2. 武汉理工大学 材料科学与工程学院, 湖北 武汉430070;
3. 山西工程技术学院 材料科学与工程系, 山西 阳泉045000
2. School of Materials Science and Engineering, Wuhan University of Technology, Wuhan 430070, China;
3. Department of Materials Science and Engineering, Shanxi Institute of Technology, Yangquan 045000, China
恶唑烷酮作为一类关键的杂环骨架, 广泛存在于各类天然产物、药物以及众多具有生物活性的分子之中[1−2]. 在有机合成领域, 其独特的结构赋予了相关化合物出色的反应活性与选择性, 常被用于构建复杂有机分子, 推动着有机合成化学向更高效、更精准的方向发展[3−4]. 恶唑烷酮类化合物在医药领域也展现出显著的应用价值. 其抗菌衍生物通过选择性抑制细菌核糖体50S亚基的蛋白质生物合成途径, 对革兰阳性球菌表现出强效抗菌活性, 已成为抗感染治疗的重要药物[5]. 该结构单元也被应用于广谱抗癌药物卡莫司汀的分子构建中[6].
然而, 传统合成恶唑烷酮的工艺仍存在诸多局限性: 首先, 其反应条件严苛, 常需要高温高压环境, 这不仅对设备要求较高, 还导致能源大量消耗, 显著增加了工业化生产成本. 更为突出的是, 这些工艺过程经常大量使用溶剂或添加剂, 导致反应的原子经济性降低, 同时产生一系列难以处理的副产物, 对环境造成沉重负担. 因此, 亟待开发温和条件下高原子经济性的绿色合成新工艺.
近年来, 利用炔丙胺和二氧化碳(CO2)合成恶唑烷酮成为一个热门话题. 炔丙胺分子中炔基与氨基通过三碳骨架相连, 形成独特的双功能反应位点, 氨基的亲核特性可定向活化CO2生成氨基甲酸酯中间体, 而炔基的π键则为环化过程提供反应位点, 二者的环合反应无副产物, 因此非常适用于构建恶唑烷酮骨架. 最早报道这种环化反应的是 Tohru Yamada 等使用二甲基亚砜作为溶剂, 醋酸银作为催化剂, 可以高收率地获得一系列目标恶唑烷酮[7]. 2015年, Han 等[8]报道了由一系列质子型离子液体(PIL)催化的2-氧恶唑烷酮的合成. 2021年, Alejandro 等[9]报道了一种新的 N-杂环卡宾(NHC)银羧酸盐复合物 BPDPrAgO2C-R 和一种碱催化剂对目标反应表现出优异的催化活性. 2023年, Cui等[10]报道了CO2与炔丙醇和炔丙胺的环化反应可以同时被一种金属-有机框架复合铜催化剂和有机碱 1,8-二氮杂双环[5.4.0]十一碳-7-烯(DBU)催化. 2024年, Qin 等[11]使用 Cu38 纳米簇和添加剂三乙胺实现了该环加成反应的高效转化.
尽管近年来这一领域取得了显著进展, 但仍存在一些缺陷阻碍其进一步的应用. 例如, 上述催化剂通常使用 DMSO、CDCl3、CH3CN、DCM 作为溶剂, 且需要有机碱或添加剂才能获得目标产物. 使用离子液体(ILs)催化剂可以避免这些问题. ILs 是一系列在室温或接近室温下为液态的化合物, 由阳离子和阴离子组成[12−14]. ILs 的结构和性质可以很容易地进行修饰, 因此通过调控, 可以应用于CO2的吸附和活化[15−20]. 在炔丙胺和CO2的环化反应中, ILs可以同时用作溶剂和催化剂, 避免了传统有机溶剂和添加剂的使用. 然而, 尽管 ILs 通常被认为是“绿色”的, 但这种“绿色”的概念在多数情况下指代其不挥发性[21−22]. 事实上, 很多 ILs 在接触到人体时, 具有腐蚀性和毒性, 这限制了它们的进一步应用[23−24].
胆碱(Choline)作为电中性季铵两性分子, 其核心生理功能集中于磷脂代谢过程[25]. 分子拓扑分析显示其特征结构为N,N,N-三甲基羟乙基铵阳离子, 其中心氮原子通过sp³杂化形成四面体构型, 与三个甲基及羟乙基共价连接. 毒理学研究证实, 基于胆碱阳离子的离子液体具有更高的生态安全阈值, 且在土壤环境中表现出生物降解, 凸显其作为绿色溶剂体系的优势[26−27]. 维生素B类衍生物(Vitamin B)是一系列水溶性辅酶前体, 是人体内糖类、脂肪、蛋白质等代谢时不可缺少的物质. 根据前人的工作, 胆碱和维生素B类衍生物可以构建一系列功能化的离子液体([Ch][VBx]), 这些离子液体的体外实验数据也证实它们具有低毒性和优良的生物相容性[28]. 而且, 维生素B类衍生物的分子骨架中包含多羟基/氨基结构, 可与CO2形成多重氢键网络, 因此, 这类离子液体具备固定和活化CO2的潜力. 然而, 目前这类极具潜力的胆碱-维生素基离子液体尚未被应用于催化CO2和炔丙胺类化合物的相关反应.
基于此, 本研究开发了一种胆碱-维生素基离子液体/AgOAc协同催化体系, 在较为温和条件下催化炔丙胺与CO2高效环合生成恶唑烷酮类化合物, 该体系具有良好的催化活性与底物普适性. 此外, 还通过核磁共振研究了这类离子液体在反应过程中的作用机制, 为CO2资源化利用及绿色药物合成提供了新策略.
1 实验部分 1.1 试剂与仪器若无特殊说明, 实验中所使用的炔丙胺底物、金属盐及合成离子液体所需药品均购买自阿拉丁、麦克林、阿达玛斯等公司, 且无需进一步纯化. CO2(纯度99.9%)、氩气、氮气等气体均订购于武汉市翔云公司. 柱层析实验中所使用的硅胶粉、硅胶板, 以及各种有机溶剂均通过常规渠道购买.
采用PL-HE-3GB型手套箱系统进行试剂称量及反应体系搭建, 确保实验全程无水无氧. 化合物结构表征使用Bruker公司Avance III HD 500 MHz核磁共振波谱仪完成, 实现测定反应底物、中间体及产物的分子结构, 并提供可靠的定量分析数据等目标. 核磁共振谱图解析以氘代试剂的特征峰作为内标进行化学位移校正: 在1H NMR谱图中, 氘代氯仿(CDCl3)和氘代二甲亚砜(DMSO-d6)的溶剂峰分别位于7.26和2.50; 在13C NMR谱图中, 其对应的特征峰则分别出现在77.0和39.9处. 所有测试均在25 ℃恒温条件下进行, 以确保数据的准确性和可重复性.
1.2 银盐/离子液体合成与催化反应本实验涉及的离子液体均参照文献[29−32]报道的方法进行合成, 所合成的离子液体各组成结构如图1所示. 大部分炔丙胺类底物可以在各制药公司处购买得到, 底物1e、1f需要自行合成, 合成方法参考相关文献[33−34], 所得产物经核磁表征与文献[35−36]一致.
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图 1 离子液体的阴、阳离子结构示意图 Fig.1 The anion and cation structures of ionic liquids |
银盐/离子液体催化炔丙胺与CO2生成恶唑烷酮反应在标准条件下进行: 将乙酸银(AgOAc, 0.25 mmol)、[Ch][VB3]离子液体(7.5 mmol)和炔丙胺(2.5 mmol)依次加入预先干燥的Schlenk反应管(15 mL)中. 反应体系通过标准Schlenk技术进行三次抽真空-充CO2循环, 确保反应环境无氧, 并维持CO2压力在0.1 MPa. 反应管外包裹锡纸避光, 置于40 ℃恒温油浴中搅拌反应20 h. 反应结束后, 将体系冷却至室温, 使用乙醚(3×20 mL)进行萃取, 所得溶液浓缩并使用硅胶柱层析法(乙酸乙酯/石油醚体系)得到纯产物, 产物经核磁表征与文献[34−37]一致.
2 结果与讨论 2.1 反应条件的优化以2-甲基-3-丁炔-2-胺(1a)为模型底物, 在40 ℃、0.1 MPa CO2条件下评估离子液体的催化性能 (表1). 对照实验显示, 无催化剂或单一组分(AgOAc或离子液体)均无法实现反应转化, 但双组分的AgOAc/离子液体体系能够有效催化目标反应 (表1 Entry 1−3). 出于保证离子液体低毒性的目的, 后续离子液体的筛选试验均维持胆碱阳离子不变, 通过改变维生素基阴离子来考察不同结构离子液体对目标反应的催化性能 (表1 Entry 4−8). 结果表明, 多数胆碱-维生素离子液体表现出优异活性, 其中, [Ch][VB3]的催化活性最高. 对于其他离子液体, 反应过程中观测到[Ch]2[VB9]的黏度较大, 这会导致CO2溶解困难和反应体系不均匀, 因此反应产率略低. [Ch]3[VB13]体系 (表1 Entry 9)未观测到目标产物生成, 可能是由于其活性过高导致副反应发生. [Ch][VC] (表1 Entry 10)中VC阴离子热稳定性较差, 在反应过程中可能存在受热分解的情况, 因此也几乎没有产物生成. 通过系统的活性筛选, 我们确定了不同维生素阴离子的催化效率顺序为: [VB3]−>[VB10]−>[VB7]−>[VB6]−>[VB9]−. 基于上述筛选结果, 最终确定[Ch][VB3]为该环化反应的最佳离子液体催化剂.
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表 1 固定乙酸银组分的条件下进行离子液体的筛选a Table 1 The ionic liquids were screened under the condition of fixed silver acetate componenta |
随后, 进一步考察了不同类型的金属催化剂对于目标反应的影响, 主要包括银、铜、锌等 (表2). 实验结果表明, Ag(I)盐在环化反应中表现出优异性能. 以2-甲基-3-丁炔-2-胺(1a)为底物, [Ch][VB3]为离子液体催化剂, 筛选不同银盐及氧化物发现: AgOAc、Ag2O和Ag2CO3均表现出>50%的产物收率 (表2 Entry 1−3), 而AgX(X=Br, Cl, I)活性则略微降低 (表2 Entry 4−6). 随后, 还考察了Cu(I)催化剂 (表2 Entry 7−9) 的表现. 结果显示, 亚铜盐虽具催化活性, 但效率显著低于银盐且副产物增多, 导致分离困难. 此外, Zn(OAc)2和Cs2CO3的产物收率均低于30% (表2 Entry 10−11), 表明其不适用于该体系. 综上所述, 筛选实验结果确定AgOAc为最优的金属催化剂, 其优势可能源于适度的Lewis酸性、良好的溶解性及稳定的配位环境等因素.
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表 2 确定最优离子液体后的金属组分筛选实验a Table 2 Metal component screening experiments after determining the optimal ionic liquida |
确定AgOAc/[Ch][VB3]为最佳催化体系后, 系统优化了这一催化体系的反应条件 (表3). 时间梯度实验表明, 20 h为最佳反应时间, 延长至24 h导致收率下降 (表3 Entry 1−4). 离子液体用量优化显示, [Ch][VB3]在7.5 mmol时达到最大收率84% (表3 Entry 5−8), 而AgOAc用量2.5 mmol保持最优活性 (表3 Entry 9−11). 温度效应研究表明, 反应产率在40 ℃时达到最大值, 更高或更低的温度均会导致产率有所下降. 这可能是由于30 ℃时离子液体黏度过高限制传质, 而50~60 ℃则会导致底物挥发和催化剂失活 (表3 Entry 12−14). 综上所述, AgOAc/[Ch][VB3]催化体系的最优反应条件为: AgOAc(2.5 mmol)、[Ch][VB3] (7.5 mmol)、40 ℃、20 h, 该条件在保证高转化率的同时有效抑制了副反应.
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表 3 AgOAc/[Ch][VB3]体系反应条件的优化a Table 3 Optimization reaction conditions of AgOAc/[Ch][VB3] systema |
基于最优反应条件, 考察了催化体系的底物适用范围 (表4). 结果表明, α位取代的伯胺类底物表现出显著反应活性, 而无取代基的伯胺则无法被催化转化 (表4 Entry 1−3), 1a、1b相较于1c在α位含两个取代基, 由于偕二甲基效应导致其在反应中更易于成环, 1c在α位无取代基从而较难成环参与反应, 这一实验结果证实α位空间效应对于伯胺类底物是反应进行的必要条件. 随后对仲胺类底物进行了反应活性研究 (表4 Entry 4−8). 1c和1d、1e、1f这类含供电子基团取代基的底物相比, 由于供电子基团使得N原子亲核性增强, 易于进攻CO2中的碳正离子, 易于进行反应, 故氮原子连接烷基/苄基等供电子基团时反应顺利进行且能以较高的产率获得产物, 而1c无供电子基团使得反应较难发生; 三氟乙酰基、酯基等吸电子基团则抑制反应. 炔丙胺底物反应活性存在明显差异的原因, 可能是不同取代基影响了炔丙胺中氮原子的亲核性, 进而导致其与CO2成环的难易程度不同. 以上实验结果表明, AgOAc/[Ch][VB3]催化体系对α位取代的伯胺类底物和供电子基团修饰的仲胺类底物具有优异的催化性能.
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表 4 底物适用范围的考察a Table 4 Investigation of the substrate scopea |
在得到了最优的反应条件并以此对底物普适性进行了探索之后, 对催化剂的稳定性进行了研究. 在最优反应条件下, 以模型底物1a为例进行了多次催化剂循环反应, 结果如图2显示, 每次循环反应产率都有一定的降低. 对比反应前后催化剂核磁谱图发现, 离子液体组分无较大变化, 表明其具有一定的稳定性, 而产率降低的主要原因可能在于乙酸银的变质, 反应之后体系颜色出现明显变黑也可以证明这一点. 总体结果表明该体系具有一定的循环利用性能.
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图 2 催化剂稳定性测试 Fig.2 The test of catalyst stability |
利用核磁共振研究了离子液体对底物中氨基和双键的活化情况. 通过对比添加[Ch][VB3]前后炔丙胺的1H NMR 谱图(图3)可以明显发现, 氨基峰在[Ch][VB3]添加后消失, 表明其已被[Ch][VB3]活化. 13C NMR谱图分析显示, [Ch][VB3]与炔丙胺混合时, 会导致炔基碳(92.49, 70.57)、甲基碳(31.89)和中心碳(45.16)出现显著位移(图4). 这一现象表明[Ch][VB3]通过氢键作用活化炔丙胺的N—H键, 诱导炔基电子云重排, 实现对碳碳三键的间接活化.
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图 3 添加[Ch][VB3]前后炔丙胺的1H NMR 谱图 Fig.3 1H NMR spectra of propargylamine before and after the addition of [Ch][VB3] |
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图 4 活化炔丙胺活性物种的探索 Fig.4 Exploration of active species of propargylic amines |
结合文献报道[38−40], 提出了AgOAc/[Ch][VB3]体系的催化机理(图5): (1) [Ch][VB3]通过氢键作用活化炔丙胺(1)的氨基, 在电子重排和Ag+协同作用下激活碳碳三键, 形成中间体Ⅰ; (2) CO2与活化氨基结合, 生成中间体Ⅱ; (3)在Ag+促进下, 活化炔基与CO2的氧原子发生分子内环化, 形成五元环中间体Ⅲ; (4)催化剂从中间体Ⅲ中解离, 生成恶唑烷酮产物2, 同时催化剂再生进入下一个催化循环.
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图 5 AgOAc和[Ch][VB3]催化炔丙胺与CO2合成恶唑烷酮的反应机理 Fig.5 Reaction mechanism of synthesis of oxazolidinone from propargylic amines and CO2 catalyzed by AgOAc and [Ch][VB3] |
本研究成功开发了一种新型绿色催化体系, 可在温和、无溶剂条件下通过炔丙胺与CO2的环化反应合成恶唑烷酮. 低毒胆碱-维生素基离子液体与醋酸银的组合表现出显著的催化效率, 避免了苛刻的反应条件和有机溶剂的需求. 在底物适用性方面该体系对于部分伯胺和仲胺类炔丙胺底物均有理想的催化效果, 突显了CO2作为可持续碳源在增值化学合成中的潜力. 结合文献与实验证据提出了反应机理, 醋酸银与离子液体共同作用, 活化底物稳定合成中间体, 最终得到目标产物. 这项工作为推进绿色化学在药物合成和CO2利用方面提供了一种有前景的策略.
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