MOF辅助的热合成方法用于制备2-芳基-5-烷基-1,3,4-噁二唑类化合物

《Microporous and Mesoporous Materials》：MOF assisted thermal synthesis of 2-aryl-5-alkyl-1,3,4-oxadiazoles

该研究首次成功利用铝基MOF（DUT-5）作为载体和催化剂，在无溶剂、无额外脱水剂条件下实现N,N'-二酰基肼的孔道内选择性环化脱水，生成2-芳基-5-烷基取代的1,3,4-噁二唑。实验表明分子体积563-695 nm3的底物可高效反应（54-70%产率），且DUT-5催化剂经三次循环使用后仍保持良好催化活性。

　　

Ilya Yu. Ivanov | Andrey V. Sokolov

萨马拉国立医科大学，Chapaevskaya街98号，萨马拉443099，俄罗斯

摘要

在这项研究中，我们首次成功地利用铝基金属有机框架（MOFs）作为载体和催化剂，将N,N'-二酰肼热环脱水转化为2-芳基-5-烷基取代的1,3,4-噁二唑。我们评估了MOFs的性质、温度、反应时间和催化剂/底物比对环脱水产物形成的影响。研究发现，N,N'-二酰肼的环脱水反应发生在铝基MOFs的孔隙内部，并表现出尺寸选择性。分子体积为563-695 nm3的肼类化合物在DUT-5的存在下能够顺利参与环化反应，产率达到了54-70%。该方法无需溶剂和脱水剂，也不需要对反应体系进行稀释或中和。DUT-5可以轻松分离并重复使用三次，且催化活性没有损失。

引言

1,3,4-噁二唑是一类在制药工业中具有重要作用的杂环化合物[1]、[2]、[3]。这些化合物具有生物异构体特性[4]，并表现出抗菌、抗结核、抗炎和抗病毒等性质[5]、[6]、[7]。许多药物中都含有这类结构单元，例如苯并二唑[8]、呋喃唑[9]、拉替格韦[10]和nesapidil[11]（图1）。

除了多样的生物活性外，噁二唑在材料科学中也具有重要意义[12]、[13]、[14]。它们可用作闪烁体[15]，基于这些杂环的聚合物则可用于电化学传感器和电致发光器件[17]。目前已有多种制备1,3,4-噁二唑的方法。最常见的方法是通过引入C1官能团（如邻酯、亚胺醚、光气、硫光气、二硫化碳等）来处理肼类化合物[18]。还有一些成熟的合成方法，例如利用强酸性脱水剂（硫酸、氯磺酸、五氧化二磷[19]、Hendrickson试剂[20]等）对1,2-二酰肼进行环脱水，从而在2位和5位生成噁二唑[21]、[22]。此外，还有多种体系可用于不对称噁二唑的合成（图2）：在乙酸存在下使用[Et2NSF2]BF4[23]；基于膦-溴的体系[24]；以及有机硅试剂（二甲基二氯硅烷[25]和六甲基二硅氮烷[26]），它们能形成良好的离去基团。

这些试剂的使用使得在相对温和的条件下合成噁二唑成为可能。然而，现有方法也存在一些局限性。例如，使用强酸会产生大量难以回收的副产物；五氧化二磷的运用会导致生成磷酸副产物，需要用大量水（每150毫摩尔底物需600毫升水）对反应产物进行彻底清洗[19]。五氧化二磷的保质期较短，储存和操作也较为困难。膦-溴试剂和Hendrickson试剂会产生大量难以去除的溴化铵盐以及三苯基膦氧化物，后者需要通过色谱法进行纯化[20]、[24]。此外，三苯基膦的摩尔质量较大（262克/摩尔），这不利于原子经济性。有机硅化合物（如二甲基二氯硅烷）的使用会因生成聚二甲基硅氧烷而使产物分离变得复杂。基于XtalFluor-E试剂的昂贵体系会产生有毒的HF气体。鉴于现有方法的缺点，我们迫切需要寻找新的方法将二酰肼环化为1,3,4-噁二唑。

金属有机框架（MOFs）作为载体和异相催化剂用于有机化合物的合成，因其结构多样性、配体可进行后期修饰以及内在的催化活性，成为现有方法的替代方案。MOFs同时具备路易斯酸性和/或布伦斯特酸性的位点[27]、[28]、[29]、[30]以及碱性位点[31]、[32]，这使得它们成为独特的异相催化剂。这一特性为MOFs在多种有机反应中的应用提供了广阔前景[34]、[35]、[36]，尤其是在各种杂环化合物的合成中[37]、[38]、[39]。本文综述了基于MOFs的纳米材料在手性催化领域的最新进展[40]。此外，还有研究报道MOFs作为异相催化剂参与C-C和C-O键的形成[41]、[42]、[43]、[44]。我们首次成功实现了利用铝基MOFs作为载体和催化剂，将N,N'-二酰肼热环脱水为2-芳基-5-烷基取代的1,3,4-噁二唑。

仪器与材料

ATR-IR光谱使用FT-801光谱仪获得。N2吸附等温线和BET测量采用Autosorb iQ（Quantachrome，美国）设备在77K下进行。¹H和¹³C NMR（分别为400 MHz和100 MHz）光谱在CDCl3溶液中记录，以残余溶剂信号为参考。化学位移和耦合常数分别以百万分之一和赫兹为单位记录。粉末X射线衍射（PXRD）数据……

结果与讨论

铝基MOFs被用作有效的水蒸气吸附剂[50]、[51]，以及合成偶氮甲烷[52]和环状胺[53]的催化剂。在此基础上，我们选用了几种基于羧酸配体的MOFs进行环脱水反应的初步实验：铝异酞酸盐（CAU-10H）、铝对苯二甲酸盐（MIL-53(Al)）、铝富马酸盐（AlFum），详见表1。N'-乙酰苯肼1a被用作模型底物（方案1）。

结论

我们首次证明了DUT-5作为载体和催化剂在杂环化反应中的适用性，能够将相应的N,N'-二酰肼转化为2-芳基-5-烷基-1,3,4-噁二唑。环化反应发生在MOFs的孔隙内，并表现出尺寸选择性。如引言所述，目前已有多种利用脱水剂和体系合成1,3,4-噁二唑的方法。这些方法大致可分为两类……

CRediT作者贡献声明

Ilya Yu. Ivanov：撰写与编辑、原始稿撰写、数据可视化、方法验证。 Andrey V. Sokolov：撰写与编辑、原始稿撰写、数据可视化、实验监督、方法设计、概念构建。

资助

作者未获得任何特定资助。

利益冲突声明

? 作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。