離子液體中Sc(OTf)3催化下苯并[f]喹啉-1,2-二羧酸酯的合成

張梅梅, 馬 寧, 魏志文, 王香善

(江蘇師范大學 江蘇省藥用植物生物技術重點實驗室,江蘇 徐州 221116)

離子液體作為一種新興的綠色溶劑，由于其具有蒸氣壓低、毒性小、熱穩(wěn)定性好、不燃燒和爆炸、溶解性能獨特、反應產(chǎn)物分離簡單等優(yōu)點[1-2],并且可以循環(huán)使用,對環(huán)境友好,越來越多地被用作多類有機反應介質[3],如Friedel-Crafts烷基化、氫化反應、Heck反應、Suzuki偶聯(lián)反應、Biginelli反應、Beckmann重排和Pechmann反應．喹啉類化合物是一類具有藥理活性的雜環(huán)化合物,很多含有喹啉骨架的化合物可以用來治療雌性激素紊亂；還具有抗菌活性,可以作為抗高血壓藥和乙酰膽堿酯酶抑制劑[4-5]；苯并[f]喹啉及其衍生物還能抑制葡萄糖醛酸轉移酶活性[6-7].因此,苯并[f]喹啉類衍生物的合成在有機化學中受到人們的廣泛關注．Sc(OTf)3作為一種新型的Lewis酸催化劑,在很多有機反應中具有很好的催化效果[8-10]．近幾年,我們課題組一直從事綠色化學相關的研究[11-15],給雜環(huán)類化合物的合成提供了環(huán)境友好的綠色方法．本文用離子液體[BMIm]Br 作為反應介質,在Sc(OTf)3催化下,將芳醛(1)、2-萘胺(2)和丁炔二酸酯(3)反應,即可較高產(chǎn)率地得到一系列3-芳基苯并[f]喹啉-1,2-二羧酸酯衍生物(4)．反應方程式如下:

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1 實驗部分

1.1 儀器及試劑

熔點使用XT-5型數(shù)字熔點儀測定(溫度計未校正);紅外光譜采用TENSOR 27型紅外光譜儀測定(KBr壓片);核磁共振氫譜采用Bruker AVANCE DPX-400型核磁共振儀測定,DMSO-d6為溶劑,TMS為內標;HRMS分析在Bruker-micro-TOF-Q-MS分析儀上測定;TLC檢測采用上海安亭ZF-2三用紫外儀.苯甲醛、2-萘胺和Sc(OTf)3等均為市售的分析純試劑．

1.2 4的合成

50 ml干燥的圓底燒瓶中加入1(2.0 mmol),2(2.0 mmol,0.288 g),3(2.1 mmol),Sc(OTf)3(0.010 g,0.02 mmol)和[BMIm]Br(2.0 ml),80 ℃攪拌反應10～16 h,TLC 跟蹤至反應完全．反應結束后,向反應體系中加入5 ml水,析出固體,過濾即為粗產(chǎn)物,用95%乙醇重結晶得產(chǎn)物4.結果見表1．

表1 離子液體中化合物4的合成結果

產(chǎn)物的結構表征如下：

4a mp:199～200 ℃.1HNMRδ:2.41(s，3H，CH3)，3.74(s，3H，CH3O)，4.07(s，3H，CH3O)，7.36(d，J=8.0 Hz，2H，ArH)，7.57(d，J=8.0 Hz，2H，ArH)，7.80～7.83(m，3H，ArH)，8.03～8.06(m，2H，ArH)，8.36(d，J=8.4 Hz，1H，ArH).IRν: 3011,2953,1749,1716,1549,1508,1449,1435,1387,1368,1328,1274,1239,1196,1126,1115,1063,1005,891,834,760 cm-1.HRMSm/z：C24H20NO4[M+H]+，計算值，386.1392;實測值，386.1398.

4b mp: 186～187 ℃.1HNMRδ:3.76(s，3H，CH3O)，4.07(s，3H，CH3O)，6.15(s，2H，CH2)，7.07～7.12(m，2H，ArH)，7.25(dd，J=1.6 Hz，J′=0.4 Hz，1H，ArH)，7.80～7.82(m，2H，ArH)，8.02(d，J=9.2 Hz，1H，ArH)，8.17～8.19(m，2H，ArH)，8.31(d，J=9.2 Hz，1H，ArH).IRν: 2953，2893，1732，1545，1506，1479，1442，1371，1254，1225，1161，1115，1033，993，933，845，758 cm-1.HRMSm/z：C24H18NO6[M+H]+，計算值，416.1134;實測值，416.1141.

4c mp: 163～165 ℃.1HNMRδ:3.63(s，3H，CH3)，4.08(s，3H，CH3)，7.49～7.54(m，3H，ArH)，7.60～7.62(m，1H，ArH)，7.84～7.87(m，1H，ArH)，8.03(d，J=8.8 Hz，1H，ArH)，8.21～8.25(m，2H，ArH)，8.37(d，J=8.8 Hz，1H，ArH).IRν:2949，1740，1722，1508，1456，1435，1388，1374，1330，1312，1278，1261，1240，1211，1128，1002，837，754，747 cm-1.HRMSm/z：C23H17ClNO4[M+H]+，計算值，406.0846;實測值，406.0861.

4d mp: 166～167 ℃.1HNMRδ:3.75(s，3H，CH3O)，4.10(s，3H，CH3O)，7.84～7.86(m，2H，ArH)，7.92(d，J=8.8 Hz，2H，ArH)，8.20～8.24(m，2H，ArH)，8.37(d，J=8.8 Hz，1H，ArH)，8.41(d，J=8.8 Hz，2H，ArH).IRν: 2952，1732，1710，1603，1549，1523，1515，1441，1344，1312，1251，1209，1126，1115，1065，995，877，865，846，747，703 cm-1.HRMSm/z：C23H17N2O6[M+H]+，計算值，417.1087;實測值，417.1096.

4e mp: 120～121 ℃.1HNMRδ:3.74(s，3H，CH3O)，4.08(s，3H，CH3O)，7.38～7.46(m，2H，ArH)，7.49～7.52(m，1H，ArH)，7.82～7.86(m，2H，ArH)，8.06(d，J=9.2 Hz，1H，ArH)，8.19～8.21(m，2H，ArH)，8.35(d，J=8.8 Hz，1H，ArH).IRν: 3013，2957，1750，1724，1585，1548，1489，1438，1386，1308，1278，1240，1209，1192，1172，1108，1003，842，762 cm-1.HRMSm/z：C23H17FNO4[M+H]+，計算值，390.1142;實測值，390.1153.

4f mp: 167～168 ℃.1HNMRδ:3.74(s，3H，CH3O)，4.08(s，3H，CH3O)，7.50～7.54(m，1H，ArH)，7.61(d，J=7.6 Hz，1H，ArH)，7.76(d，J=8.0 Hz，1H，ArH).7.75～7.86(m，3H，ArH)，8.07(d，J=8.8 Hz，1H，ArH)，8.19～8.22(m，2H，ArH)，8.35(d，J=9.2 Hz，1H，ArH).IRν: 3055，2955，1731，1594，1560，1547，1480，1439，1413，1372，1310，1250，1127，1074，997，964，869，844，800，754，702 cm-1.HRMSm/z：C23H16BrNO4Na[M+Na]+，計算值，472.0160;實測值，472.0179.

4g mp: 198～199 ℃.1HNMRδ:3.76(s，3H，CH3O)，4.08(s，3H，CH3O)，7.61(d，J=8.4 Hz，2H，ArH)，7.77(d，J=8.4 Hz，2H，ArH).7.82～7.84(m，2H，ArH)，8.05(d，J=9.2 Hz，1H，ArH)，8.19～8.22(m，2H，ArH)，8.34(d，J=8.8 Hz，1H，ArH).IRν: 3044，2952，1743，1722，1681，1587，1428，1399，1321，1296，1278，1239，1178，1127，1069，1012，932，851，758 cm-1.HRMSm/z：C23H17BrNO4[M+H]+，計算值，450.0341;實測值，450.0364.

4h mp: 99～100 ℃.1HNMRδ:1.00(t，J=7.2 Hz，3H，CH3)，1.35(t，J=7.2 Hz，3H，CH3)，4.13(t，J=7.2 Hz，2H，CH2)，4.57(q，J=7.2 Hz，2H，CH2)，7.34～7.41(m，2H，ArH)，7.57～7.63(m，2H，ArH)，7.83～7.86(m，2H，ArH)，8.05(d，J=8.8 Hz，1H，ArH)，8.20～8.22(m，1H，ArH)，8.31～8.33(m，1H，ArH)，8.36(d，J=9.2 Hz，1H，ArH).IRν: 2981，2937，1732，1550，1491，1458，1447，1396，1385，1280，1236，1208，1129，1101，1107，835，770 cm-1.HRMSm/z：C25H20FNO4Na[M+Na]+，計算值，440.1274;實測值，440.1294.

4i mp: 130～131 ℃.1HNMRδ:1.07(t，J=7.2 Hz，3H，CH3)，1.35(t，J=7.2 Hz，3H，CH3)，4.19(q，J=7.2 Hz，2H，CH2)，4.56(q，J=7.2 Hz，2H，CH2)，7.58～7.64(m，3H，ArH)，7.70(s，1H，ArH)，7.82～7.84(m，2H，ArH)，8.06(d，J=8.8 Hz，1H，ArH)，8.19～8.22(m，1H，ArH)，8.28～8.30(m，1H，ArH)，8.35(d，J=8.8 Hz，1H，ArH).IRν:2983，1721，1573，1548，1474，1449，1421，1384，1372，1327，1308，1269，1229，1209，1147，1113，1064，1023，858，833，802，783，747，721，698 cm-1.HRMSm/z：C25H21ClNO4[M+H]+，計算值，434.1159;實測值，434.1185.

4j mp: 157～158 ℃.1HNMRδ:1.10(t，J=7.2 Hz，3H，CH3)，1.35(t，J=7.2 Hz，3H，CH3)，4.22(q，J=7.2 Hz，2H，CH2)，4.57(q，J=7.2 Hz，2H，CH2)，7.62(dd，J=8.0 Hz，J′=2.0 Hz，1H，ArH)，7.82～7.84(m，2H，ArH)，7.90(d，J=2.0 Hz，1H，ArH)，8.05(d，J=8.8 Hz，1H，ArH)，8.18～8.21(m，1H，ArH)，8.27～8.30(m，1H，ArH)，8.34(d，J=9.2 Hz，1H，ArH).IRν:2977，2936，2901，1741，1719，1544，1471，1449，1404，1372，1326，1306，1275，1260，1228，1148，1121，1064，1023，859，833，822，749 cm-1.HRMSm/z：C25H19Cl2NO4Na[M+Na]+，計算值，490.0589;實測值，490.0598.

4k mp: 146～147 ℃.1HNMRδ:1.08(t，J=7.2 Hz，3H，CH3)，1.35(t，J=7.2 Hz，3H，CH3)，4.20(q，J=7.2 Hz，2H，CH2)，4.57(q，J=7.2 Hz，2H，CH2)，7.50～7.54(m，1H，ArH)，7.64(d，J=7.6 Hz，1H，ArH)，7.77(d，J=8.8 Hz，1H，ArH)，7.82～7.84(m，3H，ArH)，8.06(d，J=8.8 Hz，1H，ArH)，8.19～8.20(m，1H，ArH)，8.28～8.30(m，1H，ArH)，8.34(d，J=8.8 Hz，1H，ArH).IRν: 3065，2982，2940，2902，1720，1569，1547，1475，1449，1423，1383，1372，1327，1308，1270，1231，1209，1112，1065，1022，858，833，801，746，698 cm-1.HRMSm/z：C25H20BrNO4Na[M+Na]+，計算值，500.0473;實測值，500.0496.

4l mp: 131～132 ℃.1HNMRδ:1.07(t，J=7.2 Hz，3H，CH3)，1.35(t，J=7.2 Hz，3H，CH3)，4.18(q，J=7.2 Hz，2H，CH2)，4.56(q，J=7.2 Hz，2H，CH2)，7.40(t，J=8.8 Hz 2H，ArH)，7.68～7.72(m，2H，ArH)，7.81～7.83(m，2H，ArH)，8.04(d，J=8.8 Hz，1H，ArH)，8.18～8.21(m，1H，ArH)，8.27～8.29(m，1H，ArH)，8.33(d，J=9.2 Hz，1H，ArH).IRν: 3045，2983，2940，2899，1732，1603，1550，1511，1459，1450，1385，1375，1272，1239，1197，1160，1113，1016，855，834，751 cm-1.HRMSm/z：C25H21FNO4[M+H]+，計算值，418.1455;實測值，418.1465.

4m mp: 126～127 ℃.1HNMRδ:1.07(t，J=7.2 Hz，3H，CH3)，1.35(t，J=7.2 Hz，3H，CH3)，4.19(q，J=7.2 Hz，2H，CH2)，4.56(q，J=7.2 Hz，2H，CH2)，7.63(d，J=8.4 Hz 2H，ArH)，7.67(d，J=8.4 Hz，2H，ArH)，7.81～7.84(m，2H，ArH)，8.04(d，J=9.2 Hz，1H，ArH)，8.18～8.20(m，1H，ArH)，8.27～8.29(m，1H，ArH)，8.33(d，J=9.2 Hz，1H，ArH).IRν: 2981，2939，2898，1732，1549，1451，1406，1384，1297，1272，1236，1197，1127，1110，1092，1066，1013，851，834 cm-1.HRMSm/z：C25H21ClNO4[M+H]+，計算值，434.1159;實測值，434.1170.

4n mp: 128～129 ℃.1HNMRδ:1.07(t，J=7.2 Hz，3H，CH3)，1.43(t，J=7.2 Hz，3H，CH3)，2.43(s，3H，CH3)，4.19(q，J=7.2 Hz，2H，CH2)，4.59(q，J=7.2 Hz 2H，CH2)，7.29(d，J=8.0 Hz，2H，ArH)，7.60(d，J=8.0 Hz，2H，ArH)，7.64～7.69(m，2H，ArH)，7.97(d，J=7.6 Hz，1H，ArH)，8.03～8.06(m，2H，ArH)，8.36(d，J=8.4 Hz，1H，ArH).IRν: 2981，1733，1723，1548，1450，1385，1374，1271，1237，1197，1126，1113，1068，1018，857，834，828，749 cm-1.HRMSm/z：C26H24NO4[M+H]+，計算值，414.1705;實測值，414.1723.

2 結果與討論

以4-甲基苯甲醛、2-萘胺和丁炔二酸二甲酯為模型,采用單因素法對催化劑用量、反應溫度、催化劑種類及不同種類的反應介質等反應條件進行篩選和優(yōu)化．

2.1 催化劑摩爾分數(shù)對產(chǎn)物收率的影響

在其它條件不變的情況下，改變Sc(OTf)3的摩爾分數(shù)，研究催化劑摩爾分數(shù)對產(chǎn)物收率的影響．研究表明,不加催化劑,反應不發(fā)生;當加入Sc(OTf)3的摩爾分數(shù)為1%和10%時，產(chǎn)物4a收率較高，結果見表2．因此,本實驗采用催化劑的摩爾分數(shù)為1%．

表2 Sc(OTf)3 的摩爾分數(shù)對產(chǎn)物4a 收率的影響

2.2 反應溫度對產(chǎn)物收率的影響

在其它條件不變的情況下,改變反應溫度，研究不同溫度對產(chǎn)物收率的影響．結果表明,室溫時反應基本不能進行,反應溫度為80 ℃時4a的收率最高,可達90%，結果見表3．因此,后續(xù)相關實驗都在80 ℃下進行．

表3 反應溫度對產(chǎn)物4a收率的影響

2.3 催化劑對產(chǎn)物收率的影響

在其它條件相同時,研究不同催化劑對產(chǎn)物收率的影響，發(fā)現(xiàn)不同金屬催化劑的催化能力有較大差別,對產(chǎn)物收率影響很大，其中Sc(OTf)3催化效果最好,產(chǎn)物收率達90%,Cu(OTf)2對該反應的催化能力最差,產(chǎn)物收率只有65%，結果見表4．因此,本實驗采用Sc(OTf)3為催化劑．

表4 不同催化劑對產(chǎn)物4a收率的影響

2.4 反應介質對產(chǎn)物收率的影響

在其它條件相同時,使用不同種類的離子液體作為反應介質進行實驗,并以有機溶劑THF為對照,對比研究不同反應介質對產(chǎn)物收率的影響,發(fā)現(xiàn)[BMIm]Br效果最好,產(chǎn)物收率達90%．而以有機溶劑THF作為反應介質,4a的收率比在離子液體中要低很多．結果見表5.因此實驗以離子液體[BMIm]Br作為反應介質．

表5 反應介質對產(chǎn)物4a收率的影響

由以上分析可知，該三組分反應在離子液體中的最佳反應條件為:[BMIm]Br為反應介質,摩爾分數(shù)為1%的Sc(OTf)3為催化劑,反應溫度為80 ℃．

根據(jù)篩選出的最佳反應條件,通過改變芳醛,分別與2-萘胺、丁炔二酸二甲酯或丁炔二酸二乙酯反應,合成了一系列3-芳基苯并[f]喹啉-1,2-二羧酸酯衍生物(表1)．由表1可知,無論原料1中苯環(huán)上含有吸電子基(硝基或鹵素),還是供電子基(烷基或烷氧基),化合物4均可獲得較高產(chǎn)率．另外無論取代基的位置在鄰位、間位還是對位,對反應的進行和產(chǎn)率,均沒有影響．

產(chǎn)物4的結構均經(jīng)過紅外、氫譜和高分辨質譜確證．以4a為例,紅外光譜在1749和1716 cm-1處，分子中出現(xiàn)兩個羰基的吸收峰,在1549,1508和1449 cm-1出現(xiàn)苯環(huán)的骨架振動吸收峰．在核磁共振氫譜中,在δ為2.41處檢測到分子中甲基的吸收峰;3.74和4.07處出現(xiàn)兩個單峰,是分子中甲氧基的吸收峰;7.36～8.36范圍內出現(xiàn)多重峰,積分數(shù)目為10,與4a中苯環(huán)上氫原子個數(shù)相吻合．在高分辨質譜中,檢測到精確的相對分子質量為386.1398,與C24H20NO4[M+H]+分子式的理論值(386.1392)非常吻合,相對偏差為1.6×10-6．

3 結論

在離子液體中以芳醛、2-萘胺和丁炔二酸酯為原料，Sc(OTf)3催化下能夠三組分一步高產(chǎn)率地合成3-芳基苯并[f]喹啉-1,2-二羧酸酯衍生物．與其它方法相比較,該方法具有反應條件溫和、產(chǎn)率較高、后處理方便、環(huán)境友好等優(yōu)點．并探討了催化劑的種類和用量、反應介質種類、反應溫度等因素對產(chǎn)物產(chǎn)率的影響,找到了最佳的反應條件,為這類化合物提供了簡便高效的綠色合成方法．

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