CN111621805B - 一种电催化选择性脱氢制备3，4—二氢异喹啉的方法 - Google Patents
一种电催化选择性脱氢制备3，4—二氢异喹啉的方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开一种电催化选择性脱氢制备3，4—二氢异喹啉的方法，以长在泡沫镍基底上的Ni2P纳米片阵列作为工作电极，铂片作为对电极，Ag/AgCl电极作为参比电极，使用由KOH和四氢异喹啉类反应底物组成的电解液进行电化学制备。本发明在三电极系统中，使用电催化剂将含有四氢异喹啉结构的反应底物高选择性高产率地电化学氧化成含有二氢异喹啉结构的化合物，且在较宽的电位范围内，均能实现二氢异喹啉类化合物的高选择性合成。
Description
技术领域
本发明涉及高效、高导电性、价格便宜的非贵金属电催化剂在有机物选择性脱氢领域的应用，具体涉及把四氢异喹啉高选择性的氧化成二氢异喹啉的电催化方法。
背景技术
二氢异喹啉是一类重要的有机化合物，是有机合成的重要前驱体，具有广泛的用途。喹啉衍生物的化学性质一直以来都是杂环化学的核心，二氢异喹啉可以通过多种反应进而生成一系列衍生物。如二氢异喹啉可用于合成强效驱虫吡喹酮，这是热带病血吸虫病的首选药物。二氢异喹啉还具有一定的生物活性，其生物活性主要表现在如抗肿瘤活性，抗真菌活性，舒张血管活性等方面，尤其是在MAO抑制活性和抗肿瘤活性方法也有显著的作用。随着二氢异喹啉类化合物的广泛应用，关于合成此类化合物的方法和研究也愈加深入，出现了一些制备二氢异喹啉的方法。
N-杂环的脱氢是有机合成中的基本且重要的过程。相应的脱氢芳构化产物在药物，农用化学品和功能性有机材料中普遍存在。脱氢转化被认为是热力学不利的过程，因此，有时可能需要苛刻的回流条件或牺牲氢受体。到目前为止，传统的N-杂环脱氢合成二氢异喹啉的方法主要有：
(1)过渡金属催化胺的脱氢作用：
(2)胺被化学计量的催化氧化成亚胺：
如上所示的方法中，N-杂环的传统催化脱氢反应通常采用常规的多相金属催化剂，通常表现出较差的官能团容忍度，并且需要苛刻的反应条件等缺点。
从合成化学的观点来看，亚胺具有活性CN键并且能够经历各种类型的转化，包括环化反应和与亲核试剂的反应。虽然许多试验已经致力于N-杂环化合物的脱氢，但获得环状亚胺的部分脱氢方法仍然是很少见的。如何提高N-杂环部分脱氢的选择性仍是该研究领域的一个重要的挑战。鉴于N-杂环的不同脱氢产物(包括芳族化合物和亚胺)都是有价值的有机结构单元，开发高校且可良好控制的N-杂环化合物的脱氢方法具有重要意义。在此，研究一种可以使四氢异喹啉部分脱氢来选择性的生成3,4-二氢异喹啉，为制备有用的环亚胺提供更环保和更实用的方法，对工业化生产等具有一定的实际意义【参考文献：吴中礼,张海梁,李钦,等.3.4-二氢异喹啉类化合物的合成[J].浙江化工,2015,46(11),12-14；黄文龙,宋学勤,彭思勋,等.取代四氢异喹啉衍生物的合成及生物活性 [J].药学学报,1990,25(11):815-823；Guang-Shou Feng,Yu Ji,Hui-Fang Liu,et al. Solvent-promotedhighly selective dehydrogenation of tetrahydroisoquinolines without catalystand hydrogen acceptor[J].Tetrahedron Letters,57(2016),747-749】。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种电催化选择性脱氢制备3，4—二氢异喹啉的方法，在三电极系统中，使用电催化剂将含有四氢异喹啉结构的反应底物高选择性高产率地电化学氧化成含有二氢异喹啉结构的化合物，且在较宽的电位范围内，均能实现二氢异喹啉类化合物的高选择性合成。多次循环使用该催化剂，即在反应完成之后，继续加入反应底物(如0.5mmol，持续多次)，法拉第效率、产率以及选择性都未发生明显变化，可以判断本发明的制备方法是一种高转化率，高反应活性且简洁可行的合成方法。
本发明的技术目的是通过如下技术方案实现的：
一种电催化选择性脱氢制备3，4—二氢异喹啉的方法，如下反应式和表格所示。
在Ni2P电极上THIQs的电催化部分脱氢的底物范围图表如下所示。
在阴极和阳极电解池中使用KOH水溶液，并在阳极电解池中加入四氢异喹啉类反应底物，使用三电极进行电催化(恒电压反应i-t)，使用负载在泡沫镍基底上的Ni2P纳米片阵列作为工作电极，选择性脱氢制备3，4—二氢异喹啉，恒电压为1.3—1.7v。
而且，使用H型电解池为反应容器。
而且，四氢异喹啉类反应底物为1,2,3,4-四氢异喹啉、6-甲氧基-1,2,3,4-四氢异喹啉、 6,7-二甲氧基-1,2,3,4-四氢异喹啉、1-甲基-1,2,3,4-四氢异喹啉、6-溴-1,2,3,4-四氢异喹啉， 6-氯-1,2,3,4-四氢异喹啉，7-硝基-1,2,3,4-四氢异喹啉或者1-苯基-1,2,3,4-四氢异喹啉。
而且，对电极为铂片。
而且，参比电极为Ag/AgCl(1.0M KCl)电极。
而且，恒电压为1.5—1.7V(V vs.RHE)。
而且，在KOH水溶液中，KOH浓度为1.0M，在阴极和阳极电解池内分别加入40mL；四氢异喹啉类反应底物的加入量为0.5mmol。
而且，反应完成后，用有机试剂对产物进行萃取，然后减压蒸馏，接着用核磁、气-质(GC-MS)等进行定性分析，用气相色谱进行定量分析，所述的用于萃取的有机溶剂为乙酸乙酯，二氯甲烷，石油醚这三种溶剂中的至少一种。
而且，使用三电极进行电催化在室温(20—25摄氏度)下进行。
而且，在三电极系统中，用i-t测试法，待0.5mmol的反应底物完全反应完后(大约消耗96C电荷量)，转移出相应的反应液并处理，同时清洗干净电解池，使用同一片催化剂电极材料，再次进行同样的i-t测试，可实现重复多次制备，且性能基本保持一致。
使用的泡沫镍(NF，购自赛博电化学材料网)的纯度为99.99％，在实验中使用去离子水(DIW)，首先分别用丙酮，水和3M HCl水溶液超声处理一片泡沫镍 (3cm×1cm×0.1cm)5分钟，再用DIW和无水乙醇冲洗，最后在环境条件下快速干燥。
泡沫镍(NF)上Ni2P纳米片阵列的合成参考现有技术的方案(Chun Tang,RongZhang, Wenbo Lu,Zao Wang,Danni Liu,Shuai Hao,Gu Du,Abdullah M.Asiri,andXuping Sun， Energy-Saving Electrolytic Hydrogen Generation:Ni2P Nanoarray asa High-Performance Non-Noble-Metal Electrocatalyst，Angew.Chem.Int.Ed.2017,56,842–846.)：将新鲜处理的NF(1×3cm2)在室温下浸入含有1mmol Ni(NO3)2·6H2O和2mmol六次甲基四胺的8 mL水溶液中。然后将具有NF的水溶液转移到20mL的不锈钢高压釜的聚四氟乙烯内衬中并在100℃下保持10小时，然后使其自然冷却。将含有Ni(OH)2前体的NF用水洗涤数次并在烘箱中干燥。然后，将一片Ni(OH)2/NF在氩气氛围中加热至300℃维持0.5h，自然降至室温后得到NiO/NF。最后，将得到的NiO/NF和NaH2PO2(0.1g)置于瓷舟中两个分开的位置，将置有的NaH2PO2一端至于管式炉的上游。随后，将样品在静态Ar 气氛中加热至300℃并保持2小时，然后在Ar气氛下自然冷却至室温。
与现有技术相比，本发明提供了一种将含有四氢异喹啉结构的化合物电化学部分氧化成二氢异喹啉类化合物的方法，该电催化剂制备简单易得，原料价格低廉且无毒无污染。在三电极体系中Ni2P纳米片阵列催化剂对反应物部分脱氢具有很高的选择性和产率，反应条件温和，不需加热，且反应快速，操作简便，产物易分离。避免了其他合成方法中操作复杂，反应耗时长，产率低，选择性差，试剂毒性强，以及含有贵重金属难以实现工业化等问题。
附图说明
图1为本发明使用的泡沫镍骨架结构的扫描电镜照片。
图2为Ni2P纳米片电极的低倍和高倍的TEM照片。
图3为Ni2P的XRD表征谱线图。
图4a为3,4-二氢异喹啉的核磁谱图。
图4b为6-甲氧基-3,4-二氢异喹啉的核磁谱图。
图4c为6,7-二甲氧基-3,4-二氢异喹啉的核磁谱图。
图4d为1-甲基-3,4-二氢异喹啉的核磁谱图。
图4e为6-溴-3,4-二氢异喹啉的核磁谱图。
图4f为6-氯-3,4-二氢异喹啉的核磁谱图。
图4g为7-硝基-3,4-二氢异喹啉的核磁谱图。
图4h为1-苯基-3,4-二氢异喹啉的核磁谱图。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对含有四氢异喹啉结构的化合物电化学选择性部分脱氢说明本发明的技术方案。在1.30-1.70V(V vs.RHE)范围内，电压的大小对相应的二氢异喹啉化合物的选择性无影响，所以在以下实例中固定电压为1.35V(V vs.RHE)，在室温 (20—25摄氏度)条件下进行反应并收集产物。全部化学品均为分析纯，无需进一步纯化即可按原样使用。
实施例1：3，4-二氢异喹啉的合成
以H型电解池为容器，电解池连接阴极和阳极部分各加入40mL 1.0M KOH水溶液，然后阳极部分加入0.5mmol的1,2,3,4-四氢异喹啉并用磁子不断搅拌，用铂片作为对电极，Ag/AgCl(1.0M KCl)电极作为参比电极且以长在泡沫镍上的Ni2P纳米片阵列作为工作电极。连接到电化学工作站，选定恒电压1.35V(V vs.RHE)进行i-t,当电量大约消耗 96C，说明0.5mmol 1,2,3,4-四氢异喹啉理论上已完全部分氧化，时间约为1h。收集产物，并用乙酸乙酯进行萃取，减压蒸馏，再用核磁、气-质进行定性分析(如图4a所示)。气相色谱进行定量分析，3,4-二氢异喹啉的产率约为96％。产物用氘代氯仿溶解测试氢谱和碳谱。结果如下：1H NMR(400MHz,CDCl3)δ[ppm]8.33(s,1H),7.35(t,J＝7.1Hz,1H), 7.28(q,J＝7.6Hz,2H),7.15(d,J＝7.2Hz,1H),3.77(t,J＝7.6Hz,2H),2.74(t,J＝7.7Hz, 2H)；13C NMR(101MHz,CDCl3)δ[ppm]160.39,136.33,131.08,128.49,127.44,127.22, 127.10,47.39,25.02。
实施例2：6-甲氧基-3，4-二氢异喹啉的合成
以H型电解池为容器，电解池连接阴极和阳极部分各加入40mL 1.0M KOH溶液，然后阳极部分加入0.5mmol的6-甲氧基-1,2,3,4-四氢异喹啉并用磁子不断搅拌，用铂片作为对电极，Ag/AgCl(1.0M KCl)电极作为参比电极且以长在泡沫镍上的Ni2P纳米片阵列作为工作电极。连接到电化学工作站，选定恒电压1.35V(V vs.RHE)进行i-t,当电量大约消耗96C，说明0.5mmol 6-甲氧基-1,2,3,4-四氢异喹啉理论上已完全部分氧化，时间约为1h。收集产物，并用乙酸乙酯进行萃取，减压蒸馏，再用核磁、气-质进行定性分析(如图4b所示)。气相色谱进行定量分析，6-甲氧基-3,4-二氢异喹啉的产率约为96％。产物用氘代氯仿溶解测试氢谱和碳谱。结果如下：1H NMR(400MHz,CDCl3)δ[ppm]8.26(s,1H), 7.22(d,J＝8.2Hz,1H),6.79(d,J＝8.2Hz,1H),6.68(s,1H),3.83(s,3H),3.72(t,J＝7.6Hz, 2H),2.72(t,J＝7.6Hz,2H)；13C NMR(101MHz,CDCl3)δ[ppm]161.99,160.13,138.84, 129.46,122.49,113.34,112.31,55.67,47.13,25.89。
实施例3：6,7-二甲氧基-3,4-二氢异喹啉的合成
以H型电解池为容器，电解池连接阴极和阳极部分各加入40mL 1.0M KOH溶液，然后阳极部分加入0.5mmol的6,7-二甲氧基-1,2,3,4-四氢异喹啉并用磁子不断搅拌，用铂片作为对电极，Ag/AgCl(1.0M KCl)电极作为参比电极且以长在泡沫镍上的Ni2P纳米片阵列作为工作电极。连接到电化学工作站，选定恒电压1.35V(V vs.RHE)进行i-t,当电量大约消耗96C，说明0.5mmol 6,7-二甲氧基-1,2,3,4-四氢异喹啉理论上已完全部分氧化，时间约为1h。收集产物，并用乙酸乙酯进行萃取，减压蒸馏，再用核磁、气-质进行定性分析(如图4c所示)。气相色谱进行定量分析，6,7-二甲氧基-3,4-二氢异喹啉的产率约为 96％。产物用氘代氯仿溶解测试氢谱和碳谱。结果如下：1H NMR(400MHz,CDCl3)δ [ppm]8.23(s,1H),6.82(s,1H),6.68(s,1H),3.92(s,3H),3.90(s,3H),3.73(t,J＝7.8Hz, 2H),2.68(t,J＝7.6Hz,2H)；13C NMR(101MHz,CDCl3)δ[ppm]159,73,151.20,147.84, 129.91,121.59,110.42,110.36,56.18,56.11,47.42,24.82。
实施例4：1-甲氧基-3,4-二氢异喹啉的合成
以H型电解池为容器，电解池连接阴极和阳极部分各加入40mL 1.0M KOH溶液，然后阳极部分加入0.5mmol的1-甲基-1,2,3,4-四氢异喹啉并用磁子不断搅拌，用铂片作为对电极，Ag/AgCl(1.0M KCl)电极作为参比电极且以长在泡沫镍上的Ni2P纳米片阵列作为工作电极。连接到电化学工作站，选定恒电压1.35V(V vs.RHE)进行i-t,当电量大约消耗96C，说明0.5mmol1-甲基-1,2,3,4-四氢异喹啉理论上已完全部分氧化，时间约为1h。收集产物，并用乙酸乙酯进行萃取，减压蒸馏，再用核磁、气-质进行定性分析(如图4d 所示)。气相色谱进行定量分析，1-甲氧基-3,4-二氢异喹啉的产率约为96％。产物用氘代氯仿溶解测试氢谱和碳谱。结果如下：1H NMR(400MHz,CDCl3)δ[ppm]7.48(d,J＝7.4 Hz,1H),7.33(dt,J＝24.6,8.0Hz,2H),7.19(d,J＝7.2Hz,1H),3.66(t,J＝7.3Hz,2H),2.71 (t,J＝7.4Hz,2H),2.39(s,3H)；13C NMR(101MHz,CDCl3)δ[ppm]164.49,137.51,130.71, 129.66,127.55,127.01,125.44,47.01,26.14,23.45。
实施例5：6-溴-3,4-二氢异喹啉的合成
以H型电解池为容器，电解池连接阴极和阳极部分各加入40mL 1.0M KOH溶液，然后阳极部分加入0.5mmol的6-溴-1,2,3,4-四氢异喹啉并用磁子不断搅拌，用铂片作为对电极，Ag/AgCl(1.0M KCl)电极作为参比电极且以长在泡沫镍上的Ni2P纳米片阵列作为工作电极。连接到电化学工作站，选定恒电压1.35V(V vs.RHE)进行i-t,当电量大约消耗96C，说明0.5mmol 6-溴-1,2,3,4-四氢异喹啉理论上已完全部分氧化，时间约为1h。收集产物，并用乙酸乙酯进行萃取，减压蒸馏，再用核磁、气-质进行定性分析(如图4e所示)。气相色谱进行定量分析，6-溴-3,4-二氢异喹啉的产率约为96％。产物用氘代氯仿溶解测试氢谱和碳谱。结果如下：1H NMR(400MHz,CDCl3)δ[ppm]8.29(s,1H),7.42(d,J ＝8.0Hz,1H),7.30(s,1H),7.12(d,J＝8.0Hz,1H),3.74(t,J＝7.7Hz,2H),2.71(t,J＝7.7 Hz,2H)；13C NMR(101MHz,CDCl3)δ[ppm]159.38,138.36,130.63,130.33,128.63, 127.19,125.17,47.03,24.79。
实施例6：6-氯-3,4-二氢异喹啉的合成
以H型电解池为容器，电解池连接阴极和阳极部分各加入40mL 1.0M KOH溶液，然后阳极部分加入0.5mmol的6-氯-1,2,3,4-四氢异喹啉并用磁子不断搅拌，用铂片作为对电极，Ag/AgCl(1.0M KCl)电极作为参比电极且以长在泡沫镍上的Ni2P纳米片阵列作为工作电极。连接到电化学工作站，选定恒电压1.35V(V vs.RHE)进行i-t,当电量大约消耗96C，说明0.5mmol 6-氯-1,2,3,4-四氢异喹啉理论上已完全部分氧化，时间约为1h。收集产物，并用乙酸乙酯进行萃取，减压蒸馏，再用核磁、气-质进行定性分析(如图4f所示)。气相色谱进行定量分析，6-氯-3,4-二氢异喹啉的产率约为96％。产物用氘代氯仿溶解测试氢谱和碳谱。结果如下：1H NMR(400MHz,CDCl3)δ[ppm]8.31(s,1H),7.27(d,J ＝7.7Hz,1H),7.21(d,J＝8.0Hz,1H),7.16(s,1H),3.76(t,J＝7.7Hz,2H),2.73(t,J＝7.7 Hz,2H)；13C NMR(101MHz,CDCl3)δ[ppm]159.40,138.28,136.80,128.57,127.81, 127.44,126.92,47.09,25.00。
实施例7：7-硝基-3,4-二氢异喹啉的合成
以H型电解池为容器，电解池连接阴极和阳极部分各加入40mL 1.0M KOH溶液，然后阳极部分加入0.5mmol的7-硝基-1,2,3,4-四氢异喹啉并用磁子不断搅拌，用铂片作为对电极，Ag/AgCl(1.0M KCl)电极作为参比电极且以长在泡沫镍上的Ni2P纳米片阵列作为工作电极。连接到电化学工作站，选定恒电压1.35V(V vs.RHE)进行i-t,当电量大约消耗96C，说明0.5mmol 7-硝基-1,2,3,4-四氢异喹啉理论上已完全部分氧化，时间约为1h。收集产物，并用乙酸乙酯进行萃取，减压蒸馏，再用核磁、气-质进行定性分析(如图4g 所示)。气相色谱进行定量分析，7-硝基-3,4-二氢异喹啉的产率约为96％。产物用氘代氯仿溶解测试氢谱和碳谱。结果如下：1H NMR(400MHz,CDCl3)δ[ppm]8.44(s,1H),8.24 (d,J＝8.3Hz,1H),8.16(s,1H),7.36(d,J＝8.2Hz,1H),3.87(t,J＝7.7Hz,2H),2.88(t,J＝ 7.7Hz,2H)；13CNMR(101MHz,CDCl3)δ[ppm]158.55,146.76,143.85,129.08,128.87, 125.98,122.09,47.13,25.37。
实施例8：1-苯基-3,4-二氢异喹啉的合成
以H型电解池为容器，电解池连接阴极和阳极部分各加入40mL 1.0M KOH溶液，然后阳极部分加入0.5mmol的1-苯基-1,2,3,4-四氢异喹啉并用磁子不断搅拌，用铂片作为对电极，Ag/AgCl(1.0M KCl)电极作为参比电极且以长在泡沫镍上的Ni2P纳米片阵列作为工作电极。连接到电化学工作站，选定恒电压1.35V(V vs.RHE)进行i-t,当电量大约消耗96C，说明0.5mmol 1-苯基-1,2,3,4-四氢异喹啉理论上已完全部分氧化，时间约为1h。收集产物，并用乙酸乙酯进行萃取，减压蒸馏，再用核磁、气-质进行定性分析(如图4h所示)。气相色谱进行定量分析，1-苯基-3,4-二氢异喹啉的产率约为96％。产物用氘代氯仿溶解测试氢谱和碳谱。结果如下：1H NMR(400MHz,CDCl3)δ[ppm]7.59(d,J＝7.2Hz,2H),7.49–7.34(m,4H),7.25(dd,J＝14.5,7.7Hz,3H),3.83(t,J＝7.2Hz,2H),2.79 (t,J＝7.2Hz,2H)；13C NMR(101MHz,CDCl3)δ[ppm]167.44,139.06,138.97,130.83, 129.46,128.94,128.28,128.08,127.54,126.70,47.72,26.43。
以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种电催化选择性脱氢制备3，4—二氢异喹啉的方法，其特征在于，在阴极和阳极电解池中使用KOH水溶液，并在阳极电解池中加入四氢异喹啉类反应底物，使用三电极进行电催化，恒电压反应i-t，使用负载在泡沫镍基底上的Ni2P纳米片阵列作为工作电极，选择性脱氢制备3，4—二氢异喹啉，恒电压为1.3—1.7V 。
2.根据权利要求1所述的一种电催化选择性脱氢制备3，4—二氢异喹啉的方法，其特征在于，四氢异喹啉类反应底物为1,2,3,4-四氢异喹啉、6-甲氧基-1,2,3,4-四氢异喹啉、6,7-二甲氧基-1,2,3,4-四氢异喹啉、1-甲基-1,2,3,4-四氢异喹啉、6-溴-1,2,3,4-四氢异喹啉，6-氯-1,2,3,4-四氢异喹啉，7-硝基-1,2,3,4-四氢异喹啉或者1-苯基-1,2,3,4-四氢异喹啉。
3.根据权利要求1所述的一种电催化选择性脱氢制备3，4—二氢异喹啉的方法，其特征在于，使用H型电解池为反应容器，对电极为铂片，参比电极为Ag/AgCl电极。
4.根据权利要求1所述的一种电催化选择性脱氢制备3，4—二氢异喹啉的方法，其特征在于，使用三电极进行电催化在室温下进行。
5.根据权利要求1所述的一种电催化选择性脱氢制备3，4—二氢异喹啉的方法，其特征在于，恒电压为1.5—1.7V。
6.根据权利要求1所述的一种电催化选择性脱氢制备3，4—二氢异喹啉的方法，其特征在于，在KOH水溶液中，KOH浓度为1.0M，在阴极和阳极电解池内分别加入40mL；四氢异喹啉类反应底物的加入量为0.5mmol。
7.根据权利要求6所述的一种电催化选择性脱氢制备3，4—二氢异喹啉的方法，其特征在于，在三电极系统中，用i-t测试法，待0.5mmol的反应底物完全反应完后，转移出相应的反应液并处理，同时清洗干净电解池，使用同一片催化剂电极材料，再次进行同样的i-t测试，可实现重复多次制备，且性能基本保持一致。
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