一种铁氮共掺杂碳材料催化剂及其在合成喹唑啉及其衍生物中的应用的制作方法

1.本发明涉及喹唑啉及其衍生物的合成技术领域，具体涉及一种铁氮共掺杂碳材料催化剂及其在合成喹唑啉及其衍生物中的应用。


背景技术：

2.喹唑啉及其衍生物具有重要的生物活性和药用价值，是一类重要的化合物，具有抗癌、抗病毒、抗炎症和抗癌等治疗特性。近年来，制备喹唑啉的方法和路径多种多样，例如将卤代苯甲醛、卤代苯腈为原料与脒或胍反应，通过氧化催化得到的喹唑啉具有适中至优良的产率；然而，喹唑啉类化合物含有两个氮原子，这些双组分策略可能会受到起始原料不可用和底物范围有限的影响。此外，邻氨基芳基酮与苄基胺的反应也是合成喹唑啉类化合物的重要手段，但是需要i2、cuo纳米颗粒及4-羟基tempo、过氧化氢叔丁醇等过量的氧化剂的存在，这些催化剂和氧化剂或多或少的存在一些明显的问题，如催化效率低、反应选择性差、反应条件苛刻、反应成本高、底物耐受性差等。


技术实现要素：

3.本发明的目的是克服现有技术的一个或多个不足，提供一种新型铁氮共掺杂碳材料催化剂在合成喹唑啉及其衍生物中的应用，该催化剂对喹唑啉及其衍生物的合成显示出优异的催化性能，有利于高效高选择性地得到喹唑啉及其衍生物。
4.本发明同时还提供了一种上述所述的新型铁氮共掺杂碳材料催化剂。
5.为达到上述目的，本发明采用的一种技术方案是：
6.一种铁氮共掺杂碳材料催化剂在催化氧化合成喹唑啉及其衍生物中的应用，其中，该铁氮共掺杂碳材料催化剂以氮掺杂碳材料为载体，该载体上负载铁元素颗粒，该铁元素颗粒至少以铁原子(fe0)和氧化铁(feo
x
)形式同时存在。
7.根据本发明的一些优选方面，该铁元素颗粒以铁原子和氧化铁形式同时存在。
8.根据本发明的一些优选且具体的方面，所述氧化铁为三氧化二铁。
9.根据本发明的一些优选方面，所述铁原子、所述氧化铁分别为纳米尺寸。
10.根据本发明的一些优选且具体的方面，该铁氮共掺杂碳材料催化剂的制备方法包括：使类石墨相氮化碳(g-c3n4)、壳聚糖和血红素铁分散在第一溶剂中，混匀，除去第一溶剂，获得固态的中间体，然后在保护气氛下进行煅烧。
11.根据本发明的一些优选方面，该铁氮共掺杂碳材料催化剂的制备过程中，所述类石墨相氮化碳、所述壳聚糖和所述血红素铁的投料质量比为5-15∶0.5-2.5∶1。进一步地，所述类石墨相氮化碳、所述壳聚糖和所述血红素铁的投料质量比为8-12∶1-1.5∶1。
12.根据本发明的一些优选方面，该铁氮共掺杂碳材料催化剂的制备过程中，所述第一溶剂为醇类溶剂，该醇类溶剂为c1-c6醇类化合物。在本发明的一些实施方式中，所述第一溶剂可以为乙醇、丙醇等。
13.根据本发明的一些优选方面，该铁氮共掺杂碳材料催化剂的制备过程中，所述混匀在室温下进行，采用搅拌和/或超声进行。
14.根据本发明的一些优选方面，该铁氮共掺杂碳材料催化剂的制备过程中，使所述固态的中间体在进行煅烧前处于干燥状态。
15.根据本发明的一些优选方面，该铁氮共掺杂碳材料催化剂的制备过程中，所述煅烧在煅烧温度750-850℃下进行，在该煅烧温度下更有利于获得预期结构的催化剂，针对喹唑啉及其衍生物的催化氧化效果更好。
16.根据本发明的一些优选方面，该铁氮共掺杂碳材料催化剂的制备过程中，控制所述煅烧的过程中，从室温升温至煅烧温度的升温速率为4-6℃/min。
17.根据本发明的一些优选方面，该铁氮共掺杂碳材料催化剂的制备过程中，控制所述煅烧的煅烧时间为1-3h。
18.在本发明的一些实施方式中，该铁氮共掺杂碳材料催化剂的制备过程中，所述保护气氛选用的保护气体为氮气、氩气等。
19.在本发明的一些实施方式中，制备该铁氮共掺杂碳材料催化剂的实施方式为：
20.(1)将类石墨相氮化碳、壳聚糖和血红素铁分散在乙醇中形成混合溶液；
21.(2)将混合溶液超声并过夜搅拌；
22.(3)将步骤(2)所获得的中间体旋蒸后干燥得到固体粉末；
23.(4)将步骤(3)所获得的固体粉末进一步干燥；
24.(5)将步骤(4)所得到的干燥粉末在保护气氛下进行煅烧，制成所述铁氮共掺杂碳材料催化剂，可简称fe-feo
x
@nc(其中fe和feo
x
表示铁元素颗粒的存在形式，nc表示氮掺杂碳材料)。
25.在本发明的一些实施方式中，步骤(4)中，在55-65℃下干燥，干燥时间为10-14小时。
26.在本发明的一些实施方式中，步骤(5)中，所述煅烧在管式炉中进行。
27.根据本发明的一些优选方面，在合成喹唑啉及其衍生物中的应用中，使芳香邻氨基羰基化合物、醇类化合物、氨水在氧化剂和铁氮共掺杂碳材料催化剂存在下，在第二溶剂中发生催化氧化反应，生成喹唑啉及其衍生物。
28.根据本发明的一些优选方面，所述氧化剂为氧气，通过向反应体系中通入纯度大于99％的纯氧气体或者通入空气以提供所述氧化剂。
29.根据本发明的一些优选方面，所述第二溶剂包含水。在本发明的一些实施方式中，所述第二溶剂可以选用水。
30.根据本发明的一些优选方面，所述芳香邻氨基羰基化合物、所述醇类化合物、所述氨水中的氨的投料摩尔比为1∶2-4∶6-10。进一步地，所述芳香邻氨基羰基化合物、所述醇类化合物、所述氨水中的氨的投料摩尔比为1∶2.5-3.5∶7-9。
31.在本发明的一些实施方式中，所述氨水可以商购获得，可以采用市售的工业氨水，其浓度约为25％-28％。
32.根据本发明的一些优选方面，以质量百分含量计，所述铁氮共掺杂碳材料催化剂的用量为所述芳香邻氨基羰基化合物的添加量的5％-65％。
33.根据本发明的一些优选方面，使所述催化氧化反应在加热条件下进行。进一步地，
使所述催化氧化反应在100-150℃下进行，更进一步在120-140℃下进行。根据本发明的一个具体方面，使所述催化氧化反应在130℃下进行。
34.根据本发明的一个具体方面，可以使所述催化氧化反应在有空气的密封反应器中进行。
35.根据本发明的一些优选方面，所述芳香邻氨基羰基化合物具有式(i)所示结构：式(i)中，n为0、1、2、3或4，r1为h、f、br、cl、硝基、氰基、未被取代或取代的c1-c6烷基，r2为h、未被取代或取代的c1-c6烷基、未被取代或取代的c6-c12芳基、-nh-r4，r4为未被取代或取代的c1-c6烷基；其中，所述取代的c1-c6烷基中的取代基为选自f、br、cl、硝基、氰基、c1-c6烷氧基中的一种或多种的组合，所述取代的c6-c12芳基中的取代基为选自f、br、cl、硝基、氰基、c1-c6烷氧基、卤代c1-c6烷基中的一种或多种的组合。
36.在本发明的一些实施方式中，n为0或1，当n为1时，r1取代在氨基的对位。
37.进一步地，r2为甲基、乙基、h、苯基或卤代的苯基。
38.根据本发明的一些优选方面，所述醇类化合物具有式(ⅱ)所示结构：式(ⅱ)中，r3为未被取代或取代的如下基团：苯基、萘基、噻吩基、吡啶基，其中取代所采用的取代基为选自如下基团中的一种或多种的组合：f、br、cl、硝基、氰基、c1-c6烷基、苯基、c1-c6烷氧基、卤代c1-c6烷基。
39.进一步地，r3的可选基团中，萘基、噻吩基、吡啶基的取代位置如下：的可选基团中，萘基、噻吩基、吡啶基的取代位置如下：
40.本发明中，c1-c6烷基可以为甲基、乙基、丙基、异丙基、正丁基、异丁基、正戊基、异戊基、己基等；卤代选用的卤素可以为氟、氯或溴；c1-c6烷氧基可以为甲氧基、乙氧基、丙氧基、异丙氧基、正丁氧基、异丁氧基等。
41.根据本发明，所述铁氮共掺杂碳材料催化剂在催化氧化合成喹唑啉及其衍生物中的应用中，在反应结束后进行回收再利用，可多次重复利用，且催化活性无明显衰减。
42.在本发明的一些实施方式中，在催化氧化反应结束后，将乙酸乙酯加入反应混合物中，旋转蒸发除去有机相和乙酸乙酯，得到粗产物。最后，通过硅胶柱色谱得到纯产物。
43.在本发明的一些实施方式中，所述喹唑啉及其衍生物具有如下式(ⅲ)所示的结构：
44.其中，r1、r2、r3和n分别同前。
45.在本发明中，采用本发明的催化剂一锅法合成了喹唑啉及其衍生物，更加绿色高效，重复利用性好，有利于放大生产。
46.本发明提供的又一技术方案：一种铁氮共掺杂碳材料催化剂，该铁氮共掺杂碳材料催化剂以氮掺杂碳材料为载体，该载体上负载铁元素颗粒，该铁元素颗粒至少以铁原子和氧化铁形式同时存在。
47.本发明中，铁氮共掺杂碳材料催化剂为铁氮共掺杂多孔碳材料形式。
48.本发明提供的又一技术方案：一种铁氮共掺杂碳材料催化剂的制备方法，其制备方法包括：使类石墨相氮化碳(g-c3n4)、壳聚糖和血红素铁分散在第一溶剂中，混匀，除去第一溶剂，获得固态的中间体，然后在保护气氛下进行煅烧。
49.本发明中，类石墨相氮化碳(g-c3n4)、壳聚糖在催化剂中可以分别起到支撑和稳定催化剂的作用，有利于获得铁元素颗粒均一分散的催化剂，而且形成的氮掺杂碳材料可以固定或包覆铁原子和feo
x
颗粒。
50.由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：
51.本发明基于现有技术中催化氧化合成喹唑啉及其衍生物存在的不足，经过大量的实验研究发现，采用铁氮共掺杂碳材料，以氮掺杂碳材料为载体，该载体上负载铁元素颗粒，且该铁元素颗粒至少以铁原子和氧化铁形式同时存在时，应用于催化氧化合成喹唑啉及其衍生物的过程中，可以高效高选择性的获得喹唑啉及其衍生物，且稳定性好，并且重复利用性好、工艺简单，对于原料的要求较低，拓展了原料的可选范围，底物耐受性好。
附图说明
52.图1为本发明实施例1制备的铁氮共掺杂碳材料催化剂的sem图；
53.图2为本发明实施例1制备的铁氮共掺杂碳材料催化剂的tem图；
54.图3为本发明实施例1制备的铁氮共掺杂碳材料催化剂的xrd图；
55.图4为本发明实施例1制备的铁氮共掺杂碳材料催化剂的xps图。
具体实施方式
56.以下结合具体实施例对上述方案做进一步说明；应理解，这些实施例是用于说明本发明的基本原理、主要特征和优点，而本发明不受以下实施例的范围限制；实施例中采用的实施条件可以根据具体要求做进一步调整，未注明的实施条件通常为常规实验中的条件。
57.下述实施例中未作特殊说明，所有原料均来自于商购或通过本领域的常规方法制备而得。
58.g-c3n4是通过将三聚氰胺在氮气气氛下以5℃/min的速率升高到550℃后继续煅烧2h制得；壳聚糖购自阿拉丁，规格型号100g，货号c105802-100g；血红素铁购自麦克林，规格
型号100g，货号h885986。
59.实施例1催化剂fe-feo
x
@nc的制备
60.本例提供了一种铁氮共掺杂碳材料催化剂的制备方法，该铁氮共掺杂碳材料催化剂的制备方法包括如下步骤：
61.(1)将投料质量比10：1.2：1的g-c3n4、壳聚糖和血红素铁溶解在无水乙醇中配成混合溶液，在室温下超声3小时；然后，过夜搅拌24小时后旋转蒸发除去无水乙醇；紧接着在60℃条件下继续干燥12小时得到固体粉末。
62.(2)将步骤(1)所得固体粉末在管式炉中、氮气氛围下800℃煅烧2h(升温速率为5℃/min)，得到最终的铁氮共掺杂多孔碳材料形式的颗粒型碳材料催化剂，即铁氮共掺杂碳材料催化剂，记为fe-feo
x
@nc(其中fe和feo
x
表示铁元素颗粒的存在形式，nc表示氮掺杂碳材料)。对所获得的铁氮共掺杂碳材料催化剂进行如下测试，其sem图、tem图、xrd图和xps图分别如图1、图2、图3和图4所示。sem图说明该碳材料是以一种无规则聚集状态存在的；tem图说明该碳材料中存在氮掺杂碳层包裹纳米铁颗粒，其均匀分布在碳材料上；tem和xrd图证实了铁元素颗粒中可能存在fe0和fe2o3等多种价态；xps图说明了铁、氮元素各自可能存在的状态(价态和化合状态等)。
63.实施例2
64.本例提供了一种铁氮共掺杂碳材料催化剂的制备方法，该铁氮共掺杂碳材料催化剂的制备方法包括如下步骤：
65.(1)将投料质量比10：1.5：1的g-c3n4、壳聚糖和血红素铁溶解在无水乙醇中配成混合溶液，在室温下超声3小时；然后，过夜搅拌24小时后旋转蒸发除去无水乙醇；紧接着在60℃条件下继续干燥12小时得到固体粉末。
66.(2)将步骤(1)所得固体粉末在管式炉中、氮气氛围下800℃煅烧2h(升温速率为5℃/min)，得到最终的铁氮共掺杂多孔碳材料形式的颗粒型碳材料催化剂，即铁氮共掺杂碳材料催化剂。
67.实施例3
68.本例提供了一种铁氮共掺杂碳材料催化剂的制备方法，该铁氮共掺杂碳材料催化剂的制备方法包括如下步骤：
69.(1)将投料质量比12：1.2：1的g-c3n4、壳聚糖和血红素铁溶解在无水乙醇中配成混合溶液，在室温下超声3小时；然后，过夜搅拌24小时后旋转蒸发除去无水乙醇；紧接着在60℃条件下继续干燥12小时得到固体粉末。
70.(2)将步骤(1)所得固体粉末在管式炉中、氮气氛围下820℃煅烧2h(升温速率为5℃/min)，得到最终的铁氮共掺杂多孔碳材料形式的颗粒型碳材料催化剂，即铁氮共掺杂碳材料催化剂。
71.对比例1
72.基本同实施例1，其区别仅在于：步骤(1)有所不同，步骤具体如下：
73.(1)将质量比10:1.2的g-c3n4和壳聚糖分散在无水乙醇中配成混合溶液，在室温下超声3小时；然后，过夜搅拌24小时后旋转蒸发除去无水乙醇；紧接着在60℃条件下继续干燥12小时得到固体粉末。
74.(2)将步骤(1)所得固体粉末在管式炉中氮气氛围下800℃煅烧2h(升温速率为5
℃/min)，得到最终的铁氮共掺杂多孔碳材料形式的颗粒型碳材料催化剂，记为nc(其中nc表示氮掺杂碳材料)。
75.对比例2
76.基本同实施例1，其区别仅在于：在fe-feo
x
@nc制备完成后，经过1mol/l的盐酸酸洗制备得到不含铁颗粒的fe-feo
x
@nc-a(其中fe和feo
x
表示铁元素颗粒的存在形式、nc表示氮掺杂碳材料，a代表酸洗过程)。
77.对比例3
78.基本同实施例1，其区别仅在于：步骤(1)有所不同，将血红素铁替换为九水合硝酸铁(控制硝酸铁的投料质量与血红素铁相同)。
79.实施例4-28喹唑啉及其衍生物的制备
80.将如下表1所示结构的芳香邻氨基羰基化合物0.25mmol，醇类化合物0.75mmol，氨水(市售工业氨水，浓度约为26.5
±
1.5％)2mmol，20mg由实施例1制成的fe-feo
x
@nc，1ml水加入到反应容器内，空气条件下加热至130℃左右密封反应24小时，反应结束降温后，离心分离催化剂和反应液，通过气相色谱法(gc)和气相色谱质谱法(gc-ms)分析确定反应产率和选择性，离心分离fe-feo
x
@nc，旋转蒸发除去有机相，得到粗产物。最后，通过简单的硅胶柱色谱得到纯产物。具体结果参见表1所示。
81.应用对比例1
82.基本同实施例4，其区别仅在于：将“实施例1制成的fe-feo
x
@nc”替换为对比例1制成的催化剂nc。具体结果参见表1所示。
83.应用对比例2
84.基本同实施例4，其区别仅在于：将“实施例1制成的fe-feo
x
@nc”替换为对比例2制成的催化剂fe-feo
x
@nc-a。具体结果参见表1所示。
85.应用对比例3
86.基本同实施例4，其区别仅在于：将“实施例1制成的fe-feo
x
@nc”替换为对比例3制成的催化剂。具体结果参见表1所示。
87.表1
88.89.90.91.[0092][0093]
实施例29：
[0094]
将芳香邻氨基羰基化合物0.25mmol，醇类化合物0.75mmol，氨水(市售工业氨水，浓度约为26.5
±
1.5％)2mmol，20mg由实施例2制成的催化剂，1ml水加入到反应容器内，空气条件下加热至130℃左右密封反应24小时，反应结束降温后，离心分离催化剂和反应液，通过气相色谱法(gc)和气相色谱质谱法(gc-ms)分析确定反应产率和选择性，离心分离催化剂，旋转蒸发除去有机相，得到粗产物。最后，通过简单的硅胶柱色谱得到纯产物。产率为92％。
[0095]
实施例30：
[0096]
将芳香邻氨基羰基化合物0.25mmol，醇类化合物0.75mmol，氨水(市售工业氨水，浓度约为26.5
±
1.5％)2mmol，20mg由实施例3制成的催化剂，1ml水加入到反应容器内，空气条件下加热至130℃左右密封反应24小时，反应结束降温后，离心分离催化剂和反应液，通过气相色谱法(gc)和气相色谱质谱法(gc-ms)分析确定反应产率和选择性，离心分离催化剂，旋转蒸发除去有机相，得到粗产物。最后，通过简单的硅胶柱色谱得到纯产物。产率为90％。
[0097]
实施例31：催化剂重复使用活性测试
[0098]
将芳香邻氨基羰基化合物0.25mmol，醇类化合物0.75mmol，氨水
(市售工业氨水，浓度约为26.5
±
1.5％)2mmol，20mg由实施例1制成的fe-feo
x
@nc，1ml水加入到反应容器内，空气条件下加热至130℃左右密封反应12小时(说明：回收实验的反应时间短，所以产率低，在低产率的条件下看回收效果，更能说明催化剂的可回收性)，反应结束降温后，离心分离催化剂和反应液，通过气相色谱法(gc)和气相色谱质谱法(gc-ms)分析确定反应产率和选择性，离心分离的fe-feo
x
@nc作为下一批次同样反应的催化剂。新用和套用1-5次的反应中的产率分别如下：67％，64％，67％，64％，55％，51％，催化剂活性无明显衰减。
[0099]
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
[0100]
在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本文中具体公开。