FeCl3催化的串联反应合成香豆素类化合物化学与材料学等专业毕业设计毕业论文.doc

目 录1. 前言22. 实验部分32.1 仪器与试剂32.2 3-取代香豆素的合成方法32.3 产物的表征43. 实验结果与讨论53.1 实验讨论53.2 实验结论 64. 参考文献65. 致谢8FeCl3催化的串联反应合成香豆素类化合物靳磊（安徽师范大学 化学与材料科学学院 芜湖 241000）摘要：本文对氯化铁作为催化剂，串联反应合成香豆素衍生物作出研究。这个方法使用氯化铁作为催化剂，使用水杨醛和丙二氰作为底物，70下在无水乙醇溶剂中反应7小时左右。这个新方法具有选择性好，产率高，操作性强等特点.我们对相应的可能机理也做出研究，并合成了一些Na2CO3作为催化剂的产物。这些产物是在用碱做催化剂时比用酸会有更好的产率。我们所得到的所有化合物均利用核磁共振和碳谱对产物的结构进行了表征，并得到很好的证实。关键词：水杨醛；香豆素；串联反应；FeCl3；合成反应FeCl3Catalyzed Efficient Multicomponent Reaction Synthesize Coumarin DerivativesJinlei（College of Chemistry and Materials Science, Anhui normol university, Wuhu, 241000, China）Abstract: We have developed an efficient FeCl3Catalyzed method for the synthesis of the coumarin derivatives.The protocol uses iron()chlorine as the catalyst,and furnished the expected product in good to satiesfied yields by a two-component reaction of salicylaldehyde and malononitrile derivatives in ethanol absolute at 70 for 8h in the presence of coumarin.This novel synthetic protol is selective,effcient and general.A plausibe mechanism for the progress is proposed.And we also have a correspondent reseach on Na2CO3 catalyst when the yield is better than FeCl3.The structure of all the compounds obtained which were characterized by the 1H NMR and 13C NMR spectra confirmed us.Keywords: salicylaldehyde; coumarin; multicomponent; FeCl3;syntheisis 1. 前言 香豆素(coumarin )是广泛存在于自然界的一种内酯化合物，又名氧杂萘邻酮，以苷的形式存在于许多植物中1。具有黑香豆的浓重香味，可以用作香料。它和香兰素一起可用于糖果，糕点之类，加入烟草中可以增加亮度。香豆素类药物是一类口服抗凝药物2。它具有抗艾滋、抗肿瘤、增强免疫等生理活性;并且通过香豆素环上不同位置的取代修饰,可以得到具有不同范围的吸收和荧光发射波长,从而显示不同颜色和具有较强荧光的衍生物3,香豆素类化合物除了广泛用作荧光增白剂4、荧光染料和激光染料5外,又由于具有较好的光电性能,还被应用于电致发光材料6-10、太阳能电池的有机光敏染料11以及生物蛋白研究中的荧光探针12等领域。香豆素在自然界中以母体单独存在的情况比较少见，一般都以衍生物的形式存在，因此香豆素的骨架主要是通过化学合成的方法得到。香豆素骨架的经典合成方法是Perkin法13。香豆素类物质的合成研究中，新型催化剂的研究一直受到广泛关注，已成为热点研究方向。最近以FeCl3为催化剂为代表的选择性好，收率高，易于回收的特点受到广泛关注14，其反应的机理为Lewis酸引起的亲核反应,如有报道FeCl3催化合成美托洛尔的反应15。串联反应与多组分反应是当今有机化学的研究前言和热点领域之一，在天然产物的全合成，杂环化合物的合成，组分化学等领域具有广泛的应用16。串联反应对于解决有机合成中的结构和效率问题具有强有力的优越性，串联反应具有中间体不需分离，操作步骤简单；溶剂、洗脱剂的用量少和副产物少等，利于环保；同时可以得到具有独特化学结构的复杂化合物，具有很高的选择性等优点17。因此，在复杂结构及天然产物的全合成中，串联反应常常可以起到非常关键的作用。目前，串联反应已成功地应用于不对称合成以及杂环化合物的合成中，特别是对于光学活性的天然产物和复杂分子，串联反应充分显示了较一般方法的优越性18。杂环化合物是有机化合物中最庞大的一类，约占65%以上，而且在自然界分布也十分广泛，其化学结构千变万化，各自有着特殊的性质和重要用途19。许多杂环化合物具有生物和药理活性因而被广泛地应用于人们的日常生活，因此近年来有关杂环化合物的合成已成为人们的研究热点之一。 近年来， 随着研究的不断深入，又出现了许多新的串联反应，如基于烯胺和亚胺相结合的催化模式以及少量的氢键催化的串联反应，相关报道相对较多20.但是基于有机小分子催化的多步串联反应构建复杂化合物分子差向异构体的研究目前报道的非常少，研究开发新型有机小分子催化的多步串联反应合成具有药物活性骨架的杂环化合物具有非常重要的理论和实际意义21。本文即通过串联反应在FeCl3作为催化剂下通过类水杨醛与丙二氰或丙二酸二乙酯反应探究香豆素的合成。2. 实验部分2.1 仪器与试剂ZF-型三用紫外分析仪，红外线快速烘干箱，旋转蒸发器，循环式真空泵，磁力搅拌器，调压器，试管，烧杯，液相色谱柱，分液漏斗等，Bruker-300MHz核磁共振仪，CDCl3为溶剂，TMS为类标。 水杨醛，丙二氰，邻羟基苯乙酮，丙二酸二乙酯，5-氯水杨醛，Na2CO3，FeCl3，石油醚，乙二酸二乙酯，二氯甲烷，无水乙醇等试剂均为市场上销售，未加任何提纯。2.3 3-取代香豆素的合成方法50ml的圆底烧瓶中加入3mmol的取代水杨醛，3mmol的丙二氰（或丙二酸二乙酯，具体情况如表格），以及等当量的FeCl3后，再加入5ml左右的乙醇溶液作为溶剂，在70-100左右反应6-8 h左右，用紫外分析仪确认其反应情况后，停止反应。过滤除去不容物，将反应液经无水Na2SO4干燥后，利用石油醚和乙酰乙酸乙酯配制展开剂，用硅胶作为固定相，采用液相色谱法分离产品。将所得产品采用旋转蒸发仪将溶剂抽干，并干燥2小时，用真空泵抽气。将所得产物进行称重，计算产率并进行谱图分析。（反应见Sheme 1）（Sheme 1）产物3的反应时间和产率The reaction times and yields of products 3EntryR1 R2R3R4 ProductTime/hheat/ yields/%1H CNCNH 3a87062.7.2CH3CNCNH 3b12905.123H COOC2H5COOC2H5H 3c128078.54CH3COOC2H5COOC2H5H 3d181006.035H CNCNCl3e188076.16H COOC2H5COOC2H5Cl3f1810082.92.3 产物的表征2-氰基氧杂萘邻酮（3a）：淡黄色固体; 1H NMR（300MHz, CDCl3）: 8.228(s, 1H, CH), 7.67（t, J=7.5Hz，1H，ArH），7.56（d，J=7.2Hz，1H，ArH），7.35（s，1H,ArH）,7.19(s,1H,ArH); 13C NMR/ppm (75MHz ，CDCl3) : 152.0 135.6 129.4 125.8 117.5 2-氰基-3-甲基氧杂萘邻酮（3b）：黄色固体；1H NMR（300MHz，CDCl3）：7.75(d,J=7.8Hz,1H,ArH),7.47(q,J=8.2Hz,1H,ArH),7.23(d,J=21Hz,1H,ArH),6.94(m,J=8.25Hz),2.647(s,3H,CH3,); 13CNMR/ppm (75MHz ，CDCl3) :136.5 130.8 118.9 118.4 26.7 1.02-氧代-2H-色烯-3-甲酸乙酯（3c）：无色晶体；1H NMR（CDCl3）： 7.49(d,J=7.35Hz,2H,ArH),7.16(q,J=8.27Hz,2H,ArH),4.22(q,J=6.82Hz,2H,CH2),1.23(t,J=6.87Hz,3H,CH3)8.37（s,1H,CH）; 13C NMR/ppm (75MHz，CDCl3) :162.7 156.6 154.9 148.6 134.4 129.6 124.9 117.8 117.7 116.4 61.7 13.9 14.12-氧代-2H-色烯-4-甲基-3-甲酸乙酯（3d）：无色晶体；1H NMR（CDCl3）：7.49(d,J=7.35Hz,2H,ArH),7.16(q,J=8.27Hz,2H,ArH)，2.42（s，3H，CH3）,4.22(q,J=6.82Hz,2H,CH2),1.23(t,J=6.87Hz,3H,CH3); 13C NMR/ppm (75MHz，CDCl3) :159.4 153.5 121.0 103.7 162.0 116.3 128.6 128.3 125.4 165.0 65.4 20.7 14.26-氯-2-氰基-3-甲基氧杂萘邻酮（3e）：淡黄色固体；1H NMR（CDCl3）： 8.21（s,1H,-C=CH）,7.67(d,J=8.61Hz,1H,ArH),7.60(s,1H,ArH),7.35 (d,J=8.92Hz,1H,ArH); 13C NMR/ppm (75MHz，CDCl3) :131.0 156.6 151.1 123.6 100.2 119.8 129.5 118.0 126.8 113.06-氯-2-氧代-2H-色烯-3-甲酸乙酯（3f）白色晶体；1H NMR（CDCl3）：8.44(s,1H,-C=CH),7.58(d,J=7.41Hz,1H,ArH),7.29(t,J=7.44Hz,1H,ArH),7.03(d,J=8.61Hz,1H,ArH),4.41(q,J=8.96Hz,2H,CH2),1.12(t,J=7.02Hz,3H,CH3); 13C NMR/ppm (75MHz，CDCl3) :131.0 155.7 151.1 123.6 112.5 129.5 118.0 126.8 119.1 165.0 61.4 14.2)3.实验结果与讨论3.1 实验讨论（1）当底物加入FeCl3后溶液呈现紫红色，这是酚与FeCl3特定显色反应： 紫红色（5） （为了方便下面的书写5用代替） （2）产物3的结构通过氢谱和碳谱分析可证实，根据3的结构我们认为在反应过程中可能经过取代水杨醛与丙二氰（或丙二酸二乙酯）发生Knoevenagel缩合反应分子类的羰基和氰基（或酯基）的环化反应生成中间体4，最后再生成产物3 ，具体的反应途径如下（sheme 1，sheme2）： （Sheme 1）（Sheme 2）（3）产物3b，3d用FeCl3作为催化剂是产率很低，但是如果用Na2CO3作为催化剂时产率有所提高，我们认为可能的原因是R1为甲基时，会形成-p超共轭效应，会影响羰基的极性，从而Knoevenagel缩合难以反应，但是如果用碱则有利于生成碳负离子，增加其亲核性，而有利于亲核试剂的进攻，具体反应历程如下：（4）当苯上面连有氯取代基时，因为氯的吸电子作用，使苯的电子云密度减小，从而减少了与羰基的共轭能力，增加了羰基的极性，从而更有利于亲核试剂的进攻，使产率增加。（5）使用丙二氰作为亲核试剂的产率小于丙二酸二乙酯的产率，其原因为丙二酸二乙酯的亚甲基更容易失去H原子，变成亲核试剂；从Sheme 1 我们可以看到其形成了 中间体，很明显这会减小产率，而从Sheme 2 我们看到丙二酸二乙酯通过SN2反应的加成-消除历程直接可以得到产物，从而增加了产率。3.2 实验结论本实验以水杨醛和丙二氰作为起始原料，利用FeCl3作为催化剂，经过Knoevenagel缩合，亲核反应，氧化反应等反应完成了香豆素衍生物的合成，总收率达到62.7，其波普数据与已报道的天然产物相一致。参考文献1 Grifths J , Millar V. 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