Hβ分子筛催化合成2,3-无取代苯并呋喃的研究

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(1.浙江工业大学 化学工程学院，浙江 杭州 310014；2.杭州中美华东制药有限公司，浙江 杭州 310011)

沸石分子筛是一种由铝硅酸组成的无机多孔材料，种类繁多，广泛应用于日化、吸附分离及石油炼化等领域.最近十年，大量的研究工作致力于将其作为固体酸催化剂应用于液相条件下精细化学品的制备[10].与其他固体酸催化剂相比，其具有比表面积大、酸性可调、稳定性高以及易回收循环使用等特点.虽然沸石分子筛不属于超强酸，但其特殊的孔结构可对反应分子产生限域效应(Confinement effect)，促进反应分子在催化活性点的吸附并预活化，从而使得沸石分子筛在许多酸催化的反应中显示出特殊的催化活性.同时利用沸石分子筛孔道的择形选择性，可以抑制一些大分子副产物的生成，提高反应的选择性[11].通过系统研究，发现商品化沸石分子筛Hβ对(2，2-二乙氧基)乙基芳基醚的分子内环化反应具有较好的催化活性，能够较高收率地制得2，3-无取代基苯并呋喃类化合物，同时催化剂Hβ可多次循环使用.由于反应在非均相条件下进行，因此该反应过程还具有后处理简单、三废量少和环境友好等特点，具有较高的工业化应用价值.

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

所有反应在敞口体系中进行，试剂和溶剂均为国产试剂，使用前无需特殊处理，其中底物由取代苯酚和溴乙醛缩二乙醇制备[5].沸石分子筛HZSM-5-1(n(SiO2)∶n(Al2O3)=50)，HZSM-5-2(n(SiO2)∶n(Al2O3)=25)，Hβ(n(SiO2)∶n(Al2O3)=25)，HY(n(SiO2)∶n(Al2O3)=5.6)和介孔纯硅型MCM-41分子筛均购自南开大学催化剂厂.Al功能化和有机丙磺酸功能化的MCM-41介孔分子筛以MCM-41为原料制备得到，并分别标记为MCM-41-Al和MCM-41-SO3H[12-13].柱层析填料为SiO2(200-300目).所用仪器：Thermo Trace GC Ultra气相色谱仪，Thermo Trace GC Ultra-ISQ气质联用仪，Bruker DRX 500核磁共振仪，BUCHI B-545熔点测定仪等.

1.2 Hβ分子筛催化(2，2-二乙氧基)乙基芳基醚分子内环化反应的典型过程

以(2，2-二乙氧基)乙基苯基醚分子内环化制备苯并呋喃为例，操作过程如下：在25 mL二口圆底烧瓶中依次加入甲苯(10 mL)，(2，2-二乙氧基)乙基苯基醚(0.22 g,1 mmol)和分子筛Hβ(0.1 g)，加热至回流反应，用GC监测反应过程.反应结束后，冷却反应液，过滤，催化剂用甲苯洗涤数次.母液用旋转蒸发仪在减压下回收溶剂.残余物经层析柱分离，以石油醚和乙酸乙酯为洗脱剂，分离纯化得到目标产物.产物的结构通过1H NMR、13C NMR和GC-MS表征确认.GC分析的条件：HP-5色谱柱(30 m×0.32 mm(内径)×0.25 μm(液膜厚度)；柱温：起始温度为150 ℃，保持5 min，以10 ℃/min的速度程序升温至280 ℃，保持2 min；载气为N2，流速：1.0 mL/min，分流比30∶1，FID检测器.

产物表征如下：

Benzo[b]furan(Ⅱa):无色液体；1H NMR(500 MHz,CDCl3)δ6.803～6.807(m,1H),7.26～7.29(m,1H),7.31～7.35(m,1H),7.54～7.56(m,1H),7.63～7.66(m,2H);13C NMR(125 MHz,CDCl3):δ106.6,111.4,121.2,122.7,124.2,127.4,144.9,154.9;GC-MS(EI):m/z(Relative intensity)118(M+,100).

5-Methoxybenzo[b]furan(Ⅱb):无色液体；1H NMR(500 MHz,CDCl3)δ3.87(s,3H),6.73(d,J=0.6,1.8 Hz,1H),6.95(d,J=2.6,9.0 Hz,1H),7.09(d,J=2.6 Hz,1H),7.43(d,J=9.0 Hz,1H),7.62(d,J=2.2 Hz,1H);13C NMR(125 MHz,CDCl3)δ55.9,103.6,106.7,111.8,113.1,128.0,145.7,150.0,156.0;GC-MS(EI):m/z(Relative intensity)148(M+,100).

5-Methylbenzo[b]furan(Ⅱc):无色液体；1H NMR(500 MHz,CDCl3)δ2.48(s,3H),6.72～6.73(m,1H),7.14(d,J=1.6,8.0 Hz,1H),7.42～7.44(m,2H),7.62(d,J=2.2 Hz,1H);13C NMR(125 MHz,CDCl3)δ21.3,106.3,110.9,121.0,125.5,127.5,132.1,145.0,153.4;GC-MS(EI):m/z(Relative intensity)132(M+,100).

5-tert-Butylbenzo[b]furan(Ⅱd):无色液体；1H NMR(500 MHz,CDCl3)δ1.44(s,9H),6.78(d,J=0.8,1.9 Hz,1H),7.41(d,J=2.0,8.7 Hz,1H),7.63(d,J=2.0 Hz,1H),7.65(d,J=2.0 Hz,1H);13C NMR(125 MHz,CDCl3)δ31.9,34.5,106.7,110.7,117.3,122.2,127.1,145.0,145.8,153.2;GC-MS(EI):m/z(Relative intensity) 159(100),174(M+,89).

5-Phenylbenzo[b]furan(Ⅱe):白色固体，mp:66.1 ℃；1H NMR(500 MHz,CDCl3)δ6.840～6.845(m,1H),7.35～7.68(m,8H),7.68(d,J=2.2 Hz,1H),7.81(d,J=1.6 Hz,1H);13C NMR(125 MHz,CDCl3)δ106.8,111.5,119.7,124.0,126.9,127.5,128.0,128.8,136.5,141.7,145.6,154.6;GC-MS(EI):m/z(Relative intensity)194(M+,100).

5-Fluorobenzo[b]furan(Ⅱf):无色液体；1H NMR(500 MHz,CDCl3)δ6.76(d,J=0.8,2.2 Hz,1H),7.02～7.06(m,1H),7.26～7.29(m,1H),7.45(d,J=4.1,9.0 Hz,1H),7.67(d,J=2.2 Hz,1H);13C NMR(125 MHz,CDCl3)δ106.6(d,J=25.2 Hz),106.8(d,J=3.54 Hz),111.9(d,J=4.0 Hz),112.0(d,J=11.8 Hz),128.2(d,J=10.6 Hz),146.6,151.2,159.2(d,J=236.6 Hz);GC-MS(EI):m/z(Relative intensity)136(M+,100).

5-Chlorobenzo[b]furan(Ⅱg):无色液体；1H NMR(500 MHz,CDCl3)δ6.738～6.742(m,1H),7.27(d,J=2.2,8.7 Hz,1H),7.44(d,J=8.7 Hz,1H),7.59(d,J=2.2 Hz,1H),7.65(d,J=2.2 Hz,1H);13C NMR(125 MHz,CDCl3)δ106.3,112.4,120.8,124.6,128.4,128.9,146.4,153.4;GC-MS(EI):m/z(Relative intensity)152(M+,100),154(M+2,34).

5-Bromobenzo[b]furan(Ⅱh):无色液体；1H NMR(500 MHz,CDCl3) δ6.73(d,J=2.1 Hz,1H),7.38～7.42(m,2H),7.63(d,J=2.1 Hz,1H),7.75(m,1H);13C NMR(125 MHz,CDCl3)δ106.1,112.8,115.8,123.8,127.2,129.4,146.1,153.7;GC-MS(EI):m/z(Relative intensity)196(M+,100),198(M+2,97).

Ethylbenzo[b]furan-5-carboxylate(Ⅱi):白色固体，mp:27.7 ℃；1H NMR(500 MHz,CDCl3)δ1.43(t,J=7.2 Hz,3H),4.42(q,J=7.2 Hz,2H),6.851～6.856(m,1H),7.54(d,J=8.7 Hz,1H),7.69(d,J=2.2 Hz,1H),8.05(d,J=1.8,8.7 Hz,1H),8.37(d,J=1.6 Hz,1H);13C NMR(125 MHz,CDCl3)δ14.4,60.9,107.1,111.2,123.7,125.6,126.0,127.4,146.2,157.4,166.8;GC-MS(EI):m/z(Relative intensity)190(M+,38),145(100).

7-Methoxybenzo[b]furan(Ⅱj):无色液体；1H NMR(500 MHz,CDCl3)δ4.03(s,3H),6.78(d,J=2.2 Hz,1H),6.82～6.84(m,1H),7.16～7.28(m,2H),7.64(d,J=2.2 Hz,1H);13C NMR(125 MHz,CDCl3)δ56.0,106.4,106.8,113.5,123.4,129.1,144.4,144.9,145.6;GC-MS(EI):m/z(Relative intensity)148(M+,100).

7-Methylbenzo[b]furan(Ⅱk):无色液体；1H NMR(500 MHz,CDCl3)δ2.62(s,3H),6.82(d,J=2.2 Hz,1H),7.16～7.23(m,2H),7.51(d,J=7.8 Hz,1H),7.68(d,J=2.2 Hz,1H);13C NMR(125 MHz,CDCl3)δ15.1,106.8,118.6,121.7,122.8,125.1,126.9,144.6,154.1;GC-MS(EI):m/z(Relative intensity)132(M+,100).

7-Chlorobenzo[b]furan(Ⅱl):无色液体；1H NMR(500 MHz,CDCl3)δ6.82～6.84(m,1H),7.18～7.21(m,1H),7.31～7.34(m,1H),7.51～7.52(m,1H),7.69～7.70(m,1H);13C NMR(125 MHz,CDCl3)δ107.3,117.0,119.8,123.7,124.5,129.1,145.7,150.8;GC-MS(EI):m/z(Relative intensity)152(M+,100),154(M+2,34).

6-Methylbenzofuranand4-methylbenzofuran(Ⅱm):无色液体；1H NMR(500 MHz,CDCl3)δ2.50(s,2.61H),2.56(s,0.39H),6.738～7.744(m,0.87H),6.810～6.816(m,0.13H),7.05～7.50(m,3H),7.63(d,J=2.2 Hz,0.87H),7.58(d,J=2.2 Hz,0.13H);13C NMR(125 MHz,CDCl3)δ18.6,21.6,105.2,106.3,108.8,111.6,120.6,123.0,124.1,124.9,127.2,131.1,134.4,144.3,154.8,155.4;GC-MS(EI):m/z(Relative intensity)132(M+,100).

4,6,7-Trimethylbenzo[b]furan(Ⅱn):白色固体,mp:36.8 ℃；1H NMR(500 MHz,CDCl3)δ2.38(s,3H),2.44(s,3H),2.48(s,3H),6.75(d,J=2.2 Hz,1H),6.89(s,1H),7.59(d,J=2.2 Hz,1H);13C NMR(125 MHz,CDCl3)δ11.4,18.2,19.0,105.3,117.0,124.5,125.2,127.3,132.3,143.7,154.3;GC-MS(EI):m/z(Relative intensity)160(M+,98),145(100).

Naphtho[1,2-b]furan(Ⅱo):黄色液体；1H NMR(500 MHz,CDCl3)δ6.95(d,J=2.0 Hz,1H),7.53～7.56(m,1H),7.63～7.66(m,1H),7.11(s,2H),7.81(d,J=2.0 Hz,1H),7.98(d,J=8.2 Hz,1H),8.38(d,J=8.2 Hz,1H);13C NMR(125 MHz,CDCl3)δ107.6,119.74,120.02,121.5,123.0,123.4,125.1,126.3,128.3,131.5,144.1,150.6;GC-MS(EI):m/z(Relative intensity)168(M+,100).

2 结果与讨论

2.1 反应条件的优化

为了探究反应的最佳条件，以(2，2-二乙氧基)乙基苯基醚(Ⅰa)的分子内环化制备苯并呋喃(Ⅱa)为模型反应：

首先在底物Ⅰa的投料量为1 mmol，催化剂用量为0.1 g，甲苯为反应溶剂的反应条件下，考察了不同类型的分子筛对反应的催化活性，结果列于表1.在没有催化剂存在下，底物Ⅰa很稳定，即使在甲苯中回流6 h，基本不变，也没有检测到任何产物生成.然而所试验的分子筛对反应均显示出明显的催化活性，在这些分子筛催化下，底物Ⅰa均发生了显著的转化，同时可检测到环化产物Ⅱa的生成，但分子筛催化剂的酸性、孔道结构和孔径等性质对反应速度和选择性具有重要的影响.如HZSM-5-1和HZSM-5-2为具有相同孔道结构的HZSM-5型沸石分子筛，硅铝比为50的分子筛(HZSM-5-1)对该反应的催化能力极弱，底物Ⅰa在甲苯中回流6 h后，仅转化了20%，同时有少量Ⅱa生成(<10%).而硅铝比为25的分子筛(HZSM-5-2)的催化活性显著高于HZSM-5-1.在相同反应条件下，底物Ⅰa可转化完毕，并且环化产物Ⅱa的收率达到75%.说明反应需要强酸性的催化剂作用下才能进行.进一步实验表明：催化活性还与沸石分子筛的孔径大小有关.如在较大孔径的强酸性沸石分子筛HY和Hβ作用下，底物Ⅰa的反应速度是HZSM-5-2的3～12倍.主要原因是较大孔径有利于反应物和产物在孔道内的扩散，从而加快反应速度.特别当以Hβ为催化剂，不仅底物Ⅰa在甲苯中回流0.5 h后即转化完毕，并且环化产物Ⅱa的收率更可达78%.但同时发现过大的孔径反而不利于该环化反应.如酸性介孔分子筛(MCM-41-SO3H和MCM-41-Al)的催化能力远低于沸石分子筛HZSM-5-2，HY和Hβ.特别是环化反应的选择性极差，仅为17%和32%.考虑到文献报道，在酸性环境下，环化产物2，3-无取代苯并呋喃可进一步发生聚合反应生成一些大分子聚合物[8].因此不难理解，具有相对较小孔径的沸石分子筛可以在一定程度上抑制该副反应发生，从而提高反应的选择性，这种择形选择性在分子筛的催化反应中已有广泛报道.以上研究结果表明：在所有试验的分子筛中，Hβ对该反应的催化能力最强.然后，以Hβ为催化剂继续考察了反应溶剂、反应温度和催化剂的用量对反应的影响.研究结果表明：以其他一些常用溶剂如1，2-二氯乙烷(DCE)、水、乙腈、乙醇和1，4-二氧六环等代替甲苯作为反应介质，得到的反应结果均较差.如在DCE介质中目标产物的收率也可达到76%，但需要5 h的反应时间，反应速度慢归因于其回流温度低于甲苯.而在水介质中，底物Ⅰa主要水解为相应的醛(约70%)，仅生成了20%的环化产物.乙腈、乙醇和1，4-二氧六环明显不利于反应的进行，特别是在乙醇和1，4-二氧六环中，基本得不到相应的环化产物.此外，降低催化剂的用量或降低反应温度，均导致反应时间延长，但基本不影响反应的选择性.最后得到的优化条件：底物投料量1 mmol，0.1 g Hβ为催化剂，反应溶剂为甲苯，反应温度为回流.

表1 分子筛催化(2，2-二乙氧基)乙基苯基醚分子内环化制备苯并呋喃的条件优化1)

2.2 底物拓展

在上述优化条件下，我们考察了一系列带有不同取代基的(2，2-二乙氧基)乙基芳基醚的环化反应情况(表2)，即：

表2 Hβ分子筛催化(2，2-二乙氧基)乙基芳基醚分子内环化制备功能化的2，3-无取代苯并呋喃1)

实验结果如表2所示，环化反应的速度和选择性与底物苯环上取代基的电荷性质有重要关系，一般规律是供电子基团取代有利于反应的进行，表现出反应速度较快，选择性较高.而吸电子基团取代不利于反应的进行，表现出反应速度较慢，选择性相对较低.如：对位为甲氧基、甲基、叔丁基和苯基取代时，反应均可在0.5 h内完成，并且环化产物Ⅱa—Ⅱd的收率在73%～80%之间.需要特别指出的是，大尺寸的叔丁基和苯基取代对反应基本没有影响，说明催化剂Hβ的孔径大小足够这些底物在其孔道内扩散和发生反应.而当对位为中等强度的吸电子取代基，如氟、氯、溴时，反应速度明显降低.在相同反应条件下，这些底物需要2～4 h才能转化完，同时相应环化产物Ⅱf—Ⅱh的收率下降为63%～68%.当取代基的吸电子能力进一步增强，如乙氧甲酰基时，反应需要12 h才能转化完毕，环化产物Ⅱi的收率为61%.对位为强吸电子基团如氰基和硝基取代时，则得不到相应的环化产物.这些现象也是符合Friedel-Crafts反应的一般规律.除了以上取代基的电荷效应外，取代基的位置对反应速度也有一定的影响，邻位取代需要的反应时间略长于间位和对位取代，但取代基的位置对反应的选择性没有显著影响.如Ⅱb和Ⅱj，Ⅱc和Ⅱk、Ⅱm，Ⅱg和Ⅱl的收率相当.这种反应速度的差异可能是邻位取代基对环化过渡态的形成具有一定的位阻效应，该效应在类似的环化反应中已有详细报道[14].意料之中，间位甲基取代的底物得到两个异构体Ⅱm，即4-取代苯并呋喃和6-取代苯并呋喃.但比较有意思的是，反应对6-取代苯并呋喃的选择性显著高于4-取代苯并呋喃，两者摩尔比达到6.7∶1.这应该归因于分子筛Hβ的择形选择性，6-取代苯并呋喃的对称性较好，过渡态稳定，因此更容易在其孔道内形成.此外，在优化反应条件下，苯环上多取代和稠合的底物也可以顺利发生环化，得到相应的环化产物，如4，6，7-三甲基苯并呋喃Ⅱn和萘[1,2-b]并呋喃Ⅱo.其中表2中，苯并呋喃和5-氟苯并呋喃的分离收率比GC内标法测得的收率低许多，主要是这两个化合物极易挥发，后处理时损失所致.

2.3 催化剂的循环使用

考虑到催化剂的循环使用是非均相催化的重要优点之一.我们以(2，2-二乙氧基)乙基芳基醚Ⅰa的环化制备苯并呋喃Ⅱa为模型反应，考察了在优化反应条件下分子筛Hβ的循环套用情况，结果列于表3.研究发现：反应结束后，通过简单的过滤、甲苯淋洗后，Hβ可重复使用5次以上，没有明显的失去其催化活性.其中，当第3次套用后，反应时间有所延长，可能是过滤、转移时，催化剂有少许损失.

表3 Hβ分子筛的重复性实验1)

3 结 论

以(2，2-二乙氧基)乙基芳基醚为起始原料，商品化的Hβ分子筛为固体酸催化剂，在非均相条件下顺利地制备了一系列功能化的2，3-无取代苯并呋喃，即使苯环上有中等强度吸电子基团取代的底物也可以顺利的环化，收率较好.催化剂Hβ在多次循环使用后，没有明显的失去催化活性.与传统非催化量PPA或Amberlyst-15促进环化的方法相比，本方法具有产物分离简便、操作简单、反应速度快、收率高、三废量少和环境友好等特点.

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