室溫下分子篩固載氟化鉀催化的Knoevenagel縮合反應(yīng)

章建東，孫 輝，姜文清，李亞紅

(蘇州大學(xué) 材料與化學(xué)化工學(xué)部，江蘇 蘇州 215123)

Knoevenagel縮合反應(yīng)通常是活潑亞甲基化合物在堿(如伯、仲、叔胺或相應(yīng)的季銨鹽和氨基酸)作用下失去質(zhì)子產(chǎn)生碳負(fù)離子中間體，然后與羰基化合物進(jìn)行的親核反應(yīng)，是合成功能性烯烴及其衍生物的重要方法[1-2]，也是有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的一個(gè)基本合成實(shí)驗(yàn)，如合成香豆素及其衍生物[3]、肉桂酸及其衍生物等[4-5]。目前也有其改進(jìn)方法，如香豆素-3-甲酸乙酯的簡(jiǎn)便合成方法[6]、超聲波輻射法合成肉桂酸等[7]。近十幾年來(lái)，對(duì)Knoevenagel縮合反應(yīng)的研究也有了一些新的成果，如用尿素[8]、Zn(OAc)22H2O[9-10]、磷酸氫二銨[11]、Na2S/Al2O3[12]、HAP[13]、磺酸鹽[14]、氨基酸[15]、離子液體[16-17]等催化劑催化芳醛與丙二腈或氰乙酸乙酯的縮合反應(yīng)，這些對(duì)傳統(tǒng)方法有很好的改進(jìn)，但有的需加熱，有的需用毒性較大的溶劑如二氯甲烷，有的產(chǎn)率不高，有的催化劑制備繁瑣或不能重復(fù)使用等，所以尋找一種更為綠色的反應(yīng)條件來(lái)實(shí)現(xiàn)此類化合物的高效合成是很有意義的探索。

我們用自制分子篩固載氟化鉀(簡(jiǎn)寫為KF/MS)作催化劑，催化芳香醛與丙二腈或氰乙酸乙酯的Knoevenagel縮合反應(yīng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該催化劑對(duì)該反應(yīng)具有很高的選擇性和催化活性，反應(yīng)不需要苛刻的反應(yīng)條件，如不需要加熱、氮?dú)獗Ｗo(hù)等。優(yōu)點(diǎn)在于：室溫下的反應(yīng)條件經(jīng)濟(jì)、安全并且環(huán)保，實(shí)驗(yàn)過(guò)程、產(chǎn)品處理操作簡(jiǎn)單，產(chǎn)品無(wú)需重結(jié)晶且純度好、產(chǎn)率高，而且溶劑和催化劑可以循環(huán)使用，是一種真正意義上的“清潔生產(chǎn)”。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 儀器與試劑

儀器：MagNa-IR550型傅里葉紅外光譜儀，Waters-1525型高效液相色譜儀，X-6顯微熔點(diǎn)測(cè)定儀及常規(guī)合成儀器。

藥品：氟化鉀，3A分子篩，丙二腈，氰乙酸乙酯，苯甲醛，對(duì)氟苯甲醛，鄰氯苯甲醛，對(duì)氯苯甲醛，2,4-二氯苯甲醛，間溴苯甲醛，間硝基苯甲醛，對(duì)硝基苯甲醛，對(duì)甲基苯甲醛，對(duì)甲氧基苯甲醛，對(duì)羥基苯甲醛，95%乙醇，乙酸乙酯和石油醚(60～90 ℃)等。所用試劑均為市售分析純或化學(xué)純，液體芳醛使用前均需純化處理。

1.2 催化劑(KF/MS)制備

將34 g的KF·2H2O溶于80 mL蒸餾水中，再加入30 g碾成粉末狀的3 A分子篩，混合物在65～75 ℃下攪拌1 h，然后減壓蒸去水分，混合物在120 ℃下烘4 h至固體物成粉狀物，置于干燥器中備用[18]。

1.3 KF/MS催化的Knoevenagel縮合反應(yīng)

KF/MS催化的Knoevenagel縮合反應(yīng):

圖1 芳香醛和丙二腈或氰乙酸乙酯的Knoevenagel縮合反應(yīng)

在25 mL圓底燒瓶中，稱取一定量的芳香醛、丙二腈或氰乙酸乙酯和KF/MS，加入5～8 mL乙酸乙酯，室溫下攪拌，用TLC(薄層色譜法)跟蹤反應(yīng)進(jìn)程(展開劑為石油醚和乙酸乙酯，體積比為7∶3)。反應(yīng)結(jié)束后加入5 mL乙酸乙酯加熱使產(chǎn)品溶解，趁熱過(guò)濾，催化劑再用溫?zé)岬囊宜嵋阴ハ礈熘翢o(wú)色，蒸去乙酸乙酯，粗產(chǎn)物用溫?zé)岬?5%乙醇洗滌得到產(chǎn)品。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的催化劑、溶劑均要回收。

2 結(jié)果與討論

2.1 原料物質(zhì)的量之比對(duì)產(chǎn)率的影響

以苯甲醛和丙二腈的縮合反應(yīng)為例，考察了其物質(zhì)的量n之比對(duì)產(chǎn)率的影響。實(shí)驗(yàn)條件為：5 mmol苯甲醛、0.30 g催化劑(含KF約0.1 g)和一定量的丙二腈，加入5 mL乙酸乙酯，室溫下攪拌，TLC跟蹤反應(yīng)進(jìn)程，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 原料物質(zhì)的量之比對(duì)產(chǎn)率的影響

由表1可知，隨著物質(zhì)的量之比的變化產(chǎn)率也變化，按照經(jīng)濟(jì)的原則，本文選擇苯甲醛與丙二腈物質(zhì)的量之比為5.0∶5.5。

2.2 催化劑的量對(duì)產(chǎn)率的影響

同樣以苯甲醛和丙二腈反應(yīng)為例，考察催化劑的量對(duì)產(chǎn)率的影響。實(shí)驗(yàn)條件：稱取5 mmol苯甲醛、5.5 mmol丙二腈和一定量的催化劑，加入5 mL乙酸乙酯，室溫下攪拌，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 催化劑的量對(duì)產(chǎn)率的影響

由表2可知，隨著催化劑用量增加產(chǎn)率先增加，用量為0.30 g時(shí)產(chǎn)率最高，再增加用量產(chǎn)率下降，這可能是反應(yīng)體系中堿的量增加而發(fā)生了副反應(yīng)導(dǎo)致產(chǎn)率下降，因此，本實(shí)驗(yàn)催化劑的用量以0.30 g為宜。

2.3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)原料物質(zhì)的量之比和催化劑的量對(duì)產(chǎn)率的影響的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，確立本實(shí)驗(yàn)優(yōu)化的反應(yīng)條件為：5 mmol芳香醛、5.5 mmol丙二腈或氰乙酸乙酯和0.30 g催化劑，以乙酸乙酯為溶劑于室溫下攪拌。為了驗(yàn)證所選定的條件，進(jìn)行了5組驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)以確定其準(zhǔn)確性和可重復(fù)性。以對(duì)氯苯甲醛與氰乙酸乙酯為底物的模塊反應(yīng)為例，反應(yīng)瓶中加入0.30 g催化劑、8 mL乙酸乙酯，TLC跟蹤反應(yīng)進(jìn)程(確定反應(yīng)時(shí)間為130 min)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果

從表3可知，實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性和可重復(fù)性較好，5組實(shí)驗(yàn)的產(chǎn)率的差異不大，表明我們選擇的實(shí)驗(yàn)條件較適宜。

2.4 催化劑循環(huán)使用次數(shù)對(duì)產(chǎn)率的影響

以對(duì)氯苯甲醛和氰乙酸乙酯為底物的模塊反應(yīng)為例，將上個(gè)實(shí)驗(yàn)中用過(guò)的催化劑回收后置于烘箱中120 ℃活化0.5 h后用于下一個(gè)實(shí)驗(yàn)，在上述優(yōu)化條件下，循環(huán)使用，反應(yīng)130 min，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4 催化劑循環(huán)使用次數(shù)對(duì)產(chǎn)率的影響

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，固體堿催化劑KF/MS使用后只要經(jīng)簡(jiǎn)單的活化處理即可基本恢復(fù)其催化活性，經(jīng)過(guò)7次縮合反應(yīng)后催化劑活性略有下降，但仍達(dá)93%，該催化劑對(duì)本實(shí)驗(yàn)有良好的催化性能和重復(fù)使用性。

2.5 芳香醛和丙二腈或氰乙酸乙酯的縮合反應(yīng)

在優(yōu)化條件下，通過(guò)改變芳香醛上的取代基合成了一系列縮合產(chǎn)物。反應(yīng)時(shí)間、產(chǎn)率、熔點(diǎn)和紅外主要數(shù)據(jù)見表5。

表5 Knoevenagel縮合反應(yīng)的反應(yīng)時(shí)間、產(chǎn)率、熔點(diǎn)和紅外數(shù)據(jù)

從表5可以得出：

(1) 無(wú)論是連有供電子基的芳香醛還是吸電子基的芳醛都可以與丙二腈或氰乙酸乙酯順利進(jìn)行縮合反應(yīng)；(2) 芳基上的取代基對(duì)反應(yīng)產(chǎn)率的影響不明顯，但對(duì)反應(yīng)時(shí)間有明顯的影響，芳基上的取代基為吸電子基的比供電子基的反應(yīng)速度快，所需時(shí)間少，例如3c與3b、3m與3o；(3) —CN的吸電性較—CO2C2H5強(qiáng)，因此丙二腈比氰基乙酸乙酯的反應(yīng)活性高，這也可以從表5中同一種芳醛與丙二腈、氰基乙酸乙酯的不同反應(yīng)時(shí)間得到證實(shí)，例如，產(chǎn)物3p的反應(yīng)需要120 min才能完成，而產(chǎn)物3f的反應(yīng)在60 min就可以完成；(4) 芳基上同為吸電子基的如硝基的吸電子性強(qiáng)于氯基，故有硝基苯甲醛反應(yīng)性強(qiáng)于氯基苯甲醛，羥基的供電子性強(qiáng)于甲氧基，因此對(duì)羥基苯甲醛反應(yīng)性次于對(duì)甲氧基苯甲醛；(5) 芳基上取代基的空間位阻也有影響，鄰位比對(duì)位空間位阻大，如鄰氯苯甲醛比對(duì)氯苯甲醛反應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)，而芳基上有2個(gè)氯取代的2,4-二氯苯甲醛的反應(yīng)時(shí)間要更長(zhǎng)些。

所合成的20個(gè)產(chǎn)物的紅外光譜主要數(shù)據(jù)與文獻(xiàn)[8]、[9]、[11]報(bào)道的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相吻合。

3 結(jié)論

(1) 本實(shí)驗(yàn)優(yōu)化的條件為：5 mmol芳香醛、5.5 mmol丙二腈或氰乙酸乙酯、0.30 g KF/MS，乙酸乙酯為溶劑室溫下反應(yīng)45～300 min，合成的20個(gè)目標(biāo)產(chǎn)物的產(chǎn)率為87%～99%。

(2) KF/MS催化劑具有價(jià)廉易得、對(duì)環(huán)境污染小、易回收并能重復(fù)使用、實(shí)驗(yàn)條件溫和、后處理簡(jiǎn)單、產(chǎn)率和選擇性高等優(yōu)點(diǎn)，克服了傳統(tǒng)堿催化污染環(huán)境、催化劑不易回收、反應(yīng)條件苛刻和后處理繁雜等缺點(diǎn)，改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)綠色、易操作，對(duì)工業(yè)生產(chǎn)及實(shí)驗(yàn)教學(xué)有積極的意義。

[1] 齊立權(quán).基礎(chǔ)有機(jī)化學(xué)人名反應(yīng)100例[M].沈陽(yáng): 遼寧大學(xué)出版社,1990.

[2] 邢其毅,徐瑞秋,周政,等.基礎(chǔ)有機(jī)化學(xué)[M].3版.北京:高等教育出版社,1993.

[3] 麥祿根.有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)[M].上海: 華東師范大學(xué)出版社,2000.

[4] 周建峰.有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)[M].上海: 華東理工大學(xué)出版社,2002.

[5] 關(guān)燁第,葛樹豐,李翠娟,等.小量-半微量有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)[M].北京: 北京大學(xué)出版社,1999.

[6] 張馳,杜娟.香豆素-3-甲酸乙酯的簡(jiǎn)便合成方法[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2010,27(6):43-44,67.

[7] 孫淑琴,李英俊,張治廣,等.超聲波輻射法合成α-呋喃丙烯酸[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2007,26(7):43-45.

[8] Sun Q,Shi L X,Ge Z M,et al.An Efficient and Green Procedure for the Knoevenagel Condensation Catalyzed by Urea[J].Chin J Chem,2005,23(6):745-748.

[9] 劉雄偉,姜恒,宮紅.室溫?zé)o溶劑條件下醋酸鋅催化的Knoevenagel縮合反應(yīng)[J].有機(jī)化學(xué),2007,27(1):131-133.

[10] 黃強(qiáng),張樹波.羰基化合物縮合反應(yīng)的綠色研究[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2008,25(5):64-67.

[11] 吳長(zhǎng)增,胡先明.水相中磷酸氫二銨催化Knoevenagel反應(yīng)[J].化學(xué)研究與應(yīng)用,2008,20(1):84-86.

[12] Heravi M M,Bakhtiari K,Taheri S,et al.A Straightforward Method for the Synthesis of Functionalized Trisubstituted Alkenes through Na2S/Al2O3Catalyzed Knoevenagel Condensation[J].J Chin Chem Soc,2007,54(6):1557-1560.

[13] Sebti S,Tahir R,Nazih R,et al.Hydroxyapatite as a new solid support for the Knoevenagel reaction in heterogeneous media without solvent[J].App Catal A: General,2002(228)155-159.

[14] Wen X M.Polymeric sulfonate of piperazine as an inexpensive and recyclable catalyst for Knoevenagel condensation[J].Ind J chem,2006,45B:762-765.

[15] Liu Y,Liang J,Shang Z C,et al.Polyethylene glycol (PEG) as a benign solvent for Knoevenagel condensation[J].Chin Chem Lett,2008,19:1043-1046.

[16] 厲嘉云,彭家建,邱化玉,等.離子液體功能化二氧化硅催化Knoevenagel反應(yīng)[J].有機(jī)化學(xué),2007,27(4):483-487.

[17] Fang D,Fei Z H,Liu Z L.The Knoevenagel reaction in water catalyzed by zwitterionic liquids[J].Mon Chem,2008,139:799-803.

[18] 陸新華,鄒建平,姜文清,等.二芐叉丙酮制備實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)[J].實(shí)驗(yàn)室科學(xué),2009,12(6):68-70.