二级醇高选择性催化脱氢偶联制备β-取代酮/醇的方法
阅读说明：本技术 二级醇高选择性催化脱氢偶联制备β-取代酮/醇的方法 (Method for preparing beta-substituted ketone/alcohol by high-selectivity catalytic dehydrogenation coupling of secondary alcohol ) 是由 涂涛 陆泽野 曾广阔 杨思琪 郑庆舒 于 2021-07-20 设计创作，主要内容包括：本发明属于醇脱氢偶联反应技术领域,具体为二级醇高选择性催化脱氢偶联制备β-取代酮/醇的方法。本发明以两种不同的二级醇为原料,以叔丁醇盐或氢氧化物等强碱为碱,以氮杂环卡宾金属化合物为催化剂,以三级醇或苯的类似物为溶剂,在80至200℃下反应2至36小时,得到β-取代酮产物；在同一催化体系下,在反应混合物中加入异丙醇等氢源,在30至150℃下密闭反应0.2至24小时,即得到对应的β-取代醇产物。与现有技术相比,本发明的起始原料廉价易得,利用氮杂环卡宾金属化合物为催化剂避免使用有毒且稳定性较差的含膦配体,可高效、高选择性的合成β-取代酮/醇,操作简便,可得到高纯度的不同β-取代酮/醇产物,适合工业放大和应用。(The invention belongs to the technical field of alcohol dehydrogenation coupling reaction, and particularly relates to a high-selectivity catalytic dehydrogenation coupling preparation method of secondary alcohol β -substituted ketone/alcohol processes. The invention takes two different secondary alcohols as raw materials, takes strong bases such as tert-butoxide or hydroxide as alkali, takes N-heterocyclic carbene metal compound as catalyst, takes tertiary alcohol or benzene analogue as solvent, and reacts for 2 to 36 hours at the temperature of 80 to 200 ℃ to obtain the product β -a substituted ketone product; adding hydrogen source such as isopropanol into the reaction mixture under the same catalytic system, and reacting in a sealed condition at 30-150 deg.C for 0.2-24 hr to obtain the final productTo correspond to β -substituted alcohol products. Compared with the prior art, the method has the advantages that the initial raw materials are cheap and easy to obtain, the N-heterocyclic carbene metal compound is used as the catalyst, the toxic and poor-stability phosphine-containing ligand is avoided, and the high-efficiency and high-selectivity synthesis can be realized β Substituted ketone/alcohol, simple operation and different high purity β Substituted ketone/alcohol products, suitable for industrial scale-up and applications.)
技术领域
本发明属于醇脱氢偶联反应技术领域，具体涉及一种二级醇高选择性催化脱氢偶联制备β-取代酮/醇的方法。
背景技术
醇和酮是自然界中普遍且广泛存在的有机化合物，不仅可用于构建天然产物、高分子聚合物、生物药物分子等，还可在工业中广泛用作反应溶剂。然而，β-取代酮/醇在传统的合成方法中通常需要在低温下进行，使用有毒的烷基卤化物以及具有一定危险性的强碱如丁基锂、二异丙基锂等，并且会生成当量的金属卤化物废料。该传统方法环境不友好，同时反应存在较多副反应，难以控制选择性，故而原子经济性差。因此亟待发展一种绿色、高效合成β-取代酮/醇的方法。利用自然界生物质中广泛存在的醇类化合物为原料通过催化转化得到β-取代酮/醇是一种高效绿色的合成方法，该转化通常只有清洁能源氢气和水作为副产物产生，反应原子经济性高，符合绿色可持续发展的理念。同时，通过对反应条件的调控和催化剂的设计、修饰，反应的选择性易于控制，能够避免副反应的发生。
对于这一高值化反应，在2019年和2021年，Gunanathan和Das课题组分别使用不同的钳形钌化合物，以良好至优异的收率完成了两分子不同二级醇的交叉偶联反应，但其催化体系均只局限于到β-取代酮的转化，无法完成到β-取代醇的反应。目前，尚无使用单一催化体系完成了两分子二级醇到β-取代醇的交叉偶联反应的报道。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高效的二级醇高选择性催化脱氢偶联制备β-取代酮/醇的方法。
本发明首先提供用于二级醇催化转化制备β-取代酮/醇的氮杂环卡宾金属化合物，作为催化剂。
本发明提供二级醇选择性催化转化制备β-取代酮/醇的方法，以芳基二级醇和烷基二级醇作为原料，以(原位生成的)氮杂环卡宾金属化合物为催化剂，以-叔丁醇类碱或氢氧化物作为碱，以三级醇或苯的类似物作为溶剂，在温度80～200℃下密闭反应2～36小时，得到β-取代酮产物；反应结束后，在同一催化体系下，在反应混合物中加入氢源(如异丙醇等)，在30～150℃下密闭反应0.2～24小时，即可得到对应的β-取代醇产物。其反应式为：
其中，Ar选自：邻间对位取代的或未取代的C6-C18芳基、邻间对位取代的或未取代的C4-C16杂芳基，R和R’分别选自相同或不同的：邻间对位取代的或未取代的C6-C18芳基、邻间对位取代的或未取代的C4-C16杂芳基、C1-C12直链烷基、N取代或未取代的胺基，或R和R’共同构成C4-C12的取代或未取代的环烷基、C4-C12的取代或未取代的杂环烷基；
其中，所述的“取代的”是指基团中一个或多个氢原子被选自下组的取代基所取代：卤素、C1-C4烷基、C1-C4卤代烷基、C1-C6烷氧基、N取代胺基。
本发明所述氮杂环卡宾金属化合物为具有如下的结构通式之一的化合物：
式中，M选自VIIIB族过渡金属：Ru、Rh、Ir、Pd、Ni，或其中几种的组合；
L选自环辛二烯、羰基、吡啶、烯丙基、三苯基膦、氢负离子、氯离子、溴离子、碘离子、四氟硼酸根、六氟磷酸根、四氢呋喃、BH4 -、BH4CN-、BH4(Et)3 -、AlH4 -，或其中几种的组合；
X选自氯离子、溴离子、碘离子、四氟硼酸根、六氟磷酸根或六氟锑酸根；
R1，R2分别选自：氢、取代的或未取代的C1-C10烷基、取代的或未取代的C3-C10环烷基、取代的或未取代的C6-C24芳基、取代的或未取代的C7-C25芳基烷基，取代的或未取代的C4-C20杂芳基，其中R1和R2可以相同也可以不同；
Ar’选自：氢、取代的或未取代的C6-C24芳基、取代的或未取代的C4-C20杂芳基；其中，所述的“取代的”是指基团中一个或多个氢原子被选自下组的取代基所取代：卤素、C1-C4烷基、C1-C4卤代烷基、C2-C6烯基、C2-C6炔基、C1-C6烷氧基、胺基、C1-C4羧基、C1-C4酯基。
本发明中，所述的碱选自叔丁醇钠、叔丁醇钾、叔丁醇锂、氢氧化钠、氢氧化钾、一水合氢氧化铯中的一种或几种。
本发明中，所述氮杂环卡宾金属催化剂与二级醇的摩尔比为千分之一至百分之十。优选摩尔比为千分之一至百分之一。
本发明中，所述碱金属的叔丁醇盐、氢氧化物等强碱与二级醇的摩尔比为0.2至5。优选摩尔比为1至3。
本发明中，所述溶剂三级醇或苯的类似物与二级醇的摩尔比为15至200。优选摩尔比为35至100。
本发明中，二级醇催化转化制备β-取代酮，优选反应温度为120-160℃，优选反应时间为8～24小时。
本发明中，一锅两步催化转化制备β-取代醇，所用氢源为异丙醇、乙醇、甲醇等短链烷基一级醇、二级醇类。
本发明中，一锅两步催化转化制备β-取代醇，优选反应温度为80～130℃，优选反应时间为0.5至24小时。
本发明的反应机理如下：
两分子二级醇首先在氮杂环卡宾金属催化剂的作用下发生脱氢生成对应的酮，氮杂环卡宾金属催化剂转化为活性金属氢化物种。两分子酮在碱性环境下，发生羟醛缩合过程脱水得到不饱和烯酮，后者在活性金属氢化物种催化下发生氢化，最终得到β-取代酮产物。
第一步反应结束后，在同一催化体系中，通过加入异丙醇或其他氢源，在氮杂环卡宾金属催化剂的作用下，发生氢转移的过程，实现β-取代酮的氢化，最终得到β-取代醇产物。
本发明反应结束后，通过石油醚和乙酸乙酯进行柱层析分离得到高纯度烷烃产物。
与现有技术相比，本发明提供了一种高产率高选择性的制备β-取代酮和β-取代醇的方法。首先，使用廉价易得的生物质二级醇作为原料，在碱性条件下通过脱氢、偶联、加氢一锅得到了高值化的β-取代酮或β-取代醇。本发明第一次实现铱催化的不同二级醇之间交叉偶联到β-取代酮的转化，同时第一次实现了同一催化体系直接到β-取代醇的一锅两步转化，具有高效和高选择性的优点。经过研究表明，氮杂环卡宾配体上的电性和位阻对催化剂的活性有着明显的关联。首先，氮杂环卡宾有着强的σ-给电子能力和弱的π-接受电子能力，且随着配体的给电子能力进一步增强，位阻进一步增大，催化活性得到明显的提高。
本发明提供的反应方法，底物廉价易得，条件温和，副产物少且绿色清洁，仅有水和氢气作为副产物，反应转化效率高，操作简便，经过简单的处理即可得到高纯度的烷烃产物，适合工业放大和生产。
本发明中所提出的新方法的优点有：
(1)原料二级醇部分可从自然界生物质中提取，来源广泛，廉价易得；
(2)合成路线原子经济性好，副产物少且仅为水和氢气，符合绿色化学和原子经济概念；
(3)该方法可以一锅两步直接制备β-取代醇；
(4)该方法不需要使用有毒、稳定性差、对环境有害的含膦配体，且由于氮杂环卡宾金属催化剂的高活性，所需催化量低，且催化剂自身易于合成，故成本较低。该方法对于环境和工业生产来说都有着一定的应用价值。
附图说明
图1为实施例1中所制备的氮杂环卡宾铱化合物1a的核磁共振氢谱图。
图2为实施例2中所制备的氮杂环卡宾钯化合物1b的核磁共振氢谱图。
图3为实施例3中所制备的氮杂环卡宾铱化合物2a的核磁共振氢谱图。
图4为实施例4中催化剂4a的氮杂环卡宾配体的核磁共振氢谱图。
图5为实施例5中以4a为催化剂的产物的核磁共振氢谱图。
图6为实施例9中R基团为二茂铁的产物的核磁共振氢谱图。
图7为实施例9中R基团为4-甲基的产物的核磁共振氢谱图。
图8为实施例9中R基团为1-萘的产物的核磁共振氢谱图。
图9为实施例9中R基团为4-甲氧基的产物的核磁共振氢谱图。
图10为实施例9中R基团为2-甲基的产物的核磁共振氢谱图。
图11为实施例12中环庚醇产物的核磁共振氢谱图。
图12为实施例12中二苯甲醇产物的核磁共振氢谱图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的各实施方式进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本发明各实施方式中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请各权利要求所要求保护的技术方案。
本发明所述氮杂环卡宾金属化合物具有如下之一的结构通式：
一、氮杂环卡宾金属化合物催化剂的制备。
实施例1，氮杂环卡宾铱化合物1a的制备
反应式为：
氮气条件下，在Schlenk管中加入环辛二烯氯化铱二聚体(0.5mmol)，抽换气三次，加入二氯甲烷和四氢呋喃各10mL，溶液搅拌澄清后加入叔丁醇钾(1mmol)，室温搅拌1小时，加入二甲基咪唑碘盐(1mmol)，室温继续搅拌4小时。反应液旋蒸除去溶剂后进行柱层析分离，真空干燥后得到相应的环辛二烯配位的氮杂环卡宾铱化合物1a。产率：0.40g，76％。
1H NMR(400MHz,DMSO-d6,298K)δ＝7.25(s,2H,ArCH),4.48(s,2H,COD-H),3.75(s,6H,CH3),3.08(s,2H,COD-H),2.03-2.15(m,4H,COD-H),1.60-1.75(m,2H,COD-H),1.28-1.42(m,2H,COD-H)ppm。
实施例2，氮杂环卡宾铱化合物1b的制备
反应式为：
向装有PdCl2(0.088g,0.5mmol)、S(0.55mmol)、K2CO3(0.345g，5.0mmol)和搅拌棒，加入3-氯吡啶(2.0mL)，然后将小瓶盖上玻璃盖，并在90℃下剧烈搅拌加热24小时。冷却至室温后，反应混合物用DCM稀释并通过覆盖有硅藻土垫的短硅胶垫，用DCM洗脱，直到产品完全出来.大部分DCM被去除(旋转蒸发器)室温，然后将3-氯吡啶真空蒸馏(吸水器真空)并保存以供重复使用。用戊烷研磨后分离出纯复合物，倾析上清液并在高真空下干燥，得到黄色固体1b，产率：0.31g,76％。
1H NMR(CDCl3,400MHz,298K):δ＝8.68(d,1H,J＝2.0Hz,ArCH),8.61(d,1H,J＝5.2Hz,ArCH),7.70(d,2H,J＝8.4Hz,ArCH),7.64(t,2H,J＝8.0Hz,ArCH),7.57(d,1H,J＝8.0Hz,ArCH),7.48(d,4H,J＝8.0Hz,ArCH),7.34(t,2H,J＝7.6Hz,ArCH),7.10(dd,1H,J＝8.0Hz,5.6Hz,ArCH),6.80(d,2H,J＝7.32Hz,ArCH),3.45-3.35(m,4H,CH),1.46(d,12H,J＝6.4Hz,CH3),0.92(d,12H,J＝6.4Hz,CH3)。
实施例3，氮杂环卡宾铱化合物2a的制备
反应式为：
氮气条件下，在Schlenk管中加入环辛二烯氯化铱二聚体(0.3mmol)，抽换气三次，加入10mL乙醇，溶液搅拌过程中加入氢化钠(1.2mmol)，室温搅拌1小时。随后加入N-芳基-N-甲基咪唑四氟硼酸盐(2mmol)，室温搅拌过夜。反应液旋干后进行柱层析分离，真空干燥后得到相应的环辛二烯配位的氮杂环卡宾铱化合物。将环辛二烯配位产物(0.3mmol)溶于二氯甲烷(10mL)中，室温持续通入一氧化碳气体4小时。反应结束后，浓缩溶剂至2mL，加入足量乙醚使产品析出，过滤，真空干燥后得到相应的双羰基配位的氮杂环卡宾铱化合物2a。产率：0.28g，66％。
1H NMR(400MHz,DMSO-d6,298K)δ＝7.47(d,2H,J＝1.7Hz,ArCH),7.40(d,2H,J＝1.3Hz,ArCH),7.15(d,4H,J＝8.7Hz,ArCH),6.95-7.01(m,4H,ArCH),3.84(s,6H,OCH3),3.26(s,6H,CH3)ppm。
实施例4，催化剂4a中氮杂环卡宾配体的制备
反应式为：
在100mL圆底烧瓶中加入多聚甲醛(300mg,10mmol)和10mL甲苯，搅拌下待固体部分溶解后，加入第1当量的环己胺(1.15mL,10mmol)，冷却至0℃，并在0℃下加入第2当量的环己胺(1.15mL,10mmol)，继续搅拌10min。反应体系保持在0℃剧烈搅拌条件下逐滴加入50％的四氟硼酸盐水溶液(1.63mL,12.5mmol)，随后升至室温，缓慢滴加40％的乙二醛水溶液(1.14mL,10mmol)。升至50℃，继续反应12小时。反应结束后，过滤，得到固体用甲苯、乙醚分别洗涤后，用乙酸乙酯重结晶得到咪唑盐产物，为白色或淡黄色固体(1.87g,58％)。1HNMR(400MHz,DMSO-d6)δ＝9.24(s,1H),7.90(s,2H),4.20–4.31(m,2H),2.07(d,4H,J＝10.5Hz,ArCH),1.84(d,4H,J＝13.5Hz,ArCH),1.62–1.75(m,6H),1.30–1.45(m,4H),1.17–1.28(m,2H)ppm。
二、二级醇催化脱氢交叉偶联制备β-取代酮。
实施例5，采用不同的催化剂制备二级醇催化脱氢交叉偶联制备β-取代酮
氮气条件下，依次向50mL的Schlenk管中加入氮杂环卡宾金属化合物(0.1mmol)或氮杂环卡宾配体(0.1mmol)和环辛二烯氯化铱二聚体(0.05mmol)，叔丁醇钠(0.5mmol)，甲苯(3mL)，1-苯乙醇(0.5mmol)，环己醇(1.5mmol)。将Schlenk管密闭后，放入油浴中，加热至140℃反应24小时。反应结束后冷却至室温，加入均三甲氧基苯作为内标，用二氯甲烷稀释反应液，用核磁共振氢谱确定反应的产率。其中，氮杂环卡宾配体分别采用实施例1-4制备的1a、1b、2a、4a，结果如表1所示：
表1不同氮杂环卡宾金属催化剂二级醇催化脱氢交叉偶联制备β-取代酮的产率：
催化剂
1a
1b
2a
4a
产率(％)
80
92
81
95
从表1可知，在上述反应条件下，原位生成的氮杂环卡宾铱催化剂4a能更高效的催化二级醇脱氢交叉偶联制备β-取代酮的反应。因此，优选催化剂为4a。使用前面所述的其它氮杂环卡宾金属催化剂，都能得到好的转化效果，这里不一一列举。
实施例6，用不同碱的二级醇脱氢交叉偶联制备β-取代酮
氮气条件下，依次向50mL的Schlenk管中加入N,N-二环己基咪唑四氟硼酸盐(0.1mmol)和环辛二烯氯化铱二聚体(0.05mmol)，碱(0.5mmol)，甲苯(3mL)，1-苯乙醇(0.5mmol)，环己醇(1.5mmol)。将Schlenk管密闭后，放入油浴中，加热至140℃反应24小时。反应结束后冷却至室温，加入均三甲氧基苯作为内标，用二氯甲烷稀释反应液，用核磁共振氢谱确定反应的产率。这里碱分别采用NaOH和NaOtBu，其结果如表2所示：
表2两种碱用于二级醇脱氢交叉偶联制备β-取代酮反应的的产率：
碱
NaOH
NaOtBu
产率(％)
78
95
从表2可知，用叔丁醇钠的产率更高，因此，碱可优选叔丁醇钠。使用前面所述的其它碱，都能得到转化效果，这里不一一列举。
实施例7，用不同溶剂进行二级醇脱氢交叉偶联制备β-取代酮
氮气条件下，依次向50mL的Schlenk管中加入N,N-二环己基咪唑四氟硼酸盐(0.1mmol)和环辛二烯氯化铱二聚体(0.05mmol)，叔丁醇钠(0.5mmol)，溶剂，1-苯乙醇(0.5mmol)，环己醇(1.5mmol)。将Schlenk管密闭后，放入油浴中，加热至140℃反应24小时。反应结束后冷却至室温，加入均三甲氧基苯作为内标，用二氯甲烷稀释反应液，用核磁共振氢谱确定反应的产率。这里溶剂分别甲苯、对二甲苯、1,4-二氧六环，其结果如表3所示：
表3三种溶剂用于二级醇脱氢交叉偶联制备β-取代酮的产率
溶剂(mL)
甲苯
对二甲苯
1,4-二氧六环
产率(％)
95
93
79
从表3可知，甲苯在二级醇脱氢交叉偶联制备β-取代酮的转化效果较好。因此，反应溶剂优选甲苯。使用其它前面所述的溶剂，也都有很好的转化效果，不一一列举。
实施例8，不同反应时间下二级醇脱氢交叉偶联制备β-取代酮
氮气条件下，依次向50mL的Schlenk管中加入N,N-二环己基咪唑四氟硼酸盐(0.1mmol)和环辛二烯氯化铱二聚体(0.05mmol)，叔丁醇钠(0.5mmol)，甲苯(3mL)，1-苯乙醇(0.5mmol)，环己醇(1.5mmol)。将Schlenk管密闭后，放入油浴中，加热至140℃反应不同时间。反应结束后冷却至室温，加入均三甲氧基苯作为内标，用二氯甲烷稀释反应液，用核磁共振氢谱确定反应的产率。这里反应时间分别为12小时、24小时，其结果如表4所示：
表4两种反应时间下二级醇脱氢交叉偶联制备β-取代酮的产率
从表4可知，随着反应时间的延长，二级醇脱氢交叉偶联制备β-取代酮的转化率和产率都在不断提高。因此，优选反应时间为24小时。
实施例9，含有不同芳基的二级醇与环己醇脱氢交叉偶联制备β-取代酮
氮气条件下，依次向50mL的Schlenk管中加入N,N-二环己基咪唑四氟硼酸盐(0.1mmol)和环辛二烯氯化铱二聚体(0.05mmol)，叔丁醇钠(0.5mmol)，甲苯(3mL)，芳基二级醇(0.5mmol)，环己醇(1.5mmol)。将Schlenk管密闭后，放入油浴中，加热至140℃反应24小时。反应结束后冷却至室温，加入均三甲氧基苯作为内标，用二氯甲烷稀释反应液，用核磁共振氢谱确定反应的产率。这里，芳基的R基团分别采用：H、2-Me、3-M、4-Me、1-萘、4-Ph、二茂铁，其结果如表5所示：
表5含不同取代基的芳基二级醇与环己醇脱氢交叉偶联制备β-取代酮的产率
R基团
H
2-Me
3-Me
4-Me
1-萘
4-Ph
二茂铁
产率(％)
95
99
95
96
98
88
90
从表5可知，邻、间、对位各类吸电子、给电子底物、稠环、二茂铁底物能够以较优至优异的产率和选择性完成二级醇脱氢交叉偶联制备β-取代酮的反应。
实施例10，1-苯乙醇与不同二级烷基醇脱氢交叉偶联制备β-取代酮
氮气条件下，依次向50mL的Schlenk管中加入N,N-二环己基咪唑四氟硼酸盐(0.1mmol)和环辛二烯氯化铱二聚体(0.05mmol)，叔丁醇钠(0.5mmol)，甲苯(3mL)，1-苯乙醇(0.5mmol)，烷基二级醇(1.5mmol)。将Schlenk管密闭后，放入油浴中，加热至140℃反应24小时。反应结束后冷却至室温，加入均三甲氧基苯作为内标，用二氯甲烷稀释反应液，用核磁共振氢谱确定反应的产率。这里，二级烷基醇的R基团分别采用：4-Me、4-Et、4,4-2Me、4-tBu、4-OMe、环庚醇，其结果如表6所示：
表6，1-苯乙醇与不同二级烷基醇脱氢交叉偶联制备β-取代酮的产率
从表6可见，二级醇底物中，包括各类取代的环己醇、杂环烷基醇、短链烷基醇等，都能较优至优异的产率完成二级醇的脱氢交叉偶联制备β-取代酮的反应。
三、二级醇脱氢交叉偶联一锅两步制备β-取代醇的反应。
实施例11，二级醇脱氢交叉偶联一锅两步制备β-取代醇的反应
在二级醇脱氢交叉偶联制备β-取代酮的反应结束后，冷却至室温，在氮气条件下，向Schlenk管中加入3mL异丙醇，在油浴中加热至120℃反应0.5小时。反应结束后冷却至室温，加入均三甲氧基苯作为内标，用二氯甲烷稀释反应液，用核磁共振氢谱确定两步反应的总产率87％。
实施例12，不同二级醇底物一锅两步制备β-取代醇
在二级醇脱氢交叉偶联制备β-取代酮的反应结束后，冷却至室温，在氮气条件下，向Schlenk管中加入3mL醇类溶剂，在油浴中加热至120℃反应0.5小时。反应结束后冷却至室温，加入均三甲氧基苯作为内标，用二氯甲烷稀释反应液，用核磁共振氢谱确定两步反应的总产率。结果如表7、表8所示：
表7不同芳基二级醇一锅两步制备β-取代醇的产率
R基团
H
1-萘
4-Me
总产率(％)
87
94
86
表8不同烷基二级醇一锅两步制备β-取代醇的产率
R基团
4，4-2Me
环庚醇
总产率(％)
88
83
。
- 上一篇：一种医用注射器针头装配设备
- 下一篇：一种6-甲氧基-2-萘甲醛的制备方法