银催化的温和条件下邻氨基醇、炔丙醇和二氧化碳的三组分串联反应本科毕业论文.docx

本 科 生 毕 业 论 文（设 计）中文题目：银催化的温和条件下邻氨基醇、炔丙醇和二氧化碳的三组分串联反应外文题目：Silver-Catalyzed Domino Reaction of 2-Aminoethanol, Propargylic Alcohols with CO2 under Mild Conditions矚慫润厲钐瘗睞枥庑赖。毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。聞創沟燴鐺險爱氇谴净。作 者 签 名： 日 期： 指导教师签名： 日期： 使用授权说明本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。残骛楼諍锩瀨濟溆塹籟。作者签名： 日 期： 学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。酽锕极額閉镇桧猪訣锥。作者签名： 日期： 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。彈贸摄尔霁毙攬砖卤庑。涉密论文按学校规定处理。作者签名：日期： 年 月 日导师签名： 日期： 年 月 日注 意 事 项1.设计（论文）的内容包括：1）封面（按教务处制定的标准封面格式制作）2）原创性声明3）中文摘要（300字左右）、关键词4）外文摘要、关键词 5）目次页（附件不统一编入）6）论文主体部分：引言（或绪论）、正文、结论7）参考文献8）致谢9）附录（对论文支持必要时）2.论文字数要求：理工类设计（论文）正文字数不少于1万字（不包括图纸、程序清单等），文科类论文正文字数不少于1.2万字。謀荞抟箧飆鐸怼类蒋薔。3.附件包括：任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）。4.文字、图表要求：1）文字通顺，语言流畅，书写字迹工整，打印字体及大小符合要求，无错别字，不准请他人代写2）工程设计类题目的图纸，要求部分用尺规绘制，部分用计算机绘制，所有图纸应符合国家技术标准规范。图表整洁，布局合理，文字注释必须使用工程字书写，不准用徒手画厦礴恳蹒骈時盡继價骚。3）毕业论文须用A4单面打印，论文50页以上的双面打印4）图表应绘制于无格子的页面上5）软件工程类课题应有程序清单，并提供电子文档5.装订顺序1）设计（论文）2）附件：按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）次序装订指导教师评阅书指导教师评价：一、撰写（设计）过程1、学生在论文（设计）过程中的治学态度、工作精神 优 良 中 及格 不及格2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度 优 良 中 及格 不及格3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力 优 良 中 及格 不及格4、研究方法的科学性；技术线路的可行性；设计方案的合理性 优 良 中 及格 不及格5、完成毕业论文（设计）期间的出勤情况 优 良 中 及格 不及格二、论文（设计）质量1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？ 优 良 中 及格 不及格2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？ 优 良 中 及格 不及格三、论文（设计）水平1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义 优 良 中 及格 不及格2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？ 优 良 中 及格 不及格3、论文（设计说明书）所体现的整体水平 优 良 中 及格 不及格建议成绩： 优 良 中 及格 不及格（在所选等级前的内画“”）指导教师： （签名） 单位： （盖章）年 月 日评阅教师评阅书评阅教师评价：一、论文（设计）质量1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？ 优 良 中 及格 不及格2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？ 优 良 中 及格 不及格二、论文（设计）水平1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义 优 良 中 及格 不及格2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？ 优 良 中 及格 不及格3、论文（设计说明书）所体现的整体水平 优 良 中 及格 不及格建议成绩： 优 良 中 及格 不及格（在所选等级前的内画“”）评阅教师： （签名） 单位： （盖章）年 月 日教研室（或答辩小组）及教学系意见教研室（或答辩小组）评价：一、答辩过程1、毕业论文（设计）的基本要点和见解的叙述情况 优 良 中 及格 不及格2、对答辩问题的反应、理解、表达情况 优 良 中 及格 不及格3、学生答辩过程中的精神状态 优 良 中 及格 不及格二、论文（设计）质量1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？ 优 良 中 及格 不及格2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？ 优 良 中 及格 不及格三、论文（设计）水平1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义 优 良 中 及格 不及格2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？ 优 良 中 及格 不及格3、论文（设计说明书）所体现的整体水平 优 良 中 及格 不及格评定成绩： 优 良 中 及格 不及格教研室主任（或答辩小组组长）： （签名）年 月 日教学系意见：系主任： （签名）年 月 日摘 要由于人类对化石燃料过度使用和森林等植被面积不断减少，大气中的二氧化碳含量越来越高。一方面，CO2是导致气候变化最主要的温室气体；另一方面，从化学转化角度来看，它是一种可再生的反应原料，在有机合成中可作为碳一合成子制备高附加值的化学品。因此，CO2的资源化利用在当今全球资源匮乏的形势下变得越来越重要。利用CO2为羰基源合成噁唑啉酮类化合物是CO2资源化利用很重要的一方面。本文设计用氧化银为催化剂、四甲基胍为添加物、乙腈为溶剂、在1 MPa CO2的条件下，实现了-氨基醇、炔丙醇和CO2三组分反应合成噁唑啉酮类化合物。突破了传统方法中使用大量有机碱和活泼的亲电试剂，高压CO2及较高的反应温度等局限，而且催化体系表现出很高的催化活性和化学选择性，底物适用面广，收率最高达99%。通过该新型反应方式，化学固定CO2的反应类型范围也得到了进一步拓展。我们提出了反应的可能机理，TMG电子重新排布形成电荷分离的共振杂化体，在环状碳酸酯的构成过程中稳定烷基碳酸盐中间体。茕桢广鳓鯡选块网羈泪。关键词：二氧化碳；噁唑啉酮；银催化；四甲基胍；多组分反应AbstractWith fossil fuels used excessively and the area of forests and vegetation decreasing, carbon dioxide (CO2) level in the air is higher and higher. On the one hand, CO2 is the main greenhouse gases associated with climate change; on the other hand, it is a renewable reactant in terms of chemical transformation, and it can be used as a C-1 feedstock to prepare high-value chemicals in organic synthesis. Therefore, the resource utilization of CO2 becomes more and more important at the present situation where it is lack of energy and resource around the globe. The successful use of CO2 as a carbonylating reagent in the synthesis of 2-oxazolidinones is an important aspect of the resource utilization of CO2. In this paper, an efficient and simple process for the three-component reaction of CO2, -aminoethanol and propargyl alcohols for the synthesis of 2-oxazolidinones by using Ag2O as catalyst, TMG as an additive under low pressure and temperature (1 MPa, 80 oC) was developed. This method improved many limit conditions in the traditional methods, such as using a large number of organic alkali and active electrophilic reagents, high pressure CO2 and high reaction temperature, whats more, the catalysts showed high catalytic activity and chemical selectivity, the substrate was widely applicable, yield up to 99%. Through the new reaction course, the types of reactions that fix CO2 in chemical process were also expanded. We have put forward the possible mechanism of the reaction, TMG forms the charge-separated resonance hybrid by electronic rearrangement, and stables alkyl carbonate intermediate in the process of cyclic carbonate formation.鹅娅尽損鹌惨歷茏鴛賴。Keywords: Carbon dioxide; 2-Oxazolidinones; Silver catalysis; 1,1,3,3-Tetramethylguanidine; Multicomponent reaction籟丛妈羥为贍偾蛏练淨。目 录摘 要ii預頌圣鉉儐歲龈讶骅籴。Abstractiii渗釤呛俨匀谔鱉调硯錦。目 录iv铙誅卧泻噦圣骋贶頂廡。第一章 前言1擁締凤袜备訊顎轮烂蔷。第二章 文献综述2贓熱俣阃歲匱阊邺镓騷。一、绿色化学与二氧化碳2坛摶乡囂忏蒌鍥铃氈淚。（一）绿色化学2蜡變黲癟報伥铉锚鈰赘。（二）二氧化碳2買鲷鴯譖昙膚遙闫撷凄。二、噁唑啉酮类化合物的合成方法及研究现状3綾镝鯛駕櫬鹕踪韦辚糴。（一）尿素或光气作为羰基源合成噁唑啉酮3驅踬髏彦浃绥譎饴憂锦。（二）一氧化碳作为羰基源合成噁唑啉酮4猫虿驢绘燈鮒诛髅貺庑。（三）二氧化碳作为羰基源合成噁唑啉酮4锹籁饗迳琐筆襖鸥娅薔。三、炔丙醇、CO2和二级胺三组分反应合成氨基甲酸酯类化合物6構氽頑黉碩饨荠龈话骛。四、课题设计12輒峄陽檉簖疖網儂號泶。第三章 结果与讨论14尧侧閆繭絳闕绚勵蜆贅。一、碱的筛选14识饒鎂錕缢灩筧嚌俨淒。二、溶剂的选择15凍鈹鋨劳臘锴痫婦胫籴。三、催化剂的筛选16恥諤銪灭萦欢煬鞏鹜錦。四、反应溶剂的再次考察17鯊腎鑰诎褳鉀沩懼統庫。五、反应条件的优化17硕癘鄴颃诌攆檸攜驤蔹。六、底物适用性的研究19阌擻輳嬪諫迁择楨秘騖。七、反应机理的推测20氬嚕躑竄贸恳彈瀘颔澩。八、结论22釷鹆資贏車贖孙滅獅赘。第四章 实验部分23怂阐譜鯪迳導嘯畫長凉。一、仪器与试剂23谚辞調担鈧谄动禪泻類。（一）仪器23嘰觐詿缧铴嗫偽純铪锩。（二）试剂23熒绐譏钲鏌觶鷹緇機库。二、实验过程23鶼渍螻偉阅劍鲰腎邏蘞。（一）-氨基醇、炔丙醇和CO2的三组分反应23纣忧蔣氳頑莶驅藥悯骛。（二）反应底物-氨基醇类化合物的合成24颖刍莖蛺饽亿顿裊赔泷。附 录26濫驂膽閉驟羥闈詔寢賻。参考文献37銚銻縵哜鳗鸿锓謎諏涼。致 谢39挤貼綬电麥结鈺贖哓类。41第一章 前言二十一世纪，由温室效应引起的全球气候变化变越来越明显，全球的生态系统面临着前所未有的挑战。CO2由生物体新陈代谢、燃料燃烧、火山喷发等产生，一方面是主要的温室气体；另一方面，CO2是一种来源广泛，储量巨大且廉价易得的碳一合成子，在化学转化中制备高附加值的化学品。赔荊紳谘侖驟辽輩袜錈。可以用CO2构造具有结构多样、价值高、应用广泛等特性的分子，这极大地促进了CO2研究的发展，CO2的化学活化与固定已经成为可持续化学转化研究进展的最前沿。噁唑啉酮类化合物是一个能够通过化学方法固定CO2来构建的优越的分子体系，这些化合物能够作为手性助剂广泛地应用于不对称合成，近来表现出了广阔的生物学应用前景。大部分工业合成中，关键步骤是通过-氨基醇光气化1或使用昂贵的构建模块4-7和牺牲试剂9来构建噁唑啉酮核心的五元杂环。在过去的十年中，通过化学方式固定CO2来构建噁唑啉酮类化合物的研究已经有了相当大的进展，然而底物的可选择性高低仍然决定着这个项目的成功与否，在这方面，由于-氨基醇在实用性和成本方面的表现，它是最令人满意的底物，但是，之前的研究显示，用-氨基醇作为反应底物不是要求高温和超临界的条件、有毒的有机金属催化剂2-3、电化学过程10，就是要求加入化学计量的添加剂来捕获原位生成的水11。与此相反，使用氮杂环丙烷4-7作为反应底物已经取得了较好的成果，遗憾的是，这些构建模块通常要求在氮杂环丙烷N原子或环上其他地方引入取代基进行预功能化，这使得应用这些构建模块具有比较高的成本，不利于该反应工业化的实现。塤礙籟馐决穩賽釙冊庫。碳酸酯和噁唑啉酮类化合物是有机合成中重要的目标产物，有着广泛的应用。传统的合成方法中要用到剧毒的光气，所以直接把CO2分子插入有机底物分子中生产这些杂环衍生物是一个可选择的并且很有应用价值的途径。本文旨在发展一个金属盐催化的有机碱体系，在比较温和的条件下促进炔丙醇、-氨基醇与CO2反应生成噁唑啉酮类化合物。裊樣祕廬廂颤谚鍘羋蔺。第二章 文献综述一、绿色化学与二氧化碳（一）绿色化学1、绿色化学是什么绿色化学，就是利用化学原理和方法来减少或消除对人类健康、社区安全、生态环境有害的反应原料、催化剂、溶剂和试剂、产物、副产物的使用和产生的新兴学科，是一门从源头上减少或消除污染的化学。仓嫗盤紲嘱珑詁鍬齊驁。绿色化学又称为环境无害化学、环境友好化学、清洁化学、原子经济和无害设计化学。2、绿色化学的任务（1）设计安全有效的目标分子（2）寻找安全有效的反应原料（3）寻找安全有效的反应条件（4）寻找安全有效的合成路线（5）寻找新的转化方法（二）二氧化碳CO2是一种无色无味无毒的气体，化学性质稳定，无腐蚀性，不易燃。分子量44.0095，熔点-56.6 oC（5.2 105 Pa），沸点-78.5 oC（5270 Pa，升华）。密度比空气稍大，为1.96 g/L。如图1所示，CO2的临界温度（Tc）为31.0 oC，临界压力（Pc）为7.375106 Pa。绽萬璉轆娛閬蛏鬮绾瀧。由于CO2是碳元素的最高价氧化物，是燃烧过程的最终产物，化学性质十分稳定，热力学的稳定性和动力学的惰性使其不易直接发生化学反应，从而限制了在工业生产中的应用，工业上目前主要用于生产碳酸盐和尿素。同时，CO2又是一种储量丰富的C1合成子，在构建羰基、酯基等官能团方面具有非常广泛的应用。骁顾燁鶚巯瀆蕪領鲡赙。图1 二氧化碳的相图二、噁唑啉酮类化合物的合成方法及研究现状噁唑啉酮类化合物的合成方法按照羰基源来分主要有三类：1）以尿素或光气为羰基源；2）以CO为羰基源；3）以CO2为羰基源。由于CO2具有诸如来源广泛、储量巨大、廉价易得等优点，利用CO2为羰基源合成噁唑啉酮类化合物的反应在近些年有了很多报道。瑣钋濺暧惲锟缟馭篩凉。（一）尿素或光气作为羰基源合成噁唑啉酮George Bratulescu1在2007年报道了一个利用微波使尿素和-氨基醇反应合成噁唑啉酮的反应（图2）。反应发生在粘稠状的化学反应介质中，该介质由不与试剂反应的硝基甲烷和少量极性溶剂组成，硝基甲烷吸收微波，在反应介质中形成热核，然后这些热核作为催化中心促进反应发生，产物噁唑啉酮便可以在短时间内（45 min）以较高的收率（8197%）生成。这种方法的优点是产物分离简单和纯度高。鎦诗涇艳损楼紲鯗餳類。图2 尿素与-氨基醇合成噁唑啉酮的反应（二）一氧化碳作为羰基源合成噁唑啉酮Bartolo Gabriele 2等人发展了PdI2/KI催化体系，以二甲氧基乙烷（DME）为溶剂，在相对温和的条件下（100 oC, 2 MPa, 4:1混合CO与空气）高效地实现了由-氨基醇或邻氨基酚通过氧化环化羰基化构成噁唑啉酮的反应（图3）。催化剂（1 mol PdI2 + 10 mol KI）效率较高，反应15 h后GLC收率大多在90%以上，分离收率也在80%以上。该体系同样适用于邻氨基苯酚，催化活性更高，15h后GLC收率为95%，分离收率达到89%。栉缏歐锄棗鈕种鵑瑶锬。图3 钯盐催化的CO与-氨基醇的反应后来，一个新的Pd盐催化体系被Kazuhiko Orito 3等人开发（图4），最佳反应条件：催化剂为Pb(OAc)2 (5 mol%)，Cu(OAc)2 (50 mol%)，溶剂为甲苯，在120 oC下回流2 h，CO由0.1 MPa的CO气球（CO+1/2O2）提供。该体系底物适应性比较好，收率在5999%。辔烨棟剛殓攬瑤丽阄应。图4 钯盐和铜盐催化的CO与-氨基醇的反应（三）二氧化碳作为羰基源合成噁唑啉酮以CO2作为羰基源合成噁唑啉酮类化合物，其反应途径主要有四种：1）氮杂环丙烷与CO2的环化反应4-7；2）炔丙胺与CO2的羧化环化反应8；3）炔丙醇、一级胺与CO2的三组分反应；4）-氨基醇与CO2的反应。基于本论文研究的内容，这里重点介绍-氨基醇与CO2合成噁唑啉酮的反应和炔丙醇、一级胺与CO2的三组分反应。峴扬斕滾澗辐滠兴渙藺。上世纪九十年代初，Yasuhiko Kubota 9等报道了在常温常压下由-氨基醇与CO2反应合成噁唑啉酮的磷配体、Et3N和全卤代烷（如Ph3P、Et3N、CCl4）体系（图5）。将等摩尔量的-氨基醇、Ph3P和Et3N溶于乙腈，在0.1 MPa的CO2条件下，加入与-氨基醇等摩尔量的CCl4后，反应在常温下即可发生，反应20h后结束。该体系对于烷基取代的-氨基醇具有较好的适用性（收率为5193%），-氨基醇反应性较差，主要生成六元环的环状氨基甲酸酯，但当氨基醇中氨基与羟基之间的碳链增长后，氨基甲酸酯的收率降低，主要主产物变为由一分子CO2与两分子-氨基醇构成的线型尿素衍生物HO(CH2)nNHCONH(CH2)nOH (n = 4, 5, 6)。此外，六氯乙烷也适用于该体系，磷（）的其他化合物，如Bu3P、(PhO)3P和(MeO)3P跟Ph3P一样也表现出反应活性。詩叁撻訥烬忧毀厉鋨骜。图5 三组分催化剂催化的-氨基醇与CO2的反应后来，Marta Feroci 10等发展了一个用电解的方式实现手性-氨基醇和CO2直接合成手性噁唑啉酮的方法（图6）。通过控制恒定电流电解手性-氨基醇溶液（MeCNTEAP为电解质溶液，分隔型电解槽），然后鼓入CO2气泡，加入TsCl，反应便可以发生。这种方法底物适应性好，各种手性噁唑啉酮都有较好的收率（6688%），其中二级胺的反应活性不如一级胺，此外还检测到少量TsCl与-氨基醇反应生成的副产物对甲苯磺酰氨基醇（727%）。最后，很奇特的一点是，当把-氨基醇加入到经过电解的MeCNTEAP阴极液中时，产物噁唑啉酮也以较好的收率（76%）生成，作者认为电解MeCNTEAP可能会生成CH2CN阴离子，因此，跟阴极使氨基NH键断裂一样，氨基也可以通过碱CH2CN的作用去质子化形成氮负离子从而使反应发生。则鯤愜韋瘓賈晖园栋泷。图6 电解法合成噁唑啉酮的反应2009年，Jairo Paz 11等报道了在四甲基苯胍和磷亲电体的存在下通过-氨基醇与CO2反应合成噁唑啉酮的反应（图7），磷亲电体为磷酸酯类化合物，反应加入量为110 mol%。反应中将磷亲电体逐滴加入40 C的含有-氨基醇和四甲基苯胍的CO2乙腈饱和溶液，然后反应体系的温度会缓慢地达到室温，不管-氨基醇上取代基的位阻效应大还是小，是缺电子还是富电子，噁唑啉酮都以比较高的收率生成，分离收率大都在70%以上。此外，-氨基硫醇也有较高的反应活性（2-氨基-3-巯基丙酸乙酯，磷亲电体用叠氮磷酸二苯酯，分离收率为73%）。至于该反应立体化学的结果，表面上得到立体构型保留的产物。胀鏝彈奥秘孫戶孪钇賻。图7 有机碱、磷亲电体催化的CO2与-氨基醇的反应最近，Siong Wan Foo 12等人利用碱金属碳酸盐（如Cs2CO3）作为催化剂，实现了在常压下-氨基醇与CO2经过脱水合成噁唑啉酮类化合物的反应（图8），0.1 MPa的CO2足以使反应发生，并且在体系中不需要专门的脱水剂。反应后形成立体构型保留的噁唑啉酮类化合物。鳃躋峽祷紉诵帮废掃減。图8碱金属碳酸盐催化的CO2与-氨基醇的反应三、炔丙醇、CO2和二级胺三组分反应合成氨基甲酸酯类化合物早在1987年，Christian Bruneau 13报道了使用RuCl2(NBD)n作为催化剂，由炔丙醇、二级胺与CO2合成链状氨基甲酸酯类化合物的三组分反应（图9），最优反应条件：当量的炔丙醇和二级胺，RuCl2(NBD)n（2mol%），CO2初始压力为50 MPa，乙腈为溶剂，在70 oC下反应20 h。作者对醇和胺进行了拓展，但反应效果均比较差，收率在1240%。稟虛嬪赈维哜妝扩踴粜。图9 RuCl2(NBD)n催化的CO2、二级胺和炔丙醇三组分反应然后，作者对炔丙醇醚的反应性也做了考察（图10），发现有三种产物生成，但收率很低，均不足20%。当把催化剂换成RuCl2(PMe2Ph)(p-cymene)的时候，二乙胺的三种反应产物的收率分别为16%、18%、6%，说明这种催化剂的催化效果要更好一些。陽簍埡鲑罷規呜旧岿錟。图10 RuCl2(NBD)n催化的CO2、二级胺和炔丙醇醚三组分反应同年，Yoshiyuki Sasaki 14报道了使用Ru3(CO)12作为催化剂，由炔丙醇、二级胺与CO2一步合成链状氨基甲酸酯类化合物的反应（图11），最优条件为乙腈5 mL，Ru3(CO)12（1 mol%），胺（2.5倍化学计量），炔丙醇，CO2初始压力为50 MPa，在80 oC下反应20 h。用二乙胺和不同的炔丙醇反应时，链状氨基甲酸酯类化合物的收率均在50%以上。沩氣嘮戇苌鑿鑿槠谔應。图11 Ru3(CO)12催化的CO2、二级胺和炔丙醇三组分反应但是将胺换为吗啉，产物的组成发生了很大的变化，吗啉反应后的主产物变成-氨基酮，还有少量副产物酰胺，氨基甲酸酯的收率很低，只有4%（图12）。钡嵐縣緱虜荣产涛團蔺。图12 Ru3(CO)12催化的CO2、吗啉和炔丙醇三组分反应伯胺正丙胺反应后的产物则变成了具有环内碳碳双键的环状氨基甲酸酯，收率很低，如图13所示：图13 Ru3(CO)12催化的CO2、正丙胺和炔丙醇三组分反应2007年，江焕峰老师15课题组报道了一个在无催化剂无溶剂的条件下由炔丙醇、二级胺和CO2生成氨基甲酸酯的反应（图14），该反应的缺点是需要加入两倍化学计量的胺，而且CO2压力很高（14 MPa），反应时间也很长（48 h）。懨俠劑鈍触乐鹇烬觶騮。图14 无催化剂无溶剂条件下CO2、二级胺和炔丙醇三组分反应基于研究，作者提出了一个可能的反应机理（图15），首先CO2插入炔丙醇羟基的氧氢键与二级胺形成烷基碳酸盐，然后烷基碳酸负离子进攻碳碳三键，离去一分子胺，生成-亚甲基环状碳酸酯，接着环状碳酸酯发生氨解形成烯醇式中间体，最后经烯醇异构化形成最终产物。謾饱兗争詣繚鮐癞别瀘。图15 无催化剂无溶剂条件下CO2、二级胺和炔丙醇三组分反应机理后来，江焕峰老师16课题组又报道了一个使用银盐和DBU（1,8-diazabicyclo5.4.0undec-7-ene）为催化剂，在溶剂1,4-二氧六环中由炔丙醇、二级胺和CO2生成氨基甲酸酯的反应（图16）。作者发现，银盐负离子对该反应的影响很小，但不同的有机碱对该反应有显著的影响。呙铉們欤谦鸪饺竞荡赚。图16 乙酸银和DBU催化的CO2、二级胺和炔丙醇三组分反应该体系底物适应性好，不同的炔丙醇和二级胺都有较高的收率（7093%），但是对于位阻效应较大的二异丙胺反应性差，没有相应的产物生成。作者经过研究，提出了可能的反应机理（图17），首先，CO2在有机碱DBU和乙酸银的存在下插入炔丙醇羟基的氧氢键形成烷基碳酸盐，烷基碳酸负离子亲核进攻活化了的碳碳三键，关环并质子化脱去银后生成-亚甲基环状碳酸酯4，之后二级胺亲核进攻空间位阻较小的那个碳氧键发生酯的氨解反应形成烯醇式中间体5，最后经烯醇异构化生成最终产物。莹谐龌蕲賞组靄绉嚴减。图17 乙酸银和DBU催化的CO2、二级胺和炔丙醇三组分反应机理去年，本课题组18发展了一种Ag2WO4/Ph3P双功能化的催化体系（图21），该催化体系不需要额外加入溶剂，对CO2、炔丙醇、一级胺或二级胺的三组分反应具有很好的催化效果（分离收率为7095%），但当胺为芳香胺或炔丙醇为芳香基团取代的内炔型炔丙醇时，反应效果很差，甚至不反应。麸肃鹏镟轿騍镣缚縟糶。图21 Ag2WO4/Ph3P催化的炔丙醇、胺和CO2三组分反应至于反应机理（图22），与之前的叙述一样，都是CO2先与炔丙醇反应生成-亚甲基环状碳酸酯，然后再经过酯的氨解形成链状氨基甲酸酯，二级胺反应到这儿就终止了，产物是链状氨基甲酸酯，但是，对于一级胺，氨基上还剩余一个氢原子，于是氨基会进攻酮羰基关环，再脱水生成噁唑啉酮类化合物。納畴鳗吶鄖禎銣腻鰲锬。图22 Ag2WO4/Ph3P催化的炔丙醇、胺和CO2三组分反应机理2015年，本课题组17发展了一种双功能化的催化剂(PPh3)2Ag2CO3，这种催化剂可以同时活化CO2和炔丙醇，从而使CO2和炔丙醇在室温常压下高收率地生成-亚甲基环状碳酸酯（图18）。尤其是，该催化体系对炔丙醇、二级胺和CO2反应合成链状氨基甲酸酯的反应同样具有很好的效果，对于大多数氨基甲酸酯，分离收率都比较高（6898%）。但是，跟之前文献报道的一样，对于二异丙胺，没有相应的产物生成。風撵鲔貓铁频钙蓟纠庙。图18 Ag2CO3、Ph3P催化的CO2、二级胺和炔丙醇三组分反应为了研究该反应的机理，做了13C同位素标记实验和分步实验（图19），结果显示产物中的羰基碳来源于CO2，-亚甲基环状碳酸酯与二级胺在无催化剂的条件下1 h就完全转化为相应的氨基甲酸酯。灭嗳骇諗鋅猎輛觏馊藹。图19 同位素标记实验与分步实验根据实验结果、NMR分析以及DFT计算，作者提出了下边的反应机理（图20），碳酸银和三苯基膦结合成配合物，然后同时活化CO2和炔丙醇的碳碳三键，CO2插入炔丙醇羟基的氧氢键形成烷基碳酸盐，烷基碳酸负离子亲核进攻活化了的碳碳三键，关环并经过质子化脱去银后生成-亚甲基环状碳酸酯。之后二级胺亲核进攻空间位阻较小的那个碳氧键发生酯的氨解形成烯醇式中间体，最后经烯醇异构化生成最终产物。铹鸝饷飾镡閌赀诨癱骝。图20 Ag2CO3、Ph3P催化的炔丙醇、二级胺和CO2三组分反应机理四、课题设计之前报道的合成噁唑啉酮类化合物的方法不是反应条件苛刻，就是需要使用昂贵的构建模块和牺牲试剂，存在很多不足之处。根据炔丙醇、二级胺和CO2三组分反应生成链状氨基甲酸酯的实验结果以及-氨基醇与CO2反应生成噁唑啉酮类化合物的文献报道，我们计划发展一个有机碱体系，利用炔丙醇、-氨基醇和CO2三组分反应制备环状氨基甲酸酯，即噁唑啉酮类化合物，为噁唑啉酮类化合物的合成发展一种新的途径。攙閿频嵘陣澇諗谴隴泸。图23 设想的反应历程设想的反应历程如图23所示，首先CO2与炔丙醇反应生成-亚甲基环状碳酸酯，然后-氨基醇的氨基亲核进攻-亚甲基环状碳酸酯中位阻效应较小的碳氧键，发生酯的氨解反应形成中间体1，中间体1烯醇异构化形成中间体2，最后中间体2发生分子内酯交换反应，离去一分子-羟基酮，生成最终产物。趕輾雏纨颗锊讨跃满賺。第三章 结果与讨论一、碱的筛选根据之前本课题组合成链状氨基甲酸酯的实验结果17，有机碱对该类型的反应影响很大，不加入有机碱时该类反应不能发生，于是这里暂时选用Ag2CO3为催化剂，优先对添加剂进行筛选，实验结果如表1所示。夹覡闾辁駁档驀迁锬減。表1 不同添加剂条件下的反应收率a序号添加剂/mol%收率/%b1-022,2-bipy (10)03TMEDA (10)04K2CO3 (10)05TBD (10)26DBU (10)147DBN (10)118TMG (10)20a 反应条件：1a (42.1 mg, 0.5 mmol), 2a (75.6 mg, 0.5 mmol), Ag2CO3 (3.5 mg, 2.5 mol%), CH3CN (1 mL), 60 oC, 12 h, 1 MPa视絀镘鸸鲚鐘脑钧欖粝。b 收率为核磁共振光谱收率，1,1,2,2-四氯乙烷做内标只加入Ag2CO3时反应不发生，没有产物生成（序号1），加入有机碱后，有产物生成，说明有机碱对该反应有很大的影响。由实验结果可以看出，添加TMG时反应效果最好（序号8），收率最高，达到了20%。其他的有机碱，像TBD、DBU和DBN（序号57），对该反应均有促进作用，但效果不如TMG好，而有机碱2,2-bipy、TMEDA和无机碱K2CO3（序号24）对反应基本上没有促进作用，于是我们选取TMG为添加剂进行下边的实验。根据实验结果，发现加入像TMG、TBD、DBU和DBN等同一碳原子上具有碳氮双键和碳氮单键的有机碱后，有目标产物生成，而其他无机碱和不具有这种结构的有机碱均对该反应没有促进作用，原因可能是这种结构可以形成电荷分离的共振杂化体，然后与炔丙醇作用，在CO2插入炔丙醇氧氢键的过程中夺去炔丙醇羟基上的质子形成铵盐，进而在环状碳酸酯的形成过程中起到稳定烷基碳酸盐中间体的作用，但是像TBD、DBU和DBN等具有双环结构的有机碱，由于空间效应及电子效应，它们形成的铵盐正电荷较分散，虽然对烷基碳酸盐中间体有一定的稳定作用，但效果不如TMG好，所以TMG的催化效果好一些。偽澀锟攢鴛擋緬铹鈞錠。二、溶剂的选择之前一直用乙腈作为溶剂进行实验，现在我们考察溶剂对该反应的影响，实验结果如表2所示。表2 溶剂效应与反应收率关系a序号溶剂收率/%b1CH3CN2021,4-dioxane33C2H5OH54CHCl3105CH2ClCH2Cl16a 反应条件：1a (42.1 mg, 0.5 mmol), 2a (75.6 mg, 0.5 mmol), Ag2CO3 (3.5 mg, 2.5 mol%), TMG (5.8 mg, 10 mol%), 60 oC, 12 h, 1 MPa緦徑铫膾龋轿级镗挢廟。b 收率为核磁共振光谱收率，1,1,2,2-四氯乙烷做内标相对于乙腈作溶剂，以乙醇和1,4-二氧六环（序号23）为溶剂时，反应收率很大程度地降低，降到5%和3%，以氯仿和1,2-二氯乙烷（序号45）为溶剂时，反应收率有所下降，降低到10%和16%，不如乙腈为溶剂的收率高，因此，我们就选用乙腈为溶剂来进行后边的实验。该反应的反应底物-氨基醇以及产物噁唑啉酮类化合物极性都很大，能更好地分散于极性比较大的乙腈中，因此该反应在乙腈中的反应效果要优于在其他极性较小的溶剂中的反应效果。騅憑钶銘侥张礫阵轸蔼。三、催化剂的筛选在无添加剂的情况下，该反应的反应效果很差，基本上都不发生反应，Ag2CO3和AgI均不能使反应发生，不能体现出催化剂Ag2CO3对该反应的促进作用最好，而加入添加剂后，收率有了很大的提升，于是我们在加入添加剂TMG的情况下对催化剂进行筛选，实验结果如表3所示。疠骐錾农剎貯狱颢幗騮。表3 不同催化剂条件下的反应收率a序号催化剂/mol%有机碱收率/% b1AgI（5）-02Ag2CO3（2.5）-03-TMG04AgNO3（5）TMG245AgCl（5）TMG286AgOAc（5）TMG277Ag2O（2.5）TMG308Ag2CO3（2.5）TMG20a 反应条件：1a (42.1 mg, 0.5 mmol), 2a (75.6 mg, 0.5 mmol), TMG (5.8 mg, 10 mol%), CH3CN (1 mL), 60 oC, 12 h, 1 MPa. b 收率为核磁共振光谱收率，1,1,2,2-四氯乙烷做内标镞锊过润启婭澗骆讕瀘。 通过表3可以得出，只加入TMG而不加入银盐的情况下，该反应不能发生，该结果显示银化合物和TMG协同作用才能促进该反应的发生。我们进一步考察了不同的银盐的催化情况，发现银盐的催化效果都比较好，均在2030%之间，其中Ag2O（序号7）的催化效果最好，达到了30%，大于碳酸银的20%，于是我们选用Ag2O为催化剂进行进一步的考察。榿贰轲誊壟该槛鲻垲赛。四、反应溶剂的再次考察在确定了反应的催化剂和添加剂后，我们再次考察不同的溶剂对该反应的影响。于是，我们选择了不同极性的溶剂进行比较，实验结果表4所示。由表4可以看出，不同的溶剂对该反应的收率影响很大，二氯甲烷和氯仿（序号2-3）为溶剂时收率只有7%和8%，明显低于乙腈的30%，于是我们依然选用乙腈为溶剂进行反应。邁茑赚陉宾呗擷鹪讼凑。表4 溶剂效应与反应收率关系a序号溶剂收率/%b1CH3CN302CH2Cl273CHCl38a 反应条件：1a (42.1 g, 0.5 mmol), 2a (75.6 mg, 0.5 mmol), Ag2O (2.9 mg, 2.5 mol%), TMG (5.8 mg, 10 mol%), 60 oC, 12 h, 1 MPa. b收率为核磁共振光谱收率，1,1,2,2-四氯乙烷做内标嵝硖贪塒廩袞悯倉華糲。五、反应条件的优化在确定了基本的反应条件后，为了提高反应的收率，我们对Ag2O的添加量、TMG的添加量、炔丙醇的加入量、CO2压力、反应温度和反应时间进行了考察，实验结果表5和表6所示。该栎谖碼戆沖巋鳧薩锭。表5 Ag2O、TMG加入量及反应时间与收率的关系a序号Ag2O/mol%TMG/mol%反应时间/h收率/%b12.510123022.5301243351012204530127955301863a 反应条件：1a (42.1 mg, 0.5 mmol), 2a (75.6 mg, 0.5 mmol), CH3CN (1 mL), 60 oC, 1 MPa 劇妆诨貰攖苹埘呂仑庙。b 收率为核磁共振光谱收率，1,1,2,2-四氯乙烷做内标由表5中数据可知，将TMG的量由10%增加到30%，反应收率会明显提高，说明TMG这种有机碱对该反应有促进作用。由序号1和序号3的实验数据得，在TMG的添加量依然为10%的情况下，单独将催化剂Ag2O的量增加一倍后，反应收率由30%降低到20%，但由序号2和序号4实验数据得，将TMG的加入量提高到30%的情况下，增加催化剂的量可以提高该反应的收率，由43%提高到79%，说明Ag2O和TMG之间存在某种作用，共同促进该反应的发生，于是我们把催化剂Ag2O的量增加至5 mol%，将添加剂TMG的量增加至30 mol%。由序号4和序号5实验数据可知，延长反应时间该反应收率没有提高，于是我们依然选用反应时间为12 h。臠龍讹驄桠业變墊罗蘄。表6 反应参数对结果的影响a序号1a/当量压力/MPa温度/ oC收率/%b1116079210.56062312607541.516087511808661.5180967218099a 反应条件： 2a (75.6 mg, 0.5 mmol), Ag2O (5.8 mg, 5 mol%), TMG (17.6 mg, 30 mol%), CH3CN (1 mL), 12 h.鰻順褛悦漚縫冁屜鸭骞。b 收率为核磁共振光谱收率，1,1,2,2-四氯乙烷做内标由表6中序号1、序号2和序号3可知，降低CO2压力会使反应收率降低，由79%降低到62%，增加CO2压力对该反应的收率没有多大影响，于是我们仍然选用CO2压力为1 MPa。由序号1、序号4和序号5的实验数据可知，增大炔丙醇的加入量或升高反应温度均可以明显地提高该反应的收率，于是我们加入1.5倍当量的炔丙醇并在80 oC下进行反应，得到了96%的收率（序号6），再进一步增加炔丙醇的加入量，增加到2倍当量，得到了99%的收率（序号7）。穑釓虚绺滟鳗絲懷紓泺。六、底物适用性的研究表7 底物适用性的考察序号反应底物产物收率b199%289%399%482%585%624%793%a 反应条件：1a (84.2 mg, 1.0 mmol), Ag2O (5.8 mg, 5 mol%), TMG (17.6 mg,