CN105061340B - 活性炭负载纳米铜催化剂催化合成1,2,3‑三氮唑类化合物的方法 - Google Patents

活性炭负载纳米铜催化剂催化合成1,2,3‑三氮唑类化合物的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种活性炭负载纳米铜催化剂催化合成1,2,3‑三氮唑类化合物的方法，属于1,2,3‑三氮唑类化合物的合成技术领域。本发明的技术方案要点为：以叠氮化合物和端基炔类化合物为原料，以活性炭负载纳米铜为催化剂，以超临界二氧化碳为反应介质，控制超临界反应釜内压力为80bar，温度为36℃搅拌反应完全，反应体系加乙酸乙酯后离心，离心所得固体用乙酸乙酯清洗得到的活性炭负载纳米铜催化剂重复循环使用，上清液旋转蒸发溶剂乙酸乙酯得到目标产物1,2,3‑三氮唑类化合物。本发明在无有机溶剂的条件下进行，无需添加其他特殊试剂，易于处理的催化剂对环境更加友好，相对于现有技术更加经济环保。

Description

活性炭负载纳米铜催化剂催化合成1,2,3-三氮唑类化合物的 方法
技术领域
本发明属于1,2,3-三氮唑类化合物的合成技术领域，具体涉及一种活性炭负载纳米铜催化剂催化合成1,2,3-三氮唑类化合物的方法。
背景技术
1,2,3-三氮唑具有多氮五元芳杂环的结构，随着杂环化学的迅速发展，三氮唑类化合物及其衍生物的合成研究一直受到有机合成、药物合成和含能材料等领域内研究者的重视。研究报道1,2,3-三氮唑显示出多种重要的生物活性，例如抗细菌、抗结核、抗肿瘤、抗病毒、抗炎和镇痛等。自2001年由Scripps研究所的Sharpless课题组首次提出“clickchemistry”的概念以来，以叠氮化合物与末端炔烃为底物的CuAAC反应合成三氮唑类衍生物成为“点击化学”中的经典。但是其也存在反应时间长和化学选择性不高等缺点，近年来研究发现，一价铜离子可以快速催化有机叠氮化物与炔烃的Huisgen1,3-偶极环加成反应生成1,4-二取代-1,2,3-三氮唑，并且具有高效的选择性和专一性。在2002年，Tornoe（J.Org. Chem., 2002, 67(9): 3057-3064）和Rostovtsev（Angew. Chem. Int. Ed., 2002,41, 2596-2599）分别报道了Cu（I）催化1,3-偶极环加成反应，Cu（I）的存在有效地克服了上述缺点，使得该类反应的反应条件温和、区域选择性好、生成单一的1,4-二取代-1,2,3-三氮唑产物且产率较高，从此开始了此类反应的系统研究。Christian Girard等（J. Org.Lett., 2006, 8(8): 1689-1692）研究了高聚物A-21负载碘化亚铜催化叠氮化物与炔烃的Huisgen 1,3-偶极环加成反应，获得了良好的效果。Shamim Tahira（Catalysis Letters,2010, 136(3/4): 260-265）报道二氧化硅负载亚铜离子催化Huisgen1,3-偶极环加成反应。由于一价铜离子Cu（I）在空气中不稳定，会使其催化效果大大降低，因此，人们用还原剂将Cu（II）原位还原成Cu（I）后，直接用于点击化学。最常见的有CuSO4·5H2O-抗坏血酸钠（Angew. Chem. Int. Ed., 2002, 41(14), 2596-2599）。在合成1,2,3-三唑的众多催化体系中，铜金属是一种特别引人注目的催化剂。铜金属催化安全廉价，操作简便。但用铜金属和其它催化体系相比需要较长的反应时间和较大的量，这就需要对铜金属催化体系加以改进，使其既能提高催化活性又能保持操作简便的优势。相比之下纳米铜粒子的利用则提供一个较好的方法，在2006年，Choudary等（J. Mol. Catal. A: Chem. 2006, 256, 273.）将卤代烃与叠氮化钠及炔烃在水相中利用Cu-Al2O3纳米粒子催化，一锅得到1,4-二取代-1,2,3-三唑化合物。以上这些利用Cu作催化剂来催化合成1,2,3-三氮唑类化合物的反应中金属铜催化剂容易失活且难以回收，所用溶剂大多为有机试剂、合成的当前策略通常需要繁琐的多步合成，其他特殊添加试剂较多。鉴于这些不足之处，开发出新的、可以循环使用、反应易于操作和处理的催化剂体系，成为研究的热点。
发明内容
本发明解决的技术问题是提供了一种工艺简单、收率较高、绿色环保的超临界二氧化碳条件下、产品性能稳定、催化效率高且催化剂能够重复循环使用的活性炭负载纳米铜催化剂催化合成1,2,3-三氮唑类化合物的方法。
本发明为解决上述技术问题采用如下技术方案，活性炭负载纳米铜催化剂催化合成1,2,3-三氮唑类化合物的方法，其特征在于具体步骤为：以叠氮化合物和端基炔类化合物为原料，以活性炭负载纳米铜为催化剂，以超临界二氧化碳为反应介质，控制超临界反应釜内压力为80bar，温度为36℃搅拌反应完全，反应体系加乙酸乙酯后离心，离心所得固体用乙酸乙酯清洗得到的活性炭负载纳米铜催化剂重复循环使用，上清液旋转蒸去溶剂乙酸乙酯得到目标产物1,2,3-三氮唑类化合物，所述的叠氮化合物为苯基叠氮、邻甲基苯基叠氮、叠氮乙酸乙酯、邻硝基苯基叠氮或苄基叠氮，所述的端基炔类化合物为苯氧丙炔、对硝基苯氧丙炔、对氯苯氧丙炔、对乙基苯乙炔或对氯苯乙炔。
进一步优选，所述的叠氮化合物与端基炔类化合物的摩尔比为1-1.2:1。
进一步优选，所述的端基炔类化合物与催化剂活性炭负载纳米铜的质量比为1:0.01-0.1。
进一步优选，所述的搅拌反应时间为5h。
进一步优选，所述的活性炭负载纳米铜催化剂中纳米铜的重量百分含量为5.0%，活性炭的重量百分含量为95.0%。
进一步优选，合成活性炭负载纳米铜催化剂的具体步骤为：（1）将活性炭用摩尔浓度为3mol/L的氨水溶液浸渍搅拌24h后过滤，用蒸馏水洗至中性；（2）将步骤（1）处理过的活性炭用摩尔浓度为5mol/L的HNO3溶液浸渍搅拌24h后过滤，用蒸馏水洗至中性，然后放入烘箱中于110℃烘干备用；（3）将10g十八胺加热至250℃，将262mg乙酰丙酮铜加入到80℃的2g油胺中搅拌混合均匀，然后一次性将油胺与乙酰丙酮铜的混合物加入到250℃的十八胺溶液中，并加入1g预处理的活性炭，搅拌10min，然后自然冷却，降温至60℃以后加入乙醇静置，当活性碳纳米金属粒子完全沉淀后倒出上清液然后再加入乙醇静置，重复操作4次后离心得到活性碳负载纳米铜颗粒，水洗至中性；（4）将步骤（3）得到的活性炭负载纳米铜颗粒转入真空干燥箱中于70℃干燥5h得到活性炭负载纳米铜催化剂。
本发明所述的1.2.3-三氮唑。的合成方法中的反应方程式为：
。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、由于本发明采用活性炭负载纳米铜催化剂在超临界二氧化碳压力为80bar，反应温度为36℃，高效催化叠氮化合物与端基炔类化合物的环加成反应生成1,2,3-三氮唑类化合物，在无有机溶剂的条件下进行，无需添加其他特殊试剂，易于处理的催化剂对环境更加友好，相对于现有技术更加经济环保；
2、本发明所用的催化剂铜呈纳米形态负载于大比表面积的活性炭孔壁，具有很好的分散性，催化活性高、催化性能好、选择性突出、稳定性好寿命长、不易脱落和性价比高，并且原料廉价易得，制备方法简单，可以重复利用，可再生，再生的催化剂仍然具有较高的催化活性，产物的收率与再生前的催化剂相当。
具体实施方式
以下通过实施例对本发明的上述内容做进一步详细说明，但不应该将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明上述内容实现的技术均属于本发明的范围。
实施例1
催化剂活性炭负载纳米铜的制备
催化剂活性炭负载纳米铜中纳米铜的重量百分含量为5.0%，活性炭的重量百分含量为95.0%，其具体合成步骤为：（1）将活性炭用摩尔浓度为3mol/L的氨水溶液浸渍搅拌24h后过滤，用蒸馏水洗至中性；（2）将步骤（1）处理过的活性炭用摩尔浓度为5mol/L的HNO3溶液浸渍搅拌24h后过滤，用蒸馏水洗至中性，放入烘箱中于110℃烘干备用；（3）将10g十八胺加热到250℃，将262mg乙酰丙酮铜加入到80℃的2g油胺中搅拌均匀，然后一次性将油胺与乙酰丙酮铜的混合物加入到250℃的十八胺溶液中，并加入1g预处理的活性炭，搅拌10min，然后自然冷却，温度降至60℃以后加入乙醇静置，当活性碳纳米金属粒子完全沉淀后倒出上清液然后在加入乙醇静置，重复操作4次后离心得到活性碳负载纳米铜颗粒，再水洗至中性；（4）将步骤（3）得到的活性炭负载纳米铜粒子转入真空干燥箱中于70℃干燥5h制得活性炭负载纳米铜催化剂。
实施例2
采用实施例1制得的活性炭负载纳米铜作为催化剂，在超临界反应釜中加入催化剂活性炭负载纳米铜0.0066g、苯氧丙炔0.066g（0.5mmol）和苯基叠氮0.060g（0.5mmol），然后通入超临界二氧化碳于36℃，80bar下搅拌反应，5h反应完全，反应体系加乙酸乙酯，离心，离心所得固体用乙酸乙酯清洗得到的催化剂活性炭负载纳米铜重复循环使用，上清液旋除溶剂乙酸乙酯，硅胶柱色谱纯化得到目标产品，产品收率94%。其核磁数据为：
1H NMR (CDCl3, 400 MHz) δ: 8.06 (s, 1H), 7.74 (d, J = 7.6 Hz, 2H),7.55-7.43 (m, 3H), 7.32 (t, J = 8.0 Hz, 2H), 7.04-6.98 (m, 3H), 5.31 (s, 2H).13C NMR (CDCl3, 100 MHz) δ: 158.2, 145.1, 137.0, 129.8, 129.6, 128.9, 121.4,120.9, 120.6, 114.8, 62.0。
实施例3
采用实施例2再生的活性炭负载纳米铜作为催化剂，在超临界反应釜中加入催化剂活性炭负载纳米铜0.0066g、苯氧丙炔0.066g（0.5mmol）和苯基叠氮0.060g（0.5mmol），然后通入超临界二氧化碳于36℃，80bar下搅拌反应，5h反应完全，反应体系加乙酸乙酯，离心，离心所得固体用乙酸乙酯清洗得到的催化剂活性炭负载纳米铜重复循环使用，上清液旋除溶剂乙酸乙酯，硅胶柱色谱纯化得到目标产品。重复回收催化剂次数对反应收率的影响见表1。
表1 重复回收催化剂次数对反应收率的影响
组 重复次数 反应时间(h) 收率(%)
1 0 5 94
2 1 5 93
3 2 5 94
4 3 5 93
5 4 5 93
6 5 5 93
实施例4
采用实施例1所得的活性炭负载纳米铜作为催化剂，在超临界反应釜中加入催化剂活性炭负载纳米铜0.00066g、苯氧丙炔0.066g（0.5mmol）和邻甲基苯基叠氮0.075g（0.5mmol），然后通入超临界二氧化碳于36℃，80bar下搅拌反应，5h反应完全，反应体系加乙酸乙酯，离心，上清液旋除溶剂乙酸乙酯，硅胶柱色谱纯化得到目标产品，产品收率92%。其核磁数据为：
1H NMR (CDCl3, 400 MHz) δ: 7.83 (s, 1H), 7.46-7.31 (m, 6H), 7.06-6.99(m, 3H), 5.34 (s, 2H), 2.23 (s, 3H). 13C NMR (CDCl3, 100 MHz) δ: 158.2, 144.1,136.4, 133.7, 131.5, 130.0, 129.6, 126.9, 126.0, 124.3, 121.4, 114.8, 62.1,17.9。
实施例5
采用实施例1所得的活性炭负载纳米铜作为催化剂，在超临界反应釜中加入催化剂活性炭负载纳米铜0.00088g、对硝基苯氧丙炔0.0886g（0.5mmol）和叠氮乙酸乙酯0.0645g（0.5mmol），然后通入超临界二氧化碳于36℃，80bar下搅拌反应，5h反应完全，反应体系加乙酸乙酯，离心，上清液旋除溶剂乙酸乙酯，硅胶柱色谱纯化得到目标产品，产品收率90%。其核磁数据为：
1H NMR (CDCl3, 400 MHz) δ: 8.18 (d, J = 8.8 Hz, 2H), 7.82 (s, 1H),7.07 (d, J = 9.2 Hz, 2H), 5.32 (s, 2H), 5.18 (s, 2H), 4.27 (q, J = 7.2 Hz,2H), 1.29 (t, J = 3.2 Hz, 3H). 13C NMR (CDCl3, 100 MHz) δ: 166.1, 163.1,143.2, 141.9, 125.9, 124.5, 114.9, 62.6, 62.4, 51.0, 14.1。
实施例6
采用实施例1所得的活性炭负载纳米铜作为催化剂，在超临界反应釜中加入催化剂活性炭负载纳米铜0.0066g、苯氧丙炔0.066g（0.5mmol）和叠氮乙酸乙酯0.0774g（0.6mmol），然后通入超临界二氧化碳于36℃，80bar下搅拌反应，5h反应完全，反应体系加乙酸乙酯，离心，上清液旋除溶剂乙酸乙酯，硅胶柱色谱纯化得到目标产品，产品收率92%。其核磁数据为：
1H NMR (CDCl3, 400 MHz) δ: 7.75 (s, 1H), 7.30-6.94 (m, 5H), 5.22 (s,2H), 5.14(s, 2H), 4.23 (q, J = 6.8 Hz, 2H), 1.28 (t, J = 7.2 Hz, 3H). 13C NMR(CDCl3, 100 MHz) δ: 166.3 , 158.2, 144.6, 129.6, 124.3, 121.3, 114.8, 62.4,61.8, 50.9, 14.0。
实施例7
采用实施例1所得的活性炭负载纳米铜作为催化剂，在超临界反应釜中加入催化剂活性炭负载纳米铜0.00084g、对氯苯氧丙炔0.0838g（0.5mmol）和苯基叠氮0.060g（0.5mmol），然后通入超临界二氧化碳于36℃，80bar下搅拌反应，5h反应完全，反应体系加乙酸乙酯，离心，上清液旋除溶剂乙酸乙酯，硅胶柱色谱纯化得到目标产品，产品收率91%。其核磁数据为：
1H NMR (CDCl3, 400 MHz) δ: 8.05 (s, 1H), 7.72 (dd, J = 8.0 Hz, 2.0 Hz,2H), 7.54-7.44 (m, 3H), 7.25 (dd, J = 6.8 Hz, 2.4 Hz, 2H), 6.95 (dd, J = 6.8Hz, 2.4 Hz, 2H), 5.26 (s, 2H). 13C NMR (CDCl3, 100 MHz) δ:156.8, 144.6, 136.9,129.8, 129.5, 129.0, 126.3, 121.0, 120.6, 116.1, 62.2。
实施例8
采用实施例1所得的活性炭负载纳米铜作为催化剂，在超临界反应釜中加入催化剂活性炭负载纳米铜0.00065g、对乙基苯乙炔0.065g（0.5mmol）和邻硝基苯基叠氮0.082g（0.5mmol），然后通入超临界二氧化碳于36℃，80bar下搅拌反应，5h反应完全，反应体系加乙酸乙酯，离心，上清液旋除溶剂乙酸乙酯，硅胶柱色谱纯化得到目标产品，产品收率92%。其核磁数据为：
1H NMR (DMSO-d 6 , 400 MHz) δ: 9.44 (s, 1H), 8.73 (s, 1H), 8.40 (d, J =7.6 Hz, 1H), 8.29 (d, J = 8.0 Hz, 1H), 7.88 (t, J = 8.0 Hz, 1H), 7.82 (d, J =7.6 Hz, 2H), 7.30 (d, J = 7.6 Hz, 2H), 2.63 (q, J = 7.2 Hz, 2H), 1.19 (t, J =7.2 Hz, 3H). 13C NMR (DMSO-d 6 , 100 MHz) δ: 149.0, 148.2, 144.6, 137.7, 132.0,128.8, 127.8), 126.2, 125.8, 123.4, 119.9, 114.8, 28.4, 15.9。
实施例9
采用实施例1所得的活性炭负载纳米铜作为催化剂，在超临界反应釜中加入催化剂活性炭负载纳米铜0.0066g、苯氧丙炔0.066g（0.5mmol）和苄基叠氮0.0798g（0.6mmol），然后通入超临界二氧化碳于36℃，80bar下搅拌反应，5h反应完全，反应体系加乙酸乙酯，离心，上清液旋除溶剂乙酸乙酯，硅胶柱色谱纯化得到目标产品，产品收率91%。其核磁数据为：
1H NMR (CDCl3, 400 MHz) δ: 7.53 (s, 1H), 7.38-7.26 (m, 7H), 6.97 (d, J = 8.4 Hz, 3H), 5.53 (s, 2H), 5.19 (s, 2H). 13C NMR (CDCl3, 100 MHz) δ: 158.2,144.7, 134.5, 129.5, 129.2, 128.8, 128.1, 122.6, 121.3, 114.8, 62.1, 54.3。
实施例10
采用实施例1所得的活性炭负载纳米铜作为催化剂，在超临界反应釜中加入催化剂活性炭负载纳米铜0.00068g、对氯苯乙炔0.068g（0.5mmol）和苄基叠氮0.0798g（0.6mmol），然后通入超临界二氧化碳于36℃，80bar下搅拌反应，5h反应完全，反应体系加乙酸乙酯，离心，上清液旋除溶剂，硅胶柱色谱纯化得到目标产品，产品收率90%。其核磁数据为
1H NMR (CDCl3, 400 MHz) δ: 7.73 (d, J = 8.4 Hz, 2H), 7.65 (s, 1H),7.40-7.36 (m, 5H), 7.32 (d, J = 7.6 Hz, 2H), 5.58 (s, 2H). 13C NMR (CDCl3, 100MHz) δ: 147.2, 134.5, 133.9, 129.2, 129.0, 128.1(2), 127.0, 119.5, 54.3。
实施例11
采用实施例1所得的活性炭负载纳米铜作为催化剂，在超临界反应釜中加入催化剂活性炭负载纳米铜0.0089g、对硝基苯氧丙炔0.0886g（0.5mmol）和苄基叠氮0.0798g（0.6mmol），然后通入超临界二氧化碳于36℃，80bar下搅拌反应，5h反应完全，反应体系加乙酸乙酯，离心，上清液旋除溶剂乙酸乙酯，硅胶柱色谱纯化得到目标产品，产品收率88%。其核磁数据为：
1H NMR (CDCl3, 400 MHz) δ: 8.13 (d, J = 9.2 Hz, 2H), 7.60 (s, 1H),7.36-7.26 (m, 5H), 7.02 (d, J = 9.2 Hz, 2H), 5.53 (s, 2H), 5.24 (s, 2H). 13CNMR (CDCl3, 100 MHz) δ: 163.2, 143.1, 141.8, 134.3, 129.2, 128.9, 128.2,125.9, 123.2, 114.9, 62.4, 54.3。
以上实施例描述了本发明的基本原理、主要特征及优点，本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明原理的范围下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进均落入本发明保护的范围内。

Claims (5)

1.活性炭负载纳米铜催化剂催化合成1,2,3-三氮唑类化合物的方法，其特征在于具体步骤为：以叠氮化合物和端基炔类化合物为原料，以活性炭负载纳米铜为催化剂，以超临界二氧化碳为反应介质，控制超临界反应釜内压力为80bar，温度为36℃搅拌反应完全，反应体系加乙酸乙酯后离心，离心所得固体用乙酸乙酯清洗得到的活性炭负载纳米铜催化剂重复循环使用，上清液旋转蒸去溶剂乙酸乙酯得到目标产物1,2,3-三氮唑类化合物，所述的叠氮化合物为苯基叠氮、邻甲基苯基叠氮、叠氮乙酸乙酯、邻硝基苯基叠氮或苄基叠氮，所述的端基炔类化合物为苯氧丙炔、对硝基苯氧丙炔、对氯苯氧丙炔、对乙基苯乙炔或对氯苯乙炔，合成活性炭负载纳米铜催化剂的具体步骤为：（1）将活性炭用摩尔浓度为3mol/L的氨水溶液浸渍搅拌24h后过滤，用蒸馏水洗至中性；（2）将步骤（1）处理过的活性炭用摩尔浓度为5mol/L的HNO3溶液浸渍搅拌24h后过滤，用蒸馏水洗至中性，然后放入烘箱中于110℃烘干备用；（3）将10g十八胺加热至250℃，将262mg乙酰丙酮铜加入到80℃的2g油胺中搅拌混合均匀，然后一次性将油胺与乙酰丙酮铜的混合物加入到250℃的十八胺溶液中，并加入1g预处理的活性炭，搅拌10min，然后自然冷却，降温至60℃以后加入乙醇静置，当活性炭纳米金属粒子完全沉淀后倒出上清液然后再加入乙醇静置，重复操作4次后离心得到活性炭负载纳米铜颗粒，水洗至中性；（4）将步骤（3）得到的活性炭负载纳米铜颗粒转入真空干燥箱中于70℃干燥5h得到活性炭负载纳米铜催化剂。
2.根据权利要求1所述的活性炭负载纳米铜催化剂催化合成1,2,3-三氮唑类化合物的方法，其特征在于：所述的叠氮化合物与端基炔类化合物的摩尔比为1-1.2:1。
3.根据权利要求1所述的活性炭负载纳米铜催化剂催化合成1,2,3-三氮唑类化合物的方法，其特征在于：所述的端基炔类化合物与活性炭负载纳米铜催化剂的质量比为1:0.01-0.1。
4.根据权利要求1所述的活性炭负载纳米铜催化剂催化合成1,2,3-三氮唑类化合物的方法，其特征在于：所述的搅拌反应时间为5h。
5.根据权利要求1所述的活性炭负载纳米铜催化剂催化合成1,2,3-三氮唑类化合物的方法，其特征在于：所述的活性炭负载纳米铜催化剂中纳米铜的重量百分含量为5.0%，活性炭的重量百分含量为95.0%。
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