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有机合成中的金属有机固体碱应用研究

2019/09/14 阅读:

摘要:综述了近年来金属有机框架(MOFs)材料作为固体碱催化剂在经典有机合成领域中的应用进展情况。系统总结了MOFs材料物理化学性质尤其是碱性质的调控方式与制备策略,并对其今后在催化领域中的应用与发展趋势前景进行了展望。

关键词:金属有机骨架;有机合成;固体碱;催化

近年来,随着“青山绿水就是金山银山”的可持续发展理念深入人心,人类越来越重视环境友好型催化体系的构建。固体碱由于易回收、高活性、无腐蚀性等优点逐渐取代了液体碱在有机合成中的应用[1,2]。金属有机骨架(MOFs)是由均可调变的有机配体和金属离子或团簇通过配位键自组装形成的具有分子内孔隙的有机-无机杂化材料,在气体吸附、催化、医疗行业等领域具有广泛的应用前景[3-6]。本文系统综述了MOFs材料作为固体碱在经典有机合成如Knoevenagel缩合反应、Aldol缩合反应、迈克儿加成反应、亨利反应、转酯化反应、环化加成反应的应用,并对其今后的发展与应用前景进行了展望。

1.MOFs固体碱的调节方式

通常来讲,MOFs的碱性位来自于金属位点或有机配体,因此可以通过调节金属的种类如Mg、Ca、Sr、Ba和有机配体的类型如2-氨基对本二甲酸(NH2-BDC)、对苯二甲(BDC)等实现MOFs碱性质的调节;此外,也可通过对MOFs材料进行后修饰,实现其碱性质的调控[7,8]。

2.MOFs固体碱在有机合成中的应用

2.1Knoevenagel缩合反应

Hartmann等[9]考察了Fe-MIL-101-NH2、Al-MIL-101-NH2和CAU-1三种材料在353K下催化苯甲醛和丙二腈缩合反应得性能,发现前两种材料表现出优异的催化活性,在反应3h后,目标产物的产率达到了90%以上,与常规的固体碱如MgO相比,催化剂的用量显著降低;以CAU-1为催化剂时,即使反应时间延长至25h,目标产物的产率依然低于50%,造成这种活性差异的主要原因是CUA-1的开口孔径较小(0.3~0.4nm),导致反应的空间位阻效应较大,最后,作者对底物进行了拓展,Fe-MIL-101-NH2、Al-MIL-101-NH2表现出了优异的普适性。Luan等[10]首先对比了UIO-66和UIO-66-NH2材料在室温下催化苯甲醛和丙二腈缩合反应的催化性能,结果发现引入氨基可以提升材料的催化性能(1%VS5%);接着,作者采用后嫁接的方式制备的UIO-66-NH-R-NH2材料,该材料展现出了更为优异的催化活性,反应2h后,目标产物产率达到了97%;基于上述研究成果,该作者采用类似的合成策略,制备了Cr-MIL-101-NH-R-NH2材料,经过系统研究后发现该材料在上述反应体系中同样表现出优异的催化活性;最后,系统考察了上述两种材料的循环性能,经过5次循环后,催化活性没有明显降低。Fan等[11]通过调节金属元素制备了UPC-100-In、UPC101-Al和UPC-102-Zr,实现了室温条件下苯甲醛和丙二腈的缩合反应,上述三种材料均表现出优异的催化活性,反应5h后,目标产物的产率均大于90%。ZIFs材料同样可以有效的催化Knoevenagel缩合反应。如Amarante等[12]采用经典的ZIF-67和ZIF-8催化剂,实现了在313K下实现了苯甲醛和氰乙酸乙酯缩合反应,并取得了较好的研究成果。

2.2Aldol加成

Saha等[13]以Mg3(PDC)(OH)3(H2O)2镁基金属有机骨架为催化剂,在THF/水混合溶剂中考察了环戊酮和一系列不同醛的Aldol加成反应,研究结果表明,该类催化剂比传统的MgO碱性催化剂表现出更为优异的催化活性;同时由于该体系所需反应温度较低(278~283K),降低了目标产物进一步发生脱水反应,从而提升了目标产物的选择性;最后,作者对醛底物进行了拓展,该材料展示出了优异的普适性。除此之外,{[Mg3(L)(OH)3-(H2O)2]·H2O}n材料同样表现出优异催化活性[14]。Maity等[15]则考察了Ba(PDC)H2O材料对Aldol加成反应催化性能,研究结果表明相同条件下Ba(PDC)H2O比Mg3(PDC)(OH)3(H2O)2催化活性更好,主要是由于Ba2+比Mg2+的碱强度更强,同时上述两种材料均表现出由于的化学稳定性和循环性能。Rojas-Buzo等[16]以糠醛和丙酮为原料,考察了Hf-UIO-808、Hf-UIO-66等系列材料在无其它溶剂条件下的Aldol加成反应的催化性能,研究结果表明随着温度的升高,目标产物更容易发生脱水反应;通过向反应体系中加入适量的水,尽管降低了原料的转化率,但是可以有效的提升目标产物的选择性。

2.3Michael加成反应

Valvekens等[17]制备了系列M2(BTC)(NO3)(DMF)(Ba或者Sr)材料,并将之应用于丁烯酮和氰乙酸乙酯的Michael加成反应中。研究表明,通过对上述材料在真空593K进行活化,活化的过程当中释放出NOx后产生大量活性位(Ba2+-O2--Ba2+),可以显著提升材料的催化活性。该作者同样制备了M2dobdc(Mg2+、Co2+、Ni2+、Cu2+及Zn2+)系列材料,反应之前对材料进行真空高温活化,在丁烯酮和氰乙酸乙酯的Michael加成反应中活性顺序依次为:Ni>Zn~Co>Cu~Mg,通过计算证明,材料的碱性质跟其质子亲和力密切相关[18]。石涛等[19]以MIL-101材料为基础骨架,通过后修饰的方法合成了具有手性二胺功能化CDMILs系列材料,系统考察了在4-羟基香豆素和苄叉丙酮的不对称Michael加成反应的催化性能。研究结果表明,CDMIL-4嫁接(1R,2R)-二苯基乙二胺材料的活性最佳;此外,该作者进一步考察了新型手性伯胺-硫脲双功能化的SN-MIL-53在硝基苯乙烯和5,5-二甲基环已二酮的不对称Michael加成反应,反应结束后发现对映选择性较低,但是为它他MOFs材料的在反应类型中的应用提供了有益探索。

2.4亨利反应

Gu等[20]报道了[Zn(TPDC)]•DMF•2H2O在对硝基苯甲醛和系列硝基烷烃发生亨利反应的催化性能,研究结果证实,随着硝基烷烃的碳链增加,反应物三维尺度变大,空间位阻效应增加,导致其催化活性呈现出下降的趋势;通过XRD表征技术手段发现,在反应过程中存在着硝基烷烃和溶剂化CHCl3分子的交换过程,因此,该类材料在使用之前不需要进一步活化。Duan等[21]采用中性的有机胺为模板剂,在温和的条件下制备了系列H-MOFs(Cu-BTC,ZIF-8andZIF-90),在材料制备过程中,有机胺不仅有利于有机配体的去质子化,同时还可以作为模板剂调节材料的孔径,以对硝基苯甲醛和硝基甲烷反应为例,与传统的微孔Cu-BTC相比,新型Cu-BTCH-MOF材料的催化活性提升了2倍。Joharian等[22]采用超声技术合成了含氟的TMU-55,通过对合成条件的系统考察,实现了苯甲醛和硝基甲烷的加成反应,结果表明具有纳米结构的TMU-55表现出最为优异的催化活性;另外通过在N元素引入甲基可以提升催化剂的碱性质。此外,NH2-Tb-MOF[23]、{[Cu2(L)(H2O)2]•(3DMF)(4H2O)}[24]在该类型反应中的应用同样得到了系统的研究。

2.5转酯化反应

Chen等[25]研究了系列MOFs材料催化甘油三酯在乙醇中的转酯化反应,研究结果表明,通过引入氨基及对进一步对氨基改性,可以实现材料碱性质的调控,从而提升反应速率。其中IRMOF-1-EDandNMe2-NH2-MIL-53(Al)均表现出优异的催化活性。Desidery等[21]采用了一系列的MOF材料如UiO-66、UiO66-NH2、UiO66-SO3H,考察了乙醇溶剂中碳酸甲酯转酯化过程中酸碱协同催化性能,研究结果证实Brönsted酸对反应没有起到任何促进作用,反而引入氨基后,由于存在Lewis酸位与碱位之间的协同作用,催化活性得到明显提升。Savonnet等[26]采用后嫁接法,通过对MOFs引入亲油性基团,增强了材料的疏水能力,同时结合材料的碱活性位,实现了长链癸酸乙酯在甲醇溶液中的转酯化反应。研究结果表明引入三烷基胺材料的催化活性明显高于引入三唑基团材料,主要是由于前者具有更强的碱性位。

2.6环加成反应

Kim等[27]考察了MOFs材料在氧化苯乙烯和CO2发生环加成反应过程中酸碱之间的协同效应,实验结果表明UIO-66-NH2具有最高的催化活性,同时发现该材料具有良好的化学稳定性能。Babu等[28]则利用1,3,5-三(4-羧基苯基)苯和2-氨基对苯二甲酸混合配体策略设计了UMCM-1-NH2材料,通过引入氨基官能团,提升了CO2在催化剂表面的配位能力,从而加速了环氧丙烷和CO2之间的反应效率。

3.展望

与传统的固体碱催化剂相比,MOFs材料可以通过多种方式实现其碱性质的调控,从而被广泛的应用关于有机合成领域。然而,目前所取的研究成果多数处于实验室萌芽阶段,距离实际工业化应用还有以下三个问题急需解决:(1)大宗量MOFs材料的制备。由于目前的MOFs材料的合成过程繁琐、有机配体价格昂贵、合成过程中使用大量有毒有害溶剂等,迫切需要进一步开发系列MOFs的绿色高效合成工艺;(2)MOFs材料的长期储存。MOFs固体碱易于吸附CO2,从而导致了潜在的催化活性降低;(3)反应工艺过程放大探索。目前多数的反应体系处于实验室阶段,有许多潜在的问题尚未暴露出来,如工业采用的有机溶剂有可能含水量较大,对MOFs材料的稳定性能的影响需要我们进一步研究。

作者:李伏坤 张杰 贺有周 徐畅 苏亚琴 夏宏盛 单位:重庆工商大学环境与资源学院

有机合成中的金属有机固体碱应用研究

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