基本信息
- 项目名称：
- 多取代喹啉化合物绿色化学合成研究
- 来源：
- 第十一届“挑战杯”国赛作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 自然科学类学术论文
- 简介：
- 由于喹啉化合物的重要生物活性的特点，广泛应用在医疗、染料等行业中，关于它们一些性质和合成的研究已经倍受医学和合成有机化学家们的关注。传统的合成方法主要有Skraup 合成法、Doebner-Von Miller 合成法、Combes合成法、Conrad- Limpach-Knorr合成法、Pfitzinger合成法及Friedlander合成法。以上的方法在操作过程中或是应用强酸强碱等高腐蚀性物质、或是产生大量有毒有害的物质，对环境、对人体造成一定的伤害。我们所提出的合成方法是基于绿色化学和原子经济性的理论，应用TMSCl（三甲基氯硅烷）催化，通过Tandem反应方式将多步反应串联，使用环境相容性极好的有机硅催化剂使多取代喹啉的合成真正实现绿色化学生产。整个操作过程中，不涉及任何有毒有害的化学品，并且反应条件温和，所得的产物不仅有较高的产率，还有较高的纯度，便于分离。
- 详细介绍：
- 许多具有重要生物活性的天然有机化合物都具有喹啉环结构，因而喹啉环单元往往成为合成医药和农药的骨架结构,其合成一直备受有机化学家及医学家的关注。而传统的合成方法，如Knorr合成法、Skaup合成法、Dobner-von Miller 合成法、Conrad-Limpach合成法、Friedlaende合成法和Pfitzinger合成法，在合成时都必须涉及使用强酸或强碱等高腐蚀性化学品，因此对反应釜腐蚀性极强，对环境污染大，设备维护和三废处理给企业带来了极大的负担。在如今激烈的市场竞争的大环境下，企业为了生存与发展，谋求更大的利润空间，就必须改良工艺。同时，随着人们的环保意识的逐渐加强，化工类企业再也不能为了生产而破坏环境，这也就必然要导致企业技术的革新，能源的日益紧缺也同样要求化工企业使用更高效的合成方法。 本研究旨在探索喹啉化合物高效绿色环保的合成法，经过多次尝试后，提出使用温和有机硅试剂三甲基氯硅烷（TMSCl）作为催化剂，分别通过预先制备的西佛碱与简单醛反应一锅法反应的方式催化合成多取代喹啉，可免去使用剧毒试剂，反应条件温和，催化剂和环境相容性好，反应时间短，真正实现喹啉衍生物绿色化学合成。 由于我们使用高沸点的溶剂，使得溶剂的回收率大大提高，可以最大程度的减少向环境的排放量。对于催化剂我们提出使用环境优化的温和有机硅试剂三甲基氯硅（TMSCl），对环境及生物体友好，在研究中发现，TMSCl有着很好的作为Lewis酸的催化有机反应的能力，分别在通过预先制备的西佛碱与简单醛反应一锅法反应的方式催化合成多取代喹啉的反应中，其催化效率均很高。TMSCl 作为催化剂可以大大缩减反应时间，尤其体现在一锅法的合成中。由于反应时间的短，使得反应所需要的能耗值则大大减少。 综上所述，我们探索的方法主要有以下优点：1、充分利用原料，产物收率高， 真正体现绿色化学的原子经济学理论。2、在整个反应过程中未使用强酸强碱等高腐蚀性试剂和有毒试剂，对环境友好。3、反应时间较短、效率高、节约能源。 本研究使用温和的反应条件，高沸点的溶剂，以及绿色环保的催化剂，以原子经济学的观点高效的合成了多取代喹啉化合物。由于反应的高效性，使得反应时间大大缩短，因此最大程度上节约了能源。同时，我们使用的绿色化学理念来合成了在农药医药领域具有重要应用的喹啉类化合物，如应用在工业生产上，将会一改人们对于化工企业，高毒、高危、高污染的印象，使得化工企业成为新的绿色企业。
作品专业信息
撰写目的和基本思路
- 喹啉化合物被广泛应用在医疗、染料等行业中。喹啉衍生物合成常使用剧毒试剂和苛刻反应条件，后处理困难，三废污染严重。故研究和开发环境友好、操作简便的合成方法成为重要课题。 本研究使用有机硅试剂催化亚胺和简单醛或直接使用芳胺和醛一锅法环合成多取代喹啉，可免去使用剧毒试剂，反应条件温和，催化剂与环境相容性好，后处理简便，无三废污染，为构建多取代喹啉环提供一种环境友好的新途径和新方法。
科学性、先进性及独特之处
- 使用高沸点的溶剂，使得溶剂的回收率大大提高，可以最大程度的减少向环境的排放量。使用环境友好的温和有机硅试剂三甲基氯硅（TMSCl），催化效率高，可大大缩减反应时间，使得反应所需要的能耗值大大减少。 优点：1、充分利用原料，产物收率高，真正体现绿色化学的原子经济学理论。2、在整个反应过程中未使用强酸强碱等高腐蚀性试剂和有毒试剂，对环境友好。3、反应时间较短、效率高、节约能源。
应用价值和现实意义
- 研究使用温和的反应条件，高沸点的溶剂，以及绿色环保的催化剂，以原子经济学的观点高效的合成了多取代喹啉化合物。由于反应的高效性，使得反应时间大大缩短，因此最大程度上节约了能源。同时，我们使用绿色化学理念来合成了在农药医药领域具有重要应用的喹啉类化合物，如应用在工业生产上，将会一改人们对于化工企业，高毒、高危、高污染的印象，使得化工企业成为新的绿色企业。
学术论文摘要
- 喹啉化合物具有重要生物活性特点，故被广泛应用在医疗、染料等行业中。喹啉衍生物合成常使用剧毒试剂和苛刻反应条件，后处理困难，三废污染严重。故研究和开发环境友好、操作简便的合成方法成为重要课题。 本研究旨在探索喹啉化合物高效绿色环保的合成法。首先选择芳胺和芳醛制备了一系列亚胺中间体，然后，以DMF或DMSO作溶剂，通过有机硅试剂催化亚胺和烯醇化醛的环化反应，再经芳构化成多取代喹啉。采用模型反应研究了各反应因素对反应产物收率的影响，优化了反应条件。同时研究了有机硅试剂促进芳胺和烯醇化醛的一锅法合成目标产物。最后使用最佳反应条件合成了二十四个具有不同取代基的喹啉化合物。所有产物结构经红外、核磁共振和元素分析确证。研究使用高沸点的溶剂，使得溶剂的回收率大大提高，可以最大程度的减少向环境的排放量。使用环境优化的温和有机硅试剂三甲基氯硅（TMSCl），催化效率高，可大大缩减反应时间，使得反应所需要的能耗值大大减少。
获奖情况
- 作品申请人以第一作者在SCI杂志ARKIVOC 2008（xiv）50-57发表论文一篇（见附件）。 作品参加2008年12月某大学第五届“挑战杯”大学生课外学术科技作品竞赛，获得特等奖（见附件）。
鉴定结果
- 科技查新报告结论：国内外未见相关文献、专利及成果报道（见附件）。
参考文献
- 1. Chen, Y. L.; Fang, K. C.; Sheu, J. Y.; Hsu, S. L.; Tzeng, C. C. J. Med. Chem. 2001, 44, 2374. 2. Tempone, A. G.; daSilva Antimicrob. Agents Chemother. 2005, 49, 1076. 3. Franck, X.; Fournet, A.; Prina, E.. Bioorg. Med. Chem. Lett. 2004, 14, 3635. 4. Nayyar, A.; Malde, A.; Jain, R.; Coutinho, E. Bioorg. Med. Chem. 2006, 14, 847. 5. Hu, B.; Collini, M.; Unwalla, R. J. Med. Chem. 2006, 49, 6151. 6. Lin, X.-F.; Cui, S.-L.; Wang, Y.-G. Tetrahedron Lett. 2006, 47, 3127. 7. Sakai, N.; Aoki, D.; Hamajima, T.; Konakahara, T. Tetrahedron Lett. 2006, 47, 1261. 8. Sakai, N.; Annaka, K.; Konakahara, T. J. Org. Chem. 2006, 71, 3653. 9. Tanaka, S.-Y.; Yasuda, M.; Baba, A. J. Org. Chem. 2006, 71, 800. 10. Wang, G.-W.; Jia, C.-S.; Dong, Y.-W. Tetrahedron Lett. 2006, 47, 1059.
同类课题研究水平概述
- 由于多取代喹啉化合物的应用，特别是含氟喹啉类药物在临床上得到广泛应用，喹啉衍生物化学合成法的研究和开发吸引许多研究者的注意。因此，自上世纪九十年代以来，有许多有价值的多取代喹啉合成法得到研究和应用。主要为：Skraup 合成：将苯胺和甘油、浓硫酸和氧化剂(如硝基苯或胂酸) 等共同加热,即得到喹啉。反应首先是甘油在高温下,浓硫酸作用脱水形成丙烯醛,再与苯胺发生Michael 加成生成-苯氨基丙醛。该化合物环化生成1 ,2-二氢喹啉, 再被硝基苯脱氢氧化后得到喹啉，而硝基苯被还原成苯胺。Doebner-Von Miller 合成法：此法在反应的形式上与Skraup反应十分相似，通常使用苯胺与乙醛在浓盐酸或氯化锌存在下反应,当不使用氧化剂时,生成产物为2-甲基喹啉。Combes合成法：芳香胺与β-二羰基化合物在酸性条件下进行缩合为喹啉环。Conrad-Limpach-Knorr合成：本法与Combes反应相似，只是将上述的-二酮换成-酮酸酯，以芳胺与-酮酸酯缩合，再经环合得到喹啉衍生物。Friedlander合成法：邻氨基苯甲醛或酮和一个含有亚甲基酮结构单元的化合物反应,可以得到2-、3-或4-取代的喹啉。芳胺和醛一锅法合成取代喹啉就是利用此法的原理。Pfitzinger合成法：吲哚满二酮(靛红) 在碱性条件下与甲基或亚甲基酮生成喹啉的反应。 近年来，有报道使用含亚胺基团与二氟烯烃基团化合物的分子内环化反应合成2,4-二取代-3-氟喹啉。用碘或盐酸作为催化剂，在溶剂苯中，由亚胺和烯醇化醛经过一步合成得到取代喹啉，也有使用三氯化铟为催化剂，以乙腈为溶剂，微波促进亚胺与2-取代丙烯酸的衍生物反应得到4-取代喹啉衍生物。由于喹啉在制药、工业、合成等方面有着非常重要的作用，所以仍然是化学家们感兴趣的领域。而TMSCl作为Lewis酸催化剂，它催化效果好，价格便宜，已经成为有机反应的良好催化剂。鉴于此，本项目合成取代喹啉的研究中，使用TMSCl催化亚胺和羰基化合物合成多取代喹啉，真正实现绿色化合成，适合于工业生产，具有较大的实际应用价值。
