無溶劑合成含二茂鐵基查爾酮

劉玉婷，鄒倩，尹大偉

(陜西科技大學化學與化工學院 陜西省輕化工助劑重點實驗室，陜西 西安 710021)

綠色化學及綠色有機合成方法具有簡單、綠色、高效、低成本等特點，是研究者們研究的熱點[1-3]。其中，使用低毒性有機溶劑或無溶劑合成方法成為一個重要的研究方向。二茂鐵基查爾酮在生物醫(yī)藥領(lǐng)域、功能材料領(lǐng)域、化學電分析和催化領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用，其傳統(tǒng)合成方法是液相法，存在反應(yīng)時間長、溶劑使用量大、后處理繁瑣等缺點。為了克服這些缺點，超聲技術(shù)[4]、微波法[5-8]和固相法[9-12]等合成方法相繼報道，尤其是固相合成法無需溶劑、反應(yīng)時間短、操作簡單、設(shè)備要求低，是一種綠色、經(jīng)濟的合成方法[13,14]。本課題組[15-18]曾利用固相研磨法，以KF/Al2O3為催化劑，室溫下成功的合成了二茂鐵基查爾酮，但是所用催化劑價格較高，成本高，因此，本文采用室溫固相研磨法，在固體NaOH和無水K2CO3的催化下，合成了12種二茂鐵基查爾酮，并通過FT-IR,1H NMR，13C NMR對其結(jié)構(gòu)進行了表征。

圖1 二茂鐵基查爾酮的合成

1 實驗部分

1.1 試劑及儀器

VECTOR-22傅里葉紅外光譜儀,德國BRUKER公司；ADVANCE Ⅲ 400 MHz核磁共振儀(DMSO-d6為溶劑，TMS為內(nèi)標)德國BRUKER公司；X-4型數(shù)字顯示顯微熔點儀(溫度計未經(jīng)校正)，北京泰克儀器有限公司。所用試劑均為國產(chǎn)分析純。乙?；F參照文獻[9]合成。

1.2 含二茂鐵基查爾酮的合成

向干燥的研缽中加入10 mmol乙?；F，12 mmol芳香醛，0.5 mol NaOH/0.5 mmol無水K2CO3，混合均勻，室溫下研磨5-10 min(TLC監(jiān)測反應(yīng)進程，展開劑V(乙酸乙酯∶石油醚)=1∶3)，待完全反應(yīng)后，加入少量水，抽濾，水洗至濾液中性，干燥，得到純品。

1-苯基-3-二茂鐵基烯酮(3a):紅棕色固體，m.p.142～144 ℃(141～142 ℃[14])。IR(KBr), σ(cm-1): 3 090(—CH=), 1 647(C=O), 1 593(C=C), 1 493, 1 450(Ar, Fc), 762(Ar-H)。1H NMR(400 MHz，DMSO-d6),δ:4.25(s, 5H, Fc-H), 4.63(s, 2H, Fc-H), 4.95(s, 2H, Fc-H), 7.14～7.18(d, 1H, =CH), 7.29～7.68(m, 5H, Ph-H), 7.81～7.85(d, 1H, =CH)。13C NMR(100 MHz，DMSO-d6),δ: 192.47, 140.38, 134.70, 129.63, 128.46, 127.79, 122.46, 80.12, 72.31, 69.63, 69.25。

1-(4-氟)苯基-3-二茂鐵基烯酮(3b):紅棕色固體，m.p. 160～161℃ (161～162 ℃[14])。IR(KBr), σ(cm-1): 3 096(—CH=), 1 649(C=O), 1 588(C=C), 1 503, 1 451(Ar, Fc), 823(Ar-H)。1H NMR(400 MHz，DMSO-d6),δ:4.25(s, 5H, Fc-H), 4.53(s, 2H, Fc-H), 4.80(s, 2H, Fc-H), 7.06～7.15(d, 1H, =CH), 7.29～7.30(d, 2H, Ph-H), 7.67～7.69(d, 2H, Ph-H), 7.77～7.80(1, 2H, =CH)。13C NMR(100 MHz，DMSO-d6),δ:192.30, 139.12, 130.90, 129.67, 122.15, 115.71, 115.49, 80.03, 72.36, 69.63, 69.39。

1-(4-氯)苯基-3-二茂鐵基烯酮(3c): 紅棕色固體，m.p.162～163 ℃ (160～161 ℃[14])。 IR(KBr), σ(cm-1): 3 092(—CH=), 1 648(C=O), 1 590(C=C), 1 510, 1 450(Ar, Fc), 818(Ar-H)。1H NMR(400MHz，DMSO-d6),δ:4.24(s, 5H, Fc-H), 4.63(s, 2H, Fc-H), 4.83(s, 2H, Fc-H), 7.09～7.13(d, 1H, =CH), 7.41～7.43(d, 2H, Ph-H), 7.60～7.62(d, 2H, Ph-H), 7.74～7.78(d, 1H, =CH)。13C NMR(100 MHz，DMSO-d6),δ:192.23, 138.93, 136.78, 133.19, 128.94, 128.72, 122.87, 79.97, 72.44, 69.66, 69.26。

1-(4-溴)苯基-3-二茂鐵基烯酮(3d):紅棕色固體,m.p.161～163 ℃(165～166 ℃[14])。 IR(KBr), σ(cm-1):3 094(—CH=), 1 649(C=O), 1 585(C=C), 1 523, 1 451(Ar, Fc), 817(Ar-H)。1H NMR(400 MHz, DMSO-d6),δ: 4.24(s, 5H, Fc-H), 4.54(s, 2H, Fc-H), 4.80(s, 2H, Fc-H), 7.11～7.15(d, 1H, =CH), 7.29～7.30(d, 2H, Ph-H), 7.55～7.58(d, 2H, Ph-H), 7.73～7.77(d, 1H, =CH)。13C NMR(100 MHz, DMSO-d6)δ: 192.41, 138.99, 133.98, 131.68, 129.15, 124.05, 122.95, 79.98, 72.46, 69.65, 69.39。

1-(4-甲基)苯基-3-二茂鐵基烯酮(3e):紅棕色固體，m.p.170～171 ℃(172～173 ℃[14])。 IR(KBr), σ(cm-1):3 098(—CH=), 2 980, 1 370(—CH3), 1 647(C=O), 1 584(C=C), 1 512, 1 446(Ar,Fc), 814(Ar-H)。1H NMR(400 MHz，DMSO-d6),δ: 2.43(s, 3H, —CH3), 4.24(s, 5H, Fc-H), 4.61(s, 2H, Fc-H), 4.94(s, 2H, Fc-H), 7.10～7.14(d, 1H, =CH), 7.27～7.30(d, 2H, Ph-H), 7.58～7.59(d, 2H, Ph-H), 7.79～7.83(d, 1H, =CH)。13C NMR(100MHz，DMSO-d6),δ: 192.58, 140.43, 140.09, 131.85, 129.42, 127.80, 121.50, 80.22, 72.21, 69.61, 69.23, 21.06。

1-(4-甲氧基)苯基-3-二茂鐵基烯酮(3f):紅棕色固體，m.p.145～147 ℃(148～149 ℃[14])。IR(KBr), σ(cm-1):3 084(—CH=), 2 837, 1 349(—CH3), 1 651(C=O), 1 580(C=C), 1 507, 1 449 (Ar, Fc), 822(Ar-H)。1H NMR(400 MHz，DMSO-d6),δ:3.89(s, 3H, —OCH3), 4.24(s, 5H, Fc-H), 4.60(s, 2H, Fc-H), 4.94(s, 2H, Fc-H), 6.98～7.03(d, 1H, =CH), 7.64～7.65(d, 2H, Ph-H), 7.78～7.81(d, 2H, Ph-H), 7.87～7.90(d, 1H, =CH)。13C NMR(100MHz，DMSO-d6),δ: 192.53, 140.17, 131.50, 129.42, 127.37, 120.23, 113.90, 80.15, 72.11, 69.39, 69.19, 54.95。

1-(4-異丙基)苯基-3-二茂鐵基烯酮(3g):紅棕色固體，m.p.109～110℃。IR(KBr),σ(cm-1):3 096(—CH=), 2958,1376(—CH3), 1 647(C=O), 1 588(C=C), 1 511, 1 449 (Ar, Fc), 821(Ar-H)。1H NMR(400 MHz，DMSO-d6),δ:1.30(s,6H, -CH3), 2.97(m, 1H, —CH), 4.24(s, 5H, Fc-H), 4.61(s, 2H, Fc-H), 4.94(s, 2H, Fc-H), 7.12～7.15(d, 1H, =CH), 7.32～7.36(d, 2H, Ph-H), 7.62～7.64(d, 2H, Ph-H), 7.82～7.83(d, 1H, =CH)。13C NMR(100 MHz，DMSO-d6),δ: 192.59, 151.02, 140.43, 132.57, 127.93, 126.60, 121.58, 80.22, 72.23, 69.62, 69.25, 33.66, 23.35。

1-(2-噻吩)基-3-二茂鐵基烯酮(3h):紅棕色固體，m.p.124～125 ℃。IR(KBr), σ(cm-1):3 102(—CH=), 1 642(C=O), 1 579(C=C), 1 552, 1 454(Ar, Fc)。1H NMR(400 MHz，DMSO-d6),δ: 4.24(s, 5H, Fc-H), 4.61(s, 2H, Fc-H), 4.92(s, 2H, Fc-H), 6.92～6.96(d, 1H, =CH), 7.03～7.12(d, 1H, Thy-H), 7.29～7.30(m, 1H, Thy-H), 7.34～7.37(d, 1H, Thy-H), 7.91～7.95(d, 1H, =CH)。13C NMR(100 MHz，DMSO-d6),δ:192.07, 140.15, 132.86, 130.98, 127.85, 127.42, 121.51, 80.08, 72.29, 69.64, 69.39。

1-(3-噻吩)基-3-二茂鐵基烯酮(3i):紅棕色固體，m.p.132～135 ℃。IR(KBr), σ(cm-1):3 096(—CH=), 1 645(C=O), 1583(C=C), 1 550, 1 450(Ar, Fc)。1H NMR(400 MHz，DMSO-d6),δ: 4.24(s, 5H, Fc-H), 4.61(s, 2H, Fc-H), 4.94(s, 2H, Fc-H), 6.96～6.99(d, 1H, =CH), 7.18～7.20(d, 1H, Thy-H), 7.42～7.45(d, 1H, Thy-H), 7.62(s, 1H, Thy-H), 7.80-7.82(d, 1H, =CH).13C NMR(100 MHz，DMSO-d6),δ: 193.09, 138.04, 133.92, 127.93, 126.43,124.74, 122.21, 79.98, 72.23, 69.61, 69.20。

1-(4-吡啶)基-3-二茂鐵基烯酮(3j):紅棕色固體，m.p.:67～68 ℃。IR(KBr), σ(cm-1): 3 092(—CH=), 1 642(C=O), 1 579(C=C), 1 557, 1 454(Ar, Fc)。1H NMR(400 MHz，DMSO-d6),δ: 4.25(s, 5H, Fc-H), 4.64(s, 2H, Fc-H), 4.93(s, 2H, Fc-H), 6.98～7.02(d, 1H, =CH), 7.06～7.14(d, 1H, Py-H), 7.29～7.32(d, 1H, Py-H), 7.67～7.76(m, 2H, Py-H), 7.48～7.50(d, 1H, =CH)。13C NMR(100 MHz, DMSO-d6),δ: 192.71, 153.06, 149.65, 138.64, 136.41, 126.09, 125.03, 123.63, 80.04, 72.57, 69.71, 69.48。

1-(4-硝基)苯基-3-二茂鐵基烯酮(3k):紅棕色固體，m.p.:59～60 ℃。IR(KBr), σ(cm-1):3 096(—CH=), 1 653(C=O), 1 573(C=C), 1 517, 1 448(Ar,Fc), 1345(—N=O), 826(Ar—H).1H NMR(400 MHz, DMSO-d6),δ: 4.24(s, 5H, Fc—H), 4.54(s, 2H, Fc-H), 4.80(s, 2H, Fc-H), 7.26～7.29(d, 1H, =CH), 7.57～7.59(d, 2H, Fc-H), 7.80～7.82(d, 2H, Fc-H), 8.12～8.13(d, 1H, =CH)。13C NMR(100MHz，DMSO-d6),δ: 192.65, 137.44, 134.00, 129.55, 124.99, 123.81, 121.48, 80.01, 72.81, 69.75, 69.40。

1-(3-硝基)苯基-3-二茂鐵基烯酮(3l):紅棕色固體，m.p.:115～118 ℃ 178～179 ℃。IR(KBr), σ(cm-1): 3 090(—CH=), 1 653(C=O), 1 596(C=C), 1 521, 1 452(Ar,Fc), 1 343(—N=O), 821(Ar—H)。1H NMR(400M Hz, DMSO-d6),δ: 4.23(s, 5H, Fc-H), 4.68(s, 2H, Fc-H),4.97(s, 2H, Fc-H), 7.21～7.25(d, 1H, =CH), 7.56～7.75(m, 2H, Fc-H), 7.82～7.91(d, 1H, Fc-H), 8.13～8.17(d, 1H, Fc-H), 8.52-8.53(d, 1H, =CH)。13C NMR(100 MHz, DMSO-d6),δ:192.03, 137.42, 136.53, 134.03, 129.58, 124.97, 123.82, 121.50, 80.08, 71.89, 69.75, 69.14。

1.3 反應(yīng)機理

二茂鐵基查爾酮的合成是Claisen-Schmidt縮合反應(yīng)機理。首先堿奪去乙酰基二茂鐵中的α-氫，形成一個烯醇負離子，然后這個負離子作為親核試劑，進攻芳醛分子中的羰基碳原子，發(fā)生親核加成反應(yīng)生成一個中間負離子(烷氧負離子)；烷氧負離子與體系中的H+結(jié)合得到羥醛；最后，脫水得到烯酮。催化劑NaOH/無水K2CO3在反應(yīng)中，既提供了堿性條件，又達到脫除水的目的，因此可以提高查爾酮的產(chǎn)率。在無溶劑研磨條件下，反應(yīng)物及試劑在外力的作用下可以充分接觸，反應(yīng)體系濃度大，因此反應(yīng)時間短、效率高、產(chǎn)率高。

圖2 二茂鐵基查爾酮的合成機理

2 結(jié)果與討論

2.1 反應(yīng)條件篩選

采用研磨法，以乙?；F與苯甲醛的反應(yīng)為模板，優(yōu)化反應(yīng)條件。以單因素實驗法探究催化劑種類、原料摩爾比及反應(yīng)時間對產(chǎn)率的影響，結(jié)果見表1。

實驗考察了催化劑種類對反應(yīng)的影響(編號1～5)。當無催化劑(編號5)時，反應(yīng)的產(chǎn)率只有21.1%；使用堿性催化劑時，產(chǎn)率明顯提高(編號2)；使用堿與無水K2CO3混合催化劑時，產(chǎn)率最高可達88.2%(編號3)?？疾炝艘阴；F與苯甲醛的摩爾比對產(chǎn)率的影響(編號6～9)，發(fā)現(xiàn)隨著苯甲醛的量增加，產(chǎn)率先增加(在摩爾比為1∶1.2時產(chǎn)率最高)后降低，主要是因為有副產(chǎn)物的生成。研究催化劑用量對產(chǎn)率的影響(編號7,10～12)發(fā)現(xiàn)，催化劑用量10%(5%NaOH/5%無水K2CO3)時產(chǎn)率最高，隨著催化劑用量的增大，副產(chǎn)物的量增多，導致烯酮產(chǎn)率降低。除此之外，發(fā)現(xiàn)在所試反應(yīng)條件下，5～10 min反應(yīng)，可以使反應(yīng)完全(TLC監(jiān)測)。綜上所述，選擇在室溫條件下進行研磨反應(yīng)，乙?；F與芳醛的摩爾比1∶1.2，NaOH/無水K2CO3為催化劑，催化劑用量為10%，反應(yīng)時間為5～10 min。

在最佳反應(yīng)條件下，考察了乙?；F與不同芳醛的反應(yīng)合成一系列查爾酮，結(jié)果見表2。

表1 反應(yīng)條件篩選

表2 底物拓展實驗

從表2可以看出，該方法的適用性較廣，包括苯甲醛在內(nèi)的12種芳醛都可以順利反應(yīng)，以較高的產(chǎn)率得到目標化合物。當芳環(huán)上有推電子取代基時，如甲基，甲氧基對反應(yīng)不利(編號5～7)，產(chǎn)率較低；而當芳環(huán)上有吸電子取代基時，如鹵素，硝基對反應(yīng)有利(編號2～4，11～12)，產(chǎn)率較高，這是由于吸電子基的吸電子作用，使得醛羰基碳的電子云密度降低，有利于親核試劑(乙?；F負離子)的進攻而發(fā)生親核加成反應(yīng)。從表2可以看出，查爾酮的產(chǎn)率在89.4%～95.1%，低于理論值，這是因為在反應(yīng)結(jié)束后，只是進行水洗，其主要目的是洗去催化劑堿，但是也會有部分產(chǎn)物被洗掉，不過為了實現(xiàn)綠色合成的目的，未使用有機溶劑對水相進行進一步萃取，因此造成產(chǎn)物產(chǎn)率降低。

3 結(jié) 論

采用無溶劑固相研磨法合成了含二茂鐵基查爾酮，其結(jié)構(gòu)經(jīng)FT-IR、1H NMR 及13C NMR進行了確證，同時優(yōu)化了反應(yīng)。采用固相研磨法，反應(yīng)條件溫和、操作簡單、反應(yīng)時間短，是一種綠色、經(jīng)濟、高效、低成本的合成含二茂鐵基查爾酮的方法。