楊 雨, 王景蕓, 陳 陽

(遼寧石油化工大學 石油化工學院,遼寧 撫順 113001)

亞胺作為重要的氮源之一,在藥物和生物合成中為重要的含氮活性中間體[1],可用于合成多種被廣泛用作抗癌和抗炎的生物活性化合物[2]。同時,亞胺在C—H鍵活化反應、氮丙啶化、環(huán)化和縮合反應中也具有潛在的應用價值[3-5]。傳統(tǒng)的亞胺合成是胺與羰基官能團化合物在酸性條件下進行反應,通常需要不穩(wěn)定的醛和酸作為催化劑,并且涉及加熱、有毒氧化劑(如2-碘苯甲酸)和脫水劑等條件[6-8]。然而這些條件均不可避免地造成了能源浪費和環(huán)境污染等問題。

從綠色化學的角度來看,利用分子氧作為氧化劑直接光催化氧化胺合成亞胺具有更好的可持續(xù)性。雖然部分貴金屬光催化劑(如釕和銥)在氧氣作氧化劑的條件下,具有良好的反應性[9-10],但它們的價格昂貴且難以回收利用,因而在催化合成中的應用受到極大限制。在過去幾年里,研究人員開發(fā)了基于綠色光催化劑的光催化氧化胺合成亞胺的反應,從而為解決能源浪費和環(huán)境污染問題提供了借鑒。例如,有機染料曙紅Y、卟啉和三苯胺等[11-13],因其價格便宜且毒性小,可用作光催化劑取代貴金屬催化劑。蒽醌類小分子化合物作為一種有機染料,因其結構中的前沿軌道羰基會在光激發(fā)時經(jīng)歷從n→π*或π→π*躍遷到激發(fā)單重態(tài),并通過系統(tǒng)間交叉迅速轉移到三重態(tài)。處于三重態(tài)的受激分子顯示出雙自由基特征,該特征可活躍地提取環(huán)境中脆弱的氫并形成半醌自由基。在有氧條件下,半醌自由基將被氧分子捕獲,以產(chǎn)生原始的蒽醌結構,并隨之形成過氧化氫和羥基自由基[14]。因此,蒽醌及其衍生物也可作為光催化劑。

Scheme 1

雖然利用光催化合成亞胺的方法已有研究[15-17],但以蒽醌類化合物作為光催化劑合成亞胺鮮有報道。本文首次以蒽醌-2-羧酸小分子化合物作為光催化劑,對光催化下胺類化合物(1a～1k)自偶聯(lián)合成亞胺的反應進行了研究(Scheme 1)。通過對反應條件進行優(yōu)化得到了最佳綠色環(huán)保的反應條件,討論了不同電子效應的取代基對反應產(chǎn)率的影響。最后,在最佳條件下合成了11種不同取代基的亞胺化合物,分析了該反應發(fā)生的可能機理。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

WRS-3型熔點儀；Bruker AVANCE 400型核磁共振儀(CDCl3為溶劑,TMS為內(nèi)標)。

所用試劑均為分析純。

1.2 2a～2k的合成

在25.0 mL史蘭克管中加入1(0.5 mmol)、蒽醌-2-羧酸(AQ-2-COOH, 2%，摩爾分數(shù)，下同)和乙酸乙酯(5.0 mL)。在室溫下使用12 W紫色LED燈照射反應并通過TLC(薄層色譜法)監(jiān)測。反應結束后通過硅膠柱層析(洗脫劑:石油醚 ∶乙酸乙酯=15 ∶1～10 ∶1,V∶V)純化得目標產(chǎn)物2a～2k。

N-芐基-1-苯基甲亞胺(2a)[18]:無色液體90.8 mg,產(chǎn)率93%；1H NMRδ: 8.40(s, 1H), 7.81～7.75(m, 2H), 7.46～7.38(m, 3H), 7.34(d,J=4.4 Hz, 4H), 7.31～7.22(m, 1H), 4.83(s, 2H);13C NMRδ: 162.0, 139.3, 136.1, 130.7, 128.6, 128.5, 128.2, 128.0, 127.0, 65.0。

N-(4-甲基芐基)-1-(對甲苯基)甲亞胺(2b)[18]:無色液體102.7 mg,產(chǎn)率92%;1H NMRδ: 8.33(s, 1H), 7.66(d,J=7.9 Hz, 2H), 7.26～7.19(m, 4H), 7.14(d,J=7.6 Hz, 2H), 4.76(s, 2H), 2.38(s, 3H), 2.33(s, 3H);13C NMRδ: 161.7, 140.9, 136.5, 136.3, 133.6, 129.3, 129.1, 128.2, 127.9, 64.8, 21.5, 21.1。

N-(4-甲氧基芐基)-1-(4-甲氧基苯基)甲亞胺(2c)[18]:黃色油狀液體114.9 mg,產(chǎn)率90%；1H NMRδ: 8.30(s, 1H), 7.71(d,J=8.8 Hz, 2H), 7.24(d,J=9.2 Hz, 2H), 6.90(dd,J=17.0, 8.7 Hz, 4H), 4.72(s, 2H), 3.84(s, 3H), 3.80(s, 3H);13C NMRδ: 161.7, 160.9, 158.6, 131.7, 129.8, 129.2, 129.1, 114.0, 113.9, 64.4, 55.34, 55.29。

N-(4-氟芐基)-1-(4-氟苯基)甲亞胺(2d)[18]:黃色油狀液體98.3 mg,產(chǎn)率85%；1H NMRδ: 8.33(s, 1H), 7.81～7.72(m, 2H), 7.32～7.25(m, 2H), 7.12～6.99(m, 4H), 4.75(s, 2H);13C NMRδ: 165.6, 163.2(d,JC,F=5.0 Hz), 160.6,(d,JC,F=28.2 Hz), 134.9(d,JC,F=3.2 Hz), 132.3(d,JC,F=3.0 Hz), 130.1(d,JC,F=8.5 Hz), 129.4(d,JC,F=7.9 Hz), 115.7(d,JC,F=21.7 Hz), 115.3(d,JC,F=21.2 Hz), 64.1;19F NMRδ: -109.21, -115.95。

N-(4-氯芐基)-1-(4-氯苯基)甲亞胺(2e)[18]:白色固體113.6 mg,產(chǎn)率86%； m.p. 64.7～65.6 ℃；1H NMRδ: 8.34(s, 1H), 7.71(d,J=8.4 Hz, 2H), 7.39(d,J=8.4 Hz, 2H), 7.32(d,J=8.8 Hz, 2H), 7.27(d,J=6.2 Hz, 2H), 4.77(s, 2H);13C NMRδ: 160.8, 137.6, 136.9, 134.4, 132.8, 129.4, 129.2, 128.9, 128.6, 64.1。

N-(4-溴芐基)-1-(4-溴苯基)甲亞胺(2f)[18]:白色固體155.3 mg,產(chǎn)率88%； m.p. 91.2～92.1 ℃；1H NMRδ: 8.25(s, 1H), 7.57(d,J=8.4 Hz, 2H), 7.48(d,J=8.8 Hz, 2H), 7.39(d,J=8.4 Hz, 2H), 7.13(d,J=8.4 Hz, 2H), 4.67(s, 2H);13C NMRδ: 161.0, 138.1, 134.9, 131.9, 131.6, 129.7, 129.6, 125.4, 120.9, 64.2。

N-(3,4-二氯芐基)-1-(3,4-二氯苯基)甲亞胺(2g)[2]:黃色油狀液體140.8 mg,產(chǎn)率85%；1H NMRδ: 8.30(s, 1H), 7.89(d,J=2.0 Hz, 1H), 7.60z(dd,J=8.4 Hz, 2.0 Hz, 1H), 7.50(d,J=8.0 Hz, 1H), 7.41(d,J=8.4 Hz, 2H), 7.17(dd,J=8.2 Hz, 1.8 Hz, 1H), 4.75(s, 2H);13C NMRδ: 160.0, 139.1, 135.7, 135.1, 133.2, 132.6, 131.1, 130.7, 130.5, 129.8, 127.3, 127.2, 63.5。

N-(4-(三氟甲基)芐基)-1-(4-(三氟甲基)苯基)甲亞胺(2h)[19]:黃色油狀液體139.9 mg,產(chǎn)率84%；1H NMRδ: 8.46(s, 1H), 7.91(d,J=8.4 Hz, 2H), 7.69(d,J=8.4 Hz, 2H), 7.61(d,J=8.0 Hz, 2H), 7.47(d,J=8.0 Hz, 2H), 4.90(s, 2H);13C NMRδ: 161.1, 143.0, 139.0, 132.6(d,J=32.2 Hz), 129.5(d,J=32.3 Hz), 128.5, 128.1, 125.6(q,J=3.8 Hz), 125.5(q,J=3.8 Hz), 122.7(d,J=33.1 Hz), 64.4;19F NMRδ: -62.47, -62.84。

1-(萘-1-基)-N-(萘-1-基甲基)甲亞胺(2i)[18]:白色固體128.5 mg,產(chǎn)率87%； m.p. 69.5～70.1 ℃；1H NMRδ: 9.02(s, 1H), 8.92(d,J=8.4 Hz, 1H), 8.21(d,J=8.0 Hz, 1H), 7.92～7.75(m, 5H), 7.58～7.40(m, 7H), 5.36(s, 2H);13C NMRδ: 161.9, 135.5, 133.8, 133.7, 131.6, 131.3, 131.1, 129.1, 128.6, 128.5, 127.8, 127.1, 126.1, 126.0, 125.8, 125.6, 125.5, 125.2, 124.4, 123.9, 63.2。

1-(噻吩-2-基)-N-(噻吩-2-基甲基)甲亞胺(2j)[20]:黃色液體95.4,產(chǎn)率92%；1H NMRδ: 8.40(s, 1H), 7.39(d,J=4.8 Hz, 1H), 7.31(dd,J=3.6 Hz, 1.2 Hz, 1H), 7.22(dd,J=4.8 Hz, 1.6 Hz, 1H), 7.05(dd,J=4.8 Hz, 3.6 Hz, 1H), 6.99～6.94(m, 2H), 4.93(s, 2H);13C NMRδ: 155.3, 142.1, 141.5, 130.9, 129.3, 127.3, 126.8, 125.2, 124.8, 58.4。

1-(呋喃-2-基)-N-(呋喃-2-基甲基)甲亞胺(2k)[18]:黃色液體79.7 mg,產(chǎn)率91%；1H NMRδ: 8.11(s, 1H), 7.51(d,J=2.0 Hz, 1H), 7.38(dd,J=1.6 Hz, 0.8 Hz, 1H), 6.79(d,J=3.6 Hz, 1H), 6.49～6.45(m, 1H), 6.35～6.33(m, 1H), 6.27(dd,J=3.2 Hz, 0.8 Hz, 1H), 4.75(s, 2H);13C NMRδ: 151.8, 151.5, 151.2, 144.9, 142.3, 114.4, 111.6, 110.3, 107.9, 56.8。

2 結果與討論

2.1 反應條件優(yōu)化

(1) 溶劑對反應的影響

以芐胺為反應底物,5%蒽醌-2-羧酸為光催化劑,12 W紫色LED燈為光源,在空氣氣氛的室溫下進行照射,考察溶劑對反應產(chǎn)率的影響,其結果如表1所示。由表1可知,當以1,4-二氧六環(huán)和丙酮作為溶劑時,反應不發(fā)生(N.R)；當以1,2-二氯乙烷(DCE)、異丙醇(IPA)和二氯甲烷(DCM)作為溶劑時,反應能夠發(fā)生,但產(chǎn)率不高,分別為44%、 47%和48%；以乙醇(EtOH),甲醇(MeOH)和乙腈(MeCN)作為溶劑時,反應的產(chǎn)率有一定提升,可分別達到79%、 88%和90%。而當以乙酸乙酯(EA)作為溶劑時,反應的產(chǎn)率達到最大值94%。因此,選擇乙酸乙酯作為該反應最佳溶劑來進行后續(xù)研究工作中條件的進一步優(yōu)化。

表1 不同溶劑對反應的影響Table 1 Effects of different solvents on reaction

(2) 光催化劑種類及用量對反應的影響

基于以上優(yōu)化實驗,以芐胺為反應底物,乙酸乙酯作為溶劑,12 W紫色LED燈為光源,在空氣氣氛的室溫下進行照射,考察光催化劑種類及用量對反應的影響,其結果如表2所示。結果表明,AQ-2-COOH是反應最佳的光催化劑,這可能是AQ-2-COOH在該反應體系中最易被激發(fā),因而其催化反應的效果最好。從表2中可以看出,當AQ-2-COOH用量僅為2%時,在此條件下反應產(chǎn)率仍可高達93%(Entry 1、 Entry 6)。

表2 催化劑種類及用量對反應的影響Table 2 Effects of catalyst type and dosage on reaction

(3) 光源種類對反應產(chǎn)率的影響

在得到最佳溶劑、光催化劑及其用量后,基于此條件對反應的光源進行了考察,其結果如表3所示。結果表明,在紅色和黃色LED光源下該反應不發(fā)生,而在藍色LED燈照射下,反應產(chǎn)率只有13%,在白色LED燈照射下,反應產(chǎn)率可達67%,由此可以看出，以上不同顏色的光源下的反應產(chǎn)率均低于紫色LED燈作為光源時的產(chǎn)率，該現(xiàn)象是由于光催化劑AQ-2-COOH的最大激發(fā)波長處在紫色LED光源的波長范圍之內(nèi),AQ-2-COOH可以更好的被激發(fā)來催化反應的進行。因此,本文將紫色LED作為反應的最佳光源。

表3 LED光源對反應的影響Table 3 Effects of different LED Lights on reaction

(4) 其他背景條件對反應的影響

為了更全面地分析該反應的影響因素,考察了其他背景條件(催化劑、避光與否、氣體和反應溫度)對反應的影響,其結果如表4所示。由表4可以看出,反應在無光催化劑或光源下不發(fā)生,說明光催化劑和光源是反應發(fā)生的必需條件,即該反應為光反應。此外,該反應在氮氣氣氛下不發(fā)生,而在氧氣或空氣氣氛下反應可以發(fā)生,說明反應過程中需有氧氣參與,即該反應需有氧化劑才能發(fā)生。由于在氧氣或空氣氣氛下反應產(chǎn)率接近,但空氣氣氛下反應的實驗成本更低且操作更簡便,選擇在空氣氣氛下進行反應。室溫下的反應產(chǎn)率與50 ℃和回流溫度下的產(chǎn)率接近,表明溫度對反應的影響不明顯,即反應可以在室溫下進行。

表4 背景條件對反應的影響Table 4 Effects of background condition on reaction

綜上所述,反應的最優(yōu)條件為:乙酸乙酯為溶劑,AQ-2-COOH(2%)為光催化劑,12 W紫色LED燈為光源,空氣氣氛室溫下進行反應。

Scheme 2

2.2 底物普適性

在確定最佳反應條件之后,對該反應進行了底物普適性研究,其結果如表5所示。由表5可以看出,在最佳反應條件下拓展了11個帶有不同取代基的亞胺類化合物,討論供電子效應、吸電子效應及雜原子底物對反應產(chǎn)率的影響。以芐胺(1a)為原料,反應以93%的產(chǎn)率得到了無取代基的目標產(chǎn)物N-芐基-1-苯基甲亞胺(2a)。當?shù)孜餅閹в泄╇娮有募谆?、甲氧基時,反應以92%和90%的產(chǎn)率得到了相應的目標產(chǎn)物2b和2c。帶有吸電子效應的底物也以84%～88%的產(chǎn)率得到了相應的目標產(chǎn)物2d～2h。近中性帶有萘基的底物以87%的產(chǎn)率得到了目標產(chǎn)物2i,而含有雜原子的底物以92%和91%的產(chǎn)率得到了目標產(chǎn)物2j和2k。以上實驗結果表明,無論底物帶有供電子還是吸電子取代基,反應都能夠很好的進行,并且能夠以良好至優(yōu)秀的產(chǎn)率得到相應的目標產(chǎn)物,因此該反應具有良好的底物普適性。

表5 底物普適性研究Table 5 Substrate universality research

2.3 反應機理

本文以帶有不同取代基的芐胺為原料,首次以AQ-2-COOH為光催化劑,空氣中的氧氣為氧化劑,利用有機光催化方法合成了不同取代基的亞胺化合物(2a～2k),產(chǎn)率84%～93%。底物拓展實驗表明了該反應具有良好的底物普適性,并分析了反應可能發(fā)生的機理,為有機光催化領域內(nèi)綠色合成亞胺類化合物提供了研究依據(jù)。