非贵金属-金属有机骨架复合材料、其制备方法与应用与流程

本发明属于材料合成和催化领域，具体涉及一种非贵金属-金属有机骨架(mofs)复合材料、其制备方法与应用。

背景技术：

含氮化合物，例如，胺和氮杂环，广泛存在于各种具有生物活性的天然产物及药物分子中。含吲哚骨架的化合物作为重要的含氮化合物，它们在医药、材料和天然产物科学中占有特殊的地位，因此高效快速地合成此类化合物具有重要意义。2-炔基苯胺类化合物通过分子内氢胺化作用转化为吲哚类化合物作为一种最简单、经济的方式，受到了广泛关注。但是到目前为止催化此类反应所使用的催化剂多是贵金属甚至有毒害作用的金属，因此开发无毒害作用、非贵金属催化剂，降低反应成本，发展条件温和的2-炔基苯胺类化合物的分子内氢胺化反应是十分必要的。

目前已报道的催化此类反应的催化剂主要包括：(1)稀有金属盐及复合物催化剂，例如，in(iii)、pd(ii)、au(iii)、pt(iv)无机盐及rh(i)配合物、ir(i)配合物在均相体系中实现2-炔基苯胺类化合物向吲哚类化合物的转化以及负载于沸石、fe2o3、石墨烯等的pd、pt、au、ag金属盐或者纳米颗粒在非均相体系催化吲哚类化合物的合成；(2)中强碱催化剂，例如，naoh、kh、kotbu等在有机溶剂内进行2-炔基苯胺类化合物的内环化合成；(3)非贵金属催化剂，例如，cu(ii)、zn(ii)和i2。在这三类催化体系中，稀有金属最为常见，但是它们的使用提高了反应的成本，不利于工业生产。在中强碱反应体系中，反应条件相对比较苛刻，并且产率也相对偏低。而非贵金属催化剂用于此类催化的研究目前还比较少，至今仅有一例负载型非贵金属在非均相条件下催化2-炔基苯胺类化合物的分子内羟胺化反应。但是其催化剂的合成过程比较繁琐，而且当反应底物含有吸电子基团时，催化效率明显下降。因此，开发高效、绿色、反应条件温和、易于分离的非均相催化剂，实现2-炔基苯胺类化合物向吲哚类化合物的转化具有极其重要的实用价值。

技术实现要素：

本发明提供一种非贵金属-mofs复合材料，所述复合材料以化学式m-mofs表示；其中m代表非贵金属离子zn(ii)，mofs代表以2,2'-联吡啶-5,5'-二羧酸为有机配体修饰的zr(iv)金属有机骨架载体材料。

根据本发明的复合材料，所述zr(iv)金属有机骨架载体材料可以是uio-67，uio-68。

根据本发明的复合材料，所述复合材料中，m的质量含量可以为1.0-12.5％，例如质量含量可以为1-10％、2-5％，作为示例，m的质量含量为2.26％。

根据本发明的复合材料，所述复合材料中，mofs的质量含量可以为87.5-99.0％，例如质量含量可以为90-99％、95-98％。

根据本发明的复合材料，所述m以离子形式分散于所述mofs材料的内部。优选地，所述分散为高度分散，例如所述分散为单位点分散。所述“单位点分散”指的是zn(ii)均匀独立地分布(例如螯合)于mofs晶体内部形成独立的lewis酸活性位点。

进一步地，本发明提供上述非贵金属-mofs复合材料的制备方法，所述方法包括如下步骤：

(1)含有锆盐、酸、有机配体和有机溶剂的混合物，经溶剂热反应，得到mofs材料；

(2)气体保护状态下，将非贵金属盐溶液加入所述mofs材料中，加热，后处理，得到所述非贵金属-mofs复合材料。

根据本发明的制备方法，步骤(1)中，所述锆盐可以是任何可溶于所述有机溶剂中的zr(iv)盐，例如四氯化锆、异丙醇锆；所述酸可以是有机酸或无机酸，例如盐酸、苯甲酸和/或乙酸；所述有机配体为2,2'-联吡啶-5,5'-二羧酸；所述有机溶剂可以为n,n-二甲基甲酰胺(dmf)、n,n-二甲基乙酰胺(dma)、n,n-二乙基甲酰胺(def)、二甲亚砜(dmso)等中的至少一种。

根据本发明的制备方法，步骤(1)中，所述锆盐、有机配体和有机溶剂的配比(mg/mg/ml)可以为1:1:(0.2-0.6)，例如为1:1:(0.3-0.5)，作为示例，配比(mg/mg/ml)为1:1:0.4。所述锆盐与所述酸的质量比可以为1:(30-60)，例如1:(35-55)、1:(40-50)，作为示例，质量比可以为1:47。

根据本发明的制备方法，步骤(1)中，所述混合物可以由所述锆盐、酸及有机配体溶解于有机溶剂得到；所述溶解可以采用超声分散的方式，例如超声10分钟-1小时，例如超声10-40分钟。

根据本发明的制备方法，步骤(1)中，所述溶剂热反应的温度可以为100-150℃，例如110-130℃，作为示例，温度为120℃。所述溶剂热反应的时间可以为1-4天，例如2-3天，作为示例，时间为3天。

根据本发明的制备方法，步骤(1)中，所述溶剂热反应在密封的反应釜(例如聚四氟乙烯反应釜)内进行，待溶剂热反应完成后，将混合物取出反应釜冷却至室温，离心得到mofs晶体。

根据本发明的制备方法，步骤(1)还包括，将产物mofs晶体洗涤和/或干燥。可以采用有机溶剂洗涤多次，比如采用多种不同有机溶剂(dmf、甲醇、乙醇等)交替洗涤2-4次。洗涤可以通过离心分离产物和有机溶剂。离心后，将所述产物真空干燥，于气体保护条件下备用；所述真空干燥的温度可以为130-170℃，优选140-160℃，作为示例，干燥温度为150℃；干燥的时间可以为8-15小时，优选9-12小时，作为示例，干燥时间为10小时。

根据本发明的制备方法，步骤(2)中，所述非贵金属盐溶液的浓度可以为3-20mg/ml，例如5-15mg/ml；作为示例，所述非贵金属盐溶液的浓度可以为5.5mg/ml。所述非贵金属溶液中所用溶剂可以为dmf、dma、乙腈、甲醇、dmso等中的至少一种。所述非贵金属盐为zn(ii)盐，例如所述zn(ii)金属离子的四氟硼酸盐、卤盐；作为示例，所述zn(ii)盐可以为zn(bf4)2·xh2o、zncl2、znbr2。所述zn(ii)盐与所述mofs材料的摩尔比可以为(1-6):(1-6)，如(1-3):(1-3)，作为示例，所述摩尔比可以为1:1。

根据本发明的制备方法，步骤(2)中，所述加热的温度可以为35-55℃，例如40-50℃，作为示例，温度可以为45℃。所述加热的时间可以为6-24小时，例如10-18小时，作为示例，时间可以为12小时。

根据本发明的制备方法，步骤(2)还包括将所述复合材料进行后处理。所述后处理可以包括洗涤、干燥；例如，所述洗涤可以采用有机溶剂洗涤多次，比如采用多种不同有机溶剂(dmf、甲醇、乙醇等)交替洗涤2-4次。所述干燥可以为真空干燥，例如干燥的温度可以为130-170℃，优选140-160℃，作为示例，干燥温度为150℃；干燥的时间可以为8-15小时，优选9-12小时，作为示例，干燥时间为10小时。

根据本发明示例性的制备方法，所述非贵金属-mofs复合材料的制备方法包括以下步骤：

(1)将锆盐、酸及有机配体溶于有机溶剂中，将混合溶液超声分散后进行溶剂热反应。反应完成后冷却至室温、离心、干燥，得到mofs材料；

(2)将zn(bf4)2·xh2o超声溶解于有机溶剂中，得到锌盐溶液；

(3)在气体保护状态下，将所述锌盐溶液全部加入到所述mofs材料中，加热反应，冷却、洗涤，干燥，得到所述非贵金属-mofs复合材料。

其中，所述的气体保护所使用的气体可以为氮气和/或氩气。

进一步地，本发明还提供所述非贵金属-mofs复合材料作为催化剂的应用。所述催化剂用于c-n键形成的反应，例如是n-h键与c-c双键或三键的加成反应，作为具体实例，其可以用于2-炔基苯胺类化合物转化为吲哚类化合物的反应中。

进一步地，本发明还提供一种用于形成c-n键的方法，所述方法以所述非贵金属-mofs复合材料作为催化剂。所述c-n键形成的反应，例如是n-h键与c-c双键或三键的加成反应，作为具体实例，其可以用于2-炔基苯胺类化合物转化为吲哚类化合物的反应中。因此，本发明提供一种吲哚类化合物的制备方法，该方法包括步骤：以所述非贵金属-mofs复合材料作为催化剂，催化2-炔基苯胺类化合物反应，制备得到所述吲哚类化合物。

其中，所述2-炔基苯胺类化合物可具有如下结构：

其中r1可以选自h、c1-12烷基、f、cl、br、i、无取代或任选被一个或多个rn取代的苯基；r2可以选自h、c1-12烷基、无取代或任选被一个或多个rm取代的苯基。

其中，rn和rm可以代表相同或不同，彼此独立地选自h、c1-6烷基、f、cl、br、i、c1-12烷氧基。优选地，rn可以选自h、c1-6烷基、f、cl、br、c1-6烷氧基，rm可以选自h、c1-6烷氧基、f、cl、br。作为示例，rn可以选自h、甲基、乙基、f或cl，rm可以选自h、f、cl或甲氧基。

优选地，所述2-炔基苯胺类化合物中，r1可以选自h、c1-6烷基、f、cl、br，r2可以选自h、c1-6烷基、苯基、被一个或多个甲氧基取代的苯基、被一个或多个f或cl取代的苯基。作为示例，r1可以选自h、甲基、乙基、f或cl，r2可以选自h、正丁基、苯基、4-氯苯基、4-甲氧基苯基。

作为具体实例，所述2-炔基苯胺类化合物可以选自2-(2-苯基乙炔基)苯胺、2-((4-氯苯基)乙炔基)-苯胺、2-乙炔基苯胺、2-((4-甲氧基苯基)乙炔基)-苯胺、2-((4-氟苯基)乙炔基)-苯胺、2-(对甲苯基乙炔基)-苯胺和4-氯-2-(苯基乙炔基)-苯胺中的至少一种。

其中，所述非贵金属-mofs复合材料的摩尔量为所述2-炔基苯胺类化合物摩尔量的3-21％，例如5-18％、8-15％，作为示例，可以为17％。

其中，所述催化反应的温度可以为80-110℃，例如90-100℃，作为示例，温度为100℃；所述催化反应的时间可以为15-30小时，例如20-24小时，作为示例，时间为23小时、24小时。

其中，所述催化反应在气体保护条件下进行，所述气体可以为氮气或者氩气，优选为氩气。

根据本发明吲哚类化合物的示例性的制备方法，该方法包括如下步骤：

(1)取所述非贵金属-mofs复合材料，与2-炔基苯胺类化合物密封混合，得到混合物；

(2)将上述混合物经过抽真空-填充氩气循环后，在氩气氛围下向其中加入有机溶剂，于80-110℃加热搅拌15-30小时；

(3)步骤(2)反应完成后，待产物降至室温后，后处理得到所述吲哚类化合物。

其中，步骤(2)中，所述有机溶剂可以为超干有机溶剂，例如可以为超干甲醇或超干甲苯；所述有机溶剂与2-炔基苯胺类化合物的体积质量比(ml/mg)可以为1:(30-70)，例如1:(40-60)，作为示例，体积质量比为1:50。将有机溶剂加入密封反应器的方式是本领域技术人员所公知的，例如通过反应器入口将溶剂注射进入。

其中，步骤(3)中，所述后处理是分离和/或纯化，例如可以是离心和/或柱层析。所述离心时所用的分离溶剂可以为步骤(2)所用的超干有机溶剂。本领域技术人员可以根据需求对柱层析采用的淋洗液进行选择，比如以石油醚、戊烷、正己烷、庚烷等烃类有机溶剂和乙酸乙酯的混合液作为淋洗液。

2-炔基苯胺类化合物在所述非金属-mofs复合材料催化条件下转化吲哚类化合物的反应过程可如下表示：

具体方案中，2-炔基苯胺类化合物在所述非金属-mofs复合材料催化条件下转化吲哚类化合物的反应过程可如下表示：

本发明的有益效果：

本发明提供的非贵金属-mofs复合材料使用地球上含量丰富的过渡金属结合多孔有序的金属有机骨架材料(mofs)制备得到，其中金属离子以高度分散形式通过螯合作用固定于mofs材料内，在催化2-炔基苯胺类化合物转化为吲哚类化合物的过程中，mofs内单位点分散的非贵金属离子提供有效活性位点进行催化作用，同时只需加入少量有机溶剂以促进分子间的传质作用。该复合材料具有优异的稳定性、确定的晶体结构、高催化活性、清晰的路易斯酸催化活性位点，和优异的循环性，是一种非常具有应用前景的复合型金属催化剂。

具体表现在以下几个方面：

(1)本发明首次采用单位点非贵金属-mofs复合材料在比较温和的条件下实现了2-炔基苯胺类化合物向吲哚类化合物的转化。

(2)催化剂的制备简单，空气中稳定，催化效率高，产物产率高，而且可以多次循环使用，有利于工业化生产。

(3)催化剂的结构明确，反应活性位点清晰，有利于催化机理的研究。

(4)本发明避免使用贵金属和强碱性物质，极大地降低了合成吲哚类化合物的成本。

本发明提供的非贵金属-mofs复合材料具有优异的催化性能，确定的晶体结构，清晰的路易斯酸催化活性位点，是一种非常具有应用前景的基于mofs的复合型金属催化剂。

术语定义：

除非另有说明，本申请说明书和权利要求书中记载的基团和术语定义，包括其作为实例的定义、示例性的定义、优选的定义、实施例中具体化合物的定义等，可以彼此之间任意组合和结合。这样的组合和结合后的基团定义及化合物结构，应当属于本申请说明书记载的范围内。

术语“c1-12烷基”应理解为优选表示具有1～12个碳原子的直连或支链饱和一价烃基，优选为c1-6烷基。“c1-6烷基”应理解为优选表示具有1、2、3、4、5、6个碳原子的直连或支链饱和一价烃基。所述烷基是例如甲基、乙基、丙基、丁基、异丙基、异丁基、仲丁基、叔丁基。

上述对术语“c1-12烷基”的定义同样适用于“c1-12烷氧基”。

附图说明

图1为本发明实施例1得到的复合材料的sem图及stem图。

图2为本发明实施例1得到的uio-67-bpy及复合材料的xps的全扫描(survey)谱。

具体实施方式

下文将结合具体实施例对本发明的技术方案做更进一步的详细说明。应当理解，下列实施例仅为示例性地说明和解释本发明，而不应被解释为对本发明保护范围的限制。凡基于本发明上述内容所实现的技术均涵盖在本发明旨在保护的范围内。

除非另有说明，以下实施例中使用的原料和试剂均为市售商品，或者可以通过已知方法制备。

实施例1：非贵金属-mofs复合材料的合成

合成mofs材料(即uio-67-bpy)：将四氯化锆(25mg)、2,2'-联吡啶-5,5'-二羧酸(h2bpy，25mg)、苯甲酸(1.1735g)和dmf(10ml)置于聚四氟乙烯釜内，超声10分钟，密封，120℃加热3天。冷却至室温后，收集晶体，用大量的dmf和甲醇依次洗涤，150℃真空干燥10小时后得到白色微晶粉末，备用。

将zn(bf4)2·xh2o(11mg)超声溶解于dmf(2ml)后，在氩气氛围下，将此溶液注射入装有100mguio-67-bpy粉末的小瓶内，45℃加热一夜。冷却至室温后，依次用dmf、甲醇各洗涤三遍，而后150℃真空干燥10小时，得到非贵金属-mofs复合材料。非贵金属-mofs复合材料中，经由icp(等离子体发射光谱)测定锌离子的质量含量为2.26％。

对合成的复合材料进行了sem、stem及xps表征，见附图1和2，图1表明：锌离子独立均匀地以单位点分散形式分布于晶体内部，并且未有纳米粒子生成。图2表明：锌离子成功引入晶体内，并且其价态为+2价。证明所得复合物为目标复合金属催化剂材料(记为：zn-uio-67-bpy)。

实施例2：zn-uio-67-bpy催化2-(2-苯基乙炔基)苯胺的分子内氢胺化反应

在耐压瓶内依次加入催化剂(实施例1制备的zn-uio-67-bpy，25mg)，2-(2-苯基乙炔基)苯胺(10mg)，密封，经过抽真空-填充氩气循环操作三遍后，在氩气氛围下注射入0.2ml超干甲醇，100℃加热反应24小时。反应冷却至室温，加入甲醇，离心分离，将分离所得清液旋转蒸发除去溶剂，得到粗产物，经柱层析方法(淋洗液为石油醚和乙酸乙酯混合液)分离得终产物，产率98％。

终产物的核磁数据：¹hnmr(400mhz，dmso-d6)：δ11.54(s,1h)，7.88-7.86(m,2h)，7.54-7.30(m,5h)，7.12-6.98(m,2h)，6.91(s,1h)。

实施例3：zn-uio-67-bpy催化2-((4-氯苯基)乙炔基)-苯胺的分子内氢胺化反应

在耐压瓶内依次加入催化剂(实施例1制备的zn-uio-67-bpy，25mg)，2-((4-氯苯基)乙炔基)-苯胺(11mg)，密封，经过抽真空-填充氩气循环操作三遍后，在氩气氛围下注射入0.2ml超干甲苯，100℃加热反应24小时。反应冷却至室温，加入甲苯，离心分离，将分离所得清液旋转蒸发除去溶剂，得到粗产物，经柱层析方法(淋洗液为石油醚和乙酸乙酯混合液)分离得终产物，产率92％。

终产物的核磁数据：¹hnmr(400mhz，dmso-d6)：δ11.59(s，1h)，7.89-7.87(m，2h)，7.54-7.39(m，4h)，7.12-7.01(m，2h)，6.94(s，1h)。

实施例4：zn-uio-67-bpy催化2-((4-甲氧基苯基)乙炔基)-苯胺的分子内氢胺化反应

在耐压瓶内依次加入催化剂(实施例1制备的zn-uio-67-bpy，25mg)，2-((4-甲氧基苯基)乙炔基)-苯胺(11mg)，密封，经过抽真空-填充氩气循环操作三遍后，在氩气氛围下注射入0.2ml超干甲苯，100℃加热反应24小时。反应冷却至室温，加入甲苯，离心分离，将分离所得清液旋转蒸发除去溶剂，得到粗产物，经柱层析方法(淋洗液为石油醚和乙酸乙酯混合液)分离得终产物，产率95％。

终产物的核磁数据：¹hnmr(400mhz，dmso-d6)：δ11.41(s，1h)，7.81-7.69(m，3h)，7.48(d，1h)，7.36(d，1h)，7.05-6.97(m，3h)，6.77(s，1h)，3.81(s，3h)。

实施例5：zn-uio-67-bpy催化2-乙炔基苯胺的分子内氢胺化反应

在耐压瓶内依次加入催化剂(实施例1制备的zn-uio-67-bpy，25mg)，2-乙炔基苯胺(11μl)，密封，经过抽真空-填充氩气循环操作三遍后，在氩气氛围下注射入0.2ml二氯乙烷，100℃加热反应24小时。反应冷却至室温，加入甲苯，离心分离，将分离所得清液旋转蒸发除去溶剂，得到粗产物，经柱层析方法(淋洗液为石油醚和乙酸乙酯混合液)分离，得终产物，产率50％。

终产物的核磁数据：¹hnmr(400mhz，dmso-d6)：δ7.69(d，1h)，7.20-7.16(m，3h)，6.71(d，1h)，6.49(m，1h)，5.72(s，1h)。

实施例6：zn-uio-67-bpy催化2-(对甲苯基乙炔基)苯胺的分子内氢胺化反应

在耐压瓶内依次加入催化剂(实施例1制备的zn-uio-67-bpy，25mg)，2-(对甲苯基乙炔基)苯胺(11mg)，密封，经过抽真空-填充氩气循环操作三遍后，在氩气氛围下注射入0.2ml超干甲苯，100℃加热反应24小时。反应冷却至室温，加入甲苯，离心分离，将分离所得清液旋转蒸发除去溶剂，得到粗产物，经柱层析方法(淋洗液为石油醚和乙酸乙酯混合液)分离，得到终产品，终产品的产率98％。

终产品的核磁数据：¹hnmr(400mhz，dmso-d6)：δ11.44(s，1h)，7.72(d，2h)，7.48(d，1h)，7.35(dd，1h)，7.24(m，2h)，7.04(m，1h)，6.94(m，1h)，6.80(dd，1h)，2.30(s，3h)。

实施例7：zn-uio-67-bpy催化4-氯-2-(苯基乙炔基)苯胺的分子内氢胺化反应

在耐压瓶内依次加入催化剂(实施例1制备的zn-uio-67-bpy，25mg)，4-氯-2-(苯基乙炔基)苯胺(11mg)，密封，经过抽真空-填充氩气循环操作三遍后，在氩气氛围下注射入0.2ml超干甲苯，100℃加热反应24小时。反应冷却至室温，加入甲苯，离心分离，将分离所得清液旋转蒸发除去溶剂，得到粗产物，经柱层析方法(淋洗液为石油醚和乙酸乙酯混合液)分离，得到终产品，终产品的产率98％。

终产品的核磁数据：¹hnmr(400mhz，dmso-d6)：δ11.72(s，1h)，7.83(d，2h)，7.53(s，1h)，7.46-7.42(m，2h)，7.38-7.29(m，2h)，7.07(d，1h)，6.86(s，1h)。

实施例8：zn-uio-67-bpy催化2-((4-氟苯基)乙炔基)-苯胺的分子内氢胺化反应

在耐压瓶内依次加入催化剂(实施例1制备的zn-uio-67-bpy，25mg)，2-((4-氟苯基)乙炔基)-苯胺(10mg)，密封，经过抽真空-填充氩气循环操作三遍后，在氩气氛围下注射入0.2ml超干甲苯，100℃加热反应24小时。反应冷却至室温，加入甲苯，离心分离，将分离所得清液旋转蒸发除去溶剂，得到粗产物，经柱层析方法(淋洗液为石油醚和乙酸乙酯混合液)分离得到终产品，终产品的产率98％。

终产品的核磁数据：1hnmr(400mhz，dmso-d6)：δ11.51(s,1h)，7.88-7.84(m,2h)，7.50(d,1h)，7.37-7.35(dd,1h)，7.29-7.25(m,2h)，7.08-7.04(m,1h)，6.98-6.94(m,1h)，6.83(d,1h)。

实施例9：循环zn-uio-67-bpy催化2-(2-苯基乙炔基)苯胺的分子内氢胺化反应

将实施例2中的催化剂回收，经干燥后处理，在与实施例2相同的实验条件下进行5次循环反应，所得终产物的产率分别为98％、96％、97％、92％及96％。

对比例1：zn(ii)盐及相应配体对2-(2-苯基乙炔基)苯胺的催化转化

在耐压瓶内依次加入zn(bf4)2·xh2o(20mg)，2,2-联吡啶(20mg)，2-(2-苯基乙炔基)苯胺(10mg)，密封，经过抽真空-填充氩气循环操作三遍后，在氩气氛围下注射入0.2ml超干甲醇/甲苯，100℃加热反应24小时。反应冷却至室温，加入甲醇，离心分离，将分离所得清液旋转蒸发除去溶剂，得到粗产物，经柱层析方法(淋洗液为石油醚和乙酸乙酯混合液)分离，所得主产物为水解产物，结构式为产率73％。

主产物的核磁数据：¹hnmr(400mhz，dmso-d6)：δ4.27(s，2h)，6.56-6.52(m，1h)，6.76(d，1h)，7.31-7.22(m，8h)，7.93-7.91(d，1h)。

通过实施例2与对比例1可以发现，在类似的反应条件下，实施例1提供的复合催化剂使2-(2-苯基乙炔基)苯胺的主要转化方向发生了改变，得到了较高产率的吲哚类产物。

以上，对本发明的实施方式进行了说明。但是，本发明不限定于上述实施方式。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。