本發(fā)明公開了一種用于磺酸功能化的金屬有機(jī)骨架材料催化含芐位c-h的化合物與親核試劑的交叉脫氫偶聯(lián)反應(yīng)，屬于有機(jī)合成領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
：氧雜蒽、吖啶、四氫異喹啉等結(jié)構(gòu)單元廣泛存在于天然產(chǎn)物和藥物分子中，對于其衍生物的合成具有重要意義。交叉脫氫偶聯(lián)(cdc)是一種構(gòu)筑化學(xué)鍵的經(jīng)濟(jì)、高效的方法。采用氧氣作為氧化劑來實(shí)現(xiàn)廣泛存在于自然界中的c-h鍵的氧化偶聯(lián)反應(yīng)，其副產(chǎn)廢料僅為水，且避免了對反應(yīng)底物的預(yù)官能團(tuán)化步驟，具有較高的反應(yīng)原子經(jīng)濟(jì)性，且對環(huán)境友好。催化劑在該反應(yīng)當(dāng)中是必須的，多為貴金屬催化劑。klussmann等報(bào)道了采用有機(jī)分子甲磺酸為催化劑，氧氣為氧化劑，實(shí)現(xiàn)了非金屬催化的csp3-csp3氧化交叉偶聯(lián)反應(yīng)(angew.chem.int.ed.2010,49,5004-5007；adv.syn.catal.2012,354,701-711；angew.chem.int.ed.2013,52,13228-13232.)。由于貴金屬催化劑價(jià)格昂貴，甲磺酸等強(qiáng)酸對設(shè)備腐蝕嚴(yán)重，且上述催化劑均不能循環(huán)利用，成本高、環(huán)境污染嚴(yán)重。鑒于此，開發(fā)一種制備簡便、催化活性高、可循環(huán)利用的非均相催化劑是實(shí)現(xiàn)cdc反應(yīng)工業(yè)化應(yīng)用的有效途徑。金屬有機(jī)骨架材料(mofs)具有較高的比表面積、穩(wěn)定性好，同時(shí)具有貫通的孔道結(jié)構(gòu)，因而在催化領(lǐng)域中有廣泛的用途。磺酸功能化的mofs材料，磺酸基團(tuán)高度分散于孔道當(dāng)中，有利于與反應(yīng)底物充分接觸，暴露的活性位點(diǎn)數(shù)眾多，催化活性高。同時(shí)，磺酸mofs不溶于反應(yīng)體系，具有非均相催化特性，能夠?qū)崿F(xiàn)催化劑的循環(huán)利用。近年來，mofs作為催化劑被廣泛研究，然而尚未見以氧氣為氧化劑，磺酸功能化mofs催化c-h鍵活化構(gòu)筑氧化偶聯(lián)反應(yīng)產(chǎn)物的研究報(bào)道。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：基于現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明提供一種以氧氣為氧化劑，磺酸mofs催化含芐位c-h的化合物與親核試劑的分子間cdc反應(yīng)，構(gòu)建c-c鍵的方法。本發(fā)明所要解決的一個技術(shù)問題在于提供一種高效的磺酸功能化的金屬有機(jī)骨架材料用于催化cdc反應(yīng)。反應(yīng)催化劑制備簡便、副廢料僅為水、催化劑用量少，并以高收率和高選擇性得到目標(biāo)產(chǎn)物。一種交叉脫氫偶聯(lián)反應(yīng)制備c-c偶聯(lián)產(chǎn)物的方法，包括：以含芐位c-h的化合物與親核試劑為底物、磺酸功能化的金屬有機(jī)骨架材料為催化劑、以氧氣為氧化劑進(jìn)行交叉脫氫偶聯(lián)反應(yīng)，制備得到c-c偶聯(lián)產(chǎn)物。進(jìn)一步地，交叉脫氫偶聯(lián)反應(yīng)步驟包括：(1)將所述含芐位c-h的化合物、親核試劑和磺酸功能化的金屬有機(jī)骨架材料按配比加入反應(yīng)管中；(2)氧氣流吹掃反應(yīng)瓶除空氣后，密封反應(yīng)管，充氧氣，室溫～60℃下攪拌反應(yīng)24～48h；(3)離心分離固體催化劑，固體催化劑用溶劑洗滌數(shù)遍，合并溶液減壓蒸去溶劑，濃縮物用柱層析分離得到c-c偶聯(lián)產(chǎn)物。催化反應(yīng)過程如下所示：本發(fā)明以反應(yīng)式(1)中結(jié)構(gòu)式1所示的化合物(含芐位c-h的化合物)為反應(yīng)底物，以磺酸mofs為催化劑，與不同的親核試劑反應(yīng)，合成如結(jié)構(gòu)式3所示的產(chǎn)物(c-c偶聯(lián)產(chǎn)物)。進(jìn)一步地，含芐位c-h的化合物從如下種類中選擇一種：nu-h為親核試劑，所述親核試劑為環(huán)狀酮、鏈狀酮、吲哚、苯甲醚、β-二酮、β-酮酸酯、丙二酸二烷基酯、取代苯乙酮、脂肪或芳香醛、硝基烷烴中的一種，但不僅僅局限于上述基團(tuán)。其結(jié)構(gòu)式如下：親核試劑nu-h若為固體，反應(yīng)加入有機(jī)溶劑溶解反應(yīng)物。所述有機(jī)溶劑為乙酸乙酯、二氯甲烷、丙酮、甲苯、正己烷，所述溶劑用量為0.02-0.5ml/0.2mmol含芐位c-h的化合物。優(yōu)選地，所述溶劑用量為0.2ml/0.2mmol含芐位c-h的化合物。進(jìn)一步優(yōu)選地，所述含芐位c-h的化合物為氧雜蒽，結(jié)構(gòu)式如下：親核試劑為從如下結(jié)構(gòu)式中選擇：上述優(yōu)選原料組合下，產(chǎn)物的收率均在75％以上磺酸功能化的金屬有機(jī)骨架材料so3h-mof本身為現(xiàn)有技術(shù)，其制備方法也可參照現(xiàn)有方法制備，例如，優(yōu)選可采用磺酸功能化的金屬有機(jī)骨架材料so3h-mof由金屬鹽或金屬氧化物與磺酸功能化的配體直接反應(yīng)制備，或金屬鹽與配體先合成mofs再通過后修飾法引入磺酸基團(tuán)。進(jìn)一步地，當(dāng)采用直接法制備磺酸功能化mofs時(shí)，所述的金屬鹽或金屬氧化物為cr(no3)3·9h2o，zrcl4，hfcl4或cr3o中的一種，但不僅限于上述金屬；所述的磺酸功能化的有機(jī)配體為2-磺酸基對苯二甲酸單鈉鹽，或2-磺酸基對苯二甲酸單鈉鹽與對苯二甲酸配比為1:4～4:1的混合物。采用直接法制備磺酸功能化mofs時(shí)還需加入溶劑和無機(jī)酸；所述溶劑為水或n,n-二甲基甲酰胺，或二者的混合物；所述無機(jī)酸為鹽酸、氫氟酸、乙酸。當(dāng)采用后修飾法制備磺酸功能化的mofs時(shí)，所述的后修飾法為先通過金屬鹽與氨基或巰基功能化的配體反應(yīng)，合成氨基(nh2-mof)或巰基(sh-mof)功能化的mofs，再對氨基或巰基進(jìn)行修飾得到so3h-mof；或金屬鹽與對苯二甲酸先合成mofs，再對mofs中的配體進(jìn)行磺化合成so3h-mof。采用后修飾法制備磺酸功能化的mofs時(shí)，所述的金屬鹽為cr(no3)3·9h2o，zrcl4，al(no3)3·9h2o，zn(no3)2·4h2o，cu(no3)3·3h2o；氨基或巰基功能化的配體結(jié)構(gòu)式為：通過對氨基功能化的mofs進(jìn)行修飾得到磺酸功能化的mofs，反應(yīng)式如下：通過對巰基功能化的mofs進(jìn)行修飾得到磺酸功能化的mofs，反應(yīng)式如下：通過合成mofs后再對mofs中的配體進(jìn)行磺化合成磺酸功能化的mofs的方法，其特征在于，所述的對mofs的配體進(jìn)行磺化，反應(yīng)式如下：最優(yōu)選地，所述含芐位c-h的化合物為氧雜蒽；所述親核試劑為環(huán)己酮；所述催化劑為mil-101(cr)-so3h。優(yōu)選地，含芐位c-h的化合物與親核試劑之間的摩爾比為1：4～6。進(jìn)一步優(yōu)選為1:5。優(yōu)選地，催化劑的用量為含芐位c-h的化合物1-15mol％；進(jìn)一步優(yōu)選地，為含芐位c-h的化合物2～7mol％；最優(yōu)選為含芐位c-h的化合物5mol％。本發(fā)明所述的氧化劑為氧氣，采用1bar氧氣球。當(dāng)常壓下反應(yīng)難進(jìn)行時(shí)，提高氧氣分壓至1-10bar。優(yōu)選地，交叉脫氫偶聯(lián)反應(yīng)的反應(yīng)溫度為室溫～60℃，反應(yīng)時(shí)間為24～48h。進(jìn)一步地，交叉脫氫偶聯(lián)反應(yīng)的反應(yīng)溫度為30～50℃，反應(yīng)時(shí)間為24～30h。最優(yōu)選地，交叉脫氫偶聯(lián)反應(yīng)的反應(yīng)溫度為40℃，反應(yīng)時(shí)間為24h。進(jìn)一步優(yōu)選地，交叉脫氫偶聯(lián)反應(yīng)制備c-c偶聯(lián)產(chǎn)物的方法包括如下步驟：1)按含芐位c-h的化合物(1equiv)，親核試劑(5equiv)，磺酸mofs(1mol％-15mol％)的用量加入反應(yīng)管中；2)氧氣流吹掃反應(yīng)瓶除空氣后，密封反應(yīng)管，充氧氣，室溫～60℃下攪拌反應(yīng)24～48h；3)離心分離固體催化劑，固體用溶劑洗滌3遍，合并溶液減壓蒸去溶劑，濃縮物用柱層析分離得到c-c偶聯(lián)產(chǎn)物。固體催化劑活化后即可循環(huán)使用。本發(fā)明方法制備得到的產(chǎn)物包括(±)-9-(1’-氧代-2’-環(huán)戊基)氧雜蒽、(±)-9-(1’-氧代-2’-環(huán)己基)氧雜蒽、(±)-9-(1’-氧代-2’-環(huán)庚基)氧雜蒽、(±)-9-(1’-氧代-2’-環(huán)辛基)氧雜蒽、9-(2’-氧代-1’-丙基)氧雜蒽、9-(2’-氧代-3’-丁基)氧雜蒽、9-(2’-氧代-3’-戊基)氧雜蒽、9-(3’-氧代-2’-戊基)氧雜蒽、9-(2’-苯基-2’-氧代乙基)氧雜蒽、9-(1’-甲基-2’-苯基-2’-氧代乙基)氧雜蒽、1-(1-萘基)-2-(9h-9-氧雜蒽基)乙酮、1-(9-蒽基)-2-(9h-9-氧雜蒽基)乙酮、2-(9h-9-氧雜蒽基)-2,3-二氫-1h-茚酮、(±)-9-(1’-乙氧羰基-2’-氧代-1’-丙基)氧雜蒽、(±)-9-(1’-甲氧羰基-2’-氧代-1’-丙基)氧雜蒽、3-氧代3-苯基-2-(9h-9-氧雜蒽基)丙酸乙酯、2-(9h-9-氧雜蒽基)丙二酸二甲酯、2-(9h-9-氧雜蒽基)丙二酸二乙酯、2-(9h-9-氧雜蒽基)丙二酸二異丙酯等，含芐位c-h鍵的化合物也可以是噻噸衍生物、異色滿衍生物、9,10-二氫蒽衍生物、9,10-二氫吖啶衍生物、四氫異喹啉衍生物，親核試劑同氧雜蒽偶聯(lián)產(chǎn)物。部分結(jié)構(gòu)式如下：本發(fā)明以(±)-9-(1’-氧代-2’-環(huán)戊基)氧雜蒽為例，對催化劑磺酸mofs：mil-101(cr)-so3h進(jìn)行了回收和循環(huán)利用性能測試，循環(huán)使用6次仍能保持85％-89％的收率。本發(fā)明合成c-c偶聯(lián)產(chǎn)物的方法的創(chuàng)新點(diǎn)有：(1)反應(yīng)廢料為水，反應(yīng)原子經(jīng)濟(jì)性高，操作簡便，反應(yīng)條件溫和；(2)反應(yīng)底物適用范圍廣；(3)采用的磺酸mofs催化活性高、選擇性好；(4)反應(yīng)后磺酸功能化的mofs可以實(shí)現(xiàn)循環(huán)利用，且循環(huán)使用6次后催化活性無明顯下降。附圖說明附圖用來提供對本發(fā)明的進(jìn)一步理解，并且構(gòu)成說明書的一部分，與本發(fā)明的實(shí)施例一起用于解釋本發(fā)明，并不構(gòu)成對本發(fā)明的限制。在附圖中：圖1為本發(fā)明金屬有機(jī)骨架材料的x射線衍射圖譜；圖2為本發(fā)明金屬有機(jī)骨架材料重復(fù)使用時(shí)的催化效果；圖3為本發(fā)明金屬有機(jī)骨架材料重復(fù)使用后的x射線衍射圖譜。具體實(shí)施方式下面結(jié)合技術(shù)方案對本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明，但本發(fā)明不限于這些實(shí)施例。實(shí)施例1反應(yīng)條件的優(yōu)化：以mil-101(cr)-so3h催化氧雜蒽和環(huán)戊酮的偶聯(lián)反應(yīng)為模型反應(yīng)，對反應(yīng)條件進(jìn)行優(yōu)化。反應(yīng)步驟如下：在反應(yīng)管中依次加入氧雜蒽(1equiv)，不同量的mil-101(cr)-so3h(1mol％-15mol％)，環(huán)戊酮(5equiv)。氧氣流吹掃反應(yīng)瓶除空氣后，密封反應(yīng)管，插氧氣球，在40℃下攪拌反應(yīng)24h。反應(yīng)后離心分離固體催化劑，固體用溶劑洗滌3遍，合并溶液減壓蒸去溶劑，濃縮物用柱層析分離(石油醚/乙酸乙酯作洗脫液)得到c-c偶聯(lián)產(chǎn)物3。氧雜蒽1與酮2的脫氫交叉偶聯(lián)反應(yīng)得到c-c偶聯(lián)產(chǎn)物的反應(yīng)式如下：不同條件下產(chǎn)品(±)-9-(1’-氧代-2’-環(huán)戊基)氧雜蒽的收率見表1：表1：催化劑量(mol％)012571015產(chǎn)率(％)0738189908887由表1可見，mil-101(cr)-so3h能顯著加速反應(yīng)，催化劑量為5mol％時(shí)收率高，再繼續(xù)增大催化劑用量，收率不再增加，因此本發(fā)明選擇5mol％催化劑用量為最佳反應(yīng)條件。將上述離心出的催化劑用溶劑洗滌，干燥后重新用于催化上述反應(yīng)。圖2是mil-101(cr)-so3h重復(fù)使用時(shí)的催化效果，可以看出，催化劑重復(fù)使用對催化效果的影響不大，偶聯(lián)反應(yīng)產(chǎn)物的收率均能保持85％以上，說明mil-101(cr)-so3h具有良好的催化穩(wěn)定性。圖3是重復(fù)使用6次后mil-101(cr)-so3h的x射線衍射圖譜，可以看出，mil-101(cr)-so3h重復(fù)使用過程中，具有良好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。實(shí)施例2一種mofs催化氧雜蒽與酮的cdc反應(yīng)的方法，其具體步驟如下：在反應(yīng)管中加入氧雜蒽(0.2mmol)，mil-101(cr)-so3h(5mol％)，環(huán)己酮(5equiv)。氧氣流吹掃反應(yīng)瓶除空氣后，密封反應(yīng)管，插氧氣球，在40℃下攪拌反應(yīng)24h。反應(yīng)后離心分離固體催化劑，固體用溶劑洗滌3遍，合并溶液減壓蒸去溶劑，濃縮物用柱層析分離(石油醚/乙酸乙酯作洗脫液)得到c-c偶聯(lián)產(chǎn)物(±)-9-(1’-氧代-2’-環(huán)己基)氧雜蒽，收率為91％。實(shí)施例3-11一種mofs催化氧雜蒽與親核試劑cdc反應(yīng)的方法，其具體步驟同實(shí)施例2，其不同部分為采用不同的親核試劑，獲得不同偶聯(lián)產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)和收率如表2所示。反應(yīng)通式如下：表2氧雜蒽與不同親核試劑偶聯(lián)產(chǎn)物結(jié)構(gòu)及收率實(shí)施例12-14一種mofs催化氧雜蒽與酮cdc反應(yīng)的方法，其具體步驟如下：在反應(yīng)管中加入氧雜蒽(1equiv)，mil-101(cr)-so3h(5mol％)，酮(5equiv)，乙酸乙酯(0.2ml)。氧氣流吹掃反應(yīng)瓶除空氣后，密封反應(yīng)管，插氧氣球，在40℃下攪拌回流反應(yīng)24h。反應(yīng)后離心分離固體催化劑，固體用溶劑洗滌3遍，合并溶液減壓蒸去溶劑，濃縮物用柱層析分離(石油醚/乙酸乙酯作洗脫液)得到c-c偶聯(lián)產(chǎn)物，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及收率如表3所示。表3氧雜蒽與不同酮底物偶聯(lián)產(chǎn)物結(jié)構(gòu)及收率實(shí)施例15-16一種mofs催化氧雜蒽與丙二酸酯cdc反應(yīng)的方法，其具體步驟如下：在三口圓底燒瓶中加入氧雜蒽(1equiv)，mil-101(cr)-so3h(5mol％)，丙二酸二烷基酯(5equiv)。40℃下持續(xù)通氧氣攪拌回流，反應(yīng)2天后，離心分離固體催化劑，固體用溶劑洗滌3遍，合并溶液減壓蒸去溶劑，濃縮物用柱層析分離(石油醚/乙酸乙酯作洗脫液)得到c-c偶聯(lián)產(chǎn)物，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及收率如表4所示。表4氧雜蒽與不同丙二酸二烷基酯底物偶聯(lián)產(chǎn)物結(jié)構(gòu)及收率實(shí)施例17一種mofs催化氧雜蒽與5-硝基吲哚的cdc反應(yīng)的方法，其具體步驟如下：在反應(yīng)管中加入氧雜蒽(0.5mmol)，mil-101(cr)-so3h(5mol％)，2-硝基吲哚(5equiv)，丙酮(1ml)。氧氣流吹掃反應(yīng)瓶和蛇形冷凝管除空氣后，密封反應(yīng)管，插氧氣球，在40℃下攪拌反應(yīng)24h。反應(yīng)后離心分離固體催化劑，固體用溶劑洗滌3遍，合并溶液減壓蒸去溶劑，濃縮物用柱層析分離(石油醚/乙酸乙酯作洗脫液)得到c-c偶聯(lián)產(chǎn)物5-硝基-3-(9h-氧雜蒽基)-1h-吲哚，收率為56％。以上所述僅為本發(fā)明專利的具體實(shí)施案例，但本發(fā)明專利的技術(shù)特征并不局限于此，任何相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明的領(lǐng)域內(nèi)，所作的變化或修飾皆涵蓋在本發(fā)明的專利范圍之中。當(dāng)前第1頁12