新技术新方法合成3-4-二氢嘧啶-2--酮类化合物

离子液体正丁基吡啶硫酸氢盐催化一锅法合成3,4-二氢嘧啶-2(1H)-酮周忠强;霍恒瑞;马琼;冉均;吴腊梅【摘要】采用离子液体正丁基吡啶硫酸氢盐([BPy]HSO4)作催化剂,利用Biginelli 反应在无溶剂条件下一锅法合成了3,4-二氢嘧啶-2(1H)-酮.与传统的Biginelli反应比较,此法具有反应时间短、收率较高、勿需使用溶剂、离子液体可重复使用的特点.【期刊名称】《中南民族大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2011(030)001【总页数】4页(P9-12)【关键词】正丁基吡啶硫酸氢盐;Biginelli反应;3,4-二氢嘧啶-2(1H)-酮【作者】周忠强;霍恒瑞;马琼;冉均;吴腊梅【作者单位】中南民族大学化学与材料科学学院,武汉,430074;中南民族大学化学与材料科学学院,武汉,430074;中南民族大学化学与材料科学学院,武汉,430074;中南民族大学化学与材料科学学院,武汉,430074;中南民族大学化学与材料科学学院,武汉,430074【正文语种】中文【中图分类】O621.3+4由于Biginelli反应的产物二氢嘧啶酮类化合物具有广泛的生物活性[1],近年,该反应引起了化学工作者的极大兴趣.离子液体作为一种“绿色”溶剂或催化剂以及某些催化剂的“液体载体”在催化和有机反应中发挥了独特的作用[2,3].文献报道中性或酸性咪唑类离子液体,如1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐 (BM I mPF6)[4]、1-丁基-3-甲基咪唑氟硼酸盐(BM I mBF4)[4,5]、1-丁基-3-甲基咪唑邻磺酰苯酰亚胺盐(BM I mSac)[6]、1-羧甲基-3-甲基咪唑硫酸氢盐(CM I mHSO4)[7]、N-甲基咪唑四氟硼酸盐(HM I mBF4)、1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐(EM I mBF4)[8]等可催化Biginelli反应.周美云等[9]使用廉价易得的离子液体正丁基吡啶四氟硼酸盐([BPy]BF4)作为Biginelli反应的催化剂和反应介质,反应在6 h内完成,产率为60%～73%.笔者合成了离子液体正丁基吡啶硫酸氢盐(见图1),并将其作为Beginelli反应的催化剂(见图2),以求进一步探索吡啶类离子液体在Biginelli反应中的催化性能.X-4数字显微熔点仪,N exus 470型傅里叶红外光谱仪,B ruker A vanceⅢ 400型核磁共振仪,TM S作内标.所有药品均为市售分析纯或化学纯试剂,未作纯化处理,直接使用.1.2.1 离子液体[BPy]HSO4的制备将8mL(0.1mol)吡啶和10.8mL(0.1mol)正溴丁烷加至100 mL圆底烧瓶中,机械搅拌下在90℃反应12 h.再加入13.8 g(0.1mol)一水合硫酸氢钠,继续于90℃继续搅拌1 h.冷却至室温,抽滤,滤液真空干燥得暗红色透明液体,产率86%.1H NM R(DM SO-d6,400 MHz)δ:0.86(t,3H),1.25(m,2H),1.87(m,2H),4.63(m,2H),7.61(1H,brs,OH),8.61(m,1H),8.13(m,2H),9.16(m,2H).1.2.2 离子液体[BPy]HSO4催化的有溶剂条件下的Beginelli反应将1.32 g(22 mmol)脲、20 mmol乙酰乙酸乙酯、22 mmol苯甲醛、2 mmol离子液体[BPy]HSO4和10mL溶剂加至50mL圆底烧瓶中,搅拌下回流2 h后蒸去溶剂,所得固体用15 mL蒸馏水洗涤,抽滤,粗产物用乙醇重结晶.1.2.3 离子液体[BPy]HSO4催化的无溶剂条件下的Beginelli反应将1.32 g(22mmol)脲、20 mmol乙酰乙酸乙酯(或乙酰丙酮)、22mmol芳香醛和2mmol离子液体[BPy]HSO4加至50 mL圆底烧瓶中,在一定的温度下搅拌,反应完成后,所得固体用15 mL蒸馏水洗涤,抽滤,粗产物用乙醇重结晶.滤液中的离子液体经减压除水后即可重复使用.Du等[10]报道了离子液体[BPy]HSO4的合成.笔者对[BPy]HSO4的制备方法进行了改进,参见文献[11]制备溴化丁基吡啶,所得溴化丁基吡啶不经纯化,直接与一水合硫酸氢钠于90℃、无溶剂条件下反应1 h,仅需过滤、干燥即可得到产物.与文献相比,本法操作简单,反应时间大为缩短,避免了使用有机溶剂和腐蚀性气体的产生. [BPy]HSO4催化苯甲醛、乙酰乙酸乙酯和尿素在不同溶剂中的缩合反应产率见表1.由表1可知,当在有机溶剂条件下,用乙腈作溶剂较其它溶剂,如三氯甲烷、乙醇的产率高.水是一种安全、廉价、无污染的绿色溶剂[12-13],但在[BPy]HSO4催化下反应物在水中回流2 h仅得到4%的产物.基于文献[14]报道许多有机化学反应可在无溶剂条件下进行,笔者在不使用任何溶剂的条件下进行[BPy]HSO4催化的苯甲醛、乙酰乙酸乙酯和尿素的缩合反应,反应时间为2 h,产率见表2.得到最佳反应条件即无溶剂的条件下,90℃时反应2 h,产率为85%.但如果无催化剂,则苯甲醛、乙酰乙酸乙酯和尿素在无溶剂条件下于100℃反应6 h得不到产物[6],然而仅加入少量[BPy]HSO4,反应即可顺利进行,这表明[BPy]HSO4能够很好地催化苯甲醛、乙酰乙酸乙酯和尿素的三组分缩合反应.笔者对不同取代的苯甲醛在无溶剂90℃条件下进行了实验,结果见表3.由表3知,离子液体[BPy]HSO4能催化一系列的芳香醛进行Biginelli反应,芳环上的拉电子基团和推电子基团对反应的影响规律不明显.选取2种产物进行IR和1H NM R测试,结果与文献值吻合:化合物1:1H NMR(DM SO-d6,400 M Hz)δ:1.09(t,J=7.0 Hz,3H,CH3),2.25(s,3H,CH3),3.98(q,J= 7.2Hz,2H,CH2O),5.15(s,1H,CH),7.25～7.33(m,5H,ArH),7.73(s,1H,NH),9.19(s,1H,NH);IR(KBr)ν:3245,3118,2977,1724,1704,1645,1 465,1222,1092 cm-1;化合物9:1H NM R(DM SO-d6,400M Hz)δ:1.09(t,J=7.0 Hz,3H,CH3),2.25(s,3H,CH3),3.98(q,J=6.8 Hz,2H,CH2O),5.15(s,1H,CH),7.13～7.26(m,4H,ArH),7.74(s,1H,NH),9.22(s,1H,NH);IR(KBr)ν:3244,3120,2976,1708,1645,1464,1 222,1090 cm-1.[BPy]HSO4催化苯甲醛、乙酰乙酸乙酯和尿素在无溶剂90℃条件下反应2 h后,反应混合物固化.将所得固体研细,用蒸馏水进行洗涤,过滤得到粗产物.滤液减压蒸去水,再加入反应物于相同条件下进行反应,结果见表4.由表4可知,尽管离子液体在循环使用过程中产率有所降低,但反复使用3次后产率仍有72%,说明该离子液体作为催化剂能有效回收再用.循环使用过程中产率有所降低可能是因催化剂的回收过程中离子液体有所损失所致.本文对离子液体正丁基吡啶硫酸氢盐([BPy]HSO4)的合成方法进行了改进.采用正丁基吡啶硫酸氢盐作催化剂,芳香醛、β-二羰基化合物和尿素在90℃无溶剂的条件下,采用一锅法反应得到3,4-二氢嘧啶-2(1H)-酮.该法具有操作简便、反应时间短、产率较高、产物易于纯化、催化剂可以回收再用、对环境友好的特点.【相关文献】[1] Kappe C O,Fabian W M F,SemonesM A.Conformational analysis of 4-aryl-dihydropyrim idine calcium channel modulators[J].Tetrahedron,1997,53(8):2803-2816.[2] W elton T.Room-temperature ionic liquids:solvents for synthesis and catalysis[J].Chem Rev,1999,99(8):2071-2084.[3] Parvulescu V I,Hardacre C.Catalysis in ionic liquids[J].Chem Rev,2007,107(6):2615-2665.[4] 彭家建,邓友全.室温离子液体催化“一锅法”合成3,4-二氢嘧啶-2-酮 [J].有机化学,2002,22(1):71-73.[5] 邵国强.离子液体中微波促进的Biginelli缩合反应[J].合成化学,2004,12(4):325-328.[6] 李明,郭维斯,文丽荣,等.新型无毒离子液体催化“一锅煮”合成3,4-二氢嘧啶-2(1H)-酮[J].有机化学,2005,25(9):1062-1065.[7] Zheng R W,W ang X X,Xu H,et al.Bronsted acidic ionic liquid:an efficient and reusable catalyst for the synthesis of 3,4-dihydropyr im idin-2(1H)-ones[J].SynthCommun,2006,36(11):1503-1513.[8] M a J J,Zang X H,Zhou X,et al.One-pot synthesis of 3,4-dihydro-pyr im idin-2-(1H)-ones catalyzed by acidic ionic liquid[J].Indian J Chem,2007,46B(12):2045-2048.[9] 周美云,李毅群.用离子液体四氟硼酸正丁基吡啶盐作催化剂和反应介质合成3,4-二氢嘧啶-2-酮[J].暨南大学学报:自然科学版,2006,27(3):435-438.[10] Du Y Y,T ian F L,Zhao W Z.[BPy]HSO4acidic ionic liquid as a novel,efficient,and environmentally benign catalyst for synthesis of 1,5-benzodiazepines under m ild conditions[J].Synth Commun,2006,36(12):1661-1669.[11] 王雨,郑晓宇,吴肇亮.室温离子液体催化联苄与十二烯-1的烷基化反应[J].石油学报:石油加工,2006,22(4):39-43.[12] Chanda A,Fokin V V.O rganic synthesis“on water”[J].Chem Rev,2009,109(2):725-748.[13] L i C J,Chen L.O rganic chem istry in water[J].Chem Soc Rev,2006,35(1):68-82.[14] Tanaka K,Toda F.Solvent-free organic synthesis[J].Chem Rev,2000,100(3):1025-1074.[15] Tu S J,Fang F,Zhu S L,et al.A new Biginelli reaction procedure using potassium hydrogen sulfate as the promoter for an efficient synthesis of 3,4-dihydropyr im idin-2(1H)-one[J]. 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应用化学毕业论文本科生毕业论文（设计）（申请学士学位）论文题目3,4-二氢嘧啶-2-酮衍生物的合成作者姓名赵先中专业名称应用化学指导教师李永红2013年5月29日滁州学院本科毕业论文滁州学院本科毕业设计（论文）原创性声明本人郑重声明：所呈交的设计（论文）是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。

除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果。

本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。

作者签名：年月日目录摘要 (1)ABSTRACT (1)1 前言 (3)1.13,4-二氢嘧啶-2-酮衍生物研究综述 (3)1.1.1 催化剂方面的研究 (4)1.1.2 合成方法方面的研究 (5)1.1.3 Biginelli反应的应用 (6)1.2反应机理 (7)1.3实验内容介绍 (4)2 实验部分 (4)2.1实验仪器与试剂 (4)2.1.1 实验仪器 (10)2.1.2 实验试剂 (11)2.2实验方案与操作步骤 (12)2.2.1实验方案 (12)2.2.2实验探索 (5)2.2.3操作步骤 (13)3 实验结果与讨论 (6)3.1合成条件对产率的影响 (6)3.1.1 反应温度对产率的影响 (6)3.1.2 微波功率对产率的影响 (6)3.1.3 反应物配比对产率的影响 (7)3.1.4 催化剂用量对产率的影响 (7)3.1.5 反应时间对产率的影响 (8)3.2优化合成条件下的平行实验 (8)3.3常规加热法合成目标产物 (9)3.4产物的表征 (9)3.4.1 产物的一般性状及熔点测定 (9)3.4.2 产物的红外光谱分析 (9)4 结论 (22)参考文献 (23)致谢 (26)3,4-二氢嘧啶-2-酮衍生物的合成摘要：以无水乙醇为溶剂，氨基磺酸为催化剂催化苯甲醛、苯乙酮和尿素进行Bigielli 缩合，用微波合成法生成4,6-二苯基-3,4-二氢嘧啶-2-酮。

13,4-二氢嘧啶酮类化合物的合成1893年，意大利化学家Pietro．Biginelli首次报道了用苯甲醛、乙酰乙酸乙酯和尿素在浓盐酸催化条件下于乙醇中加热回流18h缩合得到了3，4－二氢嘧啶－2(1H)－酮(DHPM )，合成路线如图所示，后来人们将这一经典的化学反应称为Biginelli反应。

该反应的最大优点是操作简便，“一锅法”即可得到产物，但缺点是收率很低(20％－50％)。

此后，该反应一直被忽视，直到20 世纪80年代，人们通过大量研究发现该类化合物具有与1．4－二氢吡啶衍生物相似的药理活性，可以用作钙拮抗剂、降压剂、抗癌剂，除此之外还可作为研制抗癌药物的先导物及海洋生物碱的中间体。

因此，在近十几年里对Biginelli反应的研究是一个热点。

除了对其反应机理的探讨外，研究者们还将重点放在了对该反应条件的探索、改进以及产物多样性的选择上，各种各样的催化剂和促进剂被不断地应用于该反应中。

Biginelli反应的机理在Biginelli反应中，酸性催化剂是关键。

如果没有酸性催化剂，第一步芳香醛与脲素的缩合反应几乎不能进行。

这是因为脲素中-NH2的亲核性(碱性)很弱(与羰基共轭)，而芳香醛中羰基碳的亲电性(酸性)也不强，所以二者的反应性很弱。

但是酸性催化剂可激活芳醛中的羰基，使羰基碳的亲电性增强，从而使醛可以与脲素反应。

因此选择高活性的酸性催化剂是提高该反应收率的重要手段。

彭家建等发现芳醛中环上取代基的电子效应对反应收率有很大影响，供电基团(如一0CH3)使反应易于进行，收率增加；而吸电基团(如-N02)则使产物收率降低。

这可能是由于芳环上的供电基使中间体(c)和(c)中的正电荷分散而稳定，使(c)易于生成而有利于反应进行。

人们更多地将研究重点放在对该反应条件的探索、改进以及合成范围的扩展之上。

各种各样的催化剂不断地应用于此反应，扩大了芳香醛、尿素和β-酮酸酯这三种代表性反应原料的范围，得到大量多官能化的嘧啶酮衍生物.许多Lewis 酸催化剂或促进剂被应用于Biginelli 反应中，同时固相合成法、微波促进法以及使用离子液体等多种合成方法也被应用于该反应中，并合成了大量的多功能的3, 4-二氢嘧啶-2-酮类衍生物。