[发明专利]一种铈盐催化合成烷基取代的含氮杂环的新方法

说明书

一种铈盐催化合成烷基取代的含氮杂环的新方法，属于光电催化与合成领域。在单室电解槽里，加入含氮杂环(II)和烷烃(III)，然后加入铈盐催化剂、支持电解质、醇、酸和溶剂，随后将上述混合液在恒电流条件下电解，电解过程中同时使用光源光照射反应即得到如式I所示的烷基取代的含氮杂环化合物。本发明在无需外加化学氧化还原试剂的条件下，高效、绿色制备烷基取代的含氮杂环化合物。

技术领域

本发明以CeCl₃·7H₂O作为催化剂，在光电协同作用下，通过含氮杂环和烷烃的直接偶联反应，绿色合成烷基取代的含氮杂环，属于光电催化与合成领域。

背景技术

烷基取代的含氮杂环作为一类重要的结构单元，广泛存在于天然产物和药物分子中。在众多的烷基取代的含氮杂环的合成路线中，含氮杂环和烷烃的直接偶联方法具有最高的原子经济性和步骤经济性。其主要原因是该方法无需进行底物的预活化，反应的副产物为水或者氢气。目前，含氮杂环和烷烃的偶联反应主要依靠过量的强氧化剂和高温条件实现(Angew.Chem.Int.Ed.2013,52,3267-3271；Chem.Sci.2017,8,4044-4050)。后来发展的光化学方法能促使该类偶联反应在室温下进行，但是已报道的合成方法依然需要使用过量的强氧化剂，比如过氧化物(Chem.Sci.2019,10,5018–5024)，高价碘化合物(Nat.Commun.2018,9,3343–3350)，过硫酸钾(Org.Lett.2020,22,7709–7715)等。虽然上述合成方法能够高效制备烷基取代的含氮杂环，但是过量强氧化剂的使用一方面会带来生产成本的提高，另一方面反应过后排放的废弃物会带来严重的环境问题。鉴于烷基取代的含氮杂环的重要作用，以及国家对环保问题的重视程度，发展一种绿色、高效的合成方法学，在无需外加氧化剂的条件下实现含氮杂环和烷烃的偶联反应具有重要的研究意义和应用价值。

发明内容

针对烷基取代的含氮杂环合成所遇到的难题，本发明的目的是提供一种铈盐催化，光电协同作用的绿色合成方法学，并用于含氮杂环和烷烃的直接偶联反应，在无需外加化学氧化还原试剂的条件下，高效、绿色制备烷基取代的含氮杂环化合物。

本发明提供的一种光电协同催化合成烷基取代的含氮杂环化合物的新方法，包括如下步骤：

在单室电解槽里，加入含氮杂环(II)和烷烃(III)，然后加入铈盐催化剂、支持电解质、醇、酸和溶剂，随后将上述混合液在恒电流条件下电解，电解过程中同时使用光源光照射反应即得到如式I所示的烷基取代的含氮杂环化合物。

化合物1中alkyl为烷烃(III)对应的烷基。

为含氮杂环的化合物，其中氮杂环中含有一个N或两个N等，氮杂环中还可以含有其他杂原子如O、S等氮杂环可以有不同的取代基，如烷基、烷氧基、芳香基、酯基、硝基、卤素、CN、胺基等。

所述的铈盐催化剂选自氯化铈、七水合氯化铈、硫酸铈、硝酸铈、三氟甲磺酸铈和草酸铈中的任一种，优选为氯化铈；铈盐催化剂的用量优选为含氮杂环与铈盐催化剂的摩尔比为1：0.2。

所述的支持电解质选自四丁基氯化铵、四乙基氯化铵、四甲基氯化铵、六氟磷酸铵、四丁基四氟硼酸铵和硫酸氢铵中的任一种；优选为四丁基氯化铵；支持电解质的用量优选为含氮杂环与支持电解质的摩尔比为1：1。

所述的醇优选为甲醇；甲醇的用量优选为甲醇的体积分数为1.6％。

所述的酸为三氟甲磺酸，盐酸，硫酸，三氟乙酸中的一种；优选为三氟甲磺酸；用量优选为含氮杂环与三氟甲磺酸的摩尔比为1：4。

所述的溶剂优选为乙腈和氯苯的任意体积混合溶剂；乙腈和氯苯的积比优选为2:1。

所述的电解用电极优选为石墨毡电极作为阳极，泡沫镍作为阴极。