CN101857577B - 一种以核壳磁性纳米粒子为催化剂制备四氮唑类化合物的方法 - Google Patents

一种以核壳磁性纳米粒子为催化剂制备四氮唑类化合物的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种以核壳磁性纳米粒子为催化剂制备四氮唑类化合物的方法,以苯甲腈或取代苯甲腈和叠氮钠为原料,以二甲基甲酰胺为溶剂,以核壳磁性纳米粒子Fe3O4/ZnS为催化剂合成制备四氮唑类化合物。本发明以廉价易制备的磁性纳米核壳Fe3O4/ZnS作为催化剂,催化合成四氮唑类化合物,催化剂易于分离回收,并能多次重复使用。本发明合成方法原料易得,成本低、操作简便、反应条件温和、污染少、收率高等优点,易于工业化生产。

Description

一种以核壳磁性纳米粒子为催化剂制备四氮唑类化合物的方法
技术领域
本发明属于化工中间体合成技术领域,涉及四氮唑类化合物的制备方法。
背景技术
四氮唑是一类含氮的杂环、具有广泛用途的物质[1],在医药、农药以及材料科学都有重要应用。早期报道[2]其合成方法主要以腈和叠氮钠为原料,在路易斯酸催化下合成制得,但该类催化剂使用污染大且昂贵的金属,近来Sharpless[3]等人改进将可溶于有机溶剂的锌盐、铁盐、铜盐作为均相催化剂来制备四氮唑,这些催化剂表现出良好的催化活性,但缺点是其不易从反应体系分离和回收。核壳磁性结构是以纳米磁性粒子作为内核,某一功能化材料为外壳,这样的复合结构不仅保持了纳米磁性粒子特殊的磁性能,还具有另外功能化材料的催化、靶向给药、免疫检测等性能[4]
参考文献:
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[3]Z.P.Demko,K.B.Sharpless,Org.Lett.2002,4,2525;
[4]刘冰,王德平,季晖等.核壳结构磁性符合纳米粒的制备及研究进展[J],材料导报,2007,21(5):185-188。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足,提供一种以核壳磁性纳米粒子为催化剂制备四氮唑类化合物的方法,该方法采用核壳磁性纳米粒子Fe3O4/ZnS为催化剂,具有高效、催化剂可分离的特点。
为解决上述技术问题,本发明采用的技术方案如下:
一种以核壳磁性纳米粒子为催化剂制备四氮唑类化合物的方法,以苯甲腈或取代苯甲腈和叠氮钠为原料,以二甲基甲酰胺为溶剂,以核壳磁性纳米粒子Fe3O4/ZnS为催化剂合成制备四氮唑类化合物;
其中,
所述的四氮唑类化合物,其结构通式如下:
Figure GSA00000102120800011
所述的取代苯甲腈,其结构通式如下:
Figure GSA00000102120800021
R为氢、氯、硝基、甲基和氨基中的任意一种;
四氮唑类化合物与取代苯甲腈的R基团相同。
上述四氮唑类化合物具体有:
Figure GSA00000102120800022
相应的苯甲腈及取代苯甲腈具体有:
Figure GSA00000102120800023
其中,苯甲腈或取代苯甲腈与叠氮钠的反应摩尔比为1∶1~5,优选的摩尔比为1∶2~3。
其中,二甲基甲酰胺的体积用量为:当苯甲腈或取代苯甲腈和叠氮钠总质量为1g时,二甲基甲酰胺的体积为5~50mL,优选5~15mL。
其中,核壳磁性纳米粒子Fe3O4/ZnS的加入质量为苯甲腈或取代苯甲腈和叠氮钠总质量的10~50%,优选20~30%。
其中,反应条件为在110~130℃下搅拌反应20~30h,优选的反应条件为在120℃下搅拌反应24h。
其中,上述反应结束后,用磁铁分离催化剂核壳磁性纳米粒子Fe3O4/ZnS,用乙酸乙酯洗涤,重复使用。
Figure GSA00000102120800031
核壳Fe3O4/ZnS磁性纳米催化剂的合成参见文献[Z.X.Wang,L.M.Wu,.M.Chen,S.X.Zhou,J.Am.Chem.Soc,2009,131,11276],具体如下:
在三颈烧瓶中依次加入硫代乙酰胺、硫酸亚铁铵、柠蒙酸铵、水,搅拌均匀后,滴加氨水-氯化铵缓冲溶液(PH=9.1),再通氮气30分钟,水浴85℃恒温加热15分钟,迅速转移到冰水于中,骤冷终止反应,搅拌6h,再转移到水浴85℃恒温加热6h后,冷却至室温,离心得到固体,分别用水和乙醇洗三次后,加入到乙二醇中备用。
在聚四氟乙烯内衬容量为100mL的不锈钢反应釜加入上述所得的乙二醇溶液,再加入乙酰丙酮铁乙二醇溶液、硝酸铵溶液,混合均匀后,放置烘箱中150℃下反应10h后,离心得到固体,分别用水和乙醇洗三次,60℃下真空干燥12h,制得核壳Fe3O4/ZnS纳米粒子。其XRD与TEM图见附图。
有益效果:本发明具有以下明显的优点:
1、本发明以廉价易制备的磁性纳米核壳Fe3O4/ZnS作为催化剂,催化合成四氮唑类化合物,催化剂易于分离回收,并能多次重复使用。
2、本发明合成方法原料易得,成本低、操作简便、反应条件温和、污染少、收率高等优点,易于工业化生产。
附图说明
图1为Fe3O4/ZnS的XRD图。
图2为Fe3O4/ZnS的N吸附-脱附恒温图,插图为Fe3O4/ZnS的孔径分布图。
图3为反应前Fe3O4/ZnS TEM图。
图4为反应后Fe3O4/ZnS TEM图。
具体实施方式
根据下述实施例,可以更好地理解本发明。然而,本领域的技术人员容易理解,实施例所描述的具体的物料配比、工艺条件及其结果仅用于说明本发明,而不应当也不会限制权利要求书中所详细描述的本发明。
实施例1:制备核壳Fe3O4/ZnS催化剂。
在50mL三颈烧瓶中依次加入0.225g硫代乙酰胺、1.176g硫酸亚铁铵、0.730g柠蒙酸铵、30mL水,搅拌均匀后,滴加10mL氨水-氯化铵缓冲溶液(PH=9.1),再通氮气30分钟,水浴85℃恒温加热15分钟,迅速转移到冰水于中,骤冷终止反应,搅拌6h,再转移到水浴85℃恒温加热6h后,冷却至室温,离心得到固体,分别用水和乙醇洗三次后,加入30mL乙二醇中备用。
在聚四氟乙烯内衬容量为100mL的不锈钢反应釜加入上述所得的30mL乙二醇溶液,再加入30mL 0.21M乙酰丙酮铁乙二醇溶液、0.2mL 0.13M硝酸铵溶液,混合均匀后,放置烘箱中150℃下反应10h后,离心得到固体,分别用水和乙醇洗三次,60℃下真空干燥12h,制得核壳0.152gFe3O4/ZnS纳米粒子。
实施例2:制备化合物I。
在250mL三颈烧瓶中依次加入0.25g苯甲腈(2.5mmol),0.34g叠氮钠(5.5mmol),实施例1制备得到的0.1gFe3O4/ZnS和干燥的5mLDMF,装上搅拌器、回流冷凝管、温度计,边搅拌边升温至120℃,恒温反应24h。磁铁吸附分离催化剂,用5mL乙酸乙酯洗涤催化剂三次,烘干保留,可以重复使用,分离液中用6N盐酸调pH至中性,60mL乙酸乙酯提取分液,取上层有机相,20mL水洗两次后,旋干有机溶剂,得白色固体,50℃真空干燥后,称量0.30g,产率82%(以苯甲腈物料为基准计算的产率),1HNMR:8.00(2H,m),7.59(3H,m);MS:146.1(M+1)。
实施例3:制备化合物II。
在250mL三颈烧瓶中依次加入0.34g邻氯苯甲腈(2.5mmol),0.32g叠氮钠(5.5mmol),实施例1制备得到的0.1gFe3O4/ZnS和干燥的8mLDMF,装上搅拌器、回流冷凝管、温度计,边搅拌边升温至120℃,恒温反应24h。磁铁吸附分离催化剂,用5mL乙酸乙酯洗涤催化剂三次,烘干保留,可以重复使用,分离液中用6N盐酸调pH至中性,60mL乙酸乙酯提取分液,取上层有机相,20mL水洗两次后,旋干有机溶剂,得白色固体,50℃真空干燥后,称量0.34g,产率76%(以苯甲腈物料为基准计算的产率),1HNMR:7.90(1H,m),7.59(3H,m);MS:180.5(M+1)。
实施例4:制备化合物III。
在250mL三颈烧瓶中依次加入0.34g间氯苯甲腈(2.5mmol),0.32g叠氮钠(5.5mmol),实施例1制备得到的0.1gFe3O4/ZnS和干燥的5mLDMF,装上搅拌器、回流冷凝管、温度计,边搅拌边升温至120℃,恒温反应24h。磁铁吸附分离催化剂,用5mL乙酸乙酯洗涤催化剂三次,烘干保留,可以重复使用,分离液中用6N盐酸调pH至中性,60mL乙酸乙酯提取分液,取上层有机相,20mL水洗两次后,旋干有机溶剂,得白色固体,50℃真空干燥后,称量0.38g,产率85%(以苯甲腈物料为基准计算的产率),1HNMR:8.20(1H,s),7.90(1H,m),7.59(2H,m);MS:180.5(M+1)。
实施例5:制备化合物IV。
与实施例2方法相同,所不同的是,原料是对氯苯甲腈,产率89%(以苯甲腈物料为基准计算的产率),1HNMR:8.20(2H,m),7.65(2H,m);MS:180.5(M+1)。
实施例6:制备化合物V
与实施例2方法相同,所不同的是,原料是对硝基苯甲腈,产率84%(以苯甲腈物料为基准计算的产率),1HNMR:8.40(2H,m),7.69(2H,m);MS:193.5(M+1)。
实施例7:制备化合物VI
与实施例2方法相同,所不同的是,原料是间硝基苯甲腈,产率84%(以苯甲腈物料为基准计算的产率),1HNMR:8.30(2H,m),8.00(1H,s),7.66(1H,m);MS:193.5(M+1)。
实施例8:制备化合物VII
与实施例2方法相同,所不同的是,原料是对甲基苯甲腈,产率94%(以苯甲腈物料为基准计算的产率),1HNMR:8.10(2H,m),7.55(2H,m),2.40(3H,m),;MS:160.2(M+1)。
实施例9:制备化合物VIII
与实施例2方法相同,所不同的是,原料是邻氨基苯甲腈,产率93%(以苯甲腈物料为基准计算的产率),1HNMR:8.20(1H,m),7.55(3H,m);MS:161.3(M+1)。
实施例10:催化剂重复性实验。
将实施例2使用的催化剂分离出来后,按照实施例2的方法重复使用10次,制备化合物I,第1次至第10次,产率分别为82%、81%、80%、78%、81%、82%、80%、79%、76%、80%。

Claims (7)

1.一种以核壳磁性纳米粒子为催化剂制备四氮唑类化合物的方法,其特征在于以苯甲腈或取代苯甲腈和叠氮钠为原料,以二甲基甲酰胺为溶剂,以核壳磁性纳米粒子Fe3O4/ZnS为催化剂合成制备四氮唑类化合物;
其中,
所述的四氮唑类化合物,其结构通式如下:
Figure FSB00000617012500011
所述的苯甲腈或取代苯甲腈,其结构通式如下:
R为氢、氯、硝基、甲基和氨基中的任意一种;
上述两个通式中R定义相同。
2.根据权利要求1所述的以核壳磁性纳米粒子为催化剂制备四氮唑类化合物的方法,其特征在于苯甲腈或取代苯甲腈与叠氮钠的反应摩尔比为1∶1~5。
3.根据权利要求1所述的以核壳磁性纳米粒子为催化剂制备四氮唑类化合物的方法,其特征在于二甲基甲酰胺的体积用量为:当苯甲腈或取代苯甲腈和叠氮钠总质量为1g时,二甲基甲酰胺的体积为5~50mL。
4.根据权利要求1所述的以核壳磁性纳米粒子为催化剂制备四氮唑类化合物的方法,其特征在于核壳磁性纳米粒子Fe3O4/ZnS的加入质量为苯甲腈或取代苯甲腈和叠氮钠总质量的10~50%。
5.根据权利要求1~4中任意一项所述的以核壳磁性纳米粒子为催化剂制备四氮唑类化合物的方法,其特征在于反应条件为在110~130℃下搅拌反应20~30h。
6.根据权利要求5所述的以核壳磁性纳米粒子为催化剂制备四氮唑类化合物的方法,其特征在于反应条件为在120℃下搅拌反应24h。
7.根据权利要求1所述的以核壳磁性纳米粒子为催化剂制备四氮唑类化合物的方法,其特征在于反应结束后,用磁铁分离催化剂核壳磁性纳米粒子Fe3O4/ZnS,用乙酸乙酯洗涤,重复使用。
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