層析硅膠負(fù)載硫酸鋯/鈦的表面酸性及其催化Biginelli反應(yīng)活性

林方芳，何節(jié)玉

(海南熱帶海洋學(xué)院海洋科學(xué)技術(shù)學(xué)院，海南 三亞 572022)

3, 4-二氫嘧啶-2-酮及其衍生物是由芳香醛、β-酮酯、尿素(或硫脲)3組分通過Biginelli縮合反應(yīng)制得的一類雜環(huán)化合物，它在鈣拮抗、降壓、殺菌、消炎、抗病毒和抗腫瘤等領(lǐng)域具有優(yōu)良的藥理活性[1-3]。多組分Biginelli縮合的反應(yīng)機(jī)理一直存在著分歧，固體酸綠色催化Biginelli縮合反應(yīng)已成為近年來重要的熱點(diǎn)研究方向[4-6]。固體酸具有獨(dú)特的酸性、可重復(fù)使用、過程易分離、不腐蝕設(shè)備、綠色環(huán)保等特點(diǎn)，在有機(jī)催化合成中具有潛在的應(yīng)用前景。負(fù)載型固體酸有利于減少活性組分的用量，增大固體酸的比表面積，提高催化效率，此類固體酸常用分子篩、SiO2等作為分散載體[7-8]。經(jīng)焙燒的負(fù)載型硫酸鋯[8]或硫酸鈦[9]不僅具有良好的酯交換或酯化反應(yīng)催化活性，而且在使用過程中能減少活性組分的流失。層析硅膠是一種具有豐富微孔結(jié)構(gòu)，高比表面積、高純度、高活性的優(yōu)質(zhì)吸附材料，可作為固體酸的優(yōu)良載體。筆者以層析硅膠為分散載體，同時負(fù)載硫酸鋯與硫酸鈦后，經(jīng)高溫焙燒制得一種新型復(fù)合固體酸，并考察了該固體酸的表面酸性及其催化Biginelli反應(yīng)活性，此項(xiàng)研究鮮見報(bào)道。所制固體酸催化Biginelli反應(yīng)式如下：

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 主要試劑與儀器

硫酸鋯、硫酸鈦、分析純，天津光復(fù)精細(xì)化工研究所；苯甲醛，分析純，廣東光華化學(xué)廠有限公司；乙酰乙酸乙酯，分析純，天津市大貿(mào)化學(xué)試劑廠；尿素、硫脲、分析純，天津市廣成化學(xué)試劑有限公司；層析硅膠，化學(xué)純，山東青島有浪硅膠干燥劑廠。

D/Max-RC型轉(zhuǎn)靶X射線衍射儀，日本理學(xué)電機(jī)；FTIR-8400S型傅里葉變換紅外光譜儀，日本島津；AVANCEⅢ型400 MHz核磁共振儀，德國Bruker公司；X-4型顯微熔點(diǎn)測定儀，中國裕華儀器公司。

1.2 固體酸的制備與XRD表征

1)取5.0～6.0 g層析硅膠置于坩堝中，經(jīng)馬弗爐300 ℃焙燒活化3.0 h, 稍冷，置于干燥器中保存?zhèn)溆谩?/p>

2)分別稱取0.028 4 g(0.1 mmol) Zr(SO4)2和0.024 0 g(0.1 mmol)Ti(SO4)2固體，經(jīng)適量的去離子水溶解后混合，用2.0 g經(jīng)350 ℃活化的層析硅膠完全吸干Zr(SO4)2-Ti(SO4)2混合溶液，105 ℃干燥過夜，再經(jīng)馬弗爐450 ℃焙燒3.0 h，即得層析硅膠負(fù)載型復(fù)合固體酸。試樣經(jīng)XRD攝譜,測試條件：光管靶CuKα、管電壓40 kV、管電流100 mA、掃描范圍5°～100°、掃描速率5(°)/min、掃描步長0.02。

1.3 固體酸的酸性表征

采用吡啶吸附FT-IR光譜技術(shù)研究固體酸的表面酸性。試樣的制備方法如下：經(jīng)450 ℃焙燒3.0 h的固體酸，冷至110 ℃，吹入吡啶蒸汽，密封3 d后取出，在80 ℃下抽真空至試樣無吡啶氣味，試樣經(jīng)FTIR光譜儀攝譜,測試條件：KBr壓片、分辨率2.0 cm-1、掃描范圍400～4 000 cm-1。

1.4 Biginelli反應(yīng)產(chǎn)物的合成與1H NMR表征

在100 mL三口燒瓶中依次加入10 mmol苯甲醛，10 mmol乙酰乙酸乙酯，15 mmol尿素，1.5 g固體酸和10 mL無水乙醇后，混合均勻，100 ℃油浴加熱回流4.0 h，趁熱過濾，濾液冷卻至室溫后傾入冰水，抽濾，分別用蒸餾水及10%乙醇洗滌產(chǎn)物，105 ℃烘干，稱重，計(jì)算產(chǎn)率。粗品經(jīng)無水乙醇重結(jié)晶，干燥得純品，測熔點(diǎn)，核磁共振儀攝氫譜(測試條件：溶劑DMSO-d6，以(CH3)4Si為內(nèi)標(biāo)，400 MHz)。

2 結(jié)果與討論

2.1 固體酸的XRD分析

圖1為所制固體酸與空白層析硅膠載體對照XRD譜。

圖1 固體酸與硅膠載體的XRD譜

從圖1可知，層析硅膠XRD衍射峰與標(biāo)準(zhǔn)JCPDS卡(No. 37-1460)一致，組分為Al0.5Si0.75O2.25。固體酸的圖譜中并未檢測到與活性組分相關(guān)的衍射峰，可見所制固體酸為無定形的非晶態(tài)。這可能是由于多孔層析硅膠有較大的比表面積，Zr(SO4)2與Ti(SO4)2均勻分散在層析硅膠表面，經(jīng)高溫焙燒后，活性組分物相并未晶化，從而檢測不到它的衍射峰。只有當(dāng)活性組分在硅膠表面的分散量超過某一閾值時，才可能檢測到與其相關(guān)物相的衍射峰[10]。因此，所制固體酸用Zr(SO4)2-Ti(SO4)2/Al0.5Si0.75O2.25表示。

2.2 固體酸的表面酸性分析

圖2是所制固體酸的吡啶吸附FTIR譜圖。

由圖2可知，在1 544、1 490 cm-1處有中強(qiáng)吸收峰，然而在1 458 cm-1處吸收峰的強(qiáng)度相對較弱，可見固體酸表面以Br?nsted酸性位點(diǎn)為主，但同時存在少量的Lewis酸性位點(diǎn)[11-12]，兩類酸中心均是固體酸起催化作用的化學(xué)基礎(chǔ)。

圖2 所制固體酸的吡啶吸附FTIR譜圖

2.3 Biginelli反應(yīng)條件的優(yōu)化

2.3.1 溶劑的選擇

以反應(yīng)物的物質(zhì)的量比n(苯甲醛)∶n(乙酰乙酸乙酯)∶n(尿素)為1.0∶1.0∶1.5、固體酸用量2.0 g(相對10 mmol苯甲醛)、反應(yīng)溫度90 ℃、反應(yīng)時間2.0 h為反應(yīng)條件，采用10 mL不同種類的溶劑(或無溶劑)分別合成產(chǎn)物，考察溶劑種類對產(chǎn)率的影響，結(jié)果見圖3。

圖3 不同溶劑對產(chǎn)率的影響

由圖3可知，采用無水乙醇作溶劑的產(chǎn)率最高，無溶劑的產(chǎn)率最低。此外，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)無水乙醇作溶劑的產(chǎn)物顏色最淺，依次為水、乙二醇，而無溶劑的顏色最深，這可能與溶劑的沸點(diǎn)有關(guān)。可見，無水乙醇作溶劑為宜。

2.3.2 固體酸用量對產(chǎn)率的影響

采用n(苯甲醛)∶n(乙酰乙酸乙酯)∶n(尿素)=1.0∶1.0∶1.5、無水乙醇10 mL(相對10 mmol苯甲醛)、反應(yīng)溫度90 ℃、反應(yīng)時間2.0 h為反應(yīng)條件，考察固體酸用量對產(chǎn)率的影響，結(jié)果見圖4。

由圖4可知，當(dāng)固體酸用量為0.2～1.5 g時，隨著用量的增加，產(chǎn)率逐漸升高。當(dāng)用量為1.5 g時，產(chǎn)率高達(dá)81%；當(dāng)用量為2.0 g時，產(chǎn)率反而略有下降。這可能是當(dāng)固體酸的用量過多時，它物理吸附反應(yīng)物的量增加，從而相對降低了反應(yīng)物的有效濃度?？梢?，固體酸用量1.5 g為宜。

圖4 固體酸用量對產(chǎn)率的影響

2.3.3 反應(yīng)物的物質(zhì)的量比對產(chǎn)率的影響

由于醛在加熱條件下易氧化或聚合，醛過量可能導(dǎo)致副反應(yīng)增多，產(chǎn)率降低，因此實(shí)驗(yàn)保持醛不過量。由于尿素溶于水，后處理時易分離，所以選擇尿素過量。以苯甲醛10 mmol、固體酸用量1.5 g、無水乙醇10 mL、反應(yīng)溫度90 ℃、反應(yīng)時間2.0 h為反應(yīng)條件，考察反應(yīng)物的物質(zhì)的量比對產(chǎn)率的影響，結(jié)果見圖5。

圖5 反應(yīng)物的物質(zhì)的量比對產(chǎn)率的影響

由圖5可知，適宜的n(苯甲醛)∶n(乙酰乙酸乙酯)∶n(尿素)=1∶1∶1.5。

2.3.4 反應(yīng)溫度對產(chǎn)率的影響

保持其他條件不變，考察反應(yīng)溫度對產(chǎn)率的影響，結(jié)果見圖6。

由圖6可知，反應(yīng)溫度為80～100 ℃時，隨著反應(yīng)溫度的升高，產(chǎn)率逐漸增加；當(dāng)反應(yīng)溫度為100 ℃時，產(chǎn)率高達(dá)86%；繼續(xù)升高反應(yīng)溫度，產(chǎn)率反而下降。這可能是反應(yīng)溫度過高導(dǎo)致苯甲醛的副反應(yīng)增多，相對降低了反應(yīng)物的濃度所致。因此，適宜的反應(yīng)溫度為100 ℃。

圖6 反應(yīng)溫度對產(chǎn)率的影響

2.3.5 反應(yīng)時間對產(chǎn)率的影響

保持其他條件不變，考察反應(yīng)時間對產(chǎn)率的影響，結(jié)果見圖7。

圖7 反應(yīng)時間對產(chǎn)率的影響

由圖7可以看出，適宜的反應(yīng)時間4.0 h。

2.4 固體酸的重復(fù)使用性能

采用優(yōu)化反應(yīng)條件：n(苯甲醛)∶n(乙酰乙酸乙酯)∶n(尿素)=1.0∶1.0∶1.5、固體酸用量1.5 g(相對10 mmol苯甲醛)、無水乙醇10 mL、反應(yīng)溫度100 ℃、反應(yīng)時間4.0 h進(jìn)行合成實(shí)驗(yàn)，每次反應(yīng)完后，趁熱抽濾反應(yīng)混合物，回收的固體酸催化劑直接應(yīng)用于下次實(shí)驗(yàn)，重復(fù)使用5次的產(chǎn)率如圖8所示。

圖8 固體酸的重復(fù)使用性能

由圖8可以看出，固體酸重復(fù)使用4次后產(chǎn)率下降較為顯著。這可能是長時間加熱反應(yīng)混合物造成固體酸表面積碳，部分催化活性位點(diǎn)被積碳所覆蓋，但固體酸重復(fù)使用3次的產(chǎn)率仍能超過80%，可見固體酸的重復(fù)使用性能較好。

2.5 催化Biginelli反應(yīng)拓展底物實(shí)驗(yàn)

采用優(yōu)化反應(yīng)條件：n(苯甲醛)∶n(乙酰乙酸乙酯)∶n(尿素)=1.0∶1.5∶1.5、固體酸用量1.5 g(相對10 mmol R1CHO)、無水乙醇10 mL、反應(yīng)溫度100 ℃、反應(yīng)時間4.0 h，分別合成了6種3, 4-二氫嘧啶-2-酮衍生物，結(jié)果見表1。

表1 所制固體酸催化Biginelli反應(yīng)拓展底物實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4a。1H NMR(DMSO-d6, 400 MHz)，δ: 9.17(s, 1H, NH), 7.71(s, 1H, NH), 7.45～7.49(m, 5H, ArH), 5.15(s, 1H, CH), 3.92(q,J=7.3 Hz, 2H, OCH2CH3), 2.24(s, 3H,CH3), 1.11(t,J=7.3 Hz, 3H, OCH2CH3)。

4b。1H NMR(DMSO-d6, 400 MHz)，δ: 9.22 (s, 1H, NH), 7.74(s, 1H, NH), 7.35(d,J=8.5 Hz, 2H, ArH), 7.23(d,J=8.5 Hz, 2H, ArH), 5.12 (d,J=2.9 Hz, 1H, CH), 3.98 (q,J=7.1 Hz, 2H, CH2), 2.21(s, 3H, CH3), 1.09(t,J=7.2 Hz, 3H, OCH2CH3) 。

4c。1H NMR(DMSO-d6, 400 MHz)，δ: 9.30 (s, 1H, NH), 8.27 (d,J=8.3 Hz, 2H, ArH), 7.89( s, 1H, NH),7.62(d,J=8.3 Hz, 2H, ArH), 5.27 (d,J=2.7 Hz, 1H, CH), 3.95 (q,J=7.3 Hz, 2H, CH2), 2.25(s, 3H, CH3), 1.08(t,J=7.2 Hz, 3H, OCH2CH3) 。

4d。1H NMR(DMSO-d6, 400 MHz)，δ: 9.17(s, 1H, NH), 8.89(s, 1H, OH), 7.69(s, 1H, NH),7.01(d,J=8.2 Hz, 2H, ArH), 6.75 (d,J=8.2 Hz, 2H, ArH), 5.18(s, 1H, CH), 3.56 (s, 3H, OCH3), 2.25(s, 3H, CH3) 。

4e。1H NMR(DMSO-d6, 400 MHz)，δ: 10.35(s, 1H, NH), 9.67( s, 1H, NH), 7.27～7.41 (m, 5H, ArH), 5.19(s, 1H, CH), 4.05(q,J=7.2 Hz, 2H, OCH2CH3), 2.32(s, 3H,CH3), 1.13 (t,J=7.1 Hz, 3H, OCH2CH3) 。

4f。1H NMR(DMSO-d6, 400 MHz)，δ: 10.33(s, 1H, NH), 9.68(s, 1H, NH), 7.25～7.39 (m, 5H, ArH), 5.22(s, 1H, CH), 3.55(s, 3H, OCH3), 2.29(s, 3H,CH3) 。

從表1可知，拓展底物實(shí)驗(yàn)合成6種衍生物的產(chǎn)率為79%～91%，熔點(diǎn)均與文獻(xiàn)值相符，結(jié)構(gòu)經(jīng)1H NMR譜證實(shí)，這表明所制固體酸對Biginelli反應(yīng)具有良好的催化活性。

3 結(jié) 論

a.實(shí)驗(yàn)所制負(fù)載型復(fù)合固體酸Zr(SO4)2-Ti(SO4)2/Al0.5Si0.75O2.25為無定形非晶態(tài)，固體酸表面以Br?nsted酸性位點(diǎn)為主，并存在相對較少的Lewis酸性位點(diǎn)，該固體酸對Biginelli反應(yīng)具有良好的催化活性。

b.催化合成3，4-二氫嘧啶-2-酮的優(yōu)化工藝條件為：n(苯甲醛)∶n(乙酰乙酸乙酯)∶n(尿素)=1∶1∶1.5、固體酸用量為1.5 g(相對于10 mmol苯甲醛)、無水乙醇10 mL、反應(yīng)溫度100 ℃、反應(yīng)時間4.0 h，在條件下6種3, 4-二氫嘧啶-2-酮衍生物的產(chǎn)率為79%～91%。

c.該固體酸容易制備，催化反應(yīng)的后處理簡單，可重復(fù)使用，不腐蝕設(shè)備，是一種環(huán)境友好型固體酸催化劑。