活性炭負載路易斯酸催化合成芳亞甲基稠環嘧啶酮

張亞瑤，孟曉寧，李紅葉，蘆雪瑞，李東曉，任麗磊

（廊坊師范學院，河北 廊坊 065000）

0 引言

隨著全社會環保意識的不斷加強，綠色化學的概念逐漸深入人心，綠色催化成為科學家的研究熱點之一。過去幾十年，均相催化劑由于其高催化活性和高選擇性，在精細化學品和藥物中間體的合成中占有重要的地位，但也存在一些缺點，如不易從產物中分離、不能重復使用、污染環境等［1］。為了克服這些不足，提高催化劑的利用效率，開發新型可重復使用的負載型催化劑引起了催化領域的廣泛關注，如活性炭、碳納米管等均被用作負載型催化劑的載體［2-3］。

嘧啶酮骨架存在于許多生物活性材料中，其衍生物被應用于各種生化和醫藥領域。值得注意的是，一些功能化的嘧啶酮具有某些特定的生物活性，如抗血壓、抗病毒、抗癌等［4］。這使得各種合成嘧啶酮及其衍生物的方法迅猛發展，如宋志國等［5］采用硝酸鈰銨作為催化劑綠色合成了N1-取代的3，4-二氫嘧啶-2（1H）-酮衍生物；伍麗磊等［6］曾制備了活性炭負載硫酸催化劑，并用于催化合成了環戊并［d］嘧啶酮和六氫喹唑啉酮。

鑒于路易斯酸催化活性高、價廉易得、性質穩定，可用于催化合成芳亞甲基稠環嘧啶酮［7］，本文將路易斯酸負載到活性炭上，制備了3種活性炭負載路易斯酸催化劑，并用于催化苯甲醛、尿素、環戊酮之間的Biginelli型反應，比較了3種催化劑的催化活性。研究表明，AC-FeCl3對該反應的催化效率最高，通過多種實驗手段確證了AC-FeCl3的形貌；在AC-FeCl3催化下，探討了當苯環上連有不同取代基時對產率的影響；進而探討了AC-FeCl3作為催化劑的重復使用性。

1 實驗部分

1.1 儀器和試劑

IR prestige-21傅里葉變換紅外光譜儀（日本島津）；KYKY-EM3900M型掃描電子顯微鏡（北京中科科儀）；NS7型X射線能譜儀（美國熱電）；BRUK‐ER 400型核磁共振儀（德國布魯克）；TD-3000型X射線衍射儀（丹東通達）；所有試劑均為市售分析純。

1.2 負載型催化劑的制備

參考文獻［8］，稱取10 g活性炭加入燒瓶中，用無水乙醇溶解10 g無水FeCl3，轉移到燒瓶中，攪拌回流4 h。蒸除溶劑，固體用水、無水乙醇洗滌。烘箱中120℃干燥4 h，制得AC-FeCl3。

采用上述方法，用AlCl3、ZnCl2（ZnCl2用無水甲醇溶解）代替無水FeCl3，制得催化劑AC-AlCl3和AC-ZnCl2。

1.3 目標化合物的合成

在反應瓶中，依次加入一定比例的苯甲醛、尿素和環戊酮，加入一定量的負載型催化劑，磁力攪拌下100℃反應3 h。冷卻，依次用水、乙酸乙酯洗滌，所得粗產品用熱的無水乙醇溶解，趁熱過濾，濾餅用水洗滌，120℃烘干，所得催化劑即可重復使用。濃縮濾液得淡黃色固體，即為產物1。

采用同樣的方法，分別用對甲氧基苯甲醛和對硝基苯甲醛代替苯甲醛，得到了產物2（白色固體）和3（白色固體）。

1:m.p.235~236℃;1HNMR（DMSO-d6，400MHz），δ:8.80（s，1H），7.56~7.29（m，10H），6.62（s，1H），6.12（s，1H），5.10（s，1H），2.88~2.84（m，2H），2.43~2.37（m，1H），2.08~2.00（m，1H）.

2:m.p.250~252℃;1H NMR（DMSO-d6400 MHz），δ:8.10（s，1H），7.20~6.90（m，9H），6.71（s，1H），5.21（s，1H），3.89（s，6H），2.88~2.79（m，2H），2.40~2.35（m，1H），2.05~1.95（m，1H）.

3:m.p.252~254℃;1H NMR（CDCl3，400 MHz），δ:10.10（s，1H），8.45~8.30（m，4H），7.76~7.49（m，4H），7.28（s，1H），6.82（s，1H），5.45（s，1H），2.62~2.35（m，4H）.

2 結果與討論

2.1 反應條件的優化

以苯甲醛、尿素、環戊酮之間的Biginelli型反應為模板，對反應條件進行優化。反應溫度、反應時間及反應物的比例均參照文獻［6-7］設定，首先探討催化劑種類對反應的影響（表1）。可以看出：1）當在體系中加入活性炭時，產率為0，說明活性炭無催化活性；2）當體系中分別加入三種負載型催化劑AC-FeCl3、AC-AlCl3和AC-ZnCl2時，AC-FeCl3的催化效率最高，產率達到79%，因此接下來的反應均選擇AC-Fe‐Cl3作為催化劑。表2列出了加入不同質量的ACFeCl3時反應的產率，看出增加AC-FeCl3的用量，反應產率逐漸提高，當AC-FeCl3用量達到0.3 g時，產率最高，繼續增加催化劑的用量，產率反而降低，因而將催化劑的用量設定為0.3 g。

表1 催化劑對反應的影響

表2 催化劑用量對反應的影響

2.2 AC-FeCl3的表征

圖1為活性炭及AC-FeCl3的紅外光譜圖。圖1（a）中3437、1095 cm-1處的吸收峰，是O-H和C-O的伸縮振動吸收峰，說明其中含有羥基［9］。而圖1（b）中，C-O鍵伸縮振動藍移到1124 cm-1，這是由于-OH中氧原子的孤對電子填充到FeCl3空軌道中，使C-O鍵伸縮振動的不對稱性加強所致，與文獻［10］一致，說明FeCl3負載到了活性炭上。

圖1 AC（a）和AC-FeCl3（b）的紅外光譜圖

圖2為活性炭及AC-FeCl3的XRD圖譜?？梢钥闯觯呵€a在2θ=20°~30°和2θ=40o~50°處各出現了一個比較強的衍射峰，這是在活性炭載體中石墨晶體不規則排列的結果［11］。而曲線b和a具有極其相似的峰形，說明在制備催化劑的過程中，FeCl3并未形成金屬氧化物，且形成的活性物質晶粒比較細微，均勻地分散在載體活性炭表面［9］。

圖2 AC（a）和AC-FeCl3（b）的XRD圖譜

圖3為活性炭活性炭及AC-FeCl3的SEM和EDS圖。由圖3（a）可以看出活性炭表面具有均勻的孔隙結構，且比較光滑，而圖3（b）中AC-FeCl3的表面均勻分布著細小的晶體顆粒，說明FeCl3比較分散的負載在活性炭表面。由圖3（c）可以看出，活性炭主要組成元素為C、O，而AC-FeCl3中主要元素為C、O、Fe、Cl，如圖3（d）所示。因此，可以證實FeCl3成功負載到了活性炭上。

圖3 AC和AC-FeCl3的SEM和EDS圖

2.3 底物適用范圍的研究

在最佳反應條件下，對反應底物進行了普適性考察，結果見表3。分別用連有-OCH3和-NO2的芳醛作為底物進行上述反應，產率分別為84%和70%（表3）。可以看出，1）AC-FeCl3作為催化劑，對連有不同取代基的芳醛的Biginelli反應均有催化作用，且產率較高。2）從電子效應看，芳醛含有-NO2時的產率，低于含有-OCH3時的產率，說明供電子基的存在，有利于該反應的進行。

表3 AC-FeCl3催化合成嘧啶酮

2.4 催化劑重復使用性能

以苯甲醛、環戊酮、尿素之間的反應為模板，研究AC-FeCl3催化劑的重復使用性（表4）。從表4可以看出，催化劑重復使用3次，依然能得到較好的收率，當重復使用第4次、第5次時，產率下降比較明顯。

表4 AC-FeCl3催化劑的循環使用情況

3 結論

綜上所述，本文制備了3種活性炭負載路易斯酸催化劑AC-FeCl3、AC-AlCl3、AC-ZnCl2，并研究了催化苯甲醛、尿素、環戊酮之間Biginelli型反應的催化活性。結果表明，AC-FeCl3對該反應的催化活性最高，對AC-FeCl3進行了結構表征，成功合成了3種芳亞甲基稠環嘧啶酮，研究了催化劑的用量以及催化劑的重復利用性。反應不需要溶劑，且催化劑可以重復使用3次，符合綠色化學的基本標準，為這類化合物的合成提供了一種經濟實用的方法。