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新型转移氢化反应及其应用研究

魏雅雯  
【摘要】:转移氢化是指不使用氢气,而使用甲酸、异丙醇等有机物小分子作为氢源的还原反应。转移氢化具有操作简便的特点,同时能避免氢化反应中因使用H2而带来的一些危险操作。但是就目前文献报道而言,转移氢化反应的效率低于氢化反应,因此如何提高转移氢化反应的活性是化学工作者们面临的重大挑战。本文第一部分综述了转移氢化反应的进展及应用。从上个世纪50年代以来,大量的关于转移氢化反应的研究工作被发表,其中Noyori课题组发展的具有金属-配体双功能作用的钌催化体系是比较突出的代表。该类催化体系可以高效、高立体选择性的完成转移氢化反应。许多化学工作者对该类型的催化剂进行了改造、修饰,取得了不错的催化效果。不同于Noyori催化剂的其它类型催化剂也有所发展。同时发展更加绿色的转移氢化反应也获得了关注,如使用大量存在,便宜绿色的水作为反应的溶剂。 本文第二部分研究了水相中环金属化Ir催化剂通过转移氢化还原羰基化合物的反应。通过控制HCOOH/HCOONa水溶液的pH值,可实现将不同电子性能的催化剂用于反应,并取得较好的转化率。通过对实验条件的进一步优化,发现该体系可高效的还原各种酮类化合物和醛类化合物。该反应可以放大到克级进行,展示了该催化体系的实用性。该催化体系可能具有不同于传统金属配体双官能的机理。该反应使用绿色、廉价的水做溶剂,避免了使用有机溶剂而带来的一些缺点,是一种环境友好的羰基还原方法。反应中使用的催化剂结构简单,性能稳定,不仅可以高效催化还原胺化反应,通过改变反应条件同样可以高效用于羰基的还原。 乙酰丙酸是一种生物质平台分子,从其出发制备高附加值的化学品具有重要意义。例如,从乙酰丙酸出发制备的5-甲基-2-吡咯烷酮是一类重要的化学中间体,广泛应用于材料、化工、制药等领域。本文第三部分报道了在环金属化Ir作为催化剂的条件下,通过转移氢化的方法将乙酰丙酸还原胺化生成具有高附加值的吡咯烷酮的方法。该反应以水为溶剂,HCOOH为氢源,通过加入HCOONa对反应体系pH进行调控,可以在S/C=3000条件下实现乙酰丙酸的高效转化。在该反应体系中,乙酰丙酸可以与芳香胺、脂肪胺进行高效的反应。在该反应体系下,乙酰丁酸同样可以与芳香胺、脂肪胺进行反应生成具有六元环的内酰胺类化合物。对反应的机理进行了初步研究。反应中合成的中间体88可在无催化剂、室温条件下进行自发的关环反应,证明了该反应速控步骤为催化剂参与的还原胺化反应,而不是关环反应。该反应体系以水为溶剂,反应条件温和,催化剂用量少,是较理想的乙酰丙酸转化体系。 在以往乙酰丙酸合成吡咯烷酮的文献中,金属催化剂是反应进行的必要条件之一。本文第四部分研究了在没有金属催化剂参与的情况下通过转移氢化方法将乙酰丙酸还原胺化生成具有高附加值的吡咯烷酮的方法。该体系对反应溶剂要求高,仅在二甲亚砜中可取得高效的转化率。反应以HCOOH为氢源,通过加入Et抖调控反应的酸碱性,可以提高反应活性。该体系对脂肪胺具有很好的活性,但对芳香胺活性稍差。通过氘代实验,确定了该反应经历的是亚胺还原过程,而非烯胺还原。动力学同位素效应表明反应的速控步骤是HCOOH负氢转移至亚胺正离子的过程。该体系是对经典Leuckart-Wallach反应的一个补充,并且提供了一个有效而经济的方式将LA进行高价值转化。 在众多合成胺的方法中,通过硝基还原获得胺是应用最广泛的方法之一。传统的Bechamp还原法,操作简便,但是反应产生的废弃物多,污染大,已逐步被催化氢化法取代。以廉价、易操作的HCOOH、IPA等为还原剂的转移氢化方法在硝基的还原中应用不多,本文第五部分研究了通过转移氢化方法进行硝基还原的反应。该反应以简单二聚体[Cp*RhCl2]2为催化剂,KI作为添加剂,以HCOOH为氢源,在DMSO中加入Et3N进行反应体系酸碱性的调节,可实现硝基的还原。研究发现,添加剂KI是实现该反应的关键之一。通过控制反应条件,可选择性的分别得到相应的胺和甲酰胺。该反应体系对底物所带的卤素、羰基等有较好选择性。


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