一种制备2-吡咯烷酮化合物的方法

技术领域

本申请属于有机合成领域，具体涉及一种在生物质衍生溶剂2-甲基四氢呋喃体系下铜催化的环丁酮肟酯与1，6-烯炔或1，6-二烯开环/环化反应制备2-吡咯烷酮化合物的新方法。

背景技术

用更环保和可持续的资源取代有毒有害的化学品是目前“绿色化学”的一个重点研究课题，其中溶剂作为化学化工过程中最大的废物来源，开发环保绿色的溶剂是重中之重。在这方面，生物质衍生溶剂由于对健康和环境的影响极低受到了极大的关注。其中，2-甲基四氢呋喃(2-MeTHF)受到很大关注，因为它可以从可再生的木质纤维素生物质中获得，可被阳光或空气降解，且具有稳定性好、沸点高、与水的混溶性低的特点。特别是作为一种绿色溶剂，2-甲基四氢呋喃符合绿色化学的第3(危险性较小的化学合成)，第5(更安全的溶剂和助剂)，第7(使用可再生原料)和第10条(为降解设计)原则，并已经广泛应用于各种合成转化。

1，n-烯炔和1，n-二烯的环化，特别是自由基环化反应，由于其高效、步骤经济的特点，在绿色合成化学中得到了广泛的关注。另一方面，环丁酮肟酯开环已成为将有价值的氰烷基安装到多种分子中最有效的方法之一，利用过渡金属催化剂或光氧化还原催化在这一领域取得了巨大进展。然而，该方法在1，n-烯炔或1，n-二烯的环化方面的应用仍然很少且有一定的局限性，如需要配体和碱，使用有机溶剂，需要较高的反应温度。基于发明人对绿色和可持续化学的持续兴趣，在本发明中我们提出了一种在生物质衍生溶剂2-甲基四氢呋喃体系下铜催化环丁酮肟酯与1，6-烯炔或1，6-二烯的开环/环化反应制备2-吡咯烷酮化合物的方法。

发明内容

本发明目的在于克服现有技术的不足，提供一种绿色高效、低成本的环丁酮肟酯与1，6-烯炔或1，6-二烯开环/环化反应制备2-吡咯烷酮化合物的方法，该方法在生物质衍生溶剂2-甲基四氢呋喃体系中以较高产率制备获得目标产物。

本发明提供的开环/环化反应方法，该方法以环丁酮肟酯与1，6-烯炔或1，6-二烯为原料，通过下列步骤进行制备获得：

向Schlenk反应瓶中加入环丁酮肟酯(式1)、1，6-烯炔(式2)或1，6-二烯化合物(式3)、催化剂、氧化剂和溶剂，将反应瓶置于一定温度下搅拌反应，经TLC或GC监测反应进程，至原料反应完全，经后处理得到2-吡咯烷酮化合物(I)或(II)。

本发明提供的环丁酮肟酯与1，6-烯炔或1，6-二烯开环/环化制备2-吡咯烷酮化合物的方法，其化学反应式可表述为(见式一)：

所述的后处理操作如下：将反应完成后的反应液用乙酸乙酯萃取，有机相用无水硫酸钠干燥，过滤并减压浓缩除去溶剂，将残余物经柱层析分离，洗脱溶剂为：乙酸乙酯/止己烷，得到2-吡咯烷酮化合物(I)或(II)。

式1、2、3及式I、II表示的化合物中，R

R

R

R

R

R

R

其中所述取代或未取代的中的取代基选自卤素、C

优选地，式1、2、3及式I、II表示的化合物中，R

R

R

R

R

R

R

其中所述取代或未取代的中的取代基选自氟、氯、溴、碘、甲基、乙基、叔丁基、三氟甲基、甲氧基、硝基、氰基。

最优选地，式1、2、3及式I、II表示的化合物中，R

R

R

R

R

R

R

在本发明的反应中，所述的催化剂选自氯化亚铜、溴化亚铜、碘化亚铜、氯化铜中的任意一种或几种的混合物，优选为氯化亚铜。

在本发明的反应中，所述的氯化亚铜用量为式l所示的环丁酮肟酯用量的5-20mol％，优选为10mol％。

在本发明的反应中，所述的氧化剂选自过硫酸钾、醋酸碘苯、过氧化苯甲酸叔丁酯、过氧化叔丁醇中的任意一种或几种的混合物，优选为过硫酸钾。

在本发明的反应中，所述的过硫酸钾用量为式1所示的环丁酮肟酯用量的1.2-3.0摩尔当量，优选为2.0摩尔当量。

在本发明的反应中，所述的一定温度为60-80℃，优选为70℃。

在本发明的反应中，所述的溶剂选自2-甲基四氢呋喃、乙酸乙酯、乙腈、四氢呋喃中的任意一种或几种的混合物，优选为2-甲基四氢呋喃。

本发明的有益效果是：提出了环丁酮肟酯与1，6-烯炔或1，6-二烯开环/环化反应制备2-吡咯烷酮化合物的方法，该方法在生物质衍生溶剂2-甲基四氢呋喃体系中以较高产率制备获得一系列的目标产物。该方法具有反应底物适应范围广泛、绿色高效的优点，特别适合于工业化生产。

具体实施方式

以下结合具体实施例，对本发明进行进一步详细的描述，但本发明并不局限于此。

下述实施例中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法；所述试剂和原料，如无特殊说明，均可以从商业途径获得和/或根据已知的方法制备获得。

实施例1-18为反应条件优化实验。

实施例1

向Schlenk瓶中加入式1a所示的环丁酮肟酯化合物(102.9mg，0.4mmol)，式2a所示的1，6-烯炔(39.9mg，0.2mmol)，氯化亚铜(CuCl，1.98mg，10mol％)，过硫酸钾(K

实施例2

催化剂用溴化亚铜(CuBr)代替氯化亚铜(CuCl)，其余条件同实施例1，得到目标产物I-1的收率为71％。

实施例3

催化剂用碘化亚铜(CuI)代替氯化亚铜(CuCl)，其余条件同实施例1，得到目标产物I-1的收率为65％。

实施例4

催化剂用氯化铜(CuCl

实施例5

催化剂用氯化铁(FeCl

实施例6

催化剂用氯化钴(CoCl

实施例7

催化剂氯化亚铜(CuCl)用量为5mol％，其余条件同实施例1，得到目标产物I-1的收率为41％。

实施例8

催化剂氯化亚铜(CuCl)用量为20mol％，其余条件同实施例1，得到目标产物I-1的收率为87％。

实施例9

氧化剂用醋酸碘苯(PhI(OAc)

实施例10

氧化剂用过氧化苯甲酸叔丁酯(TBPB)代替过硫酸钾(K

实施例11

氧化剂用过氧化叔丁醇(TBHP)代替过硫酸钾(K

实施例12

氧化剂过硫酸钾(K

实施例13

氧化剂过硫酸钾(K

实施例14

反应温度降低到60℃进行反应，其余条件同实施例1，得到目标产物I-1的收率为61％。

实施例15

反应温度升高到80℃进行反应，其余条件同实施例1，得到目标产物I-1的收率为71％。

实施例16

溶剂用乙酸乙酯代替2-MeTHF，其余条件同实施例1，得到目标产物I-1的收率为31％。

实施例17

溶剂用乙腈代替2-MeTHF，其余条件同实施例1，得到目标产物I-1的收率为33％。

实施例1 8

溶剂用四氢呋喃代替2-MeTHF，其余条件同实施例1，得到目标产物I-1的收率为80％。

由上述实施例1-18可以看出，最佳的反应条件为实施例1的反应条件，即催化剂CuCl用量为10mol％(1.98mg)，氧化剂K

实施例19

向Schlenk瓶中加入式1b所示的环丁酮肟酯化合物(81.3mg，0.4mmol)，式2a所示的1，6-烯炔(39.9mg，0.2mmol)，氯化亚铜(CuCl，1.98mg，10mol％)，过硫酸钾(K

实施例20

向Schlenk瓶中加入式1c所示的环丁酮肟酯化合物(89.5mg，0.4mmol)，式2a所示的1，6-烯炔(39.9mg，0.2mmol)，氯化亚铜(CuCl，1.98mg，10mol％)，过硫酸钾(K

实施例21

向Schlenk瓶中加入式1d所示的环丁酮肟酯化合物(75.7mg，0.4mmol)，式2a所示的1，6-烯炔(39.9mg，0.2mmol)，氯化亚铜(CuCl，1.98mg，10mol％)，过硫酸钾(K

实施例22

向Schlenk瓶中加入式1e所示的环丁酮肟酯化合物(50.9mg，0.4mmol)，式2a所示的1，6-烯炔(39.9mg，0.2mmol)，氯化亚铜(CuCl，1.98mg，10mol％)，过硫酸钾(K

实施例23

向Schlenk瓶中加入式1f所示的环丁酮肟酯化合物(81.3mg，0.4mmol)，式2a所示的1，6-烯炔(39.9mg，0.2mmol)，氯化亚铜(CuCl，1.98mg，10mol％)，过硫酸钾(K

实施例24

向Schlenk瓶中加入式1g所示的环丁酮肟酯化合物(60.9mg，0.4mmol)，式2a所示的1，6-烯炔(39.9mg，0.2mmol)，氯化亚铜(CuCl，1.98mg，10mol％)，过硫酸钾(K

实施例25

向Schlenk瓶中加入式1h所示的环丁酮肟酯化合物(51.6mg，0.4mmol)，式2a所示的1，6-烯炔(39.9mg，0.2mmol)，氯化亚铜(CuCl，1.98mg，10mol％)，过硫酸钾(K

实施例26

向Schlenk瓶中加入式1a所示的环丁酮肟酯化合物(102.9mg，0.4mmol)，式2b所示的1，6-烯炔(45.9mg，0.2mmol)，氯化亚铜(CuCl，1.98mg，10mol％)，过硫酸钾(K

实施例27

向Schlenk瓶中加入式1a所示的环丁酮肟酯化合物(102.9mg，0.4mmol)，式2c所示的1，6-烯炔(42.7mg，0.2mmol)，氯化亚铜(CuCl，1.98mg，10mol％)，过硫酸钾(K

实施例28

向Schlenk瓶中加入式1a所示的环丁酮肟酯化合物(102.9mg，0.4mmol)，式2d所示的1，6-烯炔(51.1mg，0.2mmol)，氯化亚铜(CuCl，1.98mg，10mol％)，过硫酸钾(K

实施例29

向Schlenk瓶中加入式1a所示的环丁酮肟酯化合物(102.9mg，0.4mmol)，式2e所示的1，6-烯炔(43.4mg，0.2mmol)，氯化亚铜(CuCl，1.98mg，10mol％)，过硫酸钾(K

实施例30

向Schlenk瓶中加入式1a所示的环丁酮肟酯化合物(102.9mg，0.4mmol)，式2f所示的1，6-烯炔(55.6mg，0.2mmol)，氯化亚铜(CuCl，1.98mg，10mol％)，过硫酸钾(K

实施例31

向Schlenk瓶中加入式1a所示的环丁酮肟酯化合物(102.9mg，0.4mmol)，式2g所示的1，6-烯炔(44.9mg，0.2mmol)，氯化亚铜(CuCI，1.98mg，10mol％)，过硫酸钾(K

实施例32

向Schlenk瓶中加入式1a所示的环丁酮肟酯化合物(102.9mg，0.4mmol)，式2h所示的1，6-烯炔(53.5mg，0.2mmol)，氯化亚铜(CuCl，1.98mg，10mol％)，过硫酸钾(K

实施例33

向Schlenk瓶中加入式1a所示的环丁酮肟酯化合物(102.9mg，0.4mmol)，式2i所示的1，6-烯炔(42.7mg，0.2mmol)，氯化亚铜(CuCl，1.98mg，10mol％)，过硫酸钾(K

实施例34

向Schlenk瓶中加入式1a所示的环丁酮肟酯化合物(102.9mg，0.4mmol)，式2j所示的1，6-烯炔(46.7mg，0.2mmol)，氯化亚铜(CuCl，1.98mg，10mol％)，过硫酸钾(K

实施例35

向Schlenk瓶中加入式1a所示的环丁酮肟酯化合物(102.9mg，0.4mmol)，式2k所示的1，6-烯炔(49.9mg，0.2mmol)，氯化亚铜(CuCl，1.98mg，10mol％)，过硫酸钾(K

实施例36

向Schlenk瓶中加入式1a所示的环丁酮肟酯化合物(102.9mg，0.4mmol)，式2l所示的1，6-烯炔(55.1mg，0.2mmol)，氯化亚铜(CuCl，1.98mg，10mol％)，过硫酸钾(K

实施例37

向Schlenk瓶中加入式1a所示的环丁酮肟酯化合物(102.9mg，0.4mmol)，式2m所示的1，6-烯炔(55.1mg，0.2mmol)，氯化亚铜(CuCl，1.98mg，10mol％)，过硫酸钾(K

实施例38

向Schlenk瓶中加入式1a所示的环丁酮肟酯化合物(102.9mg，0.4mmol)，式3a所示的1，6-二烯(43.1mg，0.2mmol)，氯化亚铜(CuCl，1.98mg，10mol％)，过硫酸钾(K

实施例39

向Schlenk瓶中加入式1d所示的环丁酮肟酯化合物(75.7mg，0.4mmol)，式3a所示的1，6-二烯(43.1mg，0.2mmol)，氯化亚铜(CuCl，1.98mg，10mol％)，过硫酸钾(K

实施例40

向Schlenk瓶中加入式1e所示的环丁酮肟酯化合物(50.9mg，0.4mmol)，式3a所示的1，6-二烯(43.1mg，0.2mmol)，氯化亚铜(CuCl，1.98mg，10mol％)，过硫酸钾(K

实施例41

向Schlenk瓶中加入式1a所示的环丁酮肟酯化合物(102.9mg，0.4mmol)，式3b所示的1，6-二烯(49.1mg，0.2mmol)，氯化亚铜(CuCl，1.98mg，10mol％)，过硫酸钾(K

实施例42

向Schlenk瓶中加入式1a所示的环丁酮肟酯化合物(102.9mg，0.4mmol)，式3c所示的1，6-二烯(52.3mg，0.2mmol)，氯化亚铜(CuCI，1.98mg，10mol％)，过硫酸钾(K

实施例43

向Schlenk瓶中加入式1a所示的环丁酮肟酯化合物(102.9mg，0.4mmol)，式3d所示的1，6-二烯(46.7mg，0.2mmol)，氯化亚铜(CuCl，1.98mg，10mol％)，过硫酸钾(K

实施例44

向Schlenk瓶中加入式1a所示的环丁酮肟酯化合物(102.9mg，0.4mmol)，式3e所示的1，6-二烯(45.9mg，0.2mmol)，氯化亚铜(CuCl，1.98mg，10mol％)，过硫酸钾(K

实施例45

向Schlenk瓶中加入式1a所示的环丁酮肟酯化合物(102.9mg，0.4mmol)，式3f所示的1，6-二烯(46.7mg，0.2mmol)，氯化亚铜(CuCI，1.98mg，10mol％)，过硫酸钾(K

实施例46

向Schlenk瓶中加入式1a所示的环丁酮肟酯化合物(102.9mg，0.4mmol)，式3g所示的1，6-二烯(55.5mg，0.2mmol)，氯化亚铜(CuCl，1.98mg，10mol％)，过硫酸钾(K

实施例47反应机理控制实验

为了进一步验证该反应的机理，实施了以下两组控制实验。向实施例1的反应中加入2.4当量的自由基清除剂2，2，6，6-四甲基哌啶-1-氧基(TEMPO)或丁基羟基甲苯(BHT)进行反应时，过程被完全抑制，核磁共振(NMR)分析可以检测到BHT与γ-氰烷基自由基结合的产物4a。上述结果表明该反应涉及自由基过程。

由此可知，本发明的可能反应机理可以推导如下式所示：

以上所述实施例仅为本发明的优选实施例，而并非本发明可行实施的穷举。对于本领域技术人员而言，在不背离本发明原理和精神的前提下，对其所作出的任何显而易见的改动，都应当被认为包含在本发明的权利要求保护范围之内。