劉 鴻，王正仁，陳恒澤，張銳昌，陳 超，張 寧

（南昌大學(xué)化學(xué)學(xué)院應(yīng)用化學(xué)研究所，南昌330031）

UMCM?1?NH2的后合成修飾及在制備β?氨基醇反應(yīng)中的應(yīng)用

劉 鴻，王正仁，陳恒澤，張銳昌，陳 超，張 寧

（南昌大學(xué)化學(xué)學(xué)院應(yīng)用化學(xué)研究所，南昌330031）

采用后合成修飾（PSM）技術(shù)將水楊醛錨裝到UMCM?1?NH2上，得到席夫堿功能化的多孔金屬?有機(jī)骨架化合物UMCM?1?NH?Sal，在該化合物孔道內(nèi)的席夫堿N、O原子上螯合銅離子得到UMCM?1?NH?Sal?Cu催化劑，并用核磁共振氫譜（1H NMR）、X射線衍射（PXRD）、熱重分析（TG）、N2吸附?脫附等手段對催化劑進(jìn)行了表征，將其用于催化有機(jī)胺和環(huán)氧化物的開環(huán)反應(yīng)制備β?氨基醇，結(jié)果表明該催化劑具有良好的催化效果.

金屬?有機(jī)骨架；后合成修飾；環(huán)氧化合物開環(huán)反應(yīng)；β?氨基醇

β?氨基醇是一種用途廣泛的有機(jī)中間體，許多臨床藥物都含有β?氨基醇結(jié)構(gòu)單元，因此具有重要應(yīng)用價(jià)值，其合成過程也一直備受重視.環(huán)氧化物與有機(jī)胺的開環(huán)反應(yīng)是制備β?氨基醇的重要途徑［1～5］.許多均相催化劑被應(yīng)用于β?氨基醇的合成，例如氨基磺酸［6］、金屬醇鹽［7］、金屬鹵化物［8］、過渡金屬鹽［9］、鉬雜多酸鹽［10］和離子液體［11］等.另外，為提高催化劑使用效率，將均相催化劑負(fù)載在二氧化硅納米顆粒［12］或分子篩［13］等固態(tài)載體上的多相催化劑也得到一定的開發(fā)利用.但由于催化活性位點(diǎn)在載體上的分散不均勻，導(dǎo)致存在位置選擇性差、副反應(yīng)多及催化活性單元流失等缺點(diǎn).因此，尋找一種選擇性高、活性位點(diǎn)高度分散的新型多相催化劑是人們追求的目標(biāo).

金屬?有機(jī)骨架化合物（MOFs）具有較大的比表面積和規(guī)則的納米孔道［14，15］，其短程有序的晶態(tài)結(jié)構(gòu)使其適合作為載體用于催化反應(yīng)［16］.根據(jù) MOFs的后合成修飾理論（Post?synthetic modification，PSM）的提出，可通過PSM共價(jià)鍵修飾技術(shù)將均相催化劑的活性單元嫁接到孔道內(nèi)表面［17，18］，從而得到活性位點(diǎn)均一、高效的多孔催化劑.本文采用后合成修飾技術(shù)將水楊醛嫁接到一種具有較大比表面積的金屬?有機(jī)骨架化合物UMCM?1?NH2上，得到席夫堿功能化的化合物UMCM?1?NH?Sal，再利用席夫堿螯合Cu2＋離子得到具有路易斯酸中心的多相催化劑UMCM?1?NH?Sal?Cu（Scheme 1），并將其用于催化有機(jī)胺和環(huán)氧化合物的開環(huán)反應(yīng)（Scheme 2）.

Scheme 1 Synthetic route for UMCM?1?NH?Sal?Cu

Scheme 2 Ring opening reaction of epoxidesw ith am ines

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

六水合硝酸鋅、氨基對苯二甲酸和2，4?乙?；~購于美國Acros公司；水楊醛、苯胺、氯仿、N，N?二甲基甲酰胺（DMF）和環(huán)氧氯丙烷購于國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司.所用試劑均為分析純.

DD2 400MR型核磁共振波譜儀（NMR，安捷倫科技有限公司）；ASAP?2020型全自動物理化學(xué)吸附儀（美國Micromeritics公司）；DX?3型多功能X射線衍射儀（XRD，北京普析通用公司）；Q600型熱重分析儀（TG，美國TA公司）；GC7820A型氣相色譜儀（安捷倫科技有限公司）.

1.2 催化劑的合成

配體H3BTB［BTB＝1，3，5?三（4?羧基苯基）苯］及UMCM?1?NH2參考文獻(xiàn)［19，20］方法合成.將32μL水楊醛溶于2 mL CHCl3作為母液，在 55℃烘箱中浸泡已合成好的 UMCM?1?NH2晶體（0.05 mmol，56 mg）11 d，每2天更換1次母液.11 d后倒掉母液，用CHCl3洗滌（10 mL×3），并用CHCl3（5 mL）浸泡1 d.重復(fù)洗滌、浸泡過程3次后，即得到UMCM?1?NH?Sal晶體.倒掉母液，加入2 mL CHCl3和0.013 g（0.05 mmol）Cu（acac）2，于55℃下反應(yīng)24 h后掉倒母液，晶體用CHCl3洗滌（10 mL×3）后，用CHCl3浸泡保存.

1.3 催化過程

倒掉浸泡UMCM?1?NH?Sal?Cu的小瓶中的CHCl3，加入2mL新鮮CHCl3，再加入苯胺（10mmol）和環(huán)氧氯丙烷（10 mmol），于55℃烘箱中反應(yīng)48 h.取反應(yīng)液并用油膜濾頭（孔徑25μm）進(jìn)行過濾，得到的產(chǎn)物通過Agilent 7890A?MS5975氣相色譜?質(zhì)譜和1H NMR譜進(jìn)行鑒定，并采用Agilent 7820 A氣相色譜定量分析反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率和選擇性.

2 結(jié)果與討論

21 催化劑的表征

2.1.11H NMR表征 UMCM?1?NH2與水楊醛反應(yīng)形成亞胺鍵，得到席夫堿化合物UMCM?1?NH?Sal.由于亞胺鍵在酸性條件下不穩(wěn)定，通過用硼氫化鈉還原的方式使得雙鍵變?yōu)镃—N單鍵（記為UMCM?1?Sal）［21］，而后者能在酸性條件下穩(wěn)定存在.用DCl／D2O／DMSO?d6將UMCM?1?Sal消解，并進(jìn)行1H NMR分析.圖 1中δ8.02附近的強(qiáng)峰為樣品消解后配體H3BTB的質(zhì)子峰.UMCM?1?NH2的1H NMR在δ7.00，7.74，7.35處出現(xiàn)配體BDC?NH2中苯環(huán)上碳A、B、C上氫的信號峰.進(jìn)行共價(jià)后修飾后，碳B上的氫向低場移動，化學(xué)位移變大；碳A、C上的氫向高場移動，化學(xué)位移變小.進(jìn)行后修飾及還原后，在δ6.93，7.21，7.83處新出現(xiàn)了對應(yīng)的氫的化學(xué)位移；此外，在δ6.70，6.84，7.04，7.08處新出現(xiàn)的峰可以說明氨基和Sal反應(yīng)，生成了席夫堿.通過積分計(jì)算對應(yīng)氫的積分面積比

為1∶1，則其后合成修飾比率為50%.

Fig.11H NMR spectra of UMCM?1?NH2（a）and UMCM?1?Sal（b）digested in DCl／D2O／DMSO?d6

2.1.2 氮?dú)馕?脫附分析 樣品的氮?dú)馕?脫附曲線如圖2所示.由UMCM?1?NH2，UMCM?1?NH?Sal 和UMCM?1?NH?Sal?Cu的氮?dú)馕?脫附曲線測得的比表面積分別是4395，3951和3219 m2／g，可見，對MOF進(jìn)行共價(jià)修飾與配位修飾使其比表面積不斷減小，但仍保持比一般載體更大的比表面積，這進(jìn)一步印證了后修飾的成功.

Fig.2 Nitrogen adsorption?desorption isotherm s of UMCM?1?NH2（a），UMCM?1?NH?Sal（b）and UMCM?1?NH?Sal?Cu（c）

Fig.3 TG curves of UMCM?1?NH2（a），UMCM?1?NH?Sal（b）and UMCM?1?NH?Sal?Cu（c）

2.1.3 熱重分析 樣品的熱重分析曲線如圖3所示.由圖3可見，UMCM?1?NH2及其后修飾產(chǎn)物的熱穩(wěn)定性基本相似.在50～100℃區(qū)間內(nèi)三者均有較大的失重，這是由于MOF骨架上客體分子的失去所致；在100～400℃區(qū)間內(nèi)MOF孔道內(nèi)的溶劑分子逐漸失去，該溶劑分子與骨架上的有機(jī)基團(tuán)存在非共價(jià)鍵作用.在400～500℃區(qū)間，由于MOF骨架坍塌，發(fā)生了急劇的失重過程.可見，后修飾并未改變UMCM?1?NH2骨架的穩(wěn)定性；UMCM?1?NH2及其后修飾產(chǎn)物在400℃內(nèi)骨架穩(wěn)定.

2.1.4 PXRD分析 圖4是UMCM?1?NH2及其后合成修飾樣品的PXRD譜圖.由圖4可見，所合成的UMCM?1?NH2的PXRD譜與通過單晶結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)模擬的PXRD譜吻合，表明合成的UMCM?1?NH2為純相.而UMCM?NH?Sal?Cu與UMCM?1?NH2的主要峰位置基本一致，說明后修飾后的UMCM?NH?Sal?Cu維持了主體結(jié)構(gòu)，并未發(fā)生骨架坍塌現(xiàn)象.圖4譜線d是催化劑反應(yīng)后測得的PXRD圖譜，和反應(yīng)前的譜圖基本一致，可見催化反應(yīng)的進(jìn)行并沒有破壞催化劑的晶體結(jié)構(gòu).

Fig.4 PXRD patterns of simulated UMCM?1?NH2（a），UMCM?1?NH2in CHCl3（b），UMCM?1?NH?Sal?Cu in CHCl3（c）and UMCM?1?NH?Sal?Cu after catalytic reaction（d）

2.1.5 ICP分析 在UMCM?1?NH2上經(jīng)過共價(jià)后合成修飾之后，骨架上的氨基基團(tuán)與水楊醛之間形成席夫堿，由于MOF骨架上與N相連的以及水楊醛上與O相連的都是苯環(huán)，苯環(huán)的給電子效應(yīng)使UMCM?1?NH?Sal對金屬離子的螯合能力大大增強(qiáng).通過ICP測得UMCM?1?NH?Sal?Cu中Cu2＋的含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）為1.81%.計(jì)算可得從UMCM?1?NH?Sal到UMCM?1?NH?Sal?Cu的轉(zhuǎn)化率為65%.

2.1.6 催化反應(yīng)產(chǎn)物的質(zhì)譜與核磁分析 催化反應(yīng)的產(chǎn)物通過氣相色譜?質(zhì)譜和1H NMR譜鑒定，其結(jié)果如下：EI?MS，m／z：185.5（M＋）；1H NMR（400 MHz，CDCl3），δ：7.20（t，2H），6.76（t，1H），6.65 （d，2H），4.06～4.14（m，1H），3.64（m，2H），3.36（dd，1H），3.23（dd，1H），2.62（bs，2H）.分析可知得到的產(chǎn)物是1?氯?3?苯氨基?2?丙醇.

2.2 催化性能

2.2.1 催化劑活性評價(jià) 選擇環(huán)氧氯丙烷和苯胺進(jìn)行環(huán)氧化合物的開環(huán)反應(yīng)（數(shù)據(jù)見表1）.從實(shí)驗(yàn)結(jié)

果可知，在不加催化劑或在銅離子存在下并未產(chǎn)生β?氨基醇，將UMCM?1?NH2加入反應(yīng)體系后，有極少的β?氨基醇生成，這可能是因?yàn)閁MCM?1?NH2晶體表面存在部分缺陷，少量鋅原子不飽和，從而具有一定的傾向接受外來電子對，起到催化作用.當(dāng)以合成的多相催化劑UMCM?NH?Sal?Cu為催化劑時(shí)，苯胺的轉(zhuǎn)化率可以達(dá)到53%，其選擇性高達(dá)99%，這說明UMCM?NH?Sal?Cu對環(huán)氧氯丙烷和苯胺的環(huán)氧化合物開環(huán)反應(yīng)有很好的催化效果.UMCM?NH?Sal?Cu對該反應(yīng)的高選擇性很可能是因?yàn)樗畻钊┖驼麄€(gè)MOF的骨架結(jié)構(gòu)對該反應(yīng)形成位阻效應(yīng)，從而使親核試劑優(yōu)先進(jìn)攻環(huán)氧化合物中氫原子多的碳原子；另外，銅離子被螯合在MOF中使得酸性活性中心均勻分散，不發(fā)生團(tuán)聚現(xiàn)象，這也有助于反應(yīng)具有高選擇性.氨基磺酸是環(huán)氧化合物和胺的開環(huán)反應(yīng)常用的均相催化劑，通常是在沒有溶劑的情況下催化反應(yīng)，但其選擇性比UMCM?NH?Sal?Cu低.催化劑UMCM?NH?Sal?Cu循環(huán)使用3次后催化性能無明顯下降，苯胺的轉(zhuǎn)化率均達(dá)到50%以上；且在反應(yīng)進(jìn)行5 h后，將催化劑趁熱濾出，濾液繼續(xù)反應(yīng)，1?氯?3?苯氨基?2?丙醇的產(chǎn)率無明顯變化，說明UMCM?NH?Sal?Cu催化劑具有良好的循環(huán)使用性能.

Table 1 Ring?opening reaction of epichlorohydrin with anilinea

aniline（10mmol），CHCl3（2 mL），temperature：328 K；time：48 h；b．under solvent?free condition.

2.2.2 反應(yīng)底物的擴(kuò)展 將胺和環(huán)氧化合物開環(huán)反應(yīng)的底物進(jìn)行拓展，選擇含有其它取代基的環(huán)氧化合物及苯環(huán)上具有不同取代基的芳香胺進(jìn)行催化反應(yīng)（數(shù)據(jù)見表2）.從反應(yīng)結(jié)果可知，更換反應(yīng)底物后，環(huán)氧化合物開環(huán)反應(yīng)的選擇性均達(dá)到90%以上，其產(chǎn)率也超過45%.

Table 2 Ring opening reaction of different epoxides with am ines using UMCM?NH?Sal?Cu as cataly st?

2.2.3 可能的反應(yīng)機(jī)理 根據(jù)文獻(xiàn)［8］，在合成的UMCM?1?NH?Sal?Cu中，錨裝在MOF上的Cu2＋應(yīng)扮演了路易斯酸催化中心的作用，可能的機(jī)理如Scheme 3所示.螯合在MOF上的Cu2＋吸附環(huán)氧化合物中的O原子，削弱了C—O鍵的強(qiáng)度，親核試劑胺在空間效應(yīng)主導(dǎo)下進(jìn)攻氫原子多的碳原子，發(fā)生類似于SN2的反應(yīng)，開環(huán)后得到β?氨基醇，反應(yīng)具有很好的選擇性.

Scheme 3 Proposed mechanism of the catalytic reaction

3 結(jié) 論

通過后合成修飾將席夫堿錨裝在UMCM?1?NH2孔道中，螯合Cu2＋離子制備了具有路易斯酸中心的多相催化劑UMCM?1?NH?Cu?Sal，并將其用于催化胺和環(huán)氧化合物的開環(huán)反應(yīng)，得到高選擇性的產(chǎn)物β?氨基醇.該催化劑可循環(huán)使用，并能拓展到多種反應(yīng)底物.

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Post?synthetic Modification of UMCM?1?NH2as a Catalyst to Prepareβ?Amino Alcohols?

LIU Hong，WANG Zhengren，CHEN Hengze，ZHANG Ruichang，CHEN Chao?，ZHANG Ning?
（Institute ofApplied Chemistry，Nanchang University，Nanchang 330031，China）

By themethod of post?synthetic modification of MOFs，salicylaldehyde was anchored to UMCM?1?NH2to give a Schiff base functionalized porous compound UMCM?1?NH?Sal.The copper ion can coordinate with N atoms and O atoms inside the channels of the compound to give another compound UMCM?1?NH?Sal?Cu.The compound could catalyze the ring?opening reaction of epoxideswith amines to yieldβ?amino alcohols，and showed good catalytic performance in such reactions.

Metal?organic framework；Post?synthetic modification；Epoxide ring?opening reaction；β?Amino alcohol

O643.3

A

10.7503／cjcu20160551

（Ed.：F，K，M）

?Supported by the National Natural Science Foundation of China（Nos.21561020，21261017），the Natural Science Foundation of Jiangxi Province，China（Nos.20153BCB23021，20133ACB20001，20132BAB213004）and the Natural Science Foundation of Educational Department of Jiangxi Province，China（No.GJJ13112）.

2016?07?29.

日期：2016?10?21.

國家自然科學(xué)基金（批準(zhǔn)號：21561020，21261017）、江西省自然科學(xué)基金（批準(zhǔn)號：20153BCB23021，20133ACB20001，20132BAB213004）和江西省教育廳自然科學(xué)基金（批準(zhǔn)號：GJJ11012）資助.

聯(lián)系人簡介：陳 超，男，博士，教授，主要從事MOFs材料合成與催化研究.E?mail：chaochen@ncu.edu.cn 張 寧，男，博士，教授，主要從事多相催化研究.E?mail：nzhang.ncu@163.com