活性炭负载路易斯酸催化合成芳亚甲基稠环嘧啶酮

张亚瑶，孟晓宁，李红叶，芦雪瑞，李东晓，任丽磊

（廊坊师范学院，河北 廊坊 065000）

0 引言

随着全社会环保意识的不断加强，绿色化学的概念逐渐深入人心，绿色催化成为科学家的研究热点之一。过去几十年，均相催化剂由于其高催化活性和高选择性，在精细化学品和药物中间体的合成中占有重要的地位，但也存在一些缺点，如不易从产物中分离、不能重复使用、污染环境等［1］。为了克服这些不足，提高催化剂的利用效率，开发新型可重复使用的负载型催化剂引起了催化领域的广泛关注，如活性炭、碳纳米管等均被用作负载型催化剂的载体［2-3］。

嘧啶酮骨架存在于许多生物活性材料中，其衍生物被应用于各种生化和医药领域。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，如抗血压、抗病毒、抗癌等［4］。这使得各种合成嘧啶酮及其衍生物的方法迅猛发展，如宋志国等［5］采用硝酸铈铵作为催化剂绿色合成了N1-取代的3，4-二氢嘧啶-2（1H）-酮衍生物；伍丽磊等［6］曾制备了活性炭负载硫酸催化剂，并用于催化合成了环戊并［d］嘧啶酮和六氢喹唑啉酮。

鉴于路易斯酸催化活性高、价廉易得、性质稳定，可用于催化合成芳亚甲基稠环嘧啶酮［7］，本文将路易斯酸负载到活性炭上，制备了3种活性炭负载路易斯酸催化剂，并用于催化苯甲醛、尿素、环戊酮之间的Biginelli型反应，比较了3种催化剂的催化活性。研究表明，AC-FeCl3对该反应的催化效率最高，通过多种实验手段确证了AC-FeCl3的形貌；在AC-FeCl3催化下，探讨了当苯环上连有不同取代基时对产率的影响；进而探讨了AC-FeCl3作为催化剂的重复使用性。

1 实验部分

1.1 仪器和试剂

IR prestige-21傅里叶变换红外光谱仪（日本岛津）；KYKY-EM3900M型扫描电子显微镜（北京中科科仪）；NS7型X射线能谱仪（美国热电）；BRUK‐ER 400型核磁共振仪（德国布鲁克）；TD-3000型X射线衍射仪（丹东通达）；所有试剂均为市售分析纯。

1.2 负载型催化剂的制备

参考文献［8］，称取10 g活性炭加入烧瓶中，用无水乙醇溶解10 g无水FeCl3，转移到烧瓶中，搅拌回流4 h。蒸除溶剂，固体用水、无水乙醇洗涤。烘箱中120℃干燥4 h，制得AC-FeCl3。

采用上述方法，用AlCl3、ZnCl2（ZnCl2用无水甲醇溶解）代替无水FeCl3，制得催化剂AC-AlCl3和AC-ZnCl2。

1.3 目标化合物的合成

在反应瓶中，依次加入一定比例的苯甲醛、尿素和环戊酮，加入一定量的负载型催化剂，磁力搅拌下100℃反应3 h。冷却，依次用水、乙酸乙酯洗涤，所得粗产品用热的无水乙醇溶解，趁热过滤，滤饼用水洗涤，120℃烘干，所得催化剂即可重复使用。浓缩滤液得淡黄色固体，即为产物1。

采用同样的方法，分别用对甲氧基苯甲醛和对硝基苯甲醛代替苯甲醛，得到了产物2（白色固体）和3（白色固体）。

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 结果与讨论

2.1 反应条件的优化

以苯甲醛、尿素、环戊酮之间的Biginelli型反应为模板，对反应条件进行优化。反应温度、反应时间及反应物的比例均参照文献［6-7］设定，首先探讨催化剂种类对反应的影响（表1）。可以看出：1）当在体系中加入活性炭时，产率为0，说明活性炭无催化活性；2）当体系中分别加入三种负载型催化剂AC-FeCl3、AC-AlCl3和AC-ZnCl2时，AC-FeCl3的催化效率最高，产率达到79%，因此接下来的反应均选择AC-Fe‐Cl3作为催化剂。表2列出了加入不同质量的ACFeCl3时反应的产率，看出增加AC-FeCl3的用量，反应产率逐渐提高，当AC-FeCl3用量达到0.3 g时，产率最高，继续增加催化剂的用量，产率反而降低，因而将催化剂的用量设定为0.3 g。

表1 催化剂对反应的影响

表2 催化剂用量对反应的影响

2.2 AC-FeCl3的表征

图1为活性炭及AC-FeCl3的红外光谱图。图1（a）中3437、1095 cm-1处的吸收峰，是O-H和C-O的伸缩振动吸收峰，说明其中含有羟基［9］。而图1（b）中，C-O键伸缩振动蓝移到1124 cm-1，这是由于-OH中氧原子的孤对电子填充到FeCl3空轨道中，使C-O键伸缩振动的不对称性加强所致，与文献［10］一致，说明FeCl3负载到了活性炭上。

图1 AC（a）和AC-FeCl3（b）的红外光谱图

图2为活性炭及AC-FeCl3的XRD图谱。可以看出：曲线a在2θ=20°~30°和2θ=40o~50°处各出现了一个比较强的衍射峰，这是在活性炭载体中石墨晶体不规则排列的结果［11］。而曲线b和a具有极其相似的峰形，说明在制备催化剂的过程中，FeCl3并未形成金属氧化物，且形成的活性物质晶粒比较细微，均匀地分散在载体活性炭表面［9］。

图2 AC（a）和AC-FeCl3（b）的XRD图谱

图3为活性炭活性炭及AC-FeCl3的SEM和EDS图。由图3（a）可以看出活性炭表面具有均匀的孔隙结构，且比较光滑，而图3（b）中AC-FeCl3的表面均匀分布着细小的晶体颗粒，说明FeCl3比较分散的负载在活性炭表面。由图3（c）可以看出，活性炭主要组成元素为C、O，而AC-FeCl3中主要元素为C、O、Fe、Cl，如图3（d）所示。因此，可以证实FeCl3成功负载到了活性炭上。

图3 AC和AC-FeCl3的SEM和EDS图

2.3 底物适用范围的研究

在最佳反应条件下，对反应底物进行了普适性考察，结果见表3。分别用连有-OCH3和-NO2的芳醛作为底物进行上述反应，产率分别为84%和70%（表3）。可以看出，1）AC-FeCl3作为催化剂，对连有不同取代基的芳醛的Biginelli反应均有催化作用，且产率较高。2）从电子效应看，芳醛含有-NO2时的产率，低于含有-OCH3时的产率，说明供电子基的存在，有利于该反应的进行。

表3 AC-FeCl3催化合成嘧啶酮

2.4 催化剂重复使用性能

以苯甲醛、环戊酮、尿素之间的反应为模板，研究AC-FeCl3催化剂的重复使用性（表4）。从表4可以看出，催化剂重复使用3次，依然能得到较好的收率，当重复使用第4次、第5次时，产率下降比较明显。

表4 AC-FeCl3催化剂的循环使用情况

3 结论

综上所述，本文制备了3种活性炭负载路易斯酸催化剂AC-FeCl3、AC-AlCl3、AC-ZnCl2，并研究了催化苯甲醛、尿素、环戊酮之间Biginelli型反应的催化活性。结果表明，AC-FeCl3对该反应的催化活性最高，对AC-FeCl3进行了结构表征，成功合成了3种芳亚甲基稠环嘧啶酮，研究了催化剂的用量以及催化剂的重复利用性。反应不需要溶剂，且催化剂可以重复使用3次，符合绿色化学的基本标准，为这类化合物的合成提供了一种经济实用的方法。