CN108164435B - 一种芳基丙烯腈类化合物的绿色高效合成方法 - Google Patents
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Abstract
一种式III所示的芳基丙烯腈类化合物的合成方法，所述方法为：在空气氛中，以式I所示的芳基乙腈和过量的式II所示的氰基乙酸甲酯作为原料，以Ru/C作为催化剂，在无溶剂条件下于150～160℃进行反应，反应完全后所得反应混合物经分离纯化得到式III所示的芳基丙烯腈类化合物。本发明方法不仅节约了生产成本，而且体现了环境友好，非常适合于工业化大生产。
Description
技术领域
本发明涉及一种式III所示的芳基丙烯腈类化合物的合成方法，
背景技术
烯腈类化合物是一类重要的大宗的化工中间体，其中丙烯腈类化合物具有独特的结构、新颖的作用机制和较高生物活性，而且对环境友好，广泛应用于化工、材料、医药、农药等行业。例如，曹幼琴等(1988，曹幼琴等)报道了肉桂腈的杀(抑)霉菌作用，其发现肉桂腈对多种霉菌，包括粮食、蔬菜、水果中常见的霉菌，如黑根霉Rhizopusstolonifer、细交链孢霉Alternaria tenuis、产黄青霉Penicillumchrysogenum、点青霉Penicillumnototum等及人体潜在性霉菌都有良好的杀(抑)菌作用。2003年，Toru等公布了一系列具有良好杀螨活性的芳香基丙烯腈化合物。传统的芳基丙烯腈类化合物的合成方法是采用芳醛与氰基乙酸酯在碱性的条件下缩合脱水而成的，这种方法的不足之处是要用到当量以上的碱，反应后处理产生大量的碱性废水，严重污染环境。
发明内容
本发明的目的是提供一种式III所示的芳基丙烯腈类化合物的合成方法，该方法不仅节约了生产成本，而且体现了环境友好，非常适合于工业化大生产。
下面对本发明的技术方案做具体说明。
本发明提供了一种式III所示的芳基丙烯腈类化合物的合成方法，所述方法为：
在空气氛中，以式I所示的芳基乙腈和过量的式II所示的氰基乙酸甲酯作为原料，以Ru/C作为催化剂，在无溶剂条件下于150～160℃进行反应，反应完全后所得反应混合物经分离纯化得到式III所示的芳基丙烯腈类化合物；反应式如下：
式I、式III中，Ar选自下列基团之一：苯基、取代苯基、萘基、噻吩基；所述取代苯基的取代基为一个或多个，每个取代基各自独立选自下列基团之一：C1-C4烷基、C1-C3烷氧基、卤素、硝基。
本发明中，所述的C1-C4烷基可以是甲基、乙基、正丙基、异丙基、正丁基、异丁基、叔丁基，优选甲基。所述的C1-C3烷氧基可以是甲氧基、乙氧基、正丙氧基、异丙氧基，优选甲氧基。所述的卤素可以是氟、氯、溴、碘，优选氯。
进一步，所述取代苯基的取代基为一个，取代基各自独立选自C1-C4烷基、C1-C3烷氧基、卤素或硝基。
更进一步，取代基各自独立选自甲基、甲氧基、氯或硝基。
进一步，芳基乙腈与氰基乙酸甲酯的投料摩尔比为1:3-5。
本发明使用的炭载钌(Ru/C)催化剂可使用市售商品，也可以根据文献报道方法自行制备。进一步，Ru/C催化剂的用量以Ru的摩尔量计为氰基乙酸甲酯摩尔用量的2‰～10‰，优选为5‰。
进一步，反应温度优选160℃。本发明的反应进程可采用常规方法进行监测，例如用TLC检测芳基乙腈反应完全，反应时间一般在3～6小时。
进一步，所述的分离纯化为：反应混合物温度冷却至室温，过滤回收Ru/C催化剂，滤液经减压蒸馏回收氰基乙酸甲酯(用于下一批反应)；向蒸馏残余物中加入乙醇进行重结晶，最后过滤得芳基丙烯腈类化合物，滤液经蒸发回收乙醇(用于下一批反应)。
进一步，所述合成方法按照如下步骤进行：
(1)向反应容器中加入芳基乙腈、Ru/C催化剂和过量氰基乙酸甲酯，空气气氛下于150-160℃搅拌反应，检测芳基乙腈反应完全，停止反应；其中Ru/C催化剂的用量以Ru的摩尔量计为芳基乙腈摩尔用量的2‰～10‰；
(2)将步骤(1)得到的反应混合物温度冷却至室温，过滤回收Ru/C催化剂，滤液经减压蒸馏回收氰基乙酸甲酯(用于下一批反应)；向蒸馏残余物中加入乙醇进行重结晶，最后过滤得芳基丙烯腈类化合物，滤液经蒸发回收乙醇(用于下一批反应)。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1、本发明所述合成方法是以Ru/C作为催化剂、空气作为氧化剂在无溶剂条件下进行，其中所用Ru/C催化剂不仅廉价易得，而且因其为非均相催化剂，易于回收，可重复套用，这一切都减少了生产成本，同时减少了对环境的污染，非常适合于工业化大生产。
2、本发明所述合成方法后处理过程操作简单，巧妙地实现了催化剂、反应底物和结晶剂的“三大循环”(如图1所示)，基本实现了原辅料零排放，减少了反应成本，最主要的是减少了对环境的污染，符合绿色合成的要求；并且产物收率高、纯度好；是一种绿色高效的合成方法，非常适合于工业化大生产。
3、本发明所述合成方法是一种新型的芳基丙烯腈类化合物的绿色高效合成方法，有着独特新颖的反应机理，不需要碱的参与，如图2所示，而是通过Ru/C催化的C-H活化氧化(A循环)和C-H活化偶联(B循环)双催化机理进行反应的，反应后处理不产生碱性废水，是一种绿色高效的合成方法
附图说明
图1是本发明的工艺路线循环图。
图2是本发明反应Ru/C催化的C-H活化氧化(A循环)和C-H活化偶联(B循环)双催化机理图(以苯乙腈为例)。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行进一步描述，但本发明的保护范围并不仅限于此：
实施例使用的Ru/C购自康纳新型材料(杭州)有限公司，型号为K0803，其中Ru含量为5％(g/g)。
实施例1：丙烯腈类化合物III-1的制备
反应式如下：
向反应瓶中加入2.344g(20mmol)的苯乙腈I-1、0.2g(5‰mmol Ru)Ru/C催化剂和9.910g(100mmol)的氰基乙酸甲酯II，空气气氛下160℃搅拌反应4h，利用TLC方法检测苯乙腈反应完全，停止反应。将反应冷却至室温，过滤回收Ru/C催化剂，滤液经10mmHg下减压蒸馏(收集沸点为82℃至84℃时的馏份)回收氰基乙酸甲酯II，用于下一批反应。向蒸馏残余物中加入15mL乙醇进行重结晶，最后过滤得固体3.668g，收率98.0％，纯度99.0％；滤液经旋转蒸发仪蒸发回收乙醇，用于下一批反应。化合物式III-1的结构表征如下：
白色固体。1H-NMR(CDCl3,500MHz):δ8.21(s,1H),7.95-7.93(m,2H),7.54-7.44(m,3H),3.88(s,3H)；13C-NMR(CDCl3,125MHz):δ162.7,155.0,132.2,131.2,130.9,129.1,115.2,102.3,53.2；GC-MS(EI):m/z 187[M+].
实施例2：丙烯腈类化合物III-2的制备
反应式如下：
向反应瓶中加入2.624g(20mmol)的邻甲基苯乙腈I-2、0.2g(5‰mmol Ru)Ru/C催化剂和9.910g(100mmol)的氰基乙酸甲酯II，以下操作同实施例1。最后过滤得固体3.896g，收率96.8％，纯度99.0％；滤液经旋转蒸发仪蒸发回收乙醇，用于下一批反应。化合物式III-2的结构表征如下：
1H-NMR(CDCl3,500MHz):δ8.54(s,1H),8.12(d,J＝4.0Hz,2H),7.40-7.24(m,3H),3.91(s,3H),2.41(s,3H)；13C-NMR(CDCl3,125MHz):δ162.7,153.2,139.6,132.7,130,9,130,3,128.4,126.5,115.1,103.9,53.2,19.6；GC-MS(EI):m/z 201[M+].
实施例3：丙烯腈类化合物III-3的制备
反应式如下：
向反应瓶中加入2.624g(20mmol)的对甲基苯乙腈I-3、0.4g(10‰mmol Ru)Ru/C催化剂和9.910g(100mmol)的氰基乙酸甲酯II，空气气氛下160℃搅拌反应3h，以下操作同实施例1。最后过滤得固体3.976g，收率98.8％，纯度99.0％；滤液经旋转蒸发仪蒸发回收乙醇，用于下一批反应。化合物式III-3的结构表征如下：
1H-NMR(CDCl3,500MHz):δ8.21(s,1H),8.89(d,J＝8.0Hz,2H),7.29(d,J＝8.0Hz,2H),3.92(s,3H),2.43(s,3H)；13C-NMR(CDCl3,125MHz):δ163.2,155.2,144.8,131.3,130.0,128.8,115.7,101.1,53.3,21.8；GC-MS(EI):m/z201[M+].
实施例4：丙烯腈类化合物III-4的制备
反应式如下：
向反应瓶中加入2.944g(20mmol)的对甲氧基苯乙腈I-4、0.2g(5‰mmol Ru)Ru/C催化剂和9.910g(100mmol)的氰基乙酸甲酯II，以下操作同实施例1。最后过滤得固体4.274g，收率98.3％，纯度99.0％；滤液经旋转蒸发仪蒸发回收乙醇，用于下一批反应。化合物式III-4的结构表征如下：
1H-NMR(CDCl3,500MHz):δ8.18(s,1H),8.00(d,J＝8.0Hz,2H),6.99(d,J＝8.0Hz,2H),3.91(s,3H),3.89(s,3H)；13C-NMR(CDCl3,125MHz):δ163.8,163.6,154.6,133.7,124.2,116.1,114.8,98.8,55.6,53.1；GC-MS(EI):m/z 217[M+].
实施例5：丙烯腈类化合物III-5的制备
反应式如下：
向反应瓶中加入2.944g(20mmol)的间甲氧基苯乙腈I-5、0.2g(5‰mmol Ru)Ru/C催化剂和9.910g(100mmol)的氰基乙酸甲酯II，以下操作同实施例1。最后过滤得固体4.201g，收率96.7％，纯度98.5％；滤液经旋转蒸发仪蒸发回收乙醇，用于下一批反应。化合物式III-5的结构表征如下：
米黄色固体；1H NMR(CDCl3,500MHz)δ8.24(s,1H),7.62(t,1H),7.52(t,J＝8.0Hz,1H),7.41(d,J＝8.0Hz,1H),7.13(m,1H),3.94(s,3H),3.88(s,3H).13C NMR(CDCl3,125MHz)δ163.2,160.2,155.6,132.7,130.5,124.5,120.5,115.8,114.7,102.9,55.7,53.6.GC-MS(EI):m/z 217[M+].
实施例6：丙烯腈类化合物III-6的制备
反应式如下：
向反应瓶中加入2.944g(20mmol)的邻甲氧基苯乙腈I-6、0.08g(2‰mmol Ru)Ru/C催化剂和9.910g(100mmol)的氰基乙酸甲酯II，空气气氛下160℃搅拌反应6h，以下操作同实施例1。最后过滤得固体4.088g，收率94.1％，纯度98.0％；滤液经旋转蒸发仪蒸发回收乙醇，用于下一批反应。化合物式III-6的结构表征如下：
米黄色固体；1H NMR(CDCl3,500MHz)δ8.76(s,1H),8.28(d,J＝8.0Hz,1H),7.51(t,J＝8.0Hz,1H),7.06(t,1H),6.96(d,J＝8.4Hz,1H),3.93(s,3H),3.90(s,3H).13C NMR(CDCl3,125M Hz)δ163.4,159.5,150.2,135.3,129.5,121.1,120.8,116.1,111.4,102.1,56.0,53.4.GC-MS(EI):m/z 217[M+].
实施例7：丙烯腈类化合物III-7的制备
反应式如下：
向反应瓶中加入3.243g(20mmol)的对硝基苯乙腈I-7、0.2g(5‰mmol Ru)Ru/C催化剂和9.910g(100mmol)的氰基乙酸甲酯II，以下操作同实施例1。最后过滤得固体4.523g，收率97.4％，纯度98.8％；滤液经旋转蒸发仪蒸发回收乙醇，用于下一批反应。化合物式III-7的结构表征如下：
淡黄色固体；1H NMR(CDCl3,500MHz)δ8.35(d,J＝7.6Hz,2H),8.31(s,1H),8.13(d,J＝7.6Hz,2H),3.97(s,3H).13C NMR(CDCl3,125M Hz)δ161.8,151.9,149.7,136.7,131.5,124.3,114.7,106.8,53.8；GC-MS(EI):m/z 232[M+].
实施例8：丙烯腈类化合物III-8的制备
反应式如下：
向反应瓶中加入3.032g(20mmol)的对氯苯乙腈I-8、0.2g(5‰mmol Ru)Ru/C催化剂和9.910g(100mmol)的氰基乙酸甲酯II，以下操作同实施例1。最后过滤得固体4.325g，收率97.6％，纯度98.4％；滤液经旋转蒸发仪蒸发回收乙醇，用于下一批反应。化合物式III-8的结构表征如下：
1H NMR(CDCl3,500MHz)δ8.22(s,1H),7.94(d,J＝8.48Hz,2H),7.49(d,J＝8.48Hz,2H),3.95(s,3H)；13C NMR(CDCI3,125M Hz)δ162.7,153.6,139.6,132.1,129.7,129.6,115.1,102.9,53.4；GC-MS(EI):m/z 221[M]+,223[M+2]+.
实施例9：丙烯腈类化合物III-9的制备
反应式如下：
向反应瓶中加入3.032g(20mmol)的邻氯苯乙腈I-9、0.2g(5‰mmol Ru)Ru/C催化剂和9.910g(100mmol)的氰基乙酸甲酯II，以下操作同实施例1。最后过滤得固体4.277g，收率96.5％，纯度98.3％；滤液经旋转蒸发仪蒸发回收乙醇，用于下一批反应。化合物式III-9的结构表征如下：
1H NMR(CDCl3,500MHz)δ8.68(s,1H),8.21(d,1H),7.51-7.44(m,2H),7.42-7.38(m,1H),3.94(s,3H)；13C NMR(CDCI3,125M Hz)δ162.4,151.5,136.6,133.8,130.4,129.9,127.5,114.8,105.8,53.6；GC-MS(EI):m/z 221[M]+,223[M+2]+.
实施例10：丙烯腈类化合物III-10的制备
反应式如下：
向反应瓶中加入3.341g(20mmol)的对萘乙腈I-10、0.2g(5‰mmol Ru)Ru/C催化剂和9.910g(100mmol)的氰基乙酸甲酯II，以下操作同实施例1。最后过滤得固体4.664g，收率98.3％，纯度98.7％；滤液经旋转蒸发仪蒸发回收乙醇，用于下一批反应。化合物式III-10的结构表征如下：
白色固体；1H NMR(CDCl3,500MHz)δ8.43(s,1H),8.40(d,J＝1.0Hz,1H),8.20(m,1H),8.0(t,J＝8.0Hz,1H),7.94(d,J＝8.8Hz,1H),7.90(d,J＝8.0Hz,1H),7.64(m,1H),7.58(m,1H),3.96(s,3H)；13C NMR(CDCl3,125M Hz)δ163.4,155.5,135.7,134.6,133.1,129.7,129.5,129.4,129.2,128.1,127.5,125.5,116.0,102.4,53.7；GC-MS(EI):m/z 237[M+].
实施例11：丙烯腈类化合物III-11的制备
反应式如下：
向反应瓶中加入2.463g(20mmol)的2-噻吩乙腈I-11、0.2g(5‰mmol Ru)Ru/C催化剂和9.910g(100mmol)的氰基乙酸甲酯II，以下操作同实施例1。最后过滤得固体3.702g，收率95.8％，纯度98.0％；滤液经旋转蒸发仪蒸发回收乙醇，用于下一批反应。化合物式III-11的结构表征如下：
淡黄色固体；1HNMR(CDCl3,500MHz)δ8.33(s,1H),7.81-7.77(m,2H),7.21-7.18(m,1H),3.88(s,3H)；13C NMR(CDCI3,125MHz)；13C NMR(CDCl3,100M Hz)δ163.3,147.0,137.5,136.0,135.5,128.8,115.8,98.9,53.4；GC-MS(EI):m/z193[M+].
实施例12：丙烯腈类化合物III-7的制备
反应式如下：
向反应瓶中加入3.243g(20mmol)的对硝基苯乙腈I-7、0.2g(5‰mmol Ru)Ru/C催化剂和9.910g(100mmol)的氰基乙酸甲酯II，空气气氛下150℃搅拌反应6h。以下操作同实施例1。最后过滤得固体4.504g，收率97.0％，纯度98.0％；滤液经旋转蒸发仪蒸发回收乙醇，用于下一批反应。化合物式III-7的结构表征如同实施例7。
实施例13：丙烯腈类化合物III-7的制备
反应式如下：
向反应瓶中加入3.243g(20mmol)的对硝基苯乙腈I-7、0.4g(10‰mmol Ru)Ru/C催化剂和5.950g(60mmol)的氰基乙酸甲酯II，空气气氛下160℃搅拌反应6h。以下操作同实施例1。最后过滤得固体4.365g，收率94.0％，纯度97.7％；滤液经旋转蒸发仪蒸发回收乙醇，用于下一批反应。化合物式III-7的结构表征如同实施例7。
实施例14：丙烯腈类化合物III-1的制备
反应式如下：
向反应瓶中加入2.344g(20mmol)的苯乙腈I-1、0.2g(5‰mmol Ru)Ru/C催化剂和9.910g(100mmol)的氰基乙酸甲酯II，空气气氛下160℃搅拌反应4h，利用TLC方法检测苯乙腈反应完全，停止反应。将反应冷却至室温，过滤回收Ru/C催化剂，滤液经10mmHg下减压蒸馏(收集沸点为82℃至84℃时的馏份)回收氰基乙酸甲酯II，用于下一批反应。向蒸馏残余物中加入15mL乙醇进行重结晶，最后过滤得固体；滤液经旋转蒸发仪蒸发回收乙醇，用于下一批反应。化合物式III-1的结构表征同实施例1。
上述实验回收的催化剂直接投入到下一批反应中。实验套用重复五次，结果如表1所示：
表1
实施例15：催化剂筛选实验
反应式如下：
向反应瓶中加入2.344g(20mmol)的苯乙腈I-1、催化剂和9.910g(100mmol)的氰基乙酸甲酯II，空气气氛下160℃搅拌反应4h，利用TLC方法检测苯乙腈反应，若有产物，后处理同实施例1，实验结果见表2。
表2
注：表中催化剂购于安耐吉化学萨恩化学技术(上海)有限公司，其中钯碳催化剂的用量以其中Pd的摩尔量为化合物I-1摩尔量的千分比表示。
Claims (9)
1.一种式III所示的芳基丙烯腈类化合物的合成方法，所述方法为：
在空气氛中，以式I所示的芳基乙腈和过量的式II所示的氰基乙酸甲酯作为原料，以Ru/C作为催化剂，在无溶剂条件下于150～160℃进行反应，反应完全后所得反应混合物经分离纯化得到式III所示的芳基丙烯腈类化合物；反应式如下：
式I、式III中，Ar选自下列基团之一：苯基、取代苯基、萘基、噻吩基；所述取代苯基的取代基为一个或多个，每个取代基各自独立选自下列基团之一：C1-C4烷基、C1-C3烷氧基、卤素、硝基。
2.如权利要求1所述的合成方法，其特征在于：所述取代苯基的取代基为一个，取代基各自独立选自C1-C4烷基、C1-C3烷氧基、卤素或硝基。
3.如权利要求2所述的合成方法，其特征在于：取代基各自独立选自甲基、甲氧基、氯或硝基。
4.如权利要求1～3之一所述的合成方法，其特征在于：芳基乙腈与氰基乙酸甲酯的投料摩尔比为1:3-5。
5.如权利要求1～3之一所述的合成方法，其特征在于：Ru/C催化剂的用量以Ru的摩尔量计为氰基乙酸甲酯摩尔用量的2‰～10‰。
6.如权利要求5所述的合成方法，其特征在于：Ru/C催化剂的用量以Ru的摩尔量计为氰基乙酸甲酯摩尔用量的5‰。
7.如权利要求1～3之一所述的合成方法，其特征在于：反应温度为160℃。
8.如权利要求1～3之一所述的合成方法，其特征在于：所述的分离纯化为：反应混合物温度冷却至室温，过滤回收Ru/C催化剂，滤液经减压蒸馏回收氰基乙酸甲酯；向蒸馏残余物中加入乙醇进行重结晶，最后过滤得芳基丙烯腈类化合物，滤液经蒸发回收乙醇。
9.如权利要求1～3之一所述的合成方法，其特征在于：所述合成方法按照如下步骤进行：
(1)向反应容器中加入芳基乙腈、Ru/C催化剂和过量氰基乙酸甲酯，空气气氛下于150-160℃搅拌反应，检测芳基乙腈反应完全，停止反应；其中Ru/C催化剂的用量以Ru的摩尔量计为芳基乙腈摩尔用量的2‰～10‰；
(2)将步骤(1)得到的反应混合物温度冷却至室温，过滤回收Ru/C催化剂，滤液经减压蒸馏回收氰基乙酸甲酯，用于下一批反应；向蒸馏残余物中加入乙醇进行重结晶，最后过滤得芳基丙烯腈类化合物，滤液经蒸发回收乙醇，用于下一批反应。
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| Immobilization of Metal−Organic Framework Nanocrystals for;Ping Li等;《 ACS Appl. Mater. Interfaces》;20161214;第8卷;第29561页Table 1 * |
| Ruthenium-catalyzed oxidative decyanative crosscoupling of acetonitriles with amines in air: a general access to primary to tertiary amides under mild conditions;Yuguang Wang等;《Catalysis Science & Technology》;20171231;第7卷;第3750页Table4，第3752页Scheme 3 * |
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