高分子负载的全氟烷基磺酸和磺酸盐、制备方法及其应用的制作方法

专利名称：高分子负载的全氟烷基磺酸和磺酸盐、制备方法及其应用的制作方法
技术领域：
本发明是一类新型Merrifield树脂负载的全氟烷基磺酸和磺酸盐、其制备方法及其在多种有机反应，例如Diels-Alder反应，酯化，Michael加成，一锅法三组分亚胺加成，一锅法四组分串联反应等中的应用。
背景技术：
有机化学的研究目的之一是实现高效的催化过程，由简单易得的原料制备结构更为复杂的分子。反应过程的催化效率一直是人们关注的焦点，如催化剂用量，转化率，立体选择性等。产物与原料、副产物和催化剂的分离虽然也在有机合成中占据了相当大的比重，却一直未引起人们足够的重视。作为绿色化学的一个重要分支，固载催化剂为产物的分离纯化和催化剂的回收提供了一种非常有效的手段。当催化剂用量不大时，固载催化剂催化的反应在类似均相的条件下进行，反应过程变化不大，催化剂仅通过过滤即可回收，便于实现固定床和连续反应。当它们用于只需简单分离的多步反应，组合化学中化合物库的合成时，其便捷高效得以充分体现。
负载材料的选择对负载后催化剂的性能影响很大。一般说来，负载材料需具有一定的化学惰性和热稳定性。常用的无机材料有石墨，三氧化铝，二氧化硅，沸石，粘土等，有机材料则以聚合物居多，如聚苯乙烯(PS)，聚乙稀醇(PEG)，Tentagel(PEG改良的PS)，聚乙二醇-聚丙烯酰胺(PEGA)等。有机材料由于可溶胀或溶解的性质，固载后带来的差异较无机材料小，所以近年来聚合物负载催化剂的开发和应用日益广泛，其中以Merrifield树脂最多。对于高分子负载的催化剂来说，一般有99％以上的活性位点处于树脂球内部，有机分子需要穿越相界面到达树脂内部反应方可顺利进行。这样，分子间接触的几率较之均相反应大为减少，即树脂带来的立体障碍更加有利于分子内反应，同时对反应的立体选择性也会产生一定影响。固载产生的相界面和催化剂的不溶性导致了人们经常观察到的催化活性的降低，但也有例外。一些催化剂固载后活性和选择性均超过了小分子催化剂母体。
Lewis酸和Brnsted酸催化的有机反应几乎随处可见，固体酸尤其是超强酸的使用可以减少催化剂的用量和废料排放，因此固体酸的开发非常迫切。稀土金属一般比较昂贵。稀土金属的三氟甲基磺酸盐对空气稳定，是一类和水具有相容性的强Lewis酸。只是当反应体系中存在过量水溶性试剂时，催化剂不再能够通过水洗回收。此时，固载提供了一种非常有效的手段。一些研究小组在这方面有所报道。KobayashiSc(DS)31J.Am.Chem.Soc.2000，7207 PA-Sc-TADpolyallylscandiumtritylamideditriflateJ.Am.Chem.Soc.1998，8977 J.Am.Chem.Soc.1998，2985 Angew.Chem.Int.Ed.2000，567G.P.Wang J.Org.Chem.1996，3575Mikami Ln(C(SO2C8F17)3)36Tetrahedron 2002，10755Yamamoto Angew.Chem.Int.Ed.2001，4077发明内容本发明要解决以下三个问题一是提供一类新型Merrifield树脂负载的全氟烷基磺酸和磺酸盐；二是提供上述Merrifield树脂负载的全氟烷基磺酸和磺酸盐的合成方法；三是提供上述Merrifield树脂负载的全氟烷基磺酸和磺酸盐在有机合成中的应用。
本发明提供了一类新型Merrifield树脂负载的全氟烷基磺酸和磺酸盐。该类化合物具有如下结构通式
式中，R为Merrifield树脂，m为1～5的整数，n为2、4、6或8，R’为H或金属元素M，k＝R’的化学价数，例如1、2或3。所述的金属元素M推荐为Na、Cu、Zn、Yb、Y或稀土金属元素。所述的Merrifield树脂推荐为1％DVB(1，4-二乙烯基苯)，1.0+/-0.05mmol/g Cl，100～200目；2％DVB，1.0+/-0.2mmol/g Cl，200～300目；1％DVB，2.8～3.0mmol/g Cl，100～200目；2％DVB，3.0mmol/g Cl，200～400目；1％DVB，1.9～2.1mmol/g Cl，100～200目；进一步推荐为1％DVB，2.8～3.0mmol/g Cl，100～200目；2％DVB，3.0mmol/g Cl，200～400目；所述的m推荐为1；所述的n推荐为2或6；所述的稀土金属元素推荐为Yb、Y、Sc、Sm或Eu，进一步推荐为Yb。
本发明同时提供了上述Merrifield树脂负载的全氟烷基磺酸和磺酸盐的合成中间体。所述的中间体具有如下结构通式 ，式中R、m如前所述，R”为CH＝CH2、CH(I)CH2(CF2)nO(CF2)2SO2F或CH2CH2(CF2)nO(CF2)2SO2F。其中n如前所述。
本发明提供了上述Merrifield树脂负载的全氟烷基磺酸和磺酸盐的制备方法。该方法如下从Merrifield树脂上延伸出双键CH2＝CH(CH2)m，自由基引发下碘代全氟烷基磺酰氟与双键加成，脱去加成一步引入的碘，在碱的作用下，磺酰氟水解为磺酸盐，酸化之后与稀土金属元素的卤化物(氯化物例如三氯化镱)发生离子交换，生成负载的磺酸盐(例如磺酸镱，其余金属盐类似)，磺酸钠盐由碱性条件下水解、洗涤、干燥后制得。用反应式表示如下式所示(式中 代表Merrifield树脂)
推荐的反应式如下 具体来说，上述制备方法中推荐的反应条件如下步骤(2)所用引发剂为偶氮二异丁腈(AIBN)或过氧化苯甲酰(BPO)，用量1～100mol％(相对于烯丙基化的Merrifield树脂)；碘代全氟烷基磺酰氟的用量为2～5当量；溶剂为甲苯或DMF，温度80～120℃；或Na2S2O4/NaHCO3，溶剂为CH3CN/H2O，DMSO/H2O或DMSO/THF，温度室温～100℃。步骤(3)为过量锌粉(相对于碘代全氟烷基磺酰氟树脂)，溶剂为CH3COOH/i-PrOH/THF，回流；或三丁基锡氢(2～3当量)/AIBN，溶剂为乙醚或四氢呋喃，温度回流。步骤(1)、(4)、(5)分别为常规的格氏试剂与Merrifield树脂的偶联反应，树脂与氢氧化钠溶液的水解反应及中和反应，树脂与金属盐溶液进行的离子交换反应。
本发明提供了上述Merrifield树脂负载的全氟烷基磺酸和磺酸盐的应用它们可应用于催化多种有机反应，如Diels-Alder反应，酯化，Michael加成，一锅法三组分亚胺加成，一锅法四组分串联反应等。其在Diels-Alder反应中的应用推荐包括如下步骤DHP(二氢吡喃)与苯胺缩合为亚胺，与另一分子DHP发生Diels-Alder反应生成吡喃喹啉结构；醛与胺的缩合反应，双烯体亲双烯体参与的Diels-Alder反应。其在酯化反应中的应用推荐包括如下方面葡萄糖等醇的酰化和酸(如马来酸)的酯化反应，醇和酸的结构不受本专利中所举实例结构的限制。其在Michael加成反应中的应用推荐包括如下方面苯胺，吲哚类结构与甲基乙烯基酮，环己烯酮的Michael加成反应。亲核试剂和α，β-不饱和酮的结构不受本专利中所举实例结构的限制。其在一锅法三组分亚胺加成反应中的应用推荐包括如下步骤醛与胺的缩合反应，亲核试剂与亚胺的加成反应；其在一锅法四组分串联反应中的应用推荐包括如下步骤醛与胺的缩合反应，亲核试剂与亚胺的加成反应，酰化试剂与胺的酰化反应以及分子内的Diels-Alder反应。其中醛、胺、酰化试剂的结构不受本专利中所举实例结构的限制。
其中，在苯胺和四氢吡喃三组分一锅法[4+2]环加成制备吡喃喹啉的反应中，催化剂的活性比小分子催化剂稍逊。在苯胺与甲基乙烯基酮的Michael加成反应中，催化剂用量减半，活性与小分子催化剂相当，并成功应用于吲哚类衍生物与甲基乙烯基酮的Michael加成反应。在酯化反应中，固载全氟烷基磺酸、磺酸镱的活性超出了小分子催化剂，分离和后处理方面的优越性得到充分体现。负载的磺酸镱在三组分一锅法亚胺的烯丙基化反应，四组分一锅法高烯丙基酰胺的制备和四组分一锅法多元杂环的合成中表现出非常高的活性，0.1mol％催化剂作用下反应即可顺利进行。催化剂可通过过滤回收，对环境友好。其中的金属盐包括镱、钪等稀土金属，锌、铜等过渡金属和主族金属钠等。聚合物负载的全氟烷基磺酸及磺酸镱催化的三组分一锅法吡喃喹啉(Pyranoquinoline)的制备(注本专利所涉及的负载全氟烷基磺酸及磺酸镱催化的反应中溶剂、试剂、反应器均不需预处理，各反应组分以任意顺序加入反应瓶，未经说明反应均在室混下进行) 催化剂为PS-RfSO3H 8，9或[PS-RfSO3]3Yb 10，11，室温反应，溶剂为多种有机溶剂如甲苯，乙醚，二氯甲烷，乙腈等，产率中等。
聚合物负载的全氟烷基磺酸催化的Micheal加成反应(催化剂为PS-RfSO3H 8，9或[PS-RfSO3]3Yb 10，11)苯胺与甲基乙烯基酮的Micheal加成反应
当催化剂为9时用量减半，与小分子强酸催化剂相同反应时间内所得产物的产率相当。推荐溶剂乙腈。
苯胺与环己烯酮的Micheal加成反应(同上) 吲哚类底物与甲基乙烯基酮的Micheal加成反应 吲哚结构在许多药物和天人产物中存在，化合物16的合成为分子内串联反应提供了可能，通过Aldol缩合可制备多元杂环化合物17。
聚合物负载的全氟烷基磺酸及磺酸镱催化的酯化反应葡萄糖的完全乙酰化 无溶剂条件下催化剂用量仅为0.2mol％即可在数小时内定量得到产物。
顺丁烯二酸的单酯化
单酯化完成后直接过滤、浓缩、改换溶剂即可进行酰化反应，对小分子液体酸来说碱洗、水洗、干燥等步骤可省去。
聚合物负载的全氟烷基磺酸镱催化的多组分串联反应聚合物负载的全氟烷基磺酸镱催化的三组分一锅法亚胺烯丙基化反应 催化剂用量低至0.1mol％反应可在数小时内以高产率顺利完成。聚合物负载的全氟烷基磺酸镱催化的三组分一锅法Strecker反应 四组分串联法高烯丙基酰胺的制备 ]四组分串联法多元杂环的合成
上述四组分串联反应为从简单分子出发快速构建较为复杂的小分子化合物库提够了非常有利的一个方法。
采用上述负载催化剂最为突出的优点是催化剂只需过滤即可回收；催化剂对水和空气不敏感，反应试剂，溶剂，反应器不需预处理；对于多数反应催化剂活性优良，用量小。对于三组分一锅法亚胺的烯丙基化反应，催化剂用量是自有文献报道以来最少的。全氟磺酸镱催化的四组分一锅法高烯丙基酰胺的制备和四组分一锅法多元杂环的合成属首次报道。
具体实施例方式
通过以下实例有助于理解本发明，但不限制本发明的内容。
1.催化剂的制备1.1烯丙基Merrifield树脂的制备(参见文献Harikrishnan，L.；Showalter，H.D.H.Synlett.2000，1339)IR(KBr，disk)νmax＝3079，2920，1941，1639，1601，1493，1451，994，758，698cm-1；Elemental analysisCl＜0.5wt％.
1.2全氟烷基碘代磺酰氟与烯丙基Merrifield树脂的加成 干燥的50mL三口瓶载回流冷凝管，取烯丙基Merrifield树脂1g(2％交联度，3.0mmol/g Cl，200～400目，计为3mmol)，加入重蒸的甲苯15mL，全氟碘代磺酰氟9.39g(15mmol，5当量)，AIBN 85mg(0.6mmol，20mol％)，氩气保护下加热回流一天后补加AIBN85mg，(0.6mmol，20mol％)，继续回流共计两天。恢复至室温，过滤，乙酸乙酯洗至无色，35℃常压干燥至衡重，得浅黄色粉末状树脂2.405g，理论产量2.878g，转化率84％。IR(KBr，disk)νmax＝3084，2926，1603，1513，1465，1360，1330，1248，1215，1148，1118，991，822，699cm-11.3全氟烷基碘代磺酰氟树脂的还原 50mL三口瓶载回流冷凝管，碘代磺酰氟树脂3.44g(计为3.5mmol)，加入THF，i-PrOH各15mL，醋酸5mL，锌粉1.14g(5当量)，回流48小时。恢复至室温，过滤，1N盐酸，水，THF-水，THF-去离子水，THF洗至无色，35℃常压干燥至衡重，得浅黄色粉末状树脂3.08g。IR(KBr，disk)νmax＝3084，2926，1602，1512，1494，1466，1360，1215，1147，1021，822，699cm-1；19F NMR(282MHz，CDCl3)δ＝-121.5(s，1F)，-4～-10(m，4F)，-35～-55(m，12F)；元素分析I＜0.5wt％，F28.5wt％，计为0.8mmol/g。
1.4高分子负载的全氟磺酸的制备 100mL单口瓶。取上述方法1.3中制备的树脂8.5g(F含量28.6％)，加氢氧化钠溶液(1.0M)12mL，去离子水12mL，THF 60mL轻微搅拌4小时。过滤，用去离子水洗至滤液呈中性(精密pH试纸)，重新转移入单口瓶，加入硝酸15mL(1N)，搅拌过夜，过滤，去离子水洗至滤液呈中性。常压干燥至衡重，得浅黄色粉末状树脂7.962g(大量水洗，少量附着在滤纸上，略有损失)。IR(KBr，disk)νmax＝3650，3027，2928，1513，1454，1215，1146，760，699cm-1；元素分析F28.52wt％，S，2.76％，计为0.85mmol/g。
1.5.高分子负载的全氟磺酸镱的制备1.5.1 YbCl3水溶液的配制配制EDTA标准溶液称取EDTA0.1861g(0.5mmol)，在100mL容量瓶中配成标准溶液，浓度0.005M。称取EDTA 0.4653g(0.5mmol)，在250mL容量瓶中配成标准溶液，浓度0.004M。
称取无水固体YbCl33.868g(13.844mmol)在100mL容量瓶中配成溶液，有少量不溶物。过滤。用移液管取出0.5mL，加入乌洛托品0.1g，二甲酚橙一滴(0.5％的乙醇溶液)，溶液呈紫色。用0.005M EDTA标准溶液滴定。13.2mL滴至终点，呈橙红色。重复三次。则YbCl3水溶液的浓度为0.132mmol/ml。以此计算，有180mg YbCl3损失。这个结果是合理的。
1.5.2 高分子负载的全氟磺酸镱的制备 称取全氟烷基磺酸树脂4.000g(S含量1.535wt％)，加YbCl3水溶液10mL(0.132mmol/mL)，去离子水5mL，THF 10mL，室温下搅拌过夜。过滤，水洗，将滤液配制成100mL水溶液。用移液管取出5mL，加入乌洛托品1g，二甲酚橙一滴(0.5％的乙醇溶液)，用0.004M EDTA标准溶液滴定。9.9mL滴至终点(三次平均值)，呈橙红色。则高分子负载的全氟磺酸镱的负载量为0.132mmol/g。转化率83％。或者也可采用1.4中氢氧化钠水解后，洗至中性干燥后再与YbCl3水溶液交换的办法。计算如下9.9×0.004/5＝0.792mmol0.132×10-0.792＝0.528mmol0.528/[(4×1.535/3.2)/3]＝83％ 0.528/4＝0.132mmol/g2聚合物负载的全氟烷基磺酸及磺酸镱催化的三组分一锅法吡喃喹啉(Pyranoquinoline)的制备将苯胺、DHP、催化剂和溶剂以任意顺序加入反应瓶中，室温过夜。TLC显示原料基本消失或体系不再有明显变化后过滤，柱层析，催化剂为9或10，但二者的活性和选择性均未观察到明显差别。催化剂的用量为1～20mol％。推荐用量为5mol％。溶剂为甲苯，二氯甲烷，乙醚，乙腈等。
序号 催化剂(Yb，mmol/g) 溶剂 比例(1∶2) 产率(％)1+21 2mol％，10(0.161mmol/g) 甲苯 1.42∶1202 5mol％ 甲苯 0.94∶1333 5mol％ 二氯甲烷 0.66∶1594 10mol％ 乙醚 0.68∶1545 4mol％ 乙腈 0.84∶1456 4mol％(回收)乙腈 1.05∶144注所用催化剂为10(0.161mmol/g)，苯胺∶DHP＝1∶2，室温反应18小时，产率为12与13混合物的总产率。
典型操作步骤苯胺92uL(1mmol)，DHP，0.18mL(2.0mmol)，催化剂10 250mg(0.161mmol/g，4mol％)，乙腈1mL，以任意顺序加入10mL反应瓶中，室温搅拌，至TLC显示苯胺点几乎消失或相隔一段时间以后紫外，磷钼酸显色都不再发生明显变化。过滤，乙酸乙酯充分淋洗滤饼，滤液浓缩，柱层析。得化合物12和13的混合物83mg，产率32％。化合物124-(2-(cis-吡喃[3，2，c]喹啉基))-丁醇无色粘稠液体；1H NMR(CDCl3，300MHz)δ＝7.35(d，J＝7.8Hz，1H)，7.04(t，J＝7.5Hz，1H)，6.73(t，J＝7.5Hz，1H)，6.49(d，J＝7.8Hz，1H)，5.05(d，J＝5.4Hz，1H，H-5)，3.68(t，J＝6.0Hz，2H)，3.51～3.62(m，1H)，3.34～3.46(m，2H)，2.01～2.05(m，1H)，1.38～1.71(m，12H)；IR(neat，film)νmax＝3362，2935，2862，1608，1488，1318，1088，1068，1032，750cm-1。化合物13 4-(2-(trans-吡喃[3，2，c]喹啉基))-丁醇 无色粘稠液体；1H NMR(CDCl3，300MHz)δ＝7.19(d，J＝7.5Hz，1H)，7.05(d，J＝7.5Hz，1H)，6.65(t，J＝7.5Hz，1H)，6.50(t，J＝7.5Hz，1H)，4.43(d，J＝2.7Hz，1H，H-5)，3.93(t，J＝11.7Hz，2H)，3.51～3.72(m，4H)，1.91～2.04(m，1H)，1.39～1.80(m，12H).
3聚合物负载的全氟烷基磺酸催化Michael加成反应3.1聚合物负载的全氟烷基磺酸苯胺与甲基乙烯基酮的Michael加成反应反应在乙醇中更为迅速，产率却比在乙腈中有所下降，但无副产物出现。文献无乙醇做溶剂的报道。推荐溶剂乙腈；苯胺∶甲基乙烯基酮1∶0.8；反应温度室温；催化剂用量4～10mol％。
序号甲基乙烯基酮∶苯胺溶剂时间(小时)产率(％)11∶1.1 乙醇15121∶0.8 乙腈49131∶1.5 乙腈283催化剂PS-RfSO3H9(0.8mmol/g)，50mg，4mol％。
典型操作步骤苯胺94μL(1mmol)，甲基乙烯基酮100μL(1.25mmol，1.25当量)溶解于1mL乙腈，加催化剂PS-RfSO3H9(0.8mmol/g)50mg(4mol％)，室温反应4小时，TLC显示原料消失。过滤，滤饼用乙酸乙酯稍洗，浓缩，石油醚∶乙酸乙酯(6∶1)柱层析，得白色固体148mg，产率91％。化合物141H NMR(300MHz，CDCl3)δ＝7.16～7.22(m，2H，ArH)，7.76(t，J＝7.5Hz，1H，ArH)，6.60(d，J＝9.0Hz，2H，ArH)，3.90(bs，1H)，3.40(t，J＝6.0Hz，2H，NCH2)，2.76(t，J＝6.0Hz，2H，COCH2)，2.16(s，2H，COCH3)；IR(neat，film)νmax＝3395，3052，2923，1924，1711，1603，1504，1359，1322，1264，1169，750，694cm-1。
3.2聚合物负载的全氟烷基磺酸催化的苯胺与环己烯酮的Michael加成反应(操作同3.1)推荐溶剂乙腈；环己烯酮∶苯胺1∶1.5；反应温度室温；催化剂用量4～10mol％。
序号 环己烯酮∶苯胺溶剂时间(小时)产率(％)
1 1∶1.5 乙腈13372 2.1∶1 乙醇3 -3 2.1∶1无溶剂 3 32催化剂PS-RfSO3H9(0.8mmol/g)，50mg，4mol％。
化合物151H NMR(300MHz，CDCl3)δ＝7.08(t，J＝8.1Hz，2H，ArH)，6.78(t，J＝7.5Hz，1H，ArH)，6.60(d，J＝7.5Hz，2H，ArH)，3.70～3.82(m，1H，NHCH)，3.62(bs，1H)，2.78～2.86(m，1H)，NCH2)，2.20～2.44(m，3H)，2.12～2.22(m，1H)，1.86～2.10(m，1H)，1.60～1.80(m，2H)；IR(neat，film)νmax＝3369，3029，2938，2866，1707，1664，1602，1499，1317，1265，750，695cm-1。
3.3聚合物负载的全氟烷基磺酸催化的吲哚类底物的Michael加成反应(以N-甲基吲哚基-2-甲醛为例)2-氮甲基吲哚基甲醛3-位上的活泼氢可与甲基乙烯基酮发生Micheal加成反应生成产物16。室温时在PS-RfSO3H9催化下16无任何变化。将纯的化合物16溶解于DMSO中，加入20mol％脯氨酸作为催化剂，室温下仍无任何反应发生，油浴升温至100℃，反应7小时，得到黄色固体17，产率51％。
步骤(1)推荐溶剂乙醇；2-氮甲基吲哚基甲醛与2-氮甲基吲哚基甲醛比例1∶1.1；催化剂用量4～10mol％；反应温度室温。步骤(2)，推荐溶剂DMSO；反应温度80～100℃，脯氨酸用量10～100mol％。
典型操作步骤N-甲基吲哚基-2-甲醛636mg(4mmol)，甲基乙烯基酮0.34mL(4.2mmol，1.05当量)溶解于4mL乙醇，加催化剂PS-RfSO3H9(0.8mmol/g)200mg(4mol％)，室温反应，体系在10分钟内由浅黄色变为伸紫色，反应24小时，过滤，浓缩，石油醚∶乙酸乙酯(4∶1)柱层析，得浅黄色固体，重结晶得浅黄色晶体472mg，产率49％。化合物16浅黄色晶体；1H NMR(300MHz，CDCl3)δ＝10.10(s，1H)，7.64(d，J＝7.8Hz，1H)，7.34～7.50(m，2H)，7.16(t，J＝7.8Hz，1H)，4.02(s，3H，NCH3)，3.42(t，J＝7.5Hz，2H)，2.86(t，J＝7.5Hz，2H)，2.08(s，C＝OCH3)；IR(neat，film)νmax＝2944，1716，1660，1612，1528，1541，1472，1356，1205，885，745cm-1；MS(MS(m/z，％)229(M+，45.68)，200(M-C2H5+，36.00)，186(M-C3H7+，83.48)，172(M-C4H9+，54.91)，158(M-C5H11+，30.08)，143(M-C5H10O+，46.98)，77(C6H5+，21.61)，43(C3H7+，100)；Elemental analysis(cald.forC14H15NO2)C73.34，H6.59；N6.11，foundC73.38，H6.62，N6.06.
化合物16 250mg(1.09mmol)，脯氨酸60mg(20mol％)溶于4mL DMF，1mL水，室温下无任何变化，油浴100℃加热反应7小时，得黄色油状液体99 128mg，稍放置后成固态，产率30％。化合物17浅黄色固体；1H NMR(300MHz，CDCl3)δ＝7.60(d，J＝7.8Hz，1H)，7.10～7.36(m，4H，ArH)，6.20(d，J＝12.3Hz，1H)，3.80(s，3H)，3.08(t，J＝6.0Hz，2H)，2.84(t，J＝6.3Hz，2H)；IR(neat，film)νmax＝3054，2926，1707，1647，1615，1595，1541，1463，1390，1327，1277，741cm-1；MS(EI，m/z，％)211(M+，75.30)，182(C13H13N+，100)；HRMS(EI)(212.1070 for C14H14NO+1)found 212.1062.
4聚合物负载的全氟烷基磺酸及磺酸镱催化的酯化反应4.1D-葡萄糖的完全乙酰化反应在无溶剂条件下进行。开始反应时葡萄糖在醋酸酐中不能够完全溶解，随反应进行体系渐呈透明。推荐催化剂用量为0.2～1.0mol％，反应温度室温。
序号催化剂用量(mol％)时间(小时)产率(％)19 0.4 ＜1.0 定量29 0.2 2.0 定量311 0.4 2.5 定量411 0.2 6.0 定量催化剂PS-RfSO3H9(0.8mmol/g)，[PS-RfSO3]3Yb11(0.218mmol/g)，5mg，0.4mol％.典型操作步骤D-葡萄糖180mg(1mmol)，PS-SO3H9(0.8mmol/g S)5mg(0.4mol％)或[PS-RfSO3]3Yb10(0.236 mmol/g S)17mg(0.4mol％)，醋酸酐0.52mL(5.5mmol，5.5当量)加入10mL反应瓶，室温反应，起初葡萄糖在醋酐中不溶解，半小时后，体系逐渐透明，TLC显示原料已消失。过滤，20mL乙酸乙酯洗涤滤出的催化剂，滤液合并，3×10mL水洗，无水硫酸钠干燥，浓缩，得白色固体375g，产率100％。化合物18[α]20D58.1(c0.97，CHCl3)；H NMR(300MHz，CDCl3)δ＝3.80～6.36(m，7H)，2.00～2.22(m，15H，CH3)；IR(neat，film)νmax＝2964，1755，1434，1370，1220，1078，1040cm-1.
4.2顺丁烯二酸的单乙酯化顺丁烯二酸∶乙醇(1∶1)，甲苯中回流至分水器不再有水分出。催化剂用量为0.075～0.1mol％，反应温度回流。
250mL单口瓶载回流冷凝管和分水器，顺丁烯二酸23.2g(0.2mol)，乙醇12mL(1.03当量，未处理)，溶于120mL甲苯(未处理)，加PS-RfSO3H9(0.8mmol/g)300mg(0.075mol％)回流2小时，分出水6mL不再有水产生。冷却，有部分固体析出，过滤，滤液浓缩，得无色液体21.1g，产率73％。重新分散于150mL干燥的二氯甲烷，加2滴DMF，冰水浴下缓慢滴加草酰氯12mL(顺丁烯二酸的0.7当量)，有大量气泡产生。自然升至室温，至不再有气泡产生，减压蒸馏(油泵，25Pa)，收集64～64℃馏分，得无色液体19.1g，产率63％。化合物191H NMR(300MHz，CDCl3)δ＝7.08(s，1H)，7.00(s，1H)，4.36(q，J＝7.2Hz，2H)，1.36(t，J＝7.2Hz，3H)；IR(neat，film)νmax＝3116，2987，1851，1782，1727，1626，1305，1185，1100，1020，890，696cm-1.
5聚合物负载的全氟烷基磺酸镱催化的一锅法多组分反应5.1聚合物负载的全氟烷基磺酸镱催化的三组分一锅法烯丙基化反应室温下醛、胺、三丁基烯丙基锡、苯甲酸、溶剂、催化剂以任意顺序加入反应瓶，室温反应。反应亦可在多种有机溶剂如四氢呋喃(THF)、乙酸乙酯、N，N-二甲基甲酰胺，乙醇，乙醚，二氯甲烷，氯仿和甲苯中，或水中以及无溶剂条件下进行。催化剂用量0.1mol％。其中R1为苯基，含有供电子或吸电子基的苯基，2-呋喃基，2-(6-甲基吡啶基)，环己基，苯乙烯基，紫苏基等；R2为苯基，含有供电子或吸电子基的苯基。醛∶胺∶三丁基烯丙基锡∶苯甲酸＝1∶1∶1.1∶1。催化剂亦可为[PS-RfSO3]2Cu，反应速度稍慢。
典型操作步骤以任意顺序将苯甲醛101μL(1mmol)，苯胺92μL(1mmol)，乙腈2mL，苯甲酸123mg(1mmol)，催化剂76d 5mg(0.1mol％)和三丁基烯丙基锡0.34mL(1.1mmol)加入反应瓶，室温下反应至TLC显示醛或胺完全消失。过滤，乙酸乙酯(20mL)洗滤饼，将滤液用饱和NaHCO3溶液(2×10mL)洗两遍，Na2SO4干燥，乙酸乙酯∶石油醚(1∶50)柱层析。产率如表中所列。为准确计算产率，除醛为新蒸外，其余试剂均未经处理。氮-(1-苯基-3-丁烯基)-苯胺，浅黄色油状物；1H NMR(300MHz，CDCl3)δ＝7.22～7.38(m，4H，ArH)，7.16～7.22(m，1H，ArH)，7.05(t，J＝7.5Hz，2H，m-ArH)，6.61(t，J＝7.4Hz，1H，p-ArH)，6.46(d，J＝7.5Hz，2H，o-ArH)，5.63～5.80(m，1H，CH＝CH2)，5.08～5.18(m，2H，CH＝CH2)，4.36(dd，J＝5.4，8.1Hz，NHCH)，4.12(s，1H，NH)，2.40～2.61(m，2H，NHCHCH2)；IR(neat，film)νmax＝3412，3054，2965，1639，1602，1504，1316，748，700cm-1.
5.2聚合物负载的全氟烷基磺酸镱催化的三组分一锅法Strecker反应以任意顺序将苯甲醛∶苯胺∶三甲基硅腈(1∶1∶1.1)，乙腈2mL，催化剂10 10mg(0.3mol％)加入反应瓶，室温下反应5小时至TLC显示醛或胺完全消失。苯甲酸在此反应中无明显的促进作用。催化剂推荐用量0.3～1mol％.
以任意顺序将苯甲醛50μL(0.5mmol)，苯胺46μL(1mmol)，乙腈2mL，催化剂81d 10mg(0.3mol％)和三甲基硅腈74μL(0.55mmol)加入反应瓶，室温下反应5小时至TLC显示醛或胺完全消失。过滤，乙酸乙酯(20mL)洗滤饼，将滤液用饱和NaHCO3溶液(2×10mL)洗两遍，Na2SO4干燥，乙酸乙酯∶石油醚(1∶50)柱层析，得白色固体99mg，产率95％。除醛为新蒸外，其余试剂均未经处理。化合物20苯基-苯胺基乙腈，白色固体，熔点84～86℃；1H NMR(300MHz，CDCl3)δ＝7.54～7.63(m，2H，ArH)，7.38～7.52(m，3H，ArH)，7.06(dt，J＝7.5，7.8Hz，2H，m-ArH)，6.92(t，J＝7.5Hz，1H，p-ArH)，6.78(d，J＝7.8Hz，2H，o-ArH)，5.40(d，J＝8.4Hz，1H，CH)，4.02(d，J＝8.4Hz，1H，NH)；IR(neat，film)νmax＝3370，3032，2235，1602，1503，1453，1313，1243，751，693cm-15.3组分一锅法高烯丙基酰胺的制备三组分反应与上述三组分一锅法亚胺烯丙基化反应同。待三组分反应完成后加入2.2当量酰氯至三组分产物基本消失。其中R1为氢或甲氧基，R2为乙烯基，苯乙烯基，苯基，含有吸电子基的苯基，2-呋喃基，苄基，苄氧基，3-环戊基丙基，2-乙基环己基，甲氧甲基等。
典型操作步骤以任意顺序将苯甲醛101μL(1mmol)，苯胺92μL(1mmol)，乙腈2mL，苯甲酸123mg(1mmol)，催化剂10mg(0.236mmol/g，0.5mol％)和三丁基烯丙基锡0.34mL(1.1mmol)加入反应瓶，室温下反应至TLC显示醛或胺完全消失。室温继续反应半小时后加入丙烯酰氯0.34mL(2.2mmol)，至TLC显示三组分产物消失或接近消失，过滤，乙酸乙酯(20mL)洗滤饼，将滤液用饱和NaHCO3溶液(2×10mL)洗两遍，Na2SO4干燥，乙酸乙酯∶石油醚(1∶10～1∶4)柱层析。产率如表中所列。为准确计算产率，除醛为新蒸外，其余试剂均未经处理。氮-(1-苯基-3-丁烯基)-丙烯酰苯胺，白色固体；1H NMR(300MHz，CDCl3)δ＝7.30(s，5H，ArH)，7.18～7.22(m，2H，ArH)，6.98～7.16(m，6H)，6.60(bs，2H)，6.38(t，J＝7.2Hz，1H，CH)，5.86～6.04(m，1H，CH＝CH2)，5.14～5.26(m，2H，CH＝CH2)，2.64～2.86(m，2H)；13C NMR(75.0MHz，CDCl3)δ＝171.0，139.7，139.6，136.8，135.0，130.4，128.9，128.6，128.2，128.1，127.6，127.4，127.2，117.5(ArC，CH＝CH2)，57.7(NHCH)，35.1(NHCHCH2)；IR(neat，film)νmax＝3062，3032，2929，1719，1693，1644，1593，1493，1451，1381，1333，1286，1231，1026，919，699cm-1；MS(m/z，％)327(M+，1.41)，286(M-C3H5+，32.28)，105(PhCO+，100)，77(C6H5+，46.02)；Elementalanalysiscalcd(for C23H21NO)，C84.37，H6.46，N4.28；found C84.51，H 6.79，N4.52.
5.4四组分一锅法多元杂环的合成(以21和22的合成为例)四组分酰化与上述四组分一锅法高烯丙基酰胺的制备方法相同，之后根据Diels-Alder反应中亲双烯体的活性继续在室温下反应或加入甲苯回流。其中R1为氢或甲氧基，R2为氢，乙氧羰基，羧基等。亲核试剂为三丁基烯丙基烯或三甲基硅腈。
典型操作步骤25mL三口瓶中加乙腈4mL，糠醛166μL(2 mmol)，对甲氧基苯胺246mg(2mmol)，三丁基烯丙基烯0.68mL(2.2mmol)，苯甲酸244mg(2mmol)，{PS-RfSO3}3Yb 80mg(0.131mmol/g，0.5mol％)以任意顺序加入其中，室温反应4小时，醛和胺基本消失，继续反应半小时，加丙烯酰氯0.36mL(4.4mmol，2.2当量)。室温反应1小时后补加甲苯12mL，加热回流15小时。过滤，滤饼用20mL乙酸乙酯洗，2×10mL碳酸氢钠饱和溶液洗，无水硫酸钠干燥，浓缩，石油醚∶乙酸乙酯(1∶1)柱层析。得化合物151259mg，15258mg(4.5∶1)，产率53％。化合物21白色晶体；熔点81～82℃；1H NMR(300MHz，CDCl3)δ＝7.26(d，J＝9.0Hz，2H，ArH)，6.96(d，J＝9.0Hz，2H，ArH)，6.58(d，J＝5.9Hz，1H，furan-H)，6.42(dd，J＝1.7，5.9Hz，1H)，5.76～5.84(m，1H，CH＝CH2)，5.14～5.24(m，2H，CH＝CH2)，5.06(dd，J＝1.7，4.5Hz，1H)，4.42(t，J＝5.2Hz，1H)，3.80(s，3H)，2.58～2.66(m，3H)，2.25(ddd，J＝3.6，4.5，11.8Hz，1H)，1.62(dd，J＝8.9，11.8 Hz，1H)；13C NMR(75.0MHz，CDCl3)δ＝173.7，157.8，137.4，132.3，132.1，130.5，126.1，119.4，114.5(ArC，CH＝CH2)，91.7，78.6，62.1，55.5(OMe)，47.4(NHCH)，34.2(NHCHCH2)，28.9；IR(neat，film)νmax＝3077，3002，2952，2837，2244，1697，1640，1513，1247，1035，918，831，731，699cm-1；MS(m/z，％)297(M+，37.59)，256(M-C3H5+，21.44)，202(M-C5H5NO+，100)，177(C10H11NO2+，16.16)，91(C7H7+，7.19)，77(C6H5+，12.67)；Elemental analysiscalcd(for C18H19NO3)，C72.73，H6.40，N4.71；found C 72.72，H 6.34，N4.50.化合物22白色晶体；熔点99～101℃；1H NMR(300MHz，CDCl3)δ＝7.20(d，J＝9.0Hz，2H，ArH)，6.96(d，J＝9.0Hz，2H，ArH)，6.42(dd，J＝1.8，6.0Hz，1H，furan-H)，6.38(dt，J＝1.5，5.7Hz，1H)，5.66～5.82(m，1H，CH＝CH2)，5.00～5.16(m，3H，CH＝CH2，OCH)，4.56(dt，J＝6.6，8.4Hz，1H)，3.80(s，3H)，2.60(dd，J＝1.8，8.7Hz，1H)，2.24～2.38(m，3H)，1.62(dd，J＝8.7，11.7Hz，1H)；13C NMR(75.0MHz，CDCl3)δ＝173.8，158.1，135.6，134.2，132.9，129.6，127.2.1，118.3，114.3(ArC，CH＝CH2)，90.6，78.5，60.4，55.4(OMe)，47.6(NHCH)，32.9(NHCHCH2)，28.6；IR(neat，film)νmax＝3077，3002，2953，2837，2243，1697，1642，1513，1364，1247，1036，918，835，732cm-1；MS(m/z，％)297(M+，44.30)，256(M-C3H5+，24.16)，202(M-C5H5NO+，100)，177(C10H11NO2+，30.64)，91(C7H7+，8.38)，77(C6H5+，14.87)；Elemental analysiscalcd(for C18H19NO3)，C 72.73，H 6.40，N 4.71；found C 73.03，H 6.58，N 4.56.
权利要求
1.一类Merrifield树脂负载的全氟烷基磺酸和磺酸盐化合物，其特征是具有如下结构通式 式中，R为Merrifield树脂，m为1～5的整数，n为2、4、6或8，R’为H或金属元素M，所述的金属元素M为Yb、Y、Na、Cu、Zn或稀土金属元素，k＝R’的化学价数。
2.如权利要求1所述的Merrifield树脂负载的全氟烷基磺酸和磺酸盐化合物，其特征是所述的Merrifield树脂为1％DVB，1.0+/-0.05mmol/g Cl，100～200目；2％DVB，1.0+/-0.2mmol/g Cl，200～300目；1％DVB，2.8～3.0mmol/g Cl，100～200目；2％DVB，3.0mmol/g Cl，200～400目；1％DVB，1.9～2.1mmol/g Cl，100～200目；所述的稀土金属元素为Yb、Y、Sc、Sm或Eu等。
3.如权利要求1所述的Merrifield树脂负载的全氟烷基磺酸和磺酸盐化合物所述的Merrifield树脂为1％DVB，2.8～3.0mmol/g Cl，100～200目；2％DVB，3.0mmol/g Cl，200～400目；所述的m为1；所述的n为2或6；所述的稀土金属元素为Yb。
4.如权利要求1所述的Merrifield树脂负载的全氟烷基磺酸和磺酸盐的合成中间体，其特征是所述的中间体具有如下结构通式 ，式中R、m如权利要求1所述，R”为CH＝CH2、CH(I)CH2(CF2)nO(CF2)2SO2F或CH2CH2(CF2)nO(CF2)2SO2F。其中n如权利要求1所述。
5.如权利要求1所述的Merrifield树脂负载的全氟烷基磺酸和磺酸盐的制备方法，其特征是该方法如下从Merrifield树脂上延伸出双键CH2＝CH(CH2)m，自由基引发下碘代全氟烷基磺酰氟与双键加成，脱去加成一步引入的碘，在碱的作用下，磺酰氟水解为磺酸钠盐，酸化之后与稀土金属元素M的卤化物发生离子交换，生成负载的磺酸盐。
6.如权利要求5所述的制备方法，其特征是所述的步骤(2)所用引发剂为AIBN或BPO，用量1～100mol％，碘代全氟烷基磺酰氟的用量为双键衍生后Merrifield树脂的2～5当量；溶剂为甲苯或DMF，温度80～120℃；或Na2S2O4/NaHCO3，溶剂为CH3CN/H2O，DMSO/H2O或DMSO/THF，温度室温～100℃；所述的步骤(3)中加入过量锌粉(相对于碘代全氟烷基磺酰氟加成后的树脂)，溶剂为CH3COOH/i-PrOH/THF，回流；或三丁基锡氢(2～3当量)/AIBN，溶剂为乙醚或四氢呋喃，温度回流。
7.如权利要求1所述的Merrifield树脂负载的全氟烷基磺酸和磺酸盐的用途，其特征是用作催化剂。
8.如权利要求7所述的Merrifield树脂负载的全氟烷基磺酸和磺酸盐的用途，其特征是用作下述反应的催化剂Diels-Alder反应，酯化，Michael加成，一锅法三组分亚胺加成，一锅法四组分串联反应中的应用。
9.如权利要求8所述的Merrifield树脂负载的全氟烷基磺酸和磺酸盐的用途，其特征是其在Diels-Alder反应中的应用包括如下步骤DHP(二氢吡喃)与苯胺缩合为亚胺，与另一分子DHP发生Diels-Alder反应生成吡喃喹啉结构；醛与胺的缩合反应，双烯体亲双烯体参与的Diels-Alder反应。
10.如权利要求9所述的Merrifield树脂负载的全氟烷基磺酸和磺酸盐的用途，其特征是其在酯化反应中的应用包括如下方面醇的酰化和酸的酯化反应；其在Michael加成反应中的应用包括如下方面苯胺，吲哚类结构与甲基乙烯基酮，环己烯酮的Michael加成反应。
11.如权利要求9所述的Merrifield树脂负载的全氟烷基磺酸和磺酸盐的用途，其特征是其在一锅法三组分亚胺加成反应中的应用包括如下步骤醛与胺的缩合反应，亲核试剂与亚胺的加成反应；其在一锅法四组分串联反应中的应用包括如下步骤醛与胺的缩合反应，亲核试剂与亚胺的加成反应，酰化试剂与胺的酰化反应以及分子内的Diels-Alder反应。
全文摘要
本发明涉及一类新型Merrifield树脂负载的全氟烷基磺酸和磺酸盐、其制备方法及其在多种有机反应，例如Diels－Alder反应，酯化，Michael加成，一锅法三组分亚胺加成，一锅法四组分串联反应等中的应用。该全氟烷基磺酸和磺酸盐具有如下结构通式可通过从Merrifield树脂上延伸出双键，自由基引发下碘代全氟烷基磺酰氟与双键加成，脱去加成一步引入的碘，水解，酸化，离子交换，生成负载的磺酸盐(例如磺酸镱，其余金属盐类似)，磺酸钠盐由碱性条件下水解、洗涤、干燥后制得。该类化合物用作催化剂表现出很好的活性，且可过滤回收，对环境友好。
文档编号B01J31/02GK1605391SQ20041005391
公开日2005年4月13日 申请日期2004年8月20日 优先权日2004年8月20日
发明者赵刚, 尹月燕 申请人:中国科学院上海有机化学研究所