制备酰基二茂铁的改进方法 【发明领域】
本发明涉及一种改进的方法，用C2-C7酸酐作为酰化剂、蒙脱土作为催化剂，从二茂铁制备酰基二茂铁。
【发明背景】
本发明涉及有益于生态的方法从二茂铁中制备酰基二茂铁，用酸酐作为酰化剂，蒙脱土作为催化剂，免除了将酰基氯作为酰化剂，以及将腐蚀性和毒性的氯化铝、多磷酸、三氟化硼和氟化氢作为Friedel-Crafts试剂。该方法完全消除了中和步骤后形成的盐的处置。
酰基二茂铁是一种重要的中间体，用于生产各种功能性的物质，如功能聚合物、表面活性剂、电荷传递复合物、离子传感器、掩蔽剂、偶联剂、手性催化剂、用于推进的燃烧催化剂等。酰基二茂铁也可用作为治疗缺铁性病症和缺铁性贫血(由重复放血引起的贫血)的药物。
用酰基卤进行二茂铁的Friedel-Crafts酰化可形成酰基二茂铁。在酰化中二茂铁的活性是苯的106倍。它们通常是在氯化铝或磷酸的存在下通过将二茂铁与乙酸酸酐/酰基氯反应制备的。已发现用不同比例的二茂铁、酰氯和添加模式制各的酰基二茂铁和二酰基二茂铁都能得到令人满意的收率。通过逐滴将酰基氯、氯化铝复合物添加到二茂铁溶液中，制备单酰基二茂铁，所用的酰基氯、催化剂和二茂铁的量是等摩尔的。通过以酰基氯和氯化铝对二茂铁的摩尔比例都是＞2∶1，将二茂铁溶液加入到复合物中可制备二酰基二茂铁。
Rosenblum和Woodward，J.Am.chem.Soc.，80，5443，1958出版的参考文献中，在化学计量量地氯化铝存在下将二茂铁与酰基氯反应制备酰基二茂铁。参考文献Bogel’s Textbook of Practical Organic Chemistry，第五版，第1014页，1989中，在85％磷酸存在下将二茂铁与乙酸酐反应制备酰基二茂铁。
英国专利BP pat.869504，819108中，在Friedel-Crafts条件下，在路易斯酸如氯化铝、三氟化硼、氟化氢或多磷酸存在下，在溶液(如二硫化碳、醚、硝基甲烷或二氯乙烷)中将二茂铁与适当的酰基氯或酸酐反应，生产酰基二茂铁。这些方法的缺陷是，当用氯化铝时，得到的主要是二酰基化合物，而当存在氟化氢或多磷酸时，生产的是单酰基化合物。其它缺点是要用化学计量量的危险的氯化铝/磷酸，而且还有冗长的后处理过程。
因此，显然需要用不同的方法来制备酰基二茂铁，由于固有存在的问题如要用腐蚀性的试剂、分离和缺少与其相关的复用性，传统的路易斯酸催化剂已不再有魅力了。
为了克服先前本领域方法中存在的上述和其它缺陷，申请者已开发了一种新的制备酰基二茂铁的方法。
发明目的
本发明的主要目的是提供一种改进的方法，用于从二茂铁制备酰基二茂铁，用酸酐作为酰化剂和蒙脱土作为催化剂。
本发明的另一目的是用价廉、丰富易得的蒙脱土作为制备酰基二茂铁的催化剂。
本发明的另一目的是在制备酰基二茂铁中使用可重复使用的、易分离的固态酸催化剂。
本发明还有一个目的是用K10蒙脱土/金属离子交换的K10蒙脱土作为催化剂。
发明概述
本发明涉及用可购得的蒙脱土和各种金属离子交换的酸催化剂进行酰化以制备酰基二茂铁。本发明涉及用可购得的K10蒙脱土和各种金属离子交换的K10蒙脱土作为固态酸催化剂进行二茂铁与具有2-7个碳原子的酸酐(作为酰化剂)的酰化反应。本发明提供极好的收率、较大的对单酰基二茂铁的选择性和几乎可以忽略的废水。当与当前应用的用有害的无水氯化铝作为试剂的方法(产生大量的固体废料)相比较时，这些优点是给人深刻印象的。因此，本发明所述的方法是技术可行的、有经济价值的和益于环境的。
发明详述
因此，本发明提供一种制备酰基二茂铁的方法，包括以下步骤：在溶剂中，存在蒙脱土或金属离子交换的K10蒙脱土催化剂时，将二茂铁与有2-7个碳原子的酸酐酰化剂反应，温度范围约为80-165℃，反应3-8小时，然后用传统的方法回收酰基二茂铁。
在一实施例中，酰化剂选自具有2-7个碳原子的酸酐。
在另一实施例中，酰化剂选自具有2-7个碳原子，包括乙酸酐到庚酸酐的酸酐。
在另一实施例中，取代的烃溶剂是氯苯。
在另一实施例中，所述蒙脱土/金属离子交换的K10蒙脱土催化剂选自Co2+、Zn2+、Al3+、Ce3+、La3+或Zr4+蒙脱土。
在另一实施例中，所用的催化剂的量对加入的底物而言是5-50％(重量)。
在另一实施例中，所述溶剂选自本身作为溶剂的酸酐或取代烃。
在另一实施例中，反应在范围为120-165℃的温度，进行3-8小时。
在本发明中，申请者首次用可购得的K10蒙脱土和各种金属离子交换的K10蒙脱土作为固体酸催化剂，用于二茂铁与C2-C7的酸酐(乙酸酐到庚酸酐)酰化剂的酰化。
在酸处理的蒙脱土、K10中，Bronsted酸位点密度增加(这是因为天然蒙脱土重叠层破坏产生的断界数量的增加)，而Lewis酸度减少(这是因为在酸处理中天然蒙脱土中固有存在的金属离子发生脱附)。K10蒙脱土具有非常高的Bronsted酸度，因此诱导了上述的酰化反应。通过交换过程在蒙脱土K10中引入过渡金属，增加了材料的Lewis酸度并同时减少了Brosted酸度。各种修饰的蒙脱土，在酰化二茂铁中的效力为以下次序：沸石＜Cu2+蒙脱土＜Fe3+蒙脱土＜Zn2+蒙脱土＜FePILC-K10＜K10蒙脱土。这些结果表明酸位点的较高密度，即在K10蒙脱土中的Bronsted位点或在FePILC-K10中的Lewis位点，诱导了二茂铁的酰化。
所有的金属离子交换的K10蒙脱土催化剂的制备如实施例1所述，并如实施例所述用于用酸酐作为酰化剂的二茂铁酰化中。
以下所给出的实施例用于说明本发明，对本发明的范围无任何限制。
实施例1
如下文制备一系列催化剂。表1中给出了用乙酸酐与不同催化剂的二茂铁酰化。表2详细列出了用不同酰化剂的％转化率。
A)用K10蒙脱土(从M/s.Fluka，a Sigma Aldrich Company，Switzweland得到的)
B)金属交换的蒙脱土：
Fe3+交换的蒙脱土：将80g K10蒙脱土(从M/s.Fluka，a Sigma AldrichCompany，Switzweland得到的)加入1L FeCl3水溶液(1.0M)中，搅拌。维持搅拌16-30小时，使K10蒙脱土的交换能力饱和。离心粘土悬浮液，并弃去上清液。重复洗涤，直到弃液中不再出现Cl-离子。在120℃炉中干燥粘土过夜，并最终在研钵中磨碎。
通过溶解相应的金属盐的类似步骤，制备其它金属交换的粘土，如Cu2+、Co2+、Zn2+、Al3+、Ce3+、La3+或Zr4+蒙脱土催化剂。
C)从K10蒙脱土制备FePILC：(FePILC＝离子成柱粘土)
通过在过量的氯化钠水溶液中悬浮、搅拌可购得的K10蒙脱土24小时制备Na-蒙脱土。通过离心分离Na-蒙脱土，用去离子水洗涤掉氯离子，风干。风干的粘土的阳离子交换量为0.8equi。三核乙酸根合羟基铁(III)硝酸盐：Fe3(OCOCH3)7OH.2H2ONO3，用作与Na-蒙脱土交换的阳离子源。其是通过将80.8g Fe(NO3)35H2O溶解于50ml乙醇中制备的。将其与140ml乙酸酐反应，进行加热。然后在冰浴中冷却溶液，分离得到的沉淀，无需进一步纯化可用于成柱步骤。
阳离子交换：将用700ml水配制的0.04mol/l三核乙酸根合羟基铁(III)硝酸盐(19.48)的水溶液加入到搅拌的1％Na-蒙脱土水悬浮液(用800ml水配制的8gNa-蒙脱土)中。40℃搅拌该混合液3小时，离心分离，用水洗涤几次除去多余的铁离子，风干，得到FePILC-K10。
实施例2
在R.B烧瓶(50ml)中，回流温度，存在K10蒙脱土催化剂(0.200g)时，加热二茂铁(1mmol，0.186g)、乙酸酐(1ml，10mmol)和氯苯(10ml)。反应完成后(用TLC跟踪)，过滤反应混合液，在旋转蒸发仪上浓缩，得到粗产物。将该粗产物作快速色谱得到酰化产物(0.193g)。
实施例3
在R.B烧瓶(50ml)中，回流温度，存在Fe3+交换的蒙脱土催化剂(0.200g)时，加热二茂铁(1mmol，0.186g)、乙酸酐(1ml，10mmol)和氯苯(10ml)。反应完成后(用TLC跟踪)，过滤反应混合液，在旋转蒸发仪上浓缩，得到粗产物。将该粗产物作快速色谱得到酰化产物(0.134g)。
实施例4
在R.B烧瓶(50ml)中，回流温度，存在Zn2+蒙脱土催化剂(0.200g)时，加热二茂铁(1mmol，0.186g)、乙酸酐(1ml，10mmol)和氯苯(10ml)。反应完成后(用TLC跟踪)，过滤反应混合液，在旋转蒸发仪上浓缩，得到粗产物。将该粗产物作快速色谱得到酰化产物(0.134g)。
实施例5
在R.B烧瓶(50ml)中，回流温度，存在Cu2+蒙脱土催化剂(0.200g)时，加热二茂铁(1mmol，0.186g)、乙酸酐(1ml，10mmol)和氯苯(10ml)。反应完成后(用TLC跟踪)，过滤反应混合液，在旋转蒸发仪上浓缩，得到粗产物。将该粗产物作快速色谱得到酰化产物(0.114g)。
实施例6
在R.B烧瓶(50ml)中，回流温度，存在Fe-成柱K10蒙脱土催化剂(0.200g)时，加热二茂铁(1mmol，0.186g)、乙酸酐(1ml，10mmol)和氯苯(10ml)。反应完成后(用TLC跟踪)，过滤反应混合液，在旋转蒸发仪上浓缩，得到粗产物。将该粗产物作快速色谱得到酰化产物(0.162g)。
实施例7
在R.B烧瓶(50ml)中，回流温度，存在沸石催化剂(0.200g)时，加热二茂铁(1mmol，0.186g)、乙酸酐(1ml，10mmol)和氯苯(10ml)。反应完成后(用TLC跟踪)，过滤反应混合液，在旋转蒸发仪上浓缩，得到粗产物。将该粗产物作快速色谱得到酰化产物(0.112g)。
实施例8
在Schlenk烧瓶(5ml)中，回流温度，存在K10蒙脱土催化剂(0.093g)时，加热二茂铁(1mmol，0.186g)、乙酸酐(2mmol)和氯苯(3m1)。反应完成后(用TLC跟踪)，过滤反应混合液，在旋转蒸发仪上浓缩，得到粗产物。将该粗产物作快速色谱得到酰化产物(0.134g)。
实施例9
在Schlenk烧瓶(5ml)中，回流温度，存在K10蒙脱土催化剂(0.093g)时，加热二茂铁(1mmol，0.186g)、丙酸酐(2mmol)和氯苯(3ml)。反应完成后(用TLC跟踪)，过滤反应混合液，在旋转蒸发仪上浓缩，得到粗产物。将该粗产物作快速色谱得到酰化产物(0.194g)。
实施例10
在Schlenk烧瓶(5ml)中，回流温度，存在K10蒙脱土催化剂(0.093g)时，加热二茂铁(1mmol，0.186g)、丁酸酐(2mmol)和氯苯(3ml)。反应完成后(用TLC跟踪)，过滤反应混合液，在旋转蒸发仪上浓缩，得到粗产物。将该粗产物作快速色谱得到酰化产物(0.204g)。
实施例11
在Schlenk烧瓶(5ml)中，回流温度，存在K10蒙脱土催化剂(0.093g)时，加热二茂铁(1mmol，0.186g)、戊酸酐(2mmol)和氯苯(3ml)。反应完成后(用TLC跟踪)，过滤反应混合液，在旋转蒸发仪上浓缩，得到粗产物。将该粗产物作快速色谱得到酰化产物(0.217g)。
实施例12
在Schlenk烧瓶(5ml)中，回流温度，存在K10蒙脱土催化剂(0.093g)时，加热二茂铁(1mmol，0.186g)、己酸酐(2mmol)和氯苯(3ml)。反应完成后(用TLC跟踪)，过滤反应混合液，在旋转蒸发仪上浓缩，得到粗产物。将该粗产物作快速色谱得到酰化产物(0.220g)。
实施例13
在Schlenk烧瓶(5ml)中，回流温度，存在K10蒙脱土催化剂(0.047g)时，加热二茂铁(1mmol，0.186g)和乙酸酐(2.5ml)。反应完成后(用TLC跟踪)，过滤反应混合液，蒸馏回收多余的酸酐，得到粗产物。将该粗产物作快速色谱得到酰化产物(0.207g)。
实施例14
在Schlenk烧瓶(5ml)中，油浴温度165℃，存在K10蒙脱土催化剂(0.047g)时，搅拌二茂铁(1mmol，0.186g)和丙酸酐(2.5ml)。反应完成后(用TLC跟踪)，过滤反应混合液，蒸馏回收多余的酸酐，得到粗产物。将该粗产物作快速色谱得到酰化产物(0.210g)。
实施例15
在Schlenk烧瓶(5ml)中，油浴温度165℃，存在K10蒙脱土催化剂(0.047g)时，搅拌二茂铁(1mmol，0.186g)和丁酸酐(2.5ml)。反应完成后(用TLC跟踪)，过滤反应混合液，蒸馏回收多余的酸酐，得到粗产物。将该粗产物作快速色谱得到酰化产物(0.230g)。
实施例16
在Schlenk烧瓶(5ml)中，油浴温度165℃，存在K10蒙脱土催化剂(0.047g)时，搅拌二茂铁(1mmol，0.186g)和戊酸酐(2.5ml)。反应完成后(用TLC跟踪)，过滤反应混合液，蒸馏回收多余的酸酐，得到粗产物。将该粗产物作快速色谱得到酰化产物(0.240g)。
实施例17
在Schlenk烧瓶(5ml)中，油浴温度165℃，存在K10蒙脱土催化剂(0.047g)时，搅拌二茂铁(1mmol，0.186g)和己酸酐(2.5ml)。反应完成后(用TLC跟踪)，过滤反应混合液，蒸馏回收多余的酸酐，得到粗产物。将该粗产物作快速色谱得到酰化产物(0.250g)。
实施例18
存在K10蒙脱土催化剂(0.470g)时，加热二茂铁(10mmol，1.86g)和乙酸酐(25ml)，在Schlenk烧瓶(50ml)中回流。反应完成后(用TLC跟踪)，过滤反应混合液，蒸馏回收多余的酸酐，得到粗产物。将该粗产物作快速色谱得到酰化产物(2.00g)。
表1中列出了用不同催化剂的二茂铁与乙酸酐的酰化。表2中列出了用不同酰化剂的二茂铁的酰化中的转化率(％)。
表1
用不同催化剂的二茂铁与乙酸酐的酰化 编号 实施例a 催化剂时间(小时) 转化率(％)b 1 2 K10蒙脱土 8 85 2 3 Fe3+-交换的蒙脱土 24 60 3 4 Zn2+-交换的蒙脱土 24 62 4 5 Cu2+-交换的蒙脱土 24 53 5 6 FEPILC-K10 24 75 6 7 沸石 24 52a如本文中的实施例。b从NMR得到的。以二茂铁为基础的收率。
表2
二茂铁的酰化 编号 实施例a 溶剂 酰化剂 温度 (℃) 转化率b (％) 选择性c(％) 单- 二- 1 8 氯苯 乙酸酐 150-155 62 96 4 2 9 氯苯 丙酸酐 150-155 85 97 3 3 10 氯苯 丁酸酐 150-155 84 96 4 4 11 氯苯 戊酸酐 150-155 85 97 3 5 12 氯苯 己酸酐 150-155 82 97 3 6 13 乙酸酐 乙酸酐 150-155 96 96 4 7 14 丙酸酐 丙酸酐 165 92 98 2 8 15 丁酸酐 丁酸酐 165 95 98 2 9 16 戊酸酐 戊酸酐 165 94 98 2 10 17 己酸酐 己酸酐 165 93 98 2 11 18 乙酸酐 乙酸酐 165 92 97 3a如本文中的实施例。b从NMR得到的，以二茂铁(单-和二-酰化的)为基础的收率。c以NMR为基础。
本发明的优点
1.本方法是新颖的、益于环境的制备酰基二茂铁的方法。
2.本方法排除了用腐蚀性氯化铝。
3.粘土首次作为催化剂用于二茂铁的酰化，替代了腐蚀性的氯化铝和磷酸。
4.粘土作为催化剂的载体或作为催化剂，在自然界是价廉、丰富易得的。
5.本反应的选择性和收率是定量的。
6.本发明提供良好的收率、较大的对单酰基二茂铁的选择性和几乎可以忽略的废水。当与当前的用危险的无水氯化铝作为试剂的方法(产生大量的固体废料)相比，这些优点是给人深刻印象的。因此，本发明所述的方法是技术可行的、有经济价值的和益于环境的。
7.本反应是简单的，持续时间较短，且后处理方法简单，所以是一种经济的方法。
8.因为催化剂可重复循环使用，所以本方法不存在废料处置问题。催化剂可作4次循环，而且依旧保持活性。
9.因为没有废料处置问题，所以本方法对环境是安全的。