CN115353449A - 二价钐单电子还原试剂、制备方法及其应用 - Google Patents

二价钐单电子还原试剂、制备方法及其应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种二价钐单电子还原试剂、制备方法及其应用，二价钐单电子还原试剂，结构式为RCOOSmBr；二价钐单电子还原试剂的制备方法是，将等当量的羧酸搅拌下加入到等当量的烯丙基溴化钐溶液，室温反应一定时间即可获得；所制备的二价钐单电子还原试剂能作为还原剂或者还原偶联试剂可应用到于醛、酮的还原偶联反应制备邻二醇的合成反应中。

Description

二价钐单电子还原试剂、制备方法及其应用
技术领域
本发明涉及二价钐单电子还原试剂及其制备和应用。
背景技术
邻二醇类化合物，尤其是脂肪族邻二醇在医药、农药及有机合成中有重要用途，例如，邻二醇和二氧化碳反应合成的环状碳酸酯，具有高沸点、低蒸汽压、低毒的特点，在洗涤剂、锂电池电解液等多个领域得到广泛使用。2,3-二甲基-2,3-丁二醇衍生而得的联硼酸频那醇酯B2(Pin)2是常用的硼化试剂，广泛用于形成有机硼中间体在各种C-C键形成反应构建各种药物分子的骨架中发挥着重要作用(Matos,K.；Burkhardt,E.Borylation reactionwith bis(pinacolato)diboron.Speciality Chemicals Magazine.2005,25(25)40,42,44)。
以芳香族醛(酮)为原料，通过还原偶联反应合成邻二醇的方法有诸多报道，然而这些方法很多情况下不适合脂肪族醛和酮用于高效制备脂肪族的邻二醇化合物，主要是由于脂肪族醛酮的还原电位比常见的还原剂低，因而更难以被还原。目前报道的脂肪族邻二醇化合物的制备方法存在条件较为苛刻、环境不友好以及产率不理想等问题。例如，2,3-二甲基-2,3-丁二醇工业上采用由丙酮在工业苯中，氯化汞存在下加热回流发生还原偶联反应而得，苯和汞及其盐的毒性，对环境会造成较大危害。有必要发展更加绿色的脂肪族邻二醇化合物的合成方法。
二碘化钐(SmI2)可以高效促进醛和酮发生还原偶联反应，用于各种1,2-二醇的制备。然而，SmI2促进的反应常需当量甚至大过量使用。此外，1当量金属钐(Sm)在制备1当量SmI2的过程中，有2当量电子用于还原含碘试剂以转变为SmI2，Sm金属的电子未能充分被底物分子利用，不具有电子经济性。SmI2的摩尔质量较大(404g/mol)，同时在有机溶剂中仅有中等溶解度(最常用溶剂是THF，浓度达0.1M)，导致SmI2促进的反应在按比例放大制备目标化合物时，金属钐、碘或碘化物以及溶剂的用量都较大，相应地会产生大量废弃物，从而带来经济和环境方面的问题。
从电子经济性和资源可持续发展等因素考虑，开发SmI2催化的还原偶联反应实现目标分子的合成无疑是更理想的发展方向。目前，相关研究取得了可喜的起步。例如，Endo课题组报道了金属Mg为还原剂和3当量三甲基氯硅烷存在下，SmI2催化的醛酮的Pinacol偶联反应制备1,2-二醇(Nomura R,Matsuno T,Endo T.J.Am.Chem.Soc.1996,118,11666)；同样在SmI2催化和3当量三甲基氯硅烷存在下，Greeves课题组采用加入Me2SiCl2和tetraglyme分别为添加物和配体，实现了高非对映选择性地制备1,2-二醇(Aspinall,H.C.；Greeves,N.；Valla,C.Org.Lett.2005,7,1919)。值得指出的是，上述报道都使用了16当量的金属镁以保证反应效率，主要是二价钐物种在反应体系中再生相对困难。过量还原剂和添加剂的使用不仅造成了资源浪费，还增加了后处理分离提纯的困难，限制了其放大合成。
因此，开发性能优良、可控、易循环再生的新型Sm(II)试剂，利用催化策略实现Sm(II)试剂高效催化还原偶联反应在有机合成中的应用，具有良好的社会和经济效益。
发明内容
为了解决现有技术存在的问题，本发明提供了一种二价钐单电子还原试剂、制备方法及其应用，制备的新型Sm(II)试剂性能优良、可在金属镁作为终端电子给体时高效催化醛(酮)的还原偶联反应，用于邻二醇化合物的合成，具有节约稀土资源并符合环境友好和资源可持续发展趋势的特点。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案是一种结构式为RCOOSmBr，通过羧酸RCOOH与烯丙基溴化钐在四氢呋喃溶剂中反应制得。
于本发明一实施例中，羧酸根来自于通式R为CnH2n+1的直链或支链烷基羧酸，或通式R为CnH2n的环烷基或含“C＝C”不饱和基团的链状羧酸，或苯乙酸、萘乙酸及其芳环上有卤素、羟基、氨基、烷氧基、三氟甲基、烷基取代的苯乙酸、萘乙酸，或为苯甲酸和萘甲酸以及单取代和多取代的苯甲酸和萘甲酸，或来自天然存在的含羟基、氨基基团的羧酸。
二价钐单电子还原试剂，结构简式为RCOOSmBr，其中，羧酸根来自于R的通式为CnH2n+1的直链或支链烷基羧酸，或R通式为CnH2n的环烷基或含“C＝C”不饱和基团的链状羧酸，或苯乙酸、萘乙酸及其芳环上有卤素、羟基、氨基、烷氧基、三氟甲基、烷基等取代的苯乙酸、萘乙酸，或为苯甲酸和萘甲酸以及单取代和多取代的苯甲酸和萘甲酸，或相应的羧酸根来自天然存在的含羟基、氨基等基团的羧酸。其中，n为整数。
于本发明一实施例中，通过羧酸RCOOH与烯丙基溴化钐在四氢呋喃溶剂中反应制得。
于本发明一实施例中，天然存在的含羟基、氨基基团的羧酸包括乳酸、扁桃酸、柠檬酸、酒石酸、氨基酸中任一种或两种及以上的混合物。
二价钐单电子还原试剂的制备方法，包括如下步骤：将等当量的羧酸搅拌下加入到等当量的烯丙基溴化钐溶液，室温反应一定时间。
于本发明一实施例中，手套箱中，称取金属钐粉，干燥四氢呋喃，烯丙基溴，室温搅拌，得深紫色烯丙基溴化钐溶液；向该溶液中滴加羧酸或羧酸溶于四氢呋喃中的溶液；室温继续搅拌5～30分钟，得到深蓝色RCOOSmBr悬浮液。
于本发明一实施例中，滴加的羧酸溶于四氢呋喃中的溶液，羧酸的用量为金属钐摩尔量的0.7～0.95倍。
于本发明一实施例中，金属钐的用量为醛或酮摩尔用量的10～20％。
于本发明一实施例中，反应时间为5-30分钟。
二价钐单电子还原试剂作为还原剂或者还原偶联试剂的应用。
于本发明一实施例中，二价钐单电子还原试剂在从醛(酮)还原偶联制备1,2-二醇的合成反应中的应用。
于本发明一实施例中，用于合成1,2-二醇，具体方法是，向RCOOSmBr悬浮液中加入醛或酮,三甲基溴硅烷，金属镁；室温搅拌2～10小时，反应结束，向反应混合物中加入四丁基氟化铵的四氢呋喃溶液，室温搅拌一定时间后，加入饱和氯化铵，随后用乙醚萃取，无水硫酸钠干燥，减压除去溶剂，提纯后得到1,2-二醇。
本技术方案具有以下有益效果：
本发明提供的二价钐还原偶联试剂，将有机酸根结合到其结构中，不仅溶解度可以得到一定改善，其再生也变得容易。该类试剂能够在价廉易得的金属镁存在下，温和、高效地催化邻二醇化合物的制备，且可达到较高产率，具有积极的应用价值。本发明的制备方法条件易控，工艺简单，能充分利用较少量的催化剂完成合成反应，避免了稀土资源的浪费，降低了有机合成的成本。
附图说明
图1是本发明一实施例中CH3COOSmBr的紫外-可见吸收波谱图。
图2是本发明一实施例中CH3COOSmBr催化环己基甲基酮反应所得的2,3-双环己基丁烷-2,3-二醇的1H-NMR。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步描述。
实施例1
手套箱中，称取金属钐粉0.165mmol(0.025g)，干燥四氢呋喃3mL，烯丙基溴0.15mmol(13μL)，室温搅拌1小时，得深紫红烯丙基溴化钐溶液(经碘-四氢呋喃溶液滴定测得烯丙基溴化钐的生成量为0.12mmol)。向该溶液中滴加冰乙酸溶于四氢呋喃中的溶液(1mmol/mL,量取0.12mL,用量0.12mmol)。室温继续搅拌5分钟，得到深蓝色含CH3COOSmBr二价钐催化剂的悬浮液，其饱和溶液在可见光区416、543和602nm附近显示二价钐的特征吸收。向其中加入丙酮1.0mmol(0.058克),三甲基溴硅烷1.0mmol(132μL)，金属镁1.0mmol(0.024g)。室温反应8小时后将反应液取出通大气，继续搅拌至黄色。加入四丁基氟化铵的四氢呋喃溶液(1mmol/mL)1mL，室温搅拌1小时后，向反应混合液中加入饱和氯化铵3mL，随后用乙醚萃取(15mL×3)，有机层合并，用无水硫酸钠干燥，减压除去溶剂，得到粘稠液体。柱层析纯化得到2,3-二甲基-2,3-丁二醇0.0468克，产率78％，纯度98.5％。
实施例2
CH3COOSmBr二价钐催化剂的悬浮液制备同实施例1。氮气保护下，向其中加入环己酮1.0mmol(0.098克),三甲基溴硅烷1.0mmol(132μL)，金属镁1.0mmol(0.024g)。室温搅拌4小时。后处理同实施例1，但无需过柱纯化，减压除去溶剂后得到白色结晶，经石油醚洗涤得到1,1′-双环己烷-1,1′-二醇0.088克，产率88％，纯度98.3％。
实施例3
CH3COOSmBr二价钐催化剂的悬浮液制备同实施例1。氮气保护下，向其中加入正庚醛1.0mmol(0.114克)，三甲基溴硅烷1.0mmol(132μL)，金属镁1.0mmol(0.024g)。室温搅拌6小时。后处理同实施例2。得到十四烷-7,8-二醇0.1克，产率86％，d.r.＝3:1,纯度97.7％。
实施例4
CH3COOSmBr二价钐催化剂的悬浮液制备同实施例1。氮气保护下，向其中加入环己基甲基酮1.0mmol(0.126g)，三甲基溴硅烷1.0mmol(132μL)，金属镁1.0mmol(0.024g)。室温搅拌4.5小时。后处理同实施例1。得到2,3-双环己基丁烷-2,3-二醇0.1克，产率78％，d.r.＝3.8:1,纯度99.5％。
实施例5
烯丙基溴化钐的悬浮液制备同实施例1。氮气保护下，向其中加入月桂酸(0.12mmol)。室温继续搅拌15分钟，得到深蓝色含CH3(CH2)10COOSmBr二价钐催化剂的悬浮液。向其中加入环己基甲基酮1.0mmol(0.126g),三甲基溴硅烷1.0mmol(132μL)，金属镁1.0mmol(0.024g)。室温搅拌5.0小时。后处理同实施例1。得到2,3-双环己基丁烷-2,3-二醇0.11克，产率86％，d.r.＝4.2:1,纯度97.4％。
实施例6
烯丙基溴化钐的悬浮液制备同实施例1。氮气保护下，向其中加入叔戊酸(0.12mmol)。室温继续搅拌10分钟，得到深蓝色含(CH3)3CCOOSmBr二价钐催化剂的悬浮液。向其中加入环己基甲基酮1.0mmol(0.126g),三甲基溴硅烷1.0mmol(132μL)，金属镁1.0mmol(0.024g)。室温搅拌6.0小时。后处理同实施例1。得到2,3-双环己基丁烷-2,3-二醇0.108克，产率84％，d.r.＝5.1:1,纯度97.6％。
实施例7
烯丙基溴化钐的悬浮液制备同实施例1。氮气保护下，向其中加入金刚烷甲酸溶于四氢呋喃中的溶液(1mmol/mL,量取0.12mL,用量0.12mmol)。室温继续搅拌10分钟，得到深蓝色含RCOOSmBr(R＝1-金刚烷基)二价钐催化剂的悬浮液。向其中加入环己基甲基酮1.0mmol,三甲基溴硅烷1.0mmol(132μL)，金属镁1.0mmol(0.024g)。室温搅拌6.0小时。后处理同实施例1。得到2,3-双环己基丁烷-2,3-二醇0.105克，产率82％，d.r.＝7.6:1,1H NMR(400MHz,CDCl3)δ1.96–1.89(m,3H),1.79-1.63(m,9H),1.27–1.18(m,6H),1.14(s,6H)[1.13为其含量较低的异构体甲基出峰],1.12–1.03(m,4H)，纯度98.9％。
实施例8
烯丙基溴化钐的悬浮液制备同实施例1。氮气保护下，向其中滴加苯甲酸溶于四氢呋喃中的溶液(1mmol/mL,量取0.12mL,用量0.12mmol)。室温继续搅拌2分钟，得到蓝灰色含PhCOOSmBr二价钐催化剂的悬浮液。向其中加入环己基甲基酮1.0mmol,三甲基溴硅烷1.0mmol(132μL)，金属镁1.0mmol(0.024g)。室温搅拌7.0小时。后处理同实施例1。得到2,3-双环己基丁烷-2,3-二醇0.091克，产率71％，d.r.＝4.2:1,纯度97.1％。
实施例9
CH3COOSmBr二价钐催化剂的悬浮液制备同实施例1。氮气保护下，向其中加入对甲基苯甲醛1.0mmol(0.106克),三甲基溴硅烷1.0mmol(132μL)，金属镁1.0mmol(0.024g)。室温搅拌2小时。后处理同实施例1。得到1,2-二苯基乙烷-1,2-二醇0.087克，产率81％，d.r.＝2:1,纯度99.7％。
实施例10
CH3COOSmBr二价钐催化剂的悬浮液制备同实施例1。氮气保护下，向其中加入苯乙酮1.0mmol(0.12克),三甲基溴硅烷1.0mmol(132μL)，金属镁1.0mmol(0.024g)。室温搅拌4小时。粗产品用乙醇重结晶，得2,3-二苯基丁烷-2,3-二醇0.106克，产率87％，d.r.＝2.6:1,纯度98.2％。
实施例11
手套箱中，称取金属钐粉3.1mmol(0.47g)，干燥四氢呋喃60mL，烯丙基溴3mmol(260μL)，室温搅拌1小时，得深紫红烯丙基溴化钐溶液。向该溶液中滴加冰乙酸溶于四氢呋喃中的溶液(1mmol/mL,量取2.4mL,用量2.4mmol)。室温继续搅拌10分钟，得到深蓝色含CH3COOSmBr二价钐催化剂的悬浮液。向其中加入丙酮20.0mmol(1.16g),三甲基溴硅烷20.0mmol(2.8mL)，金属镁20.0mmol(0.48g)。室温反应9小时后将反应液取出手套箱，在空气氛中搅拌至黄色。向反应混合液中加入四丁基氟化铵-四氢呋喃溶液(1mmol/mL)20mL，随后用乙醚萃取(60mL×3)，有机层合并，用无水硫酸钠干燥，减压除去溶剂，得到白色结晶，石油醚洗涤，得2,3-二甲基-2,3-丁二醇1.01克，产率84％，纯度98.1.0％。
本实施例通过一定程度的放大实验，将扩大到克级以上邻二醇的制备，可以看出在该反应条件下，反应体系仍能够实现预期目标，在简单易控的反应工艺下获得较高的产率和纯度，为该合成方法在精细化工的生产应用方面提供了有效的实践验证。
上述具体实施例只是用来解释说明本发明，而非是对本发明进行限制，在本发明构思和权利要求保护范围内对本发明做出的任何不付出创造性劳动的改变和替换，皆落入本发明专利的保护范围。

Claims (10)

1.一种二价钐单电子还原试剂，其特征在于，结构式为RCOOSmBr，通过羧酸RCOOH与烯丙基溴化钐在四氢呋喃溶剂中反应制得。
2.根据权利要求1所述的二价钐单电子还原试剂，其特征在于，羧酸根来自于通式R为CnH2n+1的直链或支链烷基羧酸，或通式R为CnH2n的环烷基或含“C＝C”不饱和基团的链状羧酸，或苯乙酸、萘乙酸及其芳环上有卤素、羟基、氨基、烷氧基、三氟甲基、烷基取代的苯乙酸、萘乙酸，或为苯甲酸和萘甲酸以及单取代和多取代的苯甲酸和萘甲酸，或来自天然存在的含羟基、氨基基团的羧酸。
3.根据权利要求2所述的二价钐单电子还原试剂，其特征在于，天然存在的含羟基、氨基基团的羧酸包括乳酸、扁桃酸、柠檬酸、酒石酸、氨基酸中任一种或两种及以上的混合物。
4.权利要求1至3任一项所述的二价钐单电子还原试剂的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：将等当量的羧酸搅拌下加入到等当量的烯丙基溴化钐溶液，室温反应一定时间。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，手套箱中，称取金属钐粉，干燥四氢呋喃，烯丙基溴，室温搅拌，得深紫色烯丙基溴化钐溶液；向该溶液中滴加羧酸或羧酸溶于四氢呋喃中的溶液；室温继续搅拌，得到深蓝色RCOOSmBr悬浮液。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，滴加的羧酸溶于四氢呋喃中的溶液，羧酸的用量为金属钐摩尔量的0.7～0.95倍。
7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，金属钐的用量为醛或酮)摩尔用量的10～20％。
8.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，烯丙基溴化钐与羧酸的反应时间为5～30分钟。
9.权利要求1至3任一项所述的二价钐单电子还原试剂在从醛(酮)还原偶联制备1,2-二醇的合成反应中的应用。
10.根据权利要求9所述的应用，其特征在于，具体方法是，向RCOOSmBr悬浮液中加入醛或酮,三甲基溴硅烷，金属镁，室温搅拌4～24小时，反应结束，向反应混合物中加入四丁基氟化铵的四氢呋喃溶液，室温搅拌一定时间后，加入饱和氯化铵，随后用乙醚萃取，无水硫酸钠干燥，减压除去溶剂，提纯后得到1,2-二醇。
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