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ZnBr2催化合成2-噁唑烷酮类化合物

张卫卫

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引用本文: 张卫卫. ZnBr2催化合成2-噁唑烷酮类化合物[J]. 化学通报, 2017, 80(10): 980-983, 952. shu
Citation:  Zhang Weiwei. ZnBr2 Catalyzed Syntheses of 2-Oxazolidinones[J]. Chemistry, 2017, 80(10): 980-983, 952. shu

ZnBr2催化合成2-噁唑烷酮类化合物

  • 河西学院医学院 张掖 734000

    • 通讯作者: 张卫卫, 男, 讲师, 主要从事新材料的分析与合成研究。E-mail:Zhang_weiwei81@126.com
  • 基金项目:

    国家自然科学基金项目（21462016）资助

摘要: 在甲苯中，以ZnBr2为催化剂、4-二甲氨基吡啶为碱，通过N-Boc取代的炔基胺类化合物的环化反应合成了5位取代的2-噁唑烷酮类化合物。考察了催化剂种类、碱、温度等对反应的影响，在优化条件下以良好的产率得到了一系列目标产物。

English

  • 在过去的数十年里，人们开发了钯、金、铑、钌等高效的过渡金属催化剂，并在化学合成中得到了广泛的应用。但是这些过渡金属在地壳中含量稀少且价格昂贵，有些重金属毒性较大，这在一定程度上限制了它们在有机合成中的工业化应用。为了解决这一问题，人们将目光转向了含量丰富、低毒、廉价金属催化的反应。近年来，随着有机锌化学的发展，各种锌试剂越来越多地被运用到现代有机合成反应中[1]，特别是锌作为催化剂的反应显示出了广阔的应用前景，如锌催化的环丙烷化反应[2, 3]、锌催化的解聚反应[4, 5]等。其中，锌催化炔烃的相关反应在过去的数年中被大量报道，并被广泛运用于碳-碳键、碳-氧键和碳-氮键的构建中[6]。通常锌催化炔烃反应的方式有两种，一种是通过对末端炔氢的活化实现对一些不饱和键的加成，另一种是通过对炔烃π键的配位，使其接受其他亲核试剂的进攻。

    噁唑烷酮及其衍生物是一类重要的杂环化合物，存在于各种天然产物[7, 8]和一些具有生物活性的化合物中[9, 10]。手性噁唑烷酮类化合物作为手性辅剂在不对称催化反应中有着广泛的应用[11, 12]，同时它们也可以作为合成氨基醇类化合物的中间体[13, 14]。从氨基醇、烯基酰胺、氨基甲酸酯、环氧化合物、氮杂环丙烷、异氰酸酯等[15~25]不同原料出发，人们发展了多种合成取代噁唑烷酮衍生物的方法，但是有些仍需要苛刻的反应条件，或是要经过多步反应才能得到目标产物。所以发展一种简单、高效合成噁唑烷酮衍生物的方法很有必要。最近Buzas等[26]和Robles-Machin等[27]发展了一种过渡金属催化N-Boc取代的炔基胺环化合成2-噁唑烷酮衍生物的方法，反应中使用Au(I)作为催化剂。基于对2-噁唑烷酮类化合物的绿色合成方法及廉价金属催化反应的持续关注，本文以N-Boc取代的炔基胺类化合物为底物，以溴化锌为催化剂、4-二甲氨基吡啶为碱、甲苯为溶剂，合成了一系列5位取代的2-噁唑烷酮衍生物，收率为65%~85%，其结构经1H NMR和13C NMR确证。并进行了反应条件的优化和底物的扩展。

    1   实验部分

    1.1   试剂及仪器

    X-4数字显示微熔点测量仪(巩义予华仪器有限责任公司)；AM-300型核磁共振谱仪(德国Bruker公司)，以CDCl3为溶剂，TMS为内标；无水溴化锌(99%，百灵威科技有限公司)；4-二甲氨基吡啶(DMAP，分析纯，国药集团化学试剂有限公司)；甲苯在钠丝存在下以二苯甲酮显色为蓝色时蒸出。原料1a~1n参照文献[27]方法制备，其氢谱与文献报道一致。

    1.2   目标化合物的合成

    在Schlenk反应管中依次加入22.7mg(0.05mmol)ZnBr2、12.5mg(0.05mmol)DMAP、130.2mg(0.5mmol)1a和2mL甲苯，于90℃氮气保护下反应6h。反应完成后，冷却，加入10mL水，乙酸乙酯(10mL×3)萃取。有机相用饱和食盐水(15mL×2)洗涤，无水硫酸钠干燥，过滤后浓缩，经硅胶柱层析(洗脱剂：石油醚/乙酸乙酯10:1，体积比)得纯产品2a。合成路线见图式 1。

    图式 1 2-噁唑烷酮的合成路线 Scheme1. Synthesis route of 2-oxazolidinones
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    1.3   目标化合物的表征

    2a：白色固体，熔点138~137℃；1H NMR(300MHz，CDCl3)δ：7.43(d，J=9.3Hz，2H)，6.92(d，J=9.3Hz，2H)，4.85~4.79(m，1H)，4.60(t，J=2.5Hz，2H)，4.44~4.38(m，1H)，3.80(s，3H)；13C NMR(75MHz，CDCl3)δ：156.7，152.5，148.0，130.1，120.1，114.5，87.0，55.6，48.9。

    2b：白色固体，熔点121~120℃；1H NMR(300MHz，CDCl3)δ：7.45~7.39(m，2H)，7.22(d，J=8.1Hz，2H)，4.84(q，J=3.0Hz，1H)，4.61(t，J=2.5Hz，2H)，4.44~4.37(m，1H)，2.35(s，3H)；13C NMR (75MHz，CDCl3)δ：152.3，147.9，134.6，134.4，129.7，118.3，86.9，48.5，20.7。

    2c：白色固体，熔点114~113℃；1H NMR(300MHz，CDCl3)δ：7.60~7.53(m，2H)，7.45~7.38(m，2H)，7.19(t，J=7.6Hz，1H)，4.87(q，J=3.0Hz，1H)，4.66(t，J=2.5Hz，2H)，4.45~4.36(m，1H)；13C NMR (75MHz，CDCl3)δ：152.3，147.7，137.2，129.2，124.6，118.2，86.9，48.4。

    2d：白色固体，熔点51~50℃；1H NMR(300MHz，CDCl3)δ：7.41~7.22(m，5H)，4.77~4.74(m，1H)，4.53(s，2H)，4.28~4.25(m，1H)，4.05(t，J=2.5Hz，2H)；13C NMR(75MHz，CDCl3)δ：155.6，148.9，135.0，129.0，128.2，128.1，86.9，47.9，47.2。

    2e：黄色液体；1H NMR(300MHz，CDCl3)δ：5.84~5.71(m，1H)，5.30(s，1H)，5.25(dd，J=6.0、1.3 Hz，1H)，4.75(q，J=3.1Hz，1H)，4.29(q，J=3.1Hz，1H)，4.12(t，J=2.5Hz，2H)，3.93~3.84(m，2H)；13C NMR(75MHz，CDCl3)δ：155.2，148.9，131.3，119.2，86.9，47.5，46.4。

    2f：黄色液体；1H NMR(300MHz，CDCl3)δ：4.74(q，J=2.9Hz，1H)，4.31(q，J=2.9Hz，1H)，4.20(t，J=2.5Hz，2H)，3.31~3.25(m，2H)，1.63~1.53(m，2H)，0.91(t，J=7.5Hz，3H)；13C NMR (75MHz，CDCl3)δ：155.5，149.0，86.7，47.9，45.4，20.7，11.2。

    2g：黄色液体；1H NMR (300MHz，CDCl3)δ：4.73(q，J=2.9Hz，1H)，4.27(q，J=2.9Hz，1H)，4.15(t，J=2.5Hz，2H)，3.32~3.25(m，2H)，1.62~1.54(m，2H)，1.36~1.32(m，2H)，0.91(t，J=7.4Hz，3H)；13C NMR (75MHz，CDCl3)δ：155.6，149.1，86.5，47.7，43.5，29.6，19.5，13.2。

    2h：黄色液体；1H NMR (300MHz，CDCl3)δ：4.73(q，J=2.9Hz，1H)，4.26(q，J=2.9Hz，1H)，4.20~4.15(m，1H)，4.10(t，J=2.5Hz，2H)，1.23(d，J=7.0Hz，6H)；13C NMR(75MHz，CDCl3)δ：155.0，149.5，86.9，44.8，43.2，19.6。

    2i：黄色液体；1H NMR (300MHz，CDCl3)δ：4.74(q，J=2.9Hz，1H)，4.28(q，J=2.9Hz，1H)，4.17(t，J=2.5Hz，2H)，3.12~3.08(m，2H)，1.92~1.88(m，1H)，0.93(d，J=7.0Hz，6H)；13C NMR (75MHz，CDCl3)δ：155.7，149.2，86.5，51.3，48.5，26.8，19.7。

    2j：黄色液体；1H NMR (300MHz，CDCl3)δ：4.71(q，J=3.0Hz，1H)，4.27(q，J=3.0Hz，1H)，4.26~4.21(m，1H)，4.14(t，J=2.5Hz，2H)，1.99~1.86(m，2H)，1.80~1.43(m，6H)；13C NMR (75MHz，CDCl3)δ：155.5，149.3，86.2，54.1，44.2，28.9，23.8。

    2k：白色固体；熔点51~50℃；1H NMR(300MHz，CDCl3)δ：5.21(s，1H)，4.73(q，J=2.0Hz，1H)，4.32(q，J=2.0Hz，1H)，4.23~4.19(m，2H)；13C NMR (75MHz，CDCl3)δ：157.5，150.9，87.0，44.6。

    2l：黄色液体；1H NMR (300MHz，CDCl3)δ：7.40(d，J=9.3Hz，2H)，6.93(d，J=9.3Hz，2H)，4.95~4.90(m，1H)，4.15~4.09(m，2H)，3.80(s，3H)，1.95(m，3H)；13C NMR (75MHz，CDCl3)δ：158.3，154.1，148.0，131.8，126.9，114.8，95.0，55.4，49.2，18.4。

    2m：黄色液体；1H NMR(300MHz，CDCl3)δ：7.63(d，J=7.6Hz，2H)，7.40(d，J=9.3Hz，2H)，7.35(t，J=7.6Hz，2H)，7.23(t，J=7.5Hz，1H)，6.93(d，J=9.3Hz，2H)，5.60(d，J=2.0Hz，1H)，4.76(d，J=2.0Hz，2H)，3.80(s，3H)；13C NMR (75MHz，CDCl3)δ：156.5，152.6，140.7，133.2，130.2，128.5，128.4，127.1，120.5，114.5，103.3，55.5，50.6。

    2n：无色液体；1H NMR(300MHz，CDCl3)δ：7.42(d，J=9.0Hz，2H)，6.93(d，J=9.0Hz，2H)，5.20(t，J=2.5Hz，1H)，4.68(d，J=2.3Hz，2H)，4.23(q，J=7.3Hz，2H)，3.81(s，3H)，1.33(t，J=7.3Hz，3H)；13C NMR(75MHz，CDCl3)δ：183.0，163.7，157.5，153.9，127.5，120.5，114.6，111.7，60.5，55.5，50.0，14.2。

    2   结果与讨论

    2.1   催化剂的筛选

    首先，我们以N-Boc取代的炔基胺1a为模板底物、Et3N为碱，在甲苯中70℃下反应，考察了11种催化剂的催化效果。由表 1可以看出，ZnCl2、ZnBr2、ZnI2和Zn(OTf)2的催化效果较好(Entry 1~4)，其中以ZnBr2最优，产率达到了52%(Entry 2)；ZnEt2、FeCl3、CuI和CuCl2的催化效率较低，而AlCl3、TiCl4和MgCl2几乎没有催化活性(Entry 9~11)。

    表 1  不同催化剂的催化效果a Table 1.  The effect of different catalysts on the yields
    表选项

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    Entry Catalyst Yieldb/%
    1 ZnCl2 35
    2 ZnBr2 52
    3 ZnI2 43
    4 Zn(OTf)2 22
    5 ZnEt2 5
    6 FeCl3 6
    7 CuI 3
    8 CuCl2 7
    9 AlCl3 trace
    10 TiCl4 trace
    11 MgCl2 trace
      注：a反应条件：1a(130.0mg，0.5mmol)，催化剂(10(mol)%)，Et3N(10.7mg，10(mol)%)，甲苯(2 mL)，在70℃下反应6 h；b柱层析后的分离产率

    2.2   不同碱和反应温度对收率的影响

    以ZnBr2为催化剂，考察碱和温度对反应的影响(表 2)。结果显示，所选的有机胺碱中DMAP效果最好，产率可以达到61%(Entry 2)，而无机碱K2CO3和Na2CO3效果相对较差(Entry 4和5)。升高反应温度到90℃，反应产率上升到84%(Entry 7)，继续升高反应温度到100℃，反应产率并未发生明显变化。当反应不加ZnBr2时，没有产物生成(Entry 9)，不加碱时，化合物2a的产率仅为36%(Entry 10)。

    表 2  碱和反应温度对反应的影响a Table 2.  The effect of base and temperature on the yields
    表选项

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    Entry Base T/℃ Yieldb/%
    1 Et3N 70 52
    2 DMAP 70 61
    3 Pyridine 70 59
    4 K2CO3 70 40
    5 Na2CO3 70 43
    6 DMAP 80 73
    7 DMAP 90 84
    8 DMAP 100 83
    9b DMAP 90 0
    10c - 90 36
      注：a反应条件：1a(130.0mg，0.5mmol)，ZnBr2(22.7mg，10(mol)%)，base(10(mol)%)，甲苯(2mL)，在70℃下反应6h；b柱层析后的分离产率。c未加入ZnBr2；d未加DMAP

    综上所述，优化反应条件为：1a、ZnBr2、DMAP的摩尔比为10:1:1，甲苯为溶剂，于90℃下反应6h，收率可达84%。

    2.3   底物普适性考察

    在优化反应条件下考察了ZnBr2催化N-Boc取代的炔基胺环化反应的底物普适性。由表 3可见，对于N上不同取代的底物，反应都能以不错的收率得到5位甲烯基取代的2-噁唑烷酮类衍生物，其中R1可以是芳香性基团如对甲氧基苯基、对甲基苯基、苯基和苄基，产率为74%~84%(2a~2d)；也可以是直链、支链和环烷烃取代基如烯丙基、乙基、丁基、异丙基、异丁基和环戊基，产率为65%~76%(2e~2j)；当R1为H时，也能以75%的收率得到N上无取代的2-噁唑烷酮(2k)。此外，炔基末端的R2取代基可以是甲基、苯基和酯基，产率为74%~85%(2l~2n)。

    表 3  反应的底物范围a Table 3.  The reaction scope
    表选项

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    Entry R1 R2 Product Yield b/%
    1 p-MeOC6H4 H 2a 84
    2 p-MeC6H4 H 2b 80
    3 Ph H 2c 76
    4 Bn H 2d 74
    5 Allyl H 2e 76
    6 n-Pr H 2f 69
    7 n-Bu H 2g 70
    8 i-Pr H 2h 73
    9 i-Bu H 2i 77
    10 cyclopentyl H 2j 65
    11 H H 2k 75
    12 p-MeOC6H4 Me 2l 85
    13 p-MeOC6H4 Ph 2m 74
    14 p-MeOC6H4 CO2Et 2n 79
      注：a反应条件：1(0.5mmol)，ZnBr2(22.7mg，10(mol)%)，DMAP(12.5mg，10(mol)%)，甲苯(2mL)，在90℃下反应6 h；b柱层析后的分离产率

    2.4   反应机理推测

    根据以上实验结果和相关文献[26, 27]的报道，我们对该反应提出了如下可能的反应机理(图式 2)。首先溴化锌与炔烃的叁键配位，氮上的羰基对活化后的碳碳叁键发生亲核进攻得到中间体Ⅰ，在碱的协助下中间体Ⅰ中的叔丁基解离生成一分子2-甲基丙烯、溴化氢和噁唑烷酮-锌物种Ⅱ，最后烯基锌物种Ⅱ质子解[28~30]后形成产物2。

    图式 2 可能的反应机理 Scheme2. Possible reaction mechanism
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    3   结论

    本文建立了一种制备2-噁唑烷酮类化合物的有效方法，在90℃下，以甲苯为溶剂、ZnBr2为催化剂、DMAP为碱，N-Boc取代的炔基胺类化合物以良好的收率生成了一系列2-噁唑烷酮类化合物，氮上的取代基可以是芳香基团也可以是烷基基团，环外双键上的取代基可以是烷基、芳基和酯基。该方法催化剂廉价易得、操作简便、产率较高，值得进一步推广。

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      P Aschwanden, D E Frantz, E M Carreira. Org. Lett., 2000, 2(15):2331~2333. doi: 10.1021/ol006095r

  • 图式 1  2-噁唑烷酮的合成路线

    Scheme 1  Synthesis route of 2-oxazolidinones

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    图式 2  可能的反应机理

    Scheme 2  Possible reaction mechanism

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    表 1  不同催化剂的催化效果a

    Table 1.  The effect of different catalysts on the yields

    Entry Catalyst Yieldb/%
    1 ZnCl2 35
    2 ZnBr2 52
    3 ZnI2 43
    4 Zn(OTf)2 22
    5 ZnEt2 5
    6 FeCl3 6
    7 CuI 3
    8 CuCl2 7
    9 AlCl3 trace
    10 TiCl4 trace
    11 MgCl2 trace
      注：a反应条件：1a(130.0mg，0.5mmol)，催化剂(10(mol)%)，Et3N(10.7mg，10(mol)%)，甲苯(2 mL)，在70℃下反应6 h；b柱层析后的分离产率
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    表 2  碱和反应温度对反应的影响a

    Table 2.  The effect of base and temperature on the yields

    Entry Base T/℃ Yieldb/%
    1 Et3N 70 52
    2 DMAP 70 61
    3 Pyridine 70 59
    4 K2CO3 70 40
    5 Na2CO3 70 43
    6 DMAP 80 73
    7 DMAP 90 84
    8 DMAP 100 83
    9b DMAP 90 0
    10c - 90 36
      注：a反应条件：1a(130.0mg，0.5mmol)，ZnBr2(22.7mg，10(mol)%)，base(10(mol)%)，甲苯(2mL)，在70℃下反应6h；b柱层析后的分离产率。c未加入ZnBr2；d未加DMAP
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    表 3  反应的底物范围a

    Table 3.  The reaction scope

    Entry R1 R2 Product Yield b/%
    1 p-MeOC6H4 H 2a 84
    2 p-MeC6H4 H 2b 80
    3 Ph H 2c 76
    4 Bn H 2d 74
    5 Allyl H 2e 76
    6 n-Pr H 2f 69
    7 n-Bu H 2g 70
    8 i-Pr H 2h 73
    9 i-Bu H 2i 77
    10 cyclopentyl H 2j 65
    11 H H 2k 75
    12 p-MeOC6H4 Me 2l 85
    13 p-MeOC6H4 Ph 2m 74
    14 p-MeOC6H4 CO2Et 2n 79
      注：a反应条件：1(0.5mmol)，ZnBr2(22.7mg，10(mol)%)，DMAP(12.5mg，10(mol)%)，甲苯(2mL)，在90℃下反应6 h；b柱层析后的分离产率
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  • 发布日期:  2017-10-01
  • 收稿日期:  2017-03-22
  • 接受日期:  2017-07-10
通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
  • 1. 

    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

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