銅基金屬有機框架材料催化Friedl?nder反應實驗教學探索

楊依法， 杜旭朝， 曾宇曦， 任相偉，b，c， 趙溫濤，b，c， 張萬東，b，c

（天津大學a.理學院；b.化學化工國家級實驗教學示范中心；c.化學化工國家級虛擬仿真實驗教學中心，天津300354）

0 引 言

Friedl?nder反應是合成喹啉化合物最重要的方法之一［1］，其基本形式是鄰氨基芳香羰基化合物與含有活潑的α-甲基或亞甲基羰基化合物發生縮合反應。在反應體系中，主要采用酸堿催化［2］、有機金屬催化［3］、離子液體催化［4］等。對于傳統的均相催化劑，如H2，對甲苯磺酸［7］等，雖然具有高活性和高選擇性，但與反應體系分離困難，難以重復使用。因此，均相催化劑的固載化，被用于Friedl?nder反應中，如硅膠負載高氯酸［8］，但固載化的催化劑，由于活性位點的有效濃度降低并存在一定的擴散阻力，導致其活性和選擇性不如均相催化劑。

金屬有機框架材料（Metal Organic Frameworks，MOFs）是一類有機-無機雜化材料［9］，由有機配體和無機金屬通過自組裝形成的以金屬為節點的網狀結構的材料，一般具有多孔性、高比表面積、規整有序的晶體結構、可調變的孔徑以及易功能化等特點。可變的金屬中心及有機配體導致了MOFs材料的結構和功能多樣化。易去除的參與配位的小分子溶劑使金屬位點均勻地裸露在空隙之間，使其催化性能大大提高，在催化有機合成中的應用也十分廣泛［10-13］。基于以上優點，MOFs的合成與應用已成為國內外化學科研工作者研究的熱點［14］。本實驗將對合成的Cu-MOFs材料作為多相催化劑在催化Friedl?nder反應中的應用作詳細的探討，并對其在基礎有機化學實驗中的應用加以研究。

1 實驗教學總體設計

在有機化學實驗課程教學過程中，融入對學科前沿、科研動態的介紹，向學生介紹化學領域的新進展，引入當今化學學科的新發現、新發明、新方法和新手段，確保教學內容的科學性和先進性，將經典有機化學理論與學科前沿發展相結合，確保教學內容與時俱進。

本實驗以1，4-對苯二甲酸為有機配體，采用廉價易得的金屬銅材料為催化活性組分，以DMF為溶劑，通過溶劑熱法構筑了二維金屬有機框架，并采用日立180-80偏振塞曼原子吸收光譜儀對Cu（BDC）中的銅元素進行含量分析，測定其銅含量為3.25 mmol／g，由此可以計算出催化反應所需的Cu（BDC）量。

本實驗根據教學要求，既可以作為高年級的綜合化學實驗使用，亦可拆分為無機合成實驗（主要是催化劑的制備）和有機合成實驗（直接使用金屬有機框架材料催化Friedl?nder反應）分別開出。如果作為8學時的基礎有機化學實驗，其中用1學時講解Friedl?nder反應的原理和基本操作，2學時由本科生進行有機反應，4學時的產品分離與純化，1學時的實驗數據整理。

2 Friedl?nder 反應流程

非均相催化Friedl?nder反應方程式為：

在100 mL干燥的三口瓶中，依次加入0.31 g的苯乙酮（0.3 mmol，0.3 mL）、0.055 g 的2-氨基芐醇（0.45 mmol）、0.1 mL 的十二烷（0.88 mmol）、36 mg的NaOH（0.9 mmol）和30 mL DMF，再加入一枚攪拌子和38 mg的Cu（BDC）。三口瓶上安裝回流冷凝管和溫度計，然后將燒瓶置于70°C的恒溫水浴中，攪拌反應1 h。本實驗中催化劑用量以Cu（BDC）中銅的含量與苯乙酮的摩爾比來計算。反應過程中用薄層色譜或氣相色譜跟蹤反應進程。反應1 h后，稍冷，加入10 mL 5%的氫氧化鈉溶液，繼續攪拌5 min，再將混合液減壓過濾，濾去催化劑，并收集母液。母液用20 mL乙醚萃取，萃取液再經干燥、普通蒸餾、減壓蒸餾得2-苯喹啉的粗產品。后經柱層析（石油醚∶乙酸乙酯＝30∶1）分離，得到2-苯基喹啉0.51 g，白色固體，產率83%。m.p.：82 ～ 84 °C［15］；1H NMR （CDCl3，400 MHz）：δ 8.25 ～ 8.14（m，4H），7.88（d，J ＝ 8.6 Hz，1H），7.83（dd，J ＝ 8.1，0.9 Hz，1H），7.74（ddd，J ＝8.4 7.0，1.4 Hz，1H），7.57 ～ 7.51（m，3H），7.50 ～7.43（m，1H）；13C NMR（CDCl3，100 MHz）：δ＝157.40，148.33，139.73，136.79，128.78，129.68，129.34，127.60，127.22，126.31，119.03，77.38，77.06，76.74× 10-6；IR（KBr）：νmax＝ 3 437，3 054，3 024，2 925，1 549，1 481，1 442，1 347，1 074，1 026，774，698，630 cm-1。

3 實驗結果與討論

3.1 催化劑用量對2-苯喹啉產率的影響

實驗中用Cu（NO3）2·3H2O和對苯二甲酸（H2BDC）為原料，利用溶劑熱法合成了Cu（BDC）型MOFs，該催化劑中，Cu是以Cu2＋的形式存在于骨架的節點上，H2BDC提供了支撐骨架。本實驗中催化劑用量以Cu（BDC）中銅的含量與苯乙酮的摩爾比來計算，研究范圍選定為0 mol% ～5 mol%。2-氨基芐醇與苯乙酮的Friedl?nder反應中，催化劑的用量與2-苯基喹啉的產率之間的關系如圖1所示。當未加入催化劑時，2-苯喹啉的產率幾乎為零，而隨著催化劑的用量增加時，產物的產率也同時增加，當催化劑用量為5%時，2-苯喹啉的產率最高。隨著催化劑用量的增加，產物的產率增加，其主要原因是提高催化劑用量后，單位反應物的催化劑活性中心數量增加，反應底物與催化劑接觸機率增大，使得催化反應更容易進行。實驗結果與文獻報道的一致［16］，表明Cu（BDC）對Friedl?nder反應具有很高的催化活性和選擇性。

圖1 催化劑用量對產率的影響

3.2 催化劑的多相性

在以MOFs材料為催化劑進行Friedl?nder喹啉合成反應中，為驗證實驗體系的多相性，選擇5mol%Cu（BDC）催化劑為例，當反應進行到20 min時，從反應混合物中將固體催化劑過濾掉，在相同的條件下再繼續反應40 min，其反應結果如圖2所示。實驗結果表明1 h后2-苯喹啉的最終產率略有增加達到62%，但遠低于Cu（BDC）仍存在于反應物中的2-苯喹啉產率，表明Cu（BDC）在反應過程中，催化劑的活性中心Cu2＋沒有從支撐物H2BDC中溶脫至反應體系中，形成均相催化，說明該催化劑在此反應體系中表現為多相催化劑。

3.3 催化劑Cu（BDC）的穩定性與循環使用性

對于非均相催化劑在有機合成中的應用，其重要的問題就是催化劑的穩定性。本實驗中Cu（BDC）在催化Friedl?nder反應后采用簡單的溶劑洗滌法進行再生后，用于下次的催化反應中。首先將過濾后的催化劑在DMF溶液中攪拌2 h，隨后用大量的DCM洗滌，將洗滌分離后的催化劑在160°C的溫度下真空活化1 h。Cu（BDC）的重復使用性能如圖3所示。催化劑在每次實驗后有所損失，導致催化劑的活性中心數量降低，使得每次循環使用后產率有所不同。以上實驗結果表明，Cu（BDC）在催化Friedl?nder反應過程中具有一定的穩定性和很好的循環使用性能。

圖2 催化劑多相性研究

3.4 Cu（BDC）對Friedl?nder反應的催化普適性

為考察Cu（BDC）催化Friedl?nder反應合成喹啉衍生物的普適性，實驗中用不同取代基的苯乙酮與2-氨基芐醇在相同的反應條件下進行催化反應制備了一系列的喹啉衍生物。反應過程中通過氣相色譜跟蹤反應的進程，從譜圖上未觀察到有副產物生成，說明這些反應具有接近100%的選擇性。反應結束后，用柱色譜對粗產品進行了分離與純化。實驗結果見表1。

由表1可見，Cu（BDC）對催化不同取代基的苯乙酮的Friedl?nder反應均具有普遍良好的催化活性。

表1 使用Cu（BDC）催化劑合成各種喹啉衍生物a

4 教學要求

本文設計了以銅基金屬有機框架材料為非均相催化劑的Friedl?nder喹啉合成反應，并探討了在Friedl?nder反應中催化劑用量對產物的影響，催化劑的穩定性及循環利用性，并探討了催化劑的非均相催化性以及催化劑的普適性，同時利用現代儀器熔點測定儀，紅外光譜儀，核磁共振儀對有機產品進行了表征。本實驗包括了有機化合物的合成，分離及純化，有利于本科生綜合實驗能力的提高和創新能力的培養。其實驗目的如下：了解非均相催化下的Friedl?nder喹啉合成機理；學習柱色譜的分離原理，掌握層析柱的裝柱技術以及分離物質的操作；學習在有機合成反應中利用氣相色譜或TLC技術跟蹤反應進程；了解紅外光譜儀，熔點分析儀，核磁共振等大型儀器的使用方法及其譜圖的解析。

5 結 語

本文以金屬有機框架材料為異相催化劑，2-氨基芐醇和系列取代苯乙酮進行的Friedl?nder反應，對各種影響苯乙酮轉化率和產物選擇性的因素進行了系統的考察，并利用層析柱對粗產品進行了分離和純化。實驗中用廉價的2-氨基芐醇取代了傳統Friedl?nder反應中不易保存的2-氨基苯甲醛，降低了實驗成本；以金屬有機框架材料（Cu（BDC））作為催化劑，實現了非均相催化反應，避免了均相催化反應體系中催化劑難分離且產品后處理困難等因素，符合綠色化學要求，且此催化劑具有普適性，易回收，易活化，能夠再利用；該實驗反應時間較短、反應現象明顯、產品后處理簡單，且實驗過程中涉及多種基礎有機化學實驗操作（如恒溫水浴、萃取、固液分離、普通蒸餾、減壓蒸餾、旋轉蒸發、薄層色譜、柱色譜等），適用于基礎有機化學實驗教學。