CN111574477A - 一种酰胺类化合物的合成方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种酰胺类化合物的合成方法，将具有式(I)结构的苄醇与具有式(II)结构的胺类化合物以有机溶剂作为媒介，在光催化剂负载金属P‑C3N4存在的条件下经光催化反应制得具有式(III)结构的酰胺类化合物；该合成方法无需使用热源供热，避免了高温反应，操作简单，反应时间短，后处理简单，易于实现工业化生产。

Description

一种酰胺类化合物的合成方法
技术领域
本发明属于光催化合成酰胺技术领域，涉及一种酰胺类化合物的合成方法，特别涉及一种采用负载金属P-C3N4催化剂光催化苄醇与胺直接脱氢合成酰胺类化合物的方法。
背景技术
酰胺键作为构建蛋白质的关键官能团，它是构成生物肽和蛋白质的结构单元。酰胺键的合成方法主要有：缩合法、酰卤法、混合酸酐法以及酰基迭氮法。专利CN 106279013A和CN101842154 A公开了一种采用金属氧化物作催化剂，将羧酸和胺发生催化反应，合成酰胺的方法，该方法通过加热共沸，除去反应生成的水。CN104058983 A公开了一种医药中间体酰胺化合物的合成方法，该方法以PPh3/CBr4/助剂为复合催化剂，在甲苯溶剂中，实现不活泼羧酸与胺类的酰化反应。传统的酰胺合成采用羧酸为原料，再与胺通过亲核取代反应进行酰化作用。从原子经济性来说，此类方法在使用过程中存在废弃物多、后处理过程复杂、原子经济性差、反应温度高，不利于大规模生产。现有方法需在大量的有机溶剂体系中发生反应，都需要后续的溶剂回收处理，反应时间也相对较长，不利于工业化生产。
由醇和胺直接脱氢偶联一步生成酰胺，反应副产物仅为氢气，原子经剂性高，CN107335439A公开了一种氮掺杂碳硅基双金属催化剂，催化醇胺脱氢合成酰胺的方法。专利CN201210188466.X公开了石墨烯负载二氧化锰催化醇与氨水制备酰胺的方法。已有热催化醇胺偶联存在：1)催化剂与产物的分离是难，增加了工业生产成本；2)传统热催化大多采用过量的过氧化物作氧化剂，过氧化物对热不稳定的物质，容易自分解放出大量热，容易引起危害事故，不利于工业生产；3)催化反应大多需要高温(高于110℃)，高温下反应选择性不高，导致产物复杂。由于光催化选择性氧化技术具有反应条件温和(通常室温下进行)、反应过程绿色、目标产物选择性高的优点而备受研究者们的关注。采用光催化苯甲醇制备酰胺还未见报道，随着我国环境保护的日益重视，绿色、高效、经济地由醇和胺光催化合成酰胺的制备方法值得进一步去发展。
发明内容
针对现有技术中存在的上述技术问题，本发明提供了一种酰胺类化合物的合成方法，避免了高温反应、使用化学计量的偶联剂、生产成本高等技术问题。
本发明提供了一种酰胺类化合物的合成方法，将具有式(I)结构的苄醇与具有式(II)结构的胺类化合物以有机溶剂作为媒介，在光催化剂负载金属P-C3N4存在的条件下经光催化反应制得具有式(III)结构的酰胺类化合物；
Figure BDA0002398438710000021
其中，式(I)结构的苄醇中，所述R3为C4～C20芳香基和杂环芳香基；式(II)结构的胺类化合物中，所述R1和R2各自独立地为H、C1～C20烷基、C3～C20环烷基、C2～C20烯烃基、C2～C20炔烃基、C6～C20芳香基，或R1、R2和与它们相连的N原子一起形成C1～C20杂环基；
所述烷基、环烷基、烯烃基、炔烃基、芳香基、杂环芳香基和杂环基的取代基可进一步任选地被卤素、羟基、氰基、硝基、烷氧基或芳香基单取代或相同或不同的多取代。
进一步地，所述R3为C4～C12芳香基或C4～C6杂环芳香基；所述R1和R2各自独立地为H、C1～C12烷基、C3～C12环烷基、C2～C12烯烃基、C2～C12炔烃基、C6～C12芳香基，或R1、R2和与它们相连的N原子一起形成C1～C6杂环基。
进一步地，所述R3为苯基、4-甲基苯基、4-甲氧基苯基、呋喃基、吡啶基、噻吩基；所述R1和R2各自独立地为H、甲基、乙基、丁基、辛烷基、十二烷基、环己基、苯基、或萘基，或R1、R2和与它们相连的N原子一起形成氮杂环庚-1-基或吡咯烷-1-基。
进一步地，所述苄醇和胺类化合物的摩尔比为1:1。
进一步地，所述有机溶剂为甲苯、四氢呋喃、二甲苯、苯和二氯甲烷中的一种或几种。
进一步地，所述光催化反应在碱存在或不存在的条件下进行，碱为叔丁醇钾、叔丁基醇钠、氢化钠、氢化钾、甲醇钠、乙醇钠、氢氧化钾、氢氧化钡、碳酸铯和碳酸钾中的一种或几种，所述苄醇和碱的摩尔比为1:0～3。
进一步地，所述负载金属P-C3N4中的负载金属为银、钌、钴、铜、铁、金、铂、钯、镨、锗、镍和锌中的一种或几种，负载金属P-C3N4的量为苄醇的0.1～5wt％。
更进一步的，所述负载金属P-C3N4的具体制备过程为：
(1)按三聚氰胺：水：70～99wt％浓磷酸的质量比为1:40～100:1.5～5，将三聚氰胺溶解于水中，加入浓磷酸，在120～200℃下晶化，过滤，干燥得到固体I；
(2)将固体I在400～550℃、N2氛围下焙烧2～8h，得到P-C3N4催化剂；
(3)将P-C3N4催化剂加入水中，加入负载金属的可溶性盐，控制P-C3N4与负载金属的质量比为1:0.01～0.5，水与P-C3N4的质量比为10:1～200:1；于30～80℃下真空干燥得到固体II；
(4)将固体II在200～550℃下焙烧0.5～6h，得到负载金属P-C3N4催化剂。
进一步地，所述合成方法的具体过程如下：
(1)将苄醇、胺类化合物、光催化剂负载金属P-C3N4、碱和有机溶剂投入至反应瓶中；
(2)15W～300W的光源下不断搅拌反应，得到酰胺类化合物。
进一步地，步骤(2)中，所述反应温度为室温，反应时间为60～600min。
与现有技术相比，本发明具备如下有益效果：
(1)光催化技术采用氧气或空气氧化具有温和的氧化性能，避免了使用过氧化物，更有利于催化剂的循环利用；
(2)过渡金属的负载非均相催化剂也有利于催化剂稳定性能的提升，这类催化剂只需简单的过滤就可从反应体系中分离出来，有效解决了均相催化剂与反应液难以分离的问题，而且催化剂可多次重复使用，催化活性损失不显著(见图9)，降低了生产成本，符合绿色化学的要求；
(3)光催化剂在可见光辐射下，形成电子-空穴对，可以有效避免高温热反应，使产物的选择性更高。
附图说明
图1为实施例1中的吗啉-4-苯基-甲酮的核磁共振氢谱图；
图2为实施例1中的吗啉-4-苯基-甲酮的质谱图；
图3为实施例2中的苯基-吡咯烷-1-甲酮的核磁共振氢谱图；
图4为实施例2中的苯基-吡咯烷-1-甲酮的质谱图；
图5为实施例3中的正丁基苯甲酰胺的核磁共振氢谱图；
图6为实施例4中的N-环六亚甲基-1-苯基-甲酮核磁共振氢谱图；
图7为实施例4中的N-环六亚甲基-1-苯基-甲酮的质谱图；
图8为实施例5中的N，N-二丁基苯甲酰胺的质谱图；
图9为实施例1中的Ag/P-C3N4光催化剂的回收性能图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解的含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不是旨在限制本发明的保护范围。
实施例中所有份数和百分数除另有规定外均指质量。
实施例1
Ag/P-C3N4光催化剂的制备过程为：
(1)按三聚氰胺：水：浓磷酸的质量比为1:70:2，将三聚氰胺溶解于水中，加入浓磷酸，在160℃下晶化，过滤，干燥得到固体I；
(2)将固体I在520℃、N2氛围下焙烧5h，得到P-C3N4催化剂；
(3)将P-C3N4催化剂加入水中，加入AgNO3，控制P-C3N4与Ag的质量比为1:0.05，水与P-C3N4的质量比为20:1；于60℃下真空干燥得到固体II；
(4)将固体II在400℃下焙烧5h，得到Ag/P-C3N4光催化剂。
将2.7456g苯甲醇(含量为99％)加入100mL的反应瓶中，加入5mL甲苯作为溶剂，然后分批加入2.8571g叔丁基醇钾(含量为98％)，加入2.2294g吗啡啉(含量为99％)，再加入20mg Ag/P-C3N4，在常温、15W LED灯光照条件下反应4小时，得到灰白色固体。经分析检测，其中吗啉-4-苯基-甲酮含量为43.4％，基于苯甲醇的吗啉-4-苯基-甲酮的收率为92.7％。
Ag/P-C3N4光催化剂回收性能测试：经过滤、水洗后回收上述催化剂Ag/P-C3N4，于50℃下烘干，经重复使用6次，其催化效果并未明显减弱(见图9)。
白色固体物经柱层析法分离提纯后进行表征，其核磁共振氢谱如图1所示：δ2.50为溶剂峰，δ3.20～3.80(m,8H),δ7.46(m,2H),δ7.50(m,3H)其化学位移及氢的数目与吗啉-4-苯基-甲酮上的氢相符。
提纯后灰白色固体物的质谱如图2所示，谱图中质荷比为192.1076的峰是[M+1]离子峰，吗啉-4-苯基-甲酮理论分子量M为191.09，确认产物为吗啉-4-苯基-甲酮。
对比例1
将2.7456g苯甲醇(含量为99％)加入100mL的反应瓶中，加入5mL甲苯作为溶剂，然后分批加入2.8571g叔丁基醇钾(含量为98％)，加入2.2294g吗啡啉(含量为99％)，再加入6.5206gMnO2(含量为99％和叔丁基过氧化氢(含量70％)9.7363g。在常温、15W LED灯光照条件下反应10小时。经分析检测，未得到目标产物吗啉-4-苯基-甲酮。
实施例2
Ru/P-C3N4光催化剂的制备过程为：
(1)按三聚氰胺：水：浓磷酸的质量比为1:80:3，将三聚氰胺溶解于水中，加入浓磷酸，在170℃下晶化，过滤，干燥得到固体I；
(2)将固体I在550℃、N2氛围下焙烧4.5h，得到P-C3N4催化剂；
(3)将P-C3N4催化剂加入水中，加入RuCl3，控制P-C3N4与Ru的质量比为1:0.1，水与P-C3N4的质量比为40:1；于50℃下真空干燥得到固体II；
(4)将固体II在500℃下焙烧3.5h，得到Ru/P-C3N4光催化剂。
将2.7319g苯甲醇(含量为99％)加入100mL的反应瓶中，加入5mL甲苯作为溶剂，然后分两次加入共2.4515g叔丁醇钠(含量为98％)，边加边适当振荡，待气泡消失后，加入1.7997g四氢吡咯(含量为99％)，加入30mg Ru/P-C3N4，在常温、30W LED灯光照条件下反应6小时，得到浅棕色液体。经分析检测，其中苯基-吡咯烷-1-甲酮含量为38.4％，基于苯甲醇的苯基-吡咯烷-1-甲酮的收率为85.8％。
浅棕色液体物经柱层析法分离提纯后进行表征，其核磁共振氢谱如图3所示：
δ2.50为溶剂峰，δ1.82(m,4H),δ3.36(t,J＝8Hz,2H),δ3.46(t,J＝8Hz,2H),δ7.44(m,3H),δ7.48(m,2H),其化学位移及氢的数目与苯基-吡咯烷-1-甲酮的氢相符。
提纯浅棕色液体的质谱如图4所示，谱图中质荷比为176.1072的峰是[M+1]离子峰，苯基-吡咯烷-1-甲酮的理论分子量M为175.10，确认产物为苯苯基-吡咯烷-1-甲酮。
对比例2
将2.7456g苯甲醇(含量为99％)加入100mL的反应瓶中，加入5mL甲苯作为溶剂，然后分批加入2.8571g叔丁基醇钾(含量为98％)，1.7997g四氢吡咯(含量为99％)，再加入0.1000g RuCl3，在常温、30W LED灯光照条件下反应8小时。经分析检测，未得到目标产物苯基-吡咯烷-1-甲酮。
实施例3
Au/P-C3N4光催化剂的制备过程为：
(1)按三聚氰胺：水：浓磷酸的质量比为1:60:3，将三聚氰胺溶解于水中，加入浓磷酸，在150℃下晶化，过滤，干燥得到固体I；
(2)将固体I在480℃、N2氛围下焙烧6h，得到P-C3N4催化剂；
(3)将P-C3N4催化剂加入水中，加入氯化金，控制P-C3N4与Au的质量比为1:0.003，水与P-C3N4的质量比为70:1；于70℃下真空干燥得到固体II；
(4)将固体II在300℃下焙烧5h，得到Au/P-C3N4光催化剂。
将2.7322g苯甲醇(含量为99％)加入100mL的反应瓶中，加入5mL甲苯作为溶剂，然后分两次加入共1g氢化钠(含量为60％)，边加边适当振荡，待气泡消失后，加入3.6973g正丁胺(含量为99％)，加入15mg Au/P-C3N4，在常温、30W LED灯光照条件下反应6小时，得到浅黄色液体。经分析检测，其中正丁基苯甲酰胺含量为37.1％，基于苯甲醇的正丁基苯甲酰胺的收率为91.5％。
浅黄色液体物经柱层析法分离提纯后进行表征，其核磁共振氢谱如图5所示：
δ2.50为溶剂峰，δ0.85(t,J＝8Hz,3H),δ1.80(m,4H),δ4.40(s,2H),δ7.15(m,1H),δ7.32(m,4H),其化学位移与正丁基苯甲酰胺上的氢相符。
对比例3
将2.7322g苯甲醇(含量为99％)加入100mL的反应瓶中，加入5mL甲苯作为溶剂，然后分两次加入共1g氢化钠(含量为60％)，边加边适当振荡，待气泡消失后，加入3.6973g正丁胺(含量为99％)，加入50mg AuCl3，加入含量70％的叔丁基过氧化氢9.7363g。在常温、30W LED灯光照条件下反应6小时，得到黑色液体。经分析检测，未得到正丁基苯甲酰胺。
实施例4
Pt/P-C3N4光催化剂的制备过程为：
(1)按三聚氰胺：水：浓磷酸的质量比为1:90:2.5，将三聚氰胺溶解于水中，加入浓磷酸，在150℃下晶化，过滤，干燥得到固体I；
(2)将固体I在500℃、N2氛围下焙烧5h，得到P-C3N4催化剂；
(3)将P-C3N4催化剂加入水中，加入氯化铂，控制P-C3N4与Pt的质量比为1:0.1，水与P-C3N4的质量比为25:1；于40℃下真空干燥得到固体II；
(4)将固体II在300℃下焙烧2.5h，得到Pt/P-C3N4光催化剂。
将2.7330g苯甲醇(含量为99％)加入100mL的反应瓶中，加入5mL甲苯作为溶剂，然后分两次加入共1g氢化钠(含量为60％)，边加边适当振荡，待气泡消失后，加入2.5424g六亚甲基亚胺(含量为98％)，加入25mg Pt/P-C3N4，在常温、100W LED灯光照条件下反应6小时，得到黄色液体。经分析检测，其中N-环六亚甲基-1-苯基-甲酮含量为33.8％，基于苯甲醇的N-环六亚甲基-1-苯基-甲酮的收率为86.4％。
黄色液体经柱层析法分离提纯后进行表征，其核磁共振氢谱如图6所示：
δ2.50为溶剂峰，δ1.52(s,4H),δ1.69(m,2H)，δ3.25-3.35(t,J＝8Hz,2H),δ3.55(t,J＝8Hz,2H),δ4.50(d,J＝8Hz,2H),δ7.31(m,3H),δ7.42(d,J＝8Hz,2H)其化学位移及氢的数目与N-环六亚甲基-1-苯基-甲酮上的氢相符。
黄色液体经提纯后质谱如图7所示，其中质荷比为204.1388的峰是[M+1]离子峰，N-环六亚甲基-1-苯基-甲酮的理论分子量M为203.13，确认产物为N-环六亚甲基-1-苯基-甲酮。
实施例5
Cu/P-C3N4光催化剂的制备过程为：
(1)按三聚氰胺：水：浓磷酸的质量比为1:100:4，将三聚氰胺溶解于水中，加入浓磷酸，在180℃下晶化，过滤，干燥得到固体I；
(2)将固体I在550℃、N2氛围下焙烧2.5h，得到P-C3N4催化剂；
(3)将P-C3N4催化剂加入水中，加入CuCl2，控制P-C3N4与Cu的质量比为1:0.2，水与P-C3N4的质量比为35:1；于80℃下真空干燥得到固体II；
(4)将固体II在300℃下焙烧2h，得到Cu/P-C3N4光催化剂。
将2.7330g苯甲醇(含量为99％)加入100mL的反应瓶中，加入5mL甲苯作为溶剂，然后分两次加入共1g氢化钠(含量为60％)，边加边适当振荡，待气泡消失后，加入3.2620g二正丁胺(含量为99％)，加入10mg Cu/P-C3N4，在常温、100W LED灯光照条件下反应6小时，得到浅灰色液体。经分析检测，其中N，N-二丁基苯甲酰胺含量为34.6％，基于苯甲醇的N，N-二丁基苯甲酰胺的收率为76.8％。
浅灰色液体经提纯后的质谱如图8所示，其中质荷比为234.1858的峰是[M+1]离子峰，N，N-二丁基苯甲酰胺的理论分子量为233.18，确认产物为N，N-二丁基苯甲酰胺。
对比例4
将2.7456g苯甲醇(含量为99％)加入100mL的反应瓶中，加入5mL甲苯作为溶剂，然后分批加入2.8571g叔丁基醇钾(含量为98％)，加入3.2620g二正丁胺(含量为99％)，再加入0.1g CuCl2(含量为99％)和0.0500g哌啶醇氧化物(TEMPO，含量为98％)，在常温、100WLED灯光照条件下反应10小时。经分析检测，未得到目标产物N，N-二丁基苯甲酰胺。
实施例6
将3.0510g4-甲基苯甲醇(含量为99％)加入100mL的反应瓶中，加入5mL甲苯作为溶剂，然后分批加入0.8g氢化钠(含量为60％)，加入2.2294g吗啡啉(含量为99％)，再加入20mg实施例1中制得的Ag/P-C3N4，在常温、30W LED灯光照条件下反应10小时。经分析检测，其中吗啉-4-甲苯基-甲酮含量为53.4％，基于苯甲醇的吗啉-4-甲苯基-甲酮的收率为72.6％。
实施例7
将3.4518g4-甲氧基苯甲醇(含量为99％)加入100mL的反应瓶中，加入5mL甲苯作为溶剂，然后分批加入0.8g氢化钠(含量为60％)，加入2.2294g吗啡啉(含量为99％)，再加入15mg实施例1中制得的Ag/P-C3N4，在常温、30W LED灯光照条件下反应6小时。经分析检测，其中吗啉-4-甲氧苯基-甲酮含量为56.2％，基于苯甲醇的吗啉-4-甲氧苯基-甲酮的收率为78.2％。
实施例8
将2.4513g糠醇(含量为99％)加入100mL的反应瓶中，加入5mL甲苯作为溶剂，然后分批加入0.8g氢化钠(含量为60％)，加入2.2294g吗啡啉(含量为99％)，再加入15mg实施例4中制得的Pt/P-C3N4，在常温、30W LED灯光照条件下反应6小时。经分析检测，其中呋喃-2-吗啉-4-甲酮含量为58.1％，基于苯甲醇的呋喃-2-吗啉-4-甲酮的收率为83.2％。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种酰胺类化合物的合成方法，其特征在于：将具有式(I)结构的苄醇与具有式(II)结构的胺类化合物以有机溶剂作为媒介，在光催化剂负载金属P-C3N4存在的条件下经光催化反应制得具有式(III)结构的酰胺类化合物；
Figure FDA0002398438700000011
其中，式(I)结构的苄醇中，所述R3为C4～C20芳香基和杂环芳香基；式(II)结构的胺类化合物中，所述R1和R2各自独立地为H、C1～C20烷基、C3～C20环烷基、C2～C20烯烃基、C2～C20炔烃基、C6～C20芳香基，或R1、R2和与它们相连的N原子一起形成C1～C20杂环基。
2.根据权利要求1所述的酰胺类化合物的合成方法，其特征在于：所述R3为C4～C12芳香基或C4～C6杂环芳香基；所述R1和R2各自独立地为H、C1～C12烷基、C3～C12环烷基、C2～C12烯烃基、C2～C12炔烃基、C6～C12芳香基，或R1、R2和与它们相连的N原子一起形成C1～C6杂环基。
3.根据权利要求2所述的酰胺类化合物的合成方法，其特征在于：所述R3为苯基、4-甲基苯基、4-甲氧基苯基、呋喃基、吡啶基、噻吩基；所述R1和R2各自独立地为H、甲基、乙基、丁基、辛烷基、十二烷基、环己基、苯基、或萘基，或R1、R2和与它们相连的N原子一起形成氮杂环庚-1-基或吡咯烷-1-基。
4.根据权利要求1-3任一项所述的酰胺类化合物的合成方法，其特征在于：所述苄醇和胺类化合物的摩尔比为1:1。
5.根据权利要求1-3任一项所述的酰胺类化合物的合成方法，其特征在于：所述有机溶剂为甲苯、四氢呋喃、二甲苯、苯和二氯甲烷中的一种或几种。
6.根据权利要求4所述的酰胺类化合物的合成方法，其特征在于：所述光催化反应在碱存在或不存在的条件下进行，碱为叔丁醇钾、叔丁基醇钠、氢化钠、氢化钾、甲醇钠、乙醇钠、氢氧化钾、氢氧化钡、碳酸铯和碳酸钾中的一种或几种，所述苄醇和碱的摩尔比为1:0～3。
7.根据权利要求4任一项所述的酰胺类化合物的合成方法，其特征在于：所述负载金属P-C3N4中的负载金属为银、钌、钴、铜、铁、金、铂、钯、镨、锗、镍和锌中的一种或几种，负载金属P-C3N4的量为苄醇的0.1～5wt％。
8.根据权利要求7所述的酰胺类化合物的合成方法，其特征在于：所述负载金属P-C3N4的具体制备过程为：
(1)按三聚氰胺：水：70～99wt％浓磷酸的质量比为1:40～100:1.5～5，将三聚氰胺溶解于水中，加入浓磷酸，在120～200℃下晶化，过滤，干燥得到固体I；
(2)将固体I在400～550℃、N2氛围下焙烧2～8h，得到P-C3N4催化剂；
(3)将P-C3N4催化剂加入水中，加入负载金属的可溶性盐，控制P-C3N4与负载金属的质量比为1:0.01～0.5，水与P-C3N4的质量比为10:1～200:1；于30～80℃下真空干燥得到固体II；
(4)将固体II在200～550℃下焙烧0.5～6h，得到负载金属P-C3N4催化剂。
9.根据权利要求6所述的酰胺类化合物的合成方法，其特征在于，所述合成方法的具体过程如下：
(1)将苄醇、胺类化合物、光催化剂负载金属P-C3N4、碱和有机溶剂投入至反应瓶中；
(2)15W～300W的光源下不断搅拌反应，得到酰胺类化合物。
10.根据权利要求9所述的酰胺类化合物的合成方法，其特征在于：步骤(2)中，所述反应温度为室温，反应时间为60～600min。
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