一种用于四氮烯类化合物合成的电化学氧化反应方法与流程

专利2022-05-10  2



1.本发明属于电化学氧化反应技术领域,具体涉及一种用于四氮烯类化合物合成的电化学氧化反应方法。


背景技术:

2.四氮烯一种以

n

n=n

n

为特征基团的一类有机化合物。由于该基团的稳定性相对较差,在酸催化、光照、或加热条件下分解为相应的氮自由基物种,故它们主要被用于高分子合成的自由基引发剂,和含能材料的制备。某些四氮烯分子可以用于替代肼来做为燃料推进剂,如1,1,4,4

四甲基
‑2‑
四氮烯(c.mir
ó
sabat
é
,h.delalu,chem.

asian j.2015,10(3),674

678)。某些四氮烯分子由于其较好的生物毒性,可用于抗癌药物,如1,4

二甲基

1,4

二苯基
‑2‑
四氮烯(a.vogel,a.sloboda,a.tomcufcik,et al.nature 1963,197,85

86)。
3.目前,四氮烯化合物的制备方法为化学氧化法,涉及到的氧化剂主要有hgo、ag2o、pbo2、pb(oac)4、kbro3、kmno4、nh2cl、o3、br2、i2、二溴异氰尿酸、t

buocl、phseo2h等(n.jung,s.sci.synth.,knowl.updates 2010,41,641

649)。
4.电化学氧化是通过底物分子在阳极(正极)发生氧化反应实现有机化合物中旧键断裂和新键的形成。作为绿色合成技术,它的反应体系简单,主要涉及电解质、产物和原料,且避免使用有毒或危险的氧化剂,环境污染小。反应在常温常压下进行,对设备的要求较低,且产物易于电解质分离。此外,它还可以通过控制电解电压,来实现目标产物的高选择性合成,调节电流,控制反应速率,以及启动和终止反应等特点。然而,目前关于四氮烯合成的方法仅为化学氧化,其所涉及的氧化剂绝大多数为有毒有害试剂。绿色环保的电化学氧化法未见报道。


技术实现要素:

5.有鉴于此,本发明的目的旨在提供一种采用电化学氧化法将具有

n

nh2官能团的有机取代肼类化合物转化为具有

n

n=n

n

结构的四氮烯类化合物。本发明方法合成制备过程简易,条件温和可控、效率高、目标产物产率高、且绿色环保。
6.为了实现上述技术目的,本发明具体采用以下技术方案:
7.一种用于四氮烯类化合物合成的电化学氧化反应方法,以含

n

nh2结构单元的有机类肼类化合物在阳极电解氧化生成具有

n

n=n

n

结构的四氮烯类化合物。
8.所述含

n

nh2结构单元的有机肼类化合物包括r1r2n

nh2有机肼类化合物和n

氨基杂环类化合物。
9.以r1、r2为取代基的r1r2n

nh2有机肼类化合物为反应物制备相应的r1,r2n

n=n

nr1,r2四氮烯类化合物中,其中取代基的r1、r2可以为相同的基团,也可以为不同的基团;r1、r2官能团可以为饱和烷基取代基、芳香基(含杂环)、羰基类取代基(醛、酮、酯、酰胺等)、醚类取代基或可形成醚键的醇或酚类化合物、氰类取代基、硝基、重氮基、卤素取代基等。
10.以n

氨基杂环类化合物为反应物制备相应含有

n

n=n

n

结构的1,2

二杂环基

二氮烯,其中

n

nh2的取代基为环烷基、含杂原子取代环烷基、含杂原子芳香基团。
11.所述n

氨基杂环类化合物的环上亦可以含侧链官能团,如烷基、芳香基、羰基、醚(醇)、氰类、硝基、重氮基、卤素等。
12.为方便描述,在具体化合物命名时加以区别外,上述r1r2n

nh2有机肼类化合物和n

氨基杂环类化合物统称为含

n

nh2结构单元的有机肼类化合物;r1,r2n

n=n

nr1,r2四氮烯类化合物和具有

n

n=n

n

结构的1,2

二杂环基

二氮烯统称为具有

n

n=n

n

结构的四氮烯类化合物。
13.本发明所述的电化学氧化反应方法,是将含

n

nh2结构单元的有机肼类化合物和电解质溶液加入到含有电极的密闭容器中,并加入阴极反应底物。
14.优选的,所述阴极反应底物选自乙酸或水。
15.本发明所述电化学氧化反应电解过程在含阳极和阴极的两电极系统中进行,或在含阳极(工作电极)、阴极(对电极)和参比电极的三电极系统中进行。
16.由于具有

n

n=n

n

基团的四氮烯类化合物的热稳定性相对较差,高温下容易分解。因此,反应宜在室温或低温下进行。其中低温温度以电解质溶液的凝固点为下限。与此同时,电解电压越高越有利于提高反应速率,但应考虑到电解质溶液的电化学窗口(如水的电化学窗口为1.23v),避免电解质溶液在电极表面放电发生反应。优选的,所述电化学氧化反应温度为

25~35℃,电解电压为0.4~10v,经恒压或恒流电解后得到四氮烯类化合物。
17.优选的,所述阳极和阴极同处于一个反应室的无隔膜反应池中进行,或通过离子交换膜将阳极和阴极分开的隔膜电极池中进行。其中,阳极区的反应采用搅拌来促进传质,或采用连续进料的流动模式来促进传质。
18.优选的,所述阳极电极选自金属电极(铂网、银片、泡沫镍、泡沫铜、ru/ti网)、碳基电极(石墨片、rvc多孔碳、pt/c碳纸)和氧化物氢氧化物类电极(cu2o/cu、β

pbo2、、ni(oh)2/泡沫镍)。所述阴极电极选自铂网、石墨片、铂片、pt/c碳纸、rvc多孔碳、β

pbo2。所述参比电极选自甘汞电极、ag/agcl电极、铂丝。
19.基于

n

nh2结构单元的反应物在电解质溶液中的溶解度,本发明所述电化学氧化反应的电解质溶液为水溶液、有机溶液或有机

水混合溶液,且反应物溶解度越高越有利于反应的进行。此外,由于含

n

n=n

n

基团的四氮烯类化合物在强酸性溶液中易发生分解,故本发明中,对于水溶液或有机

水溶液体系,其ph不小于3。对于有机溶液,中强酸或者强酸的浓度不高于10
‑3mol
·
l
‑1。
20.优选的,所述有机溶液选自乙二醇、乙腈、dmf、碳酸丙烯酯、四氢呋喃、三乙胺、离子液体(如1

丁基
‑3‑
甲基咪唑鎓四氟硼酸盐)、碳酸甲乙酯或dmf溶液。所述的有机

水混合溶液为上述有机溶剂与水形成的混合溶液。所述水溶液包括碱性水溶液、中性水溶液和缓冲溶液(如pbs缓冲溶液、醋酸

醋酸钠缓冲溶液等)。其中,电解质采用碱性电解质(如naoh溶液、na2co3溶液等)或中性电解质(如na2so4、kpf6、libf4、li2so4、(net4)pf6、lipf6等)。
21.本发明的有益效果为:
22.1)提供一种四氮烯的电氧化合成体系;
23.2)反应涉及电化学氧化,无需添加氧化剂,绿色环保无污染;
24.3)反应体系仅涉及原料、产物和电解质溶液,产物易于分离,无需繁琐的分离以及
除去有毒有害的氧化剂;
25.4)反应可在室温或较低的反应温度下进行,反应条件温和,操作简单且安全;
26.5)可以通过施加电压和电流来控制反应速率和进程,以及通过切断电流来停止反应,反应可控操作性强。
具体实施方式
27.下面将结合本发明具体的实施例,对本发明技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
28.实施例1~8以n

氨基杂环类化合物为反应物,反应路线如下:
[0029][0030]
实施例1
[0031][0032]
本实施例提供一种1

氨基哌啶电化学氧化偶联生成1,2

二(1

哌啶基)

二氮烯的方法,具体如下:
[0033]
将0.20g(1mmol)1

氨基哌啶溶解在naoh浓度为0.1mol
·
l
‑1的乙二醇

水混合溶液(v
乙二醇
:v

=1:4)中。溶液体积为20ml。在室温下搅拌1h后,将其转移到在50ml的无隔膜电解池中。采用三电极体系,其中工作电极和对电极均为铂网(1cm
×
1cm),参比电极为饱和甘汞电极。保持反应温度为0℃时,在恒流模式下电解,电流为0.05a。当电量为96.5c时,停止电解。产物通过乙醚萃取后,旋蒸获得粗产物。以乙酸乙酯与环己烷为洗脱剂,进行柱色谱分离纯化,最终得到0.1820g 1,2

二(1

哌啶基)

二氮烯,其产率为91.0%。
[0034]
实施例2
[0035][0036]
本实施例提供一种1

氨基吡咯烷电化学氧化偶联生成1,2

二(1

吡咯基)

二氮烯的方法,具体如下:
[0037]
将0.43g(5mmol)1

氨基吡咯烷溶解在na2so4浓度为0.025mol
·
l
‑1的乙腈

水混合溶液(v
乙腈
:v

=3:2)中。溶液体积为20ml。在室温下搅拌1h后,将其转移到在50ml的无隔膜电解池中。采用三电极体系,其中工作电极为银片(1cm
×
1cm),对电极为铂网(1cm
×
1cm),参比电极为饱和甘汞电极。保持反应温度为10℃时,在恒电压模式下电解,工作电极的电压为0.78v vs sce。当电量为482.5c时,停止电解。产物通过乙醚萃取后,旋蒸获得粗产物。以乙酸乙酯与环己烷为洗脱剂,进行柱色谱分离纯化,最终得到0.396g 1,2

二(1

吡咯基)

二氮烯,其产率为92.1%。
[0038]
实施例3
[0039][0040]
本实施例提供一种4

氨基吗啉电化学氧化偶联生成1,2

二(4

吗啉基)

二氮烯的方法,具体如下:
[0041]
将1.02g(10mmol)4

氨基吗啉溶解在kpf6浓度为0.01mol
·
l
‑1的dmf

水混合溶液(v
dmf
:v

=1:1)中。溶液体积为40ml。在室温下搅拌1h后,将其转移到在50ml的隔膜电解池中。采用两电极体系,其中工作电极(正极)为泡沫镍(2cm
×
2cm),对电极(负极)为石墨片(2cm
×
2cm)。保持反应温度为20℃时,在恒电压模式下电解,电解池电压为1.5v。当电量为965c时,停止电解。产物通过乙酸乙酯萃取后,旋蒸获得粗产物。以乙酸乙酯与环己烷为洗脱剂,进行柱色谱分离纯化,最终得到0.915g 1,2

二(4

吗啉基)

二氮烯,其产率为89.7%。
[0042]
实施例4
[0043][0044]
本实施例提供一种4

氨基

1,2,4

三氮唑电化学氧化偶联生成1,2

二(4

(1,2,4

三氮唑))

二氮烯的方法,具体如下:
[0045]
将2.0g(24mmol)4

氨基

1,2,4

三氮唑溶解在pbs缓冲溶液(ph=7.2~7.4)中。溶液体积为40ml。在室温下搅拌25min后,将其转移到在40ml的隔膜电解池中。采用三电极体系,其中工作电极为cu2o/cu(2cm
×
2cm),对电极铂片(2.5cm
×
2.5cm),参比电极为饱和甘汞电极。保持反应温度为5℃时,工作电极的电压为0.8v vs sce。当电量为2316c时,停止电解。在反应液中加入少量磷酸调节溶液ph为酸性后,待1,2

二(4

(1,2,4

三氮唑))

二氮烯结晶析出得到1.89g产物,其产率为94.5%。
[0046]
实施例5
[0047][0048]
本实施例提供一种4

氨基

1,2,4

三氮唑电化学氧化偶联生成1,2

二(4

(1,2,4

三氮唑))

二氮烯的方法,具体如下:
[0049]
将2.0g(24mmol)4

氨基

1,2,4

三氮唑溶解在pbs缓冲溶液(ph=7.2~7.4)中。溶液体积为40ml。在室温下搅拌25min后,将其转移到在40ml的隔膜电解池中。采用三电极体系,其中工作电极为cu2o/cu(2cm
×
2cm),对电极铂片(2.5cm
×
2.5cm),参比电极为饱和甘汞电极。保持反应温度为5℃时,工作电极的电压为0.8v vs sce。当电量为2316c时,停止电解。在反应液中加入少量磷酸调节溶液ph为酸性后,待1,2

二(4

(1,2,4

三氮唑))

二氮烯结晶析出得到1.89g产物,其产率为94.5%。
[0050]
实施例6
[0051][0052]
本实施例提供一种(s)

(

)
‑1‑
氨基
‑2‑
羟甲基吡咯烷电化学氧化偶联生成(s,s)

1,2

二(2

羟甲基
‑1‑
吡咯烷基)

二氮烯的方法,具体如下:
[0053]
将0.58g(5mmol)(s)

(

)
‑1‑
氨基
‑2‑
羟甲基吡咯烷溶解在(net4)pf6浓度为0.02mol
·
l
‑1的四氢呋喃

三乙胺

乙酸溶液(v
四氢呋喃
:v
三乙胺
=1:1:0.1)中。溶液体积为30ml。在室温下搅拌15min后,将其转移到在50ml的无隔膜电解池中。采用三电极体系,其中工作电极和对电极均为rvc多孔碳电极(1cm
×
1cm),参比电极为铂丝。保持反应温度为5℃时,在恒电压模式下电解,工作电极的电压为1.05v vs pt。当电量为482.5c时,停止电解。通过旋蒸后,获得粗产物。以乙酸乙酯与环己烷为洗脱剂,进行柱色谱分离纯化,最终得到0.205g(s,s)

1,2

二(2

羟甲基
‑1‑
吡咯烷基)

二氮烯,其产率为35.3%。
[0054]
实施例7
[0055][0056]
本实施例提供一种改进的(s)

(

)
‑1‑
氨基
‑2‑
羟甲基吡咯烷氧化偶联生成(s,s)

1,2

二(2

羟甲基
‑1‑
吡咯烷基)

二氮烯的方法,具体如下:
[0057]
将0.58g(5mmol)(s)

(

)
‑1‑
氨基
‑2‑
羟甲基吡咯烷溶解在(net4)pf6浓度为0.02mol
·
l
‑1的四氢呋喃

三乙胺

乙酸溶液(v
四氢呋喃
:v
三乙胺
=1:1:0.1)中。溶液体积为30ml。加入0.65g三甲基氯硅烷,在25℃下搅拌2h后,将其转移到在50ml的无隔膜电解池中。采用三电极体系,其中工作电极和对电极均为rvc多孔碳电极(1cm
×
1cm),参比电极为铂丝。保持反应温度为25℃时,在恒电压模式下电解,工作电极的电压为1.05v vs pt。当电量为482.5c时,停止电解。将其转入100ml的圆底烧瓶中,加入20ml甲醇和0.2g碳酸钠。室温搅拌2h后,旋蒸掉易挥发组分。所得到的固体,用甲基叔丁基醚多次提取后,合并醚溶液,旋蒸后得到0.411g(s,s)

1,2

二(2

羟甲基
‑1‑
吡咯烷基)

二氮烯,其产率为70.9%。
[0058]
实施例8
[0059]
[0060]
本实施例提供一种3

氨基
‑2‑
噁唑烷酮电化学氧化偶联生成1,2

二(2


‑3‑
噁唑烷基)

二氮烯的方法,具体如下:
[0061]
将1.02g(10mmol)3

氨基
‑2‑
噁唑烷酮溶解在醋酸

醋酸钠缓冲溶液(ph=4.7)中。溶液体积为20ml。在室温下搅拌15min后,将其转移到在40ml的隔膜电解池中。采用三电极体系,其中工作电极为泡沫镍(2cm
×
2cm),对电极石墨片(2cm
×
2cm),参比电极为饱和甘汞电极。保持反应温度为5℃时,工作电极的电压为0.66v vs sce。当电量为965c时,停止电解。产物水溶液通过乙酸乙酯萃取后,旋蒸获得粗产物。再以乙酸乙酯与环己烷为洗脱剂,进行柱色谱分离纯化,最终析出得到0.83g产物,其产率为81.3%。
[0062]
实施例9~15以r1r2n

nh2结构单元的有机肼类化合物为反应物,反应路线如下:
[0063][0064]
实施例9
[0065][0066]
本实施例提供一种偏二甲肼电化学氧化偶联生成四甲基四氮烯的方法,具体如下:
[0067]
将6.0g(0.1mol)偏二甲肼溶解在na2co3浓度为0.1mol
·
l
‑1的水溶液中。溶液体积为7.7ml。在室温下搅拌15min后,将其转移到在20ml的隔膜电解池中。采用两电极体系,其中工作电极(正极)和对电极(负极)均为石墨片(2cm
×
2cm)。保持反应温度为5℃时,在恒电压模式下电解,电解池电压为2.0v。当电量为9650c时,停止电解。产物通过二氯甲烷萃取后,旋蒸获得粗产物。以二氯甲烷与甲醇为洗脱剂,进行柱色谱分离纯化,最终得到5.57g产物1,1,4,4

四甲基
‑2‑
四氮烯,其产率为92.8%。
[0068]
实施例10
[0069][0070]
本实施例提供一种偏二甲肼电化学氧化偶联生成四甲基四氮烯的方法,具体如下:
[0071]
将12.0g(0.2mol)偏二甲肼溶解在libf4浓度为0.15mol
·
l
‑1的碳酸丙烯酯溶液中。溶液体积为7.7ml。在室温下搅拌15min后,将其转移到在40ml的隔膜电解池中。采用两电极体系,其中工作电极(正极)为rvc多孔碳(2.5cm
×
2.5cm),对电极(负极)为铂片(2.5cm
×
2.5cm)。保持反应温度为10~15℃时,在恒电流模式下电解,电解池电流为0.1a,电压上限为8v。当电量为19300c时,停止电解。通过减压蒸馏后得到9.98g产物1,1,4,4

四甲基
‑2‑
四氮烯,其产率为83.2%。
[0072]
实施例11
[0073][0074]
本实施例提供一种1,1

二苄基肼电化学氧化偶联生成1,1,4,4

四苄基
‑2‑
四氮烯的方法,具体如下:
[0075]
将0.212g(1mmol)1,1

二苄基肼溶解在li2so4浓度为0.05mol
·
l
‑1的碳酸丙烯酯

水溶液(v
碳酸丙烯酯
:v

=1:2)中。溶液体积为30ml。在室温下搅拌45min后,将其转移到在40ml的隔膜电解池中。采用三电极体系,其中工作电极为泡沫铜(2.5cm
×
2.5cm),对电极为涂覆20wt%pt/c的碳纸(2.5cm
×
2.5cm),参比电极为饱和ag/agcl电极。保持反应温度为5℃时,工作电极的电压为0.9v vsag/agcl。当电量为96.5c时,停止电解。产物通过乙醚萃取后,旋蒸获得粗产物。通过甲醇重结晶的方式得到0.184g产物1,1,4,4

四苄基
‑2‑
四氮烯,其产率为86.8%。
[0076]
实施例12
[0077][0078]
本实施例提供一种1,1

二(2

羟乙基)肼电化学氧化偶联生成1,1,4,4

四(2

羟乙基)
‑2‑
四氮烯的方法,具体如下:
[0079]
将0.60g(5mmol)1,1

二(2

羟乙基)肼溶解在(net4)pf6浓度为0.02mol
·
l
‑1的四氢呋喃

三乙胺

乙酸溶液(v
四氢呋喃
:v
三乙胺
=1:1:0.1)中。溶液体积为30ml。加入0.65g三甲基氯硅烷,在

10℃下搅拌6h后,将其转移到在50ml的无隔膜电解池中。采用三电极体系,其中工作电极和对电极均为β

pbo2电极(1cm
×
1cm),参比电极为铂丝。保持反应温度为

10℃时,在恒电压模式下电解,工作电极的电压为0.85v vs pt。当电量为482.5c时,停止电解。将其转入100ml的圆底烧瓶中,加入20ml甲醇和0.2g碳酸钠。室温搅拌2h后,旋蒸掉易挥发组分。所得到的固体,用乙醚多次提取后,合并醚溶液。旋蒸后,再用以甲醇与二氯甲烷为洗脱剂,进行柱色谱分离纯化,得到0.313g1,1,4,4

四(2

羟乙基)
‑2‑
四氮烯,其产率为52.2%。
[0080]
实施例13
[0081][0082]
本实施例提供一种1

甲基
‑1‑
(2

氰基乙基)肼电化学氧化偶联生成1,4

二甲基

1,4

二(2

氰基乙基)
‑2‑
四氮烯的方法,具体如下:
[0083]
将0.99g(10mmol)1

甲基
‑1‑
(2

氰基乙基)肼溶解于含50mmol乙酸的离子液体(1

丁基
‑3‑
甲基咪唑鎓四氟硼酸盐中。溶液体积为10ml。在室温下搅拌15min后,将其转移到在10ml的隔膜电解池中。采用两电极体系,其中工作电极为ru/ti网(1cm
×
1cm),对电极石墨片(2cm
×
2cm)。以恒电压模式,在电极两端电压为1.8v下进行室温电解。当电量为965c时,停止电解。产物水溶液通过乙醚萃取后,旋蒸获得粗产物。再以乙酸乙酯与环己烷为洗脱剂,进行柱色谱分离纯化得到0.73g产物,其产率为73.7%。
[0084]
实施例14
[0085][0086]
本实施例提供一种1

甲基
‑1‑
甲氧酰基肼电化学氧化偶联生成1,4

二甲基

1,4

二甲氧酰基
‑2‑
四氮烯的方法,具体如下:
[0087]
将4.16g(40mmol)1

甲基
‑1‑
甲氧酰基肼溶解在含libf4溶解在碳酸甲乙酯

乙酸(v
碳酸甲乙酯
:v
乙酸
=19:1)中。溶液体积为40ml。在10℃下搅拌15min后,通过蠕动泵进料(或循环进料),将其引入到2ml的隔膜电解池中。采用三电极体系,其中工作电极和对电极均为涂覆20%pt/c碳纸电极(5cm
×
5cm),参比电极为铂丝。在恒电压模式下电解,电解池电压为6v vs pt,电解池总电压上限为10v。当电量为3860c时,停止电解。产物通过柱色谱分离纯化得到0.78g1,4

二甲基

1,4

二甲氧酰基
‑2‑
四氮烯,其产率为18.8%。
[0088]
实施例15
[0089][0090]
本实施例提供一种1

(2

丁基)
‑1‑
苯基肼电化学氧化偶联生成l,4

二(2

丁基)

l,4

二苯基
‑2‑
四氮烯的方法,具体如下:
[0091]
将0.164g(1mmol)1

(2

丁基)
‑1‑
苯基肼在含lipf6(0.01mol)dmf

乙酸(v
dmf
:v
乙酸
=9:1)混合溶液中。溶液体积为10ml。在0℃下搅拌15min后,通过蠕动泵循环进料,将其引入到0.6ml的隔膜电解池中。采用两电极体系,其中工作电极(正极)为ni(oh)2/泡沫镍(1cm
×
1cm),对电极(负极)为涂覆rvc多孔碳电极(1cm
×
1cm)。当电量为96.5c时,停止电解。产物通过柱色谱分离纯化,最终析出得到0.08g产物,其产率为48.8%。
[0092]
尽管已经示出和描述了本发明的实施例,对于本领域的普通技术人员而言,可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实例进行多种变化、修改、替换和变型,本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
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