以介孔分子筛MCM-41固载磷钨酸为催化剂,对苯并三氮唑与查尔酮进行了氮杂迈克加成的催化研究。经过条件筛选,发现MCM-41中的磷钨酸负载量对该反应体系有很大的影响,其中50 wt%的磷钨酸负载量更有利于反应的进行,产率可达98%。通过NMR对产物结构进行了表征,并且催化剂具有一定的回收再利用效果。 In this paper, mesoporous siliceous material MCM-41 supported H 3PW 12O 40 (PW) could act as an efficient catalyst for the aza-Michael addition reaction of chalcone with benzotriazole. As can be seen from a serial of reaction conditions, the ratio of PW and MCM-41 plays a critical role in the reaction, and the best catalyzed result was achieved when using 50 wt% PW/MCM-41, and the yield was up to 98%. All the products were confirmed by NMR techniques. Moreover, the catalyst was also found to exhibit better recyclability.
杨敬辉,邢刘庄,谢绍雷,邢雪建,侯亚东,吴阳,惠永海*
新疆大学化学化工学院,新疆 乌鲁木齐
收稿日期:2017年5月17日;录用日期:2017年6月9日;发布日期:2017年6月12日
以介孔分子筛MCM-41固载磷钨酸为催化剂,对苯并三氮唑与查尔酮进行了氮杂迈克加成的催化研究。经过条件筛选,发现MCM-41中的磷钨酸负载量对该反应体系有很大的影响,其中50 wt%的磷钨酸负载量更有利于反应的进行,产率可达98%。通过NMR对产物结构进行了表征,并且催化剂具有一定的回收再利用效果。
关键词 :MCM-41,磷钨酸,苯并三氮唑,查尔酮,迈克加成
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含氮杂环化合物及其衍生物被广泛应用于有机合成、医药和生物等领域。缺电子的唑类化合物是药物中常见的结构片段,如,意大利A. Carta研究组合成的3-芳基-2-(1H-苯并三氮唑-1-基)丙烯腈类化合物具有抗类风湿、抗增生、抗肿瘤和抗结核等作用 [
随着社会环保意识和能源节约意识的增强,传统催化剂已不符合绿色化学的发展要求,因此,固载型催化剂已成为有机化学的一个研究热点。本课题组前期报道过一系列介孔分子筛MCM-41固载型催化剂催化有机反应,取得了较好的结果 [
Varian inova-400型核磁共振仪(TMS为内标,CDCl3为溶剂,单位为ppm);RV10型旋转蒸发仪;X-4数字显示显微熔点测定仪;BRUKER EQUINX55型红外光谱仪(KBr压片)测定;ZF-2型三用紫外仪;柱层析用硅胶(200-300目,青岛海洋化工厂);所用试剂及溶剂均为市售分析纯,用前未经处理。
Scheme 1. The aza-Michael addition reaction
图1. 氮杂迈克加成反应
目标化合物的合成(以1a的合成为例):将查尔酮(0.1 mmol,0.0208 g)、苯并三氮唑(0.11 mmol,0.0131 g)和MCM-41固载磷钨酸(0.005 g)溶于THF (1.0 mL)中,室温搅拌12 h,TLC检测反应。反应完毕后,柱层析(乙酸乙酯:石油醚 = 1:5洗涤)分离纯化得目标产物。目标化合物的表征如下:
3a [
3b [
3c: 3-(1H-苯并[1,2,3]三氮唑-1-基)-3-苯基-1-(4-溴苯基)丙烷-1-酮, 黄色油状物,85%,1H NMR (400 MHz, CDCl3): δ 3.78 (dd, J = 8.0, 4.0 Hz, 1H), 4.08 (dd, J = 8.0, 8.0 Hz, 1H), 4.80 (dd, J = 8.0, 12.0 Hz, 1H), 6.52 (dd, J = 4.0, 8.0 Hz, 1H), 7.26-7.61 (m, 9H), 7.84-8.03 (m, 3H); 13C NMR (400 MHz, CDCl3) δ: 44.34, 58.32, 109.85, 119.83, 124.09, 126.64, 127.39, 128.55, 128.87, 129.09, 129.70, 131.99, 134.88, 138.81, 144.57, 146.11, 157.84, 194.95.
3d: 3-(1H-苯并[1,2,3]三氮唑-1-基)-3-苯基-1-(4-甲基苯基)丙烷-1-酮, 黄色油状物,92%,1H NMR (400 MHz, CDCl3): δ 2.38 (s, 3H), 3.85 (dd, J = 4.0, 4.0 Hz, 1H), 4.79 (dd, J = 8.0, 8.0 Hz, 1H), 6.57 (dd, J = 4.0, 4.0 Hz, 1H), 7.22-7.54 (m, 10H), 7.88-8.03 (m, 3H) ; 13C NMR (400 MHz, CDCl3) δ: 21.54, 44.15, 58.25, 109.83, 119.67, 123.90, 126.64, 127.19, 128.21, 128.31, 128.90, 129.23, 133.61, 139.02, 144.38, 145.99, 195.32.
3e [
3f [
3g [
3h [
3i [
3j [
3k [
3l: 3-(1H-苯并[1,2,3]三氮唑-1-基)-3-(4-氯苯基)-1-(4-甲氧基苯基)丙烷-1-酮, 黄色油状物,87%,1H NMR(400 MHz, CDCl3): δ 3.85 (s, 3H), 3.85 (dd, J = 4.0, 4.0 Hz, 1H), 4.88 (dd, J = 8.0, 8.0 Hz, 1H), 6.53 (dd, J = 4.0, 4.0 Hz, 1H), 6.90-6.93 (m, 2H), 7.26-7.53 (m, 7H), 7.94-8.04 (m, 3H); 13C NMR (400 MHz, CDCl3) δ: 43.95, 55.50, 57.76, 109.70, 113.87, 119.91, 124.17, 127.51, 128.22, 129.13, 129.19, 130.55, 132.91, 134.34, 137.66, 163.97, 194.02.
3m: 3-(1H-苯并[1,2,3]三氮唑-1-基)-3-(4-甲氧基苯基)-1-(4-氯苯基)丙烷-1-酮, 黄色油状物,83%,1H NMR (400 MHz, CDCl3): δ 3.85 (s, 3H), 3.86 (dd, J = 8.0, 4.0 Hz, 1H), 4.68 (dd, J = 8.0, 8.0 Hz, 1H), 6.53 (dd, J = 4.0, 4.0 Hz, 1H), 6.90-6.93 (m, 2H), 7.26-7.52 (m, 7H), 7.94-8.03 (m, 3H); 13C NMR (400 MHz, CDCl3) δ: 43.90, 55.46, 57.72, 109.68, 113.83, 119.86, 124.13, 127.47, 128.19, 129.08, 129.15, 130.51, 132.87, 134.29, 137.64, 146.05, 163.92, 193.98.
以苯亚甲基苯乙酮和苯并三氮唑的反应来优化反应条件,选择水作为溶剂,考察不同催化剂对反应的影响(表1)。我们发现无催化剂和介孔分子筛MCM-41催化反应都得不到目标产物;当以磷钨酸(PW)和磷钼酸(PM)为催化剂时,反应能顺利进行,但是反应产率不高。将MCM-41固载不同量的杂多酸时,其催化效果有很大差别。当磷钨酸在MCM-41(PW/MCM-41)中的负载量为50 wt%时,反应产率提高到36%,而继续提高磷钨酸的负载量,分子筛的孔道空间缩小,不利反应的进行,从而使产率有所下降;同样的50 wt%的PMA/MCM-41催化反应时,只能得到25%的产率。然后,考察了不同溶剂对反应的影响(表1,Entries 11-16)。甲醇、甲苯和乙酸乙酯为溶剂时,均得不到反应产物.醚类溶剂有利于反应的进行,其中在THF中,反应产率最高,79%。在调节反应底物配比中,当n(查尔酮):n(苯并三氮唑) = 1:1.1时,产率可以达到82%,增加和降低查尔酮的量都不能提高反应产率。而改变反应体系浓度(THF量为1 mL)时,反应产率最高。最后考察了反应时间对反应的影响,缩短反应时间会使产率降低,而延长反应时间并没有提高产物的产率。最终确定的最佳反应条件为:查尔酮(0.1 mmol)、苯并三氮唑(0.11 mmol)及50 wt% PW/MCM-41 (0.005 g)在THF (1.0 mL)中室温反应12 h。
在最优条件下研究了50 wt% PW/MCM-41催化不同查尔酮与苯并三氮唑的迈克加成反应(表2)。对于查尔酮,苯环上R1和R2不论是供电子还是吸电子取代基,反应都能得到很高的产率(Entries 1-13)。当R1或R2上的取代基为同一主族元素时,如F、Cl和Br,随着原子电负性的降低,原子半径的增大,反应活性逐渐降低(Entries 2-3,7-9);当R1是杂环取代基时,反应可以得到73%的产率(Entry 6);当2-萘醛制备的查尔酮参与此反应时,反应也可以得到很好的产率,87% (Entry 11)。最后,我们进行了反应放大量实验研究,所有反应物均放大到克级,反应产率没有明显变化(entry14)。
介孔分子筛属于非均相催化剂,其最大特点就是能够重复再利用。在对PM/MCM-41催化剂进行催化循环实验考察中,从表3结果所示,催化剂在前三次的循环实验中催化活性保持很好,但从循环第四次实验就有明显的失活,循环到六次时,反应只能得到34%的产率。导致产率急剧下降的原因可能是由于有机溶剂THF能够溶解一部分磷钨酸,使介孔分子筛的孔道空间变大,催化剂的活性位点减少造成的。
Entry | Cat. | Solvent | t/h | Yieldb/% |
---|---|---|---|---|
1 | None | H2O | 12 | - |
2 | MCM-41 | H2O | 12 | - |
3 | PW | H2O | 12 | 15 |
4 | PM | H2O | 12 | 10 |
5 | 20 wt% PW/MCM-41 | H2O | 12 | 25 |
6 | 50 wt% PW/MCM-41 | H2O | 12 | 36 |
7 | 60 wt% PW/MCM-41 | H2O | 12 | 36 |
8 | 70 wt% PW/MCM-41 | H2O | 12 | 29 |
9 | 80 wt% PW/MCM-41 | H2O | 12 | 30 |
10 | 50 wt% PM/MCM-41 | H2O | 12 | 25 |
11 | 50 wt% PW/MCM-41 | CH2Cl2 | 12 | 10 |
12 | 50 wt% PW/MCM-41 | CH3OH | 12 | trace |
13 | 50 wt% PW/MCM-41 | THF | 12 | 79 |
14 | 50 wt% PW/MCM-41 | Et2O | 12 | 76 |
15 | 50 wt% PW/MCM-41 | toluene | 12 | - |
16 | 50 wt% PW/MCM-41 | AcOEt | 12 | - |
17 c | 50 wt% PW/MCM-41 | THF | 12 | 82 |
18 d | 50 wt% PW/MCM-41 | THF | 12 | 86 |
19 | 50 wt% PW/MCM-41 | THF | 6 | 56 |
20 | 50 wt% PW/MCM-41 | THF | 24 | 87 |
表1. 不同反应条件的优化a
a反应条件:查尔酮1 (0.10 mmol),苯并三氮唑2a (0.10 mmol),0.005 g催化剂在0.5 mL溶剂中室温反应。b柱层析产率。cn(查尔酮):n(苯并三氮唑) = 1:1.1。dTHF (1 mL)。
Entry | R1 | R2 | Product | Yieldb/% |
---|---|---|---|---|
1 | Ph | Ph | 3a | 86 |
2 | p-Cl-C6H4 | Ph | 3b | 94 |
3 | p-Br-C6H4 | Ph | 3c | 90 |
4 | p-CH3-C6H4 | Ph | 3d | 94 |
5 | p-CH3O-C6H4 | Ph | 3e | 86 |
6 | 2-furyl | Ph | 3f | 73 |
7 | Ph | p-F-C6H4 | 3g | 98 |
8 | Ph | p-Cl-C6H4 | 3h | 92 |
9 | Ph | p-Br-C6H4 | 3i | 89 |
10 | Ph | p-CH3O-C6H4 | 3j | 85 |
11 | Ph | 2-naphthyl | 3k | 87 |
12 | p-CH3O-C6H4 | p-Cl-C6H4 | 3l | 79 |
13 | p-Cl-C6H4 | p-CH3O-C6H4 | 3m | 82 |
14c | Ph | Ph | 3a | 85 |
表2. PWA/MCM-41催化氮杂迈克加成反应a
a反应条件:查尔酮1 (0.10 mmol),苯并三氮唑2a (0.11 mmol),0.005 g催化剂在溶剂THF中室温反应。b柱层析产率。c反应规模扩大100倍。
Reuse | 1 st | 2 nd | 3 rd | 4 th | 5 th | 6th |
---|---|---|---|---|---|---|
Yieldb/% | 86 | 80 | 78 | 63 | 44 | 34 |
表3. PMA/MCM-41的重复使用性a
a反应条件:查尔酮1 (0.10 mmol),苯并三氮唑2a (0.11 mmol),0.005 g催化剂在溶剂THF中室温反应。b柱层析产率。
Scheme 2. Proposed reaction mechanism for the reaction
图2. 反应可能机理
我们对MCM-41固载杂多酸催化有机反应的研究中发现 [
本文利用介孔分子筛MCM-41固载杂多酸作为催化剂,有效催化了苯并三氮唑和查尔酮的氮杂迈克加成反应。通过反应条件优化,发现MCM-41固载50 wt%负载量的磷钨酸时,能够得到良好的收率,最高可达98%。最后,我们考察了催化剂的回收再利用,发现催化剂具有一定的循环再催化效果。
国家自然科学基金(Nos. 21362036, 21161026)。
杨敬辉,邢刘庄,谢绍雷,邢雪建,侯亚东,吴 阳,惠永海. 介孔分子筛MCM-41固载磷钨酸催化苯并三氮唑与查尔酮的氮杂迈克加成反应研究Aza-Michael Addition of Chalcone with Benzotriazole Catalyzed by MCM-41 Immobilized H3PW12O40[J]. 有机化学研究, 2017, 05(02): 107-113. http://dx.doi.org/10.12677/JOCR.2017.52014