离子液体正丁基吡啶硫酸氢盐催化一锅法合成3,4-二氢嘧啶-2(1H)-酮

周忠强,霍恒瑞,马 琼,冉 均,吴腊梅

(中南民族大学化学与材料科学学院,武汉430074)

离子液体正丁基吡啶硫酸氢盐催化一锅法合成3,4-二氢嘧啶-2(1H)-酮

周忠强,霍恒瑞,马 琼,冉 均,吴腊梅

(中南民族大学化学与材料科学学院,武汉430074)

采用离子液体正丁基吡啶硫酸氢盐([BPy]HSO4)作催化剂,利用Biginelli反应在无溶剂条件下一锅法合成了3,4-二氢嘧啶-2(1H)-酮.与传统的Biginelli反应比较,此法具有反应时间短、收率较高、勿需使用溶剂、离子液体可重复使用的特点.

正丁基吡啶硫酸氢盐;Biginelli反应;3,4-二氢嘧啶-2(1H)-酮

由于Biginelli反应的产物二氢嘧啶酮类化合物具有广泛的生物活性[1],近年,该反应引起了化学工作者的极大兴趣.离子液体作为一种“绿色”溶剂或催化剂以及某些催化剂的“液体载体”在催化和有机反应中发挥了独特的作用[2,3].文献报道中性或酸性咪唑类离子液体,如1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐 (BM I mPF6)[4]、1-丁基-3-甲基咪唑氟硼酸盐(BM I mBF4)[4,5]、1-丁基-3-甲基咪唑邻磺酰苯酰亚胺盐(BM I mSac)[6]、1-羧甲基-3-甲基咪唑硫酸氢盐(CM I mHSO4)[7]、N-甲 基 咪 唑 四 氟 硼 酸 盐(HM I mBF4)、1-乙 基-3-甲 基 咪 唑 四 氟 硼 酸 盐(EM I mBF4)[8]等可催化Biginelli反应.周美云等[9]使用廉价易得的离子液体正丁基吡啶四氟硼酸盐([BPy]BF4)作为Biginelli反应的催化剂和反应介质,反应在6 h内完成,产率为60%～73%.笔者合成了离子液体正丁基吡啶硫酸氢盐(见图1),并将其作为Beginelli反应的催化剂(见图2),以求进一步探索吡啶类离子液体在Biginelli反应中的催化性能.

图1 正丁基吡啶硫酸氢盐的合成Fig.1 Synthesis of[BPy]HSO4

图2 正丁基吡啶硫酸氢盐催化Beginelli反应Fig.2 Synthesis of 3,4-dihydropyrim idine-2(1H)-ones using[BPy]HSO4as catalyst

1 实验部分

1.1 仪器和试剂

X-4数字显微熔点仪,N exus 470型傅里叶红外光谱仪,Bruker A vanceⅢ 400型核磁共振仪,TM S作内标.所有药品均为市售分析纯或化学纯试剂,未作纯化处理,直接使用.

1.2 实验步骤

1.2.1 离子液体[BPy]HSO4的制备

将8mL(0.1mol)吡啶和10.8mL(0.1mol)正溴丁烷加至100 mL圆底烧瓶中,机械搅拌下在90℃反应12 h.再加入13.8 g(0.1mol)一水合硫酸氢钠,继续于90℃继续搅拌1 h.冷却至室温,抽滤,滤液真空干燥得暗红色透明液体,产率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 离子液体[BPy]HSO4催化的有溶剂条件下的Beginelli反应

将1.32 g(22 mmol)脲、20 mmol乙酰乙酸乙酯、22 mmol苯甲醛、2 mmol离子液体[BPy]HSO4和10mL溶剂加至50mL圆底烧瓶中,搅拌下回流2 h后蒸去溶剂,所得固体用15 mL蒸馏水洗涤,抽滤,粗产物用乙醇重结晶.

1.2.3 离子液体[BPy]HSO4催化的无溶剂条件下的Beginelli反应

将1.32 g(22mmol)脲、20 mmol乙酰乙酸乙酯(或乙酰丙酮)、22mmol芳香醛和2mmol离子液体[BPy]HSO4加至50 mL圆底烧瓶中,在一定的温度下搅拌,反应完成后,所得固体用15 mL蒸馏水洗涤,抽滤,粗产物用乙醇重结晶.滤液中的离子液体经减压除水后即可重复使用.

2 结果与讨论

Du等[10]报道了离子液体[BPy]HSO4的合成.笔者对[BPy]HSO4的制备方法进行了改进,参见文献[11]制备溴化丁基吡啶,所得溴化丁基吡啶不经纯化,直接与一水合硫酸氢钠于90℃、无溶剂条件下反应1 h,仅需过滤、干燥即可得到产物.与文献相比,本法操作简单,反应时间大为缩短,避免了使用有机溶剂和腐蚀性气体的产生.

[BPy]HSO4催化苯甲醛、乙酰乙酸乙酯和尿素在不同溶剂中的缩合反应产率见表1.

表1 溶剂对3,4-二氢嘧啶-2(1H)-酮产率的影响Tab.1 Effect of solvent on yield of 3,4-dihydropyrim idine-2(1H)-one

由表1可知,当在有机溶剂条件下,用乙腈作溶剂较其它溶剂,如三氯甲烷、乙醇的产率高.水是一种安全、廉价、无污染的绿色溶剂[12-13],但在[BPy]HSO4催化下反应物在水中回流2 h仅得到4%的产物.基于文献[14]报道许多有机化学反应可在无溶剂条件下进行,笔者在不使用任何溶剂的条件下进行[BPy]HSO4催化的苯甲醛、乙酰乙酸乙酯和尿素的缩合反应,反应时间为2 h,产率见表2.得到最佳反应条件即无溶剂的条件下,90℃时反应2 h,产率为85%.但如果无催化剂,则苯甲醛、乙酰乙酸乙酯和尿素在无溶剂条件下于100℃反应6 h得不到产物[6],然而仅加入少量[BPy]HSO4,反应即可顺利进行,这表明[BPy]HSO4能够很好地催化苯甲醛、乙酰乙酸乙酯和尿素的三组分缩合反应.

表2 反应温度对3,4-二氢嘧啶-2(1H)-酮产率的影响Tab.2 Effect of temperature on yield of 3,4-dihydropyrim idine-2(1H)-one

笔者对不同取代的苯甲醛在无溶剂90℃条件下进行了实验,结果见表3.由表3知,离子液体[BPy]HSO4能催化一系列的芳香醛进行Biginelli反应,芳环上的拉电子基团和推电子基团对反应的影响规律不明显.

表3 无溶剂条件下[BPy]HSO4催化合成3,4-二氢嘧啶-2(1H)-酮Tab.3 Synthesis of 3,4-dihydropyrim idine-2(1H)-ones using[BPy]HSO4as catalyst under solvent-free conditions

选取2种产物进行IR和1H NM R测试,结果与文献值吻合: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无溶剂90℃条件下反应2 h后,反应混合物固化.将所得固体研细,用蒸馏水进行洗涤,过滤得到粗产物.滤液减压蒸去水,再加入反应物于相同条件下进行反应,结果见表4.由表4可知,尽管离子液体在循环使用过程中产率有所降低,但反复使用3次后产率仍有72%,说明该离子液体作为催化剂能有效回收再用.循环使用过程中产率有所降低可能是因催化剂的回收过程中离子液体有所损失所致.

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

3 结语

本文对离子液体正丁基吡啶硫酸氢盐([BPy]HSO4)的合成方法进行了改进.采用正丁基吡啶硫酸氢盐作催化剂,芳香醛、β-二羰基化合物和尿素在90℃无溶剂的条件下,采用一锅法反应得到3,4-二氢嘧啶-2(1H)-酮.该法具有操作简便、反应时间短、产率较高、产物易于纯化、催化剂可以回收再用、对环境友好的特点.

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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

周忠强(1974-),男,博士,副教授,研究方向:有机合成和不对称催化,E-mail:zhou.zq@tom.com

湖北省自然科学基金资助项目(2008CDA 067)