UMCM⁃1⁃NH2的后合成修饰及在制备β⁃氨基醇反应中的应用

刘 鸿，王正仁，陈恒泽，张锐昌，陈 超，张 宁

（南昌大学化学学院应用化学研究所，南昌330031）

UMCM⁃1⁃NH2的后合成修饰及在制备β⁃氨基醇反应中的应用

刘 鸿，王正仁，陈恒泽，张锐昌，陈 超，张 宁

（南昌大学化学学院应用化学研究所，南昌330031）

采用后合成修饰（PSM）技术将水杨醛锚装到UMCM⁃1⁃NH2上，得到席夫碱功能化的多孔金属⁃有机骨架化合物UMCM⁃1⁃NH⁃Sal，在该化合物孔道内的席夫碱N、O原子上螯合铜离子得到UMCM⁃1⁃NH⁃Sal⁃Cu催化剂，并用核磁共振氢谱（1H NMR）、X射线衍射（PXRD）、热重分析（TG）、N2吸附⁃脱附等手段对催化剂进行了表征，将其用于催化有机胺和环氧化物的开环反应制备β⁃氨基醇，结果表明该催化剂具有良好的催化效果.

金属⁃有机骨架；后合成修饰；环氧化合物开环反应；β⁃氨基醇

β⁃氨基醇是一种用途广泛的有机中间体，许多临床药物都含有β⁃氨基醇结构单元，因此具有重要应用价值，其合成过程也一直备受重视.环氧化物与有机胺的开环反应是制备β⁃氨基醇的重要途径［1～5］.许多均相催化剂被应用于β⁃氨基醇的合成，例如氨基磺酸［6］、金属醇盐［7］、金属卤化物［8］、过渡金属盐［9］、钼杂多酸盐［10］和离子液体［11］等.另外，为提高催化剂使用效率，将均相催化剂负载在二氧化硅纳米颗粒［12］或分子筛［13］等固态载体上的多相催化剂也得到一定的开发利用.但由于催化活性位点在载体上的分散不均匀，导致存在位置选择性差、副反应多及催化活性单元流失等缺点.因此，寻找一种选择性高、活性位点高度分散的新型多相催化剂是人们追求的目标.

金属⁃有机骨架化合物（MOFs）具有较大的比表面积和规则的纳米孔道［14，15］，其短程有序的晶态结构使其适合作为载体用于催化反应［16］.根据 MOFs的后合成修饰理论（Post⁃synthetic modification，PSM）的提出，可通过PSM共价键修饰技术将均相催化剂的活性单元嫁接到孔道内表面［17，18］，从而得到活性位点均一、高效的多孔催化剂.本文采用后合成修饰技术将水杨醛嫁接到一种具有较大比表面积的金属⁃有机骨架化合物UMCM⁃1⁃NH2上，得到席夫碱功能化的化合物UMCM⁃1⁃NH⁃Sal，再利用席夫碱螯合Cu2＋离子得到具有路易斯酸中心的多相催化剂UMCM⁃1⁃NH⁃Sal⁃Cu（Scheme 1），并将其用于催化有机胺和环氧化合物的开环反应（Scheme 2）.

Scheme 1 Synthetic route for UMCM⁃1⁃NH⁃Sal⁃Cu

Scheme 2 Ring opening reaction of epoxidesw ith am ines

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

六水合硝酸锌、氨基对苯二甲酸和2，4⁃乙酰基丙酮铜购于美国Acros公司；水杨醛、苯胺、氯仿、N，N⁃二甲基甲酰胺（DMF）和环氧氯丙烷购于国药集团化学试剂有限公司.所用试剂均为分析纯.

DD2 400MR型核磁共振波谱仪（NMR，安捷伦科技有限公司）；ASAP⁃2020型全自动物理化学吸附仪（美国Micromeritics公司）；DX⁃3型多功能X射线衍射仪（XRD，北京普析通用公司）；Q600型热重分析仪（TG，美国TA公司）；GC7820A型气相色谱仪（安捷伦科技有限公司）.

1.2 催化剂的合成

配体H3BTB［BTB＝1，3，5⁃三（4⁃羧基苯基）苯］及UMCM⁃1⁃NH2参考文献［19，20］方法合成.将32μL水杨醛溶于2 mL CHCl3作为母液，在 55℃烘箱中浸泡已合成好的 UMCM⁃1⁃NH2晶体（0.05 mmol，56 mg）11 d，每2天更换1次母液.11 d后倒掉母液，用CHCl3洗涤（10 mL×3），并用CHCl3（5 mL）浸泡1 d.重复洗涤、浸泡过程3次后，即得到UMCM⁃1⁃NH⁃Sal晶体.倒掉母液，加入2 mL CHCl3和0.013 g（0.05 mmol）Cu（acac）2，于55℃下反应24 h后掉倒母液，晶体用CHCl3洗涤（10 mL×3）后，用CHCl3浸泡保存.

1.3 催化过程

倒掉浸泡UMCM⁃1⁃NH⁃Sal⁃Cu的小瓶中的CHCl3，加入2mL新鲜CHCl3，再加入苯胺（10mmol）和环氧氯丙烷（10 mmol），于55℃烘箱中反应48 h.取反应液并用油膜滤头（孔径25μm）进行过滤，得到的产物通过Agilent 7890A⁃MS5975气相色谱⁃质谱和1H NMR谱进行鉴定，并采用Agilent 7820 A气相色谱定量分析反应的转化率和选择性.

2 结果与讨论

21 催化剂的表征

2.1.11H NMR表征 UMCM⁃1⁃NH2与水杨醛反应形成亚胺键，得到席夫碱化合物UMCM⁃1⁃NH⁃Sal.由于亚胺键在酸性条件下不稳定，通过用硼氢化钠还原的方式使得双键变为C—N单键（记为UMCM⁃1⁃Sal）［21］，而后者能在酸性条件下稳定存在.用DCl／D2O／DMSO⁃d6将UMCM⁃1⁃Sal消解，并进行1H NMR分析.图 1中δ8.02附近的强峰为样品消解后配体H3BTB的质子峰.UMCM⁃1⁃NH2的1H NMR在δ7.00，7.74，7.35处出现配体BDC⁃NH2中苯环上碳A、B、C上氢的信号峰.进行共价后修饰后，碳B上的氢向低场移动，化学位移变大；碳A、C上的氢向高场移动，化学位移变小.进行后修饰及还原后，在δ6.93，7.21，7.83处新出现了对应的氢的化学位移；此外，在δ6.70，6.84，7.04，7.08处新出现的峰可以说明氨基和Sal反应，生成了席夫碱.通过积分计算对应氢的积分面积比

为1∶1，则其后合成修饰比率为50%.

Fig.11H NMR spectra of UMCM⁃1⁃NH2（a）and UMCM⁃1⁃Sal（b）digested in DCl／D2O／DMSO⁃d6

2.1.2 氮气吸附⁃脱附分析 样品的氮气吸附⁃脱附曲线如图2所示.由UMCM⁃1⁃NH2，UMCM⁃1⁃NH⁃Sal 和UMCM⁃1⁃NH⁃Sal⁃Cu的氮气吸附⁃脱附曲线测得的比表面积分别是4395，3951和3219 m2／g，可见，对MOF进行共价修饰与配位修饰使其比表面积不断减小，但仍保持比一般载体更大的比表面积，这进一步印证了后修饰的成功.

Fig.2 Nitrogen adsorption⁃desorption isotherm s of UMCM⁃1⁃NH2（a），UMCM⁃1⁃NH⁃Sal（b）and UMCM⁃1⁃NH⁃Sal⁃Cu（c）

Fig.3 TG curves of UMCM⁃1⁃NH2（a），UMCM⁃1⁃NH⁃Sal（b）and UMCM⁃1⁃NH⁃Sal⁃Cu（c）

2.1.3 热重分析 样品的热重分析曲线如图3所示.由图3可见，UMCM⁃1⁃NH2及其后修饰产物的热稳定性基本相似.在50～100℃区间内三者均有较大的失重，这是由于MOF骨架上客体分子的失去所致；在100～400℃区间内MOF孔道内的溶剂分子逐渐失去，该溶剂分子与骨架上的有机基团存在非共价键作用.在400～500℃区间，由于MOF骨架坍塌，发生了急剧的失重过程.可见，后修饰并未改变UMCM⁃1⁃NH2骨架的稳定性；UMCM⁃1⁃NH2及其后修饰产物在400℃内骨架稳定.

2.1.4 PXRD分析 图4是UMCM⁃1⁃NH2及其后合成修饰样品的PXRD谱图.由图4可见，所合成的UMCM⁃1⁃NH2的PXRD谱与通过单晶结构数据模拟的PXRD谱吻合，表明合成的UMCM⁃1⁃NH2为纯相.而UMCM⁃NH⁃Sal⁃Cu与UMCM⁃1⁃NH2的主要峰位置基本一致，说明后修饰后的UMCM⁃NH⁃Sal⁃Cu维持了主体结构，并未发生骨架坍塌现象.图4谱线d是催化剂反应后测得的PXRD图谱，和反应前的谱图基本一致，可见催化反应的进行并没有破坏催化剂的晶体结构.

Fig.4 PXRD patterns of simulated UMCM⁃1⁃NH2（a），UMCM⁃1⁃NH2in CHCl3（b），UMCM⁃1⁃NH⁃Sal⁃Cu in CHCl3（c）and UMCM⁃1⁃NH⁃Sal⁃Cu after catalytic reaction（d）

2.1.5 ICP分析 在UMCM⁃1⁃NH2上经过共价后合成修饰之后，骨架上的氨基基团与水杨醛之间形成席夫碱，由于MOF骨架上与N相连的以及水杨醛上与O相连的都是苯环，苯环的给电子效应使UMCM⁃1⁃NH⁃Sal对金属离子的螯合能力大大增强.通过ICP测得UMCM⁃1⁃NH⁃Sal⁃Cu中Cu2＋的含量（质量分数）为1.81%.计算可得从UMCM⁃1⁃NH⁃Sal到UMCM⁃1⁃NH⁃Sal⁃Cu的转化率为65%.

2.1.6 催化反应产物的质谱与核磁分析 催化反应的产物通过气相色谱⁃质谱和1H NMR谱鉴定，其结果如下：EI⁃MS，m／z：185.5（M＋）；1H NMR（400 MHz，CDCl3），δ：7.20（t，2H），6.76（t，1H），6.65 （d，2H），4.06～4.14（m，1H），3.64（m，2H），3.36（dd，1H），3.23（dd，1H），2.62（bs，2H）.分析可知得到的产物是1⁃氯⁃3⁃苯氨基⁃2⁃丙醇.

2.2 催化性能

2.2.1 催化剂活性评价 选择环氧氯丙烷和苯胺进行环氧化合物的开环反应（数据见表1）.从实验结

果可知，在不加催化剂或在铜离子存在下并未产生β⁃氨基醇，将UMCM⁃1⁃NH2加入反应体系后，有极少的β⁃氨基醇生成，这可能是因为UMCM⁃1⁃NH2晶体表面存在部分缺陷，少量锌原子不饱和，从而具有一定的倾向接受外来电子对，起到催化作用.当以合成的多相催化剂UMCM⁃NH⁃Sal⁃Cu为催化剂时，苯胺的转化率可以达到53%，其选择性高达99%，这说明UMCM⁃NH⁃Sal⁃Cu对环氧氯丙烷和苯胺的环氧化合物开环反应有很好的催化效果.UMCM⁃NH⁃Sal⁃Cu对该反应的高选择性很可能是因为水杨醛和整个MOF的骨架结构对该反应形成位阻效应，从而使亲核试剂优先进攻环氧化合物中氢原子多的碳原子；另外，铜离子被螯合在MOF中使得酸性活性中心均匀分散，不发生团聚现象，这也有助于反应具有高选择性.氨基磺酸是环氧化合物和胺的开环反应常用的均相催化剂，通常是在没有溶剂的情况下催化反应，但其选择性比UMCM⁃NH⁃Sal⁃Cu低.催化剂UMCM⁃NH⁃Sal⁃Cu循环使用3次后催化性能无明显下降，苯胺的转化率均达到50%以上；且在反应进行5 h后，将催化剂趁热滤出，滤液继续反应，1⁃氯⁃3⁃苯氨基⁃2⁃丙醇的产率无明显变化，说明UMCM⁃NH⁃Sal⁃Cu催化剂具有良好的循环使用性能.

Table 1 Ring⁃opening reaction of epichlorohydrin with anilinea

aniline（10mmol），CHCl3（2 mL），temperature：328 K；time：48 h；b．under solvent⁃free condition.

2.2.2 反应底物的扩展 将胺和环氧化合物开环反应的底物进行拓展，选择含有其它取代基的环氧化合物及苯环上具有不同取代基的芳香胺进行催化反应（数据见表2）.从反应结果可知，更换反应底物后，环氧化合物开环反应的选择性均达到90%以上，其产率也超过45%.

Table 2 Ring opening reaction of different epoxides with am ines using UMCM⁃NH⁃Sal⁃Cu as cataly st∗

2.2.3 可能的反应机理 根据文献［8］，在合成的UMCM⁃1⁃NH⁃Sal⁃Cu中，锚装在MOF上的Cu2＋应扮演了路易斯酸催化中心的作用，可能的机理如Scheme 3所示.螯合在MOF上的Cu2＋吸附环氧化合物中的O原子，削弱了C—O键的强度，亲核试剂胺在空间效应主导下进攻氢原子多的碳原子，发生类似于SN2的反应，开环后得到β⁃氨基醇，反应具有很好的选择性.

Scheme 3 Proposed mechanism of the catalytic reaction

3 结 论

通过后合成修饰将席夫碱锚装在UMCM⁃1⁃NH2孔道中，螯合Cu2＋离子制备了具有路易斯酸中心的多相催化剂UMCM⁃1⁃NH⁃Cu⁃Sal，并将其用于催化胺和环氧化合物的开环反应，得到高选择性的产物β⁃氨基醇.该催化剂可循环使用，并能拓展到多种反应底物.

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Post⁃synthetic Modification of UMCM⁃1⁃NH2as a Catalyst to Prepareβ⁃Amino Alcohols†

LIU Hong，WANG Zhengren，CHEN Hengze，ZHANG Ruichang，CHEN Chao∗，ZHANG Ning∗
（Institute ofApplied Chemistry，Nanchang University，Nanchang 330031，China）

By themethod of post⁃synthetic modification of MOFs，salicylaldehyde was anchored to UMCM⁃1⁃NH2to give a Schiff base functionalized porous compound UMCM⁃1⁃NH⁃Sal.The copper ion can coordinate with N atoms and O atoms inside the channels of the compound to give another compound UMCM⁃1⁃NH⁃Sal⁃Cu.The compound could catalyze the ring⁃opening reaction of epoxideswith amines to yieldβ⁃amino alcohols，and showed good catalytic performance in such reactions.

Metal⁃organic framework；Post⁃synthetic modification；Epoxide ring⁃opening reaction；β⁃Amino alcohol

O643.3

A

10.7503／cjcu20160551

（Ed.：F，K，M）

†Supported by the National Natural Science Foundation of China（Nos.21561020，21261017），the Natural Science Foundation of Jiangxi Province，China（Nos.20153BCB23021，20133ACB20001，20132BAB213004）and the Natural Science Foundation of Educational Department of Jiangxi Province，China（No.GJJ13112）.

2016⁃07⁃29.

日期：2016⁃10⁃21.

国家自然科学基金（批准号：21561020，21261017）、江西省自然科学基金（批准号：20153BCB23021，20133ACB20001，20132BAB213004）和江西省教育厅自然科学基金（批准号：GJJ11012）资助.

联系人简介：陈 超，男，博士，教授，主要从事MOFs材料合成与催化研究.E⁃mail：chaochen@ncu.edu.cn 张 宁，男，博士，教授，主要从事多相催化研究.E⁃mail：nzhang.ncu@163.com