Preparation of Ethyl α⁃Cyanocinnamate Catalyzed by Nitrogen-rich Porous Organic Polymers

doi:10.7503/cjcu20220078

Abstract

Abstract:

Ethyl α-cyanocinnamate， an electron-deficient olefin containing various functional groups， is a highly suitable substrate for organic synthesis reactions. It is mainly obtained by catalytic Knoevenagel condensation reaction. Nitrogen-rich porous organic polymer mPMF was prepared by the solvothermal method using paraformaldehyde and melamine as substrates， and K₂CO₃-mPMF-X（X=1， 10， 50） was obtained by K₂CO₃ treatment. The catalytic performance of mPMF in the Knoevenagel condensation reaction of benzaldehyde and ethyl cyanoacetate was discussed. To investigate the effect of basicity on the Knoevenagel condensation reaction by comparing the catalytic activity of mPMF and K₂CO₃-mPMF-X. The catalytic reaction mechanism was initially explored. The experimental performance indicates that the abundance of nitrogen species in the catalyst provides a basic environment and a lot of basic active sites for the reaction. Control of catalyst basicity is an essential factor in the catalytic synthesis of ethyl α-cyanocinnamate. The reaction of mPMF in methanol solvent at 60 ℃ for 3 h resulted in 97% conversion of benzaldehyde and over 99.9% selectivity of the target product.

Key words: Nitrogen-rich porous organic polymer, Catalyst, Knoevenagel condensation reaction

CLC Number:

O643.32

TrendMD:

GAO Wenxiu, LYU Jieqiong, GAO Yongping, KONG Changjian, WANG Xueping, GUO Shengnan, LOU Dawei. Preparation of Ethyl α⁃Cyanocinnamate Catalyzed by Nitrogen-rich Porous Organic Polymers[J]. Chem. J. Chinese Universities, 2022, 43(6): 20220078.

Figures/Tables 11

References 38

1	Nair V.， Babu B. P.， Varghese V.， Sinu C. R.， Paul R. R.， Anabha E. R.， Suresh E.， Tetrahedron Lett.， 2009， 50（26）， 3716—3718
2	Liu X. G.， Wei Y.， Shi M.， Eur. J. Inorg. Chem.， 2010， 2010（10）， 1977—1988
3	Kawai D.， Kawasumi K.， Miyahara T.， Hirashita T.， Araki S.， Tetrahedron， 2009， 65（50）， 10390—10394
4	Hui W. P.， Liu D. E.， Hou D.， Chen Z. G.， Chin. J. Appl. Chem.， 2017， 34（7）， 757—767
	惠文萍，刘德娥，侯丹，陈战国. 应用化学， 2017， 34（7）， 757—767
5	Al⁃Shihry S. S.， Molecules， 2004， 9（8）， 658—665
6	Narsaiah A. V.， Basak A. K.， Visali B.， Nagaiah K.， Synth. Commun.， 2011， 34（16）， 2893—2901
7	Climent M.， Corma A.， Dominguez I.， Iborra S.， Sabater M.， Sastre G.， J. Catal.， 2007， 246（01）， 136—146
8	Shcherban N. D.， Mäki⁃Arvela P.， Aho A.， Sergiienko S. A.， Yaremov P. S.， Eränen K.， Murzin D. Y.， Catal. Sci. Technol.， 2018， 8（11）， 2928—2937
9	Chaudhuri H.， Gupta R.， Dash S.， Catal. Lett.， 2018， 148， 1703—1713
10	Horimoto T.， Kannari N.， Sato K.， Appl. Surf. Sci.， 2021， 558， 149841
11	Ruban S. M.， Sathish C. I.， Ramadass K.， Joseph S.， Kim S.， Dasireddy V. D. B. C.， Kim I. Y.， Al⁃Muhtaseb A. H.， Sugi Y.， Vinu A.， ChemCatChem， 2020， 13（1）， 468—474
12	Erigoni A.， Hernández⁃Soto M. C.， Rey F.， Segarra C.， Díaz U.， Catal. Today， 2020， 345， 227—236
13	Ng E. P.， Ahmad N. H.， Ling T. C.， Khoerunnisa F.， Daou T. J.， Mater. Chem. Phys.， 2021， 272， 125001
14	Sobczak I.， Calvino⁃Casilda V.， Wolski L.， Siodla T.， Martin⁃Aranda R.， Ziolek M.， Catal. Today， 2019， 325， 81—88
15	Das S. K.， Mondal S.， Chatterjee S.， Bhaumik A.， ChemCatChem， 2018， 10（11）， 2488—2495
16	Liao Y.， Cheng Z.， Zuo W.， Thomas A.， Faul C. F. J.， ACS Appl. Mater. Interfaces， 2017， 9（44）， 38390—38400
17	Zhou B.， Liu L.， Cai P.， Zeng G.， Li X.， Wen Z.， Chen L.， J. Mater. Chem. A， 2017， 5（42）， 22163—22169
18	Lv J. Q.， Xie H.， Gao Y. P.， Lian L. L.， Wang X. Y.， Zhang H.，Gao W. X.， Lou D. W.， Chem. Ind. Eng. Prog.， 2022， 41（6）， 2993—3001
	吕杰琼，谢晖，高永平，连丽丽，王希越，张浩，高文秀，娄大伟. 化工进展， 2022， 41（6）， 2993—3001
19	Chaudhary M.， Mohanty P.， New J. Chem.， 2018， 42（15）， 12924—12928
20	Ansari M. B.， Parvin M. N.， Park S. E.， Res. Chem. Intermed.， 2013， 40， 67—75
21	Tangale N. P.， Sonar S. K.， Niphadkar P. S.， Joshi P. N.， J. Ind. Eng. Chem.， 2016， 40， 128—136
22	Molla R. A.， Iqubal M. A.， Ghosh K.， Kamaluddin， Islam S. M.， Dalton Trans.， 2015， 44（15）， 6546—6559
23	Zheng S.， He M.， Chen B.， Hu B.， J. Chromatogr. A， 2018， 1567， 64—72
24	Wan H.， Zhang X.， Chen C.， Li X.， Liang X.， Anal. Bioanal. Chem.， 2020， 412， 1497—1508
25	Zhang X.， Chen F.， Chem. Lett.， 2016， 45（4）， 412—414
26	Lei B.， Luo H.， Shi M. K.， Zhang X.， Chem. J. Chinese Universities， 2016， 37（9）， 1722—1727
	雷蓓，罗辉，石孟可，张熙. 高等学校化学学报， 2016， 37（9）， 1722—1727
27	Islam S. S.， Molla R. A.， Ghosh K.， Das D.， Islam S. M.， Nat. Resour E.， 2018， 2（1）， 13—22
28	Xu J.， Wang Y.， Shang J. K.， Jiang Q.， Li Y. X.， Catal. Sci. Technol.， 2016， 6（12）， 4192—4200
29	Elhamifar D.， Kazempoor S.， Karimi B.， Catal. Sci. Technol.， 2016， 6（12）， 4318—4326
30	Bhunia M. K.， Melissen S.， Parida M. R.， Sarawade P.， Basset J. M.， Anjum D. H.， Mohammed O. F.， Sautet P.， Le Bahers T.， Takanabe K.， Chem. Mater.， 2015， 27（24）， 8237-8247
31	Ma X. Y.， Liao Y. J.， Qin F. H.， Yin H. Y.， Huang Z. Y.，Chen Q. F.， Chem. J. Chinese Universities， 2020，41（11）， 2526—2537
	马祥英，廖艳娟，覃方红，尹源浩，黄在银，陈其锋. 高等学校化学学报， 2020， 41（11）， 2526—2537
32	Wang H.， Wang C.， Yang Y.， Zhao M.， Wang Y.， Catal. Sci. Technol.， 2017， 7（2）， 405—417
33	Liu H.， Chen D.， Wang Z.， Jing H.， Zhang R.， Appl. Catal. B， 2017， 203， 300—313
34	Samarasinghe S. A. S. C.， Chuah C. Y.， Li W.， Sethunga G. S. M. D. P.， Wang R.， Bae T. H.， Sep. Purif. Technol.， 2019， 223， 133—141
35	Dumbre D. K.， Mozammel T.， Selvakannan P.， Hamid S. B.， Choudhary V. R.， Bhargava S. K.， J. Colloid Interface Sci.， 2015， 441， 52—58
36	Li T.， Zhang W.， Chen W.， Miras H. N.， Song Y. F.， Dalton Trans.， 2018， 47， 3059—3067
37	Wach A.， Drozdek M.， Dudek B.， Szneler E.， Kuśtrowski P.， Catal. Commun.， 2015， 64， 52—57
38	Wang K.， Jiang H.， Tong M.， Xiao Y.， Li H.， Zhang F.， Green Synth. Catal.， 2020， 11（44）， 79—82

Sample	Element content（%）
Sample	C	O	S	N	—N=	—NH—	—NH₂	π?π^* satellite
mPMF	37.95	3.35	4.60	54.10	28.67	18.75	2.12	4.56
SNW?1	51.93	4.03	2.56	41.49	23.21	13.91	2.28	2.09

Sample	Element content（%）
Sample	C	O	S	N	—N=	—NH—	—NH₂	π?π^* satellite
mPMF	37.95	3.35	4.60	54.10	28.67	18.75	2.12	4.56
SNW?1	51.93	4.03	2.56	41.49	23.21	13.91	2.28	2.09

Entry	Catalyst	Solvent	Temperature/℃	Time/h	Yield（%）	10³TOF/（mol·g^-1·h^-1）	Ref.
1	mPMF	Methanol	60	1	88	44	This work
2	SNW?1	Methanol	60	1	72	20	This work
3	TMP	H₂O	120	0.2	85	212	［20］
4	Ni?Fe?HT	None	80	8	85	5	［35］
5	LDH?ILs?C12	H₂O	RT	3	99	11	［36］
6	PVAm（9.0）/SBA?15	Ethanol	40	6	100	6	［37］
7	NH₂?MPR	H₂O	30	12	97	5	［38］

Entry	Catalyst	Solvent	Temperature/℃	Time/h	Yield（%）	10³TOF/（mol·g^-1·h^-1）	Ref.
1	mPMF	Methanol	60	1	88	44	This work
2	SNW?1	Methanol	60	1	72	20	This work
3	TMP	H₂O	120	0.2	85	212	［20］
4	Ni?Fe?HT	None	80	8	85	5	［35］
5	LDH?ILs?C12	H₂O	RT	3	99	11	［36］
6	PVAm（9.0）/SBA?15	Ethanol	40	6	100	6	［37］
7	NH₂?MPR	H₂O	30	12	97	5	［38］

[1]	CHU Yuyi, LAN Chang, LUO Ergui, LIU Changpeng, GE Junjie, XING Wei. Single-atom Cerium Sites Designed for Durable Oxygen Reduction Reaction Catalyst with Weak Fenton Effect [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2022, 43(9): 20220294.
[2]	QIN Yongji, LUO Jun. Applications of Single-atom Catalysts in CO₂ Conversion [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2022, 43(9): 20220300.
[3]	FAN Jianling, TANG Hao, QIN Fengjuan, XU Wenjing, GU Hongfei, PEI Jiajing, CEHN Wenxing. Nitrogen Doped Ultra-thin Carbon Nanosheet Composited Platinum-ruthenium Single Atom Alloy Catalyst for Promoting Electrochemical Hydrogen Evolution Process [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2022, 43(9): 20220366.
[4]	LIN Zhi, PENG Zhiming, HE Weiqing, SHEN Shaohua. Single-atom and Cluster Photocatalysis： Competition and Cooperation [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2022, 43(9): 20220312.
[5]	CHENG Qian, YANG Bolong, WU Wenyi, XIANG Zhonghua. S-doped Fe-N-C as Catalysts for Highly Reactive Oxygen Reduction Reactions [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2022, 43(9): 20220341.
[6]	TENG Zhenyuan, ZHANG Qitao, SU Chenliang. Charge Separation and Surface Reaction Mechanisms for Polymeric Single-atom Photocatalysts [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2022, 43(9): 20220325.
[7]	WANG Ruyue, WEI Hehe, HUANG Kai, WU Hui. Freezing Synthesis for Single Atom Materials [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2022, 43(9): 20220428.
[8]	YANG Jingyi, LI Qinghe, QIAO Botao. Synergistic Catalysis Between Ir Single Atoms and Nanoparticles for N₂O Decomposition [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2022, 43(9): 20220388.
[9]	LIN Gaoxin, WANG Jiacheng. Progress and Perspective on Molybdenum Disulfide with Single-atom Doping Toward Hydrogen Evolution [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2022, 43(9): 20220321.
[10]	REN Shijie, QIAO Sicong, LIU Chongjing, ZHANG Wenhua, SONG Li. Synchrotron Radiation X-Ray Absorption Spectroscopy Research Progress on Platinum Single-atom Catalysts [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2022, 43(9): 20220466.
[11]	WEI Chunhong, JIANG Qian, WANG Panpan, JIANG Chengfa, LIU Yuefeng. Atomic Scale Investigation of Pt Atoms/clusters Promoted Co-catalyzed Fischer-Tropsch Synthesis [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2022, 43(8): 20220074.
[12]	ZHANG Xinxin, XU Di, WANG Yanqiu, HONG Xinlin, LIU Guoliang, YANG Hengquan. Effect of Mn Promoter on CuFe-based Catalysts for CO₂ Hydrogenation to Higher Alcohols [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2022, 43(7): 20220187.
[13]	ZHOU Leilei, CHENG Haiyang, ZHAO Fengyu. Research Progress of CO₂ Hydrogenation over Pd-based Heterogeneous Catalysts [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2022, 43(7): 20220279.
[14]	ZHAO Runyao, JI Guipeng, LIU Zhimin. Efficient Electrocatalytic CO₂ Reduction over Pyrrole Nitrogen-coordinated Single-atom Copper Catalysts [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2022, 43(7): 20220272.
[15]	SONG Youwei, AN Jiangwei, WANG Zheng, WANG Xuhui, QUAN Yanhong, REN Jun, ZHAO Jinxian. Effects of Ag，Zn，Pd-doping on Catalytic Performance of Copper Catalyst for Selective Hydrogenation of Dimethyl Oxalate [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2022, 43(6): 20210842.