朱 強, 宮 紅, 姜 恒, 王 銳

(遼寧石油化工大學(xué) 化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院，遼寧 撫順 113001)

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·研究論文·

過渡金屬甲基磺酸鹽催化醇的四氫吡喃化反應(yīng)

朱 強, 宮 紅, 姜 恒*, 王 銳

(遼寧石油化工大學(xué) 化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院，遼寧 撫順 113001)

以過渡金屬甲基磺酸鹽[Mn(CH3SO3)2·2H2O， Cu(CH3SO3)2·4H2O， Co(CH3SO3)2·4H2O和Zn(CH3SO3)2·4H2O]為催化劑，在室溫條件下催化醇的四氫吡喃化反應(yīng)，并對反應(yīng)條件進行了優(yōu)化。結(jié)果表明：當(dāng)醇用量為30 mmol，醇和3,4-二氫吡喃摩爾比為1.0 ∶1.1，甲基磺酸鹽用量為1 mmol，二氯甲烷20 mL時，可高效催化醇的四氫吡喃化反應(yīng)。與路易斯酸催化活性相比，過渡金屬甲基磺酸鹽催化醇的四氫吡喃化反應(yīng)效果最好，催化酚的效果較差。用Mn(CH3SO3)2·2H2O和Cu(CH3SO3)2·4H2O催化正丁醇的四氫吡喃化反應(yīng)，重復(fù)使用5次，收率分別為89%和92%。

過渡金屬甲基磺酸鹽; 醇; 四氫吡喃化反應(yīng); 催化; 合成

羥基化合物包括醇類、酚類、糖類和甾類等，被廣泛用于醫(yī)學(xué)和工業(yè)合成，許多藥物的活性與羥基有密切聯(lián)系[1-2]。通常，該類化合物分子中具有一個或多個羥基，對羥基進行合理保護，有利于多官能團化合物的合成和系列后續(xù)反應(yīng)進行。

在四氫吡喃化反應(yīng)中，最早使用的催化劑為質(zhì)子酸，但是質(zhì)子酸不適用于對目標(biāo)分子中存在酸敏感基團的分子進行保護。近年來，有關(guān)催化四氫吡喃化反應(yīng)的催化劑的文獻報道較多，比較典型的催化劑有：[SnIV(TNH2PP)(OTf)2]/CM-MIL-101[3], Ti4+/4A[4]，三乙胺[5]，鋁化鍺硅酸鹽ITH沸石[6]，SANM[7], [Et3N(CH2)4SO3H][OTs][8], 3,5-二硝基苯甲酸[9]，NaHSO4/SiO2[10]，氧化石墨[11]及CMK-5-SO3H[12]。但是，這些催化劑大多具有反應(yīng)時間長或所需試劑昂貴等缺點。因此，開發(fā)一種經(jīng)濟高效、綠色無毒、可循環(huán)使用的催化劑仍然十分必要。

過渡金屬甲基磺酸鹽在室溫可催化Mannich反應(yīng)[13]、Biginelli反應(yīng)[14]、酯化反應(yīng)[15]和Friedel-Crafts酰化反應(yīng)[16]。因其具有用量少、對空氣和水分不敏感以及催化活性高等諸多優(yōu)點，是一種可回收使用且具有較高研究價值的催化劑。

本文參考文獻[17-18]方法合成了4種過渡金屬甲基磺酸鹽[M(MS)2]——Mn(CH3SO3)2·2H2O[Mn(MS)2]， Cu(CH3SO3)2·4H2O[Cu(MS)2]， Co(CH3SO3)2·4H2O[Co(MS)2]和Zn(CH3SO3)2·4H2O[Zn(MS)2]，其結(jié)構(gòu)經(jīng)IR和TG確證。將其用于催化醇的四氫吡喃化反應(yīng)(Scheme 1)，考察了其催化性能。并對反應(yīng)條件進行了優(yōu)化，對反應(yīng)機理進行了探究。

Scheme 1

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

Perkin-Elmer Spectrum GX型傅里葉變換紅外光譜儀(KBr壓片)；Perkin-Elmer Pyris 1 TGA型熱重分析儀；Autosystem XL型氣相色譜儀。

3,4-二氫吡喃(DHP)，北京百靈威科技有限公司；其余所用試劑均為分析純或化學(xué)純。

1.2 合成

(1) M(MS)2的制備[以Mn(MS)2為例]

將甲烷磺酸9.61 g(0.1 mol)和水6.49 mL(V/V=1∶1)加入反應(yīng)瓶中，攪拌下分5次緩慢加入碳酸錳5.75 g(0.05 mol)，加畢，回流反應(yīng)1.5 h。趁熱過濾，濾餅經(jīng)洗滌，重結(jié)晶得Mn(MS)213.54 g，收率96.30%。

用類似方法合成Cu(MS)2[17]， Zn(MS)2[17]和Co(MS)2[18]。表征數(shù)據(jù)與文獻報道一致。

(2) 醇的四氫吡喃化反應(yīng)

在50 mL反應(yīng)瓶中依次加入醇30 mmol， DHP 33 mmol， DCM 20 mL和M(MS)21 mmol，攪拌下于25 ℃反應(yīng)5 h。定時取少量反應(yīng)液進行氣相色譜分析，以環(huán)己烷為內(nèi)標(biāo)物計算收率。

2 結(jié)果與討論

2.1 反應(yīng)條件優(yōu)化

以Mn(MS)2催化正丁醇的四氫吡喃化反應(yīng)為例，考察了正丁醇和DHP的摩爾比、Mn(MS)2及DCM用量對收率的影響，結(jié)果見表1。由表1可見，在相同條件下，不加入DCM時，反應(yīng)5 h收率為65%，而以DCM為溶劑可有效促進反應(yīng)進行，短時間內(nèi)即完成THP醚的轉(zhuǎn)化，收率≥95%(No.1～4)。

為確定DCM的用量，進行三組對照實驗(No.2～4)，實驗結(jié)果相近，收率均較高，但是DCM用量為20 mL時，反應(yīng)時間最短，DCM用量增至25 mL時，所需反應(yīng)時間反而增加。這可能因為DCM過量導(dǎo)致醇和DHP的濃度降低，致使反應(yīng)速率減慢。

當(dāng)使用1 mmol Mn(MS)2時，改變醇和DHP摩爾比[r=n(C4H9OH)∶n(DHP)]，當(dāng)r為1.0 ∶1.5時，反應(yīng)時間與r為1.0 ∶1.1時相同，且收率相當(dāng)(No.3,5)。

對Mn(MS)2用量的研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)恒定醇、DHP和DCM用量時，Mn(MS)2用量為0.8 mmol時，收率不高；隨著Mn(MS)2用量的增加，收率隨之增大；當(dāng)Mn(MS)2用量增至1.5 mmol時，其催化時間并沒有縮短(No.3,6～7)?？梢?，使用1 mmol的Mn(MS)2是該反應(yīng)的最合適用量。

表1 正丁醇的四氫吡喃化反應(yīng)

綜上所述，最佳反應(yīng)條件為：醇30 mmol，r為1.0 ∶1.1， Mn(MS)2用量1 mmol， DCM用量20 mL。

2.2 催化劑的活性對比

(1) M(MS)2的催化活性對比

在最優(yōu)反應(yīng)條件下，對M(MS)2的催化活性進行了對比，實驗結(jié)果見表2。由表2可見，Mn(MS)2， Cu(MS)2和Co(MS)2的催化效果良好，用時短，轉(zhuǎn)化率高。而Zn(MS)2催化活性較差，轉(zhuǎn)化率也都較低。這可能是中心金屬的配位性差異導(dǎo)致的，由于Mn2+， Cu2+和Co2+的外圍電子構(gòu)型是3p63d5, 3p63d9和3p63d7，缺電子結(jié)構(gòu)導(dǎo)致了金屬的配位活性較高，而Zn2+的外圍電子構(gòu)型是3p63d10，軌道處于充滿狀態(tài)，金屬的配位活性較差。因此選用Mn(MS)2和Cu(MS)2為催化劑進行下一步研究。

表2 M(MS)2的催化活性對比*

*Reaction conditions: butyl alcohol 30 mmol, DHP 33 mmol, methanesulfonate 1 mmol, room temperature。

(2) M(MS)2與同金屬路易斯酸鹽的催化活性對比

在最佳反應(yīng)條件下，以正丁醇的四氫吡喃化反應(yīng)為例，對銅和錳相應(yīng)的硫酸鹽、醋酸鹽和鹽酸鹽的催化活性進行研究，結(jié)果見表3。由表3可見，與其他無機鹽的路易斯酸相比，Mn(MS)2和Cu(MS)2催化活性最高，均能在較短時間內(nèi)催化反應(yīng)，并且轉(zhuǎn)化率較高。而硫酸鹽、醋酸鹽和鹽酸鹽的催化活性非常低，反應(yīng)時間長，轉(zhuǎn)化率低。此外，單獨使用CH3SO3H作為催化劑時，溶液變黃并觀察到放熱現(xiàn)象，反應(yīng)1 h和2 h的收率均為69%。這是由于CH3SO3H酸性太強，使部分DHP快速聚合，導(dǎo)致四氫吡喃醚的收率較低，所以CH3SO3H并不能很好地催化反應(yīng)?？梢奙n(MS)2和Cu(MS)2作為催化劑的效果均優(yōu)于硫酸鹽、醋酸鹽、鹽酸鹽和甲基磺酸。

表3 不同催化劑活性比較*

*Reaction conditions: butyl alcohol 30 mmol, DHP 33 mmol, catalyst 1 mmol, DCM 20 mL, at room temperature。

(3) Mn(MS)2和Cu(MS)2對多種醇的四氫吡喃化催化及重復(fù)使用活性

在最佳反應(yīng)條件下，分別用Mn(MS)2和Cu(MS)2催化伯醇、仲醇、叔醇和芳香醇的四氫吡喃化反應(yīng)，實驗結(jié)果見表4。由表4可見，Mn(MS)2的催化活性較Cu(MS)2略低，在對直鏈飽和醇的催化中，隨著碳鏈的增加，反應(yīng)時間并沒有出現(xiàn)明顯增長，也都維持了高收率。相同碳鏈數(shù)的異醇和仲醇的催化時間與直鏈醇相比，時間相同。而叔丁醇、叔戊醇和環(huán)己醇的催化時間與伯醇和仲醇相比稍長。這可能是因為叔丁醇、叔戊醇和環(huán)己醇的空間位阻過大，造成醇羥基的活性降低，使反應(yīng)速率減慢。對于較難催化的叔丁醇和叔戊醇，雖然他們的反應(yīng)時間與其他醇相比較長，但是在延長反應(yīng)時間后，其收率也都在90%以上，效果較好?？梢?，過渡金屬甲基磺酸鹽可以催化多種醇的四氫吡喃化反應(yīng)，收率高，無副產(chǎn)物生成。

在催化對氯苯酚和對甲酚的四氫吡喃化反應(yīng)中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)加入Mn(MS)2后，反應(yīng)放熱且顏色變黃，經(jīng)GC監(jiān)測，收率分別為35%和43%，此時體系中未監(jiān)測到DHP，而酚含量較高，說明DHP在反應(yīng)中存在聚合，Cu(MS)2催化時也出現(xiàn)了同樣的現(xiàn)象。當(dāng)加入催化劑后，監(jiān)測體系pH為1～2，這可能是酚類化合物本身顯酸性，金屬離子與酚羥基配位后活化了MS基團，生成的CH3SO3H酸性較強，使DHP聚合，導(dǎo)致四氫吡喃醚收率較低?？梢?，Mn(MS)2和Cu(MS)2并不能有效催化酚的四氫吡喃化反應(yīng)。

以正丁醇和DHP反應(yīng)為例，采用連續(xù)催化的方法，即當(dāng)反應(yīng)結(jié)束后，濾出反應(yīng)液，催化劑在反應(yīng)瓶中直接用于下一步催化，連續(xù)催化5次，Mn(MS)2和Cu(MS)2的反應(yīng)時間為2.5 h和2 h?？疾炝薓n(MS)2和Cu(MS)2的重復(fù)催化活性，結(jié)果見表4。由表4可見，兩種過渡金屬甲基酸鹽第5次的催化收率分別為89%和92%，催化活性仍然較高。說明Mn(MS)2和Cu(MS)2在催化四氫吡喃化反應(yīng)中穩(wěn)定性較好，是可以重復(fù)使用的優(yōu)良催化劑。

表4 多種醇的四氫吡喃化反應(yīng)a

aReaction conditions: alcohol 30 mmol, DHP 33 mmol, methanesulfonate 1 mmol, DCM 20 mL, room temperature;bCatalyst reused for five times sequentially。

2.3 反應(yīng)機理

目前為止四氫吡喃化反應(yīng)機理還沒有明確的結(jié)論，本文參照文獻[3,7-8,11]報道的催化機理，以Mn(MS)2為例，過渡金屬甲基磺酸鹽的催化機理可以通過Scheme 2進行解釋。由于Mn(MS)2中Mn2+存在空軌道，可以與DHP配位形成1，活化了DHP，使DHP中氧原子的鄰位碳電正性增強，有利于醇的親核加成。同時醇羥基中氧的孤對電子也可以和Mn(MS)2進行配位，加速了醇和1的反應(yīng)，形成了THP醚的過渡態(tài)2，過渡態(tài)在經(jīng)過質(zhì)子化后形成THP醚和Mn(MS)2， Mn(MS)2繼續(xù)進行下一循環(huán)的催化。

在使用DCM時可以有效促進反應(yīng)的速率和收率，這可能是由于DCM的極性很大，可以通過溶劑化作用使THP醚的過渡態(tài)穩(wěn)定，從而使活化能降低，反應(yīng)速率加快。

Scheme 2

3 結(jié)論

以過渡金屬甲基磺酸鹽為催化劑，確定了室溫下醇的四氫吡喃化反應(yīng)條件為：醇30 mmol，醇與DHP摩爾比為1.0 ∶1.1，催化劑用量1 mmol， DCM用量20 mL。其中Mn(MS)2和Cu(MS)2可以高效的完成多種醇的催化，并且重復(fù)催化5次,活性仍然較高。

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Tetrahydropyranylation of Alchols Catalyzed by Transition Metal Methylsulfonate

ZHU Qiang, GONG Hong, JIANG Heng*, WANG Rui

(College of Chemical and Material Science, Liaoning Shihua University, Fushun 113001, China)

Transition metal methylsulfonates[Mn(CH3SO3)2·2H2O， Cu(CH3SO3)2·4H2O， Co(CH3SO3)2·4H2O and Zn(CH3SO3)2·4H2O] were used to catalyze tetrahydropyranylation of alchols at room temperature. It was found that when alcohol dosage was 30 mmol, alcohol and 3,4-dihydropyran molar ratio was 1.0 ∶1.1, the amount of transition metal methanesulfonate was 1 mmol, in 20 mL dichloromethane, the tetrahydropyranylation of alcohols occurs efficiently. Comparing to Lewis acid, transition metal methanesulfonate exhibited better catalytic activity on tetrahydropyranylation of alcohols, and poor activity on tetrahydropyranylation of phenol. Using Mn(CH3SO3)2·2H2O or Cu(CH3SO3)2·4H2O as catalyst for tetrahydropyranylation ofn-butyl alcohol, the yield were 89% and 92% after five cycles, respectively.

transition metal methanesulfonate; alchol； tetrahydropyranylation； catalysis; synthesis

2016-01-05；

2016-08-31

遼寧省自然科學(xué)基金資助項目(201202122)

朱強(1991-)，男，漢族，山東濰坊人，碩士研究生，主要從事有機合成的研究。 E-mail: 1131211001@qq.com

姜恒，教授， Tel. 0413-56860790, E-mail: hjiang78@hotmail.com

O643.3； O621.3

A

10.15952/j.cnki.cjsc.1005-1511.2016.10.16005