劉曉霞，肖歡，楊水金

(湖北師范學院化學化工學院，稀有金屬化學湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，湖北黃石435002)

H6P2W18O62/SiO2催化合成5-乙氧羰基-4-(4-羥基苯基)-6-甲基-3，4-二氫嘧啶-2(1H)-酮①

劉曉霞，肖歡，楊水金

(湖北師范學院化學化工學院，稀有金屬化學湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，湖北黃石435002)

采用H6P2W18O62/SiO2為催化劑，以對羥基苯甲醛、乙酰乙酸乙酯、尿素為原料合成5-乙氧羰基-4-(4-羥基苯基)-6-甲基-3，4-二氫嘧啶-2(1H)-酮.探討H6P2W18O62/SiO2對本反應的催化活性，較系統(tǒng)地研究了反應物物質(zhì)的量比、催化劑用量、反應時間、反應溫度四因素對產(chǎn)物收率的影響.實驗表明:H6P2W18O62/SiO2是合成5-乙氧羰基-4-(4-羥基苯基)-6-甲基-3，4-二氫嘧啶-2(1H)-酮的良好催化劑；在n(對羥基苯甲醛)∶n(乙酰乙酸乙酯)∶n(尿素)=1∶1.5∶1.5，催化劑的用量占反應物料總質(zhì)量的1.5%，反應溫度為80℃，反應時間為60 min的最佳條件下，其收率可達94.4%.

H6P2W18O62/SiO2；5-乙氧羰基-4-(4-羥基苯基)-6-甲基-3，4-二氫嘧啶-2(1H)-酮；催化劑

1893年Biginelli首次報道由乙酰乙酸乙酯、芳香醛和脲在濃鹽酸催化下縮合反應得到3，4-二氫嘧啶-2-酮衍生物，此后這一合成方法稱為Biginelli反應[1-3].嘧啶酮[4]是一類具有重要應用價值和良好生物活性的含氮雜環(huán)化合物，可用作抗腫瘤藥物、止痛藥物、殺菌劑、除草劑、殺蟲劑等.一些從海洋生物中分離出的含二氫嘧啶酮結(jié)構(gòu)的生物堿還具有抗HIV病毒活性[5].Biginelli法合成3，4-二氫嘧啶-2-酮類化合物，雖然簡單、方便，但反應存在反應時間長（18 h），收率低（20%～50%）等缺點，研究者不斷尋找新的催化劑來合成3，4-二氫嘧啶-2-酮.

雜多酸是由雜原子(如P、Si、Fe等)和多原子(如Mo、W、V等)按一定的結(jié)構(gòu)通過氧原子配位橋聯(lián)組成的一類含氧多酸.按其陰離子的結(jié)構(gòu)(即一級結(jié)構(gòu))可分為Keggin、Dawson和Anderson等類型[6].目前用作催化劑的主要是具有Keggin結(jié)構(gòu)的雜多酸，例如十二磷鎢酸(H3PW12O40·xH2O)、十二硅鎢酸(H4SiW12O40· yH2O)、十二磷鉬酸(H3PMo12O40·zH2O)等[7];而Dawson型磷鎢酸(Dawson HPW)是一種具有超強酸性和顯著穩(wěn)定性的綠色環(huán)保型催化劑，可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)催化劑HF、HCl、H2SO4等在均相和非均相中發(fā)生反應，比Keggin型磷鎢酸催化活性還高[8].

雜多酸的一個重要性質(zhì)是其具有獨特的“準液相”（pseudoliquid phase)行為[9].“準液相”行為的存在，使其催化反應不僅能發(fā)生在催化劑的表面，而且能發(fā)生在整個催化劑的體相，因而使雜多酸具有更高的催化活性和選擇性.但由于雜多酸的比表面較小(為1～10 m2/g)，所以在實際應用中需要將雜多酸固載在適當?shù)妮d體上以提高其比表面積.雜多酸在酸溶液中穩(wěn)定，與堿共沸時易使其分解.因此，像Al2O3、MgO等堿性載體一般不宜作為固載雜多酸的載體.用來負載雜多酸的主要是中性和酸性載體，包括:SiO2、活性炭、TiO2[10]、離子交換樹脂.其中SiO2和活性炭最常用.催化劑的固載量可以通過浸漬前后雜多酸量的變化來確定[11].控制雜多酸的濃度和固載時間，可制得不同固載量的催化劑.一般來說，催化劑的活性隨其載酸量的增大而增大，但固載量過大，雜多酸的溶脫損失也隨之增大.因此，在實際應用時要選擇一適宜的載酸量.

本課題組前期研究[12-13]表明，H6P2W18O62/SiO2是一類理想的催化劑，有望得到長足的發(fā)展.SiO2具有大的比表面積和優(yōu)良的熱穩(wěn)定性，本研究合成H6P2W18O62/SiO2催化劑，研究反應物的摩爾比，反應溫度和反應時間等因素對產(chǎn)物收率的影響，合成了5-乙氧羰基-4-(4-羥基苯基)-6-甲基-3，4-二氫嘧啶-2(1H)-酮，獲得了較為理想的催化效果.該方法的使用為3，4-二氫嘧啶-2-酮衍生物的制備提供了一條方便、快捷、有效的合成方法.

1　實驗部分

1.1試劑與儀器H6P2W18O62，正硅酸乙酯，正丁醇，對羥基苯甲醛，乙酰乙酸乙酯，尿素，無水乙醇，無水氯化鈣，均為分析純，實驗用水均為二次蒸餾水；標準磨口中量有機制備儀；PKW-Ⅲ型電子節(jié)能控溫儀，XT4顯微熔點測定儀.Nicolet 5700型紅外拉曼光譜儀（美國尼高力公司產(chǎn)品，KBr液膜法）；粉末衍射分析用D8 ADVANCE型X線衍射儀（德國布魯克公司產(chǎn)品），由石墨單色器濾波，用銅靶Kα1輻射，在管電壓為40 kV，管電流為40 mA的條件下測定，掃描范圍2θ為5°～70°.Avance IIITM300MHz超導核磁共振譜儀（瑞士布魯克拜厄斯賓公司）；FinniganL CQ Advantage MAX質(zhì)譜儀；S-3400N型掃描電子顯微鏡（日本Hitachi公司）.

1.2H6P2W18O62/SiO2催化劑的制備參考文獻[12-13]中將1g自制的H6P2W18O62溶解于18 mL水中，將20 mL的正硅酸乙酯和15 mL的正丁醇充分混合，然后緩慢滴加到H6P2W18O62水溶液中.在攪拌的情況下，依次在室溫、45℃、80℃下分別保留1、1、2.5 h.所得濕凝膠在45℃和90℃下分別真空干燥16 h和3 h.用溫水洗所得干凝膠，濾液應為中性.然后，在一定的溫度下，焙燒一段時間，即得負載量為40%的H6P2W18O62/SiO2.

1.35-乙氧羰基-4-(4-羥基苯基)-6-甲基-3，4-二氫嘧啶-2(1H)-酮的合成與表征采用無溶劑法，在50mL圓底燒瓶中，按正交表計算量加入一定計量比的對羥基苯甲醛，乙酰乙酸乙酯、尿素和一定質(zhì)量的催化劑，充分混勻后在磁力攪拌器上反應一定時間，時間與正交表的每組所對應，反應完成后趁熱過濾分離出催化劑，濾液在冰水中冷卻結(jié)晶，靜置，抽濾，所得固體物質(zhì)用蒸餾水洗滌數(shù)次后用無水乙醇進行重結(jié)晶，過濾，干燥得純品，稱重計算收率.

MS(ESI)，m/z：276.89（[M+1]+），552.95（[2M+1]+），符合產(chǎn)物的相對分子量.IR(KBr)，v/cm-1：3 222.6 cm-1為NH伸縮振動峰，3115.6cm-1為苯環(huán)上CH伸縮振動峰，2974.6cm-1為飽和CH伸縮振動峰，1693.5cm-1為酯CO伸縮振動峰，1 648.1 cm-1為酮CO振動峰，1 457.7，1 400.6 cm-1為苯環(huán)的骨架振動，1 229.0，1 097.8，1 021.5 cm-1為COC伸縮振動峰，782.5，672.7 cm-1為苯環(huán)CH的面外彎曲振動.符合合成產(chǎn)物的特征官能團紅外數(shù)據(jù).

2　結(jié)果與討論

2.1催化劑的表征

2.1.1催化劑的IR光譜H6P2W18O62和H6P2W18O62/SiO2的紅外譜圖如圖1所示.從圖1中a可知，純H6P2W18O62的主要吸收峰為1 092.6 cm-1vas(POa)，966.6 cm-1vas(WOd)，913.7 cm-1v(WObW)和777.2 cm-1v(WOcW)，表明其具有Dawson結(jié)構(gòu).另外，在3 439.2 cm-1為OH的伸縮振動，在1 619.4 cm-1出現(xiàn)較弱的吸收峰，這是水的彎曲振動吸收，因此，該物質(zhì)含有一定的結(jié)晶水.由圖b可知H6P2W18O62/SiO2吸收峰發(fā)生了明顯地變化，但H6P2W18O62/SiO2在700～1 100 cm-1區(qū)域內(nèi)特征吸收峰有一部分被保留，發(fā)生了少許偏移，913.7 cm-1處的峰消失了，且SiO2的OH的吸收峰1 080.6 cm-1明顯的變寬，說明H6P2W18O62可能與SiO2發(fā)生了化學作用，不是簡單的物理吸附作用[13]，負載的H6P2W18O62仍保持Dawson結(jié)構(gòu).

圖1　H6P2W18O62(a)和H6P2W18O62/SiO2(b)的紅外表征圖

圖2　H6P2W18O62(a)和H6P2W18O62/SiO2(b)的XRD表征圖

圖3　H6P2W18O62(a，b)，SiO2(c)和H6P2W18O62/SiO2(d)的SEM圖

2.1.2催化劑的XRD圖譜H6P2W18O62和H6P2W18O62/SiO2的XRD圖譜如圖2所示.從圖2可知，H6P2W18O62的XRD衍射峰主要集中在2θ=7°～10°，14°～19°，24°～30°，33°～35°這4個區(qū)間內(nèi)，符合Dawson結(jié)構(gòu)雜多酸的2θ，表明所制備的H6P2W18O62結(jié)構(gòu)是完整的.而在H6P2W18O62/SiO2譜圖中只出現(xiàn)了一個較寬的衍射峰（2θ=24.15°），未見H6P2W18O62晶相峰，說明H6P2W18O62/SiO2為典型的無定型態(tài)，H6P2W18O62高度分散在SiO2載體表面且沒有出現(xiàn)凝聚[14].

2.1.3催化劑的SEM圖H6P2W18O62和H6P2W18O62/SiO2的SEM圖如圖3所示.由圖3(a)可知，H6P2W18O62的外部形態(tài)呈大小不一（5～15 μm）的多孔球狀結(jié)構(gòu).圖3(b)為H6P2W18O62的單個球放大圖，它呈似破非破狀，可能容易被摻雜改性.如圖3(c)，SiO2為大小約為300 nm的均一球狀顆粒，且排列規(guī)則，所以作為載體可以使H6P2W18O62均勻地分散開.圖3(d)表明，H6P2W18O62負載于SiO2后，H6P2W18O62均勻分散在SiO2載體上.

2.2合成5-乙氧羰基-4-(4-羥基苯基)-6-甲基-3，4-二氫嘧啶-2(1H)-酮條件的優(yōu)化在固定對羥基苯甲醛用量為0.04 mol的情況下，該反應的影響因素主要有反應物物質(zhì)的摩爾比A，反應溫度B，催化劑H6P2W18O62/SiO2用量C和反應時間D，本文中采用4因素（A，B，C，D）和3水平（1，2，3）的正交實驗法L9（34），考察了4因素對合成5-乙氧羰基-4-(4-羥基苯基)-6-甲基-3，4-二氫嘧啶-2(1H)-酮的影響，結(jié)果分別見表1和表2.

由表2可知，4個因素中以反應物物質(zhì)的摩爾比A對反應的影響最為明顯，其大小順序為A＞D＞C＞B.由位級分析可知，最佳的位級組合是A3B2C1D1，亦即適宜的反應條件是固定對羥基苯甲醛的用量為0.04mol的情況下，n (對羥基苯甲醛):n(乙酰乙酸乙酯)∶n(尿素)=1∶1.5∶1.5，催化劑的用量占反應物料總質(zhì)量的1.5%，反應溫度為80℃，反應時間為60 min.在此優(yōu)化條件下，平行做3次，其收率分別為94.0%、94.9%、94.2%，平均收率為94.4%.

表1　正交試驗L9（34）的因素和水平

3　結(jié)論

H6P2W18O62/SiO2催化合成5-乙氧羰基-4-(4-羥基苯基)-6-甲基3，4-二氫嘧啶-2(1H)-酮的適宜條件是：n（對羥基苯甲醛）∶n(乙酰乙酸乙酯)∶n(尿素)=1∶1.5∶1.5，催化劑用量占反應物料總質(zhì)量的1.5%，反應溫度為80℃，反應時間為60 min，在該條件下5-乙氧羰基-4-(4-羥基苯基)-6-甲基-3，4-二氫嘧啶-2(1H)-酮的收率可達94.4%.H6P2W18O62/SiO2對合成5-乙氧羰基-4-(4-羥基苯基)-6-甲基-3，4-二氫嘧啶-2(1H)-酮具有良好的催化活性，與其他催化劑相比，具有催化劑用量少，反應時間短，5-乙氧羰基-4-(4-羥基苯基)-6-甲基3，4-二氫嘧啶-2(1H)-酮收率較高，且無廢酸排放，工藝流程簡單之優(yōu)點.因此，H6P2W18O62/SiO2是合成5-乙氧羰基-4-(4-羥基苯基)-6-甲基3，4-二氫嘧啶-2(1H)-酮的優(yōu)良催化劑，具有良好的應用前景.

表2　正交試驗L9（34）結(jié)果與分析

[1]路軍，馬懷讓.三氯化鐵催化的一鍋法合成3，4-二氫嘧啶-2-酮[J].有機化學，2000，20(5):815-818.

[2]Nan L，Xiao-Hua C，Jin S，et al.Highly enantioselective organocatalytic Biginelli and Biginelli-like condensations:reversal of the stereochemistry by tuning the 3，3-Disubstituents of phosphoric acids[J].J Am Chem Soc，2009，131:15301-15310.

[3]傅南雁，袁耀鋒，龐美麗，等.利用三溴化銦催化的Biginelli反應原位合成3，4-二氫嘧啶-2-酮[J].高等學?；瘜W學報，2003(1):79-81.

[4]李公春，王志敏，彭秋瑾.4-(4-二甲氨基)苯基-6-甲基-5-乙氧羰基-3，4-二氫嘧啶-2-酮的合成[J].河北化工，2010，33(7):22-23.

[5]施磊，朱國華，丁欣宇，等.三氯化鋁催化合成3，4-二氫嘧啶-2-酮[J].化學試劑，2007，9(4):255-256.

[6]楊水金，黃永葵，鄧麗嬌，等.二氧化硅負載硅鎢酸催化合成環(huán)己酮1，2-丙二醇縮酮[J].井岡山大學學報:自然科學版，2011，32(6):38-40.

[7]丁欣宇，施磊，景曉輝.對甲苯磺酸催化合成4-苯基-6-甲基-5-乙氧羰基-3，4-二氫嘧啶-2(H)-酮[J].化工文摘，2005 (5):30-32.

[8]Laura E B，Graciela T B，Horacio J T.The state of the art on Wells-Dawson heteropoly-compounds:a review of their properties and applications[J].Appl Catal A-Gen，2003，256:37-50.

[9]Brindaban C R，Alakananda H and Suvendu S D.A practical andgreen approach towards synthesis of dihydropyrimidinoneswithout any solvent or catalyst[J].Org Process Res Dev，2002(6):817-818.

[10]Yun M，Changtao Q，Limin W，et al.Lanthanide triflate catalyzed Biginelli reaction.one-pot synthesis of dihydropyrimidinones under solvent-free conditions[J].J Org Chem，2000，65:3864-3868.

[11]Okuma E K，Jules T M，Lies B.Theoretical study of the regioselectivity of the interaction of 3-methyl-4-pyrimidone and 1-methyl-2-pyrimidone with Lewis acids[J].J Phys Chem A，2012，116:8608-8614.

[12]Yang S J，Huang Y K，Wang Y Z，et al.Photocatalytic degradation of rhodamine B with H3PW12O40/SiO2sensitized by H2O2[J].Int J Photoenergy，2012:ID 927132.

[13]徐玉林，龔文朋，楊水金.H3PW6Mo6O40/SiO2催化合成4-苯基-6-甲基-5-乙氧羰基-3，4-二氫嘧啶-2(H)-酮[J].湖北大學學報:自然科學版，2014，36(3):252-257.

[14]潘曉民，謝有暢.X射線相定量法測單層分散閾值[J].大學化學，2001，16(3):36-39.

(責任編輯胡小洋)

Catalytic synthesis of 5-ethoxycarbonyl-4-(4-hydroxyphenyl)-6-methyl-3，4-dihydropyrimidine-2(1H)-ketone with H6P2W18O62/SiO2

LIU Xiaoxia，Xiao Huan，YANG Shuijin
(College of Chemistry and Chemical Engineering，Hubei Collaborative Innovation Center for Rare Metal Chemistry，Hubei Normal University，Huangshi 435002，China)

5-Ethoxycarbonyl-4-(4-hydroxyphenyl)-6-methyl-3，4-dihydropyrimidine-2(1H)-ketone was synthesized by using H6P2W18O62/SiO2as the catalyst and p-hydroxy benzaldehyde，ethyl acetoacetate and urea as raw materials.Catalytic activity of this reaction using H6P2W18O62/SiO2as the catalyst was explored.The effects of reaction on the yield of the product were investigated and the optimum conditions were determined as follows:fixingp-hydroxybenzaldehydeconsumptionis0.04mol，n(p-hydroxybenzaldehyde):n(ethylacetoacetate): n(urea)=1∶1.5∶1.5，the mass ratio of the catalyst to total reactant is 1.5%，the reaction temperature is 80℃，and the reaction time is 1.0 h.The yield of the product was up to 94.4%.

H6P2W18O62/SiO2;5-ethoxycarbonyl-4-(4-hydroxyphenyl)-6-methyl-3，4-dihydropyrimidine-2(1H)-ketone;catalyst

TQ426.91

A

10.3969/j.issn.1000-2375.2015.01.002

1000-2375（2015）01-0007-05

2014-09-28

2013年國家大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目（201313256001）和湖北師范學院碩士研究生創(chuàng)新科研基金項目（1051320130216）資助

劉曉霞（1987-），女，碩士生；楊水金，通信作者，教授，E-mail：yangshuijin@163.com