离子型铁(III)配合物在催化端炔化合物与二氧化碳的羧基化反应中的应用

摘要

本发明公开了一种离子型铁(III)配合物在催化端炔化合物与二氧化碳的羧基化反应中的应用，即以含单亚胺功能化咪唑阳离子的离子型铁(III)配合物为单组份催化剂、以二氧化碳作为羧基化试剂，在常压下通过端炔的羧基化反应来制备各种丙炔酸类化合物。本发明适用的端炔类底物涉及到苯乙炔、取代苯乙炔、杂环芳炔、芳二炔或者脂肪炔等。这是由铁系催化剂催化的通过端炔与二氧化碳的羧基化反应来制备丙炔酸类化合物的第一例，与现有技术相比，不仅催化剂更加绿色，合成更容易，而且反应条件温和，具有现有相当或更好的催化活性和官能团忍受性。

说明书

本发明是申请号为201610146701.5，申请日为2016年3月15日，发明名称为一种制备丙炔酸类化合物的方法的发明专利的分案申请。

技术领域

本发明属于有机化合物的制备技术领域，具体涉及到丙炔酸类化合物的制备方法，更具体为离子型铁(III)配合物在催化端炔化合物与二氧化碳的羧基化反应中的应用。

背景技术

丙炔酸类化合物是合成精细化学品、医药分子的重要中间体，例如通过环加成等反应合成香豆素、黄酮等杂环化合物；另外，它们也是脱羧交叉偶联反应制备取代炔烃的重要原料之一，因此丙炔酸类化合物的合成一直受到广泛的关注（参见：Gooβen, L. J.,Rodríguez, N., Manjolinho F., Langea, P. P., Adv.>., 2010, 352,2913）。现有技术中，合成丙炔酸类化合物的方法主要是炔烃的氧化羧基化反应，以甲醛或一氧化碳作为羧基化试剂，但甲醛或一氧化碳存在价格较贵、毒性很大以及操作不便等缺点，因此使这些方法的应用受到限制。有文献报道利用金属有机试剂（如格氏试剂）可以制备丙炔酸类化合物，但是金属有机试剂存在价格贵、对空气敏感和不易操作的缺点，因此开发合成丙炔酸类化合物的新方法是具有很好的应用前景的。

近年来，很多制备方法避免使用昂贵的金属有机试剂，比如以(1,10-邻二氮杂菲)-双(三芳基膦)硝酸铜为催化剂，可以实现各种脂肪族端炔和芳香族端炔的羧基化反应，但是对于芳香族端炔，需要在五个大气压的条件下进行；以N,N,N’N’-四甲基乙二胺为配体的条件下，可以实现氯化亚铜催化的端炔与二氧化碳的羧基化反应，反应条件温和，在室温常压下即可完成，但是催化体系对于缺电子的芳香族端炔几乎没有活性，只有将配体改变为氮杂环卡宾、同时增加催化剂的用量时，才能实现缺电子的芳香族端炔的羧基化，但产率较低，不适于工业化应用；银催化剂催化的端炔与二氧化碳的羧基化反应体系不需要加入配体，催化剂用量不高，但是，该反应体系仍然需要两个大气压的二氧化碳，且大部分底物的活性偏低；稀土化合物催化的端炔与二氧化碳的羧基化反应条件较温和，但底物也仅限于普通端炔，含有醛基、氰基等对金属有机试剂（如格氏试剂等）敏感的端炔则没有涉及到，而且稀土化合物价格较贵，对空气敏感，不易于操作。因此，开发高效、绿色、廉价易得、便于使用、底物适用性广的催化剂来实现端炔与二氧化碳的羧基化反应具有极大的创新性和应用价值。

发明内容

本发明的目的是提供一种制备丙炔酸类化合物的方法，即以分子式为[{RNC(CH₃)}NCHCHN(CH₂Ph)CH][FeCl₄](R为2,6-二异丙基苯基)的含单亚胺功能化咪唑阳离子的离子型铁(III)配合物为单组份催化剂，二氧化碳作为羧基化试剂，通过端炔的羧基化反应来制备各种丙炔酸类化合物。

为达到上述发明目的，本发明采用的技术方案是:一种制备丙炔酸类化合物的方法，包括以下步骤：向反应器中依次加入催化剂、碳酸铯、端炔化合物和N,N-二甲基甲酰胺；然后通入二氧化碳，于40～70℃，常压下搅拌反应12～20小时；然后经盐酸酸化得到丙炔酸类化合物。

催化剂为离子型铁(III)配合物，是一种含单亚胺功能化咪唑阳离子的离子型铁（III）配合物，分子式为[{RNC(CH₃)}NCHCHN(CH₂Ph)CH][FeCl₄](R为2,6-二异丙基苯基)，其分子结构式如下所示：

进一步的，反应结束后，反应液冷却至室温，然后依次经过水稀释、盐酸酸化、乙醚萃取，接着将萃取得到的乙醚层用饱和氯化钠洗涤，再经无水硫酸钠干燥，最后真空除去溶剂，得到目标产物丙炔酸类化合物。

本发明还公开了离子型铁(III)配合物作为单组份催化剂在催化端炔化合物与二氧化碳的羧基化反应中的应用。

离子型铁(III)配合物的制备为，将氯化物加入到无水三氯化铁的四氢呋喃溶液中，室温下反应；然后真空抽去溶剂，剩余物经己烷洗涤、抽干，再用四氢呋喃萃取，离心萃取液，转移清液；最后在清液中加入己烷重结晶，室温下析出黄色晶体为离子型铁(III)配合物；所述氯化物为[{RNC(CH₃)}NCHCHN(CH₂Ph)CH]Cl，其中R为2,6-二异丙基苯基。

上述技术方案中，端炔化合物为苯乙炔、取代苯乙炔、杂环芳炔或者二炔；比如苯乙炔、4-甲基苯乙炔、4-叔丁基苯乙炔、4-乙炔基联苯、4-甲氧基苯乙炔、4-溴苯乙炔、4-氯苯乙炔、4-氟苯乙炔、2-氟苯乙炔、3-氟苯乙炔、4-三氟甲基苯乙炔、2-乙炔基噻吩、1,4-二乙炔基苯、4-硝基苯乙炔、1-己炔、4-乙炔基苯腈或者4-乙炔基苯甲醛。

上述技术方案中，以物质的量计，碳酸铯是端炔化合物用量的1.8～2.5倍，催化剂用量为端炔化合物的3～6 %，优选的，碳酸铯是端炔化合物用量的2倍，催化剂用量为端炔化合物的5 %。

优选的技术方案中，搅拌反应时间为16～18小时。

本发明进一步公开由端炔化合物与二氧化碳在离子型铁(III)配合物催化下反应得到的丙炔酸类化合物。

上述反应过程可如下表示：

由于上述技术方案的运用，本发明与现有技术相比具有以下优点：

本发明首次采用铁(III)配合物作为单组份催化剂，以二氧化碳为羧基化试剂，在常压下实现了端炔的羧基化反应，制得了丙炔酸类化合物，此反应条件温和，产率高，尤其是可以在常压下完成；同时具有价廉、绿色、环境友好的特点，而且结构明确、组份单一、合成方法简单、空气稳定易操作，有利于大规模的工业化应用。尤其是本发明公开的制备方法对各种端炔具有很好的适用性，尤其是对含氰基、醛基等对金属有机试剂（如格氏试剂等）敏感的官能团的端炔也具有很好的耐受性，解决了现有技术仅能适用某一类炔化合物的缺陷；为制备含有各种官能团的丙炔酸类化合物、丰富丙炔酸类化合物结构提供了一种新的方法。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步描述：

实施例一：含单亚胺功能化咪唑阳离子的离子型铁(III)配合物（分子式为[{RNC(CH₃)}NCHCHN(CH₂Ph)CH][FeCl₄](R为2,6-二异丙基苯基)）的合成

将[{RNC(CH₃)}NCHCHN(CH₂Ph)CH]Cl(R为2,6-二异丙基苯基)（0.40克，1.0毫摩尔）加入到无水三氯化铁（0.16克，1.0毫摩尔）的四氢呋喃溶液中，25>

对产物进行元素分析，结果如表1所示。

表1含单亚胺功能化咪唑阳离子的离子型铁(III)配合物元素分析结果

C：（%）H：（%）N：（%）理论值51.645.427.53实际值51.705.387.66

由于铁的配合物有顺磁性，所以没有对其进行核磁表征。

此配合物是以离子对的形式存在的，其中[FeCl₄]^-通过拉曼光谱进行了表征，发现其在333>-1处有特征峰，与理论报道相符合。

配合物的阳离子部分[{RNC(CH₃)}NCHCHN(CH₂Ph)CH]⁺(R为2,6-二异丙基苯基)通过质谱进行了表征，发现其在360.2443处有一个分子离子峰，理论上此分子离子峰在360.2440，实测与理论基本一致。

证明所得化合物为目标化合物。

实施例二：[{RNC(CH₃)}NCHCHN(CH₂Ph)CH][FeCl₄](R为2,6-二异丙基苯基)催化的苯乙炔与二氧化碳的羧基化反应

在反应瓶中依次加入催化剂（14.0毫克，0.025毫摩尔，5 mol %），碳酸铯（32.6毫克，1.0毫摩尔），苯乙炔（55微升，0.5毫摩尔），N,N-二甲基甲酰胺（3毫升），通入二氧化碳，在70℃，常压下反应18小时。反应冷却至室温，用水稀释，盐酸酸化，乙醚萃取，乙醚层用饱和氯化钠洗涤，无水硫酸钠干燥，真空除去溶剂得产物，产率为97%。

将产物溶于CDCl₃中（约0.4>1H>3,>H),>H),>H)>

实施例三：[{RNC(CH₃)}NCHCHN(CH₂Ph)CH][FeCl₄](R为2,6-二异丙基苯基)催化的4-甲基苯乙炔与二氧化碳的羧基化反应

在反应瓶中依次加入催化剂（14.0毫克，0.025毫摩尔，5 mol %），碳酸铯（32.6毫克，1.0毫摩尔），4-甲基苯乙炔（63微升，0.5毫摩尔），N,N-二甲基甲酰胺（3毫升），通入二氧化碳，在65>

将产物溶于DMSO-d₆中（约0.4>1H>d₆,>J>H),>J>H),>H₃)>

实施例四：[{RNC(CH₃)}NCHCHN(CH₂Ph)CH][FeCl₄](R为2,6-二异丙基苯基)催化的4-叔丁基苯乙炔与二氧化碳的羧基化反应

在反应瓶中依次加入催化剂（14.0毫克，0.025毫摩尔，5 mol %），碳酸铯（32.6毫克，1.0毫摩尔），4-叔丁基苯乙炔（90微升，0.5毫摩尔），N,N-二甲基甲酰胺（3毫升），通入二氧化碳，在70>

将产物溶于DMSO-d₆中（约0.4>1H>d₆,>J>H),>J>H),>H₃)>

实施例五：[{RNC(CH₃)}NCHCHN(CH₂Ph)CH][FeCl₄](R为2,6-二异丙基苯基)催化的4-乙炔基联苯与二氧化碳的羧基化反应

在反应瓶中依次加入催化剂（14.0毫克，0.025毫摩尔，5 mol %），碳酸铯（32.6毫克，1.0毫摩尔），4-乙炔基联苯（89.1毫克，0.5毫摩尔），N,N-二甲基甲酰胺（3毫升），通入二氧化碳，在65>

将产物溶于DMSO-d₆中（约0.4>1H>d₆,>H),>J>H),>J>H)>

实施例六：[{RNC(CH₃)}NCHCHN(CH₂Ph)CH][FeCl₄](R为2,6-二异丙基苯基)催化的4-甲氧基苯乙炔与二氧化碳的羧基化反应

在反应瓶中依次加入催化剂（16.8毫克，0.03毫摩尔，6 mol %），碳酸铯（32.6毫克，1.0毫摩尔），4-甲氧基苯乙炔（65微升，0.5毫摩尔），N,N-二甲基甲酰胺（3毫升），通入二氧化碳，在70>

将产物溶于DMSO-d₆中（约0.4>1H>d₆,>J>H),>J>H),>H₃)>

实施例七：[{RNC(CH₃)}NCHCHN(CH₂Ph)CH][FeCl₄](R为2,6-二异丙基苯基)催化的4-溴苯乙炔与二氧化碳的羧基化反应

在反应瓶中依次加入催化剂（14.0毫克，0.025毫摩尔，5 mol %），碳酸铯（29.3毫克，0.9毫摩尔），4-溴苯乙炔（90.5毫克，0.5毫摩尔），N,N-二甲基甲酰胺（3毫升），通入二氧化碳，在50>

将产物溶于DMSO-d₆中（约0.4>1H>d₆,>J>H),>J>H)>

实施例八：[{RNC(CH₃)}NCHCHN(CH₂Ph)CH][FeCl₄](R为2,6-二异丙基苯基)催化的4-氯苯乙炔与二氧化碳的羧基化反应

在反应瓶中依次加入催化剂（14.0毫克，0.025毫摩尔，5 mol %），碳酸铯（32.6毫克，1.0毫摩尔），4-氯苯乙炔（68.3毫克，0.5毫摩尔），N,N-二甲基甲酰胺（3毫升），通入二氧化碳，在50>

将产物溶于DMSO-d₆中（约0.4>1H>d₆,>J>H),>J>H)>

实施例九：[{RNC(CH₃)}NCHCHN(CH₂Ph)CH][FeCl₄](R为2,6-二异丙基苯基)催化的4-氟苯乙炔与二氧化碳的羧基化反应

在反应瓶中依次加入催化剂（14.0毫克，0.025毫摩尔，5 mol %），碳酸铯（32.6毫克，1.0毫摩尔），4-氟苯乙炔（57微升，0.5毫摩尔），N,N-二甲基甲酰胺（3毫升），通入二氧化碳，在40>

将产物溶于DMSO-d₆中（约0.4>1H>d₆,>H),>H)>

实施例十：[{RNC(CH₃)}NCHCHN(CH₂Ph)CH][FeCl₄](R为2,6-二异丙基苯基)催化的2-氟苯乙炔与二氧化碳的羧基化反应

在反应瓶中依次加入催化剂（14.0毫克，0.025毫摩尔，5 mol %），碳酸铯（32.6毫克，1.0毫摩尔），2-氟苯乙炔（58微升，0.5毫摩尔），N,N-二甲基甲酰胺（3毫升），通入二氧化碳，在40>

将产物溶于DMSO-d₆中（约0.4>1H>d₆,>J₁>J₂>H),>H);>J>H),>J>H)>

实施例十一：[{RNC(CH₃)}NCHCHN(CH₂Ph)CH][FeCl₄](R为2,6-二异丙基苯基)催化的4-三氟甲基苯乙炔与二氧化碳的羧基化反应

在反应瓶中依次加入催化剂（8.4毫克，0.015毫摩尔，3 mol %），碳酸铯（32.6毫克，1.0毫摩尔），4-三氟甲基苯乙炔（82微升，0.5毫摩尔），N,N-二甲基甲酰胺（3毫升），通入二氧化碳，在40>

将产物溶于DMSO-d₆中（约0.4>1H>d₆,>H)>

实施例十二：[{RNC(CH₃)}NCHCHN(CH₂Ph)CH][FeCl₄](R为2,6-二异丙基苯基)催化的2-乙炔基噻吩与二氧化碳的羧基化反应

在反应瓶中依次加入催化剂（14.0毫克，0.025毫摩尔，5 mol %），碳酸铯（32.6毫克，1.0毫摩尔），2-乙炔基噻吩（50微升，0.5毫摩尔），N,N-二甲基甲酰胺（3毫升），通入二氧化碳，在70>

将产物溶于DMSO-d₆中（约0.4>1H>d₆,>J₁>J₂>H),>J₁>J₂>H),>J₁>J₂>H)>

实施例十三：[{RNC(CH₃)}NCHCHN(CH₂Ph)CH][FeCl₄](R为2,6-二异丙基苯基)催化的1,4-二乙炔基苯与二氧化碳的羧基化反应

在反应瓶中依次加入催化剂（14.0毫克，0.025毫摩尔，5 mol %），碳酸铯（32.6毫克，1.0毫摩尔），1,4-二乙炔基苯（63.1毫克，0.5毫摩尔），N,N-二甲基甲酰胺（3毫升），通入二氧化碳，在70>

将产物溶于DMSO-d₆中（约0.4>1H>d₆,>H)>

实施例十四：[{RNC(CH₃)}NCHCHN(CH₂Ph)CH][FeCl₄](R为2,6-二异丙基苯基)催化的1-己炔与二氧化碳的羧基化反应

在反应瓶中依次加入催化剂（14.0毫克，0.025毫摩尔，5 mol %），碳酸铯（40.8毫克，1.25毫摩尔），1-己炔（58微升，0.5毫摩尔），N,N-二甲基甲酰胺（3毫升），通入二氧化碳，在70>

将产物溶于DMSO-d₆中（约0.4>1H>d₆,>J =>2),>2),>2),>J =>3)>

实施例十五：[{RNC(CH₃)}NCHCHN(CH₂Ph)CH][FeCl₄](R为2,6-二异丙基苯基)催化的4-乙炔基苯腈与二氧化碳的羧基化反应

在反应瓶中依次加入催化剂（14.0毫克，0.025毫摩尔，5 mol %），碳酸铯（32.6毫克，1.0毫摩尔），4-乙炔基苯腈（63.6毫克，0.5毫摩尔），N,N-二甲基甲酰胺（3毫升），通入二氧化碳，在50>

将产物溶于DMSO-d₆中（约0.4>1H>d₆,>J>H),>J>H)>

实施例十六：[{RNC(CH₃)}NCHCHN(CH₂Ph)CH][FeCl₄](R为2,6-二异丙基苯基)催化的4-乙炔基苯甲醛与二氧化碳的羧基化反应

在反应瓶中依次加入催化剂（14.0毫克，0.025毫摩尔，5 mol %），碳酸铯（32.6毫克，1.0毫摩尔），4-乙炔基苯甲醛（65.1毫克，0.5毫摩尔），N,N-二甲基甲酰胺（3毫升），通入二氧化碳，在50>

将产物溶于DMSO-d₆中（约0.4>1H>d₆,>HO),>J>H),>J>H)>

实施例十七：[{RNC(CH₃)}NCHCHN(CH₂Ph)CH][FeCl₄](R为2,6-二异丙基苯基)催化的3-氟苯乙炔与二氧化碳的羧基化反应

在反应瓶中依次加入催化剂（14.0毫克，0.025毫摩尔，5 mol %），碳酸铯（32.6毫克，1.0毫摩尔），3-氟苯乙炔（58微升，0.5毫摩尔），N,N-二甲基甲酰胺（3毫升），通入二氧化碳，在40>

将产物溶于DMSO-d₆中（约0.4>1H>d₆,>H),>H)>

实施例十八：[{RNC(CH₃)}NCHCHN(CH₂Ph)CH][FeCl₄](R为2,6-二异丙基苯基)催化的4-硝基苯乙炔与二氧化碳的羧基化反应

在反应瓶中依次加入催化剂（14.0毫克，0.025毫摩尔，5 mol %），碳酸铯（32.6毫克，1.0毫摩尔），4-硝基苯乙炔（73.6毫克，0.5毫摩尔），N,N-二甲基甲酰胺（3毫升），通入二氧化碳，在55>

将产物溶于DMSO-d₆中（约0.4>1H>d₆,>J>H),>J>H)>