基本信息
- 项目名称：
- 芳基胺类化合物的制备--一种新型的碳-氮成键方法
- 来源：
- 第十一届“挑战杯”国赛作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 有机含氮化合物是一类非常重要的有机物，特别是其中的芳基胺类化合物，在制药、化工、材料等与国计民生息息相关的行业中有着非常广泛的应用。在这里，本项目设计发展了一种通过氯代酰胺来实现碳-氮成键的全新方法（即以氯化亚铜为催化剂，无需配体，在室温即可进行的氯代酰胺对芳基硼酸的亲电氨化反应），从而高效、高选择性、高产率的制得了一类芳基酰胺化合物。
- 详细介绍：
- 有机含氮化合物广泛存在于自然界，是一类非常重要的有机物。其中的芳基胺类化合物，在制药、化工和材料等与国计民生息息相关的行业中有着非常广泛的应用。因此，利用过渡金属催化的碳-氮成键方法来制备芳基胺类化合物，多年来一直受到化学家们的关注和研究。 在这里，本项目设计发展了一种通过氯代酰胺来实现碳-氮成键的全新方法（即以氯化亚铜为催化剂，无需配体，在室温即可进行的氯代酰胺对芳基硼酸的亲电氨化反应），从而高效、高选择性、高产率的制得了一类芳基酰胺化合物，并对该新型碳-氮成键方法的实用价值和应用前景进行了探讨。 本项目的主要创新点如下： （1）别出心裁的设计路线——亲核试剂氧化至极性反转的亲电成键模式。这是本方法最根本的创新点，我们以R1R2N+合成子作为氮源来实现碳氮偶联，正是这种成键模式上的创新，使得本方法有着独特的优势，也衍生出后面的几点。 （2）价格低廉的实验成本。 （3）简单温和的反应条件。 （4）强大实用的成键方法。 本项目的应用前景： 芳基胺类化合物，在制药、农药、精细化工及材料等领域有着非常重要的应用。如诺氟沙星、芬太奴、双氯芬酸钠等一些常见有用的药物，其结构单元中都含有氮-芳基化的部分，都属于芳基胺类化合物。有机光电功能材料正日益引起人们的兴趣，尤其是有机发光二极管（OLED），是柔性显示屏的重要电子组件。很多OLED其组成材料的基本结构单元中也都含有这种碳-氮成键，氮-芳基化的部分。 与之前的方法相比，我们设计发展的碳-氮成键方法，避免了使用昂贵的Pd和复杂、高毒性的膦配体，而以廉价低毒性的CuCl为催化剂，无需配体，这就为反应的放大和工业化提供了必要的前提。反应的底物氯代酰胺也易于制备，使用的氯源是廉价易得的次氯酸钙。并且，本方法室温下即可进行，操作简单，在非常温和的条件下实现了高产率、高选择性。另外，本体系可以同时兼容溴、碘卤代官能团，这是一些经典方法很难实现的，利用本方法可以制备出一些通常方法很难制得的化合物。 因此，本项目发展的新型碳-氮成键方法，提供了一条制备如以上药物、有机光电材料等芳基胺类化合物的新途径，有着较高的实用价值和广阔的应用前景。
作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 目的：有机含氮化合物是一类非常重要的有机物，特别是其中的芳基胺类化合物，在制药、化工、材料等领域有着非常广泛的应用。因此，利用过渡金属催化的碳-氮成键方法来制备芳基胺类化合物，多年来一直受到化学家们的关注和研究。 基本思路：早期制备芳基胺类化合物的方法，使用的氮源都是R1R2N-合成子。在这里，我们设计了一种将亲核试剂氧化至极性反转的亲电成键模式，使用氯代酰胺作为R1R2N+合成子，发展了一种新型的碳-氮成键的方法来制备芳基胺类化合物，即以廉价低毒性的CuCl为催化剂，不需要配体，在室温下即可进行的氯代酰胺对芳基硼酸的亲电氨化反应。 创新点：1、别出心裁的设计路线——亲核试剂氧化至极性反转的亲电成键模式。这是本方法最根本的创新点，正是这种成键模式的创新，使得本方法有着独特的优势，也衍生出后面的几点。2、价格低廉的实验成本。催化剂是廉价易得、低毒性的CuCl。3、简单温和的反应条件。室温下即可进行，条件非常温和。4、强大实用的成键方法。可以兼容芳环上的卤代官能团。 技术关键：1、利用次氯酸钙制得氯代酰胺。2、以CuCl为催化剂，无需配体，碳酸钠作碱，室温下实现氯代酰胺对芳基硼酸的亲电氨化反应，制得碳-氮成键的芳基酰胺化合物。 主要技术指标：1、碳氮-成键反应的选择性。2、目标产物芳基胺类化合物的产率。3、本方法的适用范围以及催化体系的兼容性。
科学性、先进性
- 利用过渡金属催化的碳-氮成键方法来制备芳基胺类化合物，已经有一百多年的历史，使用的催化剂主要是钯和铜。早期的Ullmann反应需要使用过量的铜粉，温度高达200度，后续处理困难，产率低。钯催化的反应有条件温和、反应简单等优点，然而钯催化剂同样有着不可避免的缺点：毒性较大，价格高，以及对不稳定而且剧毒的有机膦配体的依赖等。 在这里，本项目设计发展了一种通过氯代酰胺来实现碳-氮成键的全新方法，从而高效、高选择性、高产率的制得了一类芳基酰胺化合物，成功实现了碳-氮成键。 本方法的催化剂是廉价易得、低毒性的铜，这便于反应的放大。本方法在室温下即可进行，条件非常温和，大大扩展了底物的适用范围。基于这种方法的特点和优越性，本体系可以同时兼容溴、碘卤代官能团，这是一些经典方法很难实现的，利用本方法，我们制备出了12个世上还没有的芳基酰胺化合物。因此，本项目发展的新型碳-氮成键方法，提供了一条制备芳基酰胺化合物的新途径，有着较高的实用价值和广阔的应用前景。
获奖情况及鉴定结果
- 发表在SCI期刊 《德国应用化学》 上，Angew. Chem. Int. Ed. 2008, 47, 6414-6417.（化学领域的顶级杂志《德国应用化学》，SCI 影响因子：10.031）其评审专家评价我们的工作为“最重要的贡献之一”。 这篇论文发表后，即被国内《有机化学》杂志的亮点介绍栏目选中点评。 2008年12月，荣获第五届“中国青少年科技创新奖”，并在人民大会堂接受颁奖。 2009年6月，荣获湖北省第七届“挑战杯”大学生课外学术科技作品竞赛特等奖。
作品所处阶段
- 实验室阶段
技术转让方式
- 自主知识产权
作品可展示的形式
- 实物、产品，模型，图片
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 有机含氮化合物在有机物中占有很大的比重，许多是生命活动不可缺少的物质。其中的芳基胺类化合物，在制药、农药、精细化工及材料等领域有着非常重要的应用。 如诺氟沙星、芬太奴、双氯芬酸钠等药物，其结构单元中都含有氮-芳基化的部分，属于芳基胺类化合物。另外，有机发光二极管，是柔性显示屏的重要电子组件，其组成材料的基本结构单元中也大都含有这种氮-芳基化的部分。 与之前的方法相比，我们设计提出的碳-氮成键方法，避免了使用昂贵的Pd和高毒性的膦配体，而以廉价低毒性的CuCl为催化剂，无需配体（每500克CuCl是3,612元人民币，每50克PdCl2就要20,482元），这就为反应的放大提供了必要的前提。本方法室温下即可进行，在非常温和的条件下实现了高产率、高选择性。另外，本体系可以同时兼容溴、碘卤代官能团，这是一些经典方法很难实现的。 因此，本项目发展的新型碳-氮成键方法，提供了一条制备如以上药物、有机光电材料等芳基胺类化合物的新途径，有着较高的实用价值和广阔的应用前景。
同类课题研究水平概述
- 利用过渡金属催化的碳-氮成键方法来制备芳基胺类化合物，已经有一百多年的发展历史，但是直到最近的十年左右，才取得了突破性的进展，其使用的过渡金属催化剂，主要是钯和铜。 1、早期的Ullmann反应 早期的Ullmann反应局限于卤代芳烃和芳胺之间的偶联。在反应中人们通常使用过量的铜粉，反应的温度通常高达200度，反应的后续处理困难，反应产物复杂，产率也不高。 2、钯催化的 Buchwald-Hartwig 反应 1995年，Buchwald 和 Hartwig 两个小组同时提出以卤代芳烃和胺为原料，以金属钯做催化剂，有机膦作配体，在碱的作用下直接进行的碳氮偶联反应。此后，这类反应不断进步，逐渐形成体系，成为过去十年中金属有机化学的一个亮点，被称为 Buchwald-Hartwig 反应。 3、铜催化的配体改进的Ullmann反应 然而，经过多年对钯催化偶联反应的研究，人们也逐渐认识到钯催化剂的一些缺点，这主要包括：毒性较大，价格较高，以及对不稳定而且剧毒的有机膦配体的依赖性等。为了寻找廉价而且低毒的催化剂，人们又对铜作为催化剂的碳氮偶联反应产生了浓厚的兴趣。 在1998年到2001年，国内的马大为小组报道了卤代芳烃与α-氨基酸或β-氨基酸之间进行偶联得到 N-芳基-α-氨基酸的反应。反应使用CuI作催化剂，条件较为温和。在此基础上，Buchwald等系统地研究了铜催化的胺芳基化反应，发现双齿氮配体可以很好的促进反应的进行，同时双齿氮配体氮原子上取代基团的数目对反应有很大影响。 4、铜催化的 Chan-Evans-Lam 氧化偶联反应 另一方面，在1998年，Chan，Evans和Lam三个小组几乎同时提出了铜催化的芳基硼酸和胺的碳-氮成键氧化偶联反应。这类反应是在金属催化剂的作用下，同时提供氧化剂，芳基亲核试剂作原料提供含碳基团，胺类提供含氮基团进行的碳氮偶联反应。但是该方法需要加入当量的氧化剂，底物的适用范围也比较有限。
