嘧啶-5-羧酸的合成与有关研究

研究背景

嘧啶类化合物因其广泛的生物活性在医药，农药等领域备受关注。将不同基团引入嘧啶结构中，经过结构修饰能产生一系列具有抗菌活性的嘧啶衍生物，它在新型农药创制中发挥着越来越重要的作用^[1]。对嘧啶类化合物进行系统的分类，主要分为单取代嘧啶，二取代嘧啶，三取代嘧啶，四取代嘧啶，噻唑并嘧啶，吡啶并嘧啶等6类^[2]。本篇所述化合物嘧啶-5-羧酸是一种含有羧基的单取代嘧啶化合物，又名5-嘧啶羧酸，其化学式为C₅H₄N₂O2，分子量为124.097，主要表现为白色至黄色结晶粉末，熔点为259°C。

合成工艺

根据2-氯/羟基嘧啶-5-羧酸可由2-氯-5-溴嘧啶与Boc₂O在活性金属试剂作用下反应得到^[3]，嘧啶-5-羧酸可以5-溴嘧啶为起始原料制备。除此之外，嘧啶-5-羧酸还可以乙基嘧啶-5-羧酸乙酯经水解等过程制备。

有关研究

醉着全球气候变化问题日益严峻，如何缓解CO₂排放这一问题成为全球关注的焦点。CO₂的捕获和转化是一种有望缓解这一问题的途径，将捕获得到的CO₂转化为有价值的产品。其中，光催化CO₂还原被认为是一种绿色环保无需能源消耗的有效技术，其利用太阳能将CO₂转化为清洁燃料和化学产品，可以有效实现碳循环利用，不仅可以减少温室气体CO₂排放，还有助于缓解全球能源危机。基于此研究背景，大量研究人员将焦点置于金属有机骨架材料(MOFs)的设计与制备上，MOFs作为一种新兴的有机-无机杂化晶态孔性材料，具有高的比表面积和孔隙率，结构可设计和调控，在CO₂捕获方面有着广泛的应用前景。高雅君基于氮杂芳香羧酸配体：5-(吡啶-4-基)间苯二羧酸(H2LA)，5-(吡啶-3-基)间苯二羧酸(H2LB)，3-吡啶甲酸(HLC)和嘧啶-5-羧酸(HLD)构筑了12个新型MOFs，并对它们的结构，CO₂选择性吸附和光催化还原性质进行了研究^[4]。

其中，以3-吡啶甲酸(HLC)和嘧啶-5-羧酸(HLD)先合成简单的氮杂芳香羧酸配体H2LC和H2LD，其与Cu-MOF中最常见的SBUs Cu₄I₄和桨轮状Cu₂(CO₂)₄次级构筑单元合成了MOFs 4和5。MOF 4是具有sql拓扑类型的二维层状网格。在MOF 4的基础上，通过增加N配位点来进一步调控MOFs的结构，合成了具有多孔性质的三维框架MOF 5。MOF 5是目前报道为数不多的并具有较高CO₂吸附选择性的CuxIy-MOFs。基于嘧啶-5-羧酸配体H2LD，继续采用构筑Cu(I)/Cu(II)-SBUs的合成策略，合成了三例半导体材料MOFs 10-12，并研究了它们的光催化CO₂还原性能。MOF10具有基于Cu₄I₄簇的sql拓扑构型的二维层状网格结构，可光催化CO₂还原生成CO。MOFs 11和12分别是基于Cu₄I₄和Cu₃OI(CO₂)₄簇，Cu₂I₂和Cu₃OI(CO₂)₄簇的三维网络，较窄的光学带隙使其具有较好的吸光能力，吸收带边延伸至1400nm，是目前报道吸光范围最宽的MOFs，可光催化CO₂还原生成CH₄。MOF 11的光催化选择性是目前所报道的MOFs中最高的，为72.8%。MOF 10可通过晶体转换得到MOF 11^[4]。

参考文献

[1]吴琴,宋宝安,金林红,等.嘧啶类化合物的合成及抗菌活性研究进展[J].有机化学, 2009, 29(3):15.DOI:CNKI:SUN:YJHU.0.2009-03-007.

[2]袁丹,容如滨,喻宗沅.嘧啶类化合物的研究进展[J].化学与生物工程, 2008, 25(6):5.DOI:10.3969/j.issn.1672-5425.2008.06.004.

[3]张进,刘宗伦,刘增仁,等.2-氯/羟基嘧啶-5-羧酸的合成方法:CN201811576625.7[P].

[4]高雅君.基于氮杂芳香羧酸的新型金属有机骨架材料合成,结构及其CO₂捕获和光催化还原性能研究[D].南京大学,2021.