无溶剂超声促进磺酸树脂催化合成双亚苄基环烷酮类化合物

1、无溶剂超声促进磺酸树脂催化合成双亚苄基环烷酮类化合物左传鹏，尹笃林*，杨拥军，刘贤响，龚妍（湖南师范大学精细催化合成研究所，长沙 410081）, -双亚苄基环烷酮类化合物是制备具有生物活性嘧啶衍生物的重要有机前体1，对其合成方法的研究一直是一个热点问题。传统方法是在强碱性条件下,通过芳醛与环酮之间的Aldol缩合反应完成。但因伴随着Cannizzaro反应而使产率下降2。为此，近年来有不少改进方法报道，如在微波或超声辐射下以KF/Al2O3, Na2CO3/TBAB, RuCl3, SmI3，TiCl3-(SO3CF3)，Pd/C(TMSCl)，Cp2ZrH2等作催化剂促进反应3,而使用强酸

2、性阳离子交换树脂催化合成该类化合物文献报道不多。康丽琴4等报道以乙醇为溶剂，回流温度下利用Amberlyst 15催化芳香醛和环缩酮反应合成了, -双亚苄基环烷酮类化合物。但以上方法往往存在着产率低、反应时间长、后处理复杂，以及催化剂成本昂贵，回收利用操作烦琐等不足。本文以磺酸树脂为催化剂，超声辐射促进环己酮和芳香醛缩合得到了目标化合物，条件优化后，产率74-90%。催化剂回收利用简单，且活性较高，用于催化Aldol反应，收到良好的效果。反应式如下：Table 1 不同磺酸型催化剂性能的比较及不同取代基对反应收率的影响RCatalystYielda/ %4-H磺酸树脂84/75b4-H对甲苯磺

3、酸874-H氨基磺酸854-H硫酸氢钠644-H硫酸trace4-OH磺酸树脂744-OCH3磺酸树脂784-Cl磺酸树脂894-NO2磺酸树脂883-CN磺酸树脂803, 4-Cl2磺酸树脂82a solvent-free conditions and ultrasound irradiation; b Reflux conditions in ethanol. 参考文献：1. Fuson, R. C.; San, T.; Diekmann, J. J. Org. Chem. 1962, 27, 1221.2. Hathaway, B. A., J. Chem. Educ. 1987, 64

4、, 367. 3. (a) Zeng, H. Y.; Yin, S. F.; Li, Y. J. Org. Chem. 2007, 27, 528 (in Chinese).; (b) Zhou, J. F.; Zhu, H. Q.; Xia, M., et al J. Org. Chem. 2005, 25, 583 (in Chinese). *国家自然科学基金资助课题（20572021）联系人：尹笃林，Email: dulinyin，电话 Kang, L. Q.; Wei, B. G. Chem. Bull. 2007, 10, 801无溶剂超声促进磺酸树脂

5、催化合成双亚苄基环烷酮类化合物左传鹏 尹笃林* 杨拥军 刘贤响 龚妍 （湖南师范大学精细催化合成研究所 长沙 410081）摘要 以磺酸树脂作催化剂，在无溶剂超声辐射下合成了一系列双亚苄基环烷酮化合物。系统考察了催化剂量、辐射时间、辐射功率对产率的影响，优化条件后，产率74-90%。并与常见的X-SO3H型催化剂做了比较，结果表明，磺酸树脂具有活性高、易回收和可重复利用等突出的优点，为该类化合物的合成提供了一种新的方法。关键词 磺酸树脂；环烷酮；超声辐射；无溶剂Synthesis of , -bis(benzyliden)cycloalkanones Catalyzed by Sulfonic

6、 acid resin under Solvent-Free Conditions and Ultrasound IrradiationZUO, Chuan-Peng YIN, Du-lin* YANG, Yong-Jun LIU, Xian-Xiang GONG, Yan （Institute of Fine Catalysis and Synthesis, Hunan Normal University, ChangSha 410081)Abstract Using sulfonic acid resin as catalyst, a series of , -bis(substitute

7、d benzylidene)cycloalkanone derivatives were synthesized by cross aldol condensations of cyclohexanone with aromatic aldehydes under solvent-free conditions and ultrasound irradiation. The influence of the amount of catalyst, irradiation time and irradiation power were investigated with 74%92% yield

8、s under the optimized conditions. Comparaed with other X-SO3H catalysts, sulfonic acid resin exhibited higher activity, easer recycle. This method was convenient and environmental friendly for synthesizing the target compounds.Keywords sulfonic acid resin; cycloalkanone; ultrasound irradiation; solv

9、ent-free, -双亚苄基环烷酮类化合物是制备具有生物活性嘧啶衍生物的重要前体1以及药物和香料的合成中间体2，对其合成方法的研究一直是一个热点问题。传统方法是在强碱性条件下,通过芳醛与环酮之间的Aldol缩合反应完成,但因伴随着Cannizzaro反应而使产率下降3。为此，近年来有不少改进方法报道，如在微波或超声辐射下以KF/Al2O34, Na2CO3/TBAB5, RuCl36, SmI37，TiCl3-(SO3CF3)8，Pd/C(TMSCl)9，Cp2ZrPh210等作催化剂促进反应，而使用强酸性阳离子交换树脂催化合成该类化合物文献报道不多。康丽琴11等报道了以乙醇为溶剂，回流温度

10、下用Amberlyst 15催化芳香醛和环缩酮反应合成了, -双亚苄基环烷酮类化合物。以上方法往往存在着产率低、反应时间长、后处理复杂，以及催化剂昂贵，回收利用操作烦琐等缺点。随着人们环保意识的逐渐增强, 伴随着绿色化学的发展，无溶剂有机反应引起了人们极大的重视。由于反应中没有溶剂分子参与, 反应物的局部浓度较高, 可以有效地提高反应速率，反应具有更高的效率及反应选择性，而且可以有效地避免有机溶剂易燃、有毒、且难以回收等缺点12。与传统的加热回流方法相比, 超声辐射法具有简便易控、改善反应条件、缩短反应时间、加快反应速度、提高反应产率，以及用传统方法难以进行的化学反应得以实现的优点13。无溶剂

11、条件下超声促进有机反应以其安全、反应装置简单、环境友好而倍受关注。本文以磺酸树脂为催化剂，通过超声辐射促进环己酮和芳香醛缩合得到了目标化合物，条件优化后，产率74-90%。催化剂回收利用简单，且活性较高，用于催化Aldol反应，收到良好的效果。* Email: 国家自然科学基金资助课题（No. 20572021）scheme 1 Synthetic route of Aldol condensation for , -bis(benzyliden)cycloalkanones (3)2 实验部分2.1仪器与试剂AVATAR 370型傅立叶变换红外光谱仪（美国Nicolet公司），500 MHz

12、型超导核磁共振仪（瑞士Bruker公司），2100T型气质联用仪（美国Agilent公司），YRT-3型数字熔点仪（天津市天大天发科技有限公司）。环己酮、苯甲醛和其它各种取代醛(对羟基苯甲醛、对甲氧基苯甲醛、对氯苯甲醛、对硝基苯甲醛、间氰基苯甲醛、3,4-二氯苯甲醛)、无水乙醇、二氯甲烷和丙酮均为分析纯。磺酸树脂为南开大学化工厂生产的D-72磺酸树脂，100下烘干备用（酸量为4.50 mmol/g），其它磺酸催化剂均为分析纯试剂。2.2缩合反应称取环己酮（2mmol）、芳香醛（4mmol）和一定量的催化剂于20 ml试管中，瓶口套上小气球，放入控温65-70的超声清洗器中，功率280 W下反应

13、2 h。反应完后，加入CH2Cl2溶解，抽滤分离催化剂，催化剂用CH2Cl2洗涤，干燥；滤液经旋蒸除去溶剂，得粗产品，经无水乙醇重结晶得纯品。产物经熔点、IR、1H NMR和MS进行鉴定。3 结果与讨论3.1磺酸树脂与常见X-SO3H型催化剂性能比较比较了不同磺酸类催化剂在该缩合反应中的活性，结果见表1。由数据可知，在相同酸量条件下，磺酸树脂（X=Ar）效果良好。有机强酸如对甲苯磺酸（X=Ar）和氨基磺酸（X-NH2）起催化作用的磺酸基因具有较大的酸强度，催化缩合反应能力较强，但均因具有一定的溶解性而存在回收操作烦琐等不足。硫酸氢钠（X=ONa）作为一种酸式盐，酸强度相对较小，故催化活性一般。

14、硫酸（X=OH）作为一种传统无机强酸，在均相催化的水热法中效果较好，但在无溶剂存在下，有机层与硫酸水溶液形成上下两层，因接触面有限而造成产率很低。磺酸树脂催化合成双亚苄基环烷酮衍生物,不但具有一般固体酸催化剂环境友好、易分离等共性特点,与其他固体磺酸相比,还具有活性高、收率高等优点。 表1 常见X-SO3H型磺酸催化剂性能比较Table 1 Comparision of different catalysts on the yield催化剂磺酸树脂对甲苯磺酸氨基磺酸硫酸氢钠硫酸产率/%84878564traceReaction temperature 65-70, irradiation po

15、wer: 280 W, catalyst: 60 mol%, reaction time 2 h.3.2 磺酸树脂用量对产率的影响考察了磺酸树脂用量对合成产率的影响，结果见表2。结果显示，催化剂用量不足时，产率明显不高。在催化剂用量占环己酮物质的量的60%时，产率较高。再增加催化剂的用量，产率反而下降，原因在于无溶剂存在下，催化剂量过大反而阻碍了环己酮分子与苯甲醛分子之间的接触机会，副反应增多，因而产率不高，故催化剂用量以60 mol%为宜。表2 磺酸树脂用量对产率的影响Table 2 Effect of the amount of catalyst on the yield 催化剂用量/mo

16、l%20406080100产率/%4065797665Reaction temperature 65-70, irradiation power: 280 W, reaction time 100 min.3.3 辐射时间对产率的影响系统考察了辐射时间对产率的影响，结果见表3。结果表明，随着超声辐射时间的延长，产率提高，而当反应时间超过120 min后产率几乎不再增加，因此，辐射时间以120 min为宜。表3 超声辐射时间对产率的影响Table 3 Influence of the irradiation time on the yield 辐射时间/min406080100120150产率/

17、%657074808484Reaction temperature 65-70, irradiation power: 280 W, catalyst: 60 mol%3.4 辐射功率对产率的影响 进一步考察了辐射功率对合成产率的影响，结果见表4。由表可知，随着超声功率的加大，产率逐渐提高。但当功率达到280 W之后，产率增加已不明显，故本实验选用超声功率280 W。表5 超声辐射功率对产率的影响Table 4 Influence of the irradiation power on the yield 辐射功率/W160200240280320产率/%6370758485Reaction

18、temperature 65-70, irradiation power: 280 W, catalyst: 60 mol%, reaction time 2 h, 3.5 磺酸树脂对不同底物的适用性以磺酸树脂为催化剂，考察了不同取代芳香醛与环己酮的缩合产率，并与文献报道的其它催化体系中相应化合物的合成产率进行了比较，结果见表5。首先以环己酮和苯甲醛为例，采用传统加热回流方法，在乙醇-磺酸树脂催化体系中，目标化合物3a产率75%，远低于无溶剂超声促进磺酸树脂催化下的合成产率84%。这表明，超声辐射对本反应有明显的促进作用。其机理在于超声引起的空化效应能在瞬时产生交互性的压缩力和减压力，并向液体

19、进行透射，伴随着真空核群泡的产生与破碎而产生强大的冲击力；此外，超声波在液体中沿声的传播方向产生的直进流垂直于振动面，这有助于溶液产生对流及搅拌作用，从而有助于提高反应速率。由数据可知，底物中苯环上的不同取代基效应对缩合反应影响很大。环己酮与芳香醛的缩合反应属于亲核加成-消去反应，醛基首先质子化形成碳正离子，当苯环上连有吸电子基时，可以增强羰基碳正离子的正电性，从而有利于环己酮烯醇式的进攻，反应速度较快且产率较高（3d,3e, 3f）。相反，当苯环上连有给电子基时，产率则略有下降（3c）。此外，以磺酸树脂为催化剂，克服了碱性条件下芳香醛上羟基解离形成可与苯环共轭的强供电性氧负离子，从而得以使反

20、应顺利进行（3b）14。3g结果表明芳环上取代基的空间效应对合成产率同样也有一定影响。表5 不同芳香醛底物对应化合物合成产率比较Table 5 Synthesisi of different, -bis(benzyliden)cycloalkanone catalyzed by sulfonic acid resinProductRYielda (Lit.)/%m. p. (Lit.)/3a4-H84/75b116-117/116-117153b4-OH74/76 250/300163c4-OCH378/79 158-159/160-161163d4-Cl89/80 146-147/149-1

21、51173e4-NO288/78 160-162/163-164173f3-CN80171-1733g3, 4-Cl282143-144a Reaction temperature 65-70,irradiation power: 280 W, catalyst: 60 mol%, reaction time 2 h.b Reflux conditions in ethanol.3f和3g产物结构表征：3f: 黄色针状结晶，m.p.171-173, 1H NMR (CDCl3, 500 MHz) : 1.821.87 (m, 2H, 4-CH2), 2.912.93 (t, J=5.5 Hz,

22、 4H, 3,5- CH2), 7.237.73 (m, 10H, Ar-H and CH=); IR (KBr) : 3070, 2930, 2230, 1660, 1610, 1570, 1270, 885 cm-1; ; MS m/z: 324 (M).3g: 黄色针状结晶，m.p.143-144, 1H NMR (CDCl3, 500 MHz) : 1.811.83 (m, 2H, 4-CH2), 2.872.90 (t, J=6.0 Hz, 4H, 3,5- CH2), 7.267.53 (m, 6H, Ar-H), 7.65 (s, 2H, CH=); IR (KBr) : 306

23、0, 2950, 1665, 1605, 1570, 1470, 1160, 823 cm-1 ; MS m/z: 412 (M).所有表征数据与目标化合物结构相符。3.6 磺酸树脂催化性能的稳定性考察 反应结束后，分离出产物，回收的磺酸树脂用CH2Cl2洗3次，烘干后不做其他处理用于下一次反应。连续四次反应的结果见表6。从表中数据我们可以看出，该催化剂重复利用效果良好，但在使用3次后催化剂的活性显著降低，原因在于反应过程中有部分催化剂流失，因为后处理发现催化剂存在破碎现象。此外，反应完后催化剂颜色加深，说明副产物在催化剂表面存在一定量的吸附，造成部分酸中心被毒化，催化剂的活性因而大大降低。表

24、6 磺酸树脂催化性能稳定性考察Table 6 The influence of catalyst repeat use to yield of chalcone使用次数1234产率/% 84807568Reaction temperature 65-70, irradiation power: 280 W, catalyst: 60 mol%, reaction time 2 h 4 结论以磺酸树脂作催化剂，在无溶剂超声辐射下合成了一系列双亚苄基环烷酮化合物。系统考察了催化剂量、辐射时间、辐射功率对产率的影响，优化条件下，产率可达74-90%。并与常见的X-SO3H型催化剂进行了比较，结果表明

25、，磺酸树脂用于催化Aldol反应，具有活性高、易回收和可重复利用等突出的优点，收到良好的效果，为双亚苄基环烷酮化合物的合成提供了一种新的方法。References1 Fuson, R. C.; San, T.; Diekmann, J. J. Org. Chem. 1962, 27, 1221.2 Ogawa, M.; Ishii, Y.; Nakano, T.; Irifune, S. JPn. Kohai Tokkyo. JP 63238034, 1988.3 Hathaway, B. A., J. Chem. Educ. 1987, 64, 367. 4 Li, J. T.; Yang,

26、 W. Z.; Chen, G. F.; Li. T. S. Synth.Commun. 2003, 33, 2619.5 Zhou, J. F.; Zhu, H. Q.; Xia, M.; Lu, H. F.; Zhu, Y. L.; Tu, S. J. Chin. J. Org. Chem. 2005, 25, 583 (in Chinese).(周建峰, 朱惠琴, 夏敏, 陆惠峰, 朱玉兰, 屠树江, 有机化学, 2005, 25, 583.)6 Iranpoor, N.; Kazemi, F. Tetrahedron 1998, 54, 9475.7 (a) Bao, W. L.; Zhang, Y. M. Chin. J. Org. Chem. 1998, 18, 272 (in Chinese).(包伟良, 张永敏, 有机化学, 1998, 18, 272.)(b) Wang, X. X.; Zhang, Y.