阅读说明：本技术 一种富电子四苯乙烯基催化剂及其制备方法与应用 (Electron-rich tetraphenyl ethylene catalyst and preparation method and application thereof ) 是由 唐波 丁彤 张广录 陈蓁蓁 于 2020-05-12 设计创作，主要内容包括：本发明涉及超分子催化剂技术领域,具体涉及一种富电子四苯乙烯基催化剂及其制备方法与应用。所述催化剂包括金属离子和含有四苯乙烯基团的配体,所述金属离子作为结点,与所述配体的类席夫碱结构通过配位键连接在一起形成具有空腔的笼式结构,所述类席夫碱结构是由氨基和醛基吡啶的缩合反应实现。与溶液反应相比,本发明合成的具有笼式结构的催化剂在催化过程消耗量小,而且显示出更高的催化活性和更快的反应速率。此外,由于纳米配位笼的柔性和疏水空腔的存在,可以有效地包封平面型的反应底物,当产物为非平面型时可以很容易地从笼腔中排出,减小产物抑制作用,提高反应效率。(The invention relates to the technical field of supramolecular catalysts, in particular to an electron-rich tetraphenyl ethylene catalyst and a preparation method and application thereof. The catalyst comprises metal ions and a ligand containing tetraphenylethylene groups, wherein the metal ions are used as nodes and are connected with a Schiff-like base structure of the ligand through coordination bonds to form a cage-type structure with a cavity, and the Schiff-like base structure is realized by condensation reaction of amino and aldehyde pyridine. Compared with solution reaction, the catalyst synthesized by the invention has a cage structure, is low in consumption in the catalytic process, and shows higher catalytic activity and faster reaction rate. In addition, due to the flexibility of the nanometer coordination cage and the existence of the hydrophobic cavity, a planar reaction substrate can be effectively encapsulated, and when a product is a non-planar product, the product can be easily discharged from the cage cavity, so that the product inhibition effect is reduced, and the reaction efficiency is improved.)

一种富电子四苯乙烯基催化剂及其制备方法与应用

技术领域

本发明涉及超分子催化剂技术领域，具体涉及一种富电子四苯乙烯基催化剂及其制备方法与应用。

背景技术

公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

2,3-二氢喹唑啉酮类化合物是一类重要的稠合杂环，在抗肿瘤，镇痛，抗纤维化，抗生素等方面具有很好的药理活性。目前已报道的该化合物的合成需要路易斯酸(例如Sc(OTf)₃、Ga(OTf)₃)或者酸(如磷酸、磺酸)作为催化剂，且该化学反应过程复杂(先缩合再环化)、催化剂消耗量较大、催化效率较低、副产物较多，严重影响了其在实际生活中的生产。

自组装超分子配位笼在分子识别和存储、传感、催化以及药物转运蛋白中的潜在应用引起了越来越多的关注。值得注意的是，配位笼是由金属结点和有机连接配体组成的离散型超分子，其固有的空腔可用作可调节的微环境。因此，可以在配位笼空腔内进行某些特定的化学反应，使底物的区域选择和立体选择性反应成为可能。由于化学反应是在有限空间内进行的，这与溶液中均相反应的完全不同。配位笼良好的可调结构，为设计用于化学转化的超分子催化剂提供了一个理想的平台。Fujita和Raymond已经做了开创性的工作，其中具有代表性的反应包括Diels-Alde反应，环氧化，aza-Cope重排，Knoevenagel反应，Nazarov环化等。尽管在不具有催化活性位点的容器中可以进行有效的双分子反应的例子很多，但仍需要设计新的超分子胶囊来促进更复杂的反应。而且，此类反应类型范围狭窄，限制了它们在实际有机合成中的使用。自然界中复杂的级联或连续催化反应具有很大的应用价值，因为该过程可以将反应中间体通过连续的反应生成目标产物。

发明内容

合理设计串联反应的催化笼是一个亟需解决的问题，同时，产物抑制作用是催化循环过程的另一个挑战。为了解决这些问题，本发明提出了一种富电子四苯乙烯基催化剂及其制备方法与应用。本发明通过在具有笼式结构的催化剂中加入富电子的四苯乙烯基团(TPE)，以诱导双组分发生级联反应并减小产物抑制作用。为实现上述目的，本发明技术方案如下所示。

在本发明的第一方面，提供一种富电子四苯乙烯基催化剂，其包括金属离子和含有四苯乙烯基团的配体，所述金属离子作为结点，与所述配体的类席夫碱结构通过配位键连接在形成具有空腔的笼式结构。所述类席夫碱结构是由氨基和醛基吡啶的缩合反应实现。

进一步地，所述金属结点包括亚铁离子(Fe²⁺)、亚铜离子(Cu⁺)、锌离子(Zn²⁺)等中的任意一种。

进一步地，所述含有四苯乙烯基团的配体包括含有氨基的四苯乙烯基团的配体中的任意一种。

对于本发明的所述富电子四苯乙烯基催化剂(简称为“纳米笼”)，金属离子结点、四苯乙烯基固有的空腔使催化剂能够进行不同于溶液中的某些特定化学反应，为底物选择、区域选择和立体选择性有机反应提供可能，并为设计用于化学转化的超分子催化剂提供一个理想的平台。

在本发明的第二方面，提供一种富电子四苯乙烯基催化剂的制备方法，包括如下步骤：

(1)将含有四苯乙烯基团的配体、吡啶-2-甲醛或4-氟吡啶-2-甲醛与金属离子源加入溶剂中，然后进行脱气，得到反应液。

(2)在保护气氛下，对步骤(1)的反应液进行加热反应，反应结束后将得到的反应液加入无水乙醚中，将得到的沉淀洗涤，即得。

进一步地，步骤(1)中，所述溶剂包括乙腈、甲苯、甲醇、N,N-二甲基甲酰胺等中的任意一种。

进一步地，步骤(1)中，所述金属离子源包括铁离子源或铜离子源；可选地，所述铁离子源包括Fe(OTf)₂、Fe(BF₄)₂；所述铜离子源包括Cu(CH₃CN)₄BF₄、CuOTf中的任意一种。

进一步地，步骤(1)中，所述配体与Fe(OTf)₂或Fe(BF₄)₂的摩尔比为0.55-0.80。

进一步地，步骤(1)中，所述配体与Cu(CH₃CN)₄BF₄或CuOTf的摩尔比为0.90-1.10。

进一步地，步骤(1)中，所述配体与吡啶-2-甲醛或4-氟吡啶-2-甲醛的摩尔比为0.45-0.60。需要说明的是，所述吡啶-2-甲醛与4-氟吡啶-2-甲醛为可以相互替代的关系。

进一步地，步骤(2)中，所述保护气氛为氮气或惰性气体。

进一步地，步骤(2)中，所述加热的温度为0-55℃，反应时间为8-14h。

进一步地，步骤(2)中，所述洗涤采用的洗涤剂为无水乙醚。

在本发明的第三方面，提供所述富电子四苯乙烯基催化剂在合成2,3-二氢喹唑啉酮类化合物中的应用。优选地，以2-氨基苯甲酰胺和4-氟苯甲醛为反应底物，以乙腈和四氢呋喃为溶剂，可选地，所述乙腈和四氢呋喃的体积比为2:1。

与溶液反应相比，本发明合成的具有笼式结构的催化剂在催化过程消耗量小，而且显示出更高的催化活性和更快的反应速率。此外，由于纳米配位笼的柔性和疏水空腔的存在，可以有效地包封平面型的反应底物，当产物为非平面型时可以很容易地从笼腔中排出，减小产物抑制作用，提高反应效率。

相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明设计合成具有的富电子的四苯乙烯基团的配体可以促进反应中间体的去质子化，使其在环化中具有更强亲核性，促进反应产物的生成，提高反应效率。

(2)平面型的反应底物有利于进入本发明的这种富电子四苯乙烯基催化剂的空腔中，且易于与富电子的四苯乙烯基团配体形成π-π堆积，同时非平面的反应产物更容易从空腔中脱离，减弱产物抑制作用。

(3)本发明通过改变取代基团(例如，-H、-CH₃、-OCH₃、-F、-Cl、等)扩展反应底物，可以实现对反应底物的吸收和释放的选择性调控，达到提高活性和选择性的目的，有助于推动新型分子笼的超分子催化应用研究。

(4)本发明制备的富电子四苯乙烯基催化剂具有的疏水空腔的限域作用能够提高反应活性和选择性，为用于超分子合成的催化剂的设计提供了新思路。

附图说明

构成本发明一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明第二实施例合成的催化剂Fe-TPE的¹H NMR谱图。

图2为本发明第二实施例合成的催化剂Fe-TPE的¹³C NMR谱图。

图3为本发明第二实施例合成的催化剂Cu-TPE的¹H NMR谱图。

图4为本发明第二实施例合成的催化剂Cu-TPE的¹³C NMR谱图。

图5为本发明第三实施例中Fe-TPE和Cu-TPE相互转化的¹H NMR谱图。

图6为本发明第四实施例中Fe-TPE和底物1a反应的¹H NMR谱图。

图7为本发明第四实施例中Fe-TPE和底物2b反应的¹H NMR谱图。

图8为本发明第五实施例中合成2,3-二氢喹唑啉酮的产率变化图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照常规条件或按照制造厂商所建议的条件。

除非另行定义，文中所使用的所有专业与科学用语与本领域熟练人员所熟悉的意义相同。本发明所使用的试剂或原料均可通过常规途径购买获得，如无特殊说明，本发明所使用的试剂或原料均按照本领域常规方式使用或者按照产品说明书使用。此外，任何与所记载内容相似或均等的方法及材料皆可应用于本发明方法中。本发明中所述的较佳实施方法与材料仅作示范之用。

正如前文所述，合理设计串联反应的催化笼是一个亟需解决的问题，同时，产物抑制作用是催化循环过程的另一个挑战。为此，本发明提出了一种富电子四苯乙烯基催化剂及其制备方法与应用，现根据说明书附图与具体实施方式对本发明进一步说明。

第一实施例

4-(4-{1-[4-(4-氨基苯基)苯基]-2,2-二苯基乙烯基)苯胺(含有四苯乙烯基团的配体)的合成，其反应过程参考式(1)，包括步骤：

(1)配体前体2Br-TPE的合成：在0℃，氮气氛围下，将1.6M正丁基锂的己烷溶液(7.0mL，11.2mmol)加入到二苯基甲烷(1.81g，18.0mmol)的无水四氢呋喃(27mL)溶液中。在该温度下搅拌2小时后，加入双(4-溴苯基)甲酮(2.90g，8.6mmol)使其继续反应，反应10小时后，将其逐渐升至室温，并用氯化铵水溶液淬灭该反应，然后将反应液用二氯甲烷萃取三次。加入无水硫酸钠以除去有机相少量的水，使用旋转蒸发仪除去二氯甲烷后，将得到的中间产物溶解在45mL甲苯中，然后加入对甲苯磺酸(0.37g，1.94mmol)，回流反应12小时，反应结束后将其冷却至室温。使用旋转蒸发仪除去反应液中的溶剂，粗产物通过硅胶柱纯化(洗脱剂为正己烷)，得到白色固体即为2Br-TPE(2.6g，产率为62％)。

(2)配体的合成：将2Br-TPE(2.5065g，5.14mmol)，4-氨基苯硼酸频哪醇酯(4.5g，20.5mmol)，K₂CO₃(4.2607g，30mmol)，Pd(PPh₃)₄(597.2mg，0.52mmol)和TBAB(165.7mg，0.53mmol)加入到甲苯/水(5.5:1，V/V，165mL)的溶液里并进行三次脱气。随后，在N₂氛围下，将该反应液在90℃下反应12小时。反应结束后将其冷却至室温，除去反应液中的溶剂，粗产物通过硅胶柱纯化(洗脱剂为二氯甲烷：乙酸乙酯，V:V，60:1)，得到白色固体即为4-(4-{1-[4-(4-氨基苯基)苯基]-2,2-二苯基乙烯基)苯胺(式(1)中L)，产率约为45％。

第二实施例

1、一种富电子四苯乙烯基催化剂(Fe-TPE)的合成，其反应过程参考式(2)，包括步骤：将配体(477.8mg，0.93mmol)，吡啶-2-甲醛(198.9mg，1.86mmol)，Fe(OTf)₂(219.2mg，0.62mmol)加入到40mL乙腈中并进行三次脱气。随后，在N₂气氛下，将该反应液在50℃下反应12小时。反应结束后将其冷却至室温，将该反应液倒入无水乙醚中，产生的沉淀物离心后用无水乙醚洗涤三次，得到紫色固体即Fe-TPE，产率为76.5％。图1、2分别为Fe-TPE的¹HNMR、¹³C NMR谱图。

2、一种富电子四苯乙烯基催化剂(Cu-TPE)的合成，其反应过程参考式(2)，包括步骤：将配体(453.2mg，0.88mmol)，吡啶-2-甲醛(188.7mg，1.76mmol)，Cu(CH₃CN)₄BF₄(277.4mg，0.88mmol)加入到40mL乙腈中并进行三次脱气。随后，在N₂气氛下，将该反应液在50℃下反应12小时。反应结束后将其冷却至室温，将该反应液倒入无水乙醚中，产生的沉淀物离心后用无水乙醚洗涤三次，得到棕色固体即Cu-TPE，产率为80.5％。图3、4分别为Cu-TPE的¹H NMR、¹³C NMR谱图。

第三实施例

本实施例是在N₂保护下，通过Fe-TPE和Cu-TPE的相对转化，对第二实施例合成的催化剂Fe-TPE、Cu-TPE的稳定性进行测试，包括步骤：

(1)Fe-TPE转化为Cu-TPE：将Fe-TPE(17.2mg，6.17μmol)，Cu(CH₃CN)₄BF₄(5.9mg，18.8μmol)加入到乙腈(6ml)溶液中并进行三次脱气。随后，在N₂氛围下，将该反应液回流12小时。反应结束后将其冷却至室温，将该反应液倒入无水乙醚中，产生的沉淀物离心并用无水乙醚洗涤三次，获得紫色固体。

(2)Cu-TPE转化为Fe-TPE：将Cu-TPE(20.2mg，12μmol)，Fe(OTf)₂(5.7mg，16μmol)加入到乙腈(6ml)溶液中并进行三次脱气。随后，在N₂氛围下，将该反应液回流12小时。反应结束后将其冷却至室温，将该反应液倒入无水乙醚中，产生的沉淀物离心并用无水乙醚洗涤三次，获得紫色固体。

经图5所示的¹H NMR谱图分析，Fe-TPE具有更高的稳定性。另外，由最终得到的均为紫色固体也可以看出，Fe-TPE具有更高的稳定性。

第四实施例

考虑到催化底物对纳米配位笼的稳定性的影响，本发明以合成2,3-二氢喹唑啉酮类化合物为例验证第二实施例合成的催化剂Fe-TPE反应过程中的稳定性，包括如下步骤：

(1)分别将Fe-TPE、底物1a(2-氨基苯甲酰胺)和2b(4-氟苯甲醛)配成100mmol·L^-1的CH₃CN-d₃的溶液。

(2)将溶液体积比分别为1:1、1:2、1:3、1:4、1:5的Fe-TPE和底物1a(2-氨基苯甲酰胺)或2b(4-氟苯甲醛)的100mmol·L^-1的CH₃CN-d₃溶液加入到反应瓶中在40℃下反应8小时。反应结束后，通过图6和图7所述的1H NMR谱图可以看出：随着底物1a或2b的增加，Fe-TPE没有发生任何的变化，Fe-TPE具有良好的稳定性。

第五实施例

本实施例以第二实施例合成的Fe-TPE为催化剂，以合成2,3-二氢喹唑啉酮类化合物为例，对反应溶剂进行了筛选。其反应过程参考式(3)，具体方法为：将1a(2-氨基苯甲酰胺，6.8mg，0.05mmol)、2b(4-氟苯甲醛，6.8mg，0.055mmol)和Fe-TPE(0.14mg，5×10^-5mmol)加入到3ml反应溶剂(乙腈:四氢呋喃＝2:1，V/V)中，所得溶液在40℃下搅拌8小时。反应结束后，从反应液中取600μL，旋干，随后用含有20mmol·L^-1内标物(2,4,5-三氯嘧啶)的500μLDMSO-d₆将其溶解，用¹H NMR谱图进行产率计算，结果如表1所示。经谱图分析，当溶剂为体积比为2:1的乙腈/四氢呋喃时，产率达到最高，为最佳反应溶剂。

表1

第六实施例

以1a(2-氨基苯甲酰胺)和2b(4-氟苯甲醛)为底物，以合成2,3-二氢喹唑啉酮类化合物为例，在0.25-6h内分别对第二实施例制备的两种催化剂(Fe-TPE、Cu-TPE)的催化能力进行研究。具体法为：将1a(13.6mg，0.1mmol)、2b(13.6mg，0.11mmol)、Fe-TPE(0.27mg，1×10^-4mmol)或Cu-TPE(0.17mg，1×10^-4mmol)加入到6ml溶剂(乙腈:四氢呋喃＝2:1，V/V)中，将得到的混合溶液在40℃下反应。在不同的反应时间取出600μL的溶液，旋干，随后用含有20mmol·L^-1内标物(2,4,5-三氯嘧啶)的500μLDMSO-d₆将其溶解，用¹H NMR谱图进行产率计算，结果如图8所示。该结果表明Fe-TPE作为催化剂时具有更快的反应速率和更高的反应产率。

第七实施例

以不同功能基团的反应底物合成不同的2,3-二氢喹唑啉酮类化合物，其反应过程参考式(4)，具体方法为：将底物1(0.05mmol)、底物2(0.055mmol)、Fe-TPE(5×10^-5mmol)或Cu-TPE(5×10-5mmol)加入到3ml溶剂(乙腈:四氢呋喃＝2:1，V/V)中，所得溶液在40℃下搅拌8小时。反应结束后，从反应液中取600μL，旋干，随后用含有20mmol·L^-1内标物(2,4,5-三氯嘧啶)的500μL DMSO-d₆将其溶解，用¹H NMR谱图进行产率计算。结果如表1所示。结果表明两种催化剂均具有良好的催化作用，且相对于Cu-TPE，Fe-TPE作为催化剂时具有更为显著的催化活性。

表2

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。