廢棄螃蟹殼粉負(fù)載 CuI 、綠色合成炔丙胺類化合物

    摘要： 以端基炔、二氯甲烷以及有機(jī)胺為原料, 以廢棄螃蟹殼粉負(fù)載 CuI 制備的 CSPs-CuI 為催化劑, 、綠色合成炔丙胺類化合物. 以螃蟹殼粉為載體負(fù)載 CuI 不僅解決環(huán)境污染、資源浪費(fèi)等問題, 也實(shí)現(xiàn)了炔丙胺類化合物、綠色合成. 催化劑通過(guò)傅里葉變換紅外光譜(FT-IR)、X 射線衍射分析(XRD)、熱重分析法(TG)以及原子吸收光譜法(AAS)等進(jìn)行表征分析. 通過(guò)考察催化劑載體種類、堿等因素對(duì)反應(yīng)的影響, 獲得*的反應(yīng)條件, 制得一系列炔丙胺類化合物. 研究結(jié)果表明, CSPs-CuI 可以通過(guò)過(guò)濾、 洗滌等簡(jiǎn)單操作即可進(jìn)行回收再利用, 可重復(fù)使用 4 次產(chǎn)率沒有明顯降低.

    Abstract： A series of propargylic amines were synthesized from terminal alkynes, dichloromethane and organic amines by using waste crab shell powders supported-CuI (CSPs-CuI) as catalyst. Using waste crab shell powders as catalyst support, not only resolve the problem of environment pollution and resources waste, but also produce propargylic amines through a highly efficient and green method. CSPs-CuI was characterized by Fourier transform infrared spectroscopy (FT-IR), X-ray diffraction(XRD), thermogravimetric analysis (TG) and atomic absorption spectroscopy (AAS). The reaction conditions were optimized by the investigation of catalyst support and base types. The propargyllic amines were obtained readily in intermediate to excellent yields under the optimal reaction condition. CSPs-CuI showed good reusability and could be recovered easily through filtration and washing. It was reused at least 4 times without obvious loss of catalytic performance.

    炔丙胺類化合物是一類非常重要有機(jī)合成中間體,它們是許多重要含氮類藥物中間體骨架. 因此, 炔丙胺類化合物的合成受到來(lái)自藥物合成、有機(jī)化學(xué)領(lǐng)域中學(xué)者的高度重視. 到目前為止, 相關(guān)科研人員已經(jīng)報(bào)道采用多種方法制備該類化合物. 例如, 傳統(tǒng)的合成炔丙胺類化合物的方法當(dāng)屬采用乙炔鋰或炔丙基衍生物和金屬炔基試劑、格氏試劑與胺類有機(jī)物合成炔丙胺類化合物 . 但該方法需在無(wú)水、無(wú)氧等苛刻條件下進(jìn)行, 操作繁瑣、危險(xiǎn)性高, 該方法適合實(shí)驗(yàn)室小規(guī)模制備, 但對(duì)于放大生產(chǎn)有著大的難度與高的生產(chǎn)成本, 因此逐漸被工業(yè)界摒棄.

    近年來(lái), 又有多個(gè)課題組對(duì)其合成方法進(jìn)行了改進(jìn)與優(yōu)化. 其中比較典型的如采用芳基疊氮化合物、醛與炔為初始原料, 或采用醛/酮、炔類衍生物與胺類化合物為原料制備炔丙胺類化合物 .這些方法的優(yōu)點(diǎn)是原子經(jīng)濟(jì)性好, 反應(yīng)條件溫和, 但該反應(yīng)需要用到芳基疊氮或醛/酮類有機(jī)原料, 導(dǎo)致制備炔丙胺的成本較高. 另外, 大多數(shù)制備炔丙胺的反應(yīng)都在均相條件下使用金屬催化劑, 如含 Au , Ag ,Co , In , Ni 等金屬催化劑, 這就導(dǎo)致了金屬催化劑的回收困難且流失嚴(yán)重, 從而導(dǎo)致反應(yīng)成本升高以及污染環(huán)境等問題. 另外, 在該類反應(yīng)中部分使用有機(jī)溶劑,特別是有毒的有機(jī)溶劑如 CH ₃ CN 等, 從而導(dǎo)致反應(yīng)過(guò)程不綠色以及處理麻煩等缺點(diǎn).

研究表明, 采用負(fù)載型 Cu 催化劑可有效解決以上均相金屬催化體系的部分缺陷. 一方面, 異相銅催化體系具有操作簡(jiǎn)便、價(jià)格低廉、反應(yīng)條件溫和且能重復(fù)利用等優(yōu)點(diǎn). 另外, 這類異相催化體系可明顯降低炔丙胺產(chǎn)品中重金屬污染問題. 目前, 成功利用固體材料作載體催化合成炔丙胺的反應(yīng)已有系列報(bào)道, 如 CeO ₂、 磁性納米粒子、SiO ₂ 、Al ₂ O ₃等. 但這些催化劑載體或制備步驟較繁瑣、成本較高, 或很難進(jìn)行生物降解而導(dǎo)致環(huán)境污染.

    殼聚糖作為自然界廣泛分布的生物質(zhì)載體具有豐富的 NH ₂ , OH, 能更好地使金屬負(fù)載在上面, 因此殼聚糖已成為一個(gè)被廣泛應(yīng)用的異相催化劑的綠色載體材料 . 例如, Qiu 等報(bào)道了以殼聚糖為載體負(fù)載硝酸鋅催化合成炔丙胺類化合物. 然而, 在殼聚糖的制備過(guò)程中, 首先需要以甲殼素為原料進(jìn)行脫乙?；磻?yīng),整個(gè)過(guò)程要使用大量的強(qiáng)酸、強(qiáng)堿, 一方面明顯污染環(huán)境, 另一方面, 會(huì)嚴(yán)重腐蝕生產(chǎn)設(shè)備, 從而導(dǎo)致殼聚糖載體的使用成本較高且對(duì)環(huán)境污染嚴(yán)重. 近年來(lái), 利用自然界廢棄物作為催化劑載體得到廣泛關(guān)注 . 因此, 從綠色與可持續(xù)化學(xué)的角度, 本論文提出采用自然界廣泛存在的天然廢棄物螃蟹殼粉來(lái)替代殼聚糖等載體, 通過(guò)螃蟹殼粉表面天然存在的有機(jī)質(zhì)負(fù)載 CuI 制備出可回收異相催化劑 CSPs-CuI 來(lái)催化合成炔丙胺類化合物. 由于螃蟹殼是一種天然的多孔材料, 含有豐富的有機(jī)質(zhì), 來(lái)源廣泛, 價(jià)格低廉, 不僅可以、 綠色合成實(shí)現(xiàn)炔丙胺類化合物, 而且可以很好的解決環(huán)境污染以及資源浪費(fèi)等問題.

一、實(shí)驗(yàn)部分

1. 儀器與試劑

    FT-IR采用島津公司生產(chǎn)的FT-IR-84型紅外光譜儀;XRD 采用 Bruker D8 Advance X 射線衍射儀測(cè)定; TGA用 Shimadzu DTG-60H 測(cè)定, 氮?dú)獗Ｗo(hù)下, 升溫速率為10 ℃/min; AAS 采用 Varian AA275 原子吸收光譜儀測(cè)定, 以銅標(biāo)準(zhǔn)溶液為標(biāo)樣, 測(cè)定吸光度;¹ H NMR 采用Bruker-500 MHz NMR 儀測(cè)定(CDCl ₃ 為溶劑, TMS 為內(nèi)標(biāo)).

    CuI 為分析純, 上海晶純?cè)噭┯邢薰? 使用前經(jīng)醋酸溶解洗去雜質(zhì), 再洗滌, 真空干燥.

2. 催化劑的制備

    收集適量的螃蟹殼, 去除殘留的蟹肉, 置于清水洗凈. 用去離子水浸泡 2 h, 在超聲震蕩器中常溫超聲 1 h,倒掉上層液體, 同上操作 3 遍, 直至螃蟹殼洗滌干凈,之后過(guò)濾、干燥. 將上述干燥的螃蟹殼置于研缽中進(jìn)行進(jìn)一步粉碎, 過(guò) 100 目篩子得到螃蟹殼粉末(Crab shell powders 簡(jiǎn)稱 CSPs).

    稱取一定量的上述 CSPs (5. 0 g)于兩口燒瓶中, 加入二次水(30.0 mL). 在氮?dú)夥諊? 加入 CuI (0. 5g),在室溫條件下攪拌 24 h, 體系變?yōu)榈{(lán)色, 然后停止反應(yīng), 過(guò)濾, 乙醇洗滌數(shù)遍, 得到淡藍(lán)色負(fù)載型催化劑CSPs-CuI, 在 50 ℃真空箱干燥備用. 同樣方法制備TiO 2 , C 作載體的異相催化劑 TiO 2 -CuI 和 C-CuI.

3. 炔丙胺類化合物的合成

    以端基炔、二氯甲烷和有機(jī)胺的三組分偶聯(lián)反應(yīng)為原料, 在氮?dú)夥諊Ｗo(hù)下依次加入端基炔(2.0 mmol)、 有機(jī)胺(2.4 mmol)以及二氯甲烷(2.0 mL), 再加入堿 DBU(2.4 mmol), zui后加入催化劑 CSPs-CuI (5.0 mol%), 將其放入 60 ℃的油浴中反應(yīng) 24 h, 反應(yīng)結(jié)束后冷卻、過(guò)濾、分液, 所得萃取液經(jīng)減壓蒸餾的濃縮粗產(chǎn)物, 粗產(chǎn)品用硅膠色譜柱[V(乙酸乙酯)：V(石油醚)＝1：5]分離提純得到純品.

二、結(jié)果與討論

1.1 催化劑中銅含量測(cè)定

    催化劑中銅負(fù)載量可通過(guò)原子吸收光譜(AAS)測(cè)定. 操作步驟如下：稱取適量的催化劑于10 mL試管中,用體積比為 1：3 的濃鹽酸/濃硝酸配成的混合液消解, 直至溶液變得澄清. 按此方法稱量三份不同質(zhì)量的催化劑配制三種不同濃度的樣液, 進(jìn)行測(cè)量, 所得結(jié)果取平均值得.通過(guò)測(cè)試得出催化劑 CSPs-CuI 中銅含量為6.19 wt%. 用同樣方法測(cè)試TiO ₂ -CuI, C-CuI中銅含量分別為4.25wt%,3.40 wt%. 以上結(jié)果表明, 在相同的負(fù)載條件下, 三種不同載體所負(fù)載 CuI 的量相差明顯, 其中螃蟹殼粉負(fù)載量zui多, 推測(cè)其原因可能是蟹殼中含有許多細(xì)小的微孔以及其表面所帶有機(jī)物的作用所致.

1.2 催化劑的紅外光譜分析

    采用 FT-IR 對(duì) CSPs 及 CSPs-CuI 進(jìn)行表征, 如圖 1所示. 在 CSPs 的紅外光譜圖中 3440 cm^{－ 1} 為 CSPs 表面 OH 以及表面吸附的自由水的伸縮振動(dòng)峰, 1417, 873以及 715 cm^{－ 1} 出現(xiàn)中強(qiáng)峰為 CSPs 中 CaCO₃ 特征吸收峰, 可以歸屬為CaCO ₃中CO ₃ ^2- 的反對(duì)稱伸縮振動(dòng)等吸收峰. 與 CSPs 相比, 負(fù)載金屬鹽后的異相催化劑CSPs-CuI紅外譜圖中, CSPs表面OH的峰往低波數(shù)方向移動(dòng)至 3437 cm^{－ 1} , CO ₃ ^2- 的特征峰也分別移至 1419, 858cm^{－ 1} , 但波數(shù)變化的程度都較小, 可能是 CuI 在 CSPs中分散非常均勻的原因?qū)е?

1.3 催化劑的熱重分析

    利用熱失重分析對(duì)比CSPs和CSPs-CuI的熱失重行為(圖 2), 可以發(fā)現(xiàn): 樣品在 100 ℃以下的失重可以歸屬為表面吸附水的脫附, 650 ℃以上的失重則歸屬于CaCO ₃ 的熱分解生成CaO和CO ₂ . 可以非常明顯地觀察到 CSPs 樣品在 350 ℃附近出現(xiàn)較快的失重行為, 推測(cè)CSPs 上有機(jī)生物質(zhì)在該溫度附近分解得多, 整個(gè)在100～600 ℃區(qū)間范圍的失重量為 30.6 wt%, 這是由于CSPs 中的有機(jī)成分蛋白質(zhì)和甲殼素的分解造成的. 對(duì)比 a 和 b 的失重行為, 可以發(fā)現(xiàn) CSPs 在負(fù)載上 CuI 后在 350 ℃附近失重較之前平緩很多, 熱穩(wěn)定性更好, 推測(cè)原因是 CuI 依附在CSPs 的有機(jī)分子上, 在一定程度上緩解了有機(jī)物的分解. 但負(fù)載后的 CSPs-CuI 在450 ℃附近出現(xiàn)明顯的失重行為, 可能是依附有 CuI 的有機(jī)物遭到破壞導(dǎo)致 CSPs 失重加速, 使其更加不穩(wěn)定.由于 CSPs-CuI 在 250 ℃以內(nèi)除了失去吸附水外, 沒有發(fā)生明顯的失重行為, 因此該催化劑在 250 ℃范圍內(nèi)仍然具有較好的熱穩(wěn)定性, 可以滿足所研究的反應(yīng)的催化劑所需的使用溫度.

1.4 催化劑的 X 射線粉末衍射光譜分析

    從 X 射線粉末衍射(XRD)譜圖(圖 3)中可看出(a)CSPs在2θ＝23.1°, 29.5°, 36.1°, 39.6°, 43.3°, 47.8°, 48.8°.CaCO ₃ 的標(biāo)準(zhǔn)譜圖中 CaCO 3 的主要的衍射峰出現(xiàn) 2θ＝23.3°, 29.7°, 36.3°, 39.7°, 43.5°, 47.8°和 48.8°, 對(duì)應(yīng)的晶面指數(shù)(h k l)分別為(012), (104), (110), (113), (202), (024)和(116) (JCPDS card number: 72-1652). 因此, 可以斷定CSPs 的主要成分為 CaCO ₃ , 而其中的有機(jī)成分對(duì) CSPs的晶型結(jié)構(gòu)影響較小, 基本保持了主要成分 CaCO ₃ 原先的晶型結(jié)構(gòu). 通過(guò)進(jìn)一步對(duì)比 a, b 兩曲線后發(fā)現(xiàn), b 曲線出現(xiàn)新的衍射峰: 2θ＝25.5°, 42.2°, 50.0°, 52.4°, 61.2°,67.3°, 69.6°, 77.1°. 通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)與純 CuI 的衍射峰 c基本一致, 而其他衍射峰相較 a 幾乎沒有變化, 由此表明負(fù)載的 CuI 對(duì) CSPs 的晶型沒有變化, 因此可進(jìn)一步證明 CSPs 是良好的載體.

2 催化劑催化性能的研究

2.1 反應(yīng)條件優(yōu)化

    在采用“一鍋法”反應(yīng)策略時(shí), 反應(yīng)條件對(duì)產(chǎn)率的影響較大. 因此, 先對(duì)*反應(yīng)條件進(jìn)行探討(表 1). 本實(shí)驗(yàn)以苯乙炔、二氯甲烷和二乙胺的三組分偶聯(lián)反應(yīng)為模型反應(yīng), 研究不同堿以及不同載體對(duì)產(chǎn)率的影響. 首先, 以CSPs-CuI為催化劑, 60 ℃下反應(yīng)24 h, 討論不同堿的作用. 不加任何堿時(shí), 產(chǎn)率僅為 40%, 可能是產(chǎn)生的 HCl 使反應(yīng)體系中的原料有機(jī)胺成鹽從而導(dǎo)致其失活引起的. 而后加入 Na ₂CO ₃ 對(duì)其產(chǎn)物提升不是很明顯,可能是因其堿性不夠造成的. 而加入 NaHCO ₃ 后, 產(chǎn)率進(jìn)一步降低, 可能是因?yàn)?NaHCO ₃ 的堿性更弱的緣故.通過(guò)加入K₂CO₃ , Cs ₂ CO ₃ 增強(qiáng)反應(yīng)體系的堿性, 其產(chǎn)率提升較為明顯, 但 Cs ₂CO ₃ 較 K ₂CO ₃ 提升不是很明顯,證明無(wú)機(jī)堿對(duì)該反應(yīng)產(chǎn)率的提升作用是有限的. 因此,又嘗試加入有機(jī)堿 DBU, 結(jié)果表明, 當(dāng)使用 DBU 作為堿, 該反應(yīng)產(chǎn)率可以明顯提高至 95%. 在沒有 CSPs-CuI催化劑條件下, 當(dāng)只用 DBU 作堿, 該三組分偶聯(lián)反應(yīng)幾乎不反應(yīng). 對(duì)于其他載體負(fù)載的異相催化劑, 如TiO ₂ -CuI, C-CuI 等, 均能夠取得好的催化效果, 但就產(chǎn)率而言, 它們比 CSPs-CuI 稍微差些. 當(dāng)用 DBU 作堿以CuI 為催化劑, 在同樣條件進(jìn)行反應(yīng), 產(chǎn)率也可以達(dá)到95%, 但由于 CuI 存在難回收、易被氧化等缺點(diǎn), 基于成本以及操作等考慮, 采用負(fù)載型 CSPs-CuI 異相催化劑為的選擇.

2.2 CSPs-CuI 催化合成炔丙胺類化合物

    為了驗(yàn)證所得催化劑性以及普適性, 在上述優(yōu)化所得*反應(yīng)條件下, 通過(guò)“一鍋法”的策略, 采用不同活性的端基炔與胺進(jìn)行三組分偶聯(lián)反應(yīng)合成一系列炔丙胺類化合物, 實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表 2 所示. 由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出, 催化劑 CSPs-CuI 可催化多數(shù)炔丙胺類化合物的合成. 但是芳香端炔和烷基端炔的反應(yīng)活性不同, 芳烴端炔的活性總體要比烷基炔的活性高(Entries 1～10). 不同仲胺對(duì)反應(yīng)活性影響也較大,環(huán)狀二級(jí)胺尤其是帶有雜原子的環(huán)狀二級(jí)胺對(duì)炔丙胺類化合物合成的活性較低(Entry 6), 而伯胺對(duì)該三組分偶聯(lián)反應(yīng)無(wú)活性(Entries 12,13).

2.3 催化劑循環(huán)使用性能研究

    由于異相催化劑的可重復(fù)使用次數(shù)是一個(gè)重要的指標(biāo), 因此在使用可回收類異相催化劑的時(shí)候, 需要對(duì)其進(jìn)行循環(huán)使用次數(shù)與產(chǎn)率的研究. 一般而言, 異相催化劑可重復(fù)使用的次數(shù)與催化效率與載體的種類與結(jié)構(gòu)有著重要的關(guān)系. 因此, 在隨后的深入研究中, 系統(tǒng)考察了采用不同載體負(fù)載 CuI 催化劑, 如 CSPs-CuI,TiO ₂ -CuI和C-CuI的循環(huán)使用次數(shù)以及相對(duì)應(yīng)的產(chǎn)率差異, 具體如下圖 4 所示. 反應(yīng)結(jié)束后, 用乙酸乙酯(8.0 mL×3)萃取, 反應(yīng)體系中催化劑再經(jīng)過(guò)濾, 洗滌, 干燥再回收使用. 由圖 4 可得出, 不同載體在使用*次時(shí)對(duì)反應(yīng)的影響不是很大, 但在循環(huán)四次后, TiO ₂ -CuI 和C-CuI的催化活性明顯降低, 而CSPs-CuI的催化活性降低不明顯.

    在催化劑循環(huán)反應(yīng)四次后, 分別對(duì)以上三種不同負(fù)載型催化劑進(jìn)行AAS測(cè)試. 結(jié)果表明, 循環(huán)使用四次后CSPs-CuI, C-CuI 以及 TiO ₂-CuI中銅的剩余量分別為71.4%, 52.1%以及 67.7%. 可以看出, 當(dāng)上述催化劑在循環(huán)四次后, 銅的流失量還是比較明顯的, 尤其是C-CuI 中銅的損失接近一半. 這進(jìn)一步說(shuō)明, 由于螃蟹殼粉表面的有機(jī)分子對(duì)CuI的負(fù)載與穩(wěn)定起到關(guān)鍵的作用. 對(duì)于 CSPs-CuI, 在循環(huán)第五次時(shí), 催化的體系活性明顯下降, 產(chǎn)率下降約 10%左右. 因此, 綜合成本、收益以及原料節(jié)約來(lái)看, 建議該催化劑循環(huán)四次即可.

三、結(jié) 論

    合成了以廢棄物螃蟹殼粉作為CuI催化劑載體材料, 一方面解決了國(guó)內(nèi)螃蟹殼的任意丟棄造成的環(huán)境污染問題, 另一方面采用廉價(jià)易得、可生物降解的綠色材料螃蟹殼粉作為催化劑載體, 解決了異相催化劑載體制備成本的問題. 該催化劑的制備簡(jiǎn)單, 成本低, 循環(huán)四次無(wú)明顯失活現(xiàn)象, 制備與使用過(guò)程不會(huì)造成環(huán)境污染等問題, 既環(huán)保又經(jīng)濟(jì), 因此成功探索出一個(gè)簡(jiǎn)單的合成炔丙胺類化合物的方法. 該方法具有催化劑廉價(jià)易得, 反應(yīng)條件溫和, 產(chǎn)率優(yōu)良, 后處理簡(jiǎn)單方便等優(yōu)點(diǎn).