银催化的温和条件下邻氨基醇、炔丙醇和二氧化碳的三组分串联反应本科毕业论文(编辑修改稿)

银催化的温和条件下邻氨基醇、炔丙醇和二氧化碳的三组分串联反应本科毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

点是产物分离简单和纯度高。 图 2 尿素与 β氨基醇合成噁唑啉酮的反应 4 （二）一氧化碳作为羰基源合成噁唑啉酮 Bartolo Gabriele [2]等 人发展了 PdI2/KI 催化体系，以二甲氧基乙烷（ DME）为溶剂，在相对温和的条件下（ 100 oC, 2 MPa, 4:1 混合 CO 与空气）高效地实现了由 β氨基醇或 邻 氨基酚通过氧化环化羰基化构成噁唑啉酮的反应 （图 3）。 催化剂（ 1 mol PdI2 + 10 mol KI）效率较高，反应 15 h 后 GLC 收率大多在 90%以上，分离收率也在 80%以上。 该体系同样适用于邻氨基苯酚，催化活性更高 ， 15h后 GLC 收率为 95%，分离收率达到 89%。 图 3 钯盐催化的 CO 与 β氨基醇 的反应 后来 ， 一个新的 Pd 盐催化体系被 Kazuhiko Orito [3]等人开发（图 4） ， 最佳反应条件：催化剂 为 Pb(OAc)2 (5 mol%)， Cu(OAc)2 (50 mol%)，溶剂为甲苯，在 120 oC 下回流 2 h， CO 由 MPa 的 CO 气球 （ CO+1/2O2） 提供。 该体系底物适应性比较好， 收率 在 59~99%。 图 4 钯盐和铜盐催化的 CO 与 β氨基醇 的反应 （三）二氧化碳作为羰基源合成噁唑啉酮 以 CO2 作为羰基源合成 噁唑啉酮 类化合物，其反应途径主要有四种： 1）氮杂环丙烷与 CO2 的环化反应 [47]； 2）炔丙胺与 CO2 的羧化环化反应 [8]； 3）炔丙醇、一级胺与 CO2 的三组分反应； 4） β氨基醇 与 CO2 的反应。 基于本论文研究的内容， 这里重点介绍 β氨基醇 与 CO2 合成 噁唑啉酮 的反应和炔丙醇、一级胺与 CO2 的三组分反应。 上世纪九十年代初， Yasuhiko Kubota [9]等报道了在常温常压下 由 β氨基醇 与CO2 反应合成噁唑啉酮的磷配体、 Et3N 和全卤代烷（如 Ph3P、 Et3N、 CCl4）体 5 系 （图 5）。 将等摩尔量的 β氨基醇、 Ph3P 和 Et3N 溶于乙腈，在 MPa 的 CO2条件下，加入 与 β氨基醇等摩尔量 的 CCl4 后，反应在常温下即可发生 ，反应 20h后结束。 该 体系对于烷基取代的 β氨基醇具有 较好的适用性（ 收率 为 51~93%），γ 氨基醇 反应性较差，主要生成六元环的环状氨基甲酸酯， 但当 氨基醇中 氨基与羟基之间的碳链增长后， 氨基甲酸酯的 收率降低，主要 主产物变为 由一分子CO2 与两分子 β氨基醇构成的线型尿素衍生物 HO(CH2)nNHCONH(CH2)nOH (n = 4, 5, 6)。 此外，六氯乙烷也适用于该体系，磷（ Ⅲ ）的其他化合物，如 Bu3P、 (PhO)3P和 (MeO)3P 跟 Ph3P 一样也表现出反应活性。 图 5 三组分催化剂催化的 β氨基醇 与 CO2 的反应 后来 ， Marta Feroci [10]等 发展 了一个用 电解的方式实现 手性 β氨基醇和 CO2直接合成手性噁唑啉酮的方法 （图 6）。 通过控制恒定电流电解手性 β氨基醇溶液（ MeCN—TEAP 为电解质溶液，分隔型电解槽），然后鼓入 CO2 气泡，加入TsCl，反应便可以发生。 这种方法底物适应性好，各种手性噁唑啉酮都有较好的收率（ 66~88%）， 其中 二级胺的反应 活 性不如一级胺，此外还检测到少量 TsCl与 β氨基醇反应生成的副产物对甲苯磺酰氨基醇（ 7~27%）。 最后，很奇特的一点是 ，当把 β氨基醇 加入到经过 电解的 MeCN–TEAP 阴极液中时，产物噁唑啉酮也以较好的收率（ 76%）生成，作者认为电解 MeCN–TEAP 可能会生成 −CH2CN阴离子，因此，跟阴极使 氨基 N—H 键断裂一样，氨基也可以通过碱 −CH2CN 的作用去质子化形成氮负离子从而使反应发生。 图 6 电解法合成噁唑啉酮的反应 20xx 年， Jairo Paz [11]等报道了在四甲基苯胍和磷亲电体的存在下通过 β氨基醇与 CO2 反应合成噁唑啉酮的反应 （图 7）， 磷亲电体 为磷酸酯类化合物 ， 反应加入量为 110 mol%。 反应中 将磷亲电体逐滴加入 –40 176。 C 的含有 β氨基醇和四甲 6 基苯胍的 CO2 乙腈饱和溶液，然后反应体系的温度会缓慢 地 达到室温 ， 不管 β氨基醇上取代基的位阻效应大还是小，是缺电子还是富电子，噁唑啉酮都以比较高的收率生成，分离收率大都在 70%以上。 此外， β氨基 硫醇也有较高的反应活性（ 2氨基 3巯基丙酸乙酯，磷亲电体用叠氮磷酸二苯酯，分离收率为 73%）。 至于该反应立体化学的结果，表面上得到立体构型保留的产物。 图 7 有机碱、磷亲电体催化的 CO2 与 β氨基醇 的反应 最近， Siong Wan Foo [12]等人利用碱金属碳酸盐（如 Cs2CO3）作为催化剂，实现了在常压下 β氨基醇与 CO2 经过脱水合成噁唑啉酮类化合物的反应 （图 8） ， MPa 的 CO2 足以使反应发生，并且在体系中不需要专门的脱水剂。 反应后形成立体构型保留的噁唑啉酮类化合物。 图 8 碱金属碳酸盐 催化的 CO2 与 β氨基醇 的反应 三、炔丙醇、 CO2和二级胺三组分反应合成氨基甲酸酯类化合物 早在 1987 年， Christian Bruneau [13]报道了使用 [RuCl2(NBD)]n 作为催化剂，由炔丙醇、二级胺与 CO2 合成链状氨基甲酸酯类化合物的 三组分 反应 （图 9），最优反应条件：当量的炔丙醇和二级胺 ， [RuCl2(NBD)]n（ 2mol%）， CO2 初始压力为 50 MPa，乙腈为溶剂， 在 70 oC 下反应 20 h。 作者对醇和胺进行了拓展，但反应效果均比较差，收率在 12~40%。 图 9 [RuCl2(NBD)]n 催化的 CO二级胺和炔丙醇三组分反应 然后，作者对炔丙醇醚的反应性也做了考察 （图 10） ，发现有三种产物生成， 7 但收率很低，均不足 20%。 当把催化剂换成 RuCl2(PMe2Ph)(pcymene)的时候，二乙胺的三种反应产物的收率分别为 16%、 18%、 6%，说明这种催化剂的催化效果要更好一些。 图 10 [RuCl2(NBD)]n 催化的 CO二级胺和炔丙醇 醚 三组分反应 同年， Yoshiyuki Sasaki [14]报道了使用 Ru3(CO)12 作为催化剂，由炔丙醇、二级胺与 CO2 一步合成链状氨基甲酸酯类化合物的反应 （图 11） ，最优条件为乙腈5 mL， Ru3(CO)12（ 1 mol%），胺（ 倍化学计量 ），炔丙醇， CO2 初始压力为50 MPa， 在 80 oC 下反应 20 h。 用二乙胺和不同的炔丙醇反应时，链状氨基甲酸酯类化合物的 收率 均在 50%以上。 图 11 Ru3(CO)12 催化的 CO二级胺和炔丙醇三组分反应 但是将胺换为吗啉，产物的组成发生了很大的变化，吗啉反应后的主产物变成 β氨基酮，还有少量副产物酰胺，氨基甲酸酯的 收率 很低，只有 4%（图 12）。 8 图 12 Ru3(CO)12 催化的 CO 吗啉 和炔丙醇三组分反应 伯胺正丙胺反应后的产物则变成了具有环内碳碳双键的环状氨基甲酸酯， 收率很低， 如 图 13 所示： 图 13 Ru3(CO)12 催化的 CO 正丙胺 和炔丙醇三组分反应 20xx 年，江焕峰老师 [15]课题组报道了一个在无催化剂无溶剂的条件下由炔丙醇、二级胺和 CO2 生成氨基甲酸酯的反应 （图 14）， 该反应 的缺点是 需要加入两倍化学计量的胺，而且 CO2 压力很高（ 14 MPa），反应时间 也 很长（ 48 h）。 图 14 无催化剂无溶剂条件下 CO二级胺和炔丙醇三组分反应 基于研究，作者提出了一个可能的反应机理 （图 15） ，首先 CO2 插入 炔丙醇羟基的氧氢键 与二级胺形成 烷基碳酸 盐，然后 烷基碳酸 负离子进攻碳碳三键，离去一分子胺，生成 α亚甲基环状碳酸酯，接着环状碳酸酯发生氨解形成烯醇式中间体，最后经烯醇异构化形成最终产物。 9 图 15 无催化剂无溶剂条件下 CO二级胺和炔丙醇三组分反应机理 后来，江焕峰老师 [16] 课 题 组 又 报 道 了 一 个 使用银盐和 DBU（ 1,8diazabicyclo[]undec7ene）为催化剂，在 溶剂 1,4二氧六环中由炔丙醇、二级胺和 CO2 生成氨基甲酸酯的反应 （图 16）。 作者发现，银盐负离子对该反应的影响很小，但不同的有机碱对该反应有显著的影响。 图 16 乙酸银和 DBU 催化的 CO二级胺和炔丙醇三组分反应 该 体系 底物适应性好，不同的炔丙醇和二级胺都有较高的收率（ 70~93%），但是对于位阻效应较大的二异丙胺反应性差，没有相应的产物生成。 作者经过研究，提出了可能的反应机理 （图 17） ，首先， CO2 在有机碱 DBU 和乙酸银的存在下 插入炔丙醇羟基的氧氢键 形成 烷基碳 酸盐， 烷基碳 酸负离子亲核进攻活化了的碳碳三键，关环并 质子化 脱去银后生成 α亚甲基环状碳酸酯 4，之后二级胺亲核进攻空间位阻较小的那个 碳氧键 发生 酯的 氨解 反应 形成烯醇式中间体 5，最后经 烯醇异构化生成最终产物。 图 17 乙酸银和 DBU 催化的 CO二级胺和炔丙醇三组分反应机理 10 去年 ， 本 课题组 [18]发展了一种 Ag2WO4/Ph3P 双功能化的催化体系 （图 21） ，该催化体系不需要额外加入溶剂，对 CO炔丙醇、一级胺或二级胺的三组分反应具 有很好的催化效果（分离收率为 70~95%），但当胺为芳香胺或炔丙醇为芳香基团取代的内炔型炔丙醇时，反应效果很差，甚至不反应。 图 21 Ag2WO4/Ph3P 催化的 炔丙醇、胺和 CO2 三组分反应 至于反应机理 （图 22） ，与之前的 叙述 一样，都是 CO2 先与炔丙醇反应生成α亚甲基环状碳酸酯，然后再经过酯的氨解形成链状氨基甲酸酯， 二级胺反应到这儿就终止了，产物是链状氨基甲酸酯，但是， 对于一级胺， 氨基上还剩余一个氢原子，于是氨基 会 进攻酮羰基 关环 ，再脱水 生成噁唑啉酮类化合物。 图 22 Ag2WO4/Ph3P 催化的 炔丙醇、胺和 CO2 三组分反应 机理 20xx 年， 本 课题组 [17]发展了一种双功能化的催化剂 [(PPh3)2Ag]2CO3，这种催化剂可以同时活化 CO2 和炔丙醇，从而使 CO2 和炔丙醇在 室温 常压下高 收率 地生成 α亚甲基环状碳酸酯 （图 18）。 尤其是，该催化体系对炔丙醇、二级胺和CO2 反应合成链状氨基甲酸酯的反应同样具有很好的效果，对于大多数氨基甲酸酯，分离收率都比较高（ 68~98%）。 但是，跟之前文献报道的一样，对于二异丙胺，没有相应的产物生成。 11 图 18 Ag2CO Ph3P 催化的 CO二级胺和炔丙醇三组分反应 为了研究该反应的机理，做了 13C 同位素标记实验和 分步实验 （图 19） ， 结果显示产物中的羰基碳来源于 CO2， α亚甲基环状碳酸酯与二级胺在无催化剂的条件下 1 h 就完全转化为相应的氨基甲酸酯。 图 19 同位素标记实验与分步实验 根据实验结果、 NMR 分析以及 DFT 计算，作者提出了下边的反应机理 （图20） ，碳酸银和三苯基膦结合成配合物，然后同时活化 CO2 和炔丙醇的碳碳三键，CO2 插入 炔丙醇 羟基的氧氢键 形成 烷基碳 酸盐 ，烷基碳 酸负离子亲核进攻活化了的碳碳三键，关环并 经过质子化 脱去银后生成 α亚甲基环状碳酸酯。 之后二级胺亲核进攻空间位阻较小的那个 碳氧键 发生 酯的 氨解形成烯醇式中间体，最后 经 烯醇异构化生成最终产物。 12 图 20 Ag2CO Ph3P 催化的炔丙醇、二级胺和 CO2 三组分反应机理 四、课题设计 之前报道的合成噁唑啉酮类化合物的方法不是反应条件苛刻，就是需要使用昂贵的构建模块和牺牲试剂， 存在很多不足之处。 根据炔丙醇、二级胺和 CO2三组分反应生成链状氨基甲酸酯的实验结果以及 β氨基醇与 CO2 反应生成噁唑啉酮类化合物的文献报道，我们 计划 发展一个有机碱体系，利用炔丙醇、 β氨基醇和 CO2 三组分反应制备环状氨基甲酸酯，即噁唑啉酮类化合物，为噁唑啉酮类化合物的合成发展一种新的途径。 图 23 设想的反应历程 设想的反应历程如 图 23 所示，首先 CO2 与炔丙醇反应生成 α亚甲基环状碳 13 酸酯，然后 β氨基醇 的氨基亲核进攻 α亚甲基环状碳酸酯中位阻效应较小的碳氧 键，发生酯 的 氨解 反应 形成中间体 1，中间体 1 烯醇异构化形成中间体 2，最后中间体 2 发生分子内酯交换反应，离去一分子 β羟基酮，生成最终产物。 14 第三章 结果与讨论 一。