周忠強(qiáng),霍恒瑞,馬 瓊,冉 均,吳臘梅

(中南民族大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院,武漢430074)

離子液體正丁基吡啶硫酸氫鹽催化一鍋法合成3,4-二氫嘧啶-2(1H)-酮

周忠強(qiáng),霍恒瑞,馬 瓊,冉 均,吳臘梅

(中南民族大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院,武漢430074)

采用離子液體正丁基吡啶硫酸氫鹽([BPy]HSO4)作催化劑,利用Biginelli反應(yīng)在無溶劑條件下一鍋法合成了3,4-二氫嘧啶-2(1H)-酮.與傳統(tǒng)的Biginelli反應(yīng)比較,此法具有反應(yīng)時(shí)間短、收率較高、勿需使用溶劑、離子液體可重復(fù)使用的特點(diǎn).

正丁基吡啶硫酸氫鹽;Biginelli反應(yīng);3,4-二氫嘧啶-2(1H)-酮

由于Biginelli反應(yīng)的產(chǎn)物二氫嘧啶酮類化合物具有廣泛的生物活性[1],近年,該反應(yīng)引起了化學(xué)工作者的極大興趣.離子液體作為一種“綠色”溶劑或催化劑以及某些催化劑的“液體載體”在催化和有機(jī)反應(yīng)中發(fā)揮了獨(dú)特的作用[2,3].文獻(xiàn)報(bào)道中性或酸性咪唑類離子液體,如1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸鹽 (BM I mPF6)[4]、1-丁基-3-甲基咪唑氟硼酸鹽(BM I mBF4)[4,5]、1-丁基-3-甲基咪唑鄰磺酰苯酰亞胺鹽(BM I mSac)[6]、1-羧甲基-3-甲基咪唑硫酸氫鹽(CM I mHSO4)[7]、N-甲 基 咪 唑 四 氟 硼 酸 鹽(HM I mBF4)、1-乙 基-3-甲 基 咪 唑 四 氟 硼 酸 鹽(EM I mBF4)[8]等可催化Biginelli反應(yīng).周美云等[9]使用廉價(jià)易得的離子液體正丁基吡啶四氟硼酸鹽([BPy]BF4)作為Biginelli反應(yīng)的催化劑和反應(yīng)介質(zhì),反應(yīng)在6 h內(nèi)完成,產(chǎn)率為60%～73%.筆者合成了離子液體正丁基吡啶硫酸氫鹽(見圖1),并將其作為Beginelli反應(yīng)的催化劑(見圖2),以求進(jìn)一步探索吡啶類離子液體在Biginelli反應(yīng)中的催化性能.

圖1 正丁基吡啶硫酸氫鹽的合成Fig.1 Synthesis of[BPy]HSO4

圖2 正丁基吡啶硫酸氫鹽催化Beginelli反應(yīng)Fig.2 Synthesis of 3,4-dihydropyrim idine-2(1H)-ones using[BPy]HSO4as catalyst

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器和試劑

X-4數(shù)字顯微熔點(diǎn)儀,N exus 470型傅里葉紅外光譜儀,Bruker A vanceⅢ 400型核磁共振儀,TM S作內(nèi)標(biāo).所有藥品均為市售分析純或化學(xué)純試劑,未作純化處理,直接使用.

1.2 實(shí)驗(yàn)步驟

1.2.1 離子液體[BPy]HSO4的制備

將8mL(0.1mol)吡啶和10.8mL(0.1mol)正溴丁烷加至100 mL圓底燒瓶中,機(jī)械攪拌下在90℃反應(yīng)12 h.再加入13.8 g(0.1mol)一水合硫酸氫鈉,繼續(xù)于90℃繼續(xù)攪拌1 h.冷卻至室溫,抽濾,濾液真空干燥得暗紅色透明液體,產(chǎn)率86%.

1H NM R(DM SO-d6,400 M Hz)δ:0.86(t,3H),1.25(m,2H),1.87(m,2H),4.63(m,2H),7.61(1H,br s,OH),8.61(m,1H),8.13(m,2H),9.16(m,2H).

1.2.2 離子液體[BPy]HSO4催化的有溶劑條件下的Beginelli反應(yīng)

將1.32 g(22 mmol)脲、20 mmol乙酰乙酸乙酯、22 mmol苯甲醛、2 mmol離子液體[BPy]HSO4和10mL溶劑加至50mL圓底燒瓶中,攪拌下回流2 h后蒸去溶劑,所得固體用15 mL蒸餾水洗滌,抽濾,粗產(chǎn)物用乙醇重結(jié)晶.

1.2.3 離子液體[BPy]HSO4催化的無溶劑條件下的Beginelli反應(yīng)

將1.32 g(22mmol)脲、20 mmol乙酰乙酸乙酯(或乙酰丙酮)、22mmol芳香醛和2mmol離子液體[BPy]HSO4加至50 mL圓底燒瓶中,在一定的溫度下攪拌,反應(yīng)完成后,所得固體用15 mL蒸餾水洗滌,抽濾,粗產(chǎn)物用乙醇重結(jié)晶.濾液中的離子液體經(jīng)減壓除水后即可重復(fù)使用.

2 結(jié)果與討論

Du等[10]報(bào)道了離子液體[BPy]HSO4的合成.筆者對[BPy]HSO4的制備方法進(jìn)行了改進(jìn),參見文獻(xiàn)[11]制備溴化丁基吡啶,所得溴化丁基吡啶不經(jīng)純化,直接與一水合硫酸氫鈉于90℃、無溶劑條件下反應(yīng)1 h,僅需過濾、干燥即可得到產(chǎn)物.與文獻(xiàn)相比,本法操作簡單,反應(yīng)時(shí)間大為縮短,避免了使用有機(jī)溶劑和腐蝕性氣體的產(chǎn)生.

[BPy]HSO4催化苯甲醛、乙酰乙酸乙酯和尿素在不同溶劑中的縮合反應(yīng)產(chǎn)率見表1.

表1 溶劑對3,4-二氫嘧啶-2(1H)-酮產(chǎn)率的影響Tab.1 Effect of solvent on yield of 3,4-dihydropyrim idine-2(1H)-one

由表1可知,當(dāng)在有機(jī)溶劑條件下,用乙腈作溶劑較其它溶劑,如三氯甲烷、乙醇的產(chǎn)率高.水是一種安全、廉價(jià)、無污染的綠色溶劑[12-13],但在[BPy]HSO4催化下反應(yīng)物在水中回流2 h僅得到4%的產(chǎn)物.基于文獻(xiàn)[14]報(bào)道許多有機(jī)化學(xué)反應(yīng)可在無溶劑條件下進(jìn)行,筆者在不使用任何溶劑的條件下進(jìn)行[BPy]HSO4催化的苯甲醛、乙酰乙酸乙酯和尿素的縮合反應(yīng),反應(yīng)時(shí)間為2 h,產(chǎn)率見表2.得到最佳反應(yīng)條件即無溶劑的條件下,90℃時(shí)反應(yīng)2 h,產(chǎn)率為85%.但如果無催化劑,則苯甲醛、乙酰乙酸乙酯和尿素在無溶劑條件下于100℃反應(yīng)6 h得不到產(chǎn)物[6],然而僅加入少量[BPy]HSO4,反應(yīng)即可順利進(jìn)行,這表明[BPy]HSO4能夠很好地催化苯甲醛、乙酰乙酸乙酯和尿素的三組分縮合反應(yīng).

表2 反應(yīng)溫度對3,4-二氫嘧啶-2(1H)-酮產(chǎn)率的影響Tab.2 Effect of temperature on yield of 3,4-dihydropyrim idine-2(1H)-one

筆者對不同取代的苯甲醛在無溶劑90℃條件下進(jìn)行了實(shí)驗(yàn),結(jié)果見表3.由表3知,離子液體[BPy]HSO4能催化一系列的芳香醛進(jìn)行Biginelli反應(yīng),芳環(huán)上的拉電子基團(tuán)和推電子基團(tuán)對反應(yīng)的影響規(guī)律不明顯.

表3 無溶劑條件下[BPy]HSO4催化合成3,4-二氫嘧啶-2(1H)-酮Tab.3 Synthesis of 3,4-dihydropyrim idine-2(1H)-ones using[BPy]HSO4as catalyst under solvent-free conditions

選取2種產(chǎn)物進(jìn)行IR和1H NM R測試,結(jié)果與文獻(xiàn)值吻合:化合物1:1H NM R(DM SO-d6,400 M Hz)δ:1.09(t,J=7.0 Hz,3H,CH3),2.25(s,3H,CH3),3.98(q,J= 7.2Hz,2H,CH2O),5.15(s,1H,CH),7.25～7.33(m,5H,A rH),7.73(s,1H,NH),9.19(s,1H,NH);IR(KBr)ν:3245,3118,2977,1724,1704,1645,1465,1222,1092 cm-1;化合物9:1H NM R(DM SO-d6,400M Hz)δ:1.09(t,J=7.0 Hz,3H,CH3),2.25(s,3H,CH3),3.98(q,J=6.8 Hz,2H,CH2O),5.15(s,1H,CH),7.13～7.26(m,4H,A rH),7.74(s,1H,NH),9.22(s,1H,NH);IR(KBr)ν:3244,3120,2976,1708,1645,1464,1222,1090 cm-1.

[BPy]HSO4催化苯甲醛、乙酰乙酸乙酯和尿素在無溶劑90℃條件下反應(yīng)2 h后,反應(yīng)混合物固化.將所得固體研細(xì),用蒸餾水進(jìn)行洗滌,過濾得到粗產(chǎn)物.濾液減壓蒸去水,再加入反應(yīng)物于相同條件下進(jìn)行反應(yīng),結(jié)果見表4.由表4可知,盡管離子液體在循環(huán)使用過程中產(chǎn)率有所降低,但反復(fù)使用3次后產(chǎn)率仍有72%,說明該離子液體作為催化劑能有效回收再用.循環(huán)使用過程中產(chǎn)率有所降低可能是因催化劑的回收過程中離子液體有所損失所致.

表4 [BPy][HSO4]的回收再用Tab.4 Recovery and reuse of[BPy][HSO4]

3 結(jié)語

本文對離子液體正丁基吡啶硫酸氫鹽([BPy]HSO4)的合成方法進(jìn)行了改進(jìn).采用正丁基吡啶硫酸氫鹽作催化劑,芳香醛、β-二羰基化合物和尿素在90℃無溶劑的條件下,采用一鍋法反應(yīng)得到3,4-二氫嘧啶-2(1H)-酮.該法具有操作簡便、反應(yīng)時(shí)間短、產(chǎn)率較高、產(chǎn)物易于純化、催化劑可以回收再用、對環(huán)境友好的特點(diǎn).

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[BPy]HSO4Catalyzed One-Pot Synthesis of 3,4-
D ihydropyr im idin-2(1H)-Ones

Zhou Zhongqiang,H uo H eng rui,M a Q iong,R an J un,W u L am ei
(College of Chem istry andM aterials Science,South-CentralU niversity for N ationalities,W uhan 430074,China)

A s imple and effectivemethod for synthesis of 3,4-dihydropyr im idine-2(1H)-ones from aldehydes,1,3-dicarbonyl compounds and urea using[BPy]HSO4as the catalyst under solvent-free conditions was described.Compared w ith the classicalBiginelli reaction,this method has the advantages good yield,shorter reaction t ime,reusability of the ionic liquid,and using solvent-free.

[BPy]HSO4;Biginelli reaction;3,4-dihydropyr im idine-2(1H)-one

O 621.3+4

A

1672-4321(2011)01-0009-04

2010-12-13

周忠強(qiáng)(1974-),男,博士,副教授,研究方向:有機(jī)合成和不對稱催化,E-mail:zhou.zq@tom.com

湖北省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2008CDA 067)