徐玉林,龔文朋,楊水金

(湖北師范學院化學化工學院,污染物分析與資源化技術湖北省重點實驗室,湖北 黃石 435002)

H3PW6Mo6O40/SiO2催化合成4-苯基-6-甲基-5-乙氧羰基-3,4-二氫嘧啶-2(H)-酮

徐玉林,龔文朋,楊水金

(湖北師范學院化學化工學院,污染物分析與資源化技術湖北省重點實驗室,湖北 黃石 435002)

采用溶膠-凝膠法制備H3PW6Mo6O40/SiO2催化劑,以苯甲醛,乙酰乙酸乙酯和尿素為原料,無水乙醇為溶劑催化合成4-苯基-6-甲基-5-乙氧羰基-3,4-二氫嘧啶-2(H)-酮,研究結果表明:反應物的摩爾比、反應溫度、催化劑用量和反應時間是影響4-苯基-6-甲基-5-乙氧羰基-3,4-二氫嘧啶-2(H)-酮合成收率的重要因素.當n(苯甲醛)∶n(乙酰乙酸乙酯)∶n(尿素)=1.0∶1.2∶1.5,反應溫度為90 ℃,催化劑的用量占反應物料總質量的1.5%,反應時間為75 min時,產品收率可達70.3%.通過熔點、IR、1H NMR和MS對合成目標化合物進行了表征確認.

溶膠-凝膠法;H3PW6Mo6O40/SiO2;催化;嘧啶酮

0 引言

3,4-二氫嘧啶-2(H)-酮是一類具有良好藥理活性和生物活性的含氮雜環(huán)化合物[1-3].多項研究表明該類化合物具有抗癌、抗病毒、抗感染、消炎和止痛等生物活性[4].此外還可作為降壓劑和鈣拮抗劑,引起了眾多研究者的興趣.人們一直在努力尋找一種高效、無毒、對環(huán)境無污染的催化劑來合成嘧啶酮類化合物,已有文獻報道了一些諸如負載SnCl4的732強酸性離子交換樹脂[5]、n-Bu2SnO[6]、氨基磺酸[7]等新型催化劑催化合成3,4-二氫嘧啶-2(H)-酮類衍生物并取得了良好的效果,但后處理問題仍待解決.

雜多酸及其鹽類是一種環(huán)境友好型催化劑[8-11],可以減少對設備的腐蝕和環(huán)境的污染,所以它的開發(fā)研究日益受到人們的關注.但是雜多酸比表面積小,極易溶于水,難以與產品分離,所以在實際應用中常將其負載于多孔材料[12-14](SiO2)上以增大比表面積,提高反應活性和重復使用性.

本研究采用溶膠凝膠法制備H3PW6Mo6O40/SiO2催化劑,以苯甲醛,乙酰乙酸乙酯和尿素為原料,無水乙醇為溶劑催化合成了4-苯基-6-甲基-5-乙氧羰基-3,4-二氫嘧啶-2(H)-酮,其合成路線見Scheme 1.

Scheme 1 標題化合物的合成反應式

1 實驗部分

1.1試劑與儀器Na2HPO4·12H2O、Na2MoO4·2H2O、Na2WO4·2H2O、濃HCl、乙醚、正硅酸乙酯、正丁醇、乙酰乙酸乙酯、苯甲醛、CONH2CO,二次蒸餾水;H3PW6Mo6O40(自制).

電子天平(北京賽多利斯儀器系統(tǒng)有限公司);SHZ-D(Ⅲ)循環(huán)水式真空泵(鞏義市英峪予華儀器廠);85-2型恒溫磁力攪拌器(鞏義市英峪予華儀器廠);電熱恒溫鼓風干燥箱(北京市恒豐醫(yī)療器械有限公司);X-4型顯微熔點測定儀(北京第三光學儀器廠生產);1H NMR用Varian Mercury 300型核磁共振儀(TMS為內標);Finnigan LCQ Advantage MAX質譜儀(MS);Nicolet 5700型紅外拉曼光譜儀(美國尼高力公司產)KBr壓片法;粉末衍射分析用DADVANCE型X-射線衍射儀(德國布魯克公司產),用銅靶Kα1輻射,石墨單色器濾波,在管電壓40 kV,管電流40 mA的條件下測定,掃描范圍5°～70°.

1.2催化劑H3PW6Mo6O40/SiO2的制備H3PW6Mo6O40/SiO2的制備是在文獻[15-16]方法的基礎上加以改進的.將1 g H3PW6Mo6O40溶解于25 mL二次蒸餾水中,按體積比約為1.0∶2.5的12 mL正丁醇和31 mL正硅酸乙酯進行混合得到混合液,然后用恒壓滴液漏斗慢慢滴加到上述H3PW6Mo6O40水溶液中.依次在室溫攪拌1 h、45 ℃攪拌1 h、80 ℃攪拌2～3 h后形成凝膠.將所得濕凝膠置于真空干燥箱中,在45 ℃和90 ℃下分別干燥16 h和3 h得到干凝膠,再用70～80 ℃的熱水將其洗至為中性.之后在馬弗爐中煅燒一定時間,即得H3PW6Mo6O40/SiO2,研碎備用.

1.3 4-苯基-6-甲基-5-乙氧羰基-3,4-二氫嘧啶-2(H)-酮的合成在50 mL圓底燒瓶中加入一定計量比的苯甲醛、乙酰乙酸乙酯、尿素和適宜的催化劑及溶劑無水乙醇,在一定的溫度下加熱反應一定時間,待反應結束后趁熱抽濾分離出催化劑,濾液在冰水中冷卻結晶,待結晶完全后,用蒸餾水洗滌數次烘干得粗產,再用無水乙醇進行重結晶,得到白色晶體.

4-苯基-6-甲基-5-乙氧羰基-3,4-二氫嘧啶-2(H)-酮:白色晶體,m.p.:202～203 ℃,與文獻[7]報道的201～203 ℃基本一致;IR(KBr)ν:1 090 cm-1、1 220 cm-1、1 295 cm-1(C—O),1 639 cm-1(酯中C=O),1 714 cm-1(酮中C=O), 與文獻[7]報道的基本一致;1H NMR(CDCl3,300MHz)δ: 8.21 (s, 1H, NH),7.23～7.32(m,5H,ArH),5.82(s,1H,NH),5.39～5.40(d,1H,CH),4.06～4.10(q,2H,CH2),2.34(s,3H,CH3),1.35～1.83(t,3H,CH3);MS(ESI)m/z:261.10([M+1]+),521.10([2M+1]+).

2 結果與討論

2.1 催化劑的表征

2.1.1 催化劑的IR圖 H3PW6Mo6O40,H3PW6Mo6O40/SiO2和H3PW6Mo6O40/SiO2(recycled)(c)的紅外譜圖如圖1所示.由圖1可知:H3PW6Mo6O40的主要吸收峰在1 074.9 cm-1、976.4 cm-1、878.8 cm-1和794.1 cm-1,屬于Keggin結構,在1 635.5 cm-1的弱吸收峰為水的彎曲振動吸收,表明H3PW6Mo6O40中含有結晶水.當H3PW6Mo6O40固載在載體SiO2上后,其976.4 cm-1和794.4 cm-1的吸收峰分別遷移到960.4 cm-1和796.8 cm-1處,且878.8 cm-1的吸收峰消失,1 085.1 cm-1的吸收峰明顯變寬,這是因為1 074.9 cm-1與SiO2的特征峰重合.由此證明,H3PW6Mo6O40/SiO2仍具有Keggin結構.2.1.2 催化劑的XRD圖 H3PW6Mo6O40(a),SiO2(b)H3PW6Mo6O40/SiO2(c)和H3PW6Mo6O40/SiO2(recycled)(d)的XRD譜圖如圖2所示.由圖2可知:H3PW6Mo6O40(a)的衍射峰主要出現在7.9°、8.8°、10.3°、25.3°、29.3°和34.6°,表明其具有Keggin結構的特征,SiO2(b)的衍射峰主要表現在25°左右為一寬峰.而在H3PW6Mo6O40/SiO2(c)中,只在2θ=25.8°出現較強的寬峰,沒有出現明顯的H3PW6Mo6O40(a)的特征衍射峰,說明H3PW6Mo6O40均勻的分散在載體SiO2表面上.

圖1 H3PW6Mo6O40 (a),H3PW6Mo6O40/SiO2 (b)和H3PW6Mo6O40/SiO2 (recycled)(c)的紅外譜圖

圖2 H3PW6Mo6O40 (a), SiO2(b), H3PW6Mo6O40/SiO2(c)和H3PW6Mo6O40/SiO2 (recycled)(d)的XRD圖

圖3 SiO2(a),H3PW6Mo6O40 (b)和H3PW6Mo6O40/SiO2(c)的SEM圖

2.1.3 催化劑的SEM圖 SiO2,H3PW6Mo6O40和H3PW6Mo6O40/SiO2的SEM圖如圖3所示.由圖3可知:SiO2(a)的表面形態(tài)呈球形,球面比較光滑,硅球直徑大約為0.45 μm,且均勻分散在整個體系中.H3PW6Mo6O40(b)的表面形態(tài)呈不規(guī)則的塊狀結構,比表面積很小.(c)為負載后的H3PW6Mo6O40/SiO2的SEM圖,從圖中可以看出其顆粒直徑相對(b)有所減小,H3PW6Mo6O40均勻分散在SiO2載體中,導致催化劑比表面積有所增加.

2.2合成4-苯基-6-甲基-5-乙氧羰基-3,4-二氫嘧啶-2(H)-酮條件的優(yōu)化在固定苯甲醛用量為0.04 mol,無水乙醇為15 mL的情況下,該反應的影響因素主要有反應物摩爾比[n(苯甲醛)∶n(乙酰乙酸乙酯)∶n(尿素)]A,反應溫度B,催化劑的用量比C和反應時間D,本文中采用4因素(A,B,C,D) 3水平(1,2,3)的正交實驗法L9(34),考察了4因素對合成4-苯基-6-甲基-5-乙氧羰基-3,4-二氫嘧啶-2(H)-酮的影響,結果列于表1.由表1可知,4個因素中以反應溫度對反應的影響最為明顯,其大小順序為B>A>D>C.由位級分析可知,最佳的位級組合是A2B3C1D2,亦即適宜的反應條件是固定苯甲醛的用量為0.04 mol,無水乙醇為15 mL的情況下,n(苯甲醛)∶n(乙酰乙酸乙酯)∶n(尿素)=1.0∶1.2∶1.5,反應溫度為90 ℃,催化劑的用量占反應物料總質量的1.5%,反應時間為75 min.在此優(yōu)化條件下,產品收率可達70.3%.

2.3催化劑的重復利用實驗探究在優(yōu)化條件下,考察了催化劑的穩(wěn)定性.反應完成以后,趁熱抽濾出催化劑,洗除其表面附著的雜質,將回收的催化劑在110 ℃干燥3 h左右后進行實驗,結果如表2所示.

從表2中可以看出,催化劑重復使用五次后其收率仍保持在60%以上,且催化劑重復使用從第2次到第5次收率保持在60.7%～66.9%之間,說明催化劑具有良好的穩(wěn)定性.同時,從圖1和圖2可以看出重復利用5次后催化劑H3PW6Mo6O40/SiO2(recycled)(d)的IR特征峰和XRD圖與首次使用催化劑H3PW6Mo6O40/SiO2(c)的IR特征峰和XRD圖一致,說明催化劑重復使用5次后其結構未發(fā)生改變,具有良好穩(wěn)定性.

表1 正交試驗L9(34)的結果分析

*A:n(苯甲醛):n(乙酰乙酸乙酯):n(尿素);B:反應溫度(℃);C:m(催化劑)(%);D:反應時間(min)

表2 催化劑的重復使用實驗結果

2.4與其他催化劑催化活性的比較表3列出了H3PW6Mo6O40/SiO2與其他催化劑催化合成4-苯基-6-甲基-5-乙氧羰基-3,4-二氫嘧啶-2(H)-酮催化性能的比較.

表3 不同催化劑的催化性能比較

*反應物摩爾比:n(苯甲醛)∶n(乙酰乙酸乙酯)∶n(尿素)

由表3可知:H3PW6Mo6O40/SiO2對合成4-苯基-6-甲基-5-乙氧羰基-3,4-二氫嘧啶-2(H)-酮有良好的催化效果.與其他催化劑相比,H3PW6Mo6O40/SiO2不僅催化劑用量少,且催化活性高,并能回收重復使用,具有廣泛的應用前景.

3 結論

H3PW6Mo6O40/SiO2對一鍋法合成4-苯基-6-甲基-5-乙氧羰基-3,4-二氫嘧啶-2(H)-酮具有良好的催化活性.研究表明:在固定苯甲醛的用量為0.04 mol,無水乙醇為15 mL的情況下,n(苯甲醛)∶n(乙酰乙酸乙酯)∶n(尿素)= 1.0∶1.2∶1.5,反應溫度為90 ℃,催化劑的用量占反應物料總質量的1.5%,反應時間為75 min.在此優(yōu)化條件下,產品收率可達70.3%.與其它催化劑相比,使用H3PW6Mo6O40/SiO2合成4-苯基-6-甲基-5-乙氧羰基-3,4-二氫嘧啶-2(H)-酮具有催化劑用量少,催化活性高,穩(wěn)定性好,可回收重復使用并且對環(huán)境友好等特點.因此,采用溶膠凝膠法制備的H3PW6Mo6O40/SiO2是合成4-苯基-6-甲基-5-乙氧羰基-3,4-二氫嘧啶-2(H)-酮的良好催化劑,具有很好的應用前景.

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(責任編輯 胡小洋)

Synthesis of 4-phenyl-6-methyl- 5-ethoxycarbonyl -3,4-dihydropyrimidin-2(H)-one with H3PW6Mo6O40/SiO2

XU Yulin,GONG Wenpeng,YANG Shuijin

(College of Chemistry and Chemical Engineering, Hubei Key Laboratory of Pollutant Analysis & Reuse Technology, Hubei Normal University,Huangshi 435002,China)

4-Phenyl-6-methyl-5-ethoxycarbonyl-3,4-dihydropyrimidin-2-(H)-one was synthesized with a new catalyst, H3PW6Mo6O40/SiO2prepared by a sol-gel technique. The influence factors of reaction conditions on the yield of the product were discussed and the best reaction conditions were shown as follows: under the condition of fixed benzaldehyde consumption was 0.04 mol and anhydrous ethanol is 15 mL,n(benzaldehyde)∶n(ethylacetoacetate)∶n(urea)=1.0∶1.2∶1.5, reaction temperature was 90 ℃, mass fraction of catalyst to reactants was 1.5%, and reaction time was 75 min. The yield of the product could reach 70.3%. The 3,4-dihydropyrimidin-2(H)-one were characterized by melting point measurements, IR,1H NMR and MS spectroscopy.

sol-gel technique; H3PW6Mo6O40/SiO2; catalysis; pyrimidinone

2013-11-26

2013年湖北師范學院碩士研究生創(chuàng)新科研基金(1051320130216)和國家級大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目(201313256001)資助

徐玉林(1989-),女,碩士生;楊水金,通信作者,博士,教授,E-mail:yangshuijin@163.com

1000-2375(2014)03-0252-05

TQ426.91

A

10.3969/j.issn.1000-2375.2014.03.014