一种壳聚糖席夫碱负载二价铜材料在制备β-硼基酯中的应用

一种壳聚糖席夫碱负载二价铜材料在制备
β-硼基酯中的应用
技术领域
1.本发明涉及有机合成领域，具体地指一种壳聚糖席夫碱负载二价铜材料在制备β-硼基酯中的具体应用。


背景技术：

2.有机硼化物作为一类重要的合成中间体，其c-b键可以通过氧化反应，suzuki-miyaura偶联反应，petasis反应等发生一系列转化，得到c-o键、c-n键和c-c键；同时，有机硼化合物在有机合成中具有好的稳定性、容易制备、毒性低、官能团容限广、合成通用性强等一系列优点，这些优异的特性使得有机硼化物在有机合成，材料，生物医药等领域中得到广泛的应用,有机硼化物可作为有机功能高分子应用广泛。在过去的几年里，已经成功地建立了许多综合和构建有机硼化物的战略。但是这些方法都有具有各自的局限性，无法满足多样性合成的需要，所以发展合成有机硼化合物的新方法和新途径值得进一步探究。
3.2020年，文献(angew.chem.int.ed.2020,59(26))中，wu课题组利用铜作催化剂催化未活化烯烃与卤代烷基化合物进行区域选择性的硼羰基化偶联反应，合成β-硼基酮化合物；此反应中需要用添加强碱liome，以二甲基乙酰胺为溶剂，在加热60℃的条件下进行，从节约环保看，该方法利用强碱和有机溶剂对环境不友好；从底物范围看，底物类型局限于苯环取代基底物，不能拓展到烷基链等其他基团。同年，文献(angew.chem.int.ed.2020,59(39))中利用配合物cu/pd的催化剂，以苯乙烯、芳基碘化物、b2pin 2
和co四组分为底物，在添加碱的条件下，通过羰基化反应成功合成了β-硼基酮，此后作者拓展到甲基三氟磺酸为底物，反应中需要用到复杂铜盐、钯盐、甲苯、大量强碱以及无水无氧操作，且由于反应本身的局限性，无法拓展到除了苯环取代基以外的底物，以上的不足都限制了该方法的应用。
4.在现有文献报道中，各种用于构建不同c-b键类型底物中大多采用昂贵有毒的过渡金属，应用于均相催化中，虽然反应体系的活性很高，但大多需强碱添加剂，高价格的配体和过渡金属，无法满足绿色持续发展理念。虽然有报道价格低廉的一价铜催化制备各种有机硼化物，但是反应条件严苛，需要强碱，无水无氧，低温等一系列繁琐的操作，其效率不高，无法满足实际生产中的应用。为了克服这些问题，扩大有机硼化物制备范围，探究不同种类的有机硼化物的高效率、环境友好的催化反应途径具有重要意义。


技术实现要素：

5.本发明的目的就是要解决上述背景技术的不足，提供一种壳聚糖席夫碱负载二价铜材料作为催化剂应用于合成一系列的β-硼基酯化合物。
6.壳聚糖具有单一性能，改性后得到的壳聚糖席夫碱聚合物的主链上存在氨基基团，使其成为一种天然阳离子聚合物，为有机反应体系创造了碱性环境，避免了其他添加碱的使用。同时，壳聚糖席夫碱材料是一种具有开放网络、大孔、高比表面积的稳定多功能材料，可以作为活性金属催化剂的大螯合配体，作为分散纳米颗粒的载体，还可以作为直接的非均相有机催化剂，这种非均相催化剂材料易于分离回收，并且可以反复使用。同时催化金
属离子的选择上，相较于钯，铑，镍等价格高，污染高的金属，铜是过渡金属中价格低廉，资源丰富且应用较多的金属。故该方法绿色环保、成本低、可循环，为构建新一类c-b键化合物提供了有效思路，具有潜在的工业价值。
7.本发明的技术方案为：一种壳聚糖席夫碱负载二价铜材料在催化制备β-硼基酯化合物中的应用，其特征在于，具体应用步骤包括：
8.1)将作为底物的α-丙烯基酯化合物i、作为硼源的联硼酸频那醇酯、作为催化剂的壳聚糖席夫碱负载二价铜材料cx@cu加入纯水中，在室温下混合搅拌反应8～16h，其中α-丙烯基酯化合物i、联硼酸频那醇酯、cx@cu负载铜的摩尔比为1:(1～2):(0.01～0.05)，
9.化学反应方程式如下：
[0010][0011]
其中，r为苯基、甲基、正丁基、十二烷基、叔丁基、2-甲氧基乙基；
[0012]
2)反应结束后，进行过滤，所得固相经洗涤、离心、干燥后得到回收的壳聚糖席夫碱负载二价铜材料cx@cu，循环用于下一次反应；所得液相经分离提纯得到β-硼基酯化合物ii。
[0013]
优选的，步骤a中材料cx@cu中铜含量为0.6～1.6mmol/g。
[0014]
优选的，步骤a中α-丙烯基酯化合物i、联硼酸频那醇酯、cx@cu材料的铜离子含量，三种物质的摩尔比为1:2:0.0167～0.025。
[0015]
优选的，步骤1)壳聚糖席夫碱铜功能材料cx@cu中负载铜与水的用量之比为0.005mmol:1～2ml。
[0016]
优选的，步骤1)中，室温下混合搅拌反应16h。
[0017]
优选的，步骤2)中所得滤液分离提纯得到β-硼基酯化合物ii具体包括：滤液用乙酸乙酯萃取，得到含有产物的有机相，再经过无水na2so4干燥、过滤、旋蒸去除多余有机溶剂，所得粗产物经乙酸乙酯和石油醚混合溶剂柱层析纯化，得到β-硼基酯化合物ii。
[0018]
优选的，步骤1)中壳聚糖席夫碱负载二价铜材料cx@cu由包括以下步骤的方法制得：
[0019]
a.将冰醋酸、无水乙醇按体积比1:5～8混合得到醋酸乙醇溶液，将壳聚糖与醛类化合物加入醋酸乙醇溶液中，25～50℃下搅拌反应8～16h，其中醛为2-喹啉甲醛，5-溴水杨醛，3,5-二叔丁基水杨醛中的一种，壳聚糖中氨基-nh2与醛类化合物中的醛基-cho的摩尔比为1:3～4；
[0020]
b.反应结束后，分离洗涤烘干得到粉末状的壳聚糖席夫碱材料；
[0021]c.将壳聚糖席夫碱材料置于硫酸铜溶液中，在25～50℃搅拌反应8～16h，促进二价铜离子的吸附；
[0022]
d.吸附结束后，分离洗涤烘干得到壳聚糖席夫碱负载二价铜材料cx@cu。
[0023]
上述壳聚糖与醛制备壳聚糖席夫碱材料的化学方程式为：
[0024][0025]
l为：中的一种。
[0026]
进一步的，步骤a中冰醋酸、无水乙醇按体积比1:7.5混合得到醋酸乙醇溶液，壳聚糖中氨基-nh2与醛类化合物中的醛基-cho的摩尔比为1:4。
[0027]
进一步的，步骤c中硫酸铜溶液所含cu
2+
与壳聚糖中氨基-nh2摩尔比至少为1:1，步骤c中硫酸铜溶液中铜离子浓度为0.16～0.24mol/l。
[0028]
进一步的，步骤b和d中的分离洗涤烘干均包括：过滤后将所得固相用水和乙醇反复交替洗涤，在50℃烘箱干燥12h。
[0029]
壳聚糖席夫碱铜功能材料的制备过程中，硫酸铜溶液向壳聚糖席夫碱材料提供充足的铜离子，使其通过自身吸附能力实现铜离子吸附，为本领域常规操作。
[0030]
本发明中，壳聚糖本身分子结构中的羟基、氨基能与过渡金属离子配位而具有极强的鳌合能力，能与重金属离子pb
2+
、zn
2+
、hg
+
等形成螯合物，比如与hg
+
形成稳定的-n-hg-o-内络盐结构，cu
2+
与为四配位的金属离子，通过杂原子配位铜与壳聚糖形成的具有特殊结构的螯合物。经过醛化学修饰过的壳聚糖，可以进一步增强稳定性和生物相容性，改变其弱的机械性能。b2(pin)2在cx@cu催化材料中活性铜的催化下，发生b-b键断裂，与二价铜反应形成铜硼烷基络合物和副产物bpin-oh，在羰基的导向作用下，与α-丙烯基酯发生不饱和受体的共轭加成反应，生成中间体。经由多元环过渡重排，由溶剂水提供质子源，通过质子化过程生成目标产物，并实现催化材料的再生，其中，在cu
2+
催化体系中，速度决定步骤是质子化过程。
[0031]
本发明的有益效果为：
[0032]
1.本发明提供了一种壳聚糖席夫碱负载二价铜材料的制备方法，该材料具有高活性、高选择性、可循环性、低催化用量等优点。
[0033]
2.该催化材料成功的实现了α-丙烯基酯类底物硼加成反应，此合成方法在室温下，纯水为溶剂中进行，具有低成本、低污染、组分简单、操作简便、底物范围广等优点。
[0034]
3.该发明把绿色可循环的非均相催化剂应用在有机硼加成反应中，拓展了构建c-b键的合成方法。
附图说明
[0035]
图1为实施例2中目标产物的核磁氢谱图；
[0036]
图2为实施例2中目标产物的核磁碳谱图。
具体实施方式
[0037]
下面具体实施例对本发明作进一步的详细说明。下面具体实施例对本发明作进一步的详细说明。实施例中所用的药品未经特别说明均为市售产品，所用方法未经特别说明均为本领域常规方法。
[0038]
实施例1
[0039]
壳聚糖席夫碱负载二价铜材料具体制备方法如下：
[0040]
a.将冰醋酸、无水乙醇按体积比1:7.5混合得到醋酸乙醇溶液，将壳聚糖1g与醛类化合物加入醋酸乙醇溶液中，50℃下搅拌反应12h，其中，1.0g壳聚糖约含6.2mmol-nh2，壳聚糖中氨基-nh2与醛类化合物中的醛基-cho的摩尔比为1:4；
[0041]
b.反应结束后，将反应液过滤，所得沉淀物用水和乙醇反复交替洗涤，在50℃下烘箱干燥12h即可得到壳聚糖席夫碱材料；
[0042]
c.将步骤b所得壳聚糖席夫碱材料加入至30ml硫酸铜溶液(由1.6g五水硫酸铜配制，含有约6.4mmol cu
2+
)中，50℃搅拌12h，促进二价铜离子吸附；
[0043]
d.吸附结束后，反应液过滤后将沉淀物用水和乙醇反复交替洗涤，在50℃下烘箱干燥12h得到壳聚糖席夫碱负载二价铜材料cx@cu。
[0044]
以上制备方法步骤a中醛为2-喹啉甲醛时，制得壳聚糖席夫碱负载二价铜材料cx1@cu(经icp测定二价铜含量为0.9mmol/g)；
[0045]
以上制备方法步骤a中醛为5-溴水杨醛时，制得壳聚糖席夫碱负载二价铜材料cx2@cu(经icp测定二价铜含量为0.6mmol/g)；
[0046]
以上制备方法步骤a中醛为3,5-二叔丁基水杨醛时，制得壳聚糖席夫碱负载二价铜材料cx3@cu(经icp测定二价铜含量为0.6mmol/g)。
[0047]
以上制备方法步骤a中不加入醛，仅将壳聚糖加入醋酸乙醇溶液中，其余步骤不变，得到对比材料cx0@cu(经icp测定铜含量为1.6mmol/g)。
[0048]
实施例2
[0049]
本实施例提供一种壳聚糖席夫碱负载二价铜材料催化合成β-硼基酯的方法，包括以下步骤：
[0050]
将α-丙烯基酯化合物i、联硼酸频那醇酯试剂与不同的催化材料壳聚糖席夫碱负载二价铜材料cx1@cu，cx2@cu，cx3@cu以及空白对照组壳聚糖铜材料cx0@cu(实施例1制备)加入到2ml水中，其中α-丙烯基酯化合物i为0.3mmol、联硼酸频那醇酯为0.6mmol、壳聚糖席夫碱负载二价铜材料负载铜为0.005mmol，室温下混合搅拌反应16h，本实施例α-丙烯基酯化合物i中r为苯基；
[0051]
反应结束后，经过滤操作，所得沉淀物用水和乙醇反复交替洗涤、干燥，回收壳聚糖席夫碱负载二价铜材料循环使用，所得滤液用乙酸乙酯萃取3次，得到含有产物的有机相，经无水na2so4干燥去除体系中的水、过滤、旋蒸去除多余有机溶剂。所得粗产物用体积比石油醚/乙酸乙酯混合溶剂＝5:1作展开剂，柱层析纯化得到β-硼基酯化合物ii(r为苯基)。
[0052][0053]
将cx0@cu，cx1@cu，cx2@cu，cx3@cu催化材料用于该反应中，分别得最终产率为30％，80％，70％，74％。
[0054]
cx1@cu催化材料循环5次催化使用后，第6次应用于所述甲基丙烯酸苯酯的硼加成反应，所得产物收率为78％。
[0055]
目标产物的核磁氢谱和碳谱如下所示，图谱如图1和图2：
[0056]1h nmr(400mhz,chloroform-d)；δ＝7.39-7.22(m,2h),7.22-7.18(m,1h),7.09-7.07(m,2h),2.96-2.90(m,1h),1.35-1.31(q,3h),1.29-1.27(m,1h),1.24(s,12h),1.11-1.05(m,1h).
[0057]
13
c nmr(100mhz,chloroform-d)；δ＝175.80,151.02,129.33,126.58,121.62,83.37,36.59,24.87,24.84,19.40.
[0058]
实施例3
[0059]
本实施例提供一种壳聚糖席夫碱负载二价铜材料催化制备β-硼基酯的方法，包括以下步骤：
[0060]
将0.20mmolα-丙烯基酯化合物i、0.4mmol联硼酸频那醇酯、负载铜0.005mmol的壳聚糖席夫碱负载二价铜材料cx1@cu加入2.0ml水中，室温下混合搅拌反应16h，本实施例α-丙烯基酯化合物i为甲基丙烯酸甲酯(r为甲基)；
[0061]
反应结束后，经过滤操作，滤液用乙酸乙酯萃取3次，得到含有产物的有机相，经无水na2so4干燥、过滤、旋蒸去除多余有机溶剂。所得粗产物用体积比石油醚/乙酸乙酯混合溶剂＝6:1作展开剂，柱层析纯化得到β-硼基酯化合物ii，产物收率为72％。
[0062][0063]
目标产物的核磁氢谱和碳谱如下所示：
[0064]1h nmr(400mhz,chloroform-d)；δ＝3.65(s,3h),2.71-2.66(q,1h),1.22(s,6h),1.20(s,6h),1.19-1.14(m,3h),1.13-1.10(m,1h),0.98-0.90(m,1h).
[0065]
13
c nmr(100mhz,chloroform-d)；δ＝177.72,83.18,51.58,25.34,24.78,24.71,19.42.
[0066]
本实施例结果显示，由本发明实施例1提供的cx1@cu催化材料参与硼加成反应下，甲基丙烯酸甲酯的转化率高，其硼加成产物的收率达到了72％。
[0067]
实施例4
[0068]
本实施例提供一种壳聚糖席夫碱负载二价铜材料催化制备β-硼基酯的方法，包括以下步骤：
[0069]
将0.20mmolα-丙烯基酯化合物i、0.4mmol联硼酸频那醇酯、负载铜0.005mmol的壳
聚糖席夫碱负载二价铜材料cx1@cu加入2.0ml水中，室温下混合搅拌反应16h，本实施例α-丙烯基酯化合物i为甲基丙烯酸丁酯(r为正丁基)；
[0070]
反应结束后，经过滤操作，滤液用乙酸乙酯萃取3次，得到含有产物的有机相，经无水na2so4干燥、过滤、旋蒸去除多余有机溶剂。所得粗产物用体积比石油醚/乙酸乙酯混合溶剂＝7:1作展开剂，柱层析纯化得到β-硼基酯化合物ii，产物收率为81％。
[0071][0072]
目标产物的核磁氢谱和碳谱如下所示：
[0073]1h nmr(400mhz,chloroform-d)；δ＝4.06-3.97(m,2h),2.66-2.60(m,2h),1.60-1.59(m,2h),1.39-1.30(m,2h),1.21(s,12h),1.20(s,3h),1.17-1.07(m,1h),0.92-0.86(m,4h).
[0074]
13
c nmr(100mhz,chloroform-d)；δ＝177.35,83.11,64.08,35.44,30.72,24.77,24.75,19.39,19.13,13.74.
[0075]
本实施例结果显示，由本发明实施例1提供的cx1@cu催化材料参与硼加成反应下，甲基丙烯酸丁酯的转化率高，其硼加成产物的收率达到了81％。
[0076]
实施例5
[0077]
本实施例提供一种壳聚糖席夫碱负载二价铜材料催化制备β-硼基酯的方法，包括以下步骤：
[0078]
将0.20mmolα-丙烯基酯化合物i、0.4mmol联硼酸频那醇酯、负载铜0.005mmol的壳聚糖席夫碱负载二价铜材料cx1@cu加入2.0ml水中，室温下混合搅拌反应16h，本实施例α-丙烯基酯化合物i为甲基丙烯酸月桂酯(r为十二烷基)；
[0079]
反应结束后，经过滤操作，滤液用乙酸乙酯萃取3次，得到含有产物的有机相，经无水na2so4干燥、过滤、旋蒸去除多余有机溶剂。所得粗产物用体积比石油醚/乙酸乙酯混合溶剂＝15:1作展开剂，柱层析纯化得到β-硼基酯化合物ii(r为十二烷基)，产物收率为84％。
[0080][0081]
目标产物的核磁氢谱和碳谱如下所示：
[0082]1h nmr(400mhz,chloroform-d)；δ＝4.04-4.00(m,1h),2.67-2.62(m,1h),1.61-1.57(m,2h),1.31-1.30(m,12h),1.29-1.26(m,8h),1.23-1.21(m,3h),1.18-1.10(m,1h),0.88-0.84(m,2h).
[0083]
13
c nmr(100mhz,chloroform-d)；δ＝176.75,83.06,79.55,36.31,28.03,24.79,19.57.
[0084]
本实施例结果显示，由本发明实施例1提供的cx1@cu催化材料参与硼加成反应下，甲基丙烯酸月桂酯的转化率高，其硼加成产物的收率达到了84％。
[0085]
实施例6
[0086]
本实施例提供一种壳聚糖席夫碱负载二价铜材料催化制备β-硼基酯的方法，包括以下步骤：
[0087]
将0.20mmolα-丙烯基酯化合物i、0.4mmol联硼酸频那醇酯、负载铜0.005mmol的壳聚糖席夫碱负载二价铜材料cx1@cu加入2.0ml水中，室温下混合搅拌反应16h，本实施例α-丙烯基酯化合物i为甲基丙烯酸叔丁酯(r为叔丁基)；
[0088]
反应结束后，经过滤操作，滤液用乙酸乙酯萃取3次，得到含有产物的有机相，经无水na2so4干燥、过滤、旋蒸去除多余有机溶剂。所得粗产物用体积比石油醚/乙酸乙酯混合溶剂＝7:1作展开剂，柱层析纯化得到β-硼基酯化合物ii，产物收率为75％。
[0089][0090]
目标产物的核磁氢谱和碳谱如下所示：
[0091]1h nmr(400mhz,chloroform-d)；δ＝2.55-2.49(m,1h),1.39(s,9h),1.21(s,6h),1.20(s,6h),1.14-1.13(m,3h),1.08-1.02(m,1h),0.87-0.82(m,1h).
[0092]
13
c nmr(100mhz,chloroform-d)；δ＝176.75,83.06,79.55,36.31,28.03,24.79,19.57.
[0093]
本实施例结果显示，由本发明实施例1提供的cx1@cu催化材料参与硼加成反应下，甲基丙烯酸叔丁酯的转化率高，其硼加成产物的收率达到了75％。
[0094]
实施例7
[0095]
本实施例提供一种壳聚糖席夫碱负载二价铜材料催化制备β-硼基酯的方法，包括以下步骤：
[0096]
将0.20mmolα-丙烯基酯化合物i、0.4mmol联硼酸频那醇酯、负载铜0.005mmol的壳聚糖席夫碱负载二价铜材料cx1@cu加入2.0ml水中，室温下混合搅拌反应16h，本实施例α-丙烯基酯化合物i为甲基丙烯酸2-甲氧基乙酯(r为2-甲氧基乙基)；
[0097]
反应结束后，经过滤操作，滤液用乙酸乙酯萃取3次，得到含有产物的有机相，经无水na2so4干燥、过滤、旋蒸去除多余有机溶剂。所得粗产物用体积比石油醚/乙酸乙酯混合溶剂＝8:1作展开剂，柱层析纯化得到β-硼基酯化合物ii，产物收率为74％。
[0098][0099]
目标产物的核磁氢谱和碳谱如下所示：
[0100]1h nmr(400mhz,chloroform-d)；δ＝4.23-4.14(m,2h),3.59-3.53(m,2h),3.36(s,3h),2.72-2.67(m,1h),1.21(s,12h),1.18-1.14(m,3h),1.11-1.10(m,1h),0.94-0.89(m,1h).
[0101]
13
c nmr(100mhz,chloroform-d)；δ＝177.38,83.17,70.55,63.38,59.02,35.28,
24.78,24.76,19.30.
[0102]
本实施例结果显示，由本发明实施例1提供的cx1@cu催化材料参与硼加成反应下，甲基丙烯酸2-甲氧基乙酯的转化率高，其硼加成产物的收率达到了74％。