一种用于取代胺类化合物和双酚F制备的负载型铜催化剂

技术领域

本发明涉及一种用于取代胺类化合物和双酚F制备的负载型铜催化剂，属于有机化学与材料化学交叉领域。

背景技术

在目前均相催化剂被广泛使用在有机合成中的各个领域中，但均相催化剂存在稳定性差，难以从反应产物中分离出来，且价格昂贵等缺点，因此均相催化剂的固载化成为了近年来科研工作的热点。均相催化剂固载化的方法有离子交换法、吸附法、胶囊化法、共价键接枝法等，其中共价键接枝法，利用共价键将配合物与载体表面粘合在一起，成为了目前最流行、最可行的均相催化剂固载化的方法。

传统的合成取代胺类化合物的方法利用强酸或强碱等较为苛刻的反应条件，并且利用毒性较强的卤代烃为反应原料合成，且存在后处理繁琐，产物难以分离等缺陷，因此寻求一种新型催化剂在较温和条件下合成取代胺类化合物成为了近些年来科学家们研究的热点。

廉价的过渡金属参与的催化反应一直受到广泛的关注，其中金属铜由于其来源丰富，价格低廉，催化活性较强等优势成为了廉价金属催化反应的代表。本发明设计合成了一种含氮硫配体的铜催化剂并利用共价键接枝法将其成功负载至无机载体氧化铝表面，合成一种具有较强活性的非均相催化剂，将其运用至苄胺与苯胺合成取代胺类化合物的反应中去，并将其进行回收实验，实验表明该催化剂可多次回收，符合当今绿色化学发展理念。而且产物的产率较高，取得了非常好的化学选择性，产物的选择性>95％。

发明内容

本发明提供了一种利用氧化铝为载体，利用硅烷偶联剂负载含氮硫配体的铜配合物，制备得到的一种可以催化苄胺与苯胺反应合成取代胺类化合物的非均相催化剂。将本发明的催化剂利用于催化苄胺与苯胺反应合成取代胺类化合物反应中，并对其做了回收利用实验，均得到了良好的催化活性及催化效果。将该催化剂用于双酚F反应中，也能顺利实现，而且产物的化学选择性取得了96％。

本发明的第一个目的是提供一种制备氧化铝负载型铜催化剂的方法，所述方法包括：

(1)将有机配体化合物与铜源分散在溶剂中，在80～100℃下进行反应，反应结束后，固液分离、收集固体，得到催化剂前体(配体-铜配合物)；

(2)将步骤(1)所得催化剂前体与氧化铝分散在介质中，在60～100℃下进行反应，反应结束后，固液分离、收集固体，即得氧化铝负载型铜催化剂(配体-Cu@Al

所述有机配体化合物的结构如下所示：

在本发明的一种实施方式中，铜源选自醋酸铜、一水合醋酸铜、氯化铜、溴化铜。优选醋酸铜和一水合醋酸铜。

在本发明的一种实施方式中，合成催化剂前体(含氮硫配体-铜配合物TTS--Cu)的过程如下：

在本发明的一种实施方式中，所述氟化剂Selectfluor、碳酸钾和醋酸铜的加入量与苯并三唑的摩尔比分别为1:0.6～1:1、1:0.6～1:1.5、1:0.3～1:0.8。

在本发明的一种实施方式中，所述(3-碘丙基)三甲氧基硅烷、碳酸钾的加入量与上步加入苯并三唑摩尔量比分别为1:1～1.5、1:0.8～1。

在本发明的一种实施方式中，按质量比为1:1～1.5加入所得有机配合物和醋酸铜，并加入DMF于80～100℃条件下反应8～12h。

在本发明的一种实施方式中，当有机配合物和醋酸铜反应结束后离心，并将所得固体用乙醇、二氯甲烷洗涤3～4次，最后置于真空干燥箱中60℃干燥8～12h，得到蓝色固体，即为含氮硫配体的铜配合物(TTS-Cu)

在本发明的一种实施方式中，步骤(1)中所述合成含氮硫配体的铜配合物(TTS-Cu)的具体方法包括：

将苯并三唑和2-噻吩硫醇按照摩尔比1～2.5:1加入到硝基甲烷中，之后其中加入氟化剂Selectfluor、碳酸钾、醋酸铜置于90～150℃油浴锅中，磁力搅拌12～24小时，待反应冷却至室温后，用水及乙酸乙酯萃取3～4次收集有机相，将有机相旋蒸除去溶剂，在氮气存在的条件下，在所得的剩余物中加入(3-碘丙基)三甲氧基硅烷、碳酸钾以及干燥的四氢呋喃于70～80℃油浴锅中磁力搅拌12-16h,待反应结束后，将其过滤，收集滤液，并将滤液旋蒸除去溶剂，在氮气条件下按质量比为1:1～1.5加入所得固体和醋酸铜，并加入DMF于80～100℃条件下反应8～12h，反应结束后离心，并将所得固体用乙醇、二氯甲烷洗涤3～4次，最后置于真空干燥箱中60℃干燥8～12h，得到蓝色固体，即为含氮硫配体的铜配合物(TTS-Cu)。

在本发明的一种实施方式中，合成氧化铝负载型铜催化剂(TTS-Cu@Al

本发明的第二个目的是提供上述制备方法制备得到的氧化铝负载型铜催化剂。

本发明的第三个目的是提供上述氧化铝负载型铜催化剂在苄胺与胺反应合成取代酮类化合物、合成双酚F反应中的应用。

本发明的第三个目的是提供一种催化在苄胺类衍生物与苯胺类化合物反应合成取代胺类化合物的方法，所述方法以上述的氧化铝负载的铜催化剂作为催化剂。

在本发明的一种实施方式中，所述苄胺类衍生物的结构如下所示：

其中，R

在本发明的一种实施方式中，所述苯胺类化合物的结构如下所示：

其中，R

在本发明的一种实施方式中，所述合成取代胺类化合物的反应路线为：

其中，R

在本发明的一种实施方式中，所述方法具体为：将苄胺衍生物与苯胺按照摩尔比1:1～1:1.2投料，加入与苄胺衍生物摩尔比为1:1～1:1.5的NaOH，及上述的氧化铝负载的铜催化剂，并使用甲苯作为反应溶剂，于100-130℃下反应12-16小时，待反应冷却至室温后经萃取、柱层析纯化即可合成得到取代胺类化合物。

在本发明的一种实施方式中，所述苄胺衍生物也包括了苄胺。

在本发明的一种实施方式中，所述氧化铝负载的铜催化剂的加入量为与苄胺衍生物的摩尔量的10～15％。

在本发明的一种实施方式中，所述苄胺可以为吸电子基的苄胺衍生物，例如4-溴苄胺、4-氯苄胺等；也可以是供电子基的苄胺衍生物，例如2-甲基苄胺、4-甲氧基苄胺等，该催化剂对其都有普遍的耐受性，均有较好的催化活性。

本发明的第四个目的是提供一种催化合成双酚F的方法，所述方法以上述的氧化铝负载的铜催化剂作为催化剂。

在本发明的一种实施方式中，所述催化合成双酚F的方法的反应路线如下所示：

其中，R

在本发明的一种实施方式中，所述方法具体包括：

将苯酚置于60～70℃水浴锅中，至其完全融化后，加入上述氧化铝负载的铜催化剂和甲醛，在50～60℃反应8～10h，反应结束后向其中加入碳酸氢钠至pH＝5～6后，减压蒸馏除去未反应完的原料，最后加入浓盐酸立即析出大量白色固体，即为双酚F。其中，其中，苯酚、催化剂以及甲醛的摩尔比为1:0.2～0.3:0.4～0.5。

在本发明的一种实施方式中，在苄胺与胺反应合成取代胺类化合物中，氧化铝负载的铜催化剂可以回收重复利用。

在本发明的一种实施方式中，所述回收的方式为：使用甲醇和乙醇对之前使用过的氧化铝负载的铜催化剂进行多次的离心、洗涤，并在真空干燥箱60℃条件下干燥，即可用于下次反应中。

本发明取得的有益技术效果：

(1)本发明制备得到了氧化铝负载的铜催化剂，实验表明，该催化剂可回收循环利用，且循环5次以上，催化效率下降不大。

(2)本发明制备得到的氧化铝负载的铜催化剂能够用于合成取代胺类化合物，该催化剂合成取代胺类化合物中未使用强酸及有毒的卤代烃为原料，而是采用苄胺与苯胺作为反应原料，在较为温和反应的条件下合成取代按类化合物，实验表明该催化剂对苄胺衍生物具有普遍耐受性，同时该催化剂可回收，是一种环境友好型催化剂。

(3)本发明制备得到的氧化铝负载的铜催化剂还能够用于合成双酚F反应中，该催化剂催化合成双酚F，未使用强酸作为反应原料，且反应的后处理较为简便，仅需调整溶解pH值便可将产物分离出来。

附图说明

图1实施例1制备得到的氧化铝负载的铜催化剂的SEM图。

具体实施方式

产率的计算公式：产率＝实际获得的目标产物质量/理论上获得目标产物质量*100％。

以下，申请人对本发明已经做了一些具体实验，表述了由氧化铝负载的铜催化剂合成步骤，并列举了用此类催化剂合成取代胺类化合物的具体步骤，以及该催化剂回收实验的具体实验方法。这些仅用于详尽说明本发明，并不以任何方式限制发明的范围。

实施例1氧化铝负载的铜催化剂

(1)将10mmol苯并三唑、5mmol 2-噻吩硫醇置于100mL圆底烧瓶中，向其中加入7mmol氟化剂Selectfluor，7mmol碳酸钾以及4mmol醋酸铜，并用30mL硝基甲烷将其完全溶解，置于100℃油浴锅中反应12h，待反应冷却至室温后，用水及乙酸乙酯萃取3～4次收集有机相，将有机相旋蒸除去溶剂，在氮气存在的条件下将所得的剩余物中加入10mmol(3-碘丙基)三甲氧基硅烷、8mmol碳酸钾以及20mL干燥的四氢呋喃于75℃油浴锅中磁力搅拌12h,反应结束后，将其过滤，收集滤液，并将滤液旋蒸除去溶剂,得到2.33g白色固体，随后加入2.5g醋酸铜及20mLDMF于80℃条件下反应8h，反应结束后离心，并将所得固体用乙醇、二氯甲烷洗涤3次，最后置于真空干燥箱中60℃干燥8h，得到蓝色固体，即为含氮硫配体的铜配合物(TTS-Cu)。

(2)将2g配体TTS-Cu与2.5g氧化铝置于圆底烧瓶中，并向其中加入10mL的甲醇，于60℃条件下反应36h,待反应结束后，将所得样品离心，收集固体，并将固体用乙醇多次洗涤，最后置于60℃真空干燥箱中干燥6h，得到蓝色固体即为TTS-Cu@Al

图1为制备得到的氧化铝负载的铜催化剂的SEM图。

实施例2氧化铝负载的铜催化剂

(1)将10mmol苯并三唑、10mmol 2-噻吩硫醇置于100mL圆底烧瓶中，向其中加入10mmol氟化剂Selectfluor，15mmol碳酸钾以及8mmol醋酸铜，并用40mL硝基甲烷将其完全溶解，置于130℃油浴锅中反应24h，待反应冷却至室温后，用水及乙酸乙酯萃取3～4次收集有机相，将有机相旋蒸除去溶剂，在氮气存在的条件下将所得的剩余物中加入15mmol(3-碘丙基)三甲氧基硅烷、10mmol碳酸钾以及30mL干燥的四氢呋喃于80℃油浴锅中磁力搅拌12h,反应结束后，将其过滤，收集滤液，并将滤液旋蒸除去溶剂,得到2.89g白色固体，随后加入3.0g醋酸铜及30mLDMF于100℃条件下反应12h，反应结束后离心，并将所得固体用乙醇、二氯甲烷洗涤3次，最后置于真空干燥箱中60℃干燥12h，得到蓝色固体，即为含氮硫配体的铜配合物(TTS-Cu)。

(2)将2g配体TTS-Cu与4g氧化铝置于圆底烧瓶中，并向其中加入20mL的甲醇，于60℃条件下反应48h,待反应结束后，将所得样品离心，收集固体，并将固体用乙醇多次洗涤，最后置于60℃真空干燥箱中干燥8h，得到蓝色固体即为TTS-Cu@Al

实施例3氧化铝负载的铜催化剂

(1)将10mmol苯并三唑、4mmol 2-噻吩硫醇置于100mL圆底烧瓶中，向其中加入6mmol氟化剂Selectfluor，6mmol碳酸钾以及3mmol醋酸铜，并用25mL硝基甲烷将其完全溶解，置于100℃油浴锅中反应12h，待反应冷却至室温后，用水及乙酸乙酯萃取3～4次收集有机相，将有机相旋蒸除去溶剂，在氮气存在的条件下将所得的剩余物中加入10mmol(3-碘丙基)三甲氧基硅烷、8mmol碳酸钾以及20mL干燥的四氢呋喃于75℃油浴锅中磁力搅拌12h,反应结束后，将其过滤，收集滤液，并将滤液旋蒸除去溶剂,得到1.86g白色固体，随后加入2g醋酸铜及20mLDMF于90℃条件下反应10h，反应结束后离心，并将所得固体用乙醇、二氯甲烷洗涤3次，最后置于真空干燥箱中60℃干燥8h，得到蓝色固体，即为含氮硫配体的铜配合物(TTS-Cu)。

(2)将2g配体TTS-Cu与2g氧化铝置于圆底烧瓶中，并向其中加入15mL的甲醇，于70℃条件下反应24h,待反应结束后，将所得样品离心，收集固体，并将固体用乙醇多次洗涤，最后置于60℃真空干燥箱中干燥6h，得到蓝色固体即为TTS-Cu@Al

实施例4：氧化铝负载的铜催化剂催化苄胺与苯胺反应合成取代胺类化合物

将1mmol苄胺与1.1mmol苯胺置于25mL反应管中，加入0.1mmol实施例1制得的氧化铝负载的铜催化剂以及1.5mmol NaOH，随后加入2mL甲苯，于120℃反应12h，待反应冷却至室温后加入乙酸乙酯及水萃取3次，收集有机相，将有机相旋转蒸发至干，利用硅胶柱层析分离得到纯品N-苄基苯胺，由色谱分析该反应产率为88％。产物的化学选择性较高，取得了97％。

N-苄基苯胺的表征数据：

使用过的氧化铝负载的铜催化剂利用用甲醇和乙醇对其进行多次的离心、洗涤，并干燥，循环用于上述反应过程中，循环使用五次，结果见表1，可见，循环使用五次后，催化剂仍然保持较高的催化活性。

表1催化剂循环在不同循环次数下制备产物的收率

对比例1：不同的氧化铝负载型铜催化剂的催化活性比较

参照实施例4，将催化剂由实施例1制得的氧化铝负载型铜催化剂分别替换为如下催化剂：

催化剂A：将配体替换为吡啶，其他不变，制备相应负载型铜催化剂，记为催化剂A(吡啶-Cu(OAc)

催化剂B：将配体替换为吡啶、铜源替换为氯化铜，其他不变，制备相应负载型铜催化剂，记为催化剂B(吡啶-CuCl

探究在实施例4反应中的反应活性，结果见表2。

表2不同催化剂催化苄胺与苯胺反应合成取代胺类化合物的结果

实施例5：氧化铝负载的铜催化剂催化4-溴苄胺与苯胺反应合成取代胺类化合物

将1mmol 4-溴苄胺与1.1mmol苯胺置于25mL反应管中，加入0.1mmol事实例1制得的氧化铝负载的铜催化剂以及1.5mmol NaOH，随后加入2mL甲苯，于120℃反应12h，待反应冷却至室温后加入乙酸乙酯及水萃取3次，收集有机相，将有机相旋转蒸发至干，利用硅胶柱层析分离得到纯品N-(4-溴苯甲酰基)苯胺，由色谱分析该反应产率为83％。产物的化学选择性取得了96％。

N-(4-溴苯甲酰基)苯胺的表征数据：

实施例6：氧化铝负载的铜催化剂催化4-氯苄胺与苯胺反应合成取代胺类化合物

将1mmol 4-溴苄胺与1.1mmol苯胺置于25mL反应管中，加入0.1mmol事实例1制得的氧化铝负载的铜催化剂以及1.5mmol NaOH，随后加入2mL甲苯，于120℃反应12h，待反应冷却至室温后加入乙酸乙酯及水萃取3次，收集有机相，将有机相旋转蒸发至干，利用硅胶柱层析分离得到纯品N-(4-氯苯甲酰基)苯胺，由色谱分析该反应产率为83％。产物的化学选择性取得了98％。

N-(4-氯苯甲酰基)苯胺的表征数据：

实施例7：氧化铝负载的铜催化剂催化2-甲基苄胺与苯胺反应合成取代胺类化合物

将1mmol 4-溴苄胺与1.1mmol苯胺置于25mL反应管中，加入0.1mmol事实例1制得的氧化铝负载的铜催化剂以及1.5mmol NaOH，随后加入2mL甲苯，于120℃反应12h，待反应冷却至室温后加入乙酸乙酯及水萃取3次，收集有机相，将有机相旋转蒸发至干，利用硅胶柱层析分离得到纯品N-(2-甲基苄基)苯胺，由色谱分析该反应产率为84％。产物的化学选择性取得了96％。

N-(2-甲基苄基)苯胺的表征数据：

实施例8：氧化铝负载的铜催化剂催化4-甲氧基苄胺与苯胺反应合成取代胺类化合物

将1mmol 4-甲氧基苄胺与1.1mmol苯胺置于25mL反应管中，加入0.1mmol事实例1制得的氧化铝负载的铜催化剂以及1.5mmol NaOH，随后加入2mL甲苯，于120℃反应12h，待反应冷却至室温后加入乙酸乙酯及水萃取3次，收集有机相，将有机相旋转蒸发至干，利用硅胶柱层析分离得到纯品N-(4-甲氧基苄基)苯胺，由色谱分析该反应产率为89％。产物的化学选择性取得了95％。

N-(4-甲氧基苄基)苯胺的表征数据：

实施例9：氧化铝负载的铜催化剂催化合成双酚F

将5mmol苯酚置于60～70℃水浴锅中，至其完全融化后，加入上述1.5mmol氧化铝负载的铜催化剂和2.5mmol甲醛，在55℃反应8h，反应结束后向其中加入碳酸氢钠至pH＝5～6后，减压蒸馏除去未反应完的原料，最后加入浓盐酸立即析出大量白色固体，即为双酚F。产率：70％。产物的化学选择性取得了96％。

双酚F的表征数据：

虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人，在不脱离本发明的精神和范围内，都可做各种的改动与修饰，因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。