本发明属于化学合成技术，特别是涉及一种一步构建c-c、c-n、c-s键的合成方法应用。
背景技术：
城市污水处理厂在污水处理过程中会形成大量的剩余污泥，随着城市和工业废水处理量的增加，在处理污水过程中产生的污泥量也显著增加。若能利用污泥炭作为载体制备出低成本、高活性的催化材料，解决污泥处理的难题，将会具有很高的实际应用前景。目前，污泥炭催化剂广泛用于降解有机废水，实现“以废治废”的目的。例如：间甲酚的湿法氧化降解(rscadvances,2015,5:41867)、在间歇式和连续式反应器中实现间甲酚污水的湿法降解(environmentaltechnology,2016,37:153)。但是直接将有机小分子酸负载到污泥炭上实现有机化学反应，还未见文献报道。此外，c-c、c-n、c-s键广泛存在于生物活性分子中，该类反应通常需要过渡金属的催化进行，常用的催化剂包括：sc(otf)3(angew.chem.int.ed.,2018,57:8927)、incl3(chem.commun.,2004,35:394)和[(ch3cn)4cu]pf6(j.org.chem.2017,82:3000)等，这类反应使用的过渡金属量较大，会造成产物中重金属的残余。
技术实现要素：
发明目的：针对上述现有技术存在的技术问题，本申请提供了一种在易制备、且环境友好的负载型酸催化剂作用下一步实现α-重氮酯类化合物与二酮类、炔类、硫酚类化合物之间c-c、c-n、c-s键的构建。
技术方案：本申请所述的一种一步构建c-c、c-n、c-s键的合成方法，以α-重氮酯类化合物4和二酮类化合物5、炔类化合物6或硫酚类化合物7为起始原料，使用酸负载的催化剂，在加热条件下，经α-重氮酯的质子化，一步实现c-c、c-n或c-s键的构筑，生成化合物1、2、3；
合成路线如下所示：
其中，r1选自氢、苯基、萘基、含有卤素、三氟甲基、甲基或甲氧基取代的芳基；
r2为碳原子数为1-4的烷基、烯丙基或苄基；
r3为酰基或酯基；
r4为含有卤素、三氟甲基、甲基或甲氧基取代的芳基、苄基。
其中，所述α-重氮酯类化合物4与二酮类化合物5、炔类化合物6或硫酚类化合物7的摩尔比为2:1～1:2。进一步的，所沪α-重氮酯类化合物4与二酮类化合物5的优选摩尔比为1:1.5；与炔类化合物6的优选摩尔比为2:1；与硫酚类化合物7的优选摩尔比为1:1.5。
优选的，反应(1)中，r1选自以下基团：苯基、萘基、含有卤素、三氟甲基、甲基或甲氧基取代的芳基。反应(2)中，r1选自以下基团：氢、含有卤素、三氟甲基、甲基或甲氧基取代的芳基。反应(3)中，r1选自以下基团：萘基、含有卤素、三氟甲基、甲基或甲氧基取代的芳基。
所述催化剂中酸选自盐酸、硫酸、高氯酸、醋酸、三氟乙酸、右旋樟脑磺酸、甲基磺酸、对甲苯磺酸、三氟甲磺酸中的一种，酸载体选自4a分子筛、二氧化硅、活性炭、二氧化钛、污泥炭中的一种。
优选的，催化剂中酸负载量为0.5mol％～20mol％(对应α-重氮酯4的摩尔百分比)。
进一步优选的，所述催化剂为负载三氟甲磺酸的污泥炭，并且三氟甲磺酸最佳的负载量为15mol％(对应α-重氮酯4的摩尔百分比)。
上述负载型小分子酸催化剂的制备方法包括以下步骤：
(1)取城市生活污水厂的污泥在100℃～125℃(较佳为110℃)条件下烘干至重量不变；
(2)在氮气氛围中，加热(1)中所得污泥，以3～6℃/min的升温速率升温至300～800℃(最佳温度为400～600℃)，煅烧时间2～8h(较佳为3～6h)，待冷却至15～35℃(较佳为25～30℃)，机械粉碎后，得到具有高比表面积，高孔隙率的污泥炭载体；
(3)将(2)中得到的污泥炭用三氟甲磺酸的乙酸乙酯溶液浸泡后，过夜搅拌，除去溶剂后，先在低温(80℃～100℃)下烘干2～3h,再在较高的温度下(150℃～200℃)焙烧3h，即制得三氟甲磺酸负载的的污泥炭催化剂(参考greenchem,2018,20:4547)。
一步构建c-c、c-n、c-s键的合成方法中，反应溶剂为二氯甲烷、1,2-二氯乙烷、四氢呋喃、丙酮、n,n-二甲基甲酰胺(dmf)、二甲基亚砜(dmso)、甲苯、1,4-二氧六环中的一种或两种的以上混合物；其中，α-重氮酯类化合物于反应溶剂中的摩尔浓度为0.05～1.0m，最优为0.1m。反应最好在非质子极性溶剂1,2-二氯乙烷中进行。反应气氛为空气环境；反应时间为1-24小时；反应温度为30-80℃。优选的，最佳温度为60℃。生成1的反应中最佳反应时间为3h；生成2、3的反应中最佳反应时间为6h。
合成反应结束后按常规分离纯化方法进行产物分离和表征，得到产物。
作为一种优选的技术方案，本申请一步构建c-c、c-n、c-s键的合成方法为：以负载三氟甲磺酸的污泥炭为催化剂，在1,2-二氯乙烷溶剂中，空气氛围下，进行分子间c-c、c-n、c-s的构筑。反应结束后按常规分离纯化方法进行产物分离和表征，得到相应产物化合物1、2、3。
有益效果：与已报道的α-重氮酯参与构筑c-c、c-n、c-s键的合成方法相比较，本申请具有以下优势：1)利用有机小分子作为催化剂，避免了产物中重金属的残余；2)污泥炭具有较大的比表面积，使得有机小分子可以在其上具有良好的分散性；3)污泥炭原料取自城市污泥，废物合理再利用，并且污泥原料成本较低，适用于大规模生产；4)利用该催化剂可以实现非均相催化，便于产物的分离纯化；5)使用该催化剂可以实现c-c、c-n、c-s三种化学键的构筑，具有极强的兼容性；6)使用负载三氟甲磺酸的污泥炭催化此类反应可以达到克级规模，易于工业化生产。
总之，本申请方法原料便宜易得，催化剂制备工艺简单，反应条件温和、效率高，且能达到克级规模，最高收率可达95％，作为载体的污泥炭，来源丰富，制备工艺简单，将其应用于有机合成反应，可以实现废弃资源的高效回收利用，符合绿色化学的要求，具有实际应用价值。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本申请作出详细说明。
实施例1
三氟甲磺酸负载的污泥炭催化剂制备：(1)取城市生活污水厂的污泥在110℃条件下烘干至重量不变；(2)在氮气氛围中，加热(1)中所得污泥，以5℃/min的升温速率升温至600℃，煅烧时间6h，待冷却至25℃，机械粉碎后，得到具有高比表面积，高孔隙率的污泥炭载体。取用(2)中得到的污泥炭5l，用15mol％的三氟甲磺酸的乙酸乙酯溶液浸泡后(对应α-重氮酯4的摩尔百分比)，过夜搅拌，除去溶剂后，先在低温80℃～100℃下烘干2～3h,再在150℃～200℃焙烧3h，即制得三氟甲磺酸负载的的污泥炭催化剂tfmsa-sc。
在室温条件下，依次称取苯基重氮乙酸乙酯4a(0.5mmol)、二苯甲酰基甲烷5a(0.75mmol)、tfmsa-sc(10mg)于25mlschlenk反应瓶中，在空气氛围下，加入1,2-二氯乙烷5ml，在室温下搅拌2分钟，放入60℃的油浴中反应2小时。反应结束后，将混合物冷却至室温，减压下除去挥发组份，然后用硅胶柱层析分离(洗脱液为石油醚(60-90℃)/乙酸乙酯，v/v＝5:1)，得到白色固体目标产物1a(144mg,收率75％)。目标产物通过核磁共振谱和高分辨质谱测定得到确认。
实施例2
在室温条件下，依次称取萘基重氮乙酸乙酯4b(0.5mmol)、二苯甲酰基甲烷5a(0.75mmol)、tfmsa-sc(10mg)于25mlschlenk反应瓶中，在空气氛围下，加入1,2-二氯乙烷5ml，在室温下搅拌2分钟，放入70℃的油浴中反应3小时。反应结束后，将混合物冷却至室温，减压下除去挥发组份，然后用硅胶柱层析分离(洗脱液为石油醚(60-90℃)/乙酸乙酯，v/v＝5:1)，得到白色固体目标产物1b(152mg,收率70％)。目标产物通过核磁共振谱和高分辨质谱测定得到确认。
实施例3
在室温条件下，依次称取2-重氮基-2-苯基乙酸烯丙酯4c(0.5mmol)、二苯甲酰基甲烷5a(0.75mmol)、tfmsa-sc(10mg)于25mlschlenk反应瓶中，在空气氛围下，加入1,2-二氯乙烷5ml，在室温下搅拌2分钟，放入70℃的油浴中反应3小时。反应结束后，将混合物冷却至室温，减压下除去挥发组份，然后用硅胶柱层析分离(洗脱液为石油醚(60-90℃)/乙酸乙酯，v/v＝5:1)，得到白色固体目标产物1c(140mg,收率70％)。目标产物通过核磁共振谱和高分辨质谱测定得到确认。
实施例4
在室温条件下，依次称取重氮乙酸乙酯4d(1mmol)，3-炔基-2-丁酮6a(0.5mmol)、tfmsa-sc(10mg)于25mlschlenk反应瓶中，在空气氛围下，加入1,2-二氯乙烷5ml，在室温下搅拌2分钟，放入30℃的油浴中反应2小时。反应结束后，将混合物冷却至室温，减压下除去挥发组份，然后用硅胶柱层析分离(洗脱液为石油醚(60-90℃)/乙酸乙酯，v/v＝2:1)，得到白色固体目标产物2a(96mg,收率95％)。目标产物通过核磁共振谱和高分辨质谱测定得到确认。采用的污泥炭催化剂与实施例1中一致。
实施例5
在室温条件下，依次称取重氮乙酸乙酯4d(1mmol)，丙炔酸甲酯6b(0.5mmol)、tfmsa-sc(10mg)于25mlschlenk反应瓶中，在空气氛围下，加入1,2-二氯乙烷5ml，在室温下搅拌2分钟，放入70℃的油浴中反应3小时。反应结束后，将混合物冷却至室温，减压下除去挥发组份，然后用硅胶柱层析分离(洗脱液为石油醚(60-90℃)/乙酸乙酯，v/v＝2:1)，得到白色固体目标产物2b(81mg,收率82％)。目标产物通过核磁共振谱和高分辨质谱测定得到确认。采用的污泥炭催化剂与实施例1中一致。
实施例6
在室温条件下，依次称取重氮乙酸乙酯4d(1mmol)，丙炔酸乙酯6c(0.5mmol)、tfmsa-sc(10mg)于25mlschlenk反应瓶中，在空气氛围下，加入1,2-二氯乙烷5ml，在室温下搅拌2分钟，放入70℃的油浴中反应3小时。反应结束后，将混合物冷却至室温，减压下除去挥发组份，然后用硅胶柱层析分离(洗脱液为石油醚(60-90℃)/乙酸乙酯，v/v＝2:1)，得到白色固体目标产物2c(90mg,收率85％)。目标产物通过核磁共振谱和高分辨质谱测定得到确认。采用的污泥炭催化剂与实施例1中一致。
实施例7
在室温条件下，依次称取苯基重氮乙酸乙酯4a(0.5mmol)，硫酚7a(0.75mmol)、tfmsa-sc(10mg)于25mlschlenk反应瓶中，在空气氛围下，加入1,2-二氯乙烷5ml，在室温下搅拌2分钟，放入80℃的油浴中反应3小时。反应结束后，减压下除去挥发组份，然后用硅胶柱层析分离(洗脱液为石油醚(60-90℃)/乙酸乙酯，v/v＝20:1)，得到无色油状目标产物3a(100mg,收率74％)。目标产物通过核磁共振谱和高分辨质谱测定得到确认。采用的污泥炭催化剂与实施例1中一致。
实施例8
在室温条件下，依次称取苯基重氮乙酸乙酯4a(0.5mmol)，对甲氧基苯硫酚7b(0.75mmol)、tfmsa-sc(10mg)于25mlschlenk反应瓶中，在空气氛围下，加入1,2-二氯乙烷5ml，在室温下搅拌2分钟，放入70℃的油浴中反应6小时。反应结束后，减压下除去挥发组份，然后用硅胶柱层析分离(洗脱液为石油醚(60-90℃)/乙酸乙酯，v/v＝20:1)，得到无色油状目标产物3b(107mg,收率71％)。目标产物通过核磁共振谱和高分辨质谱测定得到确认。采用的污泥炭催化剂与实施例1中一致。
实施例9
在室温条件下，依次称取苯基重氮乙酸苄酯4e(0.5mmol)，硫酚7a(0.75mmol)、tfmsa-sc(10mg)于25mlschlenk反应管中，在空气氛围下，加入1,2-二氯乙烷5ml，在室温下搅拌2分钟，放入80℃的油浴中反6小时。反应结束后，减压下除去挥发组份，然后用硅胶柱层析分离(洗脱液为石油醚(60-90℃)/乙酸乙酯，v/v＝20:1)，得到无色油状目标产物3c(108mg,收率65％)。目标产物通过核磁共振谱和高分辨质谱测定得到确认。采用的污泥炭催化剂与实施例1中一致。
实施例10(克级规模反应)
在室温条件下，依次称取重氮乙酸乙酯4d(30mmol)，3-炔基-2-丁酮6a(15mmol)、tfmsa-sc(300mg)于100ml反应瓶中，在空气氛围下，加入1,2-二氯乙烷50ml，在室温下搅拌2分钟，放入30℃的油浴中反应12小时。反应结束后，将混合物冷却至室温，减压下除去挥发组份，然后用硅胶柱层析分离(洗脱液为石油醚(60-90℃)/乙酸乙酯，v/v＝2:1)，得到白色固体目标产物2a(2.4g,收率88％)。目标产物通过核磁共振谱和高分辨质谱测定得到确认。采用的污泥炭催化剂与实施例1中一致。
实施例11
与不同类型小分子酸的催化效果进行比对，酸的种类包括：盐酸、硫酸、高氯酸、醋酸、三氟乙酸、右旋樟脑磺酸、甲基磺酸、对甲苯磺酸、三氟甲磺酸。
在室温条件下，依次称取苯基重氮乙酸乙酯4a(0.5mmol)、二苯甲酰基甲烷5a(0.75mmol)、盐酸、硫酸、高氯酸、醋酸、三氟乙酸、右旋樟脑磺酸、甲基磺酸、对甲苯磺酸、三氟甲磺酸(酸用量为15mol％)其中一种于25mlschlenk反应瓶中，在空气氛围下，加入1,2-二氯乙烷5ml，在室温下搅拌2分钟，放入60℃的油浴中反应2小时。反应结束后，减压下除去挥发组份，然后用硅胶柱层析分离(洗脱液为石油醚(60-90℃)/乙酸乙酯，v/v＝5:1)，得到相应目标产物，计算分离收率。其中在盐酸催化下反应收率为40％；硫酸催化下反应收率为45％；高氯酸催化下反应收率为57％；醋酸催化下反应收率为10％；三氟乙酸催化下反应收率为13％；右旋樟脑磺酸催化下反应收率为24％；甲基磺酸催化下反应收率为27％；对甲苯磺酸催化下反应收率为30％；三氟甲磺酸催化下反应收率为70％，可见使用三氟甲磺酸催化该反应效果最佳。
实施例12
三氟甲磺酸负载的污泥炭催化剂制备：(1)取少量城市生活污水厂的污泥在110℃条件下烘干至重量不变；(2)在氮气氛围中，加热(1)中所得污泥，以5℃/min的升温速率升温至600℃，煅烧时间6h，待冷却至25℃，机械粉碎后，得到具有高比表面积，高孔隙率的污泥炭载体。取用(2)中得到的污泥炭5l，用15mol％的三氟甲磺酸的乙酸乙酯溶液浸泡后(对应α-重氮酯4的摩尔百分比)，过夜搅拌，除去溶剂后，先在低温(80℃～100℃)下烘干2～3h,再在较高的温度下(150℃～200℃)焙烧3h，即制得三氟甲磺酸负载的的污泥炭催化剂。
在室温条件下，依次称取苯基重氮乙酸乙酯4a(0.5mmol)、二苯甲酰基甲烷5a(0.75mmol)、tfmsa-sc(10mg)于25mlschlenk反应瓶中，在空气氛围下，加入1,2-二氯乙烷5ml，在室温下搅拌2分钟，放入60℃的油浴中反应2小时。反应结束后，将混合物冷却至室温，减压下除去挥发组份，然后用硅胶柱层析分离(洗脱液为石油醚(60-90℃)/乙酸乙酯，v/v＝5:1)，得到白色固体目标产物1a(144mg,收率75％)。目标产物通过核磁共振谱和高分辨质谱测定得到确认。
在室温条件下，依次称取重氮乙酸乙酯4d(1mmol)，3-炔基-2-丁酮6a(0.5mmol)、tfmsa-sc(10mg)于25mlschlenk反应瓶中，在空气氛围下，加入1,2-二氯乙烷5ml，在室温下搅拌2分钟，放入30℃的油浴中反应2小时。反应结束后，将混合物冷却至室温，减压下除去挥发组份，然后用硅胶柱层析分离(洗脱液为石油醚(60-90℃)/乙酸乙酯，v/v＝2:1)，得到白色固体目标产物2a(96mg,收率95％)。目标产物通过核磁共振谱和高分辨质谱测定得到确认。采用的污泥炭催化剂与实施例1中一致。
在室温条件下，依次称取苯基重氮乙酸乙酯4a(0.5mmol)，硫酚7a(0.75mmol)、tfmsa-sc(10mg)于25mlschlenk反应瓶中，在空气氛围下，加入1,2-二氯乙烷5ml，在室温下搅拌2分钟，放入80℃的油浴中反应3小时。反应结束后，减压下除去挥发组份，然后用硅胶柱层析分离(洗脱液为石油醚(60-90℃)/乙酸乙酯，v/v＝20:1)，得到无色油状目标产物3a(100mg,收率74％)。目标产物通过核磁共振谱和高分辨质谱测定得到确认。采用的污泥炭催化剂与实施例1中一致。
与已报道的金属催化剂(angew.chem.int.ed.,2018,57:8927、chem.commun.,2004,35:394、j.org.chem.2017,82:3000)进行比对。通过对比可以发现负载三氟甲磺酸的污泥炭催化剂与金属催化剂的催化效果相差不大，且该方法采用绿色环保的有机小分子酸，不会造成重金属残余，使用天然的污泥炭作为酸载体，实现了废弃资源的再生利用。
典型化合物表征数据
构筑c-c键产物(1a)，白色固体，1hnmr(400mhz,cdcl3)δ7.94(d,j＝7.2hz,2h),7.65(d,j＝7.2hz,2h),7.49(t,j＝7.4hz,1h),7.42(t,j＝7.4hz,1h),7.35(t,j＝7.7hz,2h),7.26(t,j＝7.6hz,4h),7.16(t,j＝7.3hz,2h),7.10(t,j＝7.2hz,1h),6.09(d,j＝11.2hz,1h),4.79(d,j＝11.2hz,1h),4.14(dt,j＝17.9,10.8hz,2h),1.18(t,j＝7.1hz,3h).13c{1h}nmr(100mhz,cdcl3)δ194.66,194.33,172.74,136.76,136.47,135.40,133.55,133.44,128.90,128.89,128.80,128.79,128.68,128.60,127.96,61.58,61.04,52.69,14.10.hrms(ei)calcdforc25h22o4[m+h]+:387.1596；found:387.1591；c25h22o4[m+na]+:409.1416；found:409.1410.
构筑c-n键产物(2a)，白色固体，1hnmr(400mhz,cdcl3)δ7.32(s,1h),4.41(q,j＝7.1hz,2h),2.61(s,3h),1.38(t,j＝7.1hz,3h).13c{1h}nmr(100mhz,cdcl3)δ191.78,160.47,110.15,61.91,26.93,14.29.hrms(ei)calcdforc8h10n2o3[m+h]+:183.0770；found:183.0764；c8h10n2o3[m+na]+:205.0589；found:205.0584.
构筑c-s键产物(3b)，无色油状，1hnmr(400mhz,cdcl3)δ7.43–7.37(m,2h),7.35–7.27(m,5h),6.85–6.72(m,2h),4.75(s,1h),4.12(t,j＝7.2hz,2h),3.78(s,3h),1.18(t,j＝7.1hz,3h).13c{1h}nmr(100mhz,cdcl3)δ170.67,160.34,136.32,136.07,128.74128.68,128.25,123.96,114.60,61.71,57.58,55.45,14.17.hrms(ei)calcdforc17h18o3s[m+h]+:303.1055；found:303.1049；c17h18o3s[m+na]+:325.0874；found:325.0869。