CN115108962A - 一种连续合成氮杂双环类化合物的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种连续合成氮杂双环的方法。本发明的方法，以氧杂环为原料，在催化剂的作用下，直接与氨进行反应制备氮杂双环。本发明的合成氮杂双环的方法，工艺简单，路线绿色，反应过程污染少，可连续操作，效率高。

Description

一种连续合成氮杂双环类化合物的方法

技术领域

本发明涉及医药化学合成领域，具体而言，涉及一种连续合成氮杂双环类化合物的方法。

背景技术

氮杂双环类物质在医药合成领域有广泛的应用，是一类重要的药物中间体。例如，用于合成治疗Ⅱ型糖尿病的米格列耐钙的关键中间体顺式全氢异吲哚，即是一个由六元碳环和五元氮杂环构成的氮杂双环。米格列耐钙的作用机制类似磺酰脲，但起效速度更快，且半衰期短，既有利于降低糖尿病患者的餐后血糖，又可避免持续降糖引发的血糖过低。

另外，第二代磺酰脲类口服降糖药降糖药格列齐特合成过程中的重要中间体顺式-7-氮杂双环[3.3.0]辛烷，其分子结构包括一个五元碳环和一个五元氮杂环。它是，也是氮杂双环类中间体的一个重要品种。

除此之外，(S,S)-2,8-二氮杂双环[4,3,0]壬烷也是一种氮杂双环，其可以用于合成新型广谱抗菌药物莫西沙星。由此可见，杂双环类中间体在现代医药合成领域有非常广泛的应用。

目前上述杂双环类物质的合成方法主要是由对应的酰亚胺类物质经过化学还原试剂将酰亚胺中的羰基还原后得到。如将环戊烷-1,2-二甲酰亚胺或环己烷-1,2-二甲酰亚胺用四氢铝锂进行还原(CN 1844096A，WO 2009/140279 A2)，分别得到顺式-7-氮杂双环[3.3.0]辛烷及顺式全氢异吲哚。由于四氢铝锂试剂本身的危险性较大，成本较高，并且还原后处理过程复杂，使得目前该过程的废水量也较大。除此之外，使用硼氢化钠或硼氢化钾与路易斯酸配合也可实现上述还原过程(格列齐特中间体氮杂双环的工艺改进，贾虎，齐鲁药事；格列齐特的合成工艺研究，刘永宽，郑州大学学位论文；格列齐特的合成新技术研究，林沅，济南大学学位论文；CN 103183632 A)，但是目前仍然无法解决废水多和成本高的问题。

环戊烷-1,2-二甲酰亚胺的还原

环己烷-1,2-二甲酰亚胺的还原

此外，也有采用氮杂环[3.3.0]辛烷-2-酮为原料，与三氯氧磷进行氯代反应后进行锌粉还原得到顺式-7-氮杂双环[3.3.0]辛烷的报道(The Journal of OrganicChemistry,1977,42,2082-2087)，该路线不使用四氢铝锂和硼氢化钠，但是原料难以制备，且需要用到三氯氧磷和锌粉，生产过程中大量废物的产生不可避免，经济性和环保性仍然面临挑战。

由氮杂环[3.3.0]辛烷-2-酮合成顺式-7-氮杂双环[3.3.0]辛烷

也有采用催化加氢的方法直接将环戊二甲酰亚胺加氢得到顺式-7-氮杂双环[3.3.0]辛烷的报道(US 8,664,408 B2，US 20120316214A1,CN 1741993 A)，但是反应温度一般在260℃以上，反应压力在20MPa以上，苛刻的反应条件使得该过程的危险性大大增加，并且对设备的要求较高。

综上所述，目前杂双环类医药中间体的合成过程中均面临着原料价格昂贵，且需要使用危险且价格较高的还原试剂，生产过程中产生较多的废水和固废等问题，并且上述过程均为间歇反应，反应浓度较低，生产效率普遍较低。

发明内容

为解决上述方法中所涉及的问题，本发明的目的在于提供一种连续合成氮杂双环的新方法，本发明的方法使用特定催化剂，以氧杂双环为原料，在催化剂的作用下，与氨源直接反应制备氮杂双环产品。本发明的合成氮杂双环的方法工艺简单、易分离、可连续操作、收率高、减少了三废排放，有利于工业化生产。

为了实现本发明的上述目的，特采用以下技术方案：

本发明提供了一种连续合成氮杂双环类化合物的方法，包括以下步骤：

(1)在固定床反应器中装入催化剂，在氮气气氛中升温至反应温度并保持以活化催化剂；

(2)将反应物氧杂双环类化合物和任选的溶剂混合均匀，与氨源分别通入反应器中与催化剂接触进行反应，产品经过冷凝和气液分离后进行收集，得到氮杂双环类化合物；

其中，所述催化剂包括载体和负载于所述载体上的金属氧化物；

所述反应温度为180-550℃，所述反应进料质量空速(以氧杂双环计)为0.01-10h^-1。

步骤(1)

固定床反应器的结构如图1所示，但不限于此。

本方法中，使用的催化剂为负载型金属氧化物催化剂，即所述催化剂包括载体和负载于所述载体上的金属氧化物。

在一些实施方式中，所述金属氧化物对应的金属活性组分选自钪、钇、镧、铈、镱、镥中的一种或多种；

优选地，所述金属氧化物对应的金属活性组分选自钇、镧、铈、镱中的一种或多种；

更优选地，所述金属氧化物对应的金属活性组分选自镧、铈、镱中的一种或多种。

在一些实施方式中，载体选自活性炭、γ-Al₂O₃、SiO₂、ZrO₂、WO₃、Nb₂O₅、沸石分子筛(例如天津南化催化剂有限公司生产的H-ZSM-5、H-ZSM-35、HY、Hβ)中的一种或多种；

优选地，载体选自γ-Al₂O₃、SiO₂、ZrO₂、Nb₂O₅、沸石分子筛(例如天津南化催化剂有限公司生产的H-ZSM-5、H-ZSM-35、HY、Hβ)中的一种或多种；

更优选地，载体选自γ-Al₂O₃、SiO₂、沸石分子筛(例如天津南化催化剂有限公司生产的H-ZSM-5、H-ZSM-35)中的一种或多种。

在一些实施方式中，所述催化剂中金属氧化物的负载量为0.1-5wt％，例如0.1、0.2、0.5、0.6、0.8、1、2、3、4、5％；

优选地，所述催化剂中金属氧化物的负载量为0.1-3wt％；

更优选地，所述催化剂中金属氧化物的负载量为0.1-1wt％。

在一些实施方式中，所述催化剂由包括如下步骤的制备方法制备：

1)将金属前驱体溶解在水中配制成浓度为0.01-0.2mol/L的金属前驱体水溶液；

2)将载体加入所述金属前驱体水溶液中，搅拌3-8h，优选4h后蒸干；

3)将所得固体在105-150℃下干燥12-24h(优选120℃下干燥24h)后，在450-600℃下焙烧3-8h(优选550℃下焙烧6h)即得目标催化剂。

优选地，步骤1)中所述金属前驱体为金属的硝酸盐。

升温速率优选为3℃/min。

本方法中，反应温度为180-550℃(例如180、190、200、210、220、230、240、250、260、280、300、320、340、350、360、380、400、420、450、460、480、500、520、530、540、550℃)；

优选地，所述反应温度为220-450℃；

更优选地，所述反应温度为250-450℃。

在一些实施方式中，保持的时间为1-8h，例如1、2、3、4、5、6、7、8h。

步骤(2)

本方法中，反应物氧杂双环类化合物是指环上含1-2个氧杂原子的双环类化合物，典型的例如为[3-6元碳环]并[5-6元氧杂环]、[4-6元氧杂环]并[5-6元氧杂环]，环可进一步被例如C1-C3烷基所取代，环上可含有不饱和双键。

在一些实施方式中，氧杂双环类化合物选自如下式1～式5结构：

其中，n₁、n₂、n₃、n₄各自独立地选自0、1或2；m₁、m₂、m₃、m₄各自独立地选自1或2；

R₁、R₂、R₃、R₄各自独立地选自氢或C1-C6的烷基，优选为氢、甲基、乙基、正丙基、异丙基、正丁基、异丁基；

表示单键或双键。

在一些实施例中，氧杂双环类化合物选自如下化合物：

本方法可以在有溶剂或无溶剂条件下进行。

所述溶剂可以包括水、甲醇、乙醇、丙醇、异丙醇、正丁醇、异丁醇、四氢呋喃、二氧六环、环己烷、正己烷、正庚烷、正辛烷、正壬烷、正癸烷、正十一烷、正十二烷中的一种或多种；

优选地，所述溶剂选自水、甲醇、乙醇、丙醇、异丙醇、正丁醇、异丁醇、环己烷、正己烷、正庚烷中的一种或多种；

更优选地，所述溶剂选自甲醇、乙醇、丙醇、环己烷、正己烷、正庚烷中的一种或多种。

在一些实施方式中，所述氧杂双环类化合物与溶剂的体积比例为1:0.1-1:50，例如1：1、1:2、1:5、1:8、1:10、1:20、1:30、1:40、1:50，优选为1:0.5-1:20，更优选为1:1-1:5；需要强调的是，也可以无溶剂进行。

在一些实施方式中，所述氨源选自氨气、氨水、氨的甲醇溶液、氨的乙醇溶液、氨的丙醇溶液、氨的异丙醇溶液、氨的正丁醇溶液、氨的异丁醇溶液、氨的四氢呋喃溶液、氨的1,4-二氧六环溶液、氨的甲苯溶液、甲胺、乙胺、丙胺、异丙胺、正丁胺、异丁胺中的一种或多种。

本方法中，所述反应进料质量空速(以氧杂双环计)为0.01-10h^-1，优选为0.01-5h^-1，更优选为0.01-1h^-1。

其中，氧杂双环质量流量单位为g/min，催化剂质量的单位为g。

在一些实施方式中，所述氧杂双环类化合物与氨源的摩尔比例为1:5-1:100，例如1:5、1:10、1:20、1:30、1:40、1:50、1:60、1:70、1:80、1:90、1:100，优选为1:5-1:80，更优选为1:10-1:80。

其中，氨气体积流量单位为L/min(如为乙胺则为乙胺质量流量/乙胺分子量，乙胺质量流量单位为g/min，乙胺分子量单位为g/mol)，氧杂双环质量流量单位为g/min，氧杂双环分子量单位为g/mol，22.4表示1mol气体的体积为22.4L，单位为mol/L。

在一些实施方式中，所述反应压力为0.1-5.0MPa，例如0.1、0.2、0.5、1、2、3、4、5MPa，优选为0.1-2.0MPa，更优选为0.1-1.0MPa。

所述氧杂双环类化合物为式1结构时，对应的反应产物氮杂双环类化合物选自如下式6～式8结构：

所述氧杂双环类化合物为式2结构时，对应的反应产物氮杂双环类化合物选自如下式9～式12结构：

所述氧杂双环类化合物为式3结构时，对应的反应产物氮杂双环类化合物选自如下式13～式16结构：

所述氧杂双环类化合物为式4结构时，对应的反应产物氮杂双环类化合物选自如下式17～式20结构：

所述氧杂双环类化合物为式5结构时，对应的反应产物氮杂双环类化合物选自如下式21～式23结构：

其中，n各自独立地选自0、1或2；m各自独立地选自1或2；

R、R₁、R₂、R₃、R₄、R₅各自独立地选自氢或C1-C6的烷基，优选为氢、甲基、乙基、正丙基、异丙基、正丁基、异丁基。

有益效果：

本发明提供用于连续合成氮杂双环类物质的方法，反应路线绿色，可连续生产，效率高，过程操作简单，主要副产物为水，避免了危险且昂贵的化学还原试剂的使用，且不会产生腐蚀性废水。相比于传统方法，易于实现工业化生产。

在上文中已经详细地描述了本发明，但是上述实施方式本质上仅是例示性，且并不欲限制本发明。此外，本文并不受前述现有技术或发明内容或以下实施例中所描述的任何理论的限制。

附图说明

图1示出了本发明固定床反应器的结构示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的说明，需要说明的是，提供以下实施例仅出于说明目的并不构成对本发明要求保护范围的限制。

除特殊说明外，在实施例中所采用的原料、试剂、方法等均为本领域常规的原料、试剂、方法。

在以下实施例中，氧杂双环类物质，

采购自罗恩试剂，

等均为自制。制备方法为对应二元醇的脱水反应，如

的制备方法：在烧瓶中加入100g 1,2-环戊烷二甲醇，加入1g硫酸后，安装蒸馏冷凝装置，将上述混合物加热至180℃以上，不断蒸馏出反应生成物，反应产物分两相，加入50ml乙酸乙酯萃取三次，上层有机相用20g无水硫酸钠干燥后过滤，得到的有机相用理论塔板数为5块的精馏柱精馏得到76g

(沸点为145℃左右)，收率为88％；制备

的原料为

收率为93％；制备

的原料为

收率为45％；制备

的原料为

收率为77％；制备

的原料为

收率为41％；制备

的原料为

收率为56％。

去离子水为自制；

甲醇、乙醇、乙胺、正庚烷、硝酸铈、硝酸镧、硝酸镱采购自国药集团化学试剂有限公司；

γ-Al₂O₃和SiO₂购自青岛海浪硅胶干燥剂有限公司；

H-ZSM-5系列分子筛购自天津南化催化剂有限公司；

高纯氮气、高纯氨气购自青岛德海伟业科技有限公司。

在根据本发明的连续合成氮杂双环的方法中，以氧杂双环和氨源为原料，在催化剂的作用下反应得到氮杂双环产物。在步骤2)中得到的产物，过0.22μm滤膜，用气相色谱(GC)进行分析检测。气相色谱检测条件：仪器：岛津GC2010Plus，色谱柱：Intercap-FFAP，30m×0.25mm×0.25μm，汽化室温度250℃，FID温度300℃，柱温箱升温程序：60℃保持1min，然后以15℃/min速度升温至230℃保持10min。通过气质联用(GC-MS)对产物定性分析。用Shimazu-GC 2010plus气相色谱对产物进行定量测定，通过与标准物保留时间和峰面积大小比对进行定量分析。相关计算公式如下：

催化剂制备实施例1

1)取50g硝酸铈加入反应釜中，加入3.0L水溶解。

2)将2000gγ-Al₂O₃载体(球状，直径3mm)加入上述金属前驱体水溶液中，搅拌4h后将水蒸干。

3)将所得固体在120℃下干燥24h后，在550℃下焙烧6h即得催化剂1。

催化剂制备实施例2

除步骤1)中的金属前驱体改为硝酸镧外，其余与催化剂制备实施例1相同，所得为催化剂2。

催化剂制备实施例3

除步骤1)中的金属前驱体改为硝酸镱外，其余与催化剂制备实施例1相同，所得为催化剂3。

催化剂制备实施例4

除步骤2)中的载体改为H-ZSM-5(球状，直径3mm)外，其余与催化剂制备实施例2相同，所得为催化剂4。

催化剂制备实施例5

除步骤2)中的载体改为SiO₂(球状，直径3mm)外，其余与催化剂制备实施例2相同，所得为催化剂5。

实施例1-6

1)在固定床反应器(反应管内径为70mm，长度为1500mm)中装入1000g催化剂(球状，直径为3mm)，催化剂上下填充石英砂。在200ml/min氮气吹扫下以3℃/min由室温升温至反应温度，保持2h活化催化剂，然后将氮气切换至氨气；

2)用柱塞泵将

(如需溶剂则与溶剂预混合)泵入催化剂床层进行反应。经冷凝器和气液分离器后进行收集，得到最终产物。

表1实施例1-6

注：反应压力为常压.

由实施例1-3的结果可以看出，以γ-Al₂O₃为催化剂，

在380度下与氨气反应以31％的转化率和93％的选择性得到产物

而使用本发明所述催化剂1与2，在相同的反应条件下，转化率可达80％以上，而产物选择性更优，说明金属的负载可以明显提高催化剂的反应活性。另外，从实施例5-7也可以看出，在450度下

与氨气反应的主要产物为

使用本发明所述催化剂2，在380度下即可催化上述反应的发生，大大降低了反应温度，进一步说明催化剂具有较高的反应活性。

实施例7-17

1)在固定床反应器(反应管内径为70mm，长度为1500mm)中装入1000g催化剂(球状，直径为3mm)，催化剂上下填充石英砂。在200ml/min氮气吹扫下以3℃/min由室温升温至反应温度，保持2h活化催化剂，然后将氮气切换至氨气(氨源为乙胺时，以氮气200ml/min为载气，乙胺用柱塞泵泵入)；

2)用柱塞泵将

(如需溶剂则与溶剂预混合)泵入催化剂床层进行反应。经冷凝器和气液分离器后进行收集，得到最终产物。

表2实施例7-17

注：反应压力为常压，H-ZSM-5采购自天津南化催化剂有限公司，硅铝比为50.

由实施例7-17的反应结果可以看出，在H-ZSM-5催化剂下，

可以在360度，质量空速0.1h^-1的条件下与氨气反应生成

转化率为43％，产物选择性为96％。提高温度至420度，可以显著提高反应活性，在质量空速为0.1h^-1条件下原料可完全反应，且产物选择性略有降低。在420度下，将反应质量空速降至0.02h^-1，得到的主要产物为脱氢产物

选择性91％。当使用本发明所述催化剂3-5时，在相同的反应条件下具有更高的反应活性，360度，质量空速0.1h^-1时原料转化率均高于90％，且产物选择性未发生明显变化。证明本发明所述催化剂具有更高的反应活性。同时也发现，当改变反应溶剂(甲醇、乙醇)或者氨源(乙胺)时，可以直接得到烷基化产物(实施例15-17)。

实施例18-26

1)在固定床反应器(反应管内径为70mm，长度为1500mm)中装入1000g催化剂(球状，直径为3mm)，催化剂上下填充石英砂。在200ml/min氮气吹扫下以3℃/min由室温升温至反应温度，保持2h活化催化剂，然后将氮气切换至氨气；

2)用柱塞泵将氧杂双环(如需溶剂则与溶剂预混合)泵入催化剂床层进行反应。经冷凝器和气液分离器后进行收集，得到最终产物。

表3实施例18-26

注：反应压力为常压，H-ZSM-5采购自天津南化催化剂有限公司，硅铝比为50

由实施例18-26结果可以看出，在本发明所述催化剂下，

在400度下均可以得到相应的氮杂双环产物

而当降低进料质量空速时，得到的主要产物则为亚胺

以上各实施例仅用以举例说明本发明的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：在没有脱离本发明权利要求所限定的精神和实质的范围内，可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换仍然在本发明权利要求所限定的范围内。

Claims (10)

1.一种连续合成氮杂双环类化合物的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)在固定床反应器中装入催化剂，在氮气气氛中升温至反应温度并保持以活化催化剂；

(2)将反应物氧杂双环类化合物和任选的溶剂混合均匀，与氨源分别通入反应器中与催化剂接触进行反应，产品经过冷凝和气液分离后进行收集，得到氮杂双环类化合物；

其中，所述催化剂包括载体和负载于所述载体上的金属氧化物；

所述反应温度为180-550℃，所述反应进料质量空速为0.01-10h^-1。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)中，所述催化剂的金属氧化物对应的金属活性组分选自钪、钇、镧、铈、镱、镥中的一种或多种；

优选地，所述催化剂的金属氧化物对应的金属活性组分选自钇、镧、铈、镱中的一种或多种；

更优选地，所述催化剂的金属氧化物对应的金属活性组分选自镧、铈、镱中的一种或多种；

步骤(1)中，所述催化剂的载体选自活性炭、γ-Al₂O₃、SiO₂、ZrO₂、WO₃、Nb₂O₅、沸石分子筛中的一种或多种；

优选地，所述催化剂的载体选自γ-Al₂O₃、SiO₂、ZrO₂、Nb₂O₅、沸石分子筛中的一种或多种；

更优选地，所述催化剂的载体选自γ-Al₂O₃、SiO₂、沸石分子筛H-ZSM-5、沸石分子筛H-ZSM-35中的一种或多种。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤(1)中，所述催化剂中金属氧化物的负载量为0.1-5wt％，优选为0.1-3wt％，更优选为0.1-1wt％。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)中，所述催化剂由包括如下步骤的制备方法制备：

1)将金属前驱体溶解在水中配制成浓度为0.01-0.2mol/L的金属前驱体水溶液；

2)将载体加入所述金属前驱体水溶液中，搅拌3-8h后蒸干；

3)将所得固体在105-150℃下干燥12-24h后，在450-600℃下焙烧3-8h即得目标催化剂；

优选地，步骤1)中所述金属前驱体为金属的硝酸盐。

5.根据权利要求1至4任意一项所述的方法，其特征在于，步骤(1)中，所述反应温度为220-450℃；

更优选地，所述反应温度为250-450℃；

优选地，保持的时间为1-8h。

6.根据权利要求1至4任意一项所述的方法，其特征在于，步骤(2)中，所述溶剂可以包括水、甲醇、乙醇、丙醇、异丙醇、正丁醇、异丁醇、四氢呋喃、二氧六环、环己烷、正己烷、正庚烷、正辛烷、正壬烷、正癸烷、正十一烷、正十二烷中的一种或多种；

优选地，所述溶剂选自水、甲醇、乙醇、丙醇、异丙醇、正丁醇、异丁醇、环己烷、正己烷、正庚烷中的一种或多种；

更优选地，所述溶剂选自甲醇、乙醇、丙醇、环己烷、正己烷、正庚烷中的一种或多种。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述氧杂双环类化合物与溶剂的体积比例为1:0.1-1:50。

8.根据权利要求1至4任意一项所述的方法，其特征在于，步骤(2)中，所述氨源选自氨气、氨水、氨的甲醇溶液、氨的乙醇溶液、氨的丙醇溶液、氨的异丙醇溶液、氨的正丁醇溶液、氨的异丁醇溶液、氨的四氢呋喃溶液、氨的1,4-二氧六环溶液、氨的甲苯溶液、甲胺、乙胺、丙胺、异丙胺、正丁胺、异丁胺中的一种或多种。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，步骤(2)中，所述反应进料质量空速为0.01-5h^-1，更优选为0.01-1h^-1；

优选地，所述氧杂双环类化合物与氨源的摩尔比例为1:5-1:100；

优选地，所述反应压力为0.1-5.0MPa，优选为0.1-2.0MPa，更优选为0.1-1.0MPa。

10.根据权利要求1至4任意一项所述的方法，其特征在于，步骤(2)中，

所述氧杂双环类化合物选自如下式1～式5结构：

其中，n₁、n₂、n₃、n₄各自独立地选自0、1或2；m₁、m₂、m₃、m₄各自独立地选自1或2；

R₁、R₂、R₃、R₄各自独立地选自氢、甲基、乙基、正丙基、异丙基、正丁基、异丁基；

表示单键或双键；

优选地，氧杂双环类化合物选自如下化合物：

对应的反应产物氮杂双环类化合物包括如下情况：

所述氧杂双环类化合物为式1结构时，对应的反应产物氮杂双环类化合物选自如下式6～式8结构：

所述氧杂双环类化合物为式2结构时，对应的反应产物氮杂双环类化合物选自如下式9～式12结构：

所述氧杂双环类化合物为式3结构时，对应的反应产物氮杂双环类化合物选自如下式13～式16结构：

所述氧杂双环类化合物为式4结构时，对应的反应产物氮杂双环类化合物选自如下式17～式20结构：

所述氧杂双环类化合物为式5结构时，对应的反应产物氮杂双环类化合物选自如下式21～式23结构：

其中，n各自独立地选自0、1或2；m各自独立地选自1或2；

R、R₁、R₂、R₃、R₄、R₅各自独立地选自氢或C1-C6的烷基，优选为氢、甲基、乙基、正丙基、异丙基、正丁基、异丁基。

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