苯甲酰肼和硝基烯的Aza-Michael加成反应研究

1苯甲酰肼与硝基烯的Aza-Michael加成反应研究学院班级：化学化工学院高分子09-1班姓名：胡新梅指导教师：惠永海副教授摘要：研究的主要内容是由杂多酸（磷钼酸PMoA、磷钨酸PWA）固载介孔分子筛MCM-41的非均相催化剂催化苯甲酰肼和硝基烯的氮杂迈克加成反应，反应条件优化后，在最佳条件下进行底物普适性研究，最高产率可达99%。并且，催化剂循环使用9次，反应收率依然可达90%。关键词：苯甲酰肼；硝基烯；氮杂迈克加成TheStudyonAza-MichaeladditionreactionsofbenzoylhydrazineswithnitroolefinsAbstract：ThemaincontentofthisresearchisAza-MichaeladditionsofbenzoylhydrazineandnitroolefinscatalyzedbyheterogeneouscatalystofMCM-41supportedheteropolyacids(PMoA,PWA).Aftertheoptimizationofthereactionconditions,theuniversalityofsubstrateswasstudied(upto99%yield).Meanwhile,thecatalystcouldbereuseduptoninetimeswithoutsignificantlossofactivity(upto90%yield).Keywords：Benzoylhydrazine;Nitroolefins;Aza-Michaeladdition1.研究背景氮杂Michael加成是含N-H键对C=C不饱和键的加成反应[1]，所用的催化剂有酶[2]、小分子催化剂、手性磷酸催化剂和非均相催化剂等。MCM-41孔道有序排列，大小均匀，比表面积大，但其酸性较弱，直接作催化剂活性较低。而杂多酸具有适中活性和酸性，选择性较高。考虑二者优缺点[3]，本文采用由MCM-41固载杂多酸的非均相催化剂，提高催化性能。苯甲酰肼是有机合成的重要原料，应用于很多领域。蒋等[4]对其稳定性进行了探讨，有助于正确使用苯甲酰肼。冯等[5]研究了酰肼和查尔酮的氮杂Michael反应，最高产率达97%。硝基烯是常见合成中间体，可进行Michael加成[6]、Diels-Alder等反应。本课题组[7]研究了硝基烯参与的氮杂Michael加成反应（苯并三唑为Michael给予体），MCM-41/H3PW12O40（记为MCM-41/PWA）为催化剂，收率较好。Scheme1苯并三唑和硝基烯的反应2基于以上研究，确定硝基烯为Aza-Michael反应的良好接受体，而目前苯甲酰肼的研究并不多，为了扩大范围，本文选用苯甲酰肼对硝基烯进行Aza-Michael反应研究，以期其在有机合成领域有所贡献。2.实验部分首先制备MCM-41/杂多酸催化剂[8][9]和硝基烯（表1）。Scheme2合成硝基烯的路线表1含不同取代基的硝基烯的性状-RPho-Cl-C6H42,4-Cl2-C6H3p-Cl-C6H4p-Br-C6H4p-F-C6H4p-Me-C6H4p-OMeC6H4p-N(Me)2C6H4性状淡黄色固体淡黄色晶体棕黄色粉状固体淡蓝色晶体淡黄色晶体米黄色晶体荧光黄粉末土黄色粉末青绿色粉末橘红色晶体标准反应：苯甲酰肼（0.12mmol）、β-硝基苯乙烯（0.1mmol）、10wt%MCM/PMoA，0.5mlCH2Cl2中室温反应6h，TLC检测，柱层析（洗脱剂比例:乙酸乙酯：石油醚=1:30,1:20,1:10,1:5,1:3,1:1.依次洗涤）分离纯化得目标产物。Scheme3苯甲酰肼和硝基烯的加成反应3．结果与讨论CH2Cl2为溶剂，β-硝基苯乙烯为Michael接受体，苯甲酰肼为给予体，筛选催化剂（表2）。由Entry1-7可知，MCM-41/HPA（未固载，质量比1:4）与单独使用MCM-41、PMoA和PWA相比，MCM-41/PMoA（固载）（Entry4）产率较高。为了得到更好的结果，随后考察MCM-41和磷钼酸的比例（Entry4，8-11），可知1:1时（Entry8）催化效果较好，将其作为反应的最佳催化剂。表2催化剂种类对反应的影响EntryCatalystSolventYield(%)1MCM-41CH2Cl2353续表22PMoACH2Cl2403PWACH2Cl2384MCM-41/PMoA（1:4）（固载）CH2Cl2465MCM-41/PWA(1:4)（固载）CH2Cl2426MCM-41/PMoA(1:4)（未固载）CH2Cl2397MCM-41/PWA(1:4)(未固载)CH2Cl2348MCM-41/PMoA（1:1）（固载）CH2Cl2609MCM-41/PMoA（1:2）（固载）CH2Cl24410MCM-41/PMoA（1:3）（固载）CH2Cl25711MCM-41/PMoA（1:5）（固载）CH2Cl252(反应条件：β-硝基苯乙烯0.1mmol,苯甲酰肼0.12mmol,0.5mLCH2Cl2,催化剂用量10wt%,室温,6h)随后，反应溶剂的筛选（表3）。甲苯、四氢呋喃和丙酮效果最差；而醇类对反应活性有一定影响，甲醇（Entry3）影响最大，产率达68%，故选甲醇为理想溶剂。表3溶剂种类对反应的影响EntryCatalystSolventYield（%）1MCM-41/PMoA(1:1)CH2Cl2602MCM-41/PMoA(1:1)CH3CN403MCM-41/PMoA(1:1)CH3OH684MCM-41/PMoA(1:1)C6H5Me235MCM-41/PMoA(1:1)THF206MCM-41/PMoA(1:1)CH3COOEt467MCM-41/PMoA(1:1)H2O358MCM-41/PMoA(1:1)CH3COCH3209MCM-41/PMoA(1:1)CH3CH2OH50(反应条件：β-硝基苯乙烯0.1mmol,苯甲酰肼0.12mmol,0.5mL溶剂,10wt%MCM-41/PMoA（1:1）,室温,6h)为了提高产率，讨论了催化剂量和溶剂量对产率的影响（表4）。由表可知，催化剂量从5wt%到15wt%时，产率呈上升趋势，继续增加到20wt%时，产率反而降低，故将催化剂量定为15wt%（Entry3）。溶剂的最佳量为0.5mL（Entry3）。4表4催化剂与溶剂的量对反应的影响EntryCatalystSolventYield（%）1MCM-41/PMoA(1:1)(5wt%)CH3OH（0.5mL）602MCM-41/PMoA(1:1)(10wt%)CH3OH（0.5mL）683MCM-41/PMoA(1:1)(15wt%)CH3OH（0.5mL）814MCM-41/PMoA(1:1)(20wt%)CH3OH（0.5mL）765MCM-41/PMoA(1:1)(15wt%)CH3OH(0.2mL)756MCM-41/PMoA(1:1)(15wt%)CH3OH(1.0mL)78(反应条件：β-硝基苯乙烯0.1mmol,苯甲酰肼0.12mmol,室温,6h)底物的比例中（表5），当硝基烯：苯甲酰肼=1:1.5时，产率高达96%（Entry4）。表5硝基烯与苯甲酰肼的比例对反应的影响EntryCatalystSolventRateYield1MCM-41/PMoA(1:1)(15wt%)CH3OH(0.5mL)1.2:1792MCM-41/PMoA(1:1)(15wt%)CH3OH(0.5mL)1:1803MCM-41/PMoA(1:1)(15wt%)CH3OH(0.5mL)1:1.2864MCM-41/PMoA(1:1)(15wt%)CH3OH(0.5mL)1:1.5965MCM-41/PMoA(1:1)(15wt%)CH3OH(0.5mL)1:292（反应条件：15wt%MCM-41/PMoA（1:1）,0.5mLCH3OH,室温,6h）综上，最优反应条件：0.1mmolβ-硝基苯乙烯，0.15mmol苯甲酰肼，15wt%MCM-41/PMoA(1:1)，0.5mL甲醇，室温反应6h。在最优条件下，对底物硝基烯扩展（表6）。Scheme4苯甲酰肼和硝基烯反应的普适性研究(反应物2中取代基R由表6列出，3为目标产物a-i)无论芳环上对位和邻位是供电基还是吸电基，反应都能有好效果。另外，当芳基换成杂环呋喃时，产率为95%。表6最优条件下的普适性研究EntryRProductsYield（%）1H3a965续表62p-MeC6H43b803p-OMeC6H43c904p-FC6H43d925p-ClC6H43e836p-BrC6H43f807p-N(CH3)2C6H4//8o-ClC6H43g9992,4-Cl2C6H33h94103i95（反应条件：硝基烯0.1mmol,苯甲酰肼0.15mmol,15wt%MCM-41/PMoA（1:1）,0.5mLCH3OH,6h,室温）最后，研究催化剂的循环使用（表7）。催化剂循环使用9次，反应依然可以得到90%的产率。（第二次循环催化，收率降低到91%，可能是操作产生误差）。表7催化剂的循环使用对反应的影响EntryRecycleTime（h）Yield（%）1First6962Second6913Third6904Fourth6905Fifth6906Sixth6907Seventh6908Eighth6909Ninth6904.小结本文完成了对苯甲酰肼与硝基烯的简单研究，进行了反应条件的优化，考察了底物普适性，得一系列目标产物。最后研究了催化剂的寿命，催化剂循环使用9次，依然可得90%产率。这些研究为能源型社会提供可靠的理论依据和实用价值。65.目标产物的表征数据3a:WhiteSolid;m.p.:93-97℃;IR:3280,2920,1815,1641,1552,1454,1377,1309,762,697cm-1.1HNMR(400MHz,CDCl3)δ:4.64(dd,1H,J=4.8Hz,J=4.4Hz,CH),4.83(dd,1H,J=8.4Hz,J=8.4Hz,CH2),4.95(dd,1H,J=4.4Hz,J=4.4Hz),7.26(brs,1H,NH),7.38-7.44(m,7H,Ar-H),7.50-7.54(m,2H,Ar-H),7.63-7.65(m,1H,Ar-H).3b:WhiteSolid;m.p.:77-80℃;1HNMR(400MHz,CDCl3)δ:2.35(s,3H,CH3),4.60(dd,1H,J=4.8Hz,J=4.4Hz,CH),4.81(dd,1H,J=8.4Hz,J=8Hz,CH2),4.89(dd,1H,J=4.4Hz,J=4.4Hz,CH2),7.19(d,2H,J=8.4Hz,Ar-H),7.26(brs,1H,NH),7.28-7.30(m,1H,Ar-H),7.39-7.43(m,2H,Ar-H),7.49-7.53(m,1H,Ar-H),7.63-7.65(m,3H,Ar-H).3c:WhiteSolid;m.p.:71-72℃;1HNMR(400MHz,CDCl3)δ:3.81(s,3H,OCH3),4.61(dd,1H,J=4.8Hz,J=4.8Hz,CH),4.81(dd,1H,J=8.4Hz,J=8Hz,CH2),4.90(dd,1H,J=4.4Hz,J=4.4Hz,CH2),7.26(brs,1H,NH),6.91-6.93(m,2H,Ar-H),7.33-7.54(m,5H,Ar-H),7.64-7.65(m,2H,Ar-H).3d:WhiteSolid;m.p.:127-130℃;1HNMR(400MHz,CDCl3)δ:4.60（dd,1H,J=5.2Hz,J=4.4Hz,CH),4.80(dd,1H,J=8Hz,J=8Hz,CH2