铜基金属有机框架材料催化Friedländer反应实验教学探索

杨依法， 杜旭朝， 曾宇曦， 任相伟，b，c， 赵温涛，b，c， 张万东，b，c

（天津大学a.理学院；b.化学化工国家级实验教学示范中心；c.化学化工国家级虚拟仿真实验教学中心，天津300354）

0 引 言

Friedländer反应是合成喹啉化合物最重要的方法之一［1］，其基本形式是邻氨基芳香羰基化合物与含有活泼的α-甲基或亚甲基羰基化合物发生缩合反应。在反应体系中，主要采用酸碱催化［2］、有机金属催化［3］、离子液体催化［4］等。对于传统的均相催化剂，如H2，对甲苯磺酸［7］等，虽然具有高活性和高选择性，但与反应体系分离困难，难以重复使用。因此，均相催化剂的固载化，被用于Friedländer反应中，如硅胶负载高氯酸［8］，但固载化的催化剂，由于活性位点的有效浓度降低并存在一定的扩散阻力，导致其活性和选择性不如均相催化剂。

金属有机框架材料（Metal Organic Frameworks，MOFs）是一类有机-无机杂化材料［9］，由有机配体和无机金属通过自组装形成的以金属为节点的网状结构的材料，一般具有多孔性、高比表面积、规整有序的晶体结构、可调变的孔径以及易功能化等特点。可变的金属中心及有机配体导致了MOFs材料的结构和功能多样化。易去除的参与配位的小分子溶剂使金属位点均匀地裸露在空隙之间，使其催化性能大大提高，在催化有机合成中的应用也十分广泛［10-13］。基于以上优点，MOFs的合成与应用已成为国内外化学科研工作者研究的热点［14］。本实验将对合成的Cu-MOFs材料作为多相催化剂在催化Friedländer反应中的应用作详细的探讨，并对其在基础有机化学实验中的应用加以研究。

1 实验教学总体设计

在有机化学实验课程教学过程中，融入对学科前沿、科研动态的介绍，向学生介绍化学领域的新进展，引入当今化学学科的新发现、新发明、新方法和新手段，确保教学内容的科学性和先进性，将经典有机化学理论与学科前沿发展相结合，确保教学内容与时俱进。

本实验以1，4-对苯二甲酸为有机配体，采用廉价易得的金属铜材料为催化活性组分，以DMF为溶剂，通过溶剂热法构筑了二维金属有机框架，并采用日立180-80偏振塞曼原子吸收光谱仪对Cu（BDC）中的铜元素进行含量分析，测定其铜含量为3.25 mmol／g，由此可以计算出催化反应所需的Cu（BDC）量。

本实验根据教学要求，既可以作为高年级的综合化学实验使用，亦可拆分为无机合成实验（主要是催化剂的制备）和有机合成实验（直接使用金属有机框架材料催化Friedländer反应）分别开出。如果作为8学时的基础有机化学实验，其中用1学时讲解Friedländer反应的原理和基本操作，2学时由本科生进行有机反应，4学时的产品分离与纯化，1学时的实验数据整理。

2 Friedländer 反应流程

非均相催化Friedländer反应方程式为：

在100 mL干燥的三口瓶中，依次加入0.31 g的苯乙酮（0.3 mmol，0.3 mL）、0.055 g 的2-氨基苄醇（0.45 mmol）、0.1 mL 的十二烷（0.88 mmol）、36 mg的NaOH（0.9 mmol）和30 mL DMF，再加入一枚搅拌子和38 mg的Cu（BDC）。三口瓶上安装回流冷凝管和温度计，然后将烧瓶置于70°C的恒温水浴中，搅拌反应1 h。本实验中催化剂用量以Cu（BDC）中铜的含量与苯乙酮的摩尔比来计算。反应过程中用薄层色谱或气相色谱跟踪反应进程。反应1 h后，稍冷，加入10 mL 5%的氢氧化钠溶液，继续搅拌5 min，再将混合液减压过滤，滤去催化剂，并收集母液。母液用20 mL乙醚萃取，萃取液再经干燥、普通蒸馏、减压蒸馏得2-苯喹啉的粗产品。后经柱层析（石油醚∶乙酸乙酯＝30∶1）分离，得到2-苯基喹啉0.51 g，白色固体，产率83%。m.p.：82 ～ 84 °C［15］；1H NMR （CDCl3，400 MHz）：δ 8.25 ～ 8.14（m，4H），7.88（d，J ＝ 8.6 Hz，1H），7.83（dd，J ＝ 8.1，0.9 Hz，1H），7.74（ddd，J ＝8.4 7.0，1.4 Hz，1H），7.57 ～ 7.51（m，3H），7.50 ～7.43（m，1H）；13C NMR（CDCl3，100 MHz）：δ＝157.40，148.33，139.73，136.79，128.78，129.68，129.34，127.60，127.22，126.31，119.03，77.38，77.06，76.74× 10-6；IR（KBr）：νmax＝ 3 437，3 054，3 024，2 925，1 549，1 481，1 442，1 347，1 074，1 026，774，698，630 cm-1。

3 实验结果与讨论

3.1 催化剂用量对2-苯喹啉产率的影响

实验中用Cu（NO3）2·3H2O和对苯二甲酸（H2BDC）为原料，利用溶剂热法合成了Cu（BDC）型MOFs，该催化剂中，Cu是以Cu2＋的形式存在于骨架的节点上，H2BDC提供了支撑骨架。本实验中催化剂用量以Cu（BDC）中铜的含量与苯乙酮的摩尔比来计算，研究范围选定为0 mol% ～5 mol%。2-氨基苄醇与苯乙酮的Friedländer反应中，催化剂的用量与2-苯基喹啉的产率之间的关系如图1所示。当未加入催化剂时，2-苯喹啉的产率几乎为零，而随着催化剂的用量增加时，产物的产率也同时增加，当催化剂用量为5%时，2-苯喹啉的产率最高。随着催化剂用量的增加，产物的产率增加，其主要原因是提高催化剂用量后，单位反应物的催化剂活性中心数量增加，反应底物与催化剂接触机率增大，使得催化反应更容易进行。实验结果与文献报道的一致［16］，表明Cu（BDC）对Friedländer反应具有很高的催化活性和选择性。

图1 催化剂用量对产率的影响

3.2 催化剂的多相性

在以MOFs材料为催化剂进行Friedländer喹啉合成反应中，为验证实验体系的多相性，选择5mol%Cu（BDC）催化剂为例，当反应进行到20 min时，从反应混合物中将固体催化剂过滤掉，在相同的条件下再继续反应40 min，其反应结果如图2所示。实验结果表明1 h后2-苯喹啉的最终产率略有增加达到62%，但远低于Cu（BDC）仍存在于反应物中的2-苯喹啉产率，表明Cu（BDC）在反应过程中，催化剂的活性中心Cu2＋没有从支撑物H2BDC中溶脱至反应体系中，形成均相催化，说明该催化剂在此反应体系中表现为多相催化剂。

3.3 催化剂Cu（BDC）的稳定性与循环使用性

对于非均相催化剂在有机合成中的应用，其重要的问题就是催化剂的稳定性。本实验中Cu（BDC）在催化Friedländer反应后采用简单的溶剂洗涤法进行再生后，用于下次的催化反应中。首先将过滤后的催化剂在DMF溶液中搅拌2 h，随后用大量的DCM洗涤，将洗涤分离后的催化剂在160°C的温度下真空活化1 h。Cu（BDC）的重复使用性能如图3所示。催化剂在每次实验后有所损失，导致催化剂的活性中心数量降低，使得每次循环使用后产率有所不同。以上实验结果表明，Cu（BDC）在催化Friedländer反应过程中具有一定的稳定性和很好的循环使用性能。

图2 催化剂多相性研究

3.4 Cu（BDC）对Friedländer反应的催化普适性

为考察Cu（BDC）催化Friedländer反应合成喹啉衍生物的普适性，实验中用不同取代基的苯乙酮与2-氨基苄醇在相同的反应条件下进行催化反应制备了一系列的喹啉衍生物。反应过程中通过气相色谱跟踪反应的进程，从谱图上未观察到有副产物生成，说明这些反应具有接近100%的选择性。反应结束后，用柱色谱对粗产品进行了分离与纯化。实验结果见表1。

由表1可见，Cu（BDC）对催化不同取代基的苯乙酮的Friedländer反应均具有普遍良好的催化活性。

表1 使用Cu（BDC）催化剂合成各种喹啉衍生物a

4 教学要求

本文设计了以铜基金属有机框架材料为非均相催化剂的Friedländer喹啉合成反应，并探讨了在Friedländer反应中催化剂用量对产物的影响，催化剂的稳定性及循环利用性，并探讨了催化剂的非均相催化性以及催化剂的普适性，同时利用现代仪器熔点测定仪，红外光谱仪，核磁共振仪对有机产品进行了表征。本实验包括了有机化合物的合成，分离及纯化，有利于本科生综合实验能力的提高和创新能力的培养。其实验目的如下：了解非均相催化下的Friedländer喹啉合成机理；学习柱色谱的分离原理，掌握层析柱的装柱技术以及分离物质的操作；学习在有机合成反应中利用气相色谱或TLC技术跟踪反应进程；了解红外光谱仪，熔点分析仪，核磁共振等大型仪器的使用方法及其谱图的解析。

5 结 语

本文以金属有机框架材料为异相催化剂，2-氨基苄醇和系列取代苯乙酮进行的Friedländer反应，对各种影响苯乙酮转化率和产物选择性的因素进行了系统的考察，并利用层析柱对粗产品进行了分离和纯化。实验中用廉价的2-氨基苄醇取代了传统Friedländer反应中不易保存的2-氨基苯甲醛，降低了实验成本；以金属有机框架材料（Cu（BDC））作为催化剂，实现了非均相催化反应，避免了均相催化反应体系中催化剂难分离且产品后处理困难等因素，符合绿色化学要求，且此催化剂具有普适性，易回收，易活化，能够再利用；该实验反应时间较短、反应现象明显、产品后处理简单，且实验过程中涉及多种基础有机化学实验操作（如恒温水浴、萃取、固液分离、普通蒸馏、减压蒸馏、旋转蒸发、薄层色谱、柱色谱等），适用于基础有机化学实验教学。