CN107556230B - 一种利用微反应装置制备1,4-二氢吡啶类化合物的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用微反应装置制备1,4‑二氢吡啶类化合物的方法，包括如下步骤：将芳香醛类化合物、β‑二羰基化合物和铵盐混合溶解得到溶液A；将γ‑Fe2O3纳米颗粒分散于无水乙醇中得到溶液B；将溶液A和溶液B分别同时泵入微反应装置中的微混合器，充分混合后通入微反应装置中的微反应器进行反应；将微反应器的出料离心得到有机相，有机相经洗涤、真空浓缩得到粗产物，将粗产物分离纯化即得。本发明制备的1,4‑二氢吡啶类化合物产率最高可达99.9％，且γ‑Fe2O3纳米颗粒可重复使用30次保证产率不变，主要是因为从金属氧化物表面连续移除产品和毒物将会有利于使其一直保持较高的催化活性且本发明没有副产物产生。
Description
技术领域
本发明涉及化合物的制备，具体涉及一种利用微反应装置制备1,4-二氢吡啶类化合物的方法。
背景技术
自1882年Hantzsch第一次合成1,4-二氢吡啶以来，研究者发现该类化合物具有多种生物活性，比如抗突变、抗肿瘤、扩张支气管和降糖。此外，1,4-二氢吡啶类化合物也被用作钙离子通道阻断剂、NADPH再生剂、转移加氢反应的还原剂以及有机合成中间体。
考虑到1,4-二氢吡啶对合成化学和生物活性研究的重要性，研究者对1,4-二氢吡啶的合成途径进行了广泛深入的研究。经典的Hantzsch反应(汉奇吡啶合成反应)包含Knoevenagel缩合和烯酯的合成，经由Michael加成和分子内缩合可制备得到1,4-二氢吡啶。然而，这个经典方法存在不足之处，如反应时间长和收率低。因此，化学工作者一直积极研究开发一种简单、高效、通用的1,4-二氢吡啶衍生物合成方法。
随着研究的进行，研究者将一系列新型高效制备方法应用于Hantzsch酯的合成，例如微波辐射和超声、离子液体、固相有机合成技术。CN201510596581.4公开了一种1,4-二氢吡啶衍生物的微波合成方法，在圆底烧瓶中加入芳香醛、乙酰乙酸乙酯和醋酸铵，在120W～150W的功率下辐射2～5min，该方法操作简便，反应条件温和，反应时间迅速，对环境污染小。CN201510596559.X公开了一种1,4-二氢吡啶衍生物的合成方法，在氮气保护下的封闭体系中回流芳香醛、乙酰乙酸乙酯和碳酸氢钠从而合成所需的衍生物。CN201310413946.6公开了三氟甲磺酸镱催化的1,4-二氢吡啶类化合物的合成方法，该方法操作简单，反应条件温和。CN200810163656.X公开了一种1,4-二氢吡啶的合成方法，在无溶剂条件下以β-二羰基化合物、醛和胺化合物为原料，在反应温度10～100℃下，反应0.5～5h，反应液经分离处理后，即可得1,4-二氢吡啶。在催化剂方面，一些高效催化剂被应用于1,4-二氢吡啶的制备过程中，其中大多数都显示出很好的催化活性，比如TMSCI-NaI、金属三氟甲磺酸、硅胶磺酸、磷酸三苯酯、啤酒酵母、有机催化剂和聚合物。尽管均相催化剂的反应活性和选择性很高，但是从反应混合物中分离出均相催化剂是均相催化存在的固有难题。
非均相催化剂易回收并可重复使用，因而非均相催化已成为近年来有机合成领域的研究热点。纳米催化剂颗粒小，比表面积大，可与原料更好地接触，因而其作为催化剂产率较高。在过去的几年里，已有化学研究者以纳米颗粒为催化剂，催化合成1,4-二氢吡啶。Koukabi et al以高活性、可回收的磁性纳米氧化铁作为路易斯酸催化剂，在温和反应条件下，催化合成1,4-二氢吡啶，反应15min产率可达98％。尽管该文献中报道的产率较高，但是随着催化剂的使用次数的增加，产率会逐渐下降，当重复使用5次时产率下降到92％；而且在反应过程中可监控到副产物的生成(两分子二羰基化合物与苯甲醛反应生成)，这类问题的出现主要是由于活性位点阻塞以及酸性条件下催化剂降解。
作为一种有效的过程强化的工具，微流场反应器通过缩小反应器的体积来节省能源和投资成本。与传统反应器相比，微流场反应器提供了更短的扩散路径，通过增大接触面积提高了传质和传热速率，从而获得了更高的收率和更好的选择性。除此之外，微流场反应系统中的工艺更加安全，节能，环保。
发明内容
发明目的：为了解决1,4-二氢吡啶类化合物制备过程中使用的均相催化剂分离难度大，非均相催化剂活性位点阻塞以及酸性条件下催化剂降解以及间歇制备自动化程度低、产率低和副反应多的问题，本发明提供了一种利用微反应装置制备1,4-二氢吡啶类化合物的方法。
技术方案：本发明所述一种利用微反应装置制备1,4-二氢吡啶类化合物的方法，包括如下步骤：
(1)将芳香醛类化合物、β-二羰基化合物和铵盐混合，溶解得到溶液A；
(2)将γ-Fe2O3纳米颗粒分散于无水乙醇中得到溶液B；
(3)将溶液A和溶液B分别同时泵入微反应装置中的微混合器，充分混合后通入微反应装置中的微反应器进行反应；
(4)将微反应器的出料离心得到有机相，有机相经洗涤、真空浓缩得到粗产物，将粗产物分离纯化即得。
步骤(1)所述芳香醛类化合物为苯甲醛、对甲基苯甲醛、间甲基苯甲醛、邻甲基苯甲醛、对羟基苯甲醛、对氯苯甲醛、对溴苯甲醛或对甲氧基苯甲醛；所述β-二羰基化合物为乙酰乙酸乙酯或乙酰丙酮；所述铵盐为醋酸铵、碳酸氢铵、氯化铵或碳酸铵；所述芳香醛类化合物、β-二羰基化合物和铵盐的摩尔比为1:2～6:1.5～5。
优选地，所述芳香醛类化合物、β-二羰基化合物和铵盐的摩尔比为1:2～4:1.5～3。
步骤(2)所述γ-Fe2O3纳米颗粒的粒径为10～100nm，所述溶液B中γ-Fe2O3纳米颗粒的浓度为150～500mg/mL。
优选地，所述γ-Fe2O3纳米颗粒的粒径为10～50nm，所述溶液B中γ-Fe2O3纳米颗粒的浓度为250～450mg/mL。
步骤(3)所述的溶液A采用HPLC泵注入微混合器中，溶液B采用料浆泵注入微混合器；所述溶液B中γ-Fe2O3纳米颗粒与所述溶液A中芳香醛类化合物的摩尔比为 0.05～0.15：1；所述微反应器中的反应温度为90～150℃，反应停留时间为3～10min。
优选地，所述溶液B中γ-Fe2O3纳米颗粒与所述溶液A中芳香醛类化合物的摩尔比为0.1～0.15：1；所述反应温度为120～140℃，反应停留时间为5～10min。
步骤(4)所述洗涤包括碱洗、水洗，所述分离纯化包括使用体积分数为75％～95％的乙醇水溶液进行重结晶。
所述微反应装置包括通过连接管依次串联的微混合器和微反应器，其中微混合器的进料口连接有第一料液进口和第二料液进口；所述微反应器的毛细管内径为0.5～3mm，毛细管体积为5～10mL。
优选地，所述微反应器的毛细管内径为1～3mm。
有益效果：(1)本发明制备的1,4-二氢吡啶类化合物产率最高可达99.9％，且γ-Fe2O3纳米颗粒可重复使用30次保证产率不变，主要是因为从金属氧化物表面连续移除产品和毒物将会有利于使其一直保持较高的催化活性且本发明没有副产物产生；(2)本发明提供的1,4-二氢吡啶类化合物制备方法为连续过程，制备工艺易操作控制，安全性高，催化剂重复利用性高，反应停留时间短，产品质量稳定，收率高；具有生产装置简单，易拆装，便于携带和移动的特点；(3)本发明可以通过简单的增减微通道数量进行方便的调节，不存在类似工业生产的“放大效应”。
附图说明
图1为采用微反应装置连续化制备1,4-二氢吡啶类化合物的工艺流程示意图。
具体实施方式
微反应装置包括通过连接管依次串联的微混合器1和微反应器2，其中微混合器的进料口连接有第一料液进口3和第二料液进口4，溶液A通过第一料液进口3注入混合器1，溶液B通过第二料液进口4注入混合器1，溶液A采用HPLC泵注入微混合器1 中，溶液B采用料浆泵注入微混合器1。
实施例1
将苯甲醛、乙酰乙酸乙酯和醋酸铵溶解成均相(其中苯甲醛：乙酰乙酸乙酯：醋酸铵的摩尔比为＝1:2:1.5)记为溶液A，粒径为10nm的γ-Fe2O3纳米颗粒分散于无水乙醇中(其中γ-Fe2O3纳米颗粒的浓度为250mg/mL)记为溶液B；然后溶液A和溶液B经微混合器混合，其中溶液A采用HPLC泵注入微混合器中，溶液B采用料浆泵注入微混合器中，γ-Fe2O3纳米颗粒与芳香醛的摩尔比为0.05：1，充分混合后注入微反应器中(微反应器的毛细管内径为1mm，毛细管体积为5mL)于120℃下反应5min。微反应器出料经离心后获得有机相，有机相经Na2CO3碱洗、蒸馏水水洗后，于真空下浓缩得粗产物，再经75％乙醇水溶液重结晶即可得到目标产物，产率为94.6％。
γ-Fe2O3纳米颗粒可重复使用30次用于制备目标产物且保证产率不变。
实施例2
将苯甲醛、乙酰乙酸乙酯和醋酸铵溶解成均相(其中苯甲醛：乙酰乙酸乙酯：醋酸铵的摩尔比为1:3:2)记为溶液A，粒径为10nm的γ-Fe2O3纳米颗粒分散于无水乙醇中 (其中γ-Fe2O3纳米颗粒的浓度为350mg/mL)记为溶液B；然后溶液A和溶液B经微混合器混合，其中溶液A采用HPLC泵注入微混合器中，而溶液B采用料浆泵注入微混合器中，γ-Fe2O3纳米颗粒与芳香醛的摩尔比为0.1：1，充分混合后注入微反应器中 (微反应器的毛细管内径为1mm，毛细管体积为7mL)于130℃下反应7.5min。微反应器出料经离心后获得有机相，有机相经Na2CO3碱洗、蒸馏水水洗后，于真空下浓缩得粗产物，再经75％乙醇水溶液重结晶即可得到目标产物，产率为96.6％。
γ-Fe2O3纳米颗粒可重复使用30次用于制备目标产物且保证产率不变。
实施例3
将苯甲醛、乙酰乙酸乙酯和醋酸铵溶解成均相(其中苯甲醛：乙酰乙酸乙酯：醋酸铵的摩尔比为1:4:3)记为溶液A，粒径为50nm的γ-Fe2O3纳米颗粒分散于无水乙醇中 (其中γ-Fe2O3纳米颗粒的浓度为450mg/mL)记为溶液B；然后溶液A和溶液B经微混合器混合，其中溶液A采用HPLC泵注入微混合器中，而溶液B采用料浆泵注入微混合器中，γ-Fe2O3纳米颗粒与芳香醛的摩尔比为0.15：1，充分混合后注入微反应器中(微反应器的毛细管内径为1mm，毛细管体积为9mL)于140℃下反应10min。微反应器出料经离心后获得有机相，有机相经Na2CO3碱洗、蒸馏水水洗后，于真空下浓缩得粗产物，再经75％乙醇水溶液重结晶即可得到目标产物，产率为98.9％。
γ-Fe2O3纳米颗粒可重复使用30次用于制备目标产物且保证产率不变。
实施例4
将苯甲醛、乙酰乙酸乙酯和醋酸铵溶解成均相(其中苯甲醛：乙酰乙酸乙酯：醋酸铵的摩尔比为1:4:2)记为溶液A，粒径为10nm的γ-Fe2O3纳米颗粒分散于无水乙醇中 (其中γ-Fe2O3纳米颗粒的浓度为450mg/mL)记为溶液B；然后溶液A和溶液B经微混合器混合，其中溶液A采用HPLC泵注入微混合器中，而溶液B采用料浆泵注入微混合器中，γ-Fe2O3纳米颗粒与芳香醛的摩尔比为0.15：1，充分混合后注入微反应器中(微反应器的毛细管内径为1mm，毛细管体积为5mL)于130℃下反应6min。微反应器出料经离心后获得有机相，有机相经Na2CO3碱洗、蒸馏水水洗后，于真空下浓缩得粗产物，再经75％乙醇水溶液重结晶即可得到目标产物，产率为98.5％。
γ-Fe2O3纳米颗粒可重复使用30次用于制备目标产物且保证产率不变。
实施例5
将苯甲醛、乙酰乙酸乙酯和醋酸铵溶解成均相(其中苯甲醛：乙酰乙酸乙酯：醋酸铵的摩尔比为1:4:2)记为溶液A，粒径为10nm的γ-Fe2O3纳米颗粒分散于无水乙醇中 (其中γ-Fe2O3纳米颗粒的浓度为450mg/mL)记为溶液B；然后溶液A和溶液B经微混合器混合，其中溶液A采用HPLC泵注入微混合器中，而溶液B采用料浆泵注入微混合器中，γ-Fe2O3纳米颗粒与芳香醛的摩尔比为0.15：1，充分混合后注入微反应器中(微反应器的毛细管内径为2mm，毛细管体积为10mL)于130℃下反应6min。微反应器出料经离心后获得有机相，有机相经Na2CO3碱洗、蒸馏水水洗后，于真空下浓缩得粗产物，再经75％乙醇水溶液重结晶即可得到目标产物，产率为97.5％。
γ-Fe2O3纳米颗粒可重复使用30次用于制备目标产物且保证产率不变。
实施例6
将苯甲醛、乙酰乙酸乙酯和醋酸铵溶解成均相(其中苯甲醛：乙酰乙酸乙酯：醋酸铵的摩尔比为1:4:2)记为溶液A，粒径为10nm的γ-Fe2O3纳米颗粒分散于无水乙醇中 (其中γ-Fe2O3纳米颗粒的浓度为450mg/mL)记为溶液B；然后溶液A和溶液B经微混合器混合，其中溶液A采用HPLC泵注入微混合器中，而溶液B采用料浆泵注入微混合器中，γ-Fe2O3纳米颗粒与芳香醛的摩尔比为0.15：1，充分混合后注入微反应器中(微反应器的毛细管内径为3mm，毛细管体积为5mL)于130℃下反应6min。微反应器出料经离心后获得有机相，有机相经Na2CO3碱洗、蒸馏水水洗后，于真空下浓缩得粗产物，再经75％乙醇水溶液重结晶即可得到目标产物，产率为96.6％。
γ-Fe2O3纳米颗粒可重复使用30次用于制备目标产物且保证产率不变。
实施例7-15
将芳香醛类化合物、β-二羰基化合物和铵盐溶解成均相(其中醛类化合物：β-二羰基化合物：铵盐的摩尔比为1:4:2)记为溶液A，粒径为10nm的γ-Fe2O3纳米颗粒分散于无水乙醇中(其中γ-Fe2O3纳米颗粒的浓度为450mg/mL)记为溶液B；然后溶液A 和溶液B经微混合器混合，其中溶液A采用HPLC泵注入微混合器中，而溶液B采用料浆泵注入微混合器中，γ-Fe2O3纳米颗粒与芳香醛的摩尔比为0.15：1，充分混合后注入微反应器中(微反应器的毛细管内径为1mm，毛细管体积为10mL)于130℃下反应6min。微反应器出料经离心后获得有机相，有机相经Na2CO3碱洗、蒸馏水水洗后，于真空下浓缩得粗产物，再经75％乙醇水溶液重结晶即可得到目标产物，产率如下表1 所示。
γ-Fe2O3纳米颗粒可重复使用30次用于制备目标产物且保证产率不变。
表1不同反应条件下1,4-二氢吡啶类化合物的产率
| 实施例 | 芳香醛 | β-二羰基化合物 | 铵盐 | 产率/％ |
| 7 | 对甲基苯甲醛 | 乙酰乙酸乙酯 | 醋酸铵 | 98.5 |
| 8 | 间甲基苯甲醛 | 乙酰乙酸乙酯 | 醋酸铵 | 95.3 |
| 9 | 邻甲基苯甲醛 | 乙酰乙酸乙酯 | 醋酸铵 | 96.1 |
| 10 | 对羟基苯甲醛 | 乙酰乙酸乙酯 | 醋酸铵 | 93.5 |
| 11 | 对氯苯甲醛 | 乙酰乙酸乙酯 | 醋酸铵 | 97.4 |
| 12 | 对溴苯甲醛 | 乙酰乙酸乙酯 | 醋酸铵 | 92.5 |
| 13 | 对甲氧基苯甲醛 | 乙酰乙酸乙酯 | 醋酸铵 | 99.9 |
| 14 | 对甲氧基苯甲醛 | 乙酰丙酮 | 碳酸氢铵 | 97.9 |
| 15 | 对甲氧基苯甲醛 | 乙酰丙酮 | 醋酸铵 | 97.3 |
实施例16
制备方法同实施例6，不同的是铵盐为氯化铵，苯甲醛：乙酰乙酸乙酯：氯化铵＝1:6:5 (摩尔比)，γ-Fe2O3纳米颗粒的粒径为100nm，溶液B中γ-Fe2O3纳米颗粒的浓度150mg/mL，γ-Fe2O3纳米颗粒与芳香醛的摩尔比为0.15：1，微反应器中的反应温度为90℃，反应时间为10min，重结晶使用的乙醇水溶液中乙醇的体积分数为95％。
实施例17
制备方法同实施例6，不同的是铵盐为碳酸铵，溶液B中γ-Fe2O3纳米颗粒的浓度500mg/mL，γ-Fe2O3纳米颗粒与芳香醛的摩尔比为0.1：1，所述微反应器的毛细管内径为0.5mm，微反应器中的反应温度为150℃，反应时间为3min。
对比例1
对比例1在烧瓶中进行，步骤如下：将苯甲醛、乙酰乙酸乙酯和醋酸铵溶解成均相(其中苯甲醛：乙酰乙酸乙酯：醋酸铵的摩尔比为1:4:2)记为溶液A，粒径为10nm 的γ-Fe2O3纳米颗粒分散于无水乙醇中(其中γ-Fe2O3纳米颗粒的浓度为450mg/mL)记为溶液B；然后将溶液B加入到溶液A中，于130℃下反应120min，反应液经离心后获得有机相，有机相经Na2CO3碱洗、蒸馏水水洗后，于真空下浓缩得粗产物，再经75％乙醇水溶液重结晶即可得到目标产物，产率为85.4％。
当γ-Fe2O3纳米颗粒重复使用10次时产物产率降低至73.4％。
Claims (5)
1.一种利用微反应装置制备1,4-二氢吡啶类化合物的方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)将芳香醛类化合物、β-二羰基化合物和铵盐混合，溶解得到溶液A；
所述芳香醛类化合物为对甲氧基苯甲醛，所述β-二羰基化合物为乙酰乙酸乙酯，所述铵盐为醋酸铵；所述醛类化合物:β-二羰基化合物:铵盐的摩尔比为1:4:2；
(2)将γ-Fe2O3纳米颗粒分散于无水乙醇中得到溶液B；
(3)将溶液A和溶液B分别同时泵入微反应装置中的微混合器，充分混合后通入微反应装置中的微反应器进行反应；
所述γ-Fe2O3纳米颗粒与所述芳香醛的摩尔比为0.15:1；
(4)将微反应器的出料离心得到有机相，有机相经洗涤、真空浓缩得到粗产物，将粗产物分离纯化即得；
步骤(2)所述γ-Fe2O3纳米颗粒的粒径为10nm，所述溶液B中γ-Fe2O3纳米颗粒的浓度为450mg/mL。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(3)所述微反应器中的反应温度为90～150℃，反应停留时间为3～10min。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(4)所述洗涤包括碱洗、水洗，所述分离纯化包括使用体积分数为75％～95％的乙醇水溶液进行重结晶。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述微反应装置包括通过连接管依次串联的微混合器和微反应器，所述微混合器的进料口连接有第一料液进口和第二料液进口。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述微反应器的毛细管内径为0.5～3mm，毛细管体积为5～10mL。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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