H3PW6Mo6O40/SiO2催化合成4-苯基-6-甲基-5-乙氧羰基-3,4-二氢嘧啶-2(H)-酮

徐玉林,龚文朋,杨水金

(湖北师范学院化学化工学院,污染物分析与资源化技术湖北省重点实验室,湖北 黄石 435002)

H3PW6Mo6O40/SiO2催化合成4-苯基-6-甲基-5-乙氧羰基-3,4-二氢嘧啶-2(H)-酮

徐玉林,龚文朋,杨水金

(湖北师范学院化学化工学院,污染物分析与资源化技术湖北省重点实验室,湖北 黄石 435002)

采用溶胶-凝胶法制备H3PW6Mo6O40/SiO2催化剂,以苯甲醛,乙酰乙酸乙酯和尿素为原料,无水乙醇为溶剂催化合成4-苯基-6-甲基-5-乙氧羰基-3,4-二氢嘧啶-2(H)-酮,研究结果表明:反应物的摩尔比、反应温度、催化剂用量和反应时间是影响4-苯基-6-甲基-5-乙氧羰基-3,4-二氢嘧啶-2(H)-酮合成收率的重要因素.当n(苯甲醛)∶n(乙酰乙酸乙酯)∶n(尿素)=1.0∶1.2∶1.5,反应温度为90 ℃,催化剂的用量占反应物料总质量的1.5%,反应时间为75 min时,产品收率可达70.3%.通过熔点、IR、1H NMR和MS对合成目标化合物进行了表征确认.

溶胶-凝胶法;H3PW6Mo6O40/SiO2;催化;嘧啶酮

0 引言

3,4-二氢嘧啶-2(H)-酮是一类具有良好药理活性和生物活性的含氮杂环化合物[1-3].多项研究表明该类化合物具有抗癌、抗病毒、抗感染、消炎和止痛等生物活性[4].此外还可作为降压剂和钙拮抗剂,引起了众多研究者的兴趣.人们一直在努力寻找一种高效、无毒、对环境无污染的催化剂来合成嘧啶酮类化合物,已有文献报道了一些诸如负载SnCl4的732强酸性离子交换树脂[5]、n-Bu2SnO[6]、氨基磺酸[7]等新型催化剂催化合成3,4-二氢嘧啶-2(H)-酮类衍生物并取得了良好的效果,但后处理问题仍待解决.

杂多酸及其盐类是一种环境友好型催化剂[8-11],可以减少对设备的腐蚀和环境的污染,所以它的开发研究日益受到人们的关注.但是杂多酸比表面积小,极易溶于水,难以与产品分离,所以在实际应用中常将其负载于多孔材料[12-14](SiO2)上以增大比表面积,提高反应活性和重复使用性.

本研究采用溶胶凝胶法制备H3PW6Mo6O40/SiO2催化剂,以苯甲醛,乙酰乙酸乙酯和尿素为原料,无水乙醇为溶剂催化合成了4-苯基-6-甲基-5-乙氧羰基-3,4-二氢嘧啶-2(H)-酮,其合成路线见Scheme 1.

Scheme 1 标题化合物的合成反应式

1 实验部分

1.1试剂与仪器Na2HPO4·12H2O、Na2MoO4·2H2O、Na2WO4·2H2O、浓HCl、乙醚、正硅酸乙酯、正丁醇、乙酰乙酸乙酯、苯甲醛、CONH2CO,二次蒸馏水;H3PW6Mo6O40(自制).

电子天平(北京赛多利斯仪器系统有限公司);SHZ-D(Ⅲ)循环水式真空泵(巩义市英峪予华仪器厂);85-2型恒温磁力搅拌器(巩义市英峪予华仪器厂);电热恒温鼓风干燥箱(北京市恒丰医疗器械有限公司);X-4型显微熔点测定仪(北京第三光学仪器厂生产);1H NMR用Varian Mercury 300型核磁共振仪(TMS为内标);Finnigan LCQ Advantage MAX质谱仪(MS);Nicolet 5700型红外拉曼光谱仪(美国尼高力公司产)KBr压片法;粉末衍射分析用DADVANCE型X-射线衍射仪(德国布鲁克公司产),用铜靶Kα1辐射,石墨单色器滤波,在管电压40 kV,管电流40 mA的条件下测定,扫描范围5°～70°.

1.2催化剂H3PW6Mo6O40/SiO2的制备H3PW6Mo6O40/SiO2的制备是在文献[15-16]方法的基础上加以改进的.将1 g H3PW6Mo6O40溶解于25 mL二次蒸馏水中,按体积比约为1.0∶2.5的12 mL正丁醇和31 mL正硅酸乙酯进行混合得到混合液,然后用恒压滴液漏斗慢慢滴加到上述H3PW6Mo6O40水溶液中.依次在室温搅拌1 h、45 ℃搅拌1 h、80 ℃搅拌2～3 h后形成凝胶.将所得湿凝胶置于真空干燥箱中,在45 ℃和90 ℃下分别干燥16 h和3 h得到干凝胶,再用70～80 ℃的热水将其洗至为中性.之后在马弗炉中煅烧一定时间,即得H3PW6Mo6O40/SiO2,研碎备用.

1.3 4-苯基-6-甲基-5-乙氧羰基-3,4-二氢嘧啶-2(H)-酮的合成在50 mL圆底烧瓶中加入一定计量比的苯甲醛、乙酰乙酸乙酯、尿素和适宜的催化剂及溶剂无水乙醇,在一定的温度下加热反应一定时间,待反应结束后趁热抽滤分离出催化剂,滤液在冰水中冷却结晶,待结晶完全后,用蒸馏水洗涤数次烘干得粗产,再用无水乙醇进行重结晶,得到白色晶体.

4-苯基-6-甲基-5-乙氧羰基-3,4-二氢嘧啶-2(H)-酮:白色晶体,m.p.:202～203 ℃,与文献[7]报道的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), 与文献[7]报道的基本一致;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 结果与讨论

2.1 催化剂的表征

2.1.1 催化剂的IR图 H3PW6Mo6O40,H3PW6Mo6O40/SiO2和H3PW6Mo6O40/SiO2(recycled)(c)的红外谱图如图1所示.由图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,属于Keggin结构,在1 635.5 cm-1的弱吸收峰为水的弯曲振动吸收,表明H3PW6Mo6O40中含有结晶水.当H3PW6Mo6O40固载在载体SiO2上后,其976.4 cm-1和794.4 cm-1的吸收峰分别迁移到960.4 cm-1和796.8 cm-1处,且878.8 cm-1的吸收峰消失,1 085.1 cm-1的吸收峰明显变宽,这是因为1 074.9 cm-1与SiO2的特征峰重合.由此证明,H3PW6Mo6O40/SiO2仍具有Keggin结构.2.1.2 催化剂的XRD图 H3PW6Mo6O40(a),SiO2(b)H3PW6Mo6O40/SiO2(c)和H3PW6Mo6O40/SiO2(recycled)(d)的XRD谱图如图2所示.由图2可知:H3PW6Mo6O40(a)的衍射峰主要出现在7.9°、8.8°、10.3°、25.3°、29.3°和34.6°,表明其具有Keggin结构的特征,SiO2(b)的衍射峰主要表现在25°左右为一宽峰.而在H3PW6Mo6O40/SiO2(c)中,只在2θ=25.8°出现较强的宽峰,没有出现明显的H3PW6Mo6O40(a)的特征衍射峰,说明H3PW6Mo6O40均匀的分散在载体SiO2表面上.

图1 H3PW6Mo6O40 (a),H3PW6Mo6O40/SiO2 (b)和H3PW6Mo6O40/SiO2 (recycled)(c)的红外谱图

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

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

2.1.3 催化剂的SEM图 SiO2,H3PW6Mo6O40和H3PW6Mo6O40/SiO2的SEM图如图3所示.由图3可知:SiO2(a)的表面形态呈球形,球面比较光滑,硅球直径大约为0.45 μm,且均匀分散在整个体系中.H3PW6Mo6O40(b)的表面形态呈不规则的块状结构,比表面积很小.(c)为负载后的H3PW6Mo6O40/SiO2的SEM图,从图中可以看出其颗粒直径相对(b)有所减小,H3PW6Mo6O40均匀分散在SiO2载体中,导致催化剂比表面积有所增加.

2.2合成4-苯基-6-甲基-5-乙氧羰基-3,4-二氢嘧啶-2(H)-酮条件的优化在固定苯甲醛用量为0.04 mol,无水乙醇为15 mL的情况下,该反应的影响因素主要有反应物摩尔比[n(苯甲醛)∶n(乙酰乙酸乙酯)∶n(尿素)]A,反应温度B,催化剂的用量比C和反应时间D,本文中采用4因素(A,B,C,D) 3水平(1,2,3)的正交实验法L9(34),考察了4因素对合成4-苯基-6-甲基-5-乙氧羰基-3,4-二氢嘧啶-2(H)-酮的影响,结果列于表1.由表1可知,4个因素中以反应温度对反应的影响最为明显,其大小顺序为B>A>D>C.由位级分析可知,最佳的位级组合是A2B3C1D2,亦即适宜的反应条件是固定苯甲醛的用量为0.04 mol,无水乙醇为15 mL的情况下,n(苯甲醛)∶n(乙酰乙酸乙酯)∶n(尿素)=1.0∶1.2∶1.5,反应温度为90 ℃,催化剂的用量占反应物料总质量的1.5%,反应时间为75 min.在此优化条件下,产品收率可达70.3%.

2.3催化剂的重复利用实验探究在优化条件下,考察了催化剂的稳定性.反应完成以后,趁热抽滤出催化剂,洗除其表面附着的杂质,将回收的催化剂在110 ℃干燥3 h左右后进行实验,结果如表2所示.

从表2中可以看出,催化剂重复使用五次后其收率仍保持在60%以上,且催化剂重复使用从第2次到第5次收率保持在60.7%～66.9%之间,说明催化剂具有良好的稳定性.同时,从图1和图2可以看出重复利用5次后催化剂H3PW6Mo6O40/SiO2(recycled)(d)的IR特征峰和XRD图与首次使用催化剂H3PW6Mo6O40/SiO2(c)的IR特征峰和XRD图一致,说明催化剂重复使用5次后其结构未发生改变,具有良好稳定性.

表1 正交试验L9(34)的结果分析

*A:n(苯甲醛):n(乙酰乙酸乙酯):n(尿素);B:反应温度(℃);C:m(催化剂)(%);D:反应时间(min)

表2 催化剂的重复使用实验结果

2.4与其他催化剂催化活性的比较表3列出了H3PW6Mo6O40/SiO2与其他催化剂催化合成4-苯基-6-甲基-5-乙氧羰基-3,4-二氢嘧啶-2(H)-酮催化性能的比较.

表3 不同催化剂的催化性能比较

*反应物摩尔比:n(苯甲醛)∶n(乙酰乙酸乙酯)∶n(尿素)

由表3可知:H3PW6Mo6O40/SiO2对合成4-苯基-6-甲基-5-乙氧羰基-3,4-二氢嘧啶-2(H)-酮有良好的催化效果.与其他催化剂相比,H3PW6Mo6O40/SiO2不仅催化剂用量少,且催化活性高,并能回收重复使用,具有广泛的应用前景.

3 结论

H3PW6Mo6O40/SiO2对一锅法合成4-苯基-6-甲基-5-乙氧羰基-3,4-二氢嘧啶-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为0.04 mol,无水乙醇为15 mL的情况下,n(苯甲醛)∶n(乙酰乙酸乙酯)∶n(尿素)= 1.0∶1.2∶1.5,反应温度为90 ℃,催化剂的用量占反应物料总质量的1.5%,反应时间为75 min.在此优化条件下,产品收率可达70.3%.与其它催化剂相比,使用H3PW6Mo6O40/SiO2合成4-苯基-6-甲基-5-乙氧羰基-3,4-二氢嘧啶-2(H)-酮具有催化剂用量少,催化活性高,稳定性好,可回收重复使用并且对环境友好等特点.因此,采用溶胶凝胶法制备的H3PW6Mo6O40/SiO2是合成4-苯基-6-甲基-5-乙氧羰基-3,4-二氢嘧啶-2(H)-酮的良好催化剂,具有很好的应用前景.

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(责任编辑 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年湖北师范学院硕士研究生创新科研基金(1051320130216)和国家级大学生创新创业训练计划项目(201313256001)资助

徐玉林(1989-),女,硕士生;杨水金,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