CN114369038A - 一种光催化合成酰胺类化合物的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种光催化合成酰胺类化合物的方法。该方法包括:在光催化剂、光照和惰性气体的条件下,将芳香醇化合物和芳香硝基化合物混合反应,得到酰胺类化合物。本发明的酰胺类化合物的合成方法可以实现光生电子‑空穴的充分利用,原子利用率高、污染少、反应物普适性好,可用于代替现有成熟的有机合成工艺,适合大规模工业化生产。
Description
技术领域
本发明涉及一种酰胺类化合物的合成方法,尤其涉及一种光催化合成酰胺类化合物的方法,属于有机合成技术领域。
背景技术
酰胺类化合物广泛存在于自然界各种有机体中。酰胺类化合物作为有机合成或生物医药生产的中间体,在农药、精细化学品等行业中有着广泛的应用。
合成酰胺的传统方法有羧酸和酰胺的酰化,酸酐法合成,叠氮化合物合成等。传统的酰胺合成方法,通常需要高温高压条件,及使用酸或碱。这些方法存在污染高、副产物多、反应条件苛刻、原子利用率低等问题,因此难以实现绿色可持续生产。
近年来,光催化有机合成利用了光作为能量来源,实现了安全,绿色,高效,环保的新型有机合成。光催化耗能低,反应条件温和,污染少等特点,在有机合成领域越来越备受关注。
目前,利用光催化实现酰胺类化合物的合成有所发展。Makhmutov等人使用多金属氧化物作为光催化剂,催化苯甲醇氧化与苯胺偶联来合成酰胺。此过程需要过量的苯甲醇来提升转化率,存在原料浪费以及产物分离困难等问题(Makhmutov A R.Photocatalytictandem reaction of primary alcohols with arylamines in the synthesis ofamides and alkylquinolines in the presence of a heterogeneous Fe(CrO2)-TiO2/Xsystem under aerobic conditions[J].Russ Chem Bull,2019,68(1):68-73.)。
CN112898173A以金属氧化物作为光催化剂,在四卤甲烷和碱作用下,催化胺类化合物和有机羧酸反应获得酰胺类化合物。此方法不仅需要加入当量的强碱,而四卤甲烷的引入会产生卤素单质副产物,带来了产物分离的问题。综上所述,目前的光催化合成酰胺类化合物的技术方法仍然存在着原料成本高,原子利用率低,副反应多等问题,不利于大规模工业化生产。
因此,探索一种排废低、原子利用率高、普适性广的光催化一步法可控合成酰胺类化合物的新方法研究具有非常重要的价值。
发明内容
为了解决上述技术问题,本发明的目的在于提供一种具有高经济价值的光催化合成酰胺类化合物的方法。
为了实现上述目的,本发明提供了一种光催化合成酰胺类化合物的方法,该方法包括:
在光催化剂、光照和惰性气体的条件下,将芳香醇化合物和芳香硝基化合物混合反应,得到式I所示的酰胺类化合物;
其中,R1和R2相互独立地为连接在苯环上的1、2、3、4或5个取代基,每个所述取代基相互独立地为氢元素、卤素、C1-C10烷基或烯基或炔基、C6-C20芳基、-OR’、-OCF3、-NHR’、-C(=O)OR’、-NHC(=O)R’和-C(=O)R’中的任意一种,所述R’为H、C1-C6烷基或烯基或炔基、C6-C20芳基或苄基中的任意一种。
在本发明的一具体事实方式中,芳香醇化合物具有如下式所示的结构:
其中,R1为连接在苯环上的1、2、3、4或5个取代基,每个所述取代基相互独立地为氢元素、卤素、C1-C10烷基或烯基或炔基、C6-C20芳基、-OR’、-OCF3、-NHR’、-C(=O)OR’、-NHC(=O)R’和-C(=O)R’中的任意一种,所述R’为H、C1-C6烷基或烯基或炔基、C6-C20芳基或苄基中的任意一种。
在本发明的一具体实施方式中,芳香硝基化合物具有如下式所示的结构:
其中,R2为连接在苯环上的1、2、3、4或5个取代基,每个所述取代基相互独立地为氢元素、卤素、C1-C10烷基或烯基或炔基、C6-C20芳基、-OR’、-OCF3、-NHR’、-C(=O)OR’、-NHC(=O)R’和-C(=O)R’中的任意一种,所述R’为H、C1-C6烷基或烯基或炔基、C6-C20芳基或苄基中的任意一种。
在本发明的一具体实施方式中,该方法包括以下步骤:
在光催化剂中加助催化剂,将悬浊液烘干,得到均匀平整的催化剂薄膜;
将所述芳香醇和芳香硝基化合物以0.1-10:1的摩尔比进行混合,并滴加在催化剂薄膜上,得到混合溶液;
将所述混合溶液在惰性气氛保护下,在0.001-50W/cm2光照下进行反应并控制反应温度为0-100℃,得到混合相;
将所述混合相进行离心,分离出的有机相干燥、浓缩,得到酰胺类化合物。
在本发明的一具体实施方式中,所述光催化剂是带宽范围1-5eV的半导体材料;比如,紫外、可见光、近红外吸收的半导体材料。
在本发明的一具体实施方式中,光催化剂选自金属氧化物半导体、金属氮化合物半导体、金属硫化物半导体、金属硒化物半导体、钙钛矿半导体、铜铁矿半导体、碳基聚合物半导体和氮基聚合物半导体中的一种或几种的组合。其中,金属氧化物半导体,包括Ti、Zn、Zr、W、V、Cu、Fe、Ce、Ta、In或Nb的含氧化物;金属硫(硒)化物半导体,包括Cd、Zn、Cu、W、或Bi的含硫、硒化合物;金属氮(氧)化合物半导体,包括Ti、Ga、Ge或Ta的含氮、氧化合物。
在本发明的一具体实施方式中,采用的助催化剂为金属盐溶液;优选金属盐溶液的质量百分比为0.1-30wt%。其中,金属盐溶液中采用的金属盐包括FeCl2、FeCl3、PtCl2、AgCl、PdCl2、NiCl2、CuCl2或同金属离子的硝酸盐,硫酸盐,磷酸盐,醇盐溶液中的一种或几种的组合。
在本发明的一具体实施方式中,惰性气体为He、Ar、N2、CO2、CO或H2。
在本发明的一具体实施方式中,混合溶液中反应物的浓度均为1-100mmol/L,光催化剂的浓度为1-100mg/mL。
在本发明的一具体实施方式中,光照强度由光源功率为0.001-50W/cm2的白色或蓝色LED灯提供。
在本发明的一具体实施方式中,反应温度通过水浴或油浴方式控制。
本发明的光催化合成酰胺类化合物的方法,光催化剂在光照条件下,产生光生电子(e-)-空穴(h+);分别的,苯甲醇被空穴氧化生成苯甲醛,芳香硝基化合物被电子还原生成芳香胺基化合物;最终苯甲醛与芳香胺基化合物经过一步缩合偶联生成酰胺化合物(如图1所示)。
本发明的光催化合成酰胺类化合物的方法是一种光催化选择性合成酰胺类化合物的方法,在光催化剂作用下,可以实现一步将芳香醇与芳香硝基化合物反应得到酰胺类化合物。此方法原子利用率高,条件温和、产物选择性高。本发明的光催化合成酰胺类化合物的方法可以用于代替现有成熟的有机合成工艺,具有普适性、适合于工业化生产。
附图说明
图1为本发明的光催化合成酰胺类化合物的方法原理示意图。
图2为实施例1中实际产物(a)与标准N-苯甲酰替苯胺(b)的质谱图。
具体实施方式
本发明光催化合成酰胺类化合物的方法,通过光催化剂,在光照、惰性气体条件下使芳香醇化合物与芳香硝基化合物反应得到式I所示的酰胺类化合物,
式I中,R1和R2相互独立地为连接在苯环上的1、2、3、4或5个取代基,每个所述取代基相互独立地为氢元素、卤素、C1-C10烷基、C2-C10烯基、C2-C10炔基、C6-C20芳基、-OR’、-OCF3、-NHR’、-C(=O)OR’、-NHC(=O)R’和-C(=O)R’中的任意一种,所述R’为H、C1-C6烷基、C2-C6烯基、C2-C6炔基、苯基和苄基中的任意一种。
通过光催化剂作用实现芳香醇化合物与芳香硝基化合物反应得到酰胺类化合物,可以用于代替现有成熟的有机合成工艺,原子利用率高、条件温和、选择性高、具有普适性、适合于工业化生产。
上述光催化合成酰胺类化合物的方法具体包括以下步骤:
(a)将光催化剂加入0.1-30wt%的金属盐溶液作为助催化剂,所得的悬浊液烘干即可得到均匀平整的催化剂薄膜;(b)将所述芳香醇、芳香硝基化合物按摩尔比(0.1-10:1)进行混合,再滴加在催化剂薄膜上;(c)将所述混合溶液在惰性气氛保护下,于0.001-50W/cm2光照下进行反应并控制反应温度为0-100℃;(d)将步骤(c)得到的混合相进行离心,分离出的有机相干燥、浓缩得酰胺类化合物。
上述光催化剂需要是带宽范围1-5eV的半导体材料以保证合成的选择性。可以为选自金属氧化物半导体、金属氮化合物半导体、金属硫化物半导体、金属硒化物半导体、钙钛矿半导体、铜铁矿半导体、碳基聚合物半导体和氮基聚合物半导体中的一种或多种组成的混合物。金属氧化物半导体,包括Ti、Zn、Zr、W、V、Cu、Fe、Ce、Ta、In或Nb的含氧化物;金属硫(硒)化物半导体,包括Cd、Zn、Cu、W、或Bi的含硫、硒化合物;金属氮(氧)化合物半导体,包括Ti、Ga、Ge或Ta的含氮、氧化合物。
该光催化剂通常还负载有助催化剂,助催化剂为金属盐,有FeCl2、FeCl3、PtCl2、AgCl、PdCl2、NiCl2、CuCl2或同金属离子的硝酸盐,硫酸盐,磷酸盐,醇盐的溶液中的一种或多种。
所述惰性气体为He、Ar、N2、CO2或CO。步骤(b)中,所述混合溶液中芳香醇合物的浓度为1-100mmol/L,光催化剂的浓度为1-100mg/mL。步骤(c)所述光照强度由光源功率为0.001-50W/cm2的白色或蓝色LED灯实现;所述反应温度通过水浴、油浴方式控制到0-100℃
下面将结合实例对本发明进行进一步说明。
实施例1
本实施例提供一种光催化合成酰胺类化合物的方法,包括以下步骤:
(a)将10mg商业P25粉末加入1ml去离子水和100μl 10mg/ml的FeCl2溶液充分搅拌,将分散好的悬浊液在60摄氏度的烘箱中烘干12h,得到催化剂薄膜。
(b)将16μmol的苯甲醇和16μmol的硝基苯混合液滴加在催化剂薄膜上。
(c)在N2气氛和365nm的7.5W光源照射下反应12h.
(d)在步骤(c)得到的薄膜中离心分离出的有机相干燥、浓缩得N-苯甲酰替苯胺通过气相色谱仪测试分析,苯甲醇转化率为92%,N-苯甲酰替苯胺选择性为82%。实际产物(a)与标准N-苯甲酰替苯胺(b)的质谱如图2所示。
实施例2
本实施例提供一种光催化合成酰胺类化合物的方法,它与实施例1中的基本一致,不同的是:步骤(a)中,使用的金属盐溶液为硫酸铁(Fe2(SO4)3),反应时间延长到16h;最终步骤(c)的结果为通过气相色谱仪测试分析,苯甲醇转化率为90%,N-苯甲酰替苯胺选择性为68%。
实施例3
本实施例提供一种光催化合成酰胺类化合物的方法,它与实施例1中的基本一致,不同的是:步骤(b)中,使用的光源功率提升到15W,反应时间缩短到6h;最终步骤(c)的结果为,通过气相色谱仪测试分析,苯甲醇转化率为92%,N-苯甲酰替苯胺选择性为62%。
实施例4
本实施例提供一种光催化合成酰胺类化合物的方法,它与实施例1中的基本一致,不同的是:步骤(a)中,使用的金属氯化物为50μl 10mg/ml的FeCl2溶液和50μl 10mg/ml的NiCl2溶液;最终步骤(d)的结果通过气相色谱仪测试分析,硝基苯转化率为89%,N-苯甲酰替苯胺选择性为72%。
实施例5
本实施例提供一种光催化合成酰胺类化合物的方法,它与实施例1中的基本一致,不同的是:步骤(b)中,使用的醇为4-甲基苄醇最终步骤(d)的结果通过气相色谱仪测试分析,4-甲基苄醇转化率为90%,4-甲基-N-苯基苯甲酰胺选择性为72%。
实施例6
本实施例提供一种光催化合成酰胺类化合物的方法,它与实施例1中的基本一致,不同的是:步骤(b)中,使用的芳香硝基化合物为4-硝基氯苯最终步骤(c)的结果通过气相色谱仪测试分析,苯甲醇转化率为87%,N-(4-氯-苯基)-苯酰胺选择性为71%。
实施例7
本实施例提供一种光催化合成酰胺类化合物的方法,它与实施例1中的基本一致,不同的是:步骤(b)中,使用的醇为4-甲基苄醇使用的芳香硝基化合物为4-硝基氯苯最终步骤(c)的结果通过气相色谱仪测试分析,4-甲基苄醇转化率为75%,N-(4-氯苯基)-4-甲基苯甲酰胺选择性为72%。
实施例8
本实施例提供一种光催化合成酰胺类化合物的方法,它与实施例1中的基本一致,不同的是:步骤(b)中,使用的芳香硝基化合物为3-硝基氯苯最终步骤(c)的结果通过气相色谱仪测试分析,苯甲醇转化率为90%,N-(3-氯-苯基)-苯酰胺选择性为75%。
实施例9
本实施例提供一种光催化合成酰胺类化合物的方法,它与实施例1中的基本一致,不同的是:步骤(b)中,使用的芳香硝基化合物为2-硝基氯苯最终步骤(c)的结果通过气相色谱仪测试分析,苯甲醇转化率为88%,N-(2-氯-苯基)-苯酰胺选择性为71%。
对比例1
本对比例与实施例1中的基本一致,不同的是:未进行光照,无法获得酰胺类化合物。
对比例2
本对比例与实施例1中的基本一致,不同的是:使用空气气氛,无法获得酰胺类化合物。
对比例3
本对比例与实施例1中的基本一致,不同的是:使用的光催化剂仅为TiO2,但不加助催化剂,最终步骤(d)的结果为无法获得酰胺类化合物。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点,其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施,并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰,都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
4.根据权利要求1所述的方法,其中,该方法包括以下步骤:
在光催化剂中加入助催化剂,将悬浊液烘干,得到均匀平整的催化剂薄膜;
将芳香醇和芳香硝基化合物以0.1-10:1的摩尔比进行混合,并滴加在催化剂薄膜上,得到混合溶液;
将所述混合溶液在惰性气氛保护下,在0.001-50W/cm2光照下进行反应,控制反应温度为0-100℃,得到混合相;
将所述混合相离心,分离出的有机相干燥、浓缩,得到所述酰胺类化合物。
5.根据权利要求4所述的方法,其中,所述光催化剂是带宽范围1-5eV的半导体材料;
优选地,所述光催化剂选自金属氧化物半导体、金属氮化合物半导体、金属硫化物半导体、金属硒化物半导体、钙钛矿半导体、铜铁矿半导体、碳基聚合物半导体和氮基聚合物半导体中的一种或几种的组合。
6.根据权利要求4所述的方法,其中,所述助催化剂为金属盐溶液;
优选地,所述金属盐溶液的质量百分比为0.1-30wt%。
7.根据权利要求6所述的方法,其中,所述金属盐包括FeCl2、FeCl3、PtCl2、AgCl、PdCl2、NiCl2、CuCl2或同金属离子的硝酸盐,硫酸盐,磷酸盐,醇盐溶液中的一种或几种的组合。
8.根据权利要求4所述的方法,其中,混合溶液中反应物的浓度均为1-100mmol/L,光催化剂的浓度为1-100mg/mL。
9.根据权利要求4所述的方法,其中,所述光照强度由光源功率为0.001-50W/cm2的白色或蓝色LED灯提供。
10.根据权利要求4所述的方法,其中,所述反应温度通过水浴或油浴的方式控制。
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