一种螺环1,2,4-三氮唑卡宾金属配合物、中间体及其制备方法和应用

(一)本发明属于有机化学领域，其涉及一种螺环1,2,4-三氮唑卡宾金属配合物、中间体及其制备方法和应用。

背景技术：

0、(二)背景技术

1、卡宾金属配合物催化是有机化学研究领域的热点之一，其关键在于设计合成高活性和高选择的卡宾金属催化剂。在有机催化领域，氮杂环卡宾作为一类有机催化剂，广泛应用于极性反转反应、酰基化反应、碱催化反应和增环化反应等，更为重要的是，氮杂环卡宾因其结构易修饰等特点被广泛应用于不对称催化反应中。

2、目前的1,2,4-三氮唑卡宾，主要应用于反应试剂、有机催化和金属催化等领域。随着对氮杂环卡宾研究的不断深入，氮杂环卡宾已逐渐成为催化领域的研究热门对象。然而，在催化研究领域基于氮杂螺环骨架卡宾的研究鲜有报道。

技术实现思路

0、(三)技术实现要素：

1、本发明目的是提供一种螺环1,2,4-三氮唑卡宾金属配合物、中间体及其制备方法和应用，以螺环酮为原料，在还原剂的作用下，将碳基还原成羟基生成氮杂螺环醇，氮杂螺环醇在强碱性试剂作用下与卤代烷反应得到氮杂螺环醚化合物，经过酸性条件脱保护得到脱保护的氮杂螺环醚化合物，再依次加入氧鎓盐、肼、酯，反应得到新型氮杂螺环1,2,4-三氮唑盐，在碱性条件下与金属化合物反应得到新型氮杂螺环氮杂卡宾金属配合物。

2、本发明采用的技术方案是：

3、本发明提供一种式(ⅰ)所示螺环1,2,4-三氮唑卡宾金属配合物，

4、

5、式(ⅰ)中，r1为苯基、4-甲氧基苯基、3,5-二甲基苯基、2,4,6-三甲基苯基、2-萘基、6-甲基吡啶基、吡啶基、喹啉基、苄基或金刚烷基；r2为甲基、乙基、丙基、异丙基、苄基或磺酰基，m为au，l为cl-。

6、进一步，所述螺环1,2,4-三氮唑卡宾金属配合物为下列之一：

7、

8、本发明还提供一种用于制备式(ⅰ)所示螺环1,2,4-三氮唑卡宾金属配合物的中间体，所述中间体结构式如式(ⅱ)所示：

9、

10、式(ⅱ)中r1为苯基、4-甲氧基苯基、3,5-二甲基苯基、2,4,6-三甲基苯基、2-萘基、6-甲基吡啶基、吡啶基、喹啉基、苄基或金刚烷基，r2为甲基、乙基、丙基、异丙基、苄基或磺酰基；y为抗衡阴离子bf4-。

11、进一步，所述中间体为下列之一：

12、

13、本发明还提供一种螺环1,2,4-三氮唑卡宾金属配合物的制备方法，所述方法按如下步骤进行：

14、(1)化合物ⅳ的制备：在氩气保护下，将式(ⅲ)所示氮杂螺环酮溶于甲醇中，0℃低温搅拌(优选500r/min)条件下，加入还原试剂，继续0℃低温搅拌(优选500r/min)条件下对羰基进行还原(优选500r/min、10min)，再加入饱和氯化铵水溶液(优选加入速度10ml/min，加入量以式(ⅲ)所示氮杂螺环酮质量计为10ml/g)搅拌10min(优选500r/min)后分离有机相(优选分液漏斗分离)，水相用二氯甲烷萃取后的有机相再用饱和食盐水反萃，有机相用无水硫酸镁干燥，过滤，滤液减压浓缩至干，得到式(ⅳ)所示氮杂螺环醇的粗产物；所述还原试剂为氢化铝锂、硼氢化钠、氰基硼氢化钠、二异丁基氢化铝或三仲丁基硼氢化锂；

15、(2)化合物ⅴ的制备：式(ⅳ)所示氮杂螺环醇的粗产物溶于四氢呋喃中，0℃下加入强碱性试剂，0℃搅拌(优选500r/min)反应30min，加入式(ⅶ)所示卤代物，升温至室温(25℃)继续搅拌(优选500r/min)反应10h，0℃条件下向反应液中加入冰水淬灭，分离有机相(优选分液漏斗分离)，水相用二氯甲烷萃取后的有机相再用饱和食盐水洗涤，无水硫酸镁干燥，过滤，滤液减压浓缩至干，得到式(ⅴ)所示氮杂螺环醚化合物的粗产物；

16、(3)化合物ⅵ的制备：式(ⅴ)所示氮杂螺环醚化合物的粗产物溶于甲苯中，氩气保护下，加入甲磺酸，在加热回流(优选120℃)反应10h，反应液在0℃下加入饱和碳酸氢钠淬灭，上样硅胶层析柱，用乙酸乙酯洗脱，洗脱速度2ml/s，洗脱2个柱体积，再以体积比100:1的二氯甲烷：甲醇洗脱，洗脱速度2ml/s，洗脱3个柱体积，收集二氯甲烷/甲醇全部流出液，减压浓缩至干，得到脱保护的式(ⅵ)所示氮杂螺环醚化合物；

17、(4)化合物ⅱ的制备：式(ⅵ)所示氮杂螺环醚化合物溶于二氯乙烷中，室温下加入氧鎓盐，室温搅拌(优选500r/min)反应12h后，再加入式(ⅷ)所示肼，室温搅拌(优选500r/min)反应12后，减压去除二氯乙烷，加入氯苯搅拌(优选500r/min)溶解后再加入酯，120℃反应12h，降至室温，反应液浓缩至原体积的三分之一，浓缩液上样硅胶层析柱，以体积比50:1的二氯甲烷：甲醇为洗脱剂，洗脱速度2ml/s，洗脱2个柱体积，收集全部流出液，减压浓缩至干，得到式(ⅱ)所示螺环1,2,4-三氮唑盐；

18、(5)化合物ⅰ的制备：式(ⅱ)所示螺环1,2,4-三氮唑盐和碱、金属化合物溶于四氢呋喃中，室温搅拌(优选500r/min)过夜，反应液上样硅胶层析柱，用体积比4:1的石油醚：乙酸乙酯洗脱，洗脱速度2ml/s，洗脱2个柱体积，收集全部流出液，减压浓缩至干，得到式(ⅰ)所示氮杂螺环卡宾金属配合物；

19、

20、式(ⅲ)r3为苄基、萘乙基或叔丁氧羰基；式(ⅳ)、(ⅴ)中r3同式(ⅲ)r3；

21、式(ⅶ)中r2为甲基、乙基、丙基、异丙基、苄基或磺酰基，x为氯、溴、碘；式(ⅴ)、(ⅵ)、(ⅱ)、(ⅰ)中r2同式(ⅶ)中r2；

22、式(ⅷ)中r1为苯基、4-甲氧基苯基、3,5-二甲基苯基、2,4,6-三甲基苯基、2-萘基、6-甲基吡啶基、吡啶基、喹啉基、苄基或金刚烷基，式(ⅱ)、(ⅰ)中r1同式ⅷ)中r1；

23、式(ⅱ)中y为抗衡阴离子bf4-；

24、式(ⅰ)中m为au，l为cl-。

25、进一步，步骤(1)氮杂螺环酮与还原试剂投料物质的量之比为1：1-5(优选1:3)；所述甲醇体积用量以氮杂螺环酮质量计为10-50ml/g，优选30ml/g。

26、进一步，步骤(1)按如下步骤进行：在氩气保护下，将式(ⅲ)所示氮杂螺环酮溶于超干甲醇中，置于0℃，随后在500r/min搅拌状态下加入硼氢化钠，加入完毕后0℃、500r/min搅拌10分钟，再加入饱和氯化铵水溶液，500r/min搅拌10分钟后，用分液漏斗分离有机相，水相用二氯甲烷(50ml×3)萃取，合并有机相并用饱和食盐水反萃，有机相用无水硫酸镁干燥，过滤，滤液减压浓缩至干，得到化合物ⅳ的粗产物。

27、进一步，步骤(2)所述强碱性试剂为氢氧化钾、氢氧化钠、甲醇钠、氢化钠、叔丁醇钠、叔丁醇钾、正丁基锂、叔丁基锂、二(三甲基硅基)氨基锂、双三甲基硅基胺基钠、双三甲基硅基胺基钾、叔丁醇锂、碳酸钾、碳酸铯、碳酸钠、三乙胺或1,8-二氮杂环[5,4,0]十一烯-7，优选氢化钠；所述卤代物为碘甲烷、溴乙烷、溴丙烷、溴异丙烷、苄溴、氯乙烷、氯丙烷、苄氯、甲磺酰氯或对甲苯磺酰氯，优选碘甲烷。所述式(ⅳ)所示氮杂螺环醇与强碱性试剂投料物质的量之比为1：1-5(优选1：3)；所述式(ⅳ)所示氮杂螺环醇与卤化物投料物质的量之比为1：1-3(优选1：1.5)；所述四氢呋喃体积用量以式(ⅳ)所示氮杂螺环醇质量计为10-50ml/g，优选20ml/g。

28、进一步，步骤(2)按如下步骤进行：将化合物ⅳ的粗产物溶解于干燥的四氢呋喃中，于0℃条件下加入氢化钠，0℃条件下500r/min搅拌30分钟后，加入碘甲烷，升温至室温(25℃)，500r/min搅拌10h后，于0℃条件下向反应液中加冰小心淬灭，10分钟后用分液漏斗分离有机相，水相用二氯甲烷(50ml×3)萃取，合并有机相并用饱和食盐水洗涤，无水硫酸镁干燥，过滤，滤液减压浓缩至干，得到化合物ⅴ的粗产物。

29、进一步，步骤(3)所述酸为甲磺酸、甲酸、乙酸、三氟乙酸或盐酸；所述式(ⅴ)所示氮杂螺环醚化合物与酸投料物质的量之比为1：1-5(优选1：3)；所述甲苯体积用量以式(ⅴ)所示氮杂螺环醚化合物质量计为20-40ml/g(优选23ml/g)。

30、进一步，步骤(3)按如下步骤进行：将化合物ⅴ的粗产物溶解于干燥的甲苯，氩气保护下，将甲磺酸加入反应体系中，反应体系加热至120℃，回流10h后，将反应体系置于0℃条件下加饱和碳酸氢钠淬灭，淬灭后加入硅胶(粒径200-300目)，旋干，干法上样层析柱(内径10cm，装柱高度10cm)，以乙酸乙酯为洗脱剂进行洗脱，洗脱速度2ml/s，洗脱2个柱体积，再以体积比100:1的二氯甲烷：甲醇洗脱，洗脱速度2ml/s，洗脱3个柱体积，收集二氯甲烷/甲醇全部流出液，减压浓缩至干，得到化合物ⅵ。

31、进一步，步骤(4)中，所述氧鎓盐为甲基氧鎓四氟硼酸盐或三乙基氧鎓四氟硼酸盐；所述肼为苯肼、吡啶肼、萘肼、喹啉肼、苄肼或金刚烷肼；所述酯为原甲酸三甲酯或原甲酸三乙酯。所述式(ⅵ)所示氮杂螺环醚化合物与氧鎓盐投料物质的量之比为1：0.5-1.5(优选1：1)；所述式(ⅵ)所示氮杂螺环醚化合物与肼投料物质的量之比为1：0.5-1.5(优选1：1)；所述酯体积用量以式(ⅵ)所示氮杂螺环醚化合物质量计为5-15ml/g(优选10ml/g)；所述二氯乙烷体积用量以式(ⅵ)所示氮杂螺环醚化合物质量计为10-50ml/g(优选30ml/g)；所述氯苯体积用量以式(ⅵ)所示氮杂螺环醚化合物质量计为50-100ml/g(优选80ml/g)。

32、进一步，步骤(4)按如下步骤进行：将化合物ⅵ溶于干燥的二氯乙烷中，体系于室温条件下加入三甲基氧鎓四氟硼酸，加完后体系500r/min搅拌12小时，再向体系中加入苯肼，室温继续500r/min搅拌12小时，随后减压蒸除体系中的二氯甲烷，浓缩后的体系用氯苯溶解，500r/min搅拌1分钟后加入原甲酸三乙酯，加热120℃回流12h后体系降至室温，浓缩至原体积的三分之一，浓缩液上样硅胶柱(硅胶粒径200-300，内径2cm，装柱高度10cm)，用体积比50:1的二氯甲烷/甲醇进行洗脱，洗脱速度为2ml/s，收集全部流出液，减压浓缩至干，得到化合物ⅱ。

33、进一步，步骤(5)碱为双三甲基硅基胺基钠、双三甲基硅基胺基钾、双三甲基硅基胺基锂、叔丁醇锂、叔丁醇钠、叔丁醇钾、碳酸钾、碳酸铯、碳酸钠、三乙胺或1,8-二氮杂环[5,4,0]十一烯-7；所述金属化合物中金属及cas号为：pd(14221-01-3、3375-31-3、12107-56-1)、ru(32993-05-8、37366-09-9、15746-57-3)、rh(12354-85-7、12092-47-6、13938-94-8)、ir(12354-84-6、12112-67-3、14023-80-4、35138-23-9、17250-25-8、791629-96-4)、ni(1295-35-8、31904-79-7)、co(26305-75-9)、cu(14783-09-6)，au(29892-37-3、14243-64-2)、se(7782-49-2)或b(14044-65-6)，优选二甲硫醚氯化金。式(ⅱ)所示螺环1,2,4-三氮唑盐与碱投料物质的量之比为1：1-3(优选1：1)；式(ⅱ)所示螺环1,2,4-三氮唑盐与金属化合物投料物质的量之比为1：1-2(优选1：1)；所述四氢呋喃体积用量以式(ⅱ)所示螺环1,2,4-三氮唑盐的质量计为20-60ml/g(优选30ml/g)。

34、进一步，步骤(5)按如下步骤进行：室温条件下将化合物ⅱ与k2co3、二甲硫醚氯化金依次加入四氢呋喃中，反应体系于室温条件下搅拌过夜，反应体系直接上样硅胶柱层析(硅胶粒径200-300，内径2cm，装柱高度10cm)，用体积比4:1的石油醚/乙酸乙酯洗脱，洗脱速度为2ml/s，收集全部流出液，减压浓缩至干，得到化合物ⅰ。

35、本发明还提供一种氮杂螺环1,2,4-三氮唑卡宾金属配合物在催化炔类化合物的氮化反应中的应用，所述应用的方法为：以氮杂螺环1,2,4-三氮唑卡宾金属配合物为催化剂，以炔类化合物为底物，加入三氟甲磺酸银和四氢呋喃，在25℃反应，反应液分离纯化，得到吡咯连环丁烷化合物；所述炔类化合物包括环丁醇高炔丙胺。

36、进一步，所述催化剂与底物投料物质的量之比为0.05-1:1，优选0.1:1；所述三氟甲磺酸银与底物投料物质的量之比为0.05-1:1，优选0.1:1；所述四氢呋喃体积用量以底物物质的量计为0.5-2ml/mmol，优选1ml/mmol。

37、与现有技术相比，本发明有益效果主要体现在：

38、本发明提供了一种新型氮杂螺环1,2,4-三氮唑卡宾金属配合物及其制备方法，其可作为一种有效的催化剂应用于催化炔的氮化反应。目前还没有以环丁醇高炔丙胺为底物催化合成吡咯连环丁烷化合物被报道。整个制备过程简单高效，易于操作，具有可重复性高，产率高达81％的优点。