质子型离子液体[HDBN][2-PyOH]及其制备和应用
阅读说明：本技术 质子型离子液体[HDBN][2-PyOH]及其制备和应用 (Proton type ionic liquid (HDBN) (2-PyOH), and preparation and application thereof ) 是由 李军 苏铁柱 陈嘉雯 郑啸天 彭丽 苏玉忠 于 2021-07-21 设计创作，主要内容包括：质子型离子液体[HDBN][2-PyOH]及其制备和应用,属于催化剂技术领域；采用1,5-二氮杂双环[4.3.0]壬-5-烯与2-羟基吡啶反应制备得到质子型离子液体[HDBN][2-PyOH]；该离子液体作为催化剂可以催化CO-(2)与邻氨基苯腈类化合物在温和的条件下高效地反应得到一系列喹唑啉-2,4(1H,3H)-二酮类化合物。该质子型离子液体催化剂具有合成工艺简单、催化性能优异、底物拓展能力好、产物易于分离等优势,具备很好的工业应用前景。(Proton type ionic liquid (HDBN)][2‑PyOH]And preparation and application thereof, belonging to the technical field of catalysts; using 1, 5-diazabicyclo [4.3.0]]Reacting non-5-alkene with 2-hydroxypyridine to prepare proton type ionic liquid (HDBN)][2‑PyOH](ii) a The ionic liquid can be used as a catalyst for catalyzing CO 2 The compound reacts with o-aminobenzonitrile compounds efficiently under mild conditions to obtain a series of quinazoline-2, 4(1H,3H) -diketone compounds. The proton type ionic liquid catalyst has the advantages of simple synthesis process, excellent catalytic performance, good substrate expansion capability, easy product separation and the like, and has good industrial application prospect.)
技术领域
本发明涉及化工催化领域，尤其涉及质子型离子液体[HDBN][2-PyOH]及其制备和应用。
背景技术
二氧化碳(CO2)是主要的温室气体之一，但与此同时，它也是一种无毒、价格低廉、丰富且可再生的C1资源；利用CO2为原料可以合成尿素、环碳酸酯、喹唑啉-2,4(1H,3H)-二酮等高附加值的精细化学品([J].Green Chemistry,2019,21(10):2544-2574；[J].Angewandte Chemie International Edition,2020,132(3):1014-1029)。其中，喹唑啉-2,4(1H,3H)-二酮化合物是一类有良好生物活性的重要的药物中间体，可用于合成多种具有治疗糖尿病、高血压疗效的药物，如折那司他(Zenarestat)、布那唑嗪(Bunazosin)、哌唑嗪(Prazosin)等([J].Synthesis,2007,16:2524-2528)。然而，传统上合成喹唑啉-2,4(1H,3H)-二酮类化合物往往要使用光气、氰酸钾、草酰氯等作原料([J].Bioorganic&MedicinalChemistry,2014,22(24):6965-6979；[J].Journal of Medicinal Chemistry,2016,59(18):8422-8440；[J].Synthetic Communications,2018,48(10):1183-1189)。这些原料由于具有很强的毒性和对环境较大的危害性，因此传统的合成方法在实际应用中受到了很大限制。而与之相比，采用CO2与邻氨基苯腈类化合物作为反应物来制备喹唑啉-2,4(1H,3H)-二酮类化合物，不仅有效地利用了CO2，而且反应没有任何副产物生成，原子利用率达到了100％，符合绿色化学的理念。
但由于CO2有较高的热力学稳定性，在无催化剂条件下，该反应很难进行。据此，针对该反应目前已开发出了多种催化剂，如MgO/ZrO2、四甲基胍、有机超碱功能化的磁性纳米颗粒等。然而这些催化剂往往存在制备复杂，催化活性低，反应条件严苛，底物拓展性差等问题，从而限制了它们的实际应用。因此，发展一种制备方法简单，同时能在相对温和的反应条件下就可以展现出较高催化活性以及良好底物拓展性的催化剂具有十分重要的意义。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术中的上述问题，提供质子型离子液体[HDBN][2-PyOH]及其制备和应用，采用1,5-二氮杂双环[4.3.0]壬-5-烯(DBN)与2-羟基吡啶(2-PyOH)反应得到质子型离子液体[HDBN][2-PyOH]；在该离子液体作为催化剂条件下，CO2与邻氨基苯腈类化合物可以在温和的条件下高效地反应得到一系列喹唑啉-2,4(1H,3H)-二酮类化合物。该质子型离子液体催化剂具有合成工艺简单、催化性能优异、底物拓展性佳、产物易于分离等优势，在药物合成领域具有重要意义。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
质子型离子液体[HDBN][2-PyOH]，其阳离子和阴离子结构分别如式I和式II所示：
上述质子型离子液体的制备方法，包括以下步骤：将DBN与2-PyOH在溶剂回流条件下混合并充分反应；待反应结束后，减压蒸馏除去溶剂并真空干燥制备得到所述质子型离子液体。
所述的制备方法，DBN与2-PyOH的摩尔比为1.0:0.7～1.0:1.6，采用甲醇做溶剂，反应温度为50～80℃，反应时间为10～16h。
本发明所述的质子型离子液体可作为催化剂应用于CO2与邻氨基苯腈类化合物反应来合成喹唑啉-2,4(1H,3H)-二酮类化合物，反应通式为：
其中，R基团选自-H、-Cl、-F、-CH3、-OCH3。
上述合成方法，包括以下步骤：在前述发明所提供的质子型离子液体做催化剂的条件下，将CO2通入加有邻氨基苯腈类化合物和溶剂的高压釜，并调节减压阀至一定压力，随后将高压釜置于恒定温度的水浴锅中进行反应，待反应结束后，加入去离子水，离心分离出沉淀，用叔丁基甲醚充分洗涤沉淀后真空干燥制备得到喹唑啉-2,4(1H,3H)-二酮类化合物。
所述的合成方法，质子型离子液体催化剂与邻氨基苯腈类化合物的摩尔比为1.0:0.8～1.0:2.5，反应选用的溶剂为二甲基亚砜(DMSO)，反应温度为50～80℃，反应压力为0.2～1.0MPa，反应时间为3～8h。
所述的合成方法，所用的邻氨基苯腈类化合物选自下述各式中的至少一种：
相对于现有技术，本发明技术方案取得的有益效果是：
本发明提供的质子型离子液体催化剂制备方法简单，制备过程无副产物生成，不存在分离提纯问题；同时与现有报道的大多数催化剂较高的反应条件(反应温度80～130℃；反应压力2～10MPa；反应时间8～24h)相比，该催化剂在非常温和的反应条件下就能展现出极高的催化活性(如在反应温度60℃、反应压力0.3MPa、反应时间4h条件下，可以达到97％的反应收率)以及良好的底物拓展性，且产物易于分离，整个过程绿色环保高效，具有很好的工业应用前景。
具体实施方式
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚、明白，以下结合实施例，对本发明做进一步详细说明。
实施例1制备质子型离子液体[HDBN][2-PyOH]并将其应用于制备喹唑啉-2,4(1H,3H)-二酮。
称取0.476g(5mmol)的2-羟基吡啶将其溶于30ml甲醇中，然后在搅拌状态下缓慢滴加0.621g(5mmol)的1,5-二氮杂双环[4.3.0]壬-5-烯，待两者充分混合后，将温度升至70℃，冷凝回流反应14h；待反应结束后，减压蒸馏除掉溶剂，并将产物真空干燥10h，制备得到质子型离子液体[HDBN][2-PyOH]，反应产物通过核磁谱图确定结构。
核磁结果：1H NMR(500MHz,DMSO-d6)δ7.44(dd,J＝6.3,2.3Hz,1H),7.36(ddd,J＝8.9,6.5,2.2Hz,1H),6.28(dd,J＝9.1,1.1Hz,1H),6.13(td,J＝6.4,1.3Hz,1H),3.22(t,J＝6.9Hz,2H),3.14(dt,J＝11.8,6.0Hz,4H),2.32(t,J＝7.9Hz,2H),1.82(p,J＝7.2Hz,2H),1.66(p,J＝5.9Hz,2H).13C NMR(126MHz,DMSO-d6)δ164.00,160.32,140.86,137.42,119.63,105.49,51.32,43.00,42.88,30.77,20.82,19.58.
由上可知，该产物结构正确，为质子型离子液体[HDBN][2-PyOH]。将其应用于催化邻氨基苯腈与CO2反应制备喹唑啉-2,4(1H,3H)-二酮。
称取0.160g(1.35mmol)的邻氨基苯腈，将其加入带有聚四氟乙烯内衬，容积为10ml的不锈钢高压釜中，然后加入3ml DMSO溶剂，并滴加0.297g(1.35mmol)的质子型离子液体[HDBN][2-PyOH]作为反应催化剂；随后将高压釜密封，并通入CO2气体吹扫10min，保证充分排尽釜内空气，然后调节减压阀至0.3MPa，并将高压釜置于60℃的恒温水浴锅中，搅拌进行反应。反应4h后，缓慢排出釜内气体，待反应釜冷却至室温后加入0.228g(1.35mmol)3,5-二甲氧基苄醇作为内标物，随后加入一定量的去离子水，离心分离出沉淀，并用叔丁基甲醚洗涤，真空干燥10h，制备得到喹唑啉-2,4(1H,3H)-二酮，反应产物通过核磁谱图确定结构并通过核磁内标法计算反应收率。
核磁结果：1H NMR(500MHz,DMSO-d6)δ11.21(s,2H),7.89(dd,J＝7.9,1.5Hz,1H),7.64(td,J＝7.8,1.6Hz,1H),7.18(t,J＝8.7Hz,2H).13C NMR(126MHz,DMSO-d6)δ163.30,150.76,141.33,135.43,127.42,122.79,115.78,114.79.
由上可知，该产物结构正确，为喹唑啉-2,4(1H,3H)-二酮，反应收率为97％。
实施例2制备喹唑啉-2,4(1H,3H)-二酮
采用与实施例1中制备喹唑啉-2,4(1H,3H)-二酮步骤中除温度外相同的实验方法，然后改变反应温度为45℃，反应收率为48％。
实施例3制备喹唑啉-2,4(1H,3H)-二酮
采用与实施例1中制备喹唑啉-2,4(1H,3H)-二酮步骤中除温度外相同的实验方法，然后改变反应温度为50℃，反应收率为67％。
实施例4制备喹唑啉-2,4(1H,3H)-二酮
采用与实施例1中制备喹唑啉-2,4(1H,3H)-二酮步骤中除温度外相同的实验方法，然后改变反应温度为55℃，反应收率为83％。
实施例5制备喹唑啉-2,4(1H,3H)-二酮
采用与实施例1中制备喹唑啉-2,4(1H,3H)-二酮步骤中除温度外相同的实验方法，然后改变反应温度为65℃，反应收率为100％。
实施例6制备喹唑啉-2,4(1H,3H)-二酮
采用与实施例1中制备喹唑啉-2,4(1H,3H)-二酮步骤中除压力外相同的实验方法，然后改变反应压力为0.1MPa，反应收率为63％。
实施例7制备喹唑啉-2,4(1H,3H)-二酮
采用与实施例1中制备喹唑啉-2,4(1H,3H)-二酮步骤中除压力外相同的实验方法，然后改变反应压力为0.2MPa，反应收率为83％。
实施例8制备喹唑啉-2,4(1H,3H)-二酮
采用与实施例1中制备喹唑啉-2,4(1H,3H)-二酮步骤中除压力外相同的实验方法，然后改变反应压力为0.4MPa，反应收率为100％。
实施例9制备喹唑啉-2,4(1H,3H)-二酮
采用与实施例1中制备喹唑啉-2,4(1H,3H)-二酮步骤中除反应时间外相同的实验方法，然后改变反应时间为2h，反应收率为72％。
实施例10制备喹唑啉-2,4(1H,3H)-二酮
采用与实施例1中制备喹唑啉-2,4(1H,3H)-二酮步骤中除反应时间外相同的实验方法，然后改变反应时间为3h，反应收率为90％。
实施例11制备喹唑啉-2,4(1H,3H)-二酮
采用与实施例1中制备喹唑啉-2,4(1H,3H)-二酮步骤中除反应时间外相同的实验方法，然后改变反应时间为5h，反应收率为100％。
实施例12制备6-氟喹唑啉-2,4(1H,3H)-二酮
采用与实施例1中制备喹唑啉-2,4(1H,3H)-二酮步骤中完全相同的实验方法，然后改变反应物为2-氨基-5-氟苯腈，反应产物通过核磁谱图确定结构。
核磁结果：1H NMR(500MHz,DMSO-d6)δ11.33(s,2H),7.70–7.46(m,2H),7.22(dd,J＝8.9,4.4Hz,1H).13C NMR(126MHz,DMSO-d6)δ162.57,150.52,138.04,123.49,123.29,118.08,112.54,112.35.
由上可知，该产物结构正确，为6-氯喹唑啉-2,4(1H,3H)-二酮，反应收率为100％。
实施例13制备6-氯喹唑啉-2,4(1H,3H)-二酮
采用与实施例1中制备喹唑啉-2,4(1H,3H)-二酮步骤中完全相同的实验方法，然后改变反应物为2-氨基-5-氯苯腈，反应产物通过核磁谱图确定结构。
核磁结果：1H NMR(500MHz,DMSO-d6)δ11.38(s,2H),7.82(d,J＝2.6Hz,1H),7.69(dd,J＝8.7,2.6Hz,1H),7.19(d,J＝8.8Hz,1H).13C NMR(126MHz,DMSO-d6)δ162.20,150.51,140.55,137.99,129.39,118.25,116.69,114.30.
由上可知，该产物结构正确，为6-氯喹唑啉-2,4(1H,3H)-二酮，反应收率为100％。
实施例14制备6-甲基喹唑啉-2,4(1H,3H)-二酮
采用与实施例1中制备喹唑啉-2,4(1H,3H)-二酮步骤中完全相同的实验方法，然后改变反应物为2-氨基-5-甲基苯腈，反应产物通过核磁谱图确定结构。
核磁结果：1H NMR(500MHz,DMSO-d6)δ11.14(s,2H),7.69(d,J＝2.0Hz,1H),7.46(dd,J＝8.3,2.1Hz,1H),7.07(d,J＝8.3Hz,1H),2.32(s,3H).13C NMR(126MHz,DMSO-d6)δ163.30,150.74,139.17,136.42,132.00,126.92,115.74,114.62,20.67.
由上可知，该产物结构正确，为6-甲基喹唑啉-2,4(1H,3H)-二酮，反应收率为92％。
实施例15制备7-甲基喹唑啉-2,4(1H,3H)-二酮
采用与实施例1中制备喹唑啉-2,4(1H,3H)-二酮步骤中完全相同的实验方法，然后改变反应物为2-氨基-4-甲基苯腈，反应时间为6h，反应产物通过核磁谱图确定结构。
核磁结果：1H NMR(500MHz,DMSO-d6)δ11.20(s,1H),11.09(s,1H),7.79(d,J＝8.0Hz,1H),7.06–6.91(m,2H),2.38(s,3H).13C NMR(126MHz,DMSO-d6)δ163.16,150.91,146.06,141.40,127.38,124.12,115.51,112.51,21.90.
由上可知，该产物结构正确，为7-甲基喹唑啉-2,4(1H,3H)-二酮，反应收率为90％。
实施例16制备6,7-二甲氧基喹唑啉-2,4(1H,3H)-二酮
采用与实施例1中制备喹唑啉-2,4(1H,3H)-二酮步骤中完全相同的实验方法，然后改变反应物为2-氨基-4,5-二甲氧基苯腈，反应时间为6h，反应产物通过核磁谱图确定结构。
核磁结果：1H NMR(500MHz,DMSO-d6)δ11.05(s,2H),7.28(s,1H),6.70(s,1H),3.84(s,3H),3.80(s,3H).13C NMR(126MHz,DMSO-d6)δ162.88,155.39,150.87,145.50,137.03,107.66,106.68,98.25,56.28,56.19.
由上可知，该产物结构正确，为6,7-二甲氧基喹唑啉-2,4(1H,3H)-二酮，反应收率为92％。
本发明所述的质子型离子液体催化剂制备方法简单，且在CO2与邻氨基苯腈类化合物转化生成喹唑啉-2,4(1H,3H)-二酮类化合物的反应中展现出优异的催化性能，在非常温和的反应条件下可以实现较高的产物收率，并有良好的底物拓展性，整个过程绿色环保高效，具有很好的工业应用前景。
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