CN112321628B

CN112321628B - β-二甲基苯基硅取代有机腈类化合物的制备方法

Info

Publication number: CN112321628B
Application number: CN202011357079.5A
Authority: CN
Inventors: 朱磊; 周丽洁; 韩彪; 张瑶瑶; 李博解; 汪连生
Original assignee: Hubei Engineering University
Current assignee: Hubei Engineering University
Priority date: 2020-11-27
Filing date: 2020-11-27
Publication date: 2023-04-28
Anticipated expiration: 2040-11-27
Also published as: CN112321628A

Abstract

本发明公开了一种β‑二甲基苯基硅取代有机腈类化合物的制备方法，该方法首先向壳聚糖负载铜膜材料中加水，在室温条件下，搅拌均匀，得到混合液；向混合液中加入α,β‑不饱和羰基化合物I和(二甲基苯硅烷基)硼酸频那醇酯，在室温条件下搅拌至反应完全；反应结束后，进行过滤，过滤所得沉淀物分别用四氢呋喃，丙酮洗涤，得到滤液，并回收壳聚糖负载铜膜材料再利用；将滤液旋转蒸发浓缩，残留物经不同比例的乙酸乙酯/石油醚混合溶剂快速柱色谱，分离提纯得到有机腈类化合物II。本发明的方法中膜材料的催化活性很高，仅需要使用较低的催化剂用量，即可实现反应物较高的转化率。

Description

β-二甲基苯基硅取代有机腈类化合物的制备方法

技术领域

本发明涉及有机合成领域，具体涉及一种β-二甲基苯基硅取代有机腈类化合物的制备方法。

背景技术

有机腈类化合物是一类含氰基(-CN)的重要有机化合物，是有机合成的有用中间体，高分子合成的重要单体。因其特殊的性质广泛应用于合成化学、材料和药物化学领域，特别在国防尖端科技、航空航天特种材料等尖端领域。有些腈甚至可以直接用作农药、香料、金属缓蚀剂或液晶材料等。有机腈类化合物可以进行多种化学转换反应，如转化成羧酸、醛、酮、酯、酰胺、胺、四唑及其他氮杂环化合物等。有机腈类化合物的合成方法有很多，其中Rosenmund-von Braun反应是最传统的方法，不过需要使用一定量高毒性的CuCN，会对环境造成污染；使用过渡金属催化以及安全氰源的方法可以克服这种弊端。然而，许多腈类化合物的生产过程无法避免有毒、贵金属的使用、苛刻的反应条件、产生大量的污染物，这些缺点阻碍了它在有机合成上更为普遍的应用。在β-硅取代腈类化合物的合成研究中，采取交叉偶联的方式构建C(sp³)-Si键是一类重要的方法和途径。近年来，利用(二甲基苯硅烷基)硼酸频那醇酯Ph₂MeSi-B(pin)，对α,β-不饱和腈类化合物的加成反应制备有机腈类化合物，逐渐成为研究的热点领域。

目前，文献中通常需要使用贵金属为催化剂，如Pd、Rh等，此类方法成本高，污染大，不适合实际应用。在使用廉价金属的情况下，文献报道中一般使用铜盐为催化剂，但需要添加配体或强碱(叔丁基醇钠等)，同时对操作要求比较严苛，如需低温和无水无氧操作，这些问题极大的限制了此类方法在实际生产中的大量应用。

2008年，文献(Angewandte Chemie International Edition 2008,47,3818)中报道了以[Rh(cod)₂]OTf为催化剂，R-(+)-1,1'-联萘-2,2'-双二苯膦为配体，以1,4-dioxane/H₂O(10:1)为溶剂，添加碱Et₃N，在50℃下反应，第一次实现了(二甲基苯硅烷基)硼酸频那醇酯Me₂PhSi-Bpin对氰基取代的烯基化合物的β-硅加成反应，得到了β-二甲基苯基硅取代的有机腈类化合物。但是，该方法使用了5mol％贵金属催化剂，10mol％具有毒性的配体，且整个反应体系为均相催化体系，产物难以分离，残留的金属、配体和溶剂会造成产物及环境污染。2010年，文献(Journal of the American Chemical Society 2010,132,2898)报道使用1mol％的CuCl为催化剂，添加2.2mol％的NaOt-Bu碱，在-78℃，无需质子源存在的情况下，实现了(二甲基苯硅烷基)硼酸频那醇酯Me₂PhSi-Bpin对氰基取代的烯基化合物的β-硅加成反应，得到了β-二甲基苯基硅取代的有机腈类化合物，且具有对映选择性。该方法使用了金属一价铜盐，且无需质子源，但需要使用强碱和价格昂贵的NHC配体，后处理复杂，对环境不友好。2015年，文献(Journal of the American Chemical Society2015,137,15422)报道使用Cu(acac)₂与特制手性联吡啶配体作用，以H₂O为溶剂，室温条件下，催化制备β-硅取代的有机腈类化合物。该方法是目前最简单的制备β-二甲基苯基硅取代有机腈类化合物途径，但由于该方法配体制备复杂，未实现商业化，限制了反应成本，不利于实际生产。

因此，开发一种简便易操作、条件温和、成本低廉、绿色环保且适于大规模生产β-二甲基苯基硅取代有机腈类化合物的新方法是十分迫切需要的。

发明内容

本发明目的在于提供了一种β-二甲基苯基硅取代有机腈类化合物的制备方法，旨在至少一定程度上克服现有技术中存在的如下不足：

1)以贵金属为合成β-二甲基苯基硅取代有机腈类化合物的催化剂为合成原料时，成本高，无法工业化；

2)以一价铜为催化剂时，操作过程复杂，需要强碱(叔丁醇钠等)、低温，严格无水等苛刻条件，同样造成生产成本较高；

3)以二价铜为催化剂时，需添加特制手性联吡啶配体，配体制备复杂，成本高，无法商业化。

因此，本发明旨在发展一种无需添加任何配体，使用低成本壳聚糖负载铜膜材料高效制备β-二甲基苯基硅取代有机腈类化合物的环保新方法。

为了实现上述的目的，本发明采用以下技术措施：

一种壳聚糖负载铜膜材料催化制备β-二甲基苯基硅取代有机腈类化合物的方法，合成如下如示：

其中，R为苯基、对甲氧基苯基、对氟苯基、噻吩和甲基中任意一种；

合成步骤为：

1)向壳聚糖负载铜膜材料(CP@Cu NPs)中加水，在室温条件下，搅拌均匀，得到混合液；

2)向混合液中加入氰基取代的烯基化合物I和(二甲基苯硅烷基)硼酸频那醇酯Ph₂MeSi-B(pin)，在室温条件下搅拌至反应完全；其中，氰基取代的烯基化合物I与(二甲基苯硅烷基)硼酸频那醇酯Ph₂MeSi-B(pin)的物质的量之比为1:1.2-2.0；且每毫摩尔(mmol)的氰基取代的烯基化合物I，壳聚糖负载铜膜材料的用量为25-80mg；

3)反应结束后，进行过滤，过滤所得沉淀物分别用四氢呋喃，丙酮洗涤，得到滤液，并回收壳聚糖负载铜膜材料再利用；

4)将滤液旋转蒸发浓缩，残留物经不同比例的乙酸乙酯/石油醚混合溶剂快速柱色谱，分离提纯得到有机腈类化合物II(所述的乙酸乙酯/石油醚混合溶剂的比例依据产物极性不同进行选择，快速柱色谱采用硅胶为固定相)。

进一步地，所述R为苯基、对氟苯基和噻吩中任意一种；

再进一步地，所述步骤2)中，氰基取代的烯基化合物I与(二甲基苯硅烷基)硼酸频那醇酯Ph₂MeSi-B(pin)的物质的量之比为1:1.2-1.6；且每毫摩尔(mmol)的氰基取代的烯基化合物I，壳聚糖负载铜膜材料的用量为30～70mg。

再进一步地，所述步骤2)中，搅拌反应时间5-10h。

再进一步地，所述步骤3)，回收的壳聚糖负载铜膜材料经由蒸馏水洗涤后，置于烘箱中120℃干燥5小时，即再次用于上述有机腈类化合物的制备步骤中。

本发明技术构思：

本发明的方法以壳聚糖/聚乙烯醇负载纳米铜复合膜(Chitosan/PolyvinylAlcohol Support Nano Copper,CP@Cu NPs)为催化剂，壳聚糖/聚乙烯醇负载铜膜催化材料制备方法依报道的方法进行。(二甲基苯硅烷基)硼酸频那醇酯Ph₂MeSi-B(pin)(安耐吉化学)为反应试剂，以水为溶剂，在壳聚糖负载铜膜材料(CP@Cu NPs)催化下，负载铜催化材料与Ph₂MeSi-B(pin)发生络合，与含有不同取代基的底物进行加成，发生硅取代反应，实现目标β-二甲基苯基硅取代有机腈类化合物的制备。反应结束后，利用膜材料催化剂易于分离回收的优点，通过过滤即可简单回收壳聚糖负载铜膜材料，后续易于实现催化剂的循环利用，降低成本，更加绿色经济，对环境友好。

本发明的有益效果：

1.本发明首次采用壳聚糖负载铜膜材料，在以往所报道一价铜盐催化的方法之外，为有机腈类化合物的制备提供了一种新的方法，具有完全不同的反应机理和过程。

2.本发明无需添加任何具有毒性的配体，同样实现了高效制备β-二甲基苯基硅取代有机腈类化合物，不仅降低了成本，而且缩小了后续分离纯化的难度；

3.本发明的方法中膜材料的催化活性很高，仅需要使用较低的催化剂用量，即可实现反应物较高的转化率；

4.本发明的方法反应条件温和，以纯水为溶剂，在室温下进行反应，简便易操作；

5.本发明的方法应用范围广，可用于各种不同类型的氰基取代的烯基化合物，成功制备出相应的β-二甲基苯基硅取代有机腈类化合物。

6.本发明的方法中使用壳聚糖负载铜膜材料作为催化剂，整个反应体系为非均相，催化剂在反应结束后可以很方便的通过过滤除去。

7.本发明的方法中壳聚糖负载铜膜材料在回收后经过简单的后处理，可再次利用，进行催化反应且无明显活性损失。回收利用实验数据如下所示。以I-1为原料生成产物II-1为例，在反应结束后，通过过滤回收壳聚糖负载铜膜材料，后处理后用于下一轮反应，重复该步骤五次得到目标产物的产率分别为94％,92％,89％,90％,91％，证明该催化材料可循环利用。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步的详细描述，以便本领域技术人员理解。

实施例1

有机腈类化合物II-1的制备方法，其步骤是：

1)在2.5mL反应管中加入壳聚糖负载铜膜材料(CP@Cu NPs)5mg，加入2.0mL水，在室温下搅拌10分钟，得到混合液；

2)向混合液中加入氰基取代的烯基化合物I-1(25.8mg,0.2mmol)和(二甲基苯硅烷基)硼酸频那醇酯Ph₂MeSi-B(pin)(62.9mg,0.24mmol)；在室温下搅拌反应5h；

3)反应结束后，过滤整个反应体系，以四氢呋喃5mL，丙酮5mL依次洗涤，回收壳聚糖负载铜膜材料；

4)将滤液旋转蒸发浓缩，残留物经6:1的乙酸乙酯/石油醚混合溶剂柱层析，分离纯化得到有机腈类化合物II-1，得47.8mg,产率90％。

目标产物(有机腈类化合物II-1)的核磁氢谱和碳谱如下所示：

¹H NMR(600MHz)；δ＝0.26(s,6H),2.58-2.64(m,3H),6.93(d,J＝7.0Hz,2H),7.15-7.17(m,1H),7.23-7.26(m,2H),7.35-7.40(m,5H).

¹³C NMR(150MHz)；δ＝-5.6,-4.1,18.8,33.0,119.6,126.0,127.4,128.0,128.5,129.8,134.0,135.1,139.6。

实施例2

有机腈类化合物II-2的制备方法，其步骤是：

1)在2.5mL反应管中加入壳聚糖负载铜膜材料(CP@Cu NPs)8mg，加入2.0mL水，在室温下搅拌10分钟，得到混合液；

2)向混合液中加入氰基取代的烯基化合物I-2(31.8mg,0.2mmol)和(二甲基苯硅烷基)硼酸频那醇酯Ph₂MeSi-B(pin)(62.9mg,0.24mmol)；在室温下搅拌反应8h；

4)将滤液旋转蒸发浓缩，残留物经9:1的乙酸乙酯/石油醚混合溶剂柱层析，分离纯化得到有机腈类化合物II-2，得50.2mg,产率85％。

目标产物(有机腈类化合物II-2)的核磁氢谱和碳谱如下所示：

¹H NMR(600MHz)；δ＝0.25(d,J＝2.7Hz,6H),2.50-2.60(m,3H),3.77(s,3H),6.78-6.86(m,4H),7.34-7.39(m,5H)；

¹³C NMR(150MHz)；δ＝-5.5,-4.0,19.2,32.0,55.2,114.0,119.7,128.0,128.4,129.8,131.6,134.0,135.4,157.8。

实施例3

有机腈类化合物II-3的制备方法，其步骤是：

1)在2.5mL反应管中加入壳聚糖负载铜膜材料(CP@Cu NPs)12mg，加入2.0mL水，在室温下搅拌10分钟，得到混合液；

2)向混合液中加入氰基取代的烯基化合物I-3(29.4mg,0.2mmol)和(二甲基苯硅烷基)硼酸频那醇酯Ph₂MeSi-B(pin)(104.9mg,0.4mmol)；在室温下搅拌反应10h；

4)将滤液旋转蒸发浓缩，残留物经9:1的乙酸乙酯/石油醚混合溶剂柱层析，分离纯化得到有机腈类化合物II-3，得51.0mg,产率90％。目标产物(有机腈类化合物II-3)的核磁氢谱和碳谱如下所示：

¹H NMR(600MHz)；δ＝0.27(d,J＝3.4Hz,6H),2.56-2.63(m,3H),6.87-6.96(m,4H),7.35-7.40(m,5H)；

¹³C NMR(150MHz)；δ＝-5.5,-4.2,19.1,32.3,115.4(d),119.4,128.1,128.7(d),130.0,134.0,134.8,135.3,162.1。

实施例4

有机腈类化合物II-4的制备方法，其步骤是：

1)在2.5mL反应管中加入壳聚糖负载铜膜材料(CP@Cu NPs)16mg，加入2.0mL水，在室温下搅拌10分钟，得到混合液；

2)向混合液中加入氰基取代的烯基化合物I-4(23.8mg,0.2mmol)和(二甲基苯硅烷基)硼酸频那醇酯Ph₂MeSi-B(pin)(62.9mg,0.24mmol)；在室温下搅拌反应10h；

4)将滤液旋转蒸发浓缩，残留物经6:1的乙酸乙酯/石油醚混合溶剂柱层析，分离纯化得到有机腈类化合物II-4，得48.5mg,产率95％。目标产物(有机腈类化合物II-4)的核磁氢谱和碳谱如下所示：

¹H NMR(600MHz)；δ＝0.27(s,3H),0.28(s,3H),3.23(dd,J＝3.7,13.3Hz,1H),4.47(dd,J＝3.9,13.7Hz,1H),4.80(t,J＝13.5Hz,1H),6.95(d,J＝7.2Hz,2H),7.12-7.15(m,1H),7.20-7.24(m,2H),7.35-7.43(m,5H)；

¹³C NMR(150MHz)；δ＝-5.5,-4.0,36.1,76.8,126.1,127.3,128.2,128.6,130.0,133.9,134.8,137.5。

实施例5

有机腈类化合物II-5的制备方法，其步骤是：

2)向混合液中加入氰基取代的烯基化合物I-5(13.4mg,0.2mmol)和(二甲基苯硅烷基)硼酸频那醇酯Ph₂MeSi-B(pin)(62.9mg,0.24mmol)；在室温下搅拌反应7h；

4)将滤液旋转蒸发浓缩，残留物经9:1的乙酸乙酯/石油醚混合溶剂柱层析，分离纯化得到有机腈类化合物II-5，得36.2mg,产率89％。

目标产物(有机腈类化合物II-5)的核磁氢谱和碳谱如下所示：

¹H NMR(600MHz)；δ＝0.26(s,3H),0.27(s,3H),2.27(s,3H),3.18(dd,J＝3.8,13.4Hz,1H),4.44-4.47(m,1H),4.76(t,J＝13.4Hz,1H),6.84(d,J＝8.0Hz,2H),7.02(d,J＝7.7Hz,2H),7.36-7.41(m,5H)；

¹³C NMR(150MHz)；δ＝-5.5,-3.9,20.9,35.6,77.1,127.2,128.2,129.3,130.0,133.9,134.3,135.1,135.6。

其它未详细说明的部分均为现有技术。尽管上述实施例对本发明做出了详尽的描述，但它仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例，人们还可以根据本实施例在不经创造性前提下获得其他实施例，这些实施例都属于本发明保护范围。

Claims

1.一种壳聚糖负载铜膜材料催化制备β-二甲基苯基硅取代有机腈类化合物的方法，其特征在于：合成如下所示：

合成步骤为：

1)向壳聚糖负载铜膜材料中加水，在室温条件下，搅拌均匀，得到混合液；其中，壳聚糖负载铜膜材料的由以下步骤制备而成：

将200mg壳聚糖粉末加入10mL乙酸溶液室温下搅拌5h，100mg聚乙烯醇加入10mL的蒸馏水80℃下搅拌至完全溶解；在室温下，将壳聚糖溶液和聚乙烯醇溶液混合搅拌半小时至均匀，然后边搅拌边逐滴添加80μL质量分数为25w/w％的戊二醛溶液，接着将混合溶液倒入培养皿中，40℃烘箱干燥24h至水分全部蒸发；将壳聚糖/聚乙烯醇膜从培养皿上剥离，浸泡在100mL 0.1mol/L的氢氧化钠溶液中5分钟，然后用蒸馏水洗涤几次直至pH试纸检测为中性后将CP膜在40℃烘箱中干燥24h；将CP膜浸泡在25mL 0.2mol/L的CuCl₂·2H₂O溶液中2.5h，然后收集吸附Cu²⁺离子的CP@Cu²⁺膜，放入40℃烘箱干燥24h；将CP@Cu²⁺膜浸泡在新鲜制备的100mL 50mmol/L硼氢化钠溶液中15分钟，然后取出膜，使用蒸馏水洗涤几次，继续放入40℃烤箱干燥24h，得到负载铜纳米颗粒的CP膜，即为壳聚糖负载铜膜材料CP@Cu NPs；

2)向混合液中加入氰基取代的烯基化合物I和(二甲基苯硅烷基)硼酸频那醇酯Ph₂MeSi-B(pin)，在室温条件下搅拌至反应完全；其中，氰基取代的烯基化合物I与(二甲基苯硅烷基)硼酸频那醇酯Ph₂MeSi-B(pin)的物质的量之比为1:1.2-2.0；且每毫摩尔的氰基取代的烯基化合物I，壳聚糖负载铜膜材料的用量为25-80mg；

4)将滤液旋转蒸发浓缩，残留物经不同比例的乙酸乙酯/石油醚混合溶剂快速柱色谱，分离提纯得到有机腈类化合物II。

2.根据权利要求1所述壳聚糖负载铜膜材料催化制备β-二甲基苯基硅取代有机腈类化合物的方法，其特征在于：所述R为苯基、对氟苯基和噻吩中任意一种。

3.根据权利要求1所述壳聚糖负载铜膜材料催化制备β-二甲基苯基硅取代有机腈类化合物的方法，其特征在于：所述步骤2)中，氰基取代的烯基化合物I与(二甲基苯硅烷基)硼酸频那醇酯Ph₂MeSi-B(pin)的物质的量之比为1:1.2-1.6；且每毫摩尔的氰基取代的烯基化合物I，壳聚糖负载铜膜材料的用量为30～70mg。

4.根据权利要求1所述壳聚糖负载铜膜材料催化制备β-二甲基苯基硅取代有机腈类化合物的方法，其特征在于：所述步骤2)中，搅拌反应时间5-10h。

5.根据权利要求1所述壳聚糖负载铜膜材料催化制备β-二甲基苯基硅取代有机腈类化合物的方法，其特征在于：所述步骤3)，回收的壳聚糖负载铜膜材料经由蒸馏水洗涤后，置于烘箱中120℃干燥5小时，即再次用于上述有机腈类化合物的制备步骤中。