一种3d-4f仿生金属笼及其制备方法和应用与流程

1.本发明涉及均相催化技术领域，更具体的说是一种3d-4f仿生金属笼及其制备方法和应用。


背景技术：

2.作为darzens反应的一种，aza-darzens反应广泛应用于合成各种具有生物活性的最小饱和氮杂环化合物，同时也是其他含氮化合物的有用前体，可以通过亲核开环反应或其他反应实现转化。尽管多种合成策略可有效制备氮丙啶类衍生物，但大多数方法通常存在起始原料昂贵或者合成步骤繁琐的问题。目前对三组分aza-darzens反应的研究很少，四面体ga(iii)作为纳米反应器以及zr-mof作为非均相催化剂应用于此类反应，证实了其是一种有效合成氮丙啶类衍生物的方法。但是，这些基于不同配合物催化剂的三组分aza-darzens反应需要较长的反应时间、高催化剂负载量或k3po4作为添加剂。
3.许多高核配位纳米笼如常见的四面体和八面体笼，已经通过使用相同的过渡金属离子或镧系元素离子进行调控，但3d-4f金属笼的可控自组装和应用仍然是巨大的挑战之一。主要的影响因素是多核排列的不可控性，金属离子种类以及配位数、模式和立体化学上的差异。然而，有研究表明，被一些桥连配体和两种不同的金属离子包覆的3d-4f金属笼作为纳米级反应容器为底物在合适的腔内或匹配的活性位点上的反应可提供便利，并能表现出良好的溶解性和高催化活性以加速有效反应速率，类似于酶。
4.因此，如何开发一种具有高催化活性的3d-4f金属笼成为了本领域技术人员亟需解决的问题。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明提供了一种3d-4f仿生金属笼及其制备方法和应用。所制备的3d-4f仿生金属笼在催化三组分aza-darzens反应中具有很高的催化活性。有效解决了现有不同配合物催化剂在催化三组分aza-darzens反应中所存在的反应时间长，催化剂负载量高等技术问题。
6.为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
7.本发明提供了一种3d-4f仿生金属笼的制备方法，包括以下步骤：
8.(1)将h5l配体、甲醇和三乙胺混合后反应，得到悬浮液a；
9.(2)将zncl2加入到悬浮液a中混合后反应，得到悬浮液b；
10.(3)将稀土硝酸盐、甲醇和悬浮液b混合后反应，即得3d-4f仿生金属笼；
11.其中，h5l配体的结构式如下：
12.。
13.所述h5l配体、甲醇和三乙胺的质量体积比为(20～25)mg：(3～6)ml：(15～20)μl。
14.所述步骤(1)反应的温度为室温，反应的时间为8～15min。
15.所述步骤(2)zncl2的添加量与步骤(1)h5l配体的质量比为1：2.5～4。
16.所述步骤(2)反应的温度为室温，反应的时间为8～15min。
17.所述步骤(3)稀土硝酸盐的添加量与步骤(1)h5l配体的质量比为1:1～2，甲醇的添加量与步骤(1)甲醇的体积比1:1～2。
18.所述步骤(3)反应的温度为室温，反应的时间为30～50min。
19.所述稀土硝酸盐为硝酸镧、硝酸铈、硝酸镨、硝酸钕、硝酸钐、硝酸铕、硝酸钆、硝酸铽、硝酸镝、硝酸钬、硝酸铒、硝酸钇、硝酸镥中一种。
20.本发明提供了由上述制备方法所制备的3d-4f仿生金属笼。
21.本发明还提供了上述3d-4f仿生金属笼在催化三组分aza-darzens反应中的应用。
22.经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
23.本发明所使用的h5l配体具有多齿配位模式，具有桥联3d与4f金属离子，从而形成杂多核分子笼。四个多齿酰腙类桥联配体通过与两个zn(ii)离子、四个稀土离子组装可以得到了具有开放空腔的六核3d-4f仿生金属笼。与其它均相催化剂相比，该六核3d-4f仿生金属笼制备方法简单，产率高，可实现工业化制备；在溶液中结构稳定，以分子笼的形式存在；可以实现均相催化三组分aza-darzens反应，其操作步骤简单，催化活性高，所需反应条件温和，总反应时间较短，可实现工业化生产。
具体实施方式
24.本发明提供了一种3d-4f仿生金属笼的制备方法，包括以下步骤：
25.(1)将h5l配体、甲醇和三乙胺混合后反应，得到悬浮液a；
26.(2)将zncl2加入到悬浮液a中混合后反应，得到悬浮液b；
27.(3)将稀土硝酸盐、甲醇和悬浮液b混合后反应，即得3d-4f仿生金属笼；
28.其中，h5l配体的结构式如下：
29.。
30.作为优选，所述h5l配体的制备方法如下：
31.s1、在保护气体下，将甘氨酸乙酯盐酸盐、三乙胺、无水二氯甲烷和草酰氯单乙酯溶液混合后进行反应，得到3-((2-乙氧基-2-氧乙基)氨基)-3-氧代丙酸乙酯；
32.s2、将3-((2-乙氧基-2-氧乙基)氨基)-3-氧代丙酸乙酯、水合肼和乙醇混合后进行反应，得到2-肼基-n-(2-肼基-2-氧代乙基)-2-氧代乙酰胺；
33.s3、将2-肼基-n-(2-肼基-2-氧代乙基)-2-氧代乙酰胺、3-乙氧基-2-羟基苯甲醛和乙醇混合后进行反应，即得h5l配体；
34.在步骤s1中，所述保护气体为氮气、氩气、氦气、氖气和二氧化碳中的一种；
35.所述草酰氯单乙酯溶液的浓度为0.5～2mmol/ml；
36.所述甘氨酸乙酯盐酸盐、三乙胺、无水二氯甲烷和草酰氯单乙酯溶液的质量体积比为(2.5～3.5)g：(7～10)ml：(90～110)ml：(15～30)ml；
37.所述步骤s1反应的温度为-5～2℃，反应时间为8～15h；
38.在步骤s2中，在所述3-((2-乙氧基-2-氧乙基)氨基)-3-氧代丙酸乙酯、水合肼和乙醇的质量体积比为(1.5～3)g：(2～4)g：(30～60)ml；
39.所述步骤s2反应的温度为70～90℃，反应时间为8～15h；
40.在步骤s3中，所述2-肼基-n-(2-肼基-2-氧代乙基)-2-氧代乙酰胺、3-乙氧基-2-羟基苯甲醛和乙醇的质量体积比为(0.5～2)g：(1.5～3)g：(30～60)ml；
41.所述步骤s3反应的温度为70～90℃，反应时间为6～12h。
42.作为优选，所述h5l配体、甲醇和三乙胺的质量体积比为(23～24)mg：(4～5)ml：(16～18)μl。
43.作为优选，所述步骤(1)反应的时间为10～12min。
44.作为优选，所述步骤(2)zncl2的添加量与步骤(1)h5l配体的质量比为1：3～3.5。
45.作为优选，所述步骤(2)反应的时间为10～12min。
46.作为优选，所述步骤(3)稀土硝酸盐的添加量与步骤(1)h5l配体的质量比为1:1.2～1.6，甲醇的添加量与步骤(1)甲醇的体积比1:1.2～1.5。
47.作为优选，所述步骤(3)反应的时间为35～40min。
48.作为优选，所述步骤(3)反应结束后，用冷甲醇洗涤三次，并在空气中干燥，即得3d-4f仿生金属笼。
49.作为优选，所述稀土硝酸盐为硝酸镧或硝酸钐或硝酸铒。
50.本发明提供了由上述制备方法所制备的3d-4f仿生金属笼。
51.本发明还提供了上述3d-4f仿生金属笼在催化三组分aza-darzens反应中的应用。
52.下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
53.h5l配体的制备
54.s1、向装有搅拌棒和加料漏斗的250ml三颈烧瓶中，加入3.071g的甘氨酸乙酯盐酸盐，9.0ml的三乙胺和100ml的无水二氯甲烷。在冰水浴氩气(ar)保护条件下，向该混合物体系中滴加20ml含有2.73g(0.02mol)草酰氯单乙酯的无水二氯甲烷溶液，滴加速度控制在半小时左右。将所得溶液在0℃下搅拌10h，并通过添加50ml的蒸馏水将反应淬灭。混合物用饱和碳酸氢钠水溶液洗涤，同时加入适量的蒸馏水进行分液萃取，有机层用无水硫酸钠干燥，并使用旋转蒸发仪浓缩，即得中间体3-(2-乙氧基-2-氧乙基)氨基)-3-氧代丙酸乙酯。
55.s2、将2.03g 3-((2-乙氧基-2-氧代乙基)氨基)-3-氧代丙酸乙酯，3.0g质量分数为80％的水合肼，以及40ml乙醇溶液中置于100ml的圆底烧瓶中。将混合物溶液在回流条件下搅拌，搅拌温度为80℃。反应12小时，然后冷却至室温。过滤分离粗产物，再用冷乙醇洗涤三次，得到白色固体2-肼基-n-(2-肼基-2-氧代乙基)-2-氧代乙酰胺。
56.s3、将1.994g的3-乙氧基-2-羟基苯甲醛和40ml乙醇加入到100ml的圆底烧瓶中，再加入0.876g的2-肼基-n-(2-肼基-2-氧代乙基)-2-氧代乙酰胺，然后将混合物体系在78℃条件下回流8小时。反应结束后冷却至室温，过滤出白色固体，再用冷甲醇洗涤3次，并在空气中干燥，即得h5l配体。
57.将上述所制备的h5l配体用于下述实施1-3中。
58.实施例1
59.将23.6mg h5l配体、4ml甲醇和16μl三乙胺置于25ml的圆底烧瓶中，在室温下搅拌10分钟得到淡黄色的悬浮液a；再将6.8mg zncl2加入到悬浮液a中，在室温下搅拌10分钟得到黄色悬浮液b；再将22.2mg硝酸镧加入到悬浮液b中，在室温下搅拌5分钟后补加3ml的甲醇，继续搅拌30min后过滤，并在室温下挥发。两周后，获得适合于晶体分析的浅黄色块状晶体，并用冷甲醇洗涤三次，并在空气中干燥，即得3d-4f仿生金属笼。经计算本实施例的3d-4f仿生金属笼的产率为56.8％。
60.实施例2
61.将21.8mg h5l配体、4ml甲醇和17μl三乙胺置于25ml的圆底烧瓶中，在室温下搅拌8分钟得到淡黄色的悬浮液a；再将7.3mg zncl2加入到悬浮液a中，在室温下搅拌8分钟得到黄色悬浮液b；再将20.9mg硝酸钐加入到悬浮液b中，在室温下搅拌5分钟后补加4ml的甲醇，继续搅拌35min后过滤，并在室温下挥发。两周后，获得适合于晶体分析的浅黄色块状晶体，并用冷甲醇洗涤三次，并在空气中干燥，即得3d-4f仿生金属笼。经计算本实施例的3d-4f仿生金属笼的产率为54.6％。
62.实施例3
63.将24.2mg h5l配体、5ml甲醇和18μl三乙胺置于25ml的圆底烧瓶中，在室温下搅拌12分钟得到淡黄色的悬浮液a；再将8.3mg zncl2加入到悬浮液a中，在室温下搅拌12分钟得到黄色悬浮液b；再将23.4mg硝酸铒加入到悬浮液b中，在室温下搅拌6分钟后补加4ml的甲醇，继续搅拌40min后过滤，并在室温下挥发。两周后，获得适合于晶体分析的浅黄色块状晶体，并用冷甲醇洗涤三次，并在空气中干燥，即得3d-4f仿生金属笼。经计算本实施例的3d-4f仿生金属笼的产率为55.2％。
64.由实施例1-3可知，本发明所述的3d-4f仿生金属笼的制备方法简单，且产率较高。
65.应用例1
66.以0.2mmol苯胺，0.04mmol甲醛和0.04mmol重氮乙酸乙酯为模型底物的三组分aza-darzens反应，在室温条件下，以本发明实施例1所制备的3d-4f仿生金属笼(0.8mol％)为催化剂，以甲醇作为反应溶剂。反应3小时得到目标产物，并且产率为83％。
67.应用例2
68.本应用例将反应时间延长至4小时，其它条件与应用例1相同。产率为84％。
69.应用例3
70.本应用例以0.8mol％h5l配体作为催化剂，其它条件与应用例1相同。反应3小时以
上，未获得目标产物。
71.应用例4
72.本应用例以0.8mol％zncl2作为催化剂，其它条件与应用例1相同。反应3小时以上，未获得目标产物。
73.应用例5
74.本应用例以0.8mol％er(no3)3·
5h2o作为催化剂，其它条件与应用例1相同。反应3小时得到目标产物，产率为7％。
75.应用例6
76.本应用例以0.8mol％er(no3)3·
5h2o 0.8mol％zncl2作为混合催化剂，其它条件与应用例1相同。反应3小时得到目标产物，产率为9％。
77.应用例1-6的反应过程如下：
78.。
79.由应用例1-6可知，与其它均相催化剂相比，本发明所制备的3d-4f仿生金属笼的催化活性更高。
80.本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
81.对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。