n-羟基-3,4,5,6-四(咔唑-9-基)邻苯二甲酰亚胺及其制备方法和应用
技术领域：
：1.本发明是涉及n-羟基-3,4,5,6-四(咔唑-9-基)邻苯二甲酰亚胺及其制备方法和应用，属于有机合成
技术领域：
：。
背景技术：
：：2.有机化合物n-羟基邻苯二甲酰亚胺(nhpi)，是一种由邻苯二甲酸酐与羟胺反应制备的廉价、无毒的催化剂(karakurt,a.；dalkara,s.；ozalp,m.；ozbey,s.；kendi,e.；stables,j.p.eur.j.med.chem.2001,36,421)。nhpi在自由基引发剂作用下或者在氧化条件下可产生邻苯二甲酸亚胺-n-氧自由基(pino)，后者可以攫取有机分子中氢原子再生nhpi。因此，通过nhpi/pino循环，可有效活化有机分子中的惰性碳氢键，从而实现一系列化学转化(ishii,y.；sakaguchi,s.；iwahama,t.adv.synth.catal.2001,343,393和sheldon,r.a.；arends,i.w.c.e.adv.synth.catal.2004,346,1051)。[0003][0004]1977年grochowski课题组首次发现并报道了nhpi参与的自由基反应。他们发现，醚类化合物与偶氮二甲酸二乙酯可以在nhpi的作用下发生加成反应；在nhpi的催化下2-丙醇可顺利地被m-cpba氧化成丙酮(grochowski,e.；boleslawska,t.；jurczak,j.synthesis1977,718)。此后，ishii课题组报道了在nhpi的催化下，烷烃和醇能够可被氧气高效地氧化成相应的酮或羧酸(ishii,y.；nakayama,k.；takeno,m.；sakaguchi,s.；iwahama,t.；nishiyama,y.j.org.chem.1995,60,3934)。daicela等人利用这一策略，成功发展出对二甲苯合成对苯二甲酸的新工艺，新工艺不产生氮氧化物，对环境友好，对设备无腐蚀性(john,d.focusoncatalysts,2004,issue1,january2004,p7)。nhpi还可以有效催化硅烷的电化学氧化，制备相应的硅醇(liang,h.；wang,l.j.；ji,y.x.；wang,h.；zhang,b.angew.chem.int.ed.2020,59,2.)。[0005]nhpi还可以与过渡金属共同催化重要有机反应。例如，2003年ishii课题组报道，在nhpi和醋酸钴的协同催化下，以氧气为氧化剂，硅烷和缺电子烯烃反应可同时将硅基和羟基引入烯烃分子，从而成功实现了烯烃的硅羟基化(tayama,o.；iwahama,t.；sakaguchi,s.；ishii,y.eur.j.org.chem.2003,2286)；类似条件下，芳基甲烷可在温和条件被高效氧化成芳香醛，且可避免醛进一步氧化成酸(gaster,e.；kozuch,s.；pappo,d.angew.chem.int.ed.2017,56,5912)。此外，nhpi还可以与钯催化剂共同催化芳基甲烷转化成芳基腈(shu,z.b.；ye,y.x.；deng,y.f.；zhang,y.；wang,j.b.angew.chem.int.ed.2013,52,10573)。[0006]nhpi也可催化一些光化学反应。例如，在白光照射下，nhpi可催化苯甲醛与β-硝基苯乙烯进行反应，合成查尔酮类化合物(tripathi,s.；kapoor,r.；yadav,l.d.s.adv.synth.catal.2018,360,1407)。在光诱导以及α-fe2o3和nhpi的共催化下，乙基苯可被氧气氧化，主要产物为苯乙酮，该方法成本低，极具工业应用潜力(zhang,c.f.；huang,z.p.；lu,j.m.；luo,n.c.；wang,f.j.am.chem.soc.2018,140,2032)。[0007]然而，由nhpi产生活性的pino自由基往往需要比较剧烈的条件，例如在氧气为氧化剂的情况下，经常需要紫外光照射才能产生pino。而且由于其强缺电子性质，nhpi容易在反应中开环分解，经常需要加入较多的nhpi才能实现较好的反应效果，而nhpi的分解会导致副反应增多，反应后处理复杂化。这些缺点局限了nhpi的工业应用。[0008]随着能源成本和人类对环境的关注的日益增加，化学化工行业朝着绿色化学方向发展的趋势无法逆转。相比紫外光，可见光诱导的化学转化条件更为温和绿色，已经成为节能减排的重要发展方向之一。然而nhpi在可见光波段无吸收，难以被激发产生活性pino。[0009]鉴于此，我们有必要对nhpi进行结构上的改造和修饰，使其在可见光诱导下可直接被激发产生pino类自由基，从而在更为温和的条件下催化化学转化的进行，促使nhpi/pino的催化特性更具应用价值。技术实现要素：[0010]针对现有技术存在的上述问题，本发明的目的是提供一种n-羟基-3,4,5,6-四(咔唑-9-基)邻苯二甲酰亚胺及其制备方法和应用。[0011]为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：[0012]本发明提供了一种n-羟基-3,4,5,6-四(咔唑-9-基)邻苯二甲酰亚胺(简记为：4cznhpi)，具有式1所示化学结构：[0013][0014]一种n-羟基-3,4,5,6-四(咔唑-9-基)邻苯二甲酰亚胺的制备方法，包括如下合成路线中的步骤e或步骤d～e或步骤c～d～e或步骤b～c～d～e或步骤a～b～c～d～e：[0015][0016]其中，cz-h的结构式为：[0017]一种实施方案，所述的步骤a是由式2化合物(即：3,4,5,6-四氟邻苯二腈)与咔唑进行亲核取代反应得到式3化合物。[0018]一种优选方案，步骤a的操作如下：式2化合物在有机溶剂(优选四氢呋喃)中，在nah的促进下，与咔唑于室温进行亲核取代反应得到式3化合物。[0019]一种优选方案，步骤a中，式2化合物：咔唑的摩尔比为1：(4～5)，式2化合物：nah的摩尔比为1：(5～8)。[0020]一种实施方案，所述的步骤b是由式3化合物在碱(优选koh)性条件下进行水解、关环反应得到式4化合物。[0021]一种优选方案，步骤b的操作如下：式3化合物在醇溶剂(优选乙醇)中，在koh的作用下，于加热回流条件下进行水解、关环反应得到式4化合物。[0022]一种优选方案，步骤b中，式3化合物：koh的摩尔比为1：(50～100)。[0023]一种实施方案，所述的步骤c是由式4化合物在酸(优选对甲苯磺酸)的催化下得到式5化合物。[0024]一种优选方案，步骤c的操作如下：式4化合物在醇溶剂(优选乙醇)中，在对甲苯磺酸的作用下，室温反应，得到式5化合物。[0025]一种优选方案，步骤c中，式4化合物:对甲苯磺酸的摩尔比为1：(3～5)。[0026]一种实施方案，所述的步骤d是由式5化合物与boc2o(即：二碳酸二叔丁酯)反应得到式6化合物(即：n-叔丁氧羰基-3,4,5,6-四(咔唑-9-基)邻苯二甲酰亚胺)。[0027]一种优选方案，步骤d的操作如下：式5化合物在有机溶剂(优选乙腈)中，在4-二甲氨基吡啶(即：dmap)的催化下，与boc2o进行反应，得到式6化合物。[0028]一种优选方案，步骤d中，式5化合物：boc2o的摩尔比为1：(1～2)。[0029]一种实施方案，所述的步骤e是由式6化合物与羟胺水溶液反应得到式1化合物。[0030]一种优选方案，步骤e中，式6化合物：羟胺水溶液的摩尔比为1：(10～20)。[0031]一种n-羟基-3,4,5,6-四(咔唑-9-基)邻苯二甲酰亚胺的应用，作为光催化剂用于烯烃的氧化反应。[0032]一种优选方案，作为光催化剂用于烯烃(优选芳基烯烃)氧化成酮的反应，具体为：[0033][0034]与现有技术相比，本发明具有如下显著性有益效果：[0035]本发明提供的n-羟基-3,4,5,6-四(咔唑-9-基)邻苯二甲酰亚胺(简记为：4cznhpi)基于多咔唑芳环的骨架，具有四个咔唑，芳香共轭体系较大，在400～500nm的可见光区域具有显著吸收，其在可见光激发下，容易失去一个电子，形成与pino类似的自由基，可作为光催化剂用于烯烃的氧化反应；此外，本发明以3,4,5,6-四氟邻苯二腈(式2化合物)为起始原料，经过五步反应即可制得n-羟基-3,4,5,6-四(咔唑-9-基)邻苯二甲酰亚胺，所述方法具有操作简单、原料易得、成本低廉、安全环保、反应条件温和、易于实现规模化生产等优点。附图说明[0036]图1是本发明中n-羟基-3,4,5,6-四(咔唑-9-基)邻苯二甲酰亚胺在不同溶剂(二氯甲烷，1,4-二氧六环，乙腈)中的紫外可见吸收光谱。具体实施方式[0037]下面结合具体实施例对本发明技术方案做进一步详细、完整地说明。[0038]本实施例中，所用溶剂和试剂除特殊说明外，其纯化方法均参考armarego,w.l.f.；perrin,d.d.purificationoflaboratorychemicals,4thed.；butterworthheinemann:oxford,1997.熔点未经校正；1hnmr,13cnmr在核磁共振仪agilent400m和bruker-500m上测定；hr-ms(ei)在仪器watersgctca176上测定，hr-ms(esi)在仪器brukerdaltonicsapexiii上测定；ir谱在仪器bio-radfts-185上测定；熔点在显微熔点仪swgx-4上测定；快速柱层析使用烟台化工厂生产的硅胶(200-300目)；显色方式为紫外显色、高锰酸钾溶液显色和碘缸显色。[0039]实施例1：式3化合物(3,4,5,6-四(咔唑-9-基)-1,2-苯二腈)的制备[0040][0041]称取nah(1.8g,75mmol)于装有搅拌子的反应瓶中，使用schlenk技术，在氩气保护下，往反应瓶中加入10ml无水四氢呋喃，搅拌5分钟后加入咔唑(7.0g,45mmol)的四氢呋喃溶液(50ml)，室温下搅拌30分钟，随后加入3,4,5,6-四氟-1,2-苯二腈(2.0g,10mmol)的四氢呋喃溶液(10ml)，室温搅拌24小时(反应过程中通过tlc监测反应)，结束反应，用水淬灭过量的nah，随后使用二氯甲烷(3×100ml)萃取，饱和nh4cl水溶液洗涤，合并有机相，使用无水硫酸钠干燥，收集干燥后的有机相，减压除去有机溶剂，通过柱层析分离，得到7.6g的式3化合物(产率：96％)。所得化合物的波谱数据与文献(uoyama,h.；goushi,k.；shizu,k.；nomura,h.；adachi,c.nature2012,492,234)报道一致。[0042]实施例2：式4化合物(4,5,6,7-四(咔唑-9-基)-3-氨基-1h-异吲哚-1-酮)的制备[0043][0044]称取式3化合物(2.4g,3mmol)和氢氧化钾(11.8g,210mmol)，以乙醇作溶剂(120ml)，回流2小时，随后冷却到室温，减压除去乙醇，用二氯甲烷(3×60ml)萃取，使用饱和氯化钠水溶液洗涤有机相，合并有机相，用无水硫酸钠干燥，收集干燥后的有机相，减压除去有机溶剂，通过柱层析分离，得到2.3g的式4化合物(黄色固体，产率：95％)。[0045]经测试：熔点：》300℃；[0046]1hnmr(400mhz,dmso-d6)δ7.73-7.93(m,4h),7.53-7.70(m,4h),7.40-7.53(m,4h),7.25-7.38(m,4h),6.90-7.20(m,10h),6.68(t,j＝8.0hz,4h),6.60(t,j＝8.0hz,4h)；[0047]esi-ms:m/z807.3(m++h)；[0048]hrmscalcdforc56h35n6o[m+h]807.2867,found:807.2853；[0049]ir(kbr):ν(cm-1)3047,2922,1741,1659,1626,1598,1491,1479,1451,1335,1309,1224,1150,1045,741,723。[0050]实施例3：式5化合物(3,4,5,6-四(咔唑-9-基)邻苯二甲酰亚胺)的制备[0051][0052]称取式4化合物(1.6g,2mmol)和对甲苯磺酸水合物(1.5g,8mmol)，以乙醇作溶剂(60ml)，回流12小时，随后冷却到室温，减压除去乙醇，用二氯甲烷(3×50ml)萃取，依次使用饱和碳酸氢钠水溶液、饱和氯化钠水溶液洗涤有机相，合并有机相，用无水硫酸钠干燥，收集干燥后的有机相，减压除去有机溶剂，通过柱层析分离，得到0.76g的式5化合物(黄色固体，产率：48％)。[0053]经测试：熔点：》300℃；[0054]1hnmr(400mhz,dmso-d6)δ7.75-7.90(m,4h),7.50-7.65(m,4h),7.40(d,j＝8.0hz,4h),7.34(d,j＝8.0hz,4h),6.95-7.10(m,8h),6.69(t,j＝8.0hz,4h),6.58(t,j＝8.0hz,4h),5.85(s,1h)；[0055]13cnmr(101mhz,acetone-d6)δ165.4,142.7,140.9,139.1,134.9,132.6,125.6,124.8,124.4,124.2,120.9,120.8,120.4,119.8,112.1,111.8；[0056]esi-ms:m/z808.3(m++h)；[0057]hrmscalcdforc56h34n5o2[m+h]808.2707,found:808.2698；[0058]ir(kbr):ν(cm-1)3343,3047,2961,1770,1725,1625,1597,1491,1479,1458,1390,1334,1308,1260,1224,1091,1040,800,738,721。[0059]实施例4：式6化合物(n-叔丁氧羰基-3,4,5,6-四(咔唑-9-基)邻苯二甲酰亚胺)的制备[0060][0061]称取式5化合物(808mg,1mmol)和4-二甲氨基吡啶(dmap,6mg,0.05mmol)，加入40ml乙腈作溶剂，搅拌10分钟，随后在0℃条件下加入二碳酸二叔丁酯(327mg,1.5mmol)，室温搅拌10小时(反应过程中通过tlc监测反应)，结束反应，减压除去乙腈，用二氯甲烷(3×50ml)萃取，合并有机相，用无水硫酸钠干燥，收集干燥后的有机相，减压除去有机溶剂，通过柱层析分离，得到835mg的式6化合物(黄色固体，产率：92％)。[0062]经测试：熔点：》300℃；[0063]1hnmr(400mhz,cdcl3)δ7.73(d,j＝7.6hz,4h),7.28(d,j＝7.6hz,4h),6.88-7.10(m,16h),6.74(t,j＝7.6hz,4h),6.54(t,j＝7.6hz,4h),1.48(s,9h)；[0064]13cnmr(126mhz,acetone-d6)δ161.0,146.7,143.7,140.8,139.2,135.9,131.2,126.3,125.0,124.6,124.4,121.2,121.1,120.6,120.0,112.1,111.9,85.9,27.8；[0065]esi-ms:m/z930.3(m++na)；[0066]hrmscalcdforc61h41n5nao4[m+na]930.3051,found:930.3036；[0067]ir(kbr):ν(cm-1)2919,2849,1802,1774,1731,1626,1599,1491,1479,1446,1333,1309,1244,1224,1146,840,742,722。[0068]实施例5：式1化合物(n-羟基-3,4,5,6-四(咔唑-9-基)邻苯二甲酰亚胺)的制备[0069][0070]称取式6化合物(908mg,1mmol)，以乙腈作溶剂，随后加入羟胺水溶液(50wt％水溶液,1.3g,20mmol)，室温搅拌12小时(反应过程中通过tlc监测反应)，结束反应，冷却到室温，减压除去乙腈，用二氯甲烷(3×50ml)萃取，依次使用1n盐酸水溶液、饱和氯化钠水溶液洗涤，合并有机相，用无水硫酸钠干燥，收集干燥后的有机相，减压除去有机溶剂，通过柱层析分离，得到733mg的式1化合物(黄色固体，产率：89％)。[0071]经测试：熔点：》300℃；[0072]1hnmr(400mhz,cdcl3)δ7.72(d,j＝7.6hz,4h),7.30(d,j＝7.6hz,4h),6.88-7.10(m,16h),6.75(t,j＝8.0hz,4h),6.56(t,j＝8.0hz,4h)；[0073]13cnmr(101mhz,acetone-d6)δ161.2,142.8,141.0,139.3,134.9,129.4,125.7,124.9,124.5,124.3,121.0,120.9,120.5,119.9,112.1,111.8；[0074]esi-ms:m/z824.3(m++h)；[0075]hrmscalcdforc56h34n5o3[m+h]824.2656,found:824.2642；[0076]ir(kbr):ν(cm-1)3047,2923,1787,1731,1625,1599,1490,1479,1454,1334,1309,1224,1149,926,742,722。[0077]应用例：通过2-苯基-1-丙烯氧化制备苯乙酮的反应考察式1化合物(n-羟基-3,4,5,6-四(咔唑-9-基)邻苯二甲酰亚胺，简记为：4cznhpi)的光催化性能[0078][0079]首先，对4cznhpi在不同溶剂(二氯甲烷，1,4-二氧六环，乙腈)中的紫外可见吸收光谱进行了检测，检测结果如图1所示，由图1可见，在这三种溶剂中4cznhpi在400～500nm的可见光区域都有显著吸收，说明4cznhpi具有光催化性能，可用于可见光诱导的催化反应。[0080]接着，以2-苯基-1-丙烯为例，考察了4cznhpi在可见光诱导下对氧化反应的催化性质，具体为：[0081]往内置搅拌子的10ml封管内加入4cznhpi(0.004mmol)，将体系抽空换氧三次，随后加入2-苯基-1-丙烯(0.2mmol)，同时加入ch3cn(1ml)作溶剂，旋紧封管旋塞，将封管置于20w蓝光照射下80℃搅拌16小时，结束反应，将反应液减压浓缩过滤，使用乙酸乙酯(5ml×3)萃取，合并有机相，使用无水na2so4干燥，减压浓缩，向反应液中加入ch2br2(0.1mmol)作为内标，通过1hnmr测得氧化产物苯乙酮的核磁产率为51％。[0082]反应结果显示：在4cznhpi催化下，2-苯基-1-丙烯氧化制备苯乙酮的反应过程中，无需任何金属参与，以氧气为氧化剂，在常压下即可进行，条件温和，说明4cznhpi具有优异的光催化性能，可作为光催化剂用于烯烃的氧化反应。[0083]最后需要在此指出的是：以上仅是本发明的部分优选实施例，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域的技术人员根据本发明的上述内容做出的一些非本质的改进和调整均属于本发明的保护范围。当前第1页12当前第1页12