有序介孔碳石墨烯负载磷钨酸催化曼尼希反应合成β氨基酮.docx
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有序介孔碳石墨烯负载磷钨酸催化曼尼希反应合成β氨基酮
引言3
1实验部分4
1.1仪器和试剂4
1.2催化剂的制备4
1.2.1有序介孔碳-石墨烯的制备4
1.2.2有序介孔碳-石墨烯负载磷钨酸4
1.3产物的合成5
1.4实验结果5
1.5产物结构表征5
2结果与讨论6
2.1溶剂的影响6
2.2催化剂的影响6
2.3取代基的影响7
3结论7
参考文献8
致谢9
有序介孔碳-石墨烯负载磷钨酸催化曼尼希反应合成β-氨基酮
化学专业1302班：
李娇
指导教师：
张冬暖
摘要：
本文以有序介孔碳-石墨烯负载磷钨酸作催化剂，催化曼尼希反应获得β-氨基酮，使催化剂与产物分离更便捷有效，通过实验，选定了合适的溶剂和催化剂用量，反应高效、绿色环保。
关键词：
氧化石墨烯；有序介孔碳；曼尼希反应；β-氨基酮
OrderedMesoporousCarbon-ReducedGrapheneOxideSupportedPhosphotungsticAcidCatalyzedMannichReactionfortheSynthesisofβ-aminoketone
Abstract:
Inthispaper,β-aminoketonewasobtainedbycatalyticreactionofmesoporouscarbon-graphene-supportedphosphotungsticacidascatalystandMannichreaction.Theoptimumsolventandcatalystwereselectedbyexperiment.Efficientresponse,greenenvironmentalprotection.
Keywords:
GrapheneOxide;OrderedMesoporousCarbon;Mannichreaction；β-aminoketone
引言
β-氨基酮类化合物在许多方面均有重要的用途如：
医药、农药、炸药、涂染料等方面，在有机化学中，是天然生物活性分子的重要中间体[1]。
β-氨基酮有着多种不同生物活性[2]：
用作α-糖苷酶的抑制剂[3]，在合成重要生物活性分子的反应中，是一种重要的前体[4]。
在药理中氨基酮有着广泛的作用，但在这些氨基酮类中，具有解痉挛作用的只有芳香类的β-氨基酮以及杂环β-氨基酮[5]，以及抗真菌作用[6]。
曼尼希反应又叫胺甲基化反应，所得的产物被称为曼尼希碱。
于1917年由德国化学家卡尔·曼尼希首次发现。
曼尼希反应是形成C-C键的重要有机反应之一，在形成C-C键的同时可以生成C-N键，在医药、炸药、推进剂等领域中有着广泛的应用价值，现在合成β-氨基酮多用的就是曼尼希反应[7-10]。
2000年肖尚友[11]等用少量浓盐酸作为催化剂，完成了芳香醛、芳香酮和芳香烃的曼尼希反应，该反应合成了多种未报道的曼尼希碱。
之后在2004年刘宝友[12]等人利用Bronsted酸离子液体，成功完成催化醛、酮、胺的一锅三组分的曼尼希反应得到β-氨基酮，在此反应中该酸性离子液体既可以作为溶剂又可作为酸性催化剂，但该反应时间长，且在催化剂循环使用中程序繁琐，不易分离。
2005年王利民[13]等用三氟甲磺酸镱[Yb（OTf）3]作催化剂，催化苯乙酮、芳香醛和芳香胺的反应，合成了β-氨基酮衍生物，三氟甲磺酸镱[Yb（OTf）3]是一种耐水路易斯酸，该反应条件温和，室温下即可进行，但反应时间过长，催化剂未能循环使用，耗能较高。
2008年宋志国等[14]用苯磺酸铝为催化剂，对苯乙酮、芳香醛和芳香胺催化，合成了β-氨基酮类衍生物，反应条件为室温，反应条件温和，催化剂可重复利用，但反应时间较长。
其他也有人用如碱性功能化离子[13]、三氟甲磺酸铜[15]、TiCl4[4]、H3PW12O40/SiO2[17]、聚苯乙烯负载氯化铁[18]二氧化硅硫酸（SSA）[19]，Zn（OTf）2[20]作催化剂催化曼尼希反应得到β-氨基酮。
有序介孔碳是一类新型的非硅基介孔材料，其孔径介于2纳米至50纳米，它的比表面积和孔体积都极大。
但有序介孔碳有两个明显的缺点,其一是其孔壁上几乎没有的官能团，不能负载金属粒子，其二是导电性差[21-22]。
石墨烯是一种由sp2键合的碳原子构成的，具有致密单层二维蜂窝状结构的平面薄膜[23],石墨烯具有成本低廉、原料易得且可实现规模化制备等优点，可由天然石墨制备,同时石墨烯具有大的共轭体系、大的比表面积、易进行功能化修饰、很强的疏水性以及很好的化学稳定性。
石墨烯既可以作为优异的催化剂载体，又可以作为催化剂催化有机反应。
但单纯的石墨烯易结块，不易分散，不利于反应的进行，掺杂复合材料以后可消除这种劣势。
石墨烯与有序介孔碳掺杂以后具有孔隙发达、比表面积大、吸附性强、化学性能稳定、易再生等优点[24]。
本文以有序介孔碳-石墨烯负载磷钨酸为催化剂，催化曼尼希反应合成了一系列β-氨基酮化合物，并对化合物进行了表征，同时对催化剂进行了可重复利用检测。
反应方程式如下：
1实验部分
1.1仪器和试剂
ZF-7A型手提式紫外分析仪（上海骥辉科学分析仪器有限公司）；超声波清洗器AS20500AT（40KHz,天津奥特赛恩斯仪器有限公司）；超声波清洗器SK5200H（59KHz,上海优浦科学仪器有限公司）；X-4型精密显微熔点测定仪（温度计未校正，北京长风仪器仪表公司）；循环水式多用真空泵（SHB-III郑州长城科工贸有限公司）；RE-52AA旋转蒸发仪（河南省矛华仪器有限公司）；DHG-9140A型电热恒温鼓风干燥箱（上海飞越实验仪器有限公司）；JJ-1増力电动搅拌器；电子天平（先行者、振源厦门工业有限公司），红外灯。
苯甲醛（天津市科密欧化学试剂开发中心）；3-硝基苯甲醛（河北农业大学理学院化学系实验室自制）；苯胺（天津市科密欧化学试剂开发中心）；邻甲苯胺（天津市科密欧化学试剂开发中心）；无水乙醇（天津市美琳工贸有限公司）；乙酸乙酯（天津市瑞金特化学品有限公司）；羧甲基纤维素钠（天津市福晨化学试剂厂）；GF254硅胶（青岛海洋化工厂）；磷钨酸（天津市科密欧化学试剂开发中心）；石墨烯；有序介孔碳。
1.2催化剂的制备
1.2.1有序介孔碳-石墨烯的制备
采用文献[22]的方法制备有序介孔碳-石墨烯：
氧化石墨烯（GO）的制备：
以天然鳞片石墨作为目标产物的雏形样品，采用Hummers法合成GO。
有序介孔碳-石墨烯的制备：
将1.0g阴离子表面活性剂溶于10.0g去离子水搅拌10min，加入2.0g酚醛树脂为前驱体（50wt%）再加入50mL氧化石墨烯溶液然后搅拌10min，将该溶液转移至培养皿中，室温下挥发12h，再将培养皿转置到100℃烘箱内放置24h，得到薄膜。
将该薄膜从培养皿上刮下来，放至管式炉内，在Ar气体保护下800℃下焙烧3h[20]。
1.2.2有序介孔碳-石墨烯负载磷钨酸
向20mL20wt%磷钨酸水溶液加入1gOMC-RGO，超声震荡15分钟，抽滤后105℃下干燥1小时，得干燥的OMC-RGO负载磷钨酸催化剂。
1.3产物的合成
将芳香醛（1.0mmol），芳香胺胺（1.0mmol），环己酮（1.0mmol）和催化剂有序介孔碳-石墨烯负载磷钨酸（0.03g）的混合物在EtOH（5mL）中在室温下搅拌50分钟。
通过TLC（硅胶;石油醚：
乙酸乙酯=4:
1，V/V）监测反应。
反应完成后，将反应混合物用10mL乙酸乙酯溶解产物，使催化剂成分与反应产物分离。
真空抽滤得到有机层，有机层用无水硫酸钠干燥，真空蒸发至干，得到粗产物。
将粗产物通过柱色谱在硅胶（200-300目）上分离，用石油醚和乙酸乙酯的混合物洗脱。
通过TLC监控收集所需产物，真空旋转蒸发得产物。
用熔点仪测熔点，用分析天平测产率。
1.4目标产物的确定
通过测量目标产物的熔点，IR，HRMS，1HNMR数据或元素分析确定产物a~d。
1.5实验结果
表1实验结果
编号
R1
R2
催化剂
时间/min
产率/%
a
H
2-CH3
磷钨酸
50
83.32
b
H
2-CH3
有序介孔碳-石墨烯
50
83.54
c
3-NO2
H
磷钨酸
50
87.09
d
3-NO2
H
有序介孔碳-石墨烯
50
87.56
1.6产物结构表征
a:
2-[（4-硝基苯基）（苯基氨基）甲基]环己酮。
棕黄色固体，mp:
136.5-140.8；MS（ESI）m/z[M+Na]+315.8;IR（KBr）ν：
3370，1608，1611，1517，746；1HNMRδ（ppm）：
7.38（d，J=7.6Hz,2H，Ar-H），7.32（t，J=15.1Hz，2H，Ar-H），7.23（t，J=14.2Hz,1H，Ar-H）,7.06（d，J=7.2Hz,1H，Ar-H）,6.93（t，J=15.3Hz,1H，Ar-H）,6.59（t，J=14.5Hz,1H，Ar-H）,6.39（d，J=8.1Hz,1H，Ar-H）,4.75（d，J=4.2Hz,0.32H，Ar-H）,4.67（d，J=7.1Hz,0.66H，CH）,2.77-2.88（m，1H，CH）,2.33-2.47（m，2H，CH2）,2.23（s，3H，CH3）,1.84-2.01（m，4H，2CH2）,1.67-2.88（m，2H，CH2）。
b:
2-[（4-硝基苯基）（苯基氨基）甲基]环己酮。
棕黄色固体，mp:
136.7-139.6；MS（ESI）m/z[M+Na]+315.9;IR（KBr）ν：
3372，1701，1610，1518，745；1HNMRδ（ppm）：
7.37（d，J=7.5Hz,2H，Ar-H），7.34（t，J=15.3Hz，2H，Ar-H），7.25（t，J=14.4Hz,1H，Ar-H）,7.08（d，J=7.4Hz,1H，Ar-H）,6.95（t，J=15.5Hz,1H，Ar-H）,6.61（t，J=14.7Hz,1H，Ar-H）,6.41（d，J=8.3Hz,1H，Ar-H）,4.77（d，J=4.4Hz,0.32H，Ar-H）,4.69（d，J=7.3Hz,0.66H，CH）,2.77-2.89（m，1H，CH）,2.33-2.49（m，2H，CH2）,2.25（s，3H，CH3）,1.84-2.03（m，4H，2CH2）,1.67-2.90（m，2H，CH2）。
c：
2-[（3-硝基苯基）（苯基氨基）甲基]环己酮。
黄色固体，mp:
108.6-112.7；MS（ESI）m/z[M+Na]+346.8;IR（KBr）ν：
3407，1696，1601，1524，754；1HNMRδ（ppm）：
8.23-8.29（m，1H，Ar-H），8.07-8.11（m，1H，Ar-H），7.78（t，J=14.2Hz,1H，Ar-H）,7.47（t，J=15.7Hz,1H，Ar-H）,7.10（t，J=15.7Hz,2H，Ar-H）,6.66-6.72（m,1H，Ar-H）,6.52-6.57（d，J=8.4Hz,2H，Ar-H）,4.92（br,s，1H，NH）,4.87（d，J=4.1Hz,0.18H，CH）,4.73（d，J=5.2Hz,0.82H，CH）,2.84-2.93（m，1H，CH）,2.30-2.49（m，2H，CH2）,1.90-2.15（m，4H，2CH2）,1.71-1.86（m，2H，CH2）。
d：
2-[（3-硝基苯基）（苯基氨基）甲基]环己酮。
黄色固体，mp:
109.2-112.4；MS（ESI）m/z[M+Na]+347.1;IR（KBr）ν：
3408，1698，1602，1522，756；1HNMRδ（ppm）：
8.25-8.31（m，1H，Ar-H），8.09-8.13（m，1H，Ar-H），7.80（t，J=14.4Hz,1H，Ar-H）,7.49（t，J=15.9Hz,1H，Ar-H）,7.12（t，J=15.7Hz,2H，Ar-H）,6.68-6.74（m,1H，Ar-H）,6.53-6.59（d，J=8.6Hz,2H，Ar-H）,4.94（br,s，1H，NH）,4.89（d，J=4.3Hz,0.18H，CH）,4.75（d，J=5.2Hz,0.82H，CH）,2.85-2.95（m，1H，CH）,2.30-2.51（m，2H，CH2）,1.92-2.17（m，4H，2CH2）,1.73-1.88（m，2H，CH2）。
2结果与讨论
2.1溶剂的影响
以苯甲醛、环己酮和苯胺三组分曼尼希反应为模板，选取不同溶剂进行实验，结果如表2所示。
由表2分析可得，相同情况下乙醇做溶剂时产率最高，故本实验选择乙醇作为溶剂。
表2不同溶剂对产率的影响
编号
溶剂
反应时间/min
产率/%
1
甲醇
5
86
2
CH3CN
5
69
3
四氢呋喃
5
51
4
乙醇
5
89
5
二氯甲烷
5
59
6
乙酸乙酯
5
67
7
水
5
17
2.2催化剂的影响
同样以苯甲醛、环己酮和苯胺三组分曼尼希反应为模板，选择不同量的催化剂，对该实验的产率的影响如由表3。
分析该表可知，随着催化剂用量的增加，反应产率呈现出先增长后减少的趋势。
用量为0.003g的反应物质量时，产率最高，为83%；继续增加催化剂用量，反应产率不增反降。
由此可得出最佳催化剂用量为0.003g。
表3催化剂用量对产率的影响
催化剂用量/g
0．001
0.002
0.003
0.004
0.005
0.006
产率/%
54
68
83
78
59
49
2.3取代基的影响
在上述溶剂和催化剂用量下，利用不同芳香醛和芳香胺进行了一系列实验，得到产物e-j，结果如表4所示。
由表分析可得，吸电子基团或供电子基团存在时，反应都能顺利的进行，但是相比于供电子基如：
甲基、氯基，吸电子基团如：
甲氧基、硝基对反应有着更明显的促进效果，使产率增高。
表4不同取代基对产率的影响
序号
R1/R2
编号
反应时间/min
产率/%
1
2-Cl/H
e
20
88.43
2
2-NO2/H
f
50
79.44
3
3-NO2/H
g
50
87.53
4
4-OCH3/H
h
50
83.37
5
H/2-CH3
i
50
83.52
6
3-NO2/3-CH3
j
60
87.48
2.4催化剂的循环使用
本文还考查了催化剂的循环利用情况。
利用模板反应，回收催化剂后重复进行多次实验，产率如表5所示.由表可知，在循环4次使用后活性无明显降低，具有回收再利用的可行性，克服了其他一些传统催化剂回收难，易污染的缺点。
表5催化剂使用次数的对产率的影响
催化剂重复使用次数
1
2
3
4
产率/%
83．34
79.87
76．79
78.27
3结论
有序介孔碳-石墨烯负载磷钨酸催化曼尼希反应合成β-氨基酮的最佳条件是乙醇作溶剂，0.003g是催化剂的最佳用量。
该反应方法的突出特点是：
催化剂循环使用利用率高，反应条件温和，反应时间短，分离率显著提高。
该方法为β-氨基酮的合成提供了一种绿色高效的方法。
参考文献
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致谢
本论文是在张冬暖老师的精心指导下完成的。
在此论文完成之际谨向恩师表达我最诚挚的感谢!
从论文选题、试验设计到最后成文，都凝聚了老师的心血。
在试验过程中，老师的严谨求实的科学态度、勇于创新的研究精神和对科研工作的刻苦奉献精神为我树立我一名优秀科研工作的者的典范。
他们的精心指导和对我严格要求使我初步体会到了科研工作的艰辛和乐趣，这些都将使我受益终生。
在此向老师表示由衷地感谢。
此外，老师渊博的知识、敏锐的思维，更使我受益匪浅，值此论文完成之际，谨向导师致以最诚挚的谢意！
并祝愿他们在今后的科研道路上取得更辉煌的成就!
在实验过程中，还得到了崔朋雷老师和同学们的精心指导和热情帮助，在此表示衷心感谢。
另外感谢化学实验室这个温暖和谐的大集体，其优越的科研环境为我创造了良好的实验条件，其团结协作的人文环境，使我倍感家庭般的温暖。
在此向实验室的各位老师和同学们表示深深的谢意。
最后，感谢家人对我的关心和支持，他们的关心、理解和支持是我学习和生活的动力！
值此论文完成之际，再次向所有关心和帮助过我的师长、同学、朋友和亲人致以最真诚的祝福！
祝愿大家身体健康、万事如意！
2017年6月7日
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