無溶劑球磨下磁性固體堿催化合成3-硝基-2H-1-苯并吡喃類化合物＊

牟佳玲，梁 玲，葉秀明，陳賽賽，洪 志

（臺州學(xué)院 醫(yī)藥化工與材料工程學(xué)院，浙江 臺州318000）

含有苯并吡喃結(jié)構(gòu)的天然產(chǎn)物廣泛存在于自然界的植物中，并且具有很好的生物活性和藥理活性，比如具有抗炎［1］、抗感染［2］、抗氧化［3］、抗腫瘤［4］和調(diào)節(jié)神經(jīng)系統(tǒng)［5］等作用。因此，這類化合物的合成引起人們極大的興趣，但是傳統(tǒng)的合成辦法存在使用氟硼酸鹽、甲苯、氯仿等易污染環(huán)境的試劑和反應(yīng)時(shí)間較長等缺點(diǎn)［6-8］。

隨著人們對生存環(huán)境的日益重視，科學(xué)家們嘗試在有機(jī)合成過程中采用無毒溶劑和催化劑，或無溶劑條件。固體堿是酸堿催化劑中的一類重要催化劑，催化功能來源于固體表面上具有催化活性的堿性部位。磁性固體堿催化劑是一種新型的催化劑，它不僅具有固體堿的催化特性，還具有獨(dú)特的磁響應(yīng)性，能夠在加磁場的作用下與產(chǎn)物實(shí)現(xiàn)分離［9］，后處理簡單，且具有穩(wěn)定性高、易處理和儲存、對設(shè)備無腐蝕作用、可循環(huán)使用及污染小等優(yōu)點(diǎn)。

無溶劑球磨法是有機(jī)合成中的一種重要工具［10］。與傳統(tǒng)的液相反應(yīng)相比，機(jī)械力化學(xué)在無溶劑或最少溶劑的條件下進(jìn)行，具有反應(yīng)時(shí)間短、選擇性高和操作簡單等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于制備催化劑［11］、有機(jī)合成［12］等過程。本文嘗試采用固體堿為催化劑，在球磨輔助下催化反應(yīng)，制備3-硝基-2H-1-苯并吡喃類化合物。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法具有收率高、后處理簡便、催化劑活性好、易回收且能重復(fù)使用等優(yōu)點(diǎn)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要儀器與試劑

Advance ⅢHD 400 型核磁共振波譜儀；5700 型傅里葉紅外光譜儀；Quattro micro API 型液質(zhì)聯(lián)用儀；S-4800 型掃描電子顯微鏡；QM-3B 高速振動(dòng)球磨機(jī)；JM-A20002 型電子天平；ZF-6 型三用紫外分析儀；WRX-4 型熔點(diǎn)儀。

實(shí)驗(yàn)所用試劑均為市售分析純或化學(xué)純，購于阿拉丁試劑（上海）公司或國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司，用前未作處理。

1.2 實(shí)驗(yàn)過程

1.2.1 固體堿催化劑K2CO3/nano-γ-Al2O3的制備

取6.5 g K2CO3粉末溶于12 mL 的蒸餾水中，然后緩慢滴加進(jìn)18.5 g 的nano-γ-Al2O3粉末（20 nm）中，同時(shí)進(jìn)行研磨，所得產(chǎn)物于70°C 下干燥14 h 后，在馬弗爐中600°C 焙燒5 h，即得到固體堿催化劑K2CO3/nano-γ-Al2O3（26.3%）（K2CO3與Al2O3的質(zhì)量比為1∶2.8）。

1.2.2 磁性固體堿催化劑K2CO3/nano-γ-Al2O3/Fe3O4的制備

取6.25 g Fe3O4粉末（50 nm），于10 mL 蒸餾水中超聲分散30 min 備用；取6.5 g K2CO3粉末溶于12 mL的蒸餾水中，然后緩慢滴加進(jìn)18.5 g 的nano-γ-Al2O3粉末（20 nm）中，同時(shí)進(jìn)行研磨，滴加完畢后加入超聲分散后的Fe3O4懸浮液，繼續(xù)研磨。所得產(chǎn)物于70°C 下干燥14 h 后，在馬弗爐中600°C 焙燒5 h，即得到磁性固體堿催化劑K2CO3/nano-γ-Al2O3/Fe3O4（20.8%）（K2CO3、Al2O3與Fe3O4的質(zhì)量比為1∶2.8∶1）。

1.2.3 3-硝基-2H-1-苯并吡喃類化合物的制備

在50 mL 球磨罐中加入不銹鋼球（2 個(gè)20 mm 球，4 個(gè)10 mm 球，4 個(gè)5 mm 球），水楊醛0.79 g（6.5 mmol），1-苯基-2-硝基乙烯0.75 g（5 mmol），適量固體堿。球磨5 min 暫停1 次，TLC 跟蹤反應(yīng)進(jìn)程，循環(huán)至反應(yīng)完成。結(jié)束后，用乙酸乙酯（15 mL×2）將混合物從不銹鋼瓶中洗至100 mL 燒杯中，在外加磁場的作用下分離出催化劑，用乙醇清洗，100°C 干燥2 h 后備用。將所得液體轉(zhuǎn)移至分液漏斗，加入30 mL 水，振搖1～2 min，靜置分層，分離出有機(jī)相，再用乙酸乙酯（30 mL×2）對水相進(jìn)行萃取，最后合并有機(jī)相并用等體積的水清洗1 次，將得到的有機(jī)相用無水Na2SO4干燥，減壓濃縮，層析柱分離，烘干。具體合成路線見圖1，所得產(chǎn)物經(jīng)核磁、質(zhì)譜、紅外及熔點(diǎn)分析表征。

圖1 合成路線Fig.1 synthetic route

1.3 化合物3a～3n表征

2-苯基-3-硝基苯并吡喃（3a）：黃色固體，熔點(diǎn)91.8～92.6°C，（lit.［13］：92.0～93.0°C）1H NMR（CDCl3，400 MHz），δ：6.58（s，CH，1H），6.86（d，J=8.4 Hz，ArH，1H），7.00（t，J1=J2=7.6Hz，CH，1H），7.30～7.38（m，ArH，7H），8.06（s，CH，1H）ppm；IR（KBr），v，cm-1：690，759，966，1066，1116，1217，1325，1452，1510，1566，1600，1647，3068；MS，m/z（%）：276（M+23，100）.

2-（2-甲氧基苯基）-3-硝基苯并吡喃（3b）：黃色固體，熔點(diǎn)113.8～114.5 ℃，1H NMR（CDCl3，400 MHz），δ：3.90（s，CH3，3H），6.81（t，J1=7.6Hz，J2=7.2Hz，ArH，2H），6.94～6.99（m，ArH，2H），7.05（s，CH，1H），7.14～7.15（dd，J1=J2=4.0Hz，ArH，1H），7.28～7.33（m，ArH，3H），8.08（s，CH，1H）ppm；IR（KBr），v，cm-1：756，1029，1249，1327，1456，1487，1512，1546，1597，1645，3444；MS，m/z（%）：306（M+23，83）.

2-（4-甲氧基苯基）-3-硝基苯并吡喃（3c）：黃色固體，熔點(diǎn)153.0～154.0 ℃，（lit.［14］：154.0～155.0 ℃），1H NMR（CDCl3，400 MHz），δ：3.75（s，CH3，3H），6.52（s，CH，1H），6.83（t，J1=8.4 Hz，J2=7.2 Hz，ArH，3H），6.98（t，J1=7.2 Hz，J2=7.6 Hz，ArH，1H），7.30（t，J1=8.8 Hz，J2=9.2 Hz，ArH，4H），8.03（s，CH，1H）ppm；IR（KBr），v，cm-1：567，748，829，968，1064，1116，1174，1255，1328，1454，1510，1606，1647，2956，3070；MS，m/z（%）：306（M+23，100）.

2-（3-硝基苯基）-3-硝基苯并吡喃（3d）：黃色固體，熔點(diǎn)141.2～144.1 ℃，（lit.［15］：146.5～147.5 ℃），1H NMR（CDCl3，400 MHz），δ：5.30（s，CH，1H），6.91（d，J=8.8 Hz，ArH，1H），7.06（t，J1=6.8 Hz，J2=7.6 Hz，ArH，1H），7.38（d，J=7.6 Hz，ArH，2H），7.54（d，J=8.0 Hz，ArH，1H），7.72（d，J=7.6 Hz，ArH，1H），8.14（s，CH，1H），8.20（d，J=8.0 Hz，ArH，1H）ppm.IR（KBr），v，cm-1：767，933，981，1066，1195，1219，1325，1346，1458，1516，1531，1604，1645，3074；MS，m/z（%）：321（M+23，100）.

2-（4-氯苯基）-3-硝基苯并吡喃（3e）：褐色固體，熔點(diǎn)137.2～138.1 ℃，（lit.［14］：133～134 ℃），1H NMR（CDCl3，400 MHz），δ：6.54（s，CH，1H），6.86（d，J=8.8 Hz，ArH，1H），7.01（t，J1=J2=7.6 Hz，ArH，1H），7.29～7.32（dd，J1=2.4 Hz，J2=7.6 Hz，ArH，6H），8.05（s，CH，1H）ppm；IR（KBr），v，cm-1：754，798，958，1008，1187，1201，1222，1327，1487，1500，1602，1641，3080；MS，m/z（%）：310（M+23，100），312（M+26，45）.

2-（4-溴苯基）-3-硝基苯并吡喃（3f）：黃色固體，熔點(diǎn)151.2～152.0 ℃（lit.［16］：139.0～141.0 ℃），1H NMR（CDCl3，400 MHz），δ：6.53（d，J=1.2 Hz，CH，1H），6.86（d，J=8.0 Hz，ArH，1H），7.02（t，J1=7.2 Hz，J2=7.6 Hz，ArH，1H），7.23～7.25（dd，J1=J2=1.6 Hz，ArH，2H），7.32～7.34（dd，J1=J2=1.6 Hz，ArH，2H），7.43～7.45（dd，J1=J2=1.6 Hz，ArH，2H），8.06（s，CH，1H）ppm；IR（KBr），v，cm-1：761，794，1004，1066，1116，1222，1325，1450，1500，1600，1641，3080；MS，m/z（%）：354（M+22，96），356（M+24，100）.

2-苯基-3-硝基-6-氯苯并吡喃（3g）：黃色固體，熔點(diǎn)88.4～89.2 ℃，1H NMR（CDCl3，400 MHz），δ：6.57（s，CH，1H），6.81（d，J=8.8 Hz，ArH，1H），7.24（d，J=2.4 Hz，ArH，1H），7.31（d，J=2.4 Hz，ArH，1H），7.34（s，ArH，5H），7.97（s，CH，1H）ppm；IR（KBr），v，cm-1：692，823，1058，1201 1328，1417，1473，1516，1656，3068，3441；MS，m/z（%）：287（M，100），289（M+2，58）.

2-萘基-3-硝基-6-氯苯并吡喃（3h）：黃色固體，熔點(diǎn)123.0～123.5 ℃，1H NMR（CDCl3，400 MHz），δ：6.74（s，CH，1H），6.81（d，J=8.4 Hz，ArH，1H），7.22～7.24（dd，J1=2.4 Hz，J2=2.8 Hz，ArH，1H），7.33（d，J=2.8 Hz，ArH，1H），7.47～7.52（m，ArH，3H），7.73（s，ArH，1H），7.77～7.84（m，ArH，3H），8.06（s，CH，1H）ppm；13C NMR（CDCl3，100 MHz），δ：74.50，94.70，105.80，118.74，120.35，124.53，126.50，126.67，127.03，127.49，127.71，128.31，128.39，129.14，129.47，133.76，133.86，135.41，140.89ppm；IR（KBr），v，cm-1：748，827，1062，1126，1203，1328，1471，1514，1560，1656，3062，3419；MS，m/z（%）：291（M+23，100）.

2-（4-甲氧基苯基）-3-硝基-6-氯苯并吡喃（3i）：黃色固體，熔點(diǎn)121.9～122.3 ℃，1H NMR（DMSO，400 MHz），δ：3.72（s，CH3，3H），6.60（s，CH，1H），6.90（t，J1=10.0 Hz，J2=8.8 Hz，ArH，3H），7.31（d，J=8.8 Hz，ArH，2H），7.38～7.40（dd，J1=J2=2.8 Hz，ArH，1H），7.73（d，J=2.4 Hz，ArH，1H），8.38（s，CH，1H）ppm；IR（KBr），v，cm-1：835，962，1028，1060，1174，1199，1257，1278，1327，1417，1469，1516，1606，1653，2839，2977，3072，3423；MS，m/z（%）：340（M+23，100），342（M+25，42）.

2-（3-硝基苯基）-3-硝基-6-溴苯并吡喃（3j）：黃色固體，熔點(diǎn)159.9～161.6 ℃，1H NMR（CDCl3，400 MHz），δ：6.67（s，CH，1H），6.81（d，J=8.4 Hz，ArH，1H），7.43～7.45（dd，J1=J2=2.4 Hz，ArH，1H），7.50（d，J=2.0 Hz，ArH，1H），7.53～7.57（m，ArH，1H），7.68～7.74（m，ArH，1H），8.06（s，CH，1H），8.22～8.23（m，ArH，2H）ppm；IR（KBr），v，cm-1：694，739，823，943，986，1076，1131，1288，1304，1329，1348，1467，1512，1534，1595，1638，1727，2872，2964，3087；MS，m/z（%）：400（M+23，100）.

2-苯基-3-硝基-6，8-二碘苯并吡喃（3k）：黃色固體，熔點(diǎn)211.3～213.1 ℃，1H NMR（CDCl3，400 MHz），δ：6.72（s，CH，1H），7.33～7.38（m，ArH，5H），7.57（d，J=2.0 Hz，ArH，1H），7.90（s，ArH，1H），8.00（d，J=2.0 Hz，CH，1H）ppm；IR（KBr），v，cm-1：696，719，742，765，837，869，923，970，1062，1180，1226，1327，1433，1512，1649，2370，3028；MS，m/z（%）：527（M+22，100）.

2-呋喃基-3-硝基-6，8-二碘苯并吡喃（3l）：棕色固體，熔點(diǎn)300.0 ℃（dec.），1H NMR（DMSO，400 MHz），δ：6.42～6.43（dd，J1=J2=2.0 Hz，CH，1H），6.55（d，J=3.2 Hz，CH，1H），6.82（s，CH，1H），7.71～7.72（dd，J1=0.8 Hz，J2=0.4 Hz，CH，1H），8.00（d，J=2.0 Hz，ArH，1H），8.10（d，J=2.0 Hz，ArH，1H），8.30（s，CH，1H）ppm；IR（KBr），v，cm-1：596，750，1014，1176，1226，1332，1435，1512，1556，1649，1701，1737，2322，2364;MS，m/z（%）：517（M+22，100）;

2-硝基-3-苯基-3H-苯并［f］苯并吡喃（3m）：橙黃色固體，熔點(diǎn)154.0～155.0 ℃，1H NMR（DMSO，400 MHz），δ：6.82（s，CH，1H），7.17（d，J=8.8 Hz，ArH，1H），7.35（t，J1=2.8 Hz，J2=3.6 Hz，ArH，2H），7.45～7.52（m，ArH，4H），7.67（t，J1=J2=8.4 Hz，ArH，1H），7.91（d，J=8.0 Hz，ArH，1H），8.03（d，J=9.2 Hz，ArH，1H），8.40（d，J=8.4 Hz，ArH，1H），9.02（s，CH，1H）ppm；IR（KBr），v，cm-1：501，609，696，750，871，1024，1074，1408，1492，1591，1757，1803，184，1948，3030，3055；MS，m/z（%）：325（M+22，100）.

1.4 催化劑分析表征

1.4.1 催化劑的SEM分析

圖2 為催化劑K2CO3/nano-γ-Al2O3（26.3%）的掃描電鏡圖，大量的活性成分K2CO3負(fù)載在多孔載體Al2O3上，Al2O3表面平整光滑，呈規(guī)則的塊狀。圖3 為催化劑K2CO3/nano-γ-Al2O3/Fe3O4（20.8%），與圖2相比，圖3 中所顯示的催化劑晶體堆積更為疏松，催化活性中心更多。

圖2 K2CO3/nano-γ-Al2O3（26.3%）的掃描電鏡圖Fig.2 SEM of K2CO3/nano-γ-Al2O3（26.3%）

圖3 K2CO3/nano-γ-Al2O3/Fe3O4（20.8%）的掃描電鏡圖Fig.3 SEM of K2CO3/nano-γ-Al2O3/Fe3O4（20.8 %）

1.4.2 催化劑的EDS分析

由表1 和圖4 可知，催化劑的能譜中只出現(xiàn)了O、Al、K、Fe 四種元素的峰，重量百分比分別為43.64%、27.38%、17.47%、11.51%。在焙燒過程中K2CO3與Al2O3發(fā)生強(qiáng)烈的相互作用，C 元素流失的同時(shí)兩者可能產(chǎn)生了新的K-O 或K-Al-O 晶相物系附著在載體上，形成新的堿性中心，活性位點(diǎn)增多，從而使催化劑的活性增加。

表1 催化劑K2CO3/nano-γ-Al2O3/Fe3O4（20.8%）的元素分析表Tab.1 Elemental analysis table for catalyst K2CO3/nano-γ-Al2O3/Fe3O4（20.8%）

1.4.3 催化劑的磁滯回歸線

磁性固體堿K2CO3/nano-γ-Al2O3/Fe3O4（20.8%）磁性測定結(jié)果如圖5 所示，此時(shí)飽和磁化強(qiáng)度為7.8 emu/g，矯頑力可忽略不計(jì)，該催化劑具有超順磁性。

圖4 催化劑K2CO3/nano-γ-Al2O3/Fe3O4（20.8%）的能譜圖Fig.4 Energy spectrum of catalyst K2CO3/nano-γ-Al2O3/Fe3O4（20.8%）

圖5 催化劑K2CO3/nano-γ-Al2O3/Fe3O4（20.8%）的磁滯回歸線Fig.5 Magnetic hysteresis loops of K2CO3/nano-γ-Al2O3/Fe3O4（20.8%）

2 結(jié)果與討論

2.1 反應(yīng)條件的優(yōu)化

以水楊醛（3.9 mmol）和硝基苯乙烯（3.0 mmol）的反應(yīng)為模型，對催化劑種類、用量及球磨時(shí)間進(jìn)行條件優(yōu)化。從表2 中可以看出，當(dāng)不加催化劑時(shí)，反應(yīng)無法進(jìn)行（表2，序號1）；當(dāng)加入K2CO3時(shí)，反應(yīng)能進(jìn)行，但產(chǎn)率低；加入nano-γ-Al2O3時(shí)，反應(yīng)也無法進(jìn)行；當(dāng)催化劑為K2CO3/nano-γ-Al2O3（26.3%），其中K2CO3的用量與序號3 等量時(shí)，反應(yīng)進(jìn)行且產(chǎn)率有較少的提高（表2，序號5），表明nano-γ-Al2O3在該催化劑中擔(dān)當(dāng)載體，使K2CO3分布均勻，在一定程度上提高了催化劑比表面積。當(dāng)催化劑為K2CO3/nano-γ-Al2O3/Fe3O4（20.8%）時(shí)，反應(yīng)產(chǎn)率提高，當(dāng)增加催化劑用量、延長球磨時(shí)間，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)催化劑為K2CO3/nano-γ-Al2O3/Fe3O4（20.8%）為0.57 g，球磨時(shí)間為25 min 時(shí)，產(chǎn)率最高（表2，序號10）。

2.2 催化劑的回收利用

上述典型反應(yīng)按照優(yōu)化反應(yīng)條件進(jìn)行，反應(yīng)結(jié)束后，在外加磁場的作用下分離出催化劑，用無水乙醇洗滌，在100°C 干燥2 h，重新使用。由于每次回收操作過程中催化劑會(huì)有部分損失，所以需要加入新催化劑，使催化劑總量保持恒定，考察使用次數(shù)對催化劑活性影響。實(shí)驗(yàn)表明，在補(bǔ)加一定量新催化劑的條件下，循環(huán)使用5 次，每次循環(huán)使用，催化劑活性略有降低，收率從83%降至61%。結(jié)果見表3。

表2 反應(yīng)條件的優(yōu)化Tab.2 Optimization of reaction condition

表3 催化劑的循環(huán)使用實(shí)驗(yàn)Tab.3 Recycling experiments of catalyst

2.3 固體堿催化合成3-硝基-2H-1-苯并吡喃類化合物

在上述優(yōu)化條件下，通過球磨合成一系列3-硝基-2H-1-苯并吡喃類化合物，結(jié)果見表4。在合成3-硝基-2H-1-苯并吡喃類化合物時(shí)，硝基苯乙烯苯環(huán)上含有吸電子基的產(chǎn)率高于給電子基，水楊醛上含有吸電子基的產(chǎn)率都不是很高。

表4 固體堿催化合成3-硝基-2H-1-苯并吡喃類化合物Tab.4 Synthesis of 3-nitro-2H-1-benzopyran compounds catalyzed by solid bases

3 結(jié)論

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：6.5 mmol 的水楊醛，5 mmol 的硝基苯乙烯類化合物，催化劑K2CO3/nano-γ-Al2O3/Fe3O4（20.8%）用量為0.57 g，球磨時(shí)間25 min，合成了13 種3-硝基-2H-1-苯并吡喃類化合物。與傳統(tǒng)方法相比，該方法縮短了反應(yīng)時(shí)間，后處理對環(huán)境友好，且催化劑K2CO3/nano-γ-Al2O3/Fe3O4（20.8%）在催化合成反應(yīng)中具有催化活性高、生產(chǎn)工藝簡單、反應(yīng)時(shí)間少、催化劑易回收且能重復(fù)使用等優(yōu)點(diǎn)。本實(shí)驗(yàn)的研究為3-硝基-2H-1-苯并吡喃類化合物的合成提供了一種簡單有效、綠色經(jīng)濟(jì)的方法。