負載型蒙脫土催化蘆竹堿的微波合成*

吳　偉，吳小云，吳　江，尹曉剛，陳　卓(貴州師范大學化學與材料科學學院貴州省功能材料化學重點實驗室，貴州貴陽　550001)

?

負載型蒙脫土催化蘆竹堿的微波合成*

吳偉，吳小云，吳江，尹曉剛，陳卓
(貴州師范大學化學與材料科學學院貴州省功能材料化學重點實驗室，貴州貴陽550001)

摘要:以吲哚(1)、甲醛(2)和二甲胺(3)為原料，固載蒙脫土(MMT)/路易斯酸(L)為催化劑，通過微波輻射合成了蘆竹堿(4)，其結構經1H NMR確證。考察了MMT/L、反應溫度、反應時間、溶劑和物料比r［n(1)∶n(2)∶n(3)］對4產率的影響。結果表明:在最優(yōu)反應條件［甲醇為溶劑，MMT/ZnCl2為催化劑，MMT/ZnCl218 mg，1 1 mmol，r=1.0∶1.3∶1.3，于50℃反應10 min］下合成4，產率93.8%。MMT/ZnCl2循環(huán)使用3次，4產率60.0%關鍵詞:蒙脫土;路易斯酸;微波合成;蘆竹堿

蘆竹堿［N，N-二甲氨基-3-甲基吲哚(4)］是大麥等植物在進化過程中產生的一種具有化感作用的生物堿［1］。4具有良好的生物活性，如對蘩縷屬雜草有良好的抑制作用［2］，使昆蟲產生拒食性［3，4］，顯著殺滅大麥白粉病菌和作為海洋養(yǎng)殖物防污活性物質［5］等。此外，4還可與環(huán)氧樹脂復配為抗污染涂料［6］。以4及其類似物為主要成分的除草劑［7］、殺蟲劑和殺菌劑［8］等化學制劑具有高效、低毒、低抗性和低殘留等優(yōu)點，具有廣闊的應用前景。

微波技術在1986年由Gedye［9］首次應用于有機合成。微波合成可以縮短反應時間，降低能耗和有效提高反應收率［10］，符合“綠色化學”的要求［11－12］。

合成4使用的催化劑主要為冰醋酸和路易斯酸［12－13］。以冰醋酸為催化劑時，用量較大(250%)且分離困難;以ZnCl2為催化劑時，用量小(50%)，但產率偏低(75%)，用量提高至250%時，產率98%?，F有合成方法存在反應時間長、能耗高和催化劑用量大等缺點，亟需改進。

本文以吲哚(1)、甲醛(2)和二甲胺(3)為原料，固載蒙脫土(MMT)/路易斯酸(L)為催化劑，采用微波輻射法合成了4(Scheme 1)，其結構經1H NMR確證?？疾炝薓MT/ZnCl2、反應溫度、反應時間、溶劑和物料比r［n(1)∶n(2)∶n(3)］對4產率的影響。

Scheme 1

1　實驗部分

1.1儀器與試劑

AvanceⅢ400 MHz型核磁共振儀(CDCl3為溶劑，TMS為內標); NOVA型單模微波合成儀。

MMT/L，實驗室自制;其余所用試劑均為分析純。

1.2合成［15］

(1)MMT/L的合成(以MMT/ZnCl2為例)

在反應瓶中加入ZnCl25.44 g(40 mmol)和無水甲醇50 mL，攪拌使其溶解;加入MMT 10 g，于室溫攪拌1 h;減壓蒸除溶劑，于120℃活化4 h得灰色固體MMT/ZnCl2。

分別以NiCl2，CuCl2，FeCl3和AlCl3替代ZnCl2，用類似的方法合成MMT/NiCl2，MMT/CuCl2，MMT/FeCl3和MMT/AlCl3。

(2)4的合成

在微波反應儀中依次加入MMT/ZnCl218 mg，5℃的33% 3的水溶液0.2 mL，2 0.098 mL 和1 117.2 mg(1 mmol)，攪拌下于50℃反應10 min。冷卻至室溫，倒入約三倍體積的冰水中，用20%NaOH溶液調至pH＞13，用乙酸乙酯萃取，合并萃取液，減壓蒸除溶劑后用無水乙醇重結晶得白色固體4，產率93.8%，m.p.128℃～129 ℃;1H NMR δ:2.29(s，6H，CH3)，3.64(s，2H，CH2)，7.11～7.69(m，5H，ArH)，8.35(s， 1H，NH)。

2　結果與討論

2.1合成

為優(yōu)化反應條件，提高4產率，考察了MMT/L(a～e)、反應溫度、反應時間、溶劑和物料比r［n(1)∶n(2)∶n(3)］對4產率的影響。

(1)MMT/L

1 1 mmol，r=1.0∶1.0∶1.0，MMT/L 12 mg，以水為溶劑，于50℃微波反應10 min，其余反應條件同1.2(2)，考察MMT/L對4產率的影響，結果見表1。

表1　MMT/L對4產率的影響*Table 1　Effects of MMT/L on yield of 4

由表1可見，除以MMT/FeCl3為催化劑時，4的產率低于MMT外，其余MMT/L為催化劑時，4的產率均有所提高。其中，以MMT/ZnCl2為催化劑時，4的產率最高(66.8%)。其可能原因是:MMT/L較大的比表面積使得催化效率提高; MMT/FeCl3催化效果不佳的原因可能在于FeCl3氧化1的副反應導致4的產率下降。因此，選擇MMT/ZnCl2為催化劑。

1 1 mmol，以MMT/ZnCl2為催化劑，其余反應條件同2.1(1)，考察MMT/ZnCl2用量對4產率的影響，結果表明:MMT/ZnCl2用量為12 mg，18 mg和24 mg時，4的產率分別為71.1%，71.7%和71.8%。因此，MMT/ZnCl2的最佳用量為18 mg。

(2)溶劑

MMT/ZnCl20.15 mmol，于50℃微波反應10 min，其余反應條件同2.1(1)，考察溶劑對4產率的影響，結果見表2。由表2可見，溶劑極性對4產率影響較大;溶劑極性太大或太小，均不利于提高4產率;選用極性較大的質子性溶劑，如甲醇和乙醇，4產率分別為90.5%和89.8%。推測可能是極性較大的質子性溶劑有利于此曼尼希反應。因此，選擇甲醇為反應溶劑。

表2　溶劑對4產率的影響*Table 2　Effects of solvent on yield of 4

表3　r對4產率的影響*Table 3　Effects of r on yield of 4

表4　反應溫度和反應時間對4產率的影響*Table 4　Effects of reaction temperature and time on yield of 4

(3)r

1 1 mmol，MMT/ZnCl218 mg，以甲醇為溶劑，于50℃微波反應10 min，其余反應條件同2.1(1)，考察r對4產率的影響，結果見表3。由表3可見，隨著1和2增加，4產率提高;當r=1.0∶1.3∶1.3時，產率最高(93.8%)。因此，選擇r=1.0∶1.3∶1.3。

(4)反應溫度和反應時間

1 1 mmol，r=1.0∶1.3∶1.3，MMT/ZnCl218 mg，以甲醇為溶劑，其余反應條件同2.1(1)，考察反應溫度和反應時間對4產率的影響，結果見表4。由表4可見，反應時間相同時，4的產率隨溫度升高而提高(如No.2，No.7和No.9);超過50℃，產率下降。因此，選擇50℃為反應溫度。固定反應溫度為50℃，延長反應時間(No.3～No.7)，4的產率提高，但反應時間超過10 min，產率稍有下降(No.7)。其可能原因是:反應溫度過高和反應時間過長，1開始發(fā)生聚合等副反應。因此選擇反應時間為10 min。

綜上所述，合成4的最優(yōu)條件為:1 1 mmol，r=1.0∶1.3∶1.3，MMT/ZnCl218 mg，以甲醇為溶劑，于50℃微波反應10 min。

2.2循環(huán)性能

在最優(yōu)條件下考察MMT/ZnCl2的循環(huán)性能，結果見表5。由表5可見，隨著MMT/ZnCl2循環(huán)使用次數增加，4的產率逐漸降低; MMT/ZnCl2循環(huán)使用3次，4產率60.0%。這表明MMT/ZnCl2有一定循環(huán)性能。

表5　MMT/ZnCl2的循環(huán)性能*Table 5　Cycling performance of MMT/ZnCl2

2.3表征

由1H NMR分析可見，δ 2.29處特征峰為甲基的質子單峰;δ 3.64處特征峰為亞甲基的質子單峰;δ 7.11～7.69處特征峰為芳氫的質子單峰; δ 8.35處特征峰為氨基氫的質子單峰。

3　結論

以吲哚(1)、甲醛(2)和二甲胺(3)為原料，固載蒙脫土(MMT)/路易斯酸(L)為催化劑，微波輻射合成了蘆竹堿(4)。在最優(yōu)反應條件［甲醇為溶劑，MMT/ZnCl218 mg，1 1 mmol，r=1.0∶1.3∶1.3，于50℃反應10 min］下合成4，產率93.8%。MMT/ZnCl2循環(huán)使用3次，4產率60.0%。

該反應路線大大減少了催化劑用量，提高了反應速率，降低了能耗和環(huán)境污染，有望在4的生產中推廣。

參考文獻

［1］孔垂華，胡飛，陳雄輝，等.作物化感品種資源的評價利用［J］.中國農業(yè)科學，2002，35:1159－1164.

［2］史建偉，薛懷清.雜草防除的生物策略［J］.世界農業(yè)，2002，279(7):41－44.

［3］Wippich C，Wink M.Biological properties of alkaloids:Influence of quinolizidine alkaloids and gramine on the germination and development of powdery mildew，erysiphe graminis f sp hordei［J］.Experientia，1985，41:1477－1479.

［4］李春選，馬恩波.飛蝗研究進展［J］.昆蟲知識，2003，40(1):24－27.

［5］趙曉燕.海洋天然產物防污研究進展［J］.材料開發(fā)與應用，2001，16(4):34－36.

［6］楊保平，邢杰，郭軍紅，等.二羥基蘆竹堿新型環(huán)保防污涂料的研制［J］.現代涂料與涂裝，2010，13(10):3－5.

［7］貝納新，高萍，石承民，等.植物源殺蟲劑研究進展［J］.沈陽農業(yè)大學學報，2002，33(4):309－314.

［8］Pachter I J，Zacharias D E，Ribeir O.Indole alkaloids of acer saccharinum(the silver maple)，dictyoloma incanescens，piptadenia columbrina and mimosa hostilis ［J］.J Org Chem，1959，24:1285－1287.

［9］Gedye R，Smith F，Westaway K，et al.The structures of spirasine V and spirasine VI［J］.Tetrahedron Lett，1986，27(3):279－292.

［10］Kremsner J M，Kappe C O.Microwave-assisted organic synthesis in near-criti［J］.Polym Prepr，2008，49:951－981.

［11］Roland A，Saloua C，Takahiro T，et al.Electrophilicities of benzaldehyde-derived iminium ions:Quantification of the electrophilic activation of aldehydes by iminium formation［J］.J Am Chem Soc，2013，135(17):6579－6587.

［12］趙志剛，石治川，劉強，等.新型豬去氧膽酸分子鉗人工受體的微波無溶劑合成及其對氨基酸甲酯的識別性能［J］.合成化學，2014，22(5):601～607.

［13］王天桃，張應闊，錢萬紅，等.蘆竹堿合成新工藝的研究［J］.化工時刊，2002，3:49－50.

［14］許前會，韋萍.新型植物源農藥蘆竹堿的應用與合成研究［J］.農藥，2004，43(2):76－77.

［15］Dai H G，Li J T，Tong S L.Efficient and practical synthesis of Mannich bases related to gramine mediated by Zinc chloride［J］.Syn Comm，2006，36:1829－1835.

［16］李記太，藺志平.蒙脫土K10－ZnCl2催化下研磨法合成二吲哚甲烷衍生物［J］.有機化學，2008，28(7):

·研究簡報·

Catalytic Synthesis of Gramine by Immobilized Montmorillonite under Microwave Irradiation

WU Wei，WU Xiao-yun，WU jiang，YIN Xiao-gang，CHEN Zhuo
(Key Laboratory of Functional Materials Chemistry of Guizhou Province，
School of Chemistry and Materials Science，Guizhou Normal University，Guiyang 550001，China)

Abstract:Gramine(4)was synthesized by microwave-assist method from indole(1)，formaldehyde(2)and dimethylamine(3)，using immobilized montmorillonite/Lewis acid as the catalyst.The structure was confirmed by1H NMR.The effects of catalyst，reaction temperature，reaction time，solvent and molar ratio{ r［n(1)∶n(2)∶n(3)］} on the yield of 4 were investigated.The optimum conditions of synthesis 4 at 50℃for 10 min were as follows:methanol as the solvent，MMT/ZnCl2as the catalyst，MMT/ZnCl20.15 mmol，1 1 mmol，r=1.0∶1.3∶1.3.The yield of 4 was 93.8% under the optimum conditions.The yield of 4 was 60.0% after MMT/ZnCl2used for three times.

Keywords:MMT; Lewis acid; microwave; synthesis; Gramine

通訊作者:陳卓，教授，E-mail:chenzhuo19@163.com

作者簡介:吳偉(1989－)，男，漢族，貴州畢節(jié)人，碩士研究生，主要從事有機合成的研究。E-mail:29035287@ qq.com

基金項目:貴州師范大學研究生創(chuàng)新基金資助項目［碩創(chuàng)2014(11)］;貴州省科技創(chuàng)新人才團隊建設項目{黔科合人才團隊［2014］4006號}

收稿日期:2014-08-18;

修訂日期:2015-04-29

DOI:10.15952/j.cnki.cjsc.1005－1511.2015.06.0543 *

文獻標識碼:A

中圖分類號:;O621.25; O626.21