應中的應用, 我們將Fe-MIL-101應用于催化伯胺與2,5-己二酮的Paal-Knorr反應體系中. 由于伯胺和2,5-己二酮可直接發生縮合反應, 無水解過程, 因此該縮合反應可在無溶劑條件下進行. 由表5可知, 多種伯胺與2,5-己二酮均能高效生成相應的吡咯衍生物. 如苯胺與2,5-己二酮反應, 苯胺轉化率可高達93.6%(表5, Entry 1). 然而當以鄰位甲基苯胺為底物時, 其轉化率只有53.2%(表5, Entry 2), 明顯低于間位甲基苯胺(93.4%, 表5, Entry 3) 和對位甲基苯胺(99.0%, 表5, Entry 4) 的轉化率, 這可能是受到空間位阻的影響; 通過對比帶有給電子基芳香胺(表5, Entries 4, 5) 和吸電子基芳香胺(表5, Entries 6, 7) 的催化結果, 發現含有給電子基的芳香胺具有較高的產率[35]. 此外, 結果還表明, 相較于芳香族伯胺, 脂肪族伯胺與2,5-己二酮可更快速地反應生成相應的吡咯衍生物(表5, Entries 8, 9).

Table 5　Paal-Knorr reaction catalyzed by Fe-MIL-101 between acetonylacetone with amines*

3結論

以Fe-MIL-101為非均相催化劑, 高效催化胺和2,5-二甲氧基四氫呋喃的Paal-Knorr反應, 合成了一系列吡咯衍生物. 不飽和配位的Fe(Ⅲ)高度分散于Fe-MIL-101結構中, 作為催化活性中心參與到吡咯衍生物的合成反應, 同時Fe-MIL-101的高比表面積和大的孔尺寸, 確保了底物分子與催化活性中心的充分接觸以及產物的自由脫離, 從而促進了催化反應的快速進行. 該催化劑穩定性好, 多次循環后仍具有較高的催化活性. 此外, 該催化劑在伯胺與2,5-己二酮的Paal-Knorr反應中也表現出很好的催化活性. Fe-MIL-101作為一種新型的非均相催化劑在吡咯衍生物的催化合成中具有巨大的潛在應用價值.

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Paal-Knorr Reaction Catalyzed by Fe-MIL-101 for

Efficient Synthesis of Pyrroles?

YANG Ming1, TANG Jia1, WANG Jingjing1, FAN Shuang1,

ZHANG Huan1, TAO Liushi1, TAN Li2*

(1.SchoolofMaterialsScienceandEngineering, 2.InstituteforAdvancedMaterialsandTechnology,

UniversityofScienceandTechnologyBeijing,Beijing100083,China)

AbstractA highly porous metal-organic frameworks(Fe-MIL-101) was synthesized as a heterogeneous catalyst for the Paal-Knorr reaction. The free coordination position of Fe(Ⅲ) in Fe-MIL-101 can be used as catalytic active sites for the Paal-Knorr reaction. The large surface area and pore size of Fe-MIL-101 contribute to offer an access for organic substrates to the active sites sufficiently, which ensure a high catalytic performance of Fe-MIL-101 for pyrroles. The catalyst could be reused five times without loss of its catalytic activity. In addition, the catalyst also exhibits high catalytic activity in other amines system with 2,5-hexane-dione for Paal-Knorr condensation reaction.

KeywordsFe-MIL-101 heterogeneous catalyst; Paal-Knorr reaction; Pyrrole derivative

(Ed.: V, Z)

? Supported by the Fundamental Research Funds for the Central Universities, China(No.FRF-TP-14-061A1).

doi:10.7503/cjcu20150450

基金項目:中央高校基本科研業務費專項資金(批準號: FTF-TP-14-061A1)資助.

收稿日期:2015-06-12. 網絡出版日期: 2015-12-20.

中圖分類號O643

文獻標志碼A

聯系人簡介: 譚麗, 女, 博士, 工程師, 主要從事催化材料研究. E-mail: tljw060606@163.com