本发明涉及化学化工,具体地涉及一类氨基醇衍生的co2开关型离子液体的制备及其应用。
背景技术:
1、喹唑啉-2,4(1h,3h)-二酮类化合物具有重要的药物和生物活性。在制药工业中,折那司他(zenarestat)、布那唑嗪(bunazosin)、多沙唑嗪(doxazosin)和哌唑嗪(prazosin)等药物的合成均以喹唑啉-2,4(1h,3h)-二酮类化合物为中间体。然而,传统的合成喹唑啉-2,4(1h,3h)-二酮类化合物的技术路线普遍存在以下问题:(1)原料毒性较大(如co、光气、氰酸钾或各种异硫氰酸盐等),安全性低;(2)反应条件苛刻,有副产物生成,对生产设备要求高;(3)易产生三废污染,不满足可持续和绿色化学发展理念。
2、目前,co2与2-氨基苯腈类化合物的羧环化反应作为一种符合“绿色化学”和“原子经济性”原则的方法被广泛用于合成喹唑啉-2,4(1h,3h)-二酮类化合物。迄今为止已开发了多种催化体系,包括(盐碱)水相体系,无机金属盐类,多相催化剂和有机催化剂(有机碱和碱性离子液体)。
3、然而,多数催化剂仍存在以下问题:(1)催化反应条件苛刻,需要高温(140℃–160℃)(chemsuschem,2018,11(24):4219–4225.)、高压(8.5mpa–14mpa)(tetrahedron,2010,66,4063–4067.)以及超长的反应时间(12h–24h)(rsc adv.,2020,10,12047–12052.);(2)催化剂制备成本较高,生物可降解性差;(3)催化剂用量大,导致催化效率极低,如:[htmg][im]催化剂的用量达到底物的4倍,tof仅有0.01h-1(j.co2 util.,2016,15,115–122.)。因此,开发反应条件温和、高效、廉价和可循环的绿色co2羧环化催化剂是研究的焦点。
4、近年来,co2驱动的开关型离子液体因其独特的性质成为新的研究热点(energy&environmental science,2012,5,7240–7253.)。co2开关型离子液体(co2 switchableionic liquids,co2-sils)在捕获(开)和释放(关)co2的开/关模式下,能够实现离子液体态和非离子态的可逆切换,在与催化活性位点协同作用后能够实现co2捕集-化学转化的一体化。如:由脒和伯胺制备的co2开关型离子液体被应用于催化co2与环氧化物的环加成反应;基于dbu和醇的co2开关型离子液体被应用于co2/2-氨基苯腈羧环化反应制备喹唑啉-2,4(1h,3h)-二酮。然而,开发高效的co2开关型离子液体催化剂仍然是挑战。
技术实现思路
1、针对上述现有技术中存在的局限性,本发明的目的在于开发一类高效的co2开关型离子液体催化剂,并将其应用于催化二氧化碳和邻氨基苯腈类化合物的高效羧环化反应,制备喹唑啉-2,4(1h,3h)-二酮类化合物。
2、为实现上述目的,本发明以绿色、易得的氨基醇作为原料,在co2存在下,通过氨基醇与聚醚胍类有机超强碱的相互作用,合成了一类氨基醇衍生的co2开关型离子液体催化剂,并将其应用于催化二氧化碳和邻氨基苯腈类化合物的羧环化反应,制备喹唑啉-2,4(1h,3h)-二酮类化合物。
3、与现有技术相比,本发明的氨基醇衍生的co2开关型离子液体催化剂具有以下突出的优点:
4、(1)分子结构的高度可调性:通过调整聚醚胍分子中聚醚链的乙氧基(eo)单元数可调控催化剂对底物邻氨基苯腈类化合物的分子识别性能;通过改变氨基醇的种类,能够方便调控co2开关型离子液体催化剂的催化活性和选择性;在氨基醇与胍基超强碱形成的co2开关型离子液体中,co2分子插入的位置未见文献报道。本发明发现,对于含有伯氨基的氨基醇,co2分子首先插入氨基,形成氨基甲酸阴离子;而对于含有仲氨基(除脯氨醇外)或叔氨基的氨基醇,co2分子首先插入羟基,形成单碳酸酯阴离子。
5、(2)原料绿色、易得、成本低:氨基醇来源广泛,易得、廉价、绿色;聚醚胍易于制备且收率高。
6、(3)合成过程绿色、高效:以氨基醇和聚醚胍为原料,在co2存在下,一步即可以定量收率制备出co2开关型离子液体催化剂,无副产物生成。
7、(4)反应条件温和:对于氨基醇衍生的co2开关型离子液体催化剂催化的co2/2-氨基苯腈羧环化反应,反应条件相对温和,催化剂用量低,催化剂在无溶剂条件下表现出高的催化性能。
8、(5)催化活性高:目前已报道的离子液体催化剂的tof值在0.01h-1-0.8h-1之间,催化效率较低;而本发明的氨基醇衍生的co2开关型离子液体催化剂的tof值达到2.6h-1;机理研究表明,氨基醇衍生的co2开关型离子液体催化剂的优异催化性能得益于离子液体阳离子和阴离子的多活性位点之间的分子内多重协同催化作用,包括:(1)底物识别:聚醚侧链通过形成分子间氢键完成对底物2-氨基苯腈的包裹和分子识别,从而降低反应活化能,加快反应速度;2d roesy nmr谱证明,
9、[me(eo)16tmg-h]+阳离子聚醚链的eo-h与2-氨基苯腈ph-h质子以及氨基质子存在较强的相关信号,表明聚醚链与2-氨基苯腈在空间上彼此足够靠近,存在较强的超分子相互作用,这表明
10、[me(eo)16tmg-h]+阳离子通过与ph-h之间形成分子间氢键完成对2-氨基苯腈的有效的包裹,从而完成分子识别,具有模拟酶催化剂的典型特征;(2)氨基活化:1h nmr、13cnmr和ft-ir分析证明,离子液体的阴离子通过氢键实现对氨基的活化;(3)氰基活化:13cnmr和ft-ir分析证明,聚醚胍基阳离子通过氢键活化氰基;(4)co2活化:ft-ir和13c nmr分析证明,氨基醇通过氨基与co2形成的氨基甲酸阴离子或通过羟基与co2形成碳酸单酯阴离子来有效活化co2分子。
11、(6)易于回收和循环:目前已报道的离子液体催化剂的回收循环效率均较低,循环后的总ton值在
12、1.1-91之间;而本发明的氨基醇衍生的co2开关型离子液体催化剂循环的总ton值达到106。
13、(7)底物普适性高:氨基醇衍生的co2开关型离子液体催化剂能够通过co2羧环化反应将具有不同电子效应和空间效应的2-氨基苯腈类化合物高效转化为相应的喹唑啉-2,4(1h,3h)-二酮类化合物,具有优秀的底物普适性。
14、为实现本发明的目的,所采用的技术方案如下:
15、一类氨基醇衍生的co2开关型离子液体,其结构式为:
16、
17、式中:阳离子为聚醚胍盐阳离子,其中tmg表示四甲基胍残基,eo表示乙氧基-och2ch2-,r1为me或苯基,平均聚合度n=4-45;阴离子为氨基醇r2-ch(nh2)(ch2oh)或脯氨醇或氨基醇r2-ch(ch3nr3)(ch2oh)分别与co2形成的[r2-ch(nhco2)(ch2oh)]-阴离子或[pro-nco2]-阴离子或[r2-ch(ch3nr3)(ch2oco2)]-阴离子,r2为氨基醇的残基,r3为h或甲基,pro表示脯氨醇残基;对于有立体构型的氨基醇,其立体构型为l-型、d-型或dl-型。
18、一类氨基醇衍生的co2开关型离子液体的制备方法:在co2存在下,将聚醚胍r1(eo)ntmg与氨基醇r2-ch(nh2)(ch2oh)或脯氨醇或氨基醇r2-ch(ch3nr3)(ch2oh)混合,在一定的反应条件下分别合成得到相应的氨基醇衍生的co2开关型离子液体[r1(eo)ntmg-h][r2-ch(nhco2)(ch2oh)]或[r1(eo)ntmg-h][pro-nco2]或[r1(eo)ntmg-h][r2-ch(ch3nr3)(ch2oco2)],反应式如下:
19、
20、式中:tmg表示四甲基胍残基,eo表示乙氧基-och2ch2-,r1为me或苯基,平均聚合度n=4-45;r2为氨基醇的残基,r3为h或甲基,pro表示脯氨醇残基;对于有立体构型的氨基醇,其立体构型为l-型、d-型或dl-型。
21、一类氨基醇衍生的co2开关型离子液体的制备方法:将聚醚胍r1(eo)ntmg与氨基醇r2-ch(nh2)(ch2oh)或脯氨醇或氨基醇r2-ch(ch3nr3)(ch2oh)以等摩尔混合,在20℃-130℃和0.1mpa-5.0mpa的二氧化碳压力下,反应1h-5h,分别得到相应的氨基醇衍生的co2开关型离子液体[r1(eo)ntmg-h][r2-ch(nhco2)(ch2oh)]或[r1(eo)ntmg-h][pro-nco2]或[r1(eo)ntmg-h][r2-ch(ch3nr3)(ch2oco2)];其中,tmg表示四甲基胍残基,eo表示乙氧基-och2ch2-,r1为me或苯基,平均聚合度n=4-45;r2为氨基醇的残基,r3为h或甲基,pro表示脯氨醇残基;对于有立体构型的氨基醇,其立体构型为l-型、d-型或dl-型。
22、一种喹唑啉-2,4(1h,3h)-二酮类化合物的制备方法:在一定的反应条件下,通过氨基醇衍生的co2开关型离子液体催化的二氧化碳和2-氨基苯腈类化合物的羧环化反应制备喹唑啉-2,4(1h,3h)-二酮类化合物,反应结束后,通过后处理过程分离产物喹唑啉-2,4(1h,3h)-二酮类化合物和离子液体催化剂,分离的离子液体催化剂用于后续的催化循环;其中,氨基醇衍生的co2开关型离子液体的结构式为:
23、
24、式中:阳离子为聚醚胍盐阳离子,其中tmg表示四甲基胍残基,eo表示乙氧基-och2ch2-,r1为me或苯基,平均聚合度n=4-45;阴离子为氨基醇r2-ch(nh2)(ch2oh)或脯氨醇或氨基醇r2-ch(ch3nr3)(ch2oh)分别与co2形成的[r2-ch(nhco2)(ch2oh)]-阴离子或[pro-nco2]-阴离子或[r2-ch(ch3nr3)(ch2oco2)]-阴离子,r2为氨基醇的残基,r3为h或甲基,pro表示脯氨醇残基;对于有立体构型的氨基醇,其立体构型为l-型、d-型或dl-型。
25、一种喹唑啉-2,4(1h,3h)-二酮类化合物的制备方法,二氧化碳和2-氨基苯腈类化合物发生羧环化的反应条件为:反应温度25℃-130℃,二氧化碳压力0.1mpa-5.0mpa,氨基醇衍生的co2开关型离子液体催化剂是预先制备的,其与2-氨基苯腈类化合物的摩尔比1:1000-120:1,反应时间2h-48h,催化反应在无溶剂条件下进行。
26、一种喹唑啉-2,4(1h,3h)-二酮类化合物的制备方法,二氧化碳和2-氨基苯腈类化合物发生羧环化的反应条件为:反应温度25℃-130℃,二氧化碳压力0.1mpa-5.0mpa,氨基醇衍生的co2开关型离子液体催化剂是聚醚胍r1(eo)ntmg与氨基醇r2-ch(nh2)(ch2oh)或脯氨醇或氨基醇r2-ch(ch3nr3)(ch2oh)在羧环化反应条件下原位形成的,r1(eo)ntmg与氨基醇的摩尔比是1:1,氨基醇与2-氨基苯腈类化合物的摩尔比1:1000-120:1,反应时间2h-48h,催化反应在无溶剂条件下进行。
27、一种喹唑啉-2,4(1h,3h)-二酮类化合物的制备方法,分离产物喹唑啉-2,4(1h,3h)-二酮类化合物和离子液体催化剂的后处理过程是:反应结束后,向反应混合物中加入水,使粗产品沉淀,过滤分离,使用甲基叔丁基醚洗涤滤饼,除去其中未反应的2-氨基苯腈类化合物,经干燥得到喹唑啉-2,4(1h,3h)-二酮类化合物;滤液通过除水回收离子液体催化剂,回收的离子液体催化剂用于后续的催化循环。
28、一种喹唑啉-2,4(1h,3h)-二酮类化合物的制备方法,氨基醇衍生的co2开关型离子液体催化的二氧化碳和2-氨基苯腈类化合物的羧环化反应的反应式如下:
29、
30、式中,r4是h,me,f,cl,br或ome;r5是h,me,f,cl,br,cf3,ome或no2。