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廢棄螃蟹殼粉負載 CuI 、綠色合成炔丙胺類化合物

更新時間:2015-09-12      點擊次數:2660

    摘要: 以端基炔、二氯甲烷以及有機胺為原料, 以廢棄螃蟹殼粉負載 CuI 制備的 CSPs-CuI 為催化劑, 、綠色合成炔丙胺類化合物. 以螃蟹殼粉為載體負載 CuI 不僅解決環境污染、資源浪費等問題, 也實現了炔丙胺類化合物、綠色合成. 催化劑通過傅里葉變換紅外光譜(FT-IR)、X 射線衍射分析(XRD)、熱重分析法(TG)以及原子吸收光譜法(AAS)等進行表征分析. 通過考察催化劑載體種類、堿等因素對反應的影響, 獲得*的反應條件, 制得一系列炔丙胺類化合物. 研究結果表明, CSPs-CuI 可以通過過濾、 洗滌等簡單操作即可進行回收再利用, 可重復使用 4 次產率沒有明顯降低.

    Abstract: A series of propargylic amines were synthesized from terminal alkynes, dichloromethane and organic amines by using waste crab shell powders supported-CuI (CSPs-CuI) as catalyst. Using waste crab shell powders as catalyst support, not only resolve the problem of environment pollution and resources waste, but also produce propargylic amines through a highly efficient and green method. CSPs-CuI was characterized by Fourier transform infrared spectroscopy (FT-IR), X-ray diffraction(XRD), thermogravimetric analysis (TG) and atomic absorption spectroscopy (AAS). The reaction conditions were optimized by the investigation of catalyst support and base types. The propargyllic amines were obtained readily in intermediate to excellent yields under the optimal reaction condition. CSPs-CuI showed good reusability and could be recovered easily through filtration and washing. It was reused at least 4 times without obvious loss of catalytic performance.

    炔丙胺類化合物是一類非常重要有機合成中間體,它們是許多重要含氮類藥物中間體骨架. 因此, 炔丙胺類化合物的合成受到來自藥物合成、有機化學領域中學者的高度重視. 到目前為止, 相關科研人員已經報道采用多種方法制備該類化合物. 例如, 傳統的合成炔丙胺類化合物的方法當屬采用乙炔鋰或炔丙基衍生物和金屬炔基試劑、格氏試劑與胺類有機物合成炔丙胺類化合物 . 但該方法需在無水、無氧等苛刻條件下進行, 操作繁瑣、危險性高, 該方法適合實驗室小規模制備, 但對于放大生產有著大的難度與高的生產成本, 因此逐漸被工業界摒棄.

    近年來, 又有多個課題組對其合成方法進行了改進與優化. 其中比較典型的如采用芳基疊氮化合物、醛與炔為初始原料, 或采用醛/酮、炔類衍生物與胺類化合物為原料制備炔丙胺類化合物 .這些方法的優點是原子經濟性好, 反應條件溫和, 但該反應需要用到芳基疊氮或醛/酮類有機原料, 導致制備炔丙胺的成本較高. 另外, 大多數制備炔丙胺的反應都在均相條件下使用金屬催化劑, 如含 Au , Ag ,Co , In , Ni 等金屬催化劑, 這就導致了金屬催化劑的回收困難且流失嚴重, 從而導致反應成本升高以及污染環境等問題. 另外, 在該類反應中部分使用有機溶劑,特別是有毒的有機溶劑如 CH 3 CN 等, 從而導致反應過程不綠色以及處理麻煩等缺點.

研究表明, 采用負載型 Cu 催化劑可有效解決以上均相金屬催化體系的部分缺陷. 一方面, 異相銅催化體系具有操作簡便、價格低廉、反應條件溫和且能重復利用等優點. 另外, 這類異相催化體系可明顯降低炔丙胺產品中重金屬污染問題. 目前, 成功利用固體材料作載體催化合成炔丙胺的反應已有系列報道, 如 CeO 2、 磁性納米粒子、SiO 2 、Al 2 O 3等. 但這些催化劑載體或制備步驟較繁瑣、成本較高, 或很難進行生物降解而導致環境污染.

    殼聚糖作為自然界廣泛分布的生物質載體具有豐富的 NH 2 , OH, 能更好地使金屬負載在上面, 因此殼聚糖已成為一個被廣泛應用的異相催化劑的綠色載體材料 . 例如, Qiu 等報道了以殼聚糖為載體負載硝酸鋅催化合成炔丙胺類化合物. 然而, 在殼聚糖的制備過程中, 首先需要以甲殼素為原料進行脫乙酰化反應,整個過程要使用大量的強酸、強堿, 一方面明顯污染環境, 另一方面, 會嚴重腐蝕生產設備, 從而導致殼聚糖載體的使用成本較高且對環境污染嚴重. 近年來, 利用自然界廢棄物作為催化劑載體得到廣泛關注 . 因此, 從綠色與可持續化學的角度, 本論文提出采用自然界廣泛存在的天然廢棄物螃蟹殼粉來替代殼聚糖等載體, 通過螃蟹殼粉表面天然存在的有機質負載 CuI 制備出可回收異相催化劑 CSPs-CuI 來催化合成炔丙胺類化合物. 由于螃蟹殼是一種天然的多孔材料, 含有豐富的有機質, 來源廣泛, 價格低廉, 不僅可以、 綠色合成實現炔丙胺類化合物, 而且可以很好的解決環境污染以及資源浪費等問題.

一、實驗部分

1. 儀器與試劑

    FT-IR采用島津公司生產的FT-IR-84型紅外光譜儀;XRD 采用 Bruker D8 Advance X 射線衍射儀測定; TGA用 Shimadzu DTG-60H 測定, 氮氣保護下, 升溫速率為10 ℃/min; AAS 采用 Varian AA275 原子吸收光譜儀測定, 以銅標準溶液為標樣, 測定吸光度;1 H NMR 采用Bruker-500 MHz NMR 儀測定(CDCl 3 為溶劑, TMS 為內標).

    CuI 為分析純, 上海晶純試劑有限公司, 使用前經醋酸溶解洗去雜質, 再洗滌, 真空干燥.

2. 催化劑的制備

    收集適量的螃蟹殼, 去除殘留的蟹肉, 置于清水洗凈. 用去離子水浸泡 2 h, 在超聲震蕩器中常溫超聲 1 h,倒掉上層液體, 同上操作 3 遍, 直至螃蟹殼洗滌干凈,之后過濾、干燥. 將上述干燥的螃蟹殼置于研缽中進行進一步粉碎, 過 100 目篩子得到螃蟹殼粉末(Crab shell powders 簡稱 CSPs).

    稱取一定量的上述 CSPs (5. 0 g)于兩口燒瓶中, 加入二次水(30.0 mL). 在氮氣氛圍下, 加入 CuI (0. 5g),在室溫條件下攪拌 24 h, 體系變為淡藍色, 然后停止反應, 過濾, 乙醇洗滌數遍, 得到淡藍色負載型催化劑CSPs-CuI, 在 50 ℃真空箱干燥備用. 同樣方法制備TiO 2 , C 作載體的異相催化劑 TiO 2 -CuI 和 C-CuI.

3. 炔丙胺類化合物的合成

    以端基炔、二氯甲烷和有機胺的三組分偶聯反應為原料, 在氮氣氛圍保護下依次加入端基炔(2.0 mmol)、 有機胺(2.4 mmol)以及二氯甲烷(2.0 mL), 再加入堿 DBU(2.4 mmol), zui后加入催化劑 CSPs-CuI (5.0 mol%), 將其放入 60 ℃的油浴中反應 24 h, 反應結束后冷卻、過濾、分液, 所得萃取液經減壓蒸餾的濃縮粗產物, 粗產品用硅膠色譜柱[V(乙酸乙酯):V(石油醚)=1:5]分離提純得到純品.

二、結果與討論

1.1 催化劑中銅含量測定

    催化劑中銅負載量可通過原子吸收光譜(AAS)測定. 操作步驟如下:稱取適量的催化劑于10 mL試管中,用體積比為 1:3 的濃鹽酸/濃硝酸配成的混合液消解, 直至溶液變得澄清. 按此方法稱量三份不同質量的催化劑配制三種不同濃度的樣液, 進行測量, 所得結果取平均值得.通過測試得出催化劑 CSPs-CuI 中銅含量為6.19 wt%. 用同樣方法測試TiO 2 -CuI, C-CuI中銅含量分別為4.25wt%,3.40 wt%. 以上結果表明, 在相同的負載條件下, 三種不同載體所負載 CuI 的量相差明顯, 其中螃蟹殼粉負載量zui多, 推測其原因可能是蟹殼中含有許多細小的微孔以及其表面所帶有機物的作用所致.

1.2 催化劑的紅外光譜分析

    采用 FT-IR 對 CSPs 及 CSPs-CuI 進行表征, 如圖 1所示. 在 CSPs 的紅外光譜圖中 3440 cm- 1 為 CSPs 表面 OH 以及表面吸附的自由水的伸縮振動峰, 1417, 873以及 715 cm- 1 出現中強峰為 CSPs 中 CaCO3 特征吸收峰, 可以歸屬為CaCO 3中CO 3 2- 的反對稱伸縮振動等吸收峰. 與 CSPs 相比, 負載金屬鹽后的異相催化劑CSPs-CuI紅外譜圖中, CSPs表面OH的峰往低波數方向移動至 3437 cm- 1 , CO 3 2- 的特征峰也分別移至 1419, 858cm- 1 , 但波數變化的程度都較小, 可能是 CuI 在 CSPs中分散非常均勻的原因導致.

1.3 催化劑的熱重分析

    利用熱失重分析對比CSPs和CSPs-CuI的熱失重行為(圖 2), 可以發現: 樣品在 100 ℃以下的失重可以歸屬為表面吸附水的脫附, 650 ℃以上的失重則歸屬于CaCO 3 的熱分解生成CaO和CO 2 . 可以非常明顯地觀察到 CSPs 樣品在 350 ℃附近出現較快的失重行為, 推測CSPs 上有機生物質在該溫度附近分解得多, 整個在100~600 ℃區間范圍的失重量為 30.6 wt%, 這是由于CSPs 中的有機成分蛋白質和甲殼素的分解造成的. 對比 a 和 b 的失重行為, 可以發現 CSPs 在負載上 CuI 后在 350 ℃附近失重較之前平緩很多, 熱穩定性更好, 推測原因是 CuI 依附在CSPs 的有機分子上, 在一定程度上緩解了有機物的分解. 但負載后的 CSPs-CuI 在450 ℃附近出現明顯的失重行為, 可能是依附有 CuI 的有機物遭到破壞導致 CSPs 失重加速, 使其更加不穩定.由于 CSPs-CuI 在 250 ℃以內除了失去吸附水外, 沒有發生明顯的失重行為, 因此該催化劑在 250 ℃范圍內仍然具有較好的熱穩定性, 可以滿足所研究的反應的催化劑所需的使用溫度.

1.4 催化劑的 X 射線粉末衍射光譜分析

    從 X 射線粉末衍射(XRD)譜圖(圖 3)中可看出(a)CSPs在2θ=23.1°, 29.5°, 36.1°, 39.6°, 43.3°, 47.8°, 48.8°.CaCO 3 的標準譜圖中 CaCO 3 的主要的衍射峰出現 2θ=23.3°, 29.7°, 36.3°, 39.7°, 43.5°, 47.8°和 48.8°, 對應的晶面指數(h k l)分別為(012), (104), (110), (113), (202), (024)和(116) (JCPDS card number: 72-1652). 因此, 可以斷定CSPs 的主要成分為 CaCO 3 , 而其中的有機成分對 CSPs的晶型結構影響較小, 基本保持了主要成分 CaCO 3 原先的晶型結構. 通過進一步對比 a, b 兩曲線后發現, b 曲線出現新的衍射峰: 2θ=25.5°, 42.2°, 50.0°, 52.4°, 61.2°,67.3°, 69.6°, 77.1°. 通過對比發現與純 CuI 的衍射峰 c基本一致, 而其他衍射峰相較 a 幾乎沒有變化, 由此表明負載的 CuI 對 CSPs 的晶型沒有變化, 因此可進一步證明 CSPs 是良好的載體.

2 催化劑催化性能的研究

2.1 反應條件優化

    在采用“一鍋法”反應策略時, 反應條件對產率的影響較大. 因此, 先對*反應條件進行探討(表 1). 本實驗以苯乙炔、二氯甲烷和二乙胺的三組分偶聯反應為模型反應, 研究不同堿以及不同載體對產率的影響. 首先, 以CSPs-CuI為催化劑, 60 ℃下反應24 h, 討論不同堿的作用. 不加任何堿時, 產率僅為 40%, 可能是產生的 HCl 使反應體系中的原料有機胺成鹽從而導致其失活引起的. 而后加入 Na 2CO 3 對其產物提升不是很明顯,可能是因其堿性不夠造成的. 而加入 NaHCO 3 后, 產率進一步降低, 可能是因為 NaHCO 3 的堿性更弱的緣故.通過加入K2CO3 , Cs 2 CO 3 增強反應體系的堿性, 其產率提升較為明顯, 但 Cs 2CO 3 較 K 2CO 3 提升不是很明顯,證明無機堿對該反應產率的提升作用是有限的. 因此,又嘗試加入有機堿 DBU, 結果表明, 當使用 DBU 作為堿, 該反應產率可以明顯提高至 95%. 在沒有 CSPs-CuI催化劑條件下, 當只用 DBU 作堿, 該三組分偶聯反應幾乎不反應. 對于其他載體負載的異相催化劑, 如TiO 2 -CuI, C-CuI 等, 均能夠取得好的催化效果, 但就產率而言, 它們比 CSPs-CuI 稍微差些. 當用 DBU 作堿以CuI 為催化劑, 在同樣條件進行反應, 產率也可以達到95%, 但由于 CuI 存在難回收、易被氧化等缺點, 基于成本以及操作等考慮, 采用負載型 CSPs-CuI 異相催化劑為的選擇.

2.2 CSPs-CuI 催化合成炔丙胺類化合物

    為了驗證所得催化劑性以及普適性, 在上述優化所得*反應條件下, 通過“一鍋法”的策略, 采用不同活性的端基炔與胺進行三組分偶聯反應合成一系列炔丙胺類化合物, 實驗結果見表 2 所示. 由實驗結果可以看出, 催化劑 CSPs-CuI 可催化多數炔丙胺類化合物的合成. 但是芳香端炔和烷基端炔的反應活性不同, 芳烴端炔的活性總體要比烷基炔的活性高(Entries 1~10). 不同仲胺對反應活性影響也較大,環狀二級胺尤其是帶有雜原子的環狀二級胺對炔丙胺類化合物合成的活性較低(Entry 6), 而伯胺對該三組分偶聯反應無活性(Entries 12,13).

2.3 催化劑循環使用性能研究

    由于異相催化劑的可重復使用次數是一個重要的指標, 因此在使用可回收類異相催化劑的時候, 需要對其進行循環使用次數與產率的研究. 一般而言, 異相催化劑可重復使用的次數與催化效率與載體的種類與結構有著重要的關系. 因此, 在隨后的深入研究中, 系統考察了采用不同載體負載 CuI 催化劑, 如 CSPs-CuI,TiO 2 -CuI和C-CuI的循環使用次數以及相對應的產率差異, 具體如下圖 4 所示. 反應結束后, 用乙酸乙酯(8.0 mL×3)萃取, 反應體系中催化劑再經過濾, 洗滌, 干燥再回收使用. 由圖 4 可得出, 不同載體在使用*次時對反應的影響不是很大, 但在循環四次后, TiO 2 -CuI 和C-CuI的催化活性明顯降低, 而CSPs-CuI的催化活性降低不明顯.

    在催化劑循環反應四次后, 分別對以上三種不同負載型催化劑進行AAS測試. 結果表明, 循環使用四次后CSPs-CuI, C-CuI 以及 TiO 2-CuI中銅的剩余量分別為71.4%, 52.1%以及 67.7%. 可以看出, 當上述催化劑在循環四次后, 銅的流失量還是比較明顯的, 尤其是C-CuI 中銅的損失接近一半. 這進一步說明, 由于螃蟹殼粉表面的有機分子對CuI的負載與穩定起到關鍵的作用. 對于 CSPs-CuI, 在循環第五次時, 催化的體系活性明顯下降, 產率下降約 10%左右. 因此, 綜合成本、收益以及原料節約來看, 建議該催化劑循環四次即可.

三、結 論

    合成了以廢棄物螃蟹殼粉作為CuI催化劑載體材料, 一方面解決了國內螃蟹殼的任意丟棄造成的環境污染問題, 另一方面采用廉價易得、可生物降解的綠色材料螃蟹殼粉作為催化劑載體, 解決了異相催化劑載體制備成本的問題. 該催化劑的制備簡單, 成本低, 循環四次無明顯失活現象, 制備與使用過程不會造成環境污染等問題, 既環保又經濟, 因此成功探索出一個簡單的合成炔丙胺類化合物的方法. 該方法具有催化劑廉價易得, 反應條件溫和, 產率優良, 后處理簡單方便等優點.

 

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