柳聰慧, 徐 穎, 魯逸文, 王宏社

(寶雞文理學院 化學化工學院,陜西寶雞 721013)

腈類化合物是重要的香料、化工原料和中間體。氰基是有機合成中通用性較高的官能團之一,它可以非常容易地被轉化成其他基團。此外,氰基也是重要的藥效基團,具有較好的代謝穩(wěn)定性和生物相容性[1-3]。近年來,研究人員對腈類化合物的合成研究非?；钴S。張緒穆等采用不對稱氫甲?；磻⒖s合反應以及aza-Cope消除反應串聯(lián)的方法,獲得了非常有價值的手性腈類化合物[4]。劉文博等發(fā)展了高效合成氰基季碳的方法,氰基季碳中心在藥物化學和有機合成方面都具有重要的意義[5]。脂肪腈類化合物通常具有獨特的化學結構和物理性質,在合成樹脂、殺蟲劑、膠黏劑和特種溶劑等化工領域中具有廣泛應用。張鎖江等系統(tǒng)研究了脂肪腈合成方法學[6]。

腈類化合物的合成方法較多[7],以醛[8-14]、羧酸[15-17]、肟[18]、醇[19]和胺[20]等為原料都可以順利合成腈類化合物。其中以醛和鹽酸羥胺為原料一鍋法合成腈的方法較為簡單。文獻已經(jīng)報道了HCl·DMPU[21]、Fe3O4納米粒子[22]、FeCl3[23]、ZnO[24]、KF/Al2O3[25]、W-Sn氫氧化物[26]、SnCl2·2H2O[27]、TiCl4[28]、Na2CO3/SO2F2[29]、Salen Ru(Cl)配合物[30]和微波[31]等催化醛和鹽酸羥胺反應合成腈的方法。但以上方法普遍存在反應時間長、催化劑獲取困難等缺點。

N-甲基吡咯烷酮(NMP)具有良好的化學穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性,無腐蝕、毒性小、生物降解能力強、揮發(fā)度低,是一種環(huán)境友好的溶劑[32]。腐殖酸是一種無毒、非金屬、價格低廉和商業(yè)易得的大分子有機物質,能回收并重復使用。魏振中等[33]報道了腐殖酸催化醛、1,3-二羰基化合物和乙酸銨合成1,4-二氫吡啶類化合物,該法后處理方便、催化劑能回收再利用,為1,4-二氫吡啶類化合物的合成提供了一種簡捷綠色的方法。

為拓展腐殖酸的應用范圍,本文以其為催化劑,NMP為溶劑,由醛和鹽酸羥胺在110 ℃下反應5～8 min合成了一系列腈類化合物(2a～2p, Scheme 1)。該方法具有操作簡單、反應條件溫和、反應時間短和產(chǎn)率高等優(yōu)點。

Scheme 1

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

X-4型精密顯微熔點儀;MA-400 MHz型核磁共振儀(CDCl3為溶劑,TMS為內標);Agilent 1200型質譜儀。

腐殖酸(阿拉丁),NMP(國藥上?；瘜W試劑公司),醛類化合物(天津市科密歐化學試劑有限公司);其余所用試劑均為分析純。

1.2 合成

在裝有攪拌器、溫度計和冷凝管的三口燒瓶中加入醛(1 mmol)、鹽酸羥胺(1.2 mmol)、腐殖酸催化劑(0.1 g)和NMP(2 mL),于110 ℃反應至終點(TCL跟蹤)。反應液趁熱過濾回收腐殖酸,催化劑用95%乙醇洗滌后,重復使用;在濾液中加入100 mL水,用乙酸乙酯(2 × 25 mL)萃取,合并有機相,依次用飽和食鹽水(2 × 10 mL)洗滌,無水硫酸鎂干燥,減壓蒸除有機溶劑得粗產(chǎn)品,經(jīng)硅膠柱層析[洗脫劑：V(石油醚)/V(乙酸乙酯)=10/1]得化合物2。

2a：無色液體,產(chǎn)率92%;1H NMR(400 MHz, CDCl3)δ: 7.65～7.59(m, 3 H), 7.51～7.47(m, 2H);13C NMR(100 MHz, CDCl3)δ: 132.87, 132.26, 129.23, 118.94, 112.58; HR-MS(ESI)m/z: Calcd for C7H5N{[M+H]+}104.0495, found 104.0492。

2b：白色固體,產(chǎn)率96%;1H NMR(400 MHz, CDCl3)δ: 7.54(d,J=8.0 Hz, 2H), 7.27(d,J=8.5 Hz, 2H), 2.42(s, 3H);13C NMR(100 MHz, CDCl3)δ: 143.81, 132.20, 129.97, 119.28, 109.50, 21.97; HR-MS(ESI)m/z: Calcd for C8H7N{[M+H]+}118.0651, found 118.0655。

2c：黃色液體,產(chǎn)率95%;1H NMR(400 MHz, CDCl3)δ: 7.49～7.44(m, 2H), 7.41(d,J=7.6, 2.0 Hz, 1H), 7.38～7.31(m, 1H), 2.39(s, 3H);13C NMR(100 MHz, CDCl3)δ: 139.32, 133.75, 132.59, 129.38, 129.09, 119.16, 112.31, 21.25; HR-MS(ESI)m/z: Calcd for C8H7N{[M+H]+}118.0651, found 118.0656。

2d：黃色液體,產(chǎn)率93%;1H NMR(400 MHz, CDCl3)δ: 7.64～7.55(m, 2H), 7.53～7.44(m, 2H), 1.33(s, 9H);13C NMR(100 MHz, CDCl3)δ: 156.79, 132.11, 126.31, 119.29, 109.48, 35.41, 31.09; HR-MS(ESI)m/z: Calcd for C11H13N{[M+H]+}160.1121, found 160.1115。

2e：黃色固體,產(chǎn)率97%;1H NMR(400 MHz, CDCl3)δ: 7.63～7.55(m, 2H), 6.99～6.91(m, 2H), 3.86(s, 3H);13C NMR(100 MHz, CDCl3)δ: 162.99, 134.14, 119.36, 114.89, 104.14, 77.48, 77.16, 76.84, 55.68; HR-MS(ESI)m/z: Calcd for C8H7NO{[M+H]+}134.0604, found 134.0609。

2f：黃色液體,產(chǎn)率94%;1H NMR(400 MHz, CDCl3)δ: 7.57～6.97(m, 4H), 3.03(s, 3H);13C NMR(100 MHz, CDCl3)δ: 161.11, 134.43, 133.75, 120.74, 116.56, 111.24, 101.73, 55.91; HR-MS(ESI)m/z: Calcd for C8H7NO{[M+H]+}134.0604, found 134.0608。

2g：白色固體,產(chǎn)率84%;1H NMR(400 MHz, CDCl3)δ: 8.41～8.31(m, 2H), 7.94～7.85(m, 2H);13C NMR(100 MHz, CDCl3)δ: 150.11, 133.59, 124.37, 118.40, 116.90; HR-MS(ESI)m/z: Calcd for C7H4N2O2{[M+H]+}149.0346, found 149.0341。

2h：白色固體,產(chǎn)率89%;1H NMR(400 MHz, CDCl3)δ: 8.54(t,J=1.9 Hz, 1H), 8.48～8.44(m, 1H), 8.00～7.96(m, 1H), 7.74(t,J=8.0 Hz, 1H);13C NMR(100 MHz, CDCl3)δ: 161.12, 134.42, 133.73, 120.71, 116.57, 111.24, 101.73, 55.91; HR-MS(ESI)m/z: Calcd for C7H4N2O2{[M+H]+}149.0346, found 149.0342。

2i：白色固體,產(chǎn)率90%;1H NMR(400 MHz, CDCl3)δ: 7.60(d,J=8.0 Hz, 2H), 7.46(d,J=8.0 Hz, 2H);13C NMR(100 MHz, CDCl3)δ: 139.57, 133.34, 129.66, 117.92, 110.73; HR-MS(ESI)m/z: Calcd for C7H4ClN{[M+H]+}138.0105, found 138.0109。

2j：白色固體,產(chǎn)率94%;1H NMR(400 MHz, CDCl3)δ: 7.64(d,J=7.8 Hz, 2H,), 7.52(d,J=7.8 Hz, 2H);13C NMR(100 MHz, CDCl3)δ: 133.39, 132.63, 128.02, 118.07, 111.18; HR-MS(ESI)m/z: Calcd for C7H4BrN{[M+H]+}181.9600, found 181.9605。

2k：白色固體,產(chǎn)率88%;1H NMR(400 MHz, CDCl3)δ: 7.72～7.64(m, 2H), 7.49～7.43(m, 2H);13C NMR(100 MHz, CDCl3)δ: 134.39, 133.87, 133.19, 127.64, 125.28, 117.09, 115.89; HR-MS(ESI)m/z: Calcd for C7H4BrN{[M+H]+}181.9600, found 181.9606。

2l：白色固體,產(chǎn)率83%;1H NMR(400 MHz, CDCl3)δ: 7.73～7.64(m, 2H), 7.23～7.12(m, 2H);13C NMR(100 MHz, CDCl3)δ: 165.20, 134.83, 118.16, 117.01, 108.73; HR-MS(ESI)m/z: Calcd for C7H4FN{[M+H]+}122.0401, found 122.0408。

2m：黃色液體,產(chǎn)率87%;1H NMR(400 MHz, CDCl3)δ: 8.25(dd,J=8.1, 1.3 Hz, 1H), 8.09(dt,J=8.4, 1.1 Hz, 1H), 8.03～7.88(m, 2H), 7.67(dddd,J=23.6, 8.1, 6.9, 1.3 Hz, 2H), 7.53(dd,J=8.3, 7.2 Hz, 1H);13C NMR(100 MHz, CDCl3)δ: 133.42, 133.09, 132.78, 132.53, 128.80, 128.75, 127.70, 125.32, 125.07, 117.95, 110.37; HR-MS(ESI)m/z: Calcd for C11H7N{[M+H]+}154.0651, found 154.0657。

2n：黃色液體,產(chǎn)率95%;1H NMR(400 MHz, CDCl3)δ: 7.64～7.59(m, 5H), 7.46(s, 1H), 6.08(d,J=16.7 Hz, 1H);13C NMR(100 MHz, CDCl3)δ: 150.71, 133.75, 131.43, 129.34, 127.56, 118.37, 96.52; HR-MS(ESI)m/z: Calcd for C9H7N{[M+H]+}130.0651, found 130.0644。

2o：無色液體,產(chǎn)率86%;1H NMR(400 MHz, CDCl3)δ: 2.31(t,J=7.0 Hz, 2H), 1.66～1.59(m, 2H), 1.46～1.39(m, 2H), 1.33～1.26(m, 4H), 0.87(t,J=6.8 Hz, 3H);13C NMR(100 MHz, CDCl3)δ: 121.03, 30.80, 28.16, 25.16, 22.29, 16.54, 14.22; HR-MS(ESI)m/z: Calcd for C7H13N{[M+H]+}112.1121, found 112.1115。

2p：黃色液體,產(chǎn)率83%;1H NMR(400 MHz, CDCl3)δ: 2.80～2.78(m, 1H), 1.74～1.71(m, 2H), 1.54～1.46(m, 4H), 1.45～1.35(m, 4H);13C NMR(100 MHz, CDCl3)δ: 123.21, 29.20, 27.32, 25.14, 23.96; HR-MS(ESI)m/z: Calcd for C7H11N{[M+H]+}109.1680, found 109.1686。

2 結果與討論

2.1 反應條件優(yōu)化

選擇苯甲醛(1a)與鹽酸羥胺的反應為模板反應,研究了催化劑用、量反應溫度和溶劑等因素對反應的影響,結果見表1～表3。

首先考察了不同溶劑DMF、DMSO、PEG-400、NMP、甲苯以及無溶劑條件對反應的影響。由表1可以看出,以甲苯為溶劑時,產(chǎn)率最低為13%(表1, entry 5),說明反應幾乎不發(fā)生;在無溶劑條件下,產(chǎn)率適中(71%,表1, entry 6);以NMP為溶劑時,產(chǎn)率最高為92%(表1, entry 3),所以選擇NMP為反應溶劑。然后,研究了催化劑用量對反應的影響。由表2可以看出,無催化劑時,反應不進行(表2, entry 1),當催化劑用量增加到0.10 g以上,產(chǎn)率沒有發(fā)生變化(表2, entries 4～6)。最后,研究了溫度對反應的影響。由表3可以看出,室溫時,反應不發(fā)生(表3, entry 1),當溫度升高到110 ℃時,產(chǎn)率最高(表3, entry 5),繼續(xù)升高溫度到120 ℃時,產(chǎn)率開始降低(表3, entry 6)。因此選擇反應溫度為110 ℃較適宜。

表1 溶劑對產(chǎn)率的影響*

表2 催化劑用量對產(chǎn)率的影響*

表3 溫度對產(chǎn)率的影響*

腐殖酸作為催化劑,既環(huán)境友好又具有很好的熱穩(wěn)定性,反應結束后易于再利用,通過過濾便可以回收重復再使用。在優(yōu)化條件下,研究了腐殖酸重復使用對苯甲醛與鹽酸羥胺反應的影響。由表4可知,腐殖酸重復使用5次,催化效果依舊很好,說明腐殖酸是一種優(yōu)良的可回收再使用催化劑。

表4 腐殖酸催化劑重復使用情況*

2.2 底物拓展

確定了較佳反應條件后,以NMP為溶劑,反應溫度為110 ℃,研究了腐殖酸催化不同醛和鹽酸羥胺的一鍋反應合成腈(Scheme 1)。由Scheme 1可以看出,腐殖酸對芳香醛、脂肪醛和α,β-不飽和醛都有很好的催化活性,所有反應都可以在5～8 min內完成,產(chǎn)率均在83%以上。對于芳香醛來說,苯環(huán)上的吸電子基有利于反應,而供電子基則不利于反應的進行。α,β-不飽和醛的產(chǎn)率為95%(Scheme 1,2n)。與芳香腈相比,脂肪腈產(chǎn)率較低(Scheme 1,2o和2p),但在5 min內反應可以完成。

N-甲基吡咯烷酮具有良好的化學穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性,無腐蝕、毒性小、生物降解能力強、是一種環(huán)境友好的溶劑。腐殖酸也具有很好的熱穩(wěn)定性,是一種能回收并重復使用的綠色催化劑。本文報道的由醛與鹽酸羥胺反應合成腈類化合物方法具有反應條件溫和、反應時間短、產(chǎn)品產(chǎn)率高、催化劑環(huán)境友好等特點。