CN113073346B

CN113073346B - 一种同时制备邻二醇和吡咯甲氧基化产物的电化学方法

Info

Publication number: CN113073346B
Application number: CN202010010765.9A
Authority: CN
Inventors: 杜旺明; 钱向阳; 刘释水; 陈长生; 张少伟; 张颖
Original assignee: Wanhua Chemical Group Co Ltd
Current assignee: Wanhua Chemical Group Co Ltd
Priority date: 2020-01-06
Filing date: 2020-01-06
Publication date: 2022-04-22
Anticipated expiration: 2040-01-06
Also published as: CN113073346A

Abstract

本发明涉及一种同时制备邻二醇和吡咯甲氧基化产物的电化学方法，包括在阴极发生酮类转变为邻二醇的反应，在阳极发生吡咯的甲氧基化反应。本发明方法为制备该类物质提供了一种绿色、高效的方法，解决了现有生产技术使用金属还原剂造成的安全风险高、废水产生量大、不便于大规模生产等问题。利用电化学阴极还原反应，避免了金属试剂的使用，实现了产物的不对称还原，降低了生产成本，工艺流程简单，对设备要求不高，适合工业化生产。

Description

一种同时制备邻二醇和吡咯甲氧基化产物的电化学方法

技术领域

本发明涉及一种同时制备手性二醇和吡咯甲氧基化产物的电化学方法，属于有机电化学合成领域。

背景技术

邻二醇是一类重要的化合物，用途十分广泛。如频那醇可以进一步氧化反应生成频那酮，是三唑类农药的关键中间体。

该反应一般使用三氯化钛和金属作为还原剂，三氯化钛是强还原剂，易自燃，暴露在空气或潮气中能燃烧，受高热分解产生有毒的腐蚀性烟气氯化氢和氧化钛。金属还原剂如铝、锌、钛等大多数性质很活泼，容易发生自燃等危险，反应后会产生大量含金属盐的废水，环保压力很大。二碘化衫(SmI₂)也是这类反应常用的试剂，但是SmI₂是稀土化合物，来源有限，价格很贵，不适合大规模生产。

电化学合成技术使用电子作为还原试剂，可以避免使用金属还原剂，而且反应在常温常压下进行，是一种绿色环保的合成工艺。

文献《精细化工，2000年10月，第17卷，页码28-30》报道了一种金属镁作为牺牲阳极的电化学偶联反应，反应过程中需要加入镁盐作为添加剂，而且金属镁作为阳极随着反应的进行会逐渐被消耗，产生含镁离子的反应液，反应底物也有限制，芳香和环状醛酮可以参与反应，但是简单底物如丙酮等则不反应，限制了该方法的应用范围。

专利US 4157286报道了对羟基苯甲醛在阴极发生的还原反应，反应底物只适用于对羟基苯甲醛，通过控制电解液pH在一定范围，需要将反应生成的二醇类物质从反应液中滤除，并及时补加新鲜原料，增加了操作上的复杂性。专利US3992269报道了丙酮在铅阴极条件下的还原偶联反应，得到产物频那醇，反应加入铜离子作为添加剂能取得较高的电流效率。上述两篇文献都实现了醛酮的还原偶联，但存在反应操作繁琐、底物使用范围小、需要加入添加剂等不利因素，而且没有实现产物的手性合成。

因此，现有的邻二醇合成工艺还存在反应危险性高、金属试剂消耗量大、污染物排放量多等问题，需要一种底物适用范围广、可以制备手性化合物的方法。

发明内容

鉴于上述现有技术中的问题，本发明提出一种同时制备邻二醇和吡咯甲氧基化产物的电化学方法，该方法包括在阴极发生酮类转变为邻二醇的反应，在阳极发生吡咯的甲氧基化反应。

进一步地，酮类具有式(I)的结构：

邻二醇具有式(II)的结构：

在式(I)和(II)中，R¹与R²不同，且各自独立的选自甲基、乙基、异丙基、丁基、苯基、4-氯苯基、4-溴苯基、2-吡啶基、4-羟基苯基中的一种，优选甲基、乙基、异丙基、苯基和和2-吡啶基。

在一个实施方案中，式(I)的化合物选自甲基苯基酮、2-吡啶基乙基酮、乙基苯基酮、甲基异丙基酮、2-吡啶基甲基酮。

进一步地，吡咯具有式(III)的结构：

吡咯的甲氧基化产物具有式(IV)的结构：

在式(III)和(IV)中，R⁵选自甲基、乙基、卞基中的一种；R³、R⁴各自独立的选自甲基、乙基、正丙基、氢、羟甲基的一种。

其中，在阴极发生的酮类至邻二醇的反应的方程式如下：

阳极发生吡咯的甲氧基化反应的方程式如下：

反应式(1)中R¹与R²不同，且各自独立的选自甲基、乙基、异丙基、丁基、苯基、4-氯苯基、4-溴苯基、2-吡啶基、4-羟基苯基中的一种，优选甲基、乙基、异丙基、苯基和2-吡啶基。

反应式(2)中的R⁵选自甲基、乙基、卞基中的一种；R³、R⁴各自独立的选自甲基、乙基、正丙基、氢、羟甲基的一种。

进一步地，在阴极反应中加入一种手性配体，该手性配体结构如下：

其中Ph为苯基，nPr为正丙基。

优选配体(A)、配体(B)、配体(E)和配体(G)中的一种或多种；手性配体的加入量为相对于原料(酮类)质量的0.5-10％，优选1％-5％。

阴极材料由基材和镀层金属组成。基材选自石墨或玻璃碳电极，优选玻璃碳电极。镀层金属包括主体金属和掺杂金属，其中主体金属包括铅、铟、镉、钛、钽、铌、钼、钨、铊、汞、铋、锌、银，优选钛、钽、铌、钼、钨中的一种或多种；掺杂金属选自铂族金属，优选铂、钯、铱、钌、铑中的一种或多种。主体金属占整个镀层金属的质量分数为95％-99％，优选96-98％，其它是掺杂金属。优选，基材表面控制一定的粗糙度(Ra)，Ra选自0.1微米-1微米，优选0.2微米-0.5微米。

进一步地，在阴极反应中加入电解质，选自高氯酸锂、硫酸钠、硝酸钠、四丁基高氯酸铵、氯酸钾、氟化锂、四甲基六氟膦酸铵、高氯酸钾、溴化钠、甲醇钾中的一种或多种，优选高氯酸锂、四丁基高氯酸铵、四甲基六氟膦酸铵、高氯酸钾、溴化钠中的一种，电解质的加入量为相对于原料酮的质量的0.1-10％，优选0.5-5％。

阳极材料由钛基材和镀层组成，镀层材料选自铱和钽两种元素或由该两种元素构成，优选，铱的含量为10-50wt％，优选20-40wt％，钽的含量为50-90wt％，优选60-80wt％。

对阳极反应的原料与阴极反应的原料之间的比例没有特别限制，例如可以是质量比1:0.5-2。

反应使用无隔膜电解槽，阴极的电流密度选自10-200A/m²，优选50-100A/m²；阳极的电流密度选自100-500A/m²，优选200-400A/m²。

本发明的反应在电解槽中进行，电解槽可以是常规的无隔膜电解槽，除了电极外还可带有搅拌子、温度计等配件。在一个具体实施例中，阳极、阴极是长方形电极，阳极电极面积为1cm²，阴极电极面积为2cm²，两电极平行放置，阴、阳极间距为5mm。

阳极、阴极反应的温度范围是例如40-60℃，反应时间范围是例如4-12h，优选6-8h。

本发明的有益效果在于：

为制备邻二醇类物质提供了一种绿色、高效的方法，解决了现有生产技术使用金属还原剂造成的安全风险高、废水产生量大、不便于大规模生产等问题。利用电化学阴极还原反应，避免了金属试剂的使用，实现了产物的不对称还原偶联，降低了生产成本，工艺流程简单，对设备要求不高，适合工业化生产。在阴极反应的同时，阳极发生甲氧基化反应，利用了阳极的氧化反应，还可以避免氧气的生成，增强了反应的安全性，提高了电能利用率。

具体实施方式

以下通过实施例进一步详细说明本发明所提供的制备方法，但本发明并不因此而受到任何限制。

甲基苯基酮、2-吡啶基乙基酮、乙基苯基酮、甲基异丙基酮、2-吡啶基甲基酮采购自阿拉丁试剂，纯度>99％。

配体(A)-(G)：采购自欣诺科试剂公司，纯度>98％。

高氯酸锂、四丁基高氯酸铵、四甲基六氟膦酸铵、高氯酸钾、溴化钠，购买厂家：百灵威，纯度>98％。

阴极电极购买厂家，Sigma-Aldrich试剂公司。

阳极电极购买厂家，苏州铂瑞有限公司。

液相色谱分析条件：仪器型号：Waters e2695；进样器：自动进样器；检测器：PDA检测器；色谱柱：安捷伦ZORBAX SB-aq 5um(4.6*250mm)；流速：1.0ml/min；进样量：10μL；检测波长：210nm；柱温：40℃；梯度液比例：A(水+0.2％的磷酸)：B(甲醇)＝70:30。

气相色谱分析条件：仪器型号：岛津2010Plus，载气：氦气；流速：1.0ml/min；进样量：0.2ul；进样口温度：300℃；分流比：30:1；色谱柱：DB-5(30m×0.25mm×0.25μm)；柱温：50℃保持2分钟，以5℃/min升温至80℃，保持0min，以15℃/min升温至300℃，保持10min；检测器：FID，温度：300℃。

实施例1

向电解池中加入100g甲醇、10g甲基苯基酮、0.2g配体(A)、0.05g高氯酸锂、10g N-甲基-2,5-二甲基吡咯，阴极使用玻璃碳基镀层电极，玻璃碳的表面粗糙度为0.2微米，镀层的主体金属为钛，含量为98wt％，掺杂金属为铂，含量2wt％，阳极使用钛基Ir-Ta电极，其中铱的含量为20wt％，钽的含量为80wt％。控制阳极电流密度为200A/m²，阴极电流密度为100A/m²，在40℃下电解7h。产物收率通过气相色谱测定，产物ee值通过手性液相色谱测定。产物2,3-二苯基-2,3-二羟基丁烷的收率为95％，电流效率为88％，产物ee值为96％，产物N-甲基-2,5-二甲基-2,5-二甲氧基二氢吡咯收率为92％，电流效率89％。

实施例2

向电解池中加入100g甲醇、10g 2-吡啶基乙基酮、0.4g配体(B)、0.2g四丁基高氯酸铵、10g N-乙基-2-乙基-5-正丙基吡咯，阴极使用玻璃碳基镀层电极，玻璃碳的表面粗糙度为0.5微米，镀层的主体金属为钽，含量为96wt％，掺杂金属为钯，含量4wt％，阳极使用钛基Ir-Ta电极，其中铱的含量为40wt％，钽的含量为60wt％。控制阳极电流密度为400A/m²，阴极电流密度为50A/m²，在60℃下电解6h。产物收率通过气相色谱测定，产物ee值通过手性液相色谱测定。产物3,4-二(2’-吡啶基)-3,4-二羟基己烷的收率为92％，电流效率为90％，产物ee值为91％，产物N-乙基-2-乙基-5-异丙基-2,5-二甲氧基二氢吡咯收率为90％，电流效率87％。

实施例3

向电解池中加入100g甲醇、10g苯基乙基酮、0.1g配体(E)、0.3g四甲基六氟膦酸铵、10g N-苄基吡咯，阴极使用玻璃碳基镀层电极，玻璃碳的表面粗糙度为0.1微米，镀层的主体金属为铌，含量为99wt％，掺杂金属为铱，含量1wt％，阳极使用钛基Ir-Ta电极，其中铱的含量为30wt％，钽的含量为70wt％。控制阳极电流密度为100A/m²，阴极电流密度为200A/m²，在50℃下电解6h。产物收率通过气相色谱测定，产物ee值通过手性液相色谱测定。产物3,4-二苯基-3,4-二羟基己烷的收率为92％，电流效率为90％，产物ee值为93％，产物N-苄基-2,5-二甲氧基-2,5-二氢吡咯收率为91％，电流效率87％。

实施例4

向电解池中加入100g甲醇、10g甲基异丙基酮、0.3g配体(G)、0.15g高氯酸钾、10gN-甲基-2正丙基-5-羟甲基吡咯，阴极使用玻璃碳基镀层电极，玻璃碳的表面粗糙度为1微米，镀层的主体金属为钼，含量为95wt％，掺杂金属为钌，含量5wt％，阳极使用钛基Ir-Ta电极，其中铱的含量为50wt％，钽的含量为50wt％。控制阳极电流密度为500A/m²，阴极电流密度为10A/m²，在55℃下电解8h。产物收率通过气相色谱测定，产物ee值通过手性液相色谱测定。产物2,3-二异丙基-2,3-二羟基丁烷的收率为90％，电流效率为85％，产物ee值为88％，产物N-甲基-2-正丙基-5-羟甲基-2,5-二甲氧基二氢吡咯收率为96％，电流效率92％。

实施例5

向电解池中加入100g甲醇、10g 2-吡啶基甲基酮、0.5g配体(C)、0.1g溴化钠、10gN-苄基-2-乙基-5-羟甲基吡咯，阴极使用玻璃碳基镀层电极，玻璃碳的表面粗糙度为0.35微米，镀层的主体金属为钨，含量为97wt％，掺杂金属为铑，含量3wt％，阳极使用钛基Ir-Ta电极，其中铱的含量为10wt％，钽的含量为90wt％。控制阳极电流密度为300A/m²，阴极电流密度为75A/m²，在45℃下电解6.5h。产物收率通过气相色谱测定，产物ee值通过手性液相色谱测定。产物2,3-二(2’-吡啶基)-2,3-二羟基丁烷的收率为85％，电流效率为81％，产物ee值为83％，产物N-苄基-2-乙基-5-羟甲基-2,5-二甲氧基二氢吡咯收率为98％，电流效率95％。

实施例6

向电解池中加入100g甲醇、10g甲基苯基酮、0.2g配体(A)、0.05g高氯酸锂、10g N-甲基-2,5-二甲基吡咯，阴极使用玻璃碳电极，阳极使用钛电极。控制阳极电流密度为200A/m²，阴极电流密度为100A/m²，在40℃下电解7h。产物收率通过气相色谱测定，产物ee值通过手性液相色谱测定。产物2,3-二苯基-2,3-二羟基丁烷的收率为15％，电流效率为8％，产物ee值为26％，产物N-甲基-2,5-二甲基-2,5-二甲氧基二氢吡咯收率为22％，电流效率18％。

从实施例1与实施例6的比较可以看出，阴极使用本发明的玻璃碳基镀层电极与使用普通玻璃碳电极相比，在收率、电流效率以及产物ee值上有明显改进。

Claims

1.一种同时制备邻二醇和吡咯甲氧基化产物的电化学方法，该方法包括在阴极发生酮类转变为邻二醇的反应，在阳极发生吡咯的甲氧基化反应，其中，阴极材料由基材和镀层金属构成，基材选自石墨或玻璃碳电极，镀层金属为主体金属和掺杂金属，其中主体金属包括钛、钽、铌、钼、钨中的一种或多种；掺杂金属选自铂族金属中的一种或多种，主体金属占整个镀层金属的质量分数为95%-99%，剩下是掺杂金属，其中，酮类具有式（I）的结构：

（I），

邻二醇具有式（II）的结构：

（II），

在式（I）和（II）中，R¹与R²不同，且各自独立的选自甲基、乙基、异丙基、丁基、苯基、4-氯苯基、4-溴苯基、2-吡啶基、4-羟基苯基中的一种；

吡咯具有式（III）的结构：

（III），

吡咯的甲氧基化产物具有式（IV）的结构：

（IV），

在式（III）和（IV）中，R⁵选自甲基、乙基、卞基中的一种；R³、R⁴各自独立的选自甲基、乙基、正丙基、氢、羟甲基的一种。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，式（I）的化合物选自甲基苯基酮、2-吡啶基乙基酮、乙基苯基酮、甲基异丙基酮、2-吡啶基甲基酮。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在阴极反应中加入手性配体。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，该手性配体选自下式化合物中的一种或多种：

其中Ph为苯基，nPr为正丙基。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，该手性配体选自配体(A)、配体(B)、配体(E)和配体(G)中的一种或多种；手性配体的加入量为相对于原料酮类质量的0.5-10%。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，手性配体的加入量为相对于原料酮类质量的1%-5%。

7.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，基材选自玻璃碳电极。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，掺杂金属选自铂、钯、铱、钌、铑中的一种或多种。

9.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，主体金属占整个镀层金属的质量分数为96-98%，剩下是掺杂金属。

10.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，基材表面的粗糙度Ra为0.1微米-1微米。

11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，基材表面的粗糙度Ra为0.2微米-0.5微米。

12.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在阴极反应中加入电解质，所述电解质选自高氯酸锂、硫酸钠、硝酸钠、四丁基高氯酸铵、氯酸钾、氟化锂、四甲基六氟膦酸铵、高氯酸钾、溴化钠、甲醇钾中的一种或多种，电解质的加入量为相对于原料酮质量的0.1-10%。

13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述电解质选自高氯酸锂、四丁基高氯酸铵、四甲基六氟膦酸铵、高氯酸钾、溴化钠中的一种或多种。

14.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，电解质的加入量为相对于原料酮质量的0.5-5%。

15.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，反应使用无隔膜电解槽进行。

16.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，阳极材料由钛基材和镀层构成，镀层材料选自铱和钽两种元素。

17.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，阳极材料由钛基材和镀层构成，镀层材料由铱和钽两种元素组成，其中铱的含量为10wt%-50wt%，钽的含量为50-90wt%。

18.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，铱的含量为20-40wt%，钽的含量为60-80wt%。

19.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，阴极的电流密度为10-200A/m²；阳极的电流密度选自100-500A/m²。

20.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，阴极的电流密度为50-100 A/m²；阳极的电流密度选自200-400 A/m²。

21.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，阳极、阴极反应的温度范围是40-60℃，反应时间范围是6-8h。