CN105037381B - 一种绿色催化制备吡喃并[4，3‑b]吡喃衍生物的方法 - Google Patents
一种绿色催化制备吡喃并[4，3‑b]吡喃衍生物的方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种绿色催化制备吡喃[4，3‑b]吡喃衍生物的方法，属于离子液体催化技术领域。该制备反应中芳香醛、4‑羟基‑6‑甲基‑2‑吡喃酮和丙二腈的摩尔比为1：1：1，双磺酸根离子液体催化剂的摩尔量是所用芳香醛的3～5％，以毫升计的反应溶剂水体积量为以毫摩尔计的芳香醛摩尔量的5～8倍，反应温度为60～80℃，反应时间为15～40min，反应结束后冷却至室温，有大量固体析出，碾碎固体，静置，抽滤，所得滤渣干燥后用乙醇重结晶后得到目标产物。本发明与采用其它酸性离子液体催化剂的制备方法相比，具有催化剂催化活性高、可生物降解性好、原料利用率高和整个制备过程操作简单方便等特点，便于工业化大规模应用。
Description
技术领域
本发明属于离子液体催化技术领域，具体涉及一种绿色催化制备吡喃[4，3-b]吡喃衍生物的方法。
背景技术
吡喃并吡喃衍生物是一类结构独特的化合物，它们中的许多衍生物是艾滋病蛋白酶的抑制剂，具有抗衰老、抗细胞毒素活性和抑制癌细胞等性质。此类化合物通常通过芳香醛、丙二腈和4-羟基-6-甲基-2-吡喃酮的三组分一锅法反应进行合成，但采用传统的酸催化剂普遍存在反应时间长、产率不够高、难以实现回收、环境污染严重等缺点。因此，开发一种绿色、高效、方便快捷地制备吡喃[4，3-b]吡喃衍生物的方法成为许多有机合成工作者普遍关注的问题。
离子液体是指在室温或近于室温下呈液态的盐类。由于其具有不挥发、较宽的液相范围以及较好的化学稳定性而被作为绿色溶剂运用到有机合成反应中，而作为功能化离子液体中的酸性离子液体，特别是布朗斯特酸性离子液体由于具有绿色无污染、有机和无机化合物溶解性好、酸性位点分布均匀、产物易于进行分离及可循环使用等优点而被应用到吡喃[4，3-b]吡喃衍生物的制备过程中。比如Nader Ghaffari Khaligh以含有双HSO4 -的酸性离子液体双硫酸氢化1，1ˊ-丁基双(3-甲基-3H)咪唑鎓盐作为催化剂，无溶剂条件下高效地催化芳香醛、丙二腈和4-羟基-6-甲基-2-吡喃酮“一锅法”制备出一系列吡喃[4，3-b]吡喃衍生物，该方法具有反应条件温和、反应时间较短和产率较高的优点，其中催化剂在经过除水后可以循环使用5次，其催化效率未有明显降低(1，1ˊ-Butylenebis(3-methyl-3H-imidazol-1-ium)dihydrogensulfate as a halogen-free and reusable binuclearionic liquid catalyzed the synthesis of pyrano[4,3-b]pyranderivatives[J]，Monatshefte für Chemie/Chemical Monthly，2014，145：1643～1648)。
上述方法所采用的酸性离子液体的结构母体是难生物降解的咪唑结构，制备价格较高，这与绿色化工的政策是相违背的。此外，上述酸性离子液体的酸度仍然比较低，导致在使用时其使用量较大。最后，虽然上述制备方法中采用的是无溶剂合成，但是后处理过程中为了将产物和咪唑基酸性离子液体催化剂进行分离，进行加水操作，且在酸性离子液体循环使用前进行了蒸除水的处理，导致生产过程中耗能比较大，原料利用率低，不适宜工业化大规模应用。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中利用离子液体催化制备吡喃[4，3-b]吡喃衍生物过程中存在离子液体不易生物降解，使用量较大，原料利用率低、后处理复杂等缺点，而提供一种易生物降解、催化剂活性较好、原子经济性高、后处理简单方便的双磺酸根离子液体作为绿色催化剂，水作溶剂条件下催化制备吡喃[4，3-b]吡喃衍生物的方法。
本发明所使用的双磺酸根离子液体催化剂的结构式为：
本发明所提供的一种绿色催化制备吡喃[4，3-b]吡喃衍生物的方法，其化学反应式为：
其中反应中芳香醛(I)、4-羟基-6-甲基-2-吡喃酮(II)和丙二腈(III)的摩尔比为1：1：1，双磺酸根离子液体催化剂的摩尔量是所用芳香醛的3～5％，反应溶剂水以毫升计的体积量为芳香醛以毫摩尔计的摩尔量的5～8倍，反应压力为一个大气压，反应温度为60～80℃，反应时间为15～40min，反应结束后冷却至室温，有大量固体析出，碾碎固体，静置，抽滤，所得滤渣干燥后用乙醇重结晶后得到纯吡喃[4，3-b]吡喃衍生物(IV)。滤液无需任何处理直接用于下一次反应，可以重复使用至少6次，其催化活性未有明显降低。
本发明所用的芳香醛为苯甲醛、对氯苯甲醛、对甲基苯甲醛、对硝基苯甲醛、对溴苯甲醛、对羟基苯甲醛、对甲氧基苯甲醛、邻溴苯甲醛、间硝基苯甲醛、邻氯苯甲醛中的任一种。
本发明所使用的酸性离子液体催化剂的合成方法，参考相关材料(A convenientapproach for the synthesis of 1，3，5-trioxanes under solvent-free conditionsat room temperature，Monatshefte für Chemie Chemical Monthly，2014，145(6)：1017～1022)。
本发明与其它酸性离子液体作催化剂的合成方法相比，具有以下优点：
1、含有两个-SO3H的酸性离子液体的酸度高，催化活性高，使用量较少；
2、反应原料利用率高，原子经济性较好；
3、使用绿色溶剂水作为反应溶剂；
4、催化剂易于生物降解，对人和环境友好；
5、整个制备过程后处理简单，便于工业化大规模生产。
具体实施方式
本发明的实质特点和显著效果可以从下述的实施例中得以体现，但它们并不对本发明作任何限制，本领域的技术人员根据本发明的内容做出一些非本质的改进和调整，均属于本发明的保护范围。下面通过具体实施方式对本发明作进一步的说明，其中实施例中反应产物的测试表征使用的是德国Bruker公司的型号为AVANCE-II 300MHz的核磁共振仪；红外光谱测试表征采用的是德国Bruker公司的型号为Bruker tensor 37FT-IR红外光谱仪，KBr压片；反应产物的熔点采用毛细管法测定。
实施例1
将1mmol苯甲醛、1mmol丙二腈、1mmol 4-羟基-6-甲基-2-吡喃酮和0.04mmol双磺酸根离子液体分别加入到盛有5ml水的带有搅拌子和冷凝管的25ml单口瓶中。加热到65℃，反应27min，TLC(薄板层析)检测，原料点消失，冷却至室温，有大量固体析出，碾碎固体，静置，抽滤，所得滤渣干燥后用乙醇重结晶后得到纯2-氨基-7-甲基-4-苯基-5-氧代-4H，5H-吡喃并[4，3-b]吡喃-3-腈，收率为96％。滤液中直接加入苯甲醛、丙二腈和4-羟基-6-甲基-2-吡喃酮后进行重复使用。
2-氨基-7-甲基-4-苯基-5-氧代-4H，5H-吡喃并[4，3-b]吡喃-3-腈：m.p.236～238℃；IR(KBr)：3403，3324，3207，3089，2195，1714cm-1；1H NMR(300MHz，CDCl3):δ＝2.27(s，3H，CH3)，4.45(s，1H，CH)，4.58(s，2H，NH2)，5.92(s，1H，CH)，7.20～7.31(m，5H，ArH)
实施例2
将1mmol对氯苯甲醛、1mmol丙二腈、1mmol 4-羟基-6-甲基-2-吡喃酮和0.05mmol双磺酸根离子液体分别加入到盛有8ml水的带有搅拌子和冷凝管的25ml单口瓶中。加热到70℃，反应32min，TLC(薄板层析)检测，原料点消失，冷却至室温，有大量固体析出，碾碎固体，静置，抽滤，所得滤渣干燥后用乙醇重结晶后得到纯2-氨基-7-甲基-4-(4-氯苯基)-5-氧代-4H，5H-吡喃并[4，3-b]吡喃-3-腈，收率为90％。滤液中直接加入对氯苯甲醛、丙二腈和4-羟基-6-甲基-2-吡喃酮后进行重复使用。
2-氨基-7-甲基-4-(4-氯苯基)-5-氧代-4H，5H-吡喃并[4，3-b]吡喃-3-腈：m.p.231～232℃；IR(KBr)：3409，3325，3084，2189，1701cm-1；1H NMR(300MHz，CDCl3):δ＝2.26(s，3H，CH3)，4.46(s，1H，CH)，4.57(s，2H，NH2)，5.89(s，1H，CH)，6.82～6.91(m，4H，ArH)
实施例3
将1mmol对硝基苯甲醛、1mmol丙二腈、1mmol 4-羟基-6-甲基-2-吡喃酮和0.03mmol双磺酸根离子液体分别加入到盛有8ml水的带有搅拌子和冷凝管的25ml单口瓶中。加热到60℃，反应17min，TLC(薄板层析)检测，原料点消失，冷却至室温，有大量固体析出，碾碎固体，静置，抽滤，所得滤渣干燥后用乙醇重结晶后得到纯2-氨基-7-甲基-4-(4-硝基苯基)-5-氧代-4H，5H-吡喃并[4，3-b]吡喃-3-腈，收率为92％。滤液中直接加入对硝基苯甲醛、丙二腈和4-羟基-6-甲基-2-吡喃酮后进行重复使用。
2-氨基-7-甲基-4-(4-硝基苯基)-5-氧代-4H，5H-吡喃并[4，3-b]吡喃-3-腈：m.p.216～218℃；IR(KBr)：3400，3303，3149，2297，1703cm-1；1H NMR(300MHz，CDCl3):δ＝2.25(s，3H，CH3)，4.60(s，1H，CH)，4.75(s，2H，NH2)，5.93(s，1H，CH)，7.44～7.50(d，J＝9.0Hz，2H，ArH)，8.17～8.22(d，J＝9.0Hz，2H，ArH)
实施例4
将1mmol对甲氧基苯甲醛、1mmol丙二腈、1mmol 4-羟基-6-甲基-2-吡喃酮和0.05mmol双磺酸根离子液体分别加入到盛有6ml水的带有搅拌子和冷凝管的25ml单口瓶中。加热到80℃，反应40min，TLC(薄板层析)检测，原料点消失，冷却至室温，有大量固体析出，碾碎固体，静置，抽滤，所得滤渣干燥后用乙醇重结晶后得到纯2-氨基-7-甲基-4-(4-甲氧基苯基)-5-氧代-4H，5H-吡喃并[4，3-b]吡喃-3-腈，收率为88％。滤液中直接加入对甲氧基苯甲醛、丙二腈和4-羟基-6-甲基-2-吡喃酮后进行重复使用。
2-氨基-7-甲基-4-(4-甲氧基苯基)-5-氧代-4H，5H-吡喃并[4，3-b]吡喃-3-腈：m.p.205～207℃；IR(KBr)：3454，3306，3168，3088，2181，1725cm-1；1H NMR(300MHz，CDCl3):δ＝2.23(s，3H，CH3)，3.75(s，3H，CH3)，4.42(s，1H，CH)，4.56(s，2H，NH2)，5.90(s，1H，CH)，6.81～6.84(d，J＝9.0Hz，2H，ArH)，7.17～7.21(d，J＝9.0Hz，2H，ArH)
实施例5
将1mmol对羟基苯甲醛、1mmol丙二腈、1mmol 4-羟基-6-甲基-2-吡喃酮和0.04mmol双磺酸根离子液体分别加入到盛有6ml水的带有搅拌子和冷凝管的25ml单口瓶中。加热到75℃，反应34min，TLC(薄板层析)检测，原料点消失，冷却至室温，有大量固体析出，碾碎固体，静置，抽滤，所得滤渣干燥后用乙醇重结晶后得到纯2-氨基-7-甲基-4-(4-羟基苯基)-5-氧代-4H，5H-吡喃并[4，3-b]吡喃-3-腈，收率为89％。滤液中直接加入对羟基苯甲醛、丙二腈和4-羟基-6-甲基-2-吡喃酮后进行重复使用。
2-氨基-7-甲基-4-(4-羟基苯基)-5-氧代-4H，5H-吡喃并[4，3-b]吡喃-3-腈：m.p.238～240℃；IR(KBr)：3349，3210，3094，2204，1691cm-1；1H NMR(300MHz，CDCl3):δ＝2.24(s，3H，CH3)，4.45(s，1H，CH)，4.58(s，2H，NH2)，5.92(s，1H，CH)，7.27～7.34(m，4H，ArH)
实施例6
将1mmol邻溴苯甲醛、1mmol丙二腈、1mmol 4-羟基-6-甲基-2-吡喃酮和0.05mmol双磺酸根离子液体分别加入到盛有6ml水的带有搅拌子和冷凝管的25ml单口瓶中。加热到70℃，反应35min，TLC(薄板层析)检测，原料点消失，冷却至室温，有大量固体析出，碾碎固体，静置，抽滤，所得滤渣干燥后用乙醇重结晶后得到纯2-氨基-7-甲基-4-(2-溴苯基)-5-氧代-4H，5H-吡喃并[4，3-b]吡喃-3-腈，收率为89％。滤液中直接加入邻溴苯甲醛、丙二腈和4-羟基-6-甲基-2-吡喃酮后进行重复使用。
2-氨基-7-甲基-4-(2-溴苯基)-5-氧代-4H，5H-吡喃并[4，3-b]吡喃-3-腈：m.p.244～246℃；IR(KBr)：3451，3346，3175，3101，2193，1714cm-1；1H NMR(300MHz，CDCl3):δ＝2.25(s，3H，CH3)，4.60(s，2H，NH2)，4.96(s，1H，CH)，5.88(s，1H，CH)，7.12～7.54(m，4H，ArH)
实施例7
以实施例1为探针反应，作反应催化剂双磺酸根离子液体的活性重复性试验，离子液体重复使用6次，产物2-氨基-7-甲基-4-苯基-5-氧代-4H，5H-吡喃并[4，3-b]吡喃-3-腈的收率变化见表1。
实施例8
以实施例2为探针反应，作反应催化剂双磺酸根离子液体的活性重复性试验，离子液体重复使用6次，产物2-氨基-7-甲基-4-(4-氯苯基)-5-氧代-4H，5H-吡喃并[4，3-b]吡喃-3-腈的收率变化见表2。
实施例9
以实施例3为探针反应，作反应催化剂双磺酸根离子液体的活性重复性试验，离子液体重复使用6次，产物2-氨基-7-甲基-4-(4-硝基苯基)-5-氧代-4H，5H-吡喃并[4，3-b]吡喃-3-腈的收率变化见表3。
表1 双磺酸根离子液体在制备2-氨基-7-甲基-4-苯基-5-氧代-4H，5H-吡喃并[4，3-b]吡喃-3-腈中的活性重复性试验结果
| 双磺酸根离子液体使用次数 | 收率(％) |
| 1 | 96 |
| 2 | 94 |
| 3 | 95 |
| 4 | 93 |
| 5 | 93 |
| 6 | 92 |
| 7 | 92 |
表2 双磺酸根离子液体在制备2-氨基-7-甲基-4-(4-氯苯基)-5-氧代-4H，5H-吡喃并[4，3-b]吡喃-3-腈中的活性重复性试验结果
| 双磺酸根离子液体使用次数 | 收率(％) |
| 1 | 90 |
| 2 | 88 |
| 3 | 89 |
| 4 | 88 |
| 5 | 87 |
| 6 | 87 |
| 7 | 85 |
表3 双磺酸根离子液体在制备2-氨基-7-甲基-4-(4-硝基苯基)-5-氧代-4H，5H-吡喃并[4，3-b]吡喃-3-腈中的活性重复性试验结果
| 双磺酸根离子液体使用次数 | 收率(％) |
| 1 | 92 |
| 2 | 92 |
| 3 | 90 |
| 4 | 91 |
| 5 | 90 |
| 6 | 87 |
| 7 | 88 |
由表1、2、3可以看出：催化剂双磺酸根离子液体在循环使用制备2-氨基-7-甲基-4-苯基-5-氧代-4H，5H-吡喃并[4，3-b]吡喃-3-腈、2-氨基-7-甲基-4-(4-氯苯基)-5-氧代-4H，5H-吡喃并[4，3-b]吡喃-3-腈和2-氨基-7-甲基-4-(4-硝基苯基)-5-氧代-4H，5H-吡喃并[4，3-b]吡喃-3-腈的过程中的收率微有降低，但降低幅度均比较小。因此，可以推断出该催化剂双磺酸根离子液体在催化制备吡喃[4，3-b]吡喃衍生物的过程中可以被循环使用，其催化活性未有明显降低。
Claims (2)
1.一种绿色催化制备吡喃[4，3-b]吡喃衍生物的方法，其特征在于，所述制备反应中芳香醛、4-羟基-6-甲基-2-吡喃酮和丙二腈的摩尔比为1：1：1，双磺酸根离子液体催化剂的摩尔量是所用芳香醛的3～5％，以毫升计的反应溶剂水体积量为以毫摩尔计的芳香醛摩尔量的5～8倍，反应压力为一个大气压，反应温度为60～80℃，反应时间为15～40min，反应结束后冷却至室温，有大量固体析出，碾碎固体，静置，抽滤，所得滤渣干燥后用乙醇重结晶后得到吡喃[4，3-b]吡喃衍生物；
所述芳香醛为苯甲醛、对氯苯甲醛、对甲基苯甲醛、对硝基苯甲醛、对溴苯甲醛、对羟基苯甲醛、对甲氧基苯甲醛、邻溴苯甲醛、间硝基苯甲醛、邻氯苯甲醛中的任一种；
所述吡喃[4，3-b]吡喃衍生物的结构式为：
所述双磺酸根离子液体催化剂的结构式为：
2.如权利要求1所述的一种绿色催化制备吡喃[4，3-b]吡喃衍生物的方法，其特征在于，所述抽滤后的滤液无需任何处理可重复使用至少6次。
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