碘化亞銅催化合成噁唑烷酮和噻唑硫酮類衍生物的反應(yīng)研究

碩士學(xué)位論文論文題目：碘化亞銅催化合成噁唑烷酮和噻唑硫酮類衍生物的反應(yīng)研究作者姓名指導(dǎo)教師學(xué)科專業(yè)農(nóng)藥學(xué)所在學(xué)院化學(xué)工程學(xué)院提交日期2014年4月浙江工業(yè)大學(xué)研究生學(xué)位論文論文題目：碘化亞銅催化合成噁唑烷酮和噻唑硫酮類衍生物的反應(yīng)研究答辯委員會(huì)主席:;答辯委員會(huì)委員:;答辯委員會(huì)委員:;答辯委員會(huì)委員:;答辯委員會(huì)委員:;論文評(píng)審:;論文評(píng)審:;2014年5月浙江工業(yè)大學(xué)學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明：所提交的學(xué)位論文是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下，獨(dú)立進(jìn)行研究工作所取得的研究成果。除文中已經(jīng)加以標(biāo)注引用的內(nèi)容外，本論文不包含其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫(xiě)過(guò)的研究成果，也不含為獲得浙江工業(yè)大學(xué)或其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位證書(shū)而使用過(guò)的材料。對(duì)本文的研究作出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。本人承擔(dān)本聲明的法律責(zé)任。作者簽名： 日期：年月學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書(shū)本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意學(xué)校保留并向國(guó)家有關(guān)部門(mén)或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)浙江工業(yè)大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。本學(xué)位論文屬于1、保密□，在______年解密后適用本授權(quán)書(shū)。2、不保密□。（請(qǐng)?jiān)谝陨舷鄳?yīng)方框內(nèi)打“√”）作者簽名： 日期：年月日導(dǎo)師簽名： 日期：年月日碘化亞銅催化合成噁唑烷酮和噻唑硫酮類衍生物的反應(yīng)研究摘要碘化亞銅催化的UllmannC-O，C-N，C-S形成的反應(yīng)是有機(jī)合成中重要的工具，也是合成雜環(huán)化合物的重要策略。本論文使用N-(2-溴烯丙基)胺與CO2或者CS2反應(yīng)，合成了三個(gè)系列共38個(gè)的含氮雜環(huán)化合物，主要研究成果如下：1.發(fā)展了一種碘化亞銅催化下N-(2-溴烯丙基)胺與KHCO3的反應(yīng)合成1,3-噁唑烷-2-酮的新方法。KHCO3加熱后分解提供的CO2作為底物與N-(2-溴烯丙基)胺形成氨基甲酸鹽，進(jìn)而在銅鹽催化下實(shí)現(xiàn)分子內(nèi)Ullmann烯基化反應(yīng)，合成了一個(gè)系列的1,3-噁唑烷-2-酮類化合物，該反應(yīng)操作簡(jiǎn)便，環(huán)境友好，產(chǎn)率較高等優(yōu)點(diǎn)。2.發(fā)展了在碘化亞銅催化下N-(2-溴烯丙基)胺與CS2反應(yīng)分別合成1,3-噻唑烷-2-硫酮和1,3-噻唑啉-2-硫酮的新方法。通過(guò)控制反應(yīng)溫度下，利用該反應(yīng)高選擇性地分別得到了1,3-噻唑烷-2-硫酮和1,3-噻唑啉-2-硫酮系列化合物。通過(guò)“一鍋法”構(gòu)建N-C和C-S鍵，使得該反應(yīng)具有高效，選擇性好和產(chǎn)率優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn)。關(guān)鍵詞：CuI，Ullmann，KHCO3,CS2，噁唑烷酮，噻唑硫酮StudyontheCopper-CatalyzedSynthesisofOxazolidinoneandThiazolidinthioneDerivativesAbstractCopper-catalyzedUllmann-typeC–O,C–N,andC–Sformationreactionsarepowerfultoolsinorganicsynthesisaswellasinheterocycliccompoundsynthesis.Inthisthesis,wesynthesizedthreeseriesofnitrogenatomcontainingheterocyclicstotally38compoundsfromN-(2-bromoallyl)-aminesandcarbondioxideorcarbondisulfide.Theresearchresultsaresummarizedasfollow:1.Anovelcopper-catalyzedcascadereactionssynthesisof1,3-oxazolidin-2-oneswhichwereobtainedviathereactionofN-(2-bromoallyl)aminesandKHCO3.TheCO2producedfromheatedKHCO3reactedwithN-(2-bromoallyl)aminetoformthecarbamicacidsalt.Thesequentialcopper-catalyzedintramolecularUllmannvinylationcouldofferthecorresponding1,3-oxazolidin-2-onesinmoderatetogoodyields.Ourprocedurehassomeadvantagessuchaseasyoperation,environmentalfriendness,andhigheryields.2.Newapproachestothesynthesisof1,3-thiazolidine-2-thionesand1,3-thiazole-2-thioneshavebeendeveloped.Bycontrollingthereactiontemperature,theabovetwokindsofheterocyclicswereobtainedrespectivelyfromthecopper-catalyzedreactionofN-(2-bromoallyl)-amineswithCS2.This“one-pot”synthesishassomeadvantagessuchashighefficiency,highselectivityandhigheryields,inwhichN-CandS-Cbondswereformedinonesequcence.Keywords:Copper(I)iodide,Ullmannreaction,KHCO3,CS2,Oxazolidinone,Thiazolidine目錄第一章前言 11.1Cu催化的Ullmann偶聯(lián)反應(yīng) 11.1.1銅鹽催化的C-O偶聯(lián)反應(yīng) 21.1.2銅鹽催化的C-S偶聯(lián)反應(yīng) 61.2CO2作為碳源在有機(jī)合成領(lǐng)域的應(yīng)用 121.2.1從CO2合成氨基甲酸酯類化合物 121.2.2從CO2合成有機(jī)碳酸二酯類化合物 141.2.3從CO2合成羧酸類化合物 151.3論文選題及研究工作 17參考文獻(xiàn) 19第二章碘化亞銅催化合成1,3-噁唑烷-2-酮類化合物的反應(yīng)研究 252.1引言 252.2反應(yīng)路線設(shè)計(jì) 282.3結(jié)果與討論 292.3.1反應(yīng)優(yōu)化及底物拓展 292.2.2反應(yīng)機(jī)理推測(cè) 312.4實(shí)驗(yàn)部分 322.4.1測(cè)試儀器及試劑 322.4.2N-(2-溴-烯丙基)芐胺的制備 322.4.31,3-噁唑烷-2-酮的合成 332.4本章小結(jié) 39參考文獻(xiàn) 40第三章碘化亞銅催化合成1,3-噻唑烷-2-硫酮和1,3-噻唑啉-2-硫酮類化合物 423.1引言 423.1.11,3-噻唑烷-2-硫酮合成反應(yīng) 423.1.21,3-噻唑啉-2-硫酮合成反應(yīng) 443.2反應(yīng)設(shè)計(jì) 453.3合成1,3-噻唑烷-2-硫酮類化合物的結(jié)果與討論 463.3.1反應(yīng)條件優(yōu)化及底物拓展 463.3.2反應(yīng)機(jī)理推測(cè) 483.4合成1,3-噻唑啉-2-硫酮類化合物的結(jié)果與討論 493.4.1反應(yīng)條件優(yōu)化及底物拓展 493.4.2反應(yīng)機(jī)理推測(cè) 513.5實(shí)驗(yàn)部分 523.5.1測(cè)試儀器及試劑 523.5.2碘化亞銅催化合成1,3-噻唑烷-2-硫酮 523.5.3碘化亞銅催化合成1,3-噻唑啉-2-硫酮 533.6本章小結(jié) 59參考文獻(xiàn) 60第四章總結(jié)與展望 624.1總結(jié) 624.2展望 62附錄 64致謝 71碩士期間已發(fā)表和待發(fā)表的論文 72第一章前言1828年，德國(guó)化學(xué)家維樂(lè)首次人工合成了尿素，可以說(shuō)維樂(lè)開(kāi)創(chuàng)了一個(gè)有機(jī)合成的新時(shí)代。在有機(jī)化學(xué)走過(guò)的200年里，不斷有的新反應(yīng)被發(fā)現(xiàn)，新的化合物被合成，有機(jī)合成化學(xué)已成為整個(gè)化學(xué)學(xué)科極其富有創(chuàng)造性的研究領(lǐng)域之一[1]。20世紀(jì)初，還并沒(méi)有Cu催化的C-C，C-N，C-O的形成反應(yīng)，Ullmann出色的研究工作，開(kāi)創(chuàng)了這一反應(yīng)體系，經(jīng)過(guò)眾多化學(xué)工作者的努力，現(xiàn)在我們可以找到眾多Cu催化偶聯(lián)反應(yīng)在工業(yè)和學(xué)術(shù)方面的應(yīng)用實(shí)例[2]。在剛剛過(guò)去的十幾年里，以Pd、Ni等金屬為中心，發(fā)展出了大量的高效催化體系，相比于Cu催化，反應(yīng)條件更為溫和，產(chǎn)率也表現(xiàn)的更為優(yōu)秀[3]，Cu催化表現(xiàn)的相形見(jiàn)絀。但是我們可以想見(jiàn)，文獻(xiàn)報(bào)導(dǎo)的反應(yīng)，化合物結(jié)構(gòu)都比較簡(jiǎn)單，沒(méi)有較多的官能團(tuán)，當(dāng)?shù)孜镏谐霈F(xiàn)烯基、炔烴等活性官能團(tuán)時(shí)，高活性的催化劑引發(fā)的結(jié)果可想而知。在天然產(chǎn)物合成蓬勃發(fā)展的今天，化學(xué)選擇性好的催化劑，會(huì)有更多應(yīng)用，我們有理由相信，Cu催化交叉偶聯(lián)反應(yīng)的黃金時(shí)代才剛剛到來(lái)。Cu的催化體系已經(jīng)成功的偶聯(lián)組裝了許多化學(xué)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的化合物[4]。并且相對(duì)于Pd、Ni等過(guò)渡金屬，Cu催化劑由于具有制備簡(jiǎn)單、容易保存、廉價(jià)低毒等優(yōu)點(diǎn)，而越來(lái)越來(lái)受到有機(jī)研究人員的關(guān)注[5]。1.1Cu催化的Ullmann偶聯(lián)反應(yīng)1901年，德國(guó)化學(xué)家FritzUllmann首次通過(guò)過(guò)量銅粉催化，用芳基鹵化物合成偶聯(lián)芳烴。100多年之前的Ullmann偶聯(lián)反應(yīng)，條件較為苛刻，適用底物也較為單一[6]。近些年，伴隨著化學(xué)家研究的不斷深入，催化劑已經(jīng)從單質(zhì)銅轉(zhuǎn)變?yōu)槠贩N繁多的銅鹽，DMEDA、L-proline等配體也被應(yīng)用到反應(yīng)體系。Ullmann-type偶聯(lián)反應(yīng)的條件和適用范圍也得到了擴(kuò)展。比如，除了最常用的芳基碘化物，芳基溴化物、芳基氯化物甚至烯基鹵代物都可以發(fā)生反應(yīng)。近幾十年來(lái)很多課題組發(fā)展了條件溫和的Ullmann-type偶聯(lián)反應(yīng)。1.1.1銅鹽催化的C-O偶聯(lián)反應(yīng)FritzUllmann首次利用芳基鹵化物合成偶聯(lián)芳烴之后，在1903年，拓展了芳基C-N鍵的反應(yīng)，1904年，Ullmann發(fā)展了芳基鹵化物與酚構(gòu)建芳基C-O鍵的反應(yīng)[7](Scheme1.1.1)。Scheme1Boger小組[8]用甲基銅、CuO、(CuBr-SMe2)等銅鹽作為催化劑，均成功的合成了二芳基醚，部分銅鹽催化溫度下降到了110℃。Hu[9]使用CuI做為催化劑,以20mol%Ni-Al，100℃，K2CO3做堿，沒(méi)有加入任何配體，在1,4-二氧六環(huán)中完成了鹵代芳烴與酚的Ullmann偶聯(lián)，碘代芳烴、溴代芳烴都獲得了非常好的產(chǎn)率，芳基氯也可以參與反應(yīng)，只是產(chǎn)率相對(duì)較低，Ni-Al作為催化劑，具體的作用還不是非常明晰，但是對(duì)反應(yīng)起著關(guān)鍵性的作用(Scheme1.1.2)。Scheme1.1.21997年，Buchwald課題組首先向Ullmann-type反應(yīng)中引入配體[10]，發(fā)展了Cu(OTf)2PhH催化的UllmannC-O的偶聯(lián)，由于配體的加入，反應(yīng)所需溫度明顯下降，當(dāng)反應(yīng)活性是較差的酚的時(shí)候，需要當(dāng)量的1-萘甲酸作為配體。而且該反應(yīng)在CuBr，CuI，CuCl等多種亞銅鹽催化下，都獲得了較好的產(chǎn)率，Cu(OTf)2PhH作催化劑時(shí)產(chǎn)率最優(yōu)(Scheme1.1.3)。Scheme1.1.3也是在2002年，Song課題組[11]利用TMHD作為配體，成功的催化了芳基氯化物與酚的耦合，成功的合成了二芳基醚，主要底物獲得了60-85%的產(chǎn)率(Scheme1.1.4)。Scheme1.1.4ArmelleOual課題組[12]利用CuI和配體有效的催化了芳基和酚的耦合。該反應(yīng)底物的適應(yīng)性非常好，反應(yīng)在60-80℃的溫度下即可完成，為當(dāng)時(shí)Ullmann合成二芳基醚的最低溫度，除此以外，該反應(yīng)還適用于溴代芳烴，而且用的是K3PO4，相對(duì)便宜有著更好的應(yīng)用前景(Scheme1.1.5)。Scheme1.1.Taillefer課題組[13]在特別溫和的條件下，以乙腈為溶劑、Cs2CO3為堿、Cu2O作催化劑，有效的合成了二芳基醚。并發(fā)展了多個(gè)廉價(jià)的配體，大大加速芳基溴化物或碘化物與酚的耦合，以優(yōu)良的產(chǎn)率獲得了一系列的二芳基醚。但是反應(yīng)的底物有一定的限制，空間位阻較大的芳基鹵化物，或者富電子的芳基鹵化物反應(yīng)都不理想(Scheme1.1.6)。Scheme1.1.6Venkataraman課題組[14]報(bào)道了銅與二齒類配體的絡(luò)合物Cu(neocup)(PPh3)和Cu(PPh3)2Br等作催化劑，催化構(gòu)建C-N，獲得了非常好的產(chǎn)率，之后又將此類配體應(yīng)用于UllmannC-O鍵的形成，同樣取得了很好的效果，有效的合成了二芳基醚(Scheme1.1.7)。Scheme1.1.7雖然配體的作用，現(xiàn)階段還不是特別的清楚，但是在配體的參與下，明顯的優(yōu)化了Ullmann-type反應(yīng)過(guò)程，在Buchwald之后，馬大為等人投入了大量的研究工作在配體的研究上[15]。相對(duì)于酚類化合物和芳基鹵代物的反應(yīng)，醇類與芳基鹵化物耦合的研究要少很多。1997年，Buchwald課題組首次以CuI為催化劑，1,10-菲啰啉作配體(L1)，碳酸銫作堿，無(wú)溶劑，在110℃的溫度下反應(yīng)，成功的將芳基碘化物轉(zhuǎn)化成醚，脂肪醇的適用范圍較廣，可以是不同的一級(jí)或二級(jí)脂肪醇[16](Scheme1.1.8)。2007年，馬大為等人[17]以N,N-二甲基甘氨酸(L2)代替1,10-菲啰啉作配體(L1)其余條件同Buchwald小組的方法，得到了較其報(bào)導(dǎo)的方法稍好些的反應(yīng)結(jié)果(Scheme1.1.8)。Scheme1.1.8Manbeck等人[18]報(bào)道了芳基碘化物，在溫和條件下與四氫糠醇的耦合反應(yīng)，使用了團(tuán)簇銅作為催化劑。在110℃下，用碳酸銫作堿，僅僅需要0.4%的當(dāng)量的催化劑，不添加任何配體，高產(chǎn)率的合成了烷基芳基醚(Scheme1.1.9)。Scheme1.1.92006年，Buchwald等人通過(guò)3-碘溴苯與5-氨基-1-戊醇耦合，發(fā)現(xiàn)3,4,7,8-四甲基-1,10-菲啰啉配體可以實(shí)現(xiàn)脂肪醇與芳基碘化物的偶聯(lián)，而且反應(yīng)也會(huì)對(duì)脂肪胺是鈍化的，作者還發(fā)現(xiàn)，間二酮類配體實(shí)現(xiàn)芳基碘化物與脂肪胺偶聯(lián)時(shí)，反應(yīng)對(duì)脂肪醇也是鈍化的。通過(guò)實(shí)驗(yàn)優(yōu)化，而且作者還發(fā)現(xiàn)，相同的反應(yīng)物、催化劑，不同的條件、配體，獲得了不同偶聯(lián)產(chǎn)物。合成1a的產(chǎn)率高達(dá)97%，合成2a的產(chǎn)率也可以達(dá)到86%，展現(xiàn)出了Cu催化偶聯(lián)反應(yīng)極高的化學(xué)選擇性[19](Scheme1.1.9)。Scheme.2銅鹽催化的C-S偶聯(lián)反應(yīng)相對(duì)于Pd、Ni金屬來(lái)說(shuō)，Cu更廉價(jià)，選擇性更好，而且低毒，所以Cu催化C-S偶聯(lián)反應(yīng)有著更廣闊的應(yīng)用前景。近二三十年來(lái)，Cu體系催化UllmannC-S偶聯(lián)反應(yīng)的研究有了相對(duì)成熟的結(jié)果。1980年，Suzuki課題組[20]首次報(bào)道了CuI催化的芳烴碘化物和芳基硫酚在70-80℃較溫和的條件下，得到了中等偏上產(chǎn)率的產(chǎn)物。雖然條件還不成熟，產(chǎn)率也并不高，但是開(kāi)辟了CuI催化芳烴碘化物和芳基硫酚的耦合，啟發(fā)化學(xué)家門(mén)研究用Cu來(lái)催化C-S偶聯(lián)反應(yīng)。在1999年，Kalinin課題組[21]采用CuPF6(MeCN)4配合物催化了鄰位有取代基活化的碘苯和硫酚的反應(yīng)，產(chǎn)率比較高。雖然體系的使用范圍比較窄，但是為特定底物的C-S偶聯(lián)反應(yīng)提供了新的Cu催化體系(Scheme1.1.11)Scheme1.1.11Gomez課題組[22]利用了一種新配體P2-Et，在反應(yīng)體系中，其同時(shí)充當(dāng)堿和配體，在較溫和的條件下，以CuBr作為催化劑，有效地催化了碘代芳烴和硫酚的反應(yīng)，以高產(chǎn)率得到了二芳基硫醚。但是磷配體復(fù)雜昂貴，而且甲苯作為溶劑毒性很大，不宜廣泛應(yīng)用(Scheme1.1.12)Scheme1.1Ventakaraman實(shí)驗(yàn)室[23]首次在構(gòu)建UllmannC-S時(shí)，以2,9-二甲基-1,10-菲啰啉為配體。在他們的體系中，芳基、雜環(huán)和烷基硫酚都能夠與芳基碘化物很好的反應(yīng)，產(chǎn)物產(chǎn)率較高。然而此方法所用的堿堿性太強(qiáng)，對(duì)帶有對(duì)堿性敏感基團(tuán)的底物不適用(Scheme1.1.13Scheme1.1.13Buchwald課題組[24]利首次使用異丙醇做溶劑，在相對(duì)溫和的反應(yīng)條件下，構(gòu)建了C-S，反應(yīng)產(chǎn)率較高。該反應(yīng)是目前形成芳基C-S鍵比較優(yōu)秀的方法之一，但在水中溶解度比較好的底物不適合(Scheme1.1.14)Scheme1.1.14Guo課題組[25]報(bào)導(dǎo)了一個(gè)以N-甲基甘氨酸為配體的反應(yīng)，不僅碘代芳烴與硫酚反應(yīng)得到了高產(chǎn)率的產(chǎn)物，而且?guī)в薪o電子基團(tuán)的鈍化溴代芳烴也能夠很好的參與反應(yīng)。他們第一個(gè)研究了對(duì)鈍化的溴苯有效的銅催化體系，拓展了Cu催化偶聯(lián)反應(yīng)的適用范圍(Scheme1.1.15Scheme1.1.15Chen課題組[26]報(bào)道了一種有效地新配體：三羥甲基乙烷，在CuI和弱堿Cs2CO3的條件下，在較低溫度下成功的催化了芳烴碘化物和硫酚的反應(yīng)(Scheme1.1.16Scheme1.1.16Zhu課題組[27]合成了一種磷氧配體，采用CuI來(lái)催化碘代芳烴和硫酚的反應(yīng)，得到了高產(chǎn)率的產(chǎn)物。雖然條件溫和，但是這種配體價(jià)格較昂貴，而且磷配體的毒性比較大(Scheme1.1.17)Scheme1.1.17Wolf課題組[28]發(fā)現(xiàn)Cu/Cu2O混合物催化效果很好。在他們的體系中，2-乙氧基乙醇既做配體又充當(dāng)溶劑，能夠高效的催化鄰位帶有甲酸基的溴代芳烴與硫酚的偶聯(lián)反應(yīng)。但是這個(gè)體系只適用于特殊的底物，不能更廣泛的應(yīng)用推廣(Scheme1.1.1Scheme1.1.18Ranu課題組[29]發(fā)現(xiàn)納米銅在微波促進(jìn)下，可以有效的促進(jìn)芳基碘化物和硫酚的反應(yīng)，時(shí)間只需要幾分鐘，但是溫度相對(duì)較高。微波條件不宜大批生產(chǎn)應(yīng)用(Scheme1.1.19)。Scheme1.1.19Zhang等人[30]設(shè)計(jì)了一個(gè)ATPS溶劑體系，CuI催化，L-proline作為配體，完成了芳基碘化物和多種硫酚的反應(yīng)，在溫和的條件下，方便、高產(chǎn)率的合成了二芳基硫醚(Scheme1.1.20)。Scheme1.1.20Sperotto課題[31]組在無(wú)配體條件下使用微量的CuI，用K2CO3做堿，在較低溫度下，成功的催化了芳基碘和芳基硫酚的反應(yīng)，產(chǎn)物產(chǎn)率很高。但是他們的反應(yīng)體系不適用于鈍化的芳基溴化物(Scheme1.1.21)。Scheme1.1.21Rout課題組[32]采用TBAB為相轉(zhuǎn)移劑，在水相中使用CuI催化了芳基鹵代物和硫酚的反應(yīng)，條件比較溫和，溶劑很綠色。并且芳基溴化物與芳基氯化物也可以較好的發(fā)生反應(yīng)(Scheme1.1.22)。Scheme1.1.222008年，許華建等人[33]用DMSO和H2O的混合溶劑，氧化亞銅催化了芳基碘化物和硫酚的偶聯(lián)反應(yīng)。在他們的體系中溫度較低，產(chǎn)物產(chǎn)率也很高，但是氫氧化鉀強(qiáng)堿體系，使得反應(yīng)的應(yīng)用受到限制(Scheme1.1.23)。Scheme1.1.232012年，許華建等人[34]采用了1,10-phen·H2O做為配體，用硫酸銅做催化劑，催化了碘取代芳基硼酸和硫酚的反應(yīng)。反應(yīng)條件比較溫和，常溫下反應(yīng)就可以完成，產(chǎn)物產(chǎn)率比較高(70-85%)(Scheme1.1.24)。Scheme1.1.24Sekar課題組[35]采用了二價(jià)銅Cu(OTf)2、二胺類配體在弱堿碳酸銫和較溫和的條件下催化了芳烴碘化物和硫酚的反應(yīng)，產(chǎn)率較高。只是對(duì)于芳烴碘化物這種比較活潑的芳烴來(lái)說(shuō)，反應(yīng)溫度相對(duì)高(Scheme1.1.25)。Scheme1.1.25Huang課題組[36]使用Fe2O3和Cu(OAc)2混合催化劑，催化了芳烴鹵代物和硫酚的反應(yīng)，在他們的體系中使用TMEDA為配體，在微波反應(yīng)器下只需十分鐘就能高產(chǎn)率的得到產(chǎn)物。但是該體系對(duì)鈍化的溴苯和氯苯效果不佳，只能得到中等產(chǎn)率的產(chǎn)物(Scheme1.1.26)。Scheme1.1.26由于銅鹽催化劑具有廉價(jià)易得，有較好的化學(xué)選擇性，且環(huán)境污染小等優(yōu)點(diǎn)，在綠色化學(xué)方興未艾的今天，受到了化學(xué)工作組的極大關(guān)注，至今仍不斷有新型高效的銅催化劑，配體等被發(fā)現(xiàn)并成功應(yīng)用于偶聯(lián)反應(yīng)中。尋求廉價(jià)高效催化體系，用來(lái)改善UllmannC-S偶聯(lián)反應(yīng)條件，是現(xiàn)在研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一。1.2CO2作為碳源在有機(jī)合成領(lǐng)域的應(yīng)用二氧化碳作為主要的溫室氣體，是導(dǎo)致全球變暖的主要因素之一，在2010年人類活動(dòng)排放的CO2大約3億噸，其中43％來(lái)自煤燃燒，36%來(lái)自石油，年增長(zhǎng)幅度達(dá)到了20%[37]。世界各地的政府、企業(yè)都在努力減少碳排放，其中二氧化碳成為了主要控制對(duì)象。同時(shí)，CO2作為一個(gè)可持續(xù)發(fā)展的碳源，廉價(jià)、安全、豐富，有著廣泛的應(yīng)用前景[38]。二氧化碳的化學(xué)固定成為了最具吸引力的方法之一，特別是利用氨基固定，合成有藥用價(jià)值的氨基甲酸酯類化合物[39]。因此，將CO2高效的吸收并利用，已成為各國(guó)科研人員非常迫切和具有挑戰(zhàn)性的研究課題[40]。所以為此類化合物的合成提供了一條簡(jiǎn)單、高效的途徑，具有非常重要的研究意義。然而，由于CO2熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)均非常穩(wěn)定，這個(gè)轉(zhuǎn)化過(guò)程是非常不易的。因此，在固化CO2時(shí)，高效的金屬催化劑、較高的反應(yīng)溫度、足夠高的CO2分壓等等苛刻的條件，都制約了CO2固化發(fā)展。但是CO2作為碳源優(yōu)點(diǎn)非常明顯[41]，科研人員為此做了非常多的研究工作，已經(jīng)有多篇綜述考察了CO2在有機(jī)合成領(lǐng)域的應(yīng)用[42]。1.2.1從CO2合成氨基甲酸酯類化合物CO2由于其特殊結(jié)構(gòu)，非常容易與親核試劑發(fā)生反應(yīng)。例如工業(yè)上制備尿素，將CO2與兩分子的仲或伯胺反應(yīng)，為了得到取代的脲，脫水是非常關(guān)鍵的一步操作。Shi等人[43]以親水的離子液體作為反應(yīng)介質(zhì)獲得了N,N-二烷基脲(Scheme1.2.1)。Scheme1.2.1Salvatore課題組[44]發(fā)展了一種以胺，CO2、鹵化物，以DMF為溶劑，常溫下多組分一鍋合成氨基甲酸酯類化合物的反應(yīng)。四丁基碘化銨(TBAI)在反應(yīng)中充當(dāng)一個(gè)重要的添加劑，使得不需要底物胺上必須有烷基取代。并且使反應(yīng)呈現(xiàn)出高度的化學(xué)選擇性，便捷高效(Scheme1.2.2)。Scheme1.2.2Yoshida小組[45]利用胺、鹵代烷、碳酸鉀、在超臨界CO2中，鎓鹽催化，合成了氨基甲酸酯類化合物，超臨界CO2不僅可以充當(dāng)溶劑，還很好的替代了光氣。反應(yīng)效率較傳統(tǒng)的反應(yīng)提升了50-100倍。反應(yīng)選擇性很高，且以超臨界CO2為溶劑，對(duì)環(huán)境無(wú)害的，而且后處理相對(duì)簡(jiǎn)單(Scheme1.2.3)。Scheme1.2.Abla課題組[46]發(fā)展了一個(gè)利用醇替代傳統(tǒng)此類反應(yīng)中的鹵代烷的方法，利用金屬錫的配合物催化，在30MPa下，同樣獲得了氨基甲酸酯類化合物，反應(yīng)體系無(wú)水、高壓下的CO2是獲得高產(chǎn)率的關(guān)鍵，此反應(yīng)以醇代替鹵代烷，副產(chǎn)物從HX變?yōu)镠2O，這個(gè)結(jié)果體現(xiàn)了該反應(yīng)環(huán)境友好(Scheme1.2.4)。Scheme1.2.4Miller等人[47]利用CO2和氮丙啶反應(yīng)獲得噁唑烷酮產(chǎn)品，利用Cr(III)/DMAP活性催化劑體系完成。獲得高產(chǎn)率的同時(shí)，高度選擇性的控制了氮丙啶開(kāi)環(huán)的位置，氮丙啶會(huì)開(kāi)取代烷基較多的一側(cè)的C-N，反應(yīng)適用于各種單取代的N-芳基和N-烷基氮丙啶類，以及2,3-二取代的N-烷基氮丙啶(Scheme1.2.5)。Scheme.2從CO2合成有機(jī)碳酸二酯類化合物有機(jī)碳酸二酯類化合物大致分為環(huán)狀和線性，由于這兩種化合物羰基碳上有三個(gè)原子的氧，是非常是適合從CO2出發(fā)合成的一類目標(biāo)產(chǎn)物。工業(yè)上有四種比較重要的有機(jī)碳酸酯分別是碳酸亞乙酯(EC)，碳酸丙烯酯(PC)，碳酸二甲酯(DMC)和碳酸二苯酯(DPC)，如果可以通過(guò)非光氣法，通過(guò)CO2完成反應(yīng)，副產(chǎn)品從HX轉(zhuǎn)變?yōu)镠2O，會(huì)大大降低反應(yīng)的污染，因此，非常多的化學(xué)工作者嘗試?yán)肅O2替代光氣完成此類反應(yīng)[48]。此反應(yīng)是一個(gè)可逆反應(yīng)，必須通過(guò)熱力學(xué)控制，去除水，或者提高CO2分壓的方式促進(jìn)反應(yīng)平衡移動(dòng)(Scheme1.2.6)。Scheme1.2.6Tommasi課題組[49]報(bào)導(dǎo)了超臨界CO2和原乙酸三甲酯選擇性合成DMC的反應(yīng)。在Me2Sn(OMe)2催化下，超臨界CO2的活性明顯提高，但是反應(yīng)溫度還是需要180℃，同時(shí)反應(yīng)也展現(xiàn)出了良好的化學(xué)選擇性(Scheme1.2.7)。Scheme1.2.7Tomishige小組[50]通過(guò)二氧化碳與乙二醇，在二氧化鈰基催化劑催化下，合成了碳酸乙烯酯。在最佳條件反應(yīng)時(shí)沒(méi)有檢測(cè)到聚碳酸酯和醚(二甘醇和二丙二醇)。這表明，過(guò)氧化鈰，氧化鋯催化劑具有高度選擇性(Scheme1.2.8)。Scheme1.2.Dai等人[51]合成了一種同時(shí)含有路易斯酸和堿性位點(diǎn)的胍基的離子液體(FGBILs)，并用作催化CO2和環(huán)氧化物反應(yīng)生成環(huán)狀碳酸酯，反應(yīng)無(wú)需催化劑和溶劑在130℃，2h完成，轉(zhuǎn)化效率很高。此外，該反應(yīng)只適用于各種末端環(huán)氧化合物，高產(chǎn)率和高選擇性的合成相應(yīng)的環(huán)狀碳酸酯。(Scheme1.2.9)。Scheme1.2.9利用CO2合成碳酸二甲酯類化合物的反應(yīng)不單對(duì)金屬催化劑要求較高，溫度也普遍非常高，而且壓強(qiáng)也較大。所以說(shuō)CO2的應(yīng)用從實(shí)驗(yàn)室到工廠，還有許多問(wèn)題需要解決。1.2.3從CO2合成羧酸類化合物從羧酸結(jié)構(gòu)就可看出，羧酸是非常適合由CO2出發(fā)合成的目標(biāo)。親核試劑如格氏試劑，烷基鋰，活性亞甲基化合物和金屬烯醇化物與CO2均可反應(yīng)生成羧酸[52]。隨著金屬有機(jī)化學(xué)的發(fā)展，化學(xué)研究人員發(fā)展了越來(lái)越多條件溫和的，利用CO2制備羧酸衍生物的反應(yīng)。Goosen課題組[53]使用了一個(gè)高效的銅催化劑4,7-diphenyl-1,10-phenanthroline)bis[tris(4-fluorophenyl)phosphine]-copper(I)，在35-50℃，將CO2插入末端炔烴的C-H鍵上，合成了丙炔酸，這是一個(gè)前所未有的溫和條件，在弱堿Cs2CO3存在下進(jìn)行?？少F的是反應(yīng)對(duì)水和空氣有一定程度的容忍(Scheme1.2.10)。Scheme1.2.10Zhang等人[54]以碘化銀為催化劑，碳酸銫作堿，高產(chǎn)率的完成了CO2與末端炔烴的反應(yīng)，方便的制備了多種官能丙炔酸，反應(yīng)條件溫和，而且沒(méi)有使用配體(Scheme1.2.11)。Scheme1.2.11Correa課題組[55]開(kāi)發(fā)了一種新的鈀催化系統(tǒng)，醋酸鈀為催化劑，Et2Zn作為過(guò)程的催化還原劑，10atm，40℃下高效的實(shí)現(xiàn)了芳基溴化物與二氧化碳的羧化作用。相對(duì)于其他催化系統(tǒng)，沒(méi)有使用難以合成的金屬催化中間體，反應(yīng)最終獲得了良好的產(chǎn)率(Scheme1.2.12)。Scheme1.2.12Fujihara小組[56]發(fā)展了一個(gè)有芳基氯代物與CO2，以NiCl2(PPh3)2為催化劑，錳粉末作為還原劑，在室溫，一個(gè)大氣壓下反應(yīng)20h，各種芳基氯化物均可被高產(chǎn)率的轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的羧酸，并且產(chǎn)率很高，此外，乙烯基氯化物也成功被轉(zhuǎn)化(Scheme1.2.13)。Scheme1.2.13尋找化學(xué)化工行業(yè)可再生能源原料(如CO2)是人類未來(lái)面臨的挑戰(zhàn)，也是化學(xué)工作者迷人的夢(mèng)想。但是我們也必須知道，使用二氧化碳作為反應(yīng)原料一定不會(huì)有助于減少溫室效應(yīng)：(1)化學(xué)方法固定二氧化碳并不能減少二氧化碳總數(shù)量，因?yàn)镃O2的轉(zhuǎn)化需要能量，同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生二氧化碳。(2)CO2化學(xué)固定的量相比二氧化碳排放行業(yè)將小得多。(3)二氧化碳固定得到的化學(xué)產(chǎn)品，還是需要處理的。CO2是重要的、綠色的、可再生的羰基源。將二氧化碳轉(zhuǎn)化成有用的、有意義的化學(xué)產(chǎn)品，才是合理的研究方向。相應(yīng)不久的未來(lái)，人類將開(kāi)發(fā)出更多CO2參與的反應(yīng)。1.3論文選題及研究工作CO2作為溫室氣體，汽車尾氣，工業(yè)廢氣的重要成員，已經(jīng)被全球多個(gè)國(guó)家列入了限制排放的黑名單。CO2雖然是有這種種負(fù)面效應(yīng)，但是作為一個(gè)儲(chǔ)量龐大的資源，有著非常大的利用價(jià)值，可以說(shuō)是一個(gè)取之不盡的資源。噁唑類雜環(huán)化合物和噻唑類雜環(huán)化合物都是一類重要的含氮五元雜環(huán)，在很多個(gè)領(lǐng)域都具有廣闊的應(yīng)用前景。兩類雜環(huán)化合物含有多個(gè)雜原子，易于與化合物形成氫鍵，與金屬離子發(fā)生配位，發(fā)生多種非共價(jià)鍵相互作用，在醫(yī)藥、農(nóng)藥、新材料領(lǐng)域均有著非常大的利用價(jià)值。論文探索以胺基捕獲CO2、CS2，繼而發(fā)生羧酸或者硫代羧酸的Ullmann-type烯基化反應(yīng)，形成五元雜環(huán)化合物為主要工作，主要包括以下三個(gè)方面：1.設(shè)計(jì)了以N-(2-溴烯丙基)胺為底物，碘化亞銅催化下抓取KHCO3分解釋放的CO2，形成氨基甲酸鹽，通過(guò)羧酸的Ullmann烯基化，環(huán)合生成1,3-噁唑烷-2-酮類化合物。并對(duì)反應(yīng)條件進(jìn)行優(yōu)化，最后得到了碘化亞銅、DMEDA、120℃的反應(yīng)條件，合成了一系列的1,3-噁唑烷-2-酮類化合物，并對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征。2.設(shè)計(jì)了以N-(2-溴烯丙基)胺為底物，碘化亞銅催化下與CS2，并環(huán)合生成1,3-噻唑烷-2-硫酮。對(duì)反應(yīng)條件進(jìn)行了優(yōu)化，最后得到了碘化亞銅、L-proline、120℃、K3PO4的反應(yīng)條件，合成了一系列的1,3-噻唑烷-2-硫酮類化合物，并對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征。3.設(shè)計(jì)了以N-(2-溴烯丙基)胺為底物，碘化亞銅催化下與CS2，并環(huán)合生成1,3-噻唑啉-2-硫酮類化合物。對(duì)反應(yīng)條件進(jìn)行了優(yōu)化，最后得到了碘化亞銅、L-proline、70℃、K3PO4的反應(yīng)條件，合成了一系列的1,3-噻唑啉-2-硫酮類化合物，并對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征。參考文獻(xiàn)[1]Todd,M.H.Computer-aidedOrganicSynthesis.Chem.Soc.Rev.2005,34(3),247-266.[2](a)Monnier,F.;Taillefer,M.CatalyticC-C,C-N,andC-OUllmann-TypeCouplingReactions.Angew.Chem.,Int.Ed.2009,48,6954-6971;(b)Chemler,S.R.Copper'sContributiontoAminationCatalysis.Science.2013,341,624-626.[3]Ranjan,J.;Tejas,P.P.;Matthew,S.S.Palladium-CatalyzedReductiveCross-CouplingReaction.Chem.Rev.2011,111,1417–1492.[4]Evano,G.;Blanchard,N.;Toumi,M.Copper-MediatedCouplingReactionsandTheirApplicationsinNaturalProductsandDesignedBiomoleculesSynthesis.Chem.Rev.2008,108,3054-3131.[5]Xu,J.H.;Man,Q.S.;Ling,Y.C.;Li.Y.Y.;Feng.Y.RecentProgressinCopperCatalyzedCarbon-HeteroCross-CouplingReactions.J.Chin.J.Org.Chem.2010,30,9-22.[6]Ullmann,F.;Bielecki,J.UeberSyntheseninderBiphenylreihe.

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eme1.2.在以上的兩個(gè)方法中，炔丙基胺與CO2的反應(yīng)是一個(gè)非常有吸引力的選擇。但是我們可以發(fā)現(xiàn)，在這些方法中末端炔烴與高壓狀態(tài)的CO2或者貴金屬催化均是必要條件。一百多年以前，銅催化的Ullmann偶聯(lián)反應(yīng)就被提出[12]，在過(guò)去的幾十年里，大量的研究工作圍繞銅催化的C-N，C-O，C-C鍵的構(gòu)建反應(yīng)[13]。各種醚、含氧雜環(huán)都可以通過(guò)偶聯(lián)參與新的C-O的形成反應(yīng)。在合成1,3-噁唑烷-2-酮的方法中，銅參與的分子內(nèi)羧酸烯基化Ullmann偶聯(lián)極少見(jiàn)諸于報(bào)導(dǎo)[14]。2.2反應(yīng)路線設(shè)計(jì)最近，本課題組報(bào)導(dǎo)了一條合成氮丙啶的方法，查閱相關(guān)Ullmann-Type偶聯(lián)反應(yīng)的文獻(xiàn)，我們?cè)O(shè)計(jì)了一條合成氮丙啶的合成路線(Scheme2.2.1)。Scheme2.首先，我們以N-(2-溴-烯丙基)芐胺為底物，碘化亞銅作催化劑，L-proline為配體，K2CO3作堿，DMSO(無(wú)水處理)為溶劑，在120℃條件下反應(yīng)。仔細(xì)分析其13C-NMR和最終產(chǎn)品的紅外光譜分析之后，我們發(fā)現(xiàn)這是一個(gè)1,3-噁唑烷-2-酮(產(chǎn)率45%)，而不是預(yù)期的氮丙啶(Scheme2.2.2)Scheme2.確定獲得這個(gè)化合物之后，我們將重心轉(zhuǎn)移到了此1,3-噁唑烷-2-酮類化合物的合成方法研究上。2.3結(jié)果與討論2.3.1反應(yīng)優(yōu)化及底物拓展這次意外的發(fā)現(xiàn)，使我們的注意力迅速的轉(zhuǎn)移到篩選反應(yīng)條件上，結(jié)果如Table2.3.1。首先，我們把我們的注意力轉(zhuǎn)移到反應(yīng)中N配體的篩選，DMEDA被認(rèn)為是最適合的一個(gè)配體(Table2.3.1，Entry3)然后，我們嘗試一些其他的碳酸堿，如Cs2CO3和KHCO3為C1源，使用KHCO3產(chǎn)率明顯提高(Table2.3.1，Entry6)。我們高興的看到，KHCO3和K2CO3的混合物做堿進(jìn)行反應(yīng)時(shí)，反應(yīng)產(chǎn)率明顯提高(Table2.3.1，Entry8)最后，我們找到了反應(yīng)所需要的最佳條件，2當(dāng)量的KHCO3和0.1當(dāng)量K2CO3混合物充當(dāng)堿時(shí)，反應(yīng)較優(yōu)(Table2.3.1，Entry9)。以DMF為溶劑時(shí)產(chǎn)率并沒(méi)有提高(Table2.3.1，Entry10)。當(dāng)溫度降至100℃-110℃時(shí)，產(chǎn)率明顯下降(Table2.3.1，Entry12Table2.3.1EntryBase/EquivLigandSolventYield(%)[b]1K2CO3/2.0L-prolineDMSO452K2CO3/2.0N,N-dimethylglycineDMSO403K2CO3/2.0DMEDADMSO484K2CO3/2.01,10-phenanthrolineDMSO375Cs2CO3/2.0DMEDADMSOtrace6KHCO3/2.0DMEDADMSO557KHCO3/1.0K2CO3/1.0DMEDADMSO688KHCO3/2.0K2CO3/1.0DMEDADMSO749KHCO3/2.0K2CO