磁性磺酸催化生物質(zhì)基呋喃“一鍋多步”合成N-取代吡咯

李 虎，王克平，楊 英，郭珍燕，韋 倩

(1.貴州大學(xué) 綠色農(nóng)藥與農(nóng)業(yè)生物工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地和教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，貴州 貴陽 550025；2. 貴州大學(xué) 生物質(zhì)資源綜合利用國家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，貴州 貴陽 550025；3. 貴州大學(xué) 精細(xì)化工研究開發(fā)中心，貴州 貴陽 550025；4.貴州大學(xué) 化學(xué)與化工學(xué)院，貴州 貴陽 550025)

當(dāng)前，化石能源的過度開采和使用，在滿足人類社會(huì)發(fā)展的同時(shí)，也導(dǎo)致了環(huán)境污染、溫室效應(yīng)等問題。為緩解對(duì)不可再生能源的過分依賴，現(xiàn)有研究多聚焦于綠色可持續(xù)資源(特別是有機(jī)碳)的研發(fā)[1-3]。據(jù)估算，全球每年經(jīng)光合作用生成的生物質(zhì)總量約為1 700億t，所蘊(yùn)含的能量相當(dāng)于世界總能耗的10倍左右；其中，碳水化合物的儲(chǔ)量約占75%的比重[4]。生物質(zhì)因含有機(jī)碳資源豐富、來源廣泛、簡(jiǎn)單易得，故被認(rèn)為是替代不可再生化石資源生產(chǎn)精細(xì)化學(xué)品和液體燃料的最佳選擇[5-9]。

在適宜酸、堿、金屬催化劑的作用下，生物質(zhì)可經(jīng)系列化學(xué)或生物催化轉(zhuǎn)化路徑，制得含氧化合物(如醇、有機(jī)酸、呋喃衍生物、酚類等)[10]。值得注意的是，甲殼素、殼聚糖、蛋白質(zhì)等含氮生物質(zhì)原料，可經(jīng)系列降解并耦合胺化反應(yīng)合成出含氮化合物，如丙烯酰胺、1,4-丁二胺、N-甲基吡咯烷酮、氨基酸等含氮高附加值化合物[11-13]。在眾多含氮化合物中，N-雜環(huán)化合物往往表現(xiàn)出良好的生物活性[14-16]。特別地，吡咯衍生物作為一類重要的五元含氮雜環(huán)骨架，廣泛存在于一系列商品化藥物分子中(例如，用于治療阿爾茨海默病的阿洛西坦、預(yù)防心血管疾病的阿托伐他汀等)，并應(yīng)用于高分子、催化劑、染料、食品、農(nóng)藥等領(lǐng)域[17]。

一般地，N-雜環(huán)化合物的合成過程往往涉及C—N和C—C鍵的形成(例如，胺化、環(huán)加成、縮合等反應(yīng))，其合成方法或工藝往往較含氮直鏈分子更為復(fù)雜[16]。采用石油基化學(xué)品為原料，吡咯衍生物可經(jīng)Paal-Knorr、Barton-Zard、多組分縮合或環(huán)加成等反應(yīng)制得[18-19]。近年來，George W.Huber教授、Ning Yan教授、Sangho Koo教授等國內(nèi)外課題組先后報(bào)道了直接催化甲殼素、蝦殼、甘蔗渣等生物質(zhì)原料合成吡咯衍生物；然而，所得產(chǎn)率往往較低(<20%)，并且反應(yīng)溫度較高(300～600 ℃)[20-23]。轉(zhuǎn)而，曹勇教授、張澤會(huì)教授、Johannes G.de Vries教授等課題組先后選用呋喃、2,5-己二酮等生物質(zhì)平臺(tái)小分子為原料，可在溫和條件下獲得較高的催化胺化活性[24-26]。值得注意的是，上述轉(zhuǎn)化體系所需催化劑多為負(fù)載型貴金屬或均相金屬材料、催化劑，回收步驟繁瑣。與之相比，非貴金屬儲(chǔ)量高、廉價(jià)易得，在催化合成生物質(zhì)基吡咯衍生物方面更具開發(fā)潛能[27-28]。為克服上述催化體系中存在的不足，本文設(shè)計(jì)和制備了一種新型磁性碳基磺酸材料，并成功應(yīng)用于催化生物質(zhì)基2,5-二甲基呋喃與胺類化合物經(jīng)“一鍋多步”反應(yīng)合成出一系列N-取代吡咯衍生物。同時(shí)，該催化反應(yīng)體系表現(xiàn)出易分離回收，合成工藝綠色、可持續(xù)等特點(diǎn)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料

2,5-二甲基呋喃(99%)、FeCl3·6H2O(98%)、殼聚糖(95%)、氨水(AR，25.0%～28.0%)、戊二醛(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%的水溶液)、正硅酸四乙酯(99%)和苯胺(99%)均購于阿拉丁。

1.2 催化劑的準(zhǔn)備

1.2.1磁性Fe3O4的制備

首先，向250 mL的圓底燒瓶中加入5.40 g FeCl3·6H2O、2.78 g FeSO4·7H2O和80 mL去離子水，于室溫下快速攪拌至完全溶解。隨后，用氨水調(diào)節(jié)混合液的pH值至10，并將反應(yīng)體系轉(zhuǎn)移至油浴鍋中，加熱溫度和時(shí)間分別設(shè)定為80 ℃和1.5 h。反應(yīng)結(jié)束、冷卻到室溫后，用磁鐵吸附瓶壁分離出磁性固體沉淀物，并將其置于80 ℃烘箱中干燥6 h，即制得磁性Fe3O4。

1.2.2磁性Fe3O4@SiO2的制備

將上述所制1.0 g Fe3O4、20 mL去離子水、80 mL乙醇和1 mL氨水加入到250 mL的圓底燒瓶中，將反應(yīng)體系磁力攪拌10 min，使顆粒均勻分散。然后，向混合液中，加入1 mL正硅酸四乙酯(TEOS)，在室溫下攪拌6 h，用磁鐵將圓底燒瓶中的固體分離出來，得到的固體用去離子水洗滌1～2次，再用無水乙醇洗2～3次，洗凈后于真空干燥箱80 ℃干燥6 h，即得Fe3O4@SiO2。

1.2.3Fe3O4@SiO2@CS-SO3H的制備

向50 mL 1%的乙酸水溶液中，加入0.5 g殼聚糖(CS)，于室溫下攪拌24 h，使殼聚糖溶解。然后加入1.0 g Fe3O4@SiO2，磁力攪拌10 min，使其分散均勻。隨后，加入5.7 g對(duì)甲基苯磺酸，攪拌10 min后，緩慢加入1 mL戊二醛(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%的水溶液)，并繼續(xù)攪拌3 h，得到凝膠狀固體。過濾分離出固體，置入真空干燥箱80 ℃下干燥6 h，研磨成小顆粒后用無水乙醇洗滌3～4次至中性(pH試紙測(cè)定)。干燥后所得催化劑為Fe3O4@SiO2@CS-SO3H；為便于書寫，催化劑命名為WK-8。

1.3 催化劑表征

采用Tongda TD-3500型X射線衍射儀(Cu Kα 輻射λ=0.154 056 nm)記錄樣品的XRD圖，2θ的范圍為5～80°。采用KBr 360型Nicolet紅外光譜儀獲得樣品的紅外光譜圖，每次自動(dòng)掃描背景，樣品通過KBr壓片后掃描32次，范圍為400～4 000 cm-1。用熱重分析法(TGA，Mettler-TGA/DSC1)測(cè)定了氮?dú)鈿夥障拢瑯悠酚?5～800 ℃溫度下的質(zhì)量損失，升溫速率為10 ℃/min。采用掃描電子顯微鏡(SEM，JSM-6700F，5 kV)觀察催化劑的形貌。利用Thermo ESCALAB 250設(shè)備(Al-Kα陽極，hν=1 253.6 eV)進(jìn)行樣品的X射線光電子能譜(XPS)分析。

1.4 反應(yīng)過程

1 mmol 2,5-二甲基呋喃、1 mmol苯胺或其他類型的芳胺(例如，對(duì)甲氧基苯胺、3-氟苯胺、3-甲氧基苯胺、間甲苯胺、鄰甲苯胺、3-硝基苯胺、4-硝基苯胺、對(duì)三氟甲基苯胺)和4 mg 萘(內(nèi)標(biāo))混合加入到10 mL的反應(yīng)釜中，隨后置入帶有磁力攪拌裝置的恒溫油浴鍋中反應(yīng)1～3 h。反應(yīng)結(jié)束后，將反應(yīng)釜從油浴鍋中取出，并立即放到自來水下沖淋，快速冷卻至室溫。所得的產(chǎn)物用4 mL的無水甲醇稀釋，產(chǎn)物用GC(Agilent GC6890, HP-Innowax 19091 N-113,30 m×0.32 mm×0.25 μm)來定量分析。

2 結(jié)果和討論

2.1 催化劑的結(jié)構(gòu)表征

圖1(a)是催化劑WK-8的FT-IR光譜圖。在569 cm-1處是Fe3O4的Fe—O鍵振動(dòng)吸收峰[29]，1 531 cm-1和1 379 cm-1處分別為N—H和C—O鍵的振動(dòng)峰，以及3 378 cm-1處是O—H的伸縮振動(dòng)峰[30]。上述紅外光譜結(jié)果證實(shí)CS成功地包裹在Fe3O4的納米微球上。此外，—SO3H的特征吸收峰出現(xiàn)在1 180 cm-1和1 040 cm-1附近[31-33]，表明磺酸基團(tuán)成功地負(fù)載到Fe3O4@SiO2上。

TGA曲線如圖1(b)所示。WK-8催化劑在溫度為0～800 ℃的范圍內(nèi)發(fā)生了失重和分解，且可初步分為3個(gè)階段。首先，在溫度為0～200 ℃范圍內(nèi)，催化劑的質(zhì)量降低了5.37%,可歸結(jié)為樣品中殘留水分和殼聚糖上羥基的丟失[29]；其次，在溫度為200～500 ℃范圍內(nèi)，失重43.61%，可歸因于有機(jī)物組分的分解[34]；再次，在溫度為500～800 ℃范圍內(nèi)，失重5.7%，主要是由于部分Fe3O4在高溫下發(fā)生了分解。鑒于催化合成吡咯衍生物的體系所需反應(yīng)溫度不高于170 ℃，WK-8催化劑可在相應(yīng)反應(yīng)條件下保持良好的穩(wěn)定性。

XRD曲線如圖1(c)所示。2θ為30.2°、35.6°、43.3°、57.3°和62.9°處的衍射峰依次歸為Fe3O4的(220)、(311)、(400)、(511)和(440)晶面，與標(biāo)準(zhǔn)Fe3O4(JCPDS數(shù)據(jù)庫，190629)和γ-Fe2O3(JCPDS數(shù)據(jù)庫，895894)的衍射峰完全吻合[35-42]。從XPS全譜可以看出鐵、氧、碳、氮、硫、硅為WK-8催化劑的主要元素(圖1(e))。催化劑WK-8的Fe2p XPS窄譜(圖1(f))再次確證Fe3O4的存在：Fe2p3/2(710.9 eV)和Fe2p1/2(724.3 eV)。

由NH3-TPD圖譜(圖1(d))可以看出，WK-8催化劑在解吸溫度為110～200 ℃、200～350 ℃和350～550 ℃附近出現(xiàn)了3組峰，分別對(duì)應(yīng)于弱酸位點(diǎn)、中酸位點(diǎn)和強(qiáng)酸位點(diǎn)，并且測(cè)得總酸量為3.474 mmol/g。

圖1 WK-8表征圖譜

催化劑磁性吸附分離示意如圖2所示。從圖2可以看出，WK-8具有磁性，用磁鐵能將其快速地從體系中吸附分離出來。

圖2 催化劑磁性吸附分離示意圖

從WK-8的SEM掃描圖(圖3)觀察到其表面相對(duì)無孔，且呈塊狀分布。

圖3 催化劑WK-8的SEM圖

2.2 反應(yīng)條件優(yōu)化

2.2.1反應(yīng)溫度

由圖4(a)可以看出：在WK-8的催化作用下，2,5-二甲基呋喃和苯胺于110 ℃溫度下反應(yīng)2.5 h，所生成2,5-二甲基-N-苯基吡咯的產(chǎn)率僅為23.9%；當(dāng)溫度升至130 ℃時(shí)，產(chǎn)率可達(dá)75.6%。由此可見，該級(jí)聯(lián)反應(yīng)對(duì)溫度較敏感。推測(cè)是因?yàn)檗D(zhuǎn)化過程可分為開環(huán)、關(guān)環(huán)、脫水等多步反應(yīng)，升高溫度尤其有利于反應(yīng)體系開環(huán)、脫水。進(jìn)一步地，反應(yīng)溫度由130 ℃增加到170 ℃，產(chǎn)率也相應(yīng)提升(約13%)。鑒于后續(xù)增加幅度不大，170 ℃選為進(jìn)一步優(yōu)化的最佳反應(yīng)溫度。

2.2.2反應(yīng)時(shí)間

在170 ℃反應(yīng)溫度下，以0.5 h為區(qū)間設(shè)置6個(gè)時(shí)間段優(yōu)化反應(yīng)時(shí)間。從圖4(b)可以看出，時(shí)間從1 h延長(zhǎng)到2.5 h，2,5-二甲基-N-苯基吡咯的產(chǎn)率相應(yīng)地由64.4%增加到88.9%。鑒于酸催化2,5-二甲基呋喃開環(huán)轉(zhuǎn)化為2,5-己二酮的反應(yīng)過程可逆，可通過適當(dāng)延長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間和加水促進(jìn)其向正反應(yīng)方向發(fā)生。值得注意的是，持續(xù)延長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間至3 h，2,5-二甲基-N-苯基吡咯的產(chǎn)率為76.9%，相比于2.5 h所得產(chǎn)率略有下降?？赡茉蚴沁量┭苌镌谒嵝詶l件下不穩(wěn)定，易分解轉(zhuǎn)化為其他含氮化合物。因此，最佳反應(yīng)時(shí)間選定為2.5 h。

2.2.3含水量

如圖4(c)所示：隨著含水量的增加(0～200 μL)，目標(biāo)產(chǎn)率也逐漸升高；但當(dāng)加入水量超過200 μL時(shí)，所得2,5-二甲基-N-苯基吡咯的產(chǎn)率反而下降。這一結(jié)果很好地反映了2,5-二甲基呋喃開環(huán)合成2,5-己二酮的轉(zhuǎn)化過程是可逆的；其中，水即作為反應(yīng)物摻入開環(huán)過程，又作為生成物抑制脫水過程。顯然，過量水雖然促進(jìn)了2,5-己二酮的生成，但抑制了下游Paal-Knorr反應(yīng)的發(fā)生。因此，選出一個(gè)合適的含水量對(duì)提高2,5-二甲基-N-苯基吡咯的產(chǎn)率極為關(guān)鍵，相比而言，使用200 μL去離子水最為合適。

2.2.4催化劑用量

催化劑的制備成本一般較高，少量、高效、可重復(fù)使用是衡量一種催化劑能否適用于反應(yīng)體系的重要指標(biāo)。在優(yōu)化催化劑用量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)范圍為5%～20%)的實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，適量增加催化劑用量，活性位點(diǎn)數(shù)隨之增加，催化效率也明顯升高。如圖4(d)所示，當(dāng)催化劑用量增加到質(zhì)量分?jǐn)?shù)15%(即14.4 mg)時(shí)，2,5-二甲基-N-苯基吡咯的產(chǎn)率達(dá)到最高(為88.9%)。然而，繼續(xù)增加WK-8催化劑用量時(shí)，產(chǎn)率略有所下降(如用量為質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%時(shí)，產(chǎn)率為76.7%)。原因可能是過量催化劑磺酸位點(diǎn)會(huì)誘發(fā)終產(chǎn)物的進(jìn)一步轉(zhuǎn)化或者降解反應(yīng)，進(jìn)而降低其收率。因此，選擇14.4 mg的催化劑用量更適于本反應(yīng)體系的后續(xù)優(yōu)化。

圖4 2,5-二甲基呋喃與苯胺反應(yīng)的單因素優(yōu)化

2.2.5不同類型酸催化性能比較

表1 不同催化劑催化2,5-二甲基呋喃與苯胺的活性對(duì)比

2.2.6溶劑種類

以2,5-二甲基呋喃和苯胺的反應(yīng)為模型反應(yīng)，研究了9種有機(jī)溶劑對(duì)反應(yīng)的影響。如表2所示，非質(zhì)子極性或低極性有機(jī)溶劑如N,N-二甲基甲酰胺、二氯甲烷和環(huán)己烷，WK-8催化所得2,5-二甲基-N-苯基吡咯的產(chǎn)率最高只有11.4%。相反地，質(zhì)子溶劑如甲醇、正丁醇、異丙醇，所得2,5-二甲基-N-苯基吡咯的產(chǎn)率高達(dá)77.5%～88.9%。同時(shí)，質(zhì)子類有機(jī)溶劑對(duì)本體系的影響表現(xiàn)為，極性越強(qiáng)，目標(biāo)產(chǎn)物的產(chǎn)率越高?？梢酝茰y(cè)，對(duì)Paal-Knorr反應(yīng)而言，強(qiáng)極性質(zhì)子溶劑更有利于質(zhì)子酸在催化體系中的傳輸，進(jìn)而極大促進(jìn)反應(yīng)的發(fā)生。因此，選擇甲醇作為最佳有機(jī)溶劑。

表2 溶劑對(duì)2,5-二甲基呋喃與苯胺反應(yīng)的影響

2.2.7反應(yīng)機(jī)理

圖5 催化2,5-二甲基呋喃與苯胺合成2,5-二甲基-1-苯基吡咯的機(jī)理示意圖

2.3 底物拓展

基于上述最優(yōu)反應(yīng)條件(170 ℃、2.5 h、WK-8為催化劑)，催化采用等摩爾的2,5-二甲基呋喃與不同結(jié)構(gòu)的苯胺(含鄰位、間位、對(duì)位取代苯胺)縮合反應(yīng)制備2,5-二甲基-N-芳基吡咯，如圖6所示。

反應(yīng)條件：1 mmol 2,5-二甲基呋喃，1 mmol芳胺，2 mL甲醇，200 μL H2O，14.4 mg WK-8催化劑，170 ℃，2.5 h，4 mg萘作為內(nèi)標(biāo)。

由圖6可以看出：甲基取代基無論在苯胺鄰位、間位都能選擇性地與2,5-二甲基呋喃催化轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的甲基取代吡咯(鄰位78.3%、間位82.5%)；甲氧基取代基在苯胺間位、對(duì)位的也能轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的吡咯衍生物(間位53.2%、對(duì)位46.7%)。結(jié)果表明，該催化轉(zhuǎn)化工藝不僅適于2,5-二甲基-1-苯基吡咯的合成，在適宜反應(yīng)條件下，也可催化制備其他N-取代吡咯衍生物。

3 結(jié)論

本文研究制備了一種新型的催化性能優(yōu)異的磁性碳基磺酸催化劑(WK-8)，具體表現(xiàn)為：一方面，能有效催化生物質(zhì)基2,5-二甲基呋喃與取代苯胺制備出一系列2,5-二甲基-N-芳基吡咯；另一方面，系列表征手段證實(shí)該催化劑性質(zhì)穩(wěn)定，在外加磁場(chǎng)下易于從反應(yīng)體系中分離回收?？刂茖?shí)驗(yàn)證實(shí)2,5-二甲基呋喃的呋喃開環(huán)為級(jí)聯(lián)反應(yīng)的決速步，2,5-己二酮為反應(yīng)的關(guān)鍵中間體。在WK-8催化劑Brnsted酸位點(diǎn)的作用下，水的加入能顯著促進(jìn)開環(huán)反應(yīng)的發(fā)生，進(jìn)而高效合成出目標(biāo)產(chǎn)物2,5-二甲基-N-芳基吡咯。該磁性碳基磺酸催化劑制備工藝簡(jiǎn)單、可持續(xù)，克服了傳統(tǒng)催化材料回收程序繁瑣、制備成本高等問題。