超聲輔助水滑石/ZnCl2高效催化Knoevenagel縮合反應(yīng)

劉心韻，鄭興莉，付海，龔維，陳卓，尹曉剛

(1.貴州師范大學(xué) 化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院 貴州省功能材料化學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，貴州 貴陽 550001； 2.貴州醫(yī)科大學(xué) 藥學(xué)院，貴州 貴陽 550025)

Knoevenagel縮合反應(yīng)是指在堿催化下，含有活性亞甲基的化合物與醛或酮發(fā)生脫水縮合反應(yīng)生成α，β-不飽和羰基化合物的反應(yīng)[1-3]。Knoevenagel縮合反應(yīng)受到人們的高度重視，如CaO/HMCM22[4]催化芳香醛與丙二腈反應(yīng)，催化劑表現(xiàn)出酸堿協(xié)同催化作用。薛冰[5]等浸漬法制備了氨水改性氧化石墨烯[5]。酸性離子液體催化[6]、SBA-15固載離子液體功能化脯氨酸[7]等均表現(xiàn)出良好的催化活性。

超聲反應(yīng)具有低能耗、無污染、安全、廉價(jià)等特點(diǎn)[8-9]。如王錫天等[10]在無溶劑、無催化劑、超聲輻射下芳香醛與丙二腈發(fā)生Knoevenagel縮合反應(yīng)，此方法化學(xué)選擇性好，但是存在產(chǎn)率不高、反應(yīng)時(shí)間長等缺點(diǎn)。本實(shí)驗(yàn)用超聲輔助水滑石/ZnCl2催化Knoevenagel縮合反應(yīng)，反應(yīng)時(shí)間短、反應(yīng)產(chǎn)率高、后處理簡單，催化劑循環(huán)使用，符合綠色化學(xué)的要求。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與儀器

水滑石、氯化鋅、三氯化鐵、氯化銅、三氯化鋁、氯化鎳、苯甲醛、丙二腈、無水碳酸鈉、甲醇、乙二醇、丙三醇、正丁醇、乙腈、乙酸乙酯、四氫呋喃、二氯甲烷、三氯甲烷、1，2-二氯甲烷、石油醚均為分析純。

RE-52旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器；JP-010T超聲清洗儀；NEXUS670傅里葉紅外測試儀；X-5顯微熔點(diǎn)儀。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 催化劑的制備 水滑石負(fù)載路易斯酸催化劑參考文獻(xiàn)[11]制備，稱取0.02 mol的氯化鋅(2.72 g)溶于25 mL無水甲醇，攪拌使其在無水甲醇中完全溶解，加入5 g水滑石，室溫下攪拌吸附 1 h。旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)除去無水甲醇，將其放入烘箱 120 ℃，活化4 h，制得LDH/ZnCl2。用相同的方法制備LDH/CuCl2、LDH/FeCl3、LDH/NiCl2、LDH/AlCl3，放入干燥箱中備用。

1.2.2 Knoevenagel縮合反應(yīng) 將 1 mmol(151.10 mg)苯甲醛、1 mmol(66.10 mg)丙二睛、再加LDH/ZnCl2(用量為醛質(zhì)量的5%)，在室溫下超聲反應(yīng)15 min，利用薄層色譜(TLC)法跟蹤反應(yīng)進(jìn)度。反應(yīng)后離心，過濾出催化劑，重結(jié)晶得到3a～3i產(chǎn)物。反應(yīng)式如下：

圖1 Knoevenagel縮合反應(yīng)式Fig.1 Knoevenagel condensation reaction

產(chǎn)物表征3a～3i均為已知物，產(chǎn)物通過1H NMR、IR及熔點(diǎn)表征。

2 結(jié)果與討論

2.1 催化劑種類對產(chǎn)率的影響

表1為催化劑種類對產(chǎn)率的影響。

表1 催化劑種類對產(chǎn)率的影響Table 1 Effect of catalyst type on yield

由表1可知，水滑石負(fù)載氯化物對Knoevenagel縮合反應(yīng)的催化效果好，其中LDH/ZnCl2對Knoevenagel縮合反應(yīng)的催化效果最好，產(chǎn)率達(dá)到了97.5%。其次是LDH/AlCl3、LDH/NiCl2的催化效果較好，產(chǎn)率分別為95.7%，95.0%，LDH/CuCl2、LDH/FeCl3催化效果一般，催化產(chǎn)率分別為96.0%，93.7%；ZnCl2單獨(dú)催化時(shí)，產(chǎn)率為78.7%，LDH單獨(dú)催化時(shí)，產(chǎn)率為64.7%。

2.2 溶劑對產(chǎn)率的影響

表2為溶劑對產(chǎn)率的影響。

表2 溶劑對產(chǎn)率的影響Table 2 Effect of solvent on yield

由表2可知，當(dāng)以正丁醇為溶劑時(shí)產(chǎn)率為89.5%(序號1)；甲醇作溶劑時(shí)，產(chǎn)率為87.0%(序號2)；乙醇作溶劑時(shí)，產(chǎn)率為97.5%(序號3)；該反應(yīng)在強(qiáng)極性溶劑中的產(chǎn)率均在85.0%以上，且在質(zhì)子性溶劑乙醇中的產(chǎn)率最高。水作溶劑時(shí)，產(chǎn)率為77.7%?？傮w來說，溶劑對產(chǎn)率的影響并不是太大，但是在水作溶劑時(shí)，相對較低，推測原因是Knoevenagel縮合反應(yīng)有水生成，以水作溶劑，影響反應(yīng)朝正向移動，所以產(chǎn)率偏低。

2.3 催化劑用量和原料摩爾比對產(chǎn)率的影響

表3為催化劑用量和原料摩爾比對產(chǎn)率的影響。

表3 催化劑用量和原料摩爾比對產(chǎn)率的影響Table 3 Effect of catalyst dosage and raw material molar ratio on yield

由表3可知，催化劑用量是芳香醛用量的2%時(shí)，反應(yīng)產(chǎn)率為66.9%(序號1)，催化劑用量是芳香醛用量的5%時(shí)，反應(yīng)產(chǎn)率為99.3%(序號2)，催化劑用量是芳香醛用量的10%時(shí)，產(chǎn)率為87.8%(序號3)。催化劑用量為芳香醛的5%時(shí)，產(chǎn)率最高；催化劑用量增大，反應(yīng)產(chǎn)率下降。原料摩爾比為0.9∶1時(shí)反應(yīng)產(chǎn)率為58.9%(序號4)，原料摩爾比為1∶1時(shí)，產(chǎn)率為99.3%(序號2)，原料摩爾比為1.1∶1時(shí)，產(chǎn)率為91.1%(序號5)，原料摩爾比為
1.2∶1 時(shí)，產(chǎn)率為87.5%(序號6)。丙二睛過量不利于反應(yīng)的進(jìn)行，反應(yīng)產(chǎn)率較低，芳香醛過量也不利于反應(yīng)的進(jìn)行。

2.4 超聲時(shí)間對產(chǎn)率的影響

表4為超聲時(shí)間對產(chǎn)率的影響。

表4 超聲時(shí)間對產(chǎn)率的影響Table 4 Effect of ultrasonic time on yield

由表4可知，超聲時(shí)間為3 min時(shí)，產(chǎn)率為94.0%；超聲時(shí)間為5 min時(shí)產(chǎn)率為97.5%；超聲時(shí)間為10 min，產(chǎn)率為83.6%；超聲時(shí)間為15 min時(shí)產(chǎn)率為80.2%；超聲時(shí)間為5 min時(shí)，產(chǎn)率最好。超聲8 min時(shí)，產(chǎn)率反而下降；超聲時(shí)間延長至 10 min、15 min時(shí)產(chǎn)率下降的更嚴(yán)重，推測原因?yàn)槌晻r(shí)間過長，可能破壞了催化劑的催化性能，從而影響產(chǎn)率。

2.5 克級反應(yīng)

擴(kuò)大苯甲醛的用量為0.09 mol(10.0 g)，丙二腈的用量也相應(yīng)擴(kuò)大對應(yīng)的比例，用量為0.09 mol(6.2 g)，催化劑用量為苯甲醛用量的7.5%(0.75 g)，乙醇為200 mL，產(chǎn)率為94.1%。

2.6 底物適應(yīng)性

在最優(yōu)條件下，以不同的醛進(jìn)行反應(yīng)，考察該條件下的底物適應(yīng)性。由表5可知，苯環(huán)當(dāng)以苯甲醛反應(yīng)時(shí)，產(chǎn)率可以達(dá)到98.3%(3a)；苯環(huán)上有吸電子基可以促進(jìn)反應(yīng)的進(jìn)行，對硝基苯甲醛反應(yīng)產(chǎn)率為99.3%(3b)，間硝基苯甲醛反應(yīng)產(chǎn)率為93.5%(3c)，推測原因?yàn)榇蠡鶊F(tuán)的空間位阻較大，阻礙了反應(yīng)的進(jìn)行；對氯苯甲醛的反應(yīng)產(chǎn)率為85.5%(3d)，鄰氯苯甲醛的產(chǎn)率為98.6%(3e)，二者的產(chǎn)率相差較大，氯處在鄰位時(shí)對反應(yīng)進(jìn)行有利。鄰氟苯甲醛的產(chǎn)率為93.6%(3f)，間氟苯甲醛的產(chǎn)率為97.3%(3g)；鄰甲氧基苯甲醛的產(chǎn)率為94.1%(3h)，對甲氧基苯甲醛的產(chǎn)率為91.3%(3i)；甲氧基取代使羰基的電負(fù)性增加，不利于親核試劑對羰基的進(jìn)攻?？傮w來說無論是吸電子基還是給電子基，反應(yīng)產(chǎn)率都有較好。

表5 底物適應(yīng)性考察Table 5 Substrate adaptation

3 結(jié)論

超聲輔助下LDH/路易斯酸催化Knoevenagel縮合反應(yīng)進(jìn)行的最優(yōu)條件為：以LDH/ZnCl2為催化劑，用量是醛用量的5%，在室溫下，乙醇溶劑，超聲5 min，苯甲醛與丙二腈物質(zhì)的量比為1∶1時(shí)，無需堿輔助，產(chǎn)率為98.3%。底物適應(yīng)性考察結(jié)果為從3b～3i的產(chǎn)物產(chǎn)率在85.5%～99.3%之間?？思壏磻?yīng)時(shí)，產(chǎn)率為94.1%，該催化體系反應(yīng)速度快，無需堿性環(huán)境，有較好的工業(yè)應(yīng)用前景。