1. 引言
1893年,意大利化学家Biginelli首次用浓盐酸作为催化剂,用“一锅法”合成了3,4-二氢嘧啶-2-酮衍生物(DHPMs),并将此反应命名为Biginelli反应。上世纪90年代Kappe [1] 对DHPMs进行了详细的综述,研究表明DHPMs具有抗病毒、抗菌、消炎、抗肿瘤等重要的生理和药理活性 [2] 。
用浓盐酸为催化剂的传统合成方法存在环境污染、反应时间长、腐蚀设备等缺点。为了克服这些弊端,研究者改进和优化了Biginelli反应的合成方法,如微波促进法 [3] 、超声促进法 [4] 、研磨合成法 [5] 、固相合成法 [6] 、路易斯酸催化 [7] 、碱催化 [8] 、离子液体催化 [9] 、有机小分子催化 [10] 等。上述研究丰富了Biginelli反应的合成方法,获得了高产率的产物。基于3,4-二氢嘧啶-2(1H)-酮衍生物的重要性,我们实验室在前期研究Biginelli反应的基础上 [11] ,将离子液体4-苯基-3-丙基磺酸基四氢噻唑-2-硫酮硫酸氢盐应用于催化Biginelli反应,并考察了不同反应条件对Biginelli反应的影响,同时对催化剂重复使用性进行了研究。
2. 实验部分
2.1. 仪器与试剂
美国Varian inova-400型核磁共振仪(TMS为内标,D2O或DMSO-d6为溶剂);美国HP1100液相色谱质谱仪;德国Bruker Equinox 55红外光谱仪(KBr压片);瑞士Buchi B-540型熔点仪;上海嘉鹏ZF5型手提式紫外分析仪。所用试剂均为市售分析纯,用前未经处理。
2.2. 离子液体4-苯基-3-丙基磺酸基四氢噻唑-2-硫酮硫酸氢盐(IL)的合成
将17 mmol 4-苯基-四氢噻唑-2-硫酮 [12] 与17 mmol 1,3-丙烷磺酸内酯溶解在乙酸乙酯溶液中,在90˚C油浴中加热回流反应12 h,过滤,固体用乙腈和乙酸乙酯洗涤滤饼,干燥,用玛瑙研钵研细,即得到纯净的4-苯基-3-丙基磺酸基四氢噻唑-2-硫酮内盐,白色固体,产率:81%,熔点:240˚C~242˚C。
将20 mmol 4-苯基-3-丙基磺酸基四氢噻唑-2-硫酮内盐与20 mmol 98%浓硫酸在100˚C加热反应24 h,冷却后将产物用乙醚(3 × 10 mL)浸泡洗涤,然后在70˚C下真空干燥10 h,得到褐色粘稠状离子液体,产率:81%。
离子液体表征如下:
4-苯基-3-丙基磺酸基四氢噻唑-2-硫酮硫酸氢盐(IL):褐色粘稠状液体,1H NMR (D2O, 400 MHz) δ (ppm) = 2.21~2.30 (m, 2H, CH2), 2.99~3.07 (m, 2H, CH2), 3.50 (t, 2H, CH2, J = 7.3 Hz), 3.75 (dd, 1H, CH, J = 11.7, 8.8 Hz), 4.18 (dd, 1H, CH, J = 11.7, 9.1 Hz), 5.79 (t, 1H, CH, J = 9.0 Hz), 7.39~7.50 (m, 5H, ArH); 13C NMR (D2O, 100 MHz): δ (ppm) = 24.80, 34.67, 40.55, 49.62, 70.97, 127.27, 127.81, 129.99, 130.12, 130.45, 136.46, 195.26; IR (KBr), υmax/cm−1: 3111, 3014, 1715, 1540, 1456, 1209, 1166, 1039, 900, 769, 699; m/z (%) = 318 (100) [M]+, 97 (100) [M]−。
2.3. 3,4-二氢嘧啶-2(1H)-(硫)酮类化合物的合成
将芳香醛(2 mmol)、1,3-二羰基化合物(2 mmol)、脲或硫脲(3 mmol)、离子液体4-苯基-3-丙基磺酸基四氢噻唑-2-硫酮硫酸氢盐(10 mol%),在70˚C下磁力搅拌反应0.5 h。冷却后加入碎冰,过滤,冰水洗涤固体得到粗产物,经乙醇重结晶即得到纯品,反应式如式1所示。化合物结构经1H NMR,13C NMR、IR和MS表征。
未被报道的化合物结构表征如下:
化合物4o:砖红色粉末,1H NMR (DMSO-d6, 400 MHz, TMS): δ (ppm) = 0.96 (t, 3H, CH3, J = 7.1 Hz), 2.29 (s, 3H, CH3), 3.79~3.91 (m, 2H, CH2), 5.89 (d, 1H, CH, J = 2.7 Hz), 7.85 (d, 1H, ArH, J = 8.7 Hz), 7.99 (s, 1H, NH), 8.53 (dd, 1H, ArH, J = 8.7, 2.4 Hz), 8.67 (d, 1H, ArH, J = 2.4 Hz), 9.53 (s, 1H, NH); 13C NMR (DMSO, 100 MHz): δ (ppm) = 13.71, 17.79, 49.44, 59.32, 97.17, 119.44, 128.34, 131.04, 145.44, 146.44, 147.01, 150.28, 150.78, 164.40; IR (KBr), υmax/cm−1: 3304, 3111, 2982, 1653, 1599, 1531, 1347, 1056, 833; ESI-MS: m/z (%) = 321 (100) [M + Na]+。
化合物4s:淡黄色粉末,1H NMR (DMSO-d6, 400 MHz, TMS): δ (ppm) = 1.11 (t, 3H, CH3, J = 7.1 Hz), 2.31 (s, 3H, CH3), 3.93~4.11 (m, 2H, CH2), 5.19 (d, 1H, CH, J = 3.6 Hz), 7.25~7.49 (m, 3H, ArH), 9.68 (s, 1H, NH), 10.44 (s, 1H, NH); 13C NMR (DMSO, 100 MHz): δ (ppm) = 13.87, 17.11, 52.92, 59.60, 99.91, 107.66, 107.87, 116.85, 117.08, 127.60, 127.67, 131.33, 141.43, 141.46, 145.58, 156.30, 158.73, 164.78, 174.15; IR
Scheme 1. Synthesis of 3,4-dihydropyrimidine-2(1H)-(thio)ones(4a-4u)
式1. 3,4-二氢嘧啶-2(1H)-(硫)酮(4a-4u)的合成
(KBr), υmax/cm−1: 3308, 3173, 2982, 1669, 1579, 1470, 1333, 1030, 942, 823, 764; ESI-MS: m/z (%) = 375 (100) [M + Na]+。
化合物4t:粉色粉末,1H NMR (DMSO-d6, 400 MHz, TMS): δ (ppm) = 1.01 (d, 3H, CH3, J = 6.2 Hz), 1.17 (d, 3H, CH3, J = 6.2 Hz), 2.23 (s, 3H, CH3), 3.72 (s, 3H, CH3), 4.78~4.87 (m, 1H, CH), 5.10 (d, 1H, CH, J = 3.3 Hz), 6.80~7.24 (m, 4H, ArH), 7.70 (s, 1H, NH), 9.14 (s, 1H, NH); 13C NMR (DMSO, 100 MHz): δ (ppm) = 17.60, 21.40, 21.69, 54.87, 66.24, 99.32, 112.00, 112.31, 118.18, 129.38, 146.34, 148.06, 152.05, 159.05, 164.73; IR (KBr), υmax/cm−1: 3231, 3107, 2833, 1721, 1699, 1598, 1493, 1091, 923, 866, 788; ESI-MS: m/z (%) = 327 (100) [M + Na]+。
化合物4u:墨绿色粉末,1H NMR (DMSO-d6, 400 MHz, TMS): δ (ppm) = 1.03 (d, 3H, CH3, J = 6.2 Hz), 1.16 (d, 3H, CH3, J = 6.2 Hz), 2.22 (s, 3H, CH3), 2.84 (s, 6H, 2 × CH3), 4.81 (m, 1H, CH), 5.02 (d, 1H, CH, J = 3.2 Hz), 6.65~7.03 (m, 4H, ArH), 7.55 (s, 1H, NH), 9.04 (s, 1H, NH); 13C NMR (DMSO, 100 MHz): δ (ppm) = 17.56, 21.47, 21.72, 53.25, 66.08, 100.11, 112.03, 126.80, 132.66, 147.14, 149.62, 152.17, 164.87; IR (KBr), υmax/cm−1: 3238, 3115, 2936, 1719, 1648, 1526, 1526, 1459, 1168, 1090, 920, 812; ESI-MS: m/z (%) = 340 (100) [M + Na]+。
3. 结果与讨论
3.1. 优化反应条件
以苯甲醛(2 mmol)、乙酰乙酸乙酯(2 mmol)、脲(3 mmol)的反应为模型,对反应条件进行了优化,实验结果见表1。首先考察了无催化剂条件下以及在离子液体催化剂4-苯基-3-丙基磺酸基四氢噻唑-2-硫酮

Table 1. Optimization of reaction conditionsa
表1. 反应条件优化a
a反应条件:苯甲醛(2 mmol),乙酰乙酸乙酯(2 mmol),脲(3 mmol),4-苯基-3-丙基磺酸基四氢噻唑-2-硫酮硫酸氢盐(IL),无溶剂或溶剂(2 mL);b分离产率。
硫酸氢盐存在下反应的效果(表1, entries 1-2),结果表明离子液体催化效果较好。其次考察了有无溶剂的条件对反应的影响(表1, entries 2-6),结果表明无溶剂条件下产物产率较高。随后考察了温度和时间对该反应的影响(表1, entries 2, 7-15),结果显示,在70˚C时反应0.5 h产物产率较高。最后,我们考察了催化剂的用量对该反应的影响(表1, entries 16-18),当催化剂用量为10 mol%时,催化效率最高,产物产率可达93% (表1, entry 17)。因此,反应的最佳条件为:离子液体催化剂4-苯基-3-丙基磺酸基四氢噻唑-2-硫酮硫酸氢盐用量10 mol%,无溶剂条件下70˚C反应0.5 h。
3.2. 反应底物普适性研究
在最佳反应条件下,对反应底物的普适性进行了研究,结果见表2。研究发现,当芳香醛上连接-CH3,-OCH3,-N(CH3)2等供电子基团(表2, entries 4b-4e)和吸电子的卤素、硝基等基团(表2, entries 4f-4o)时,反应都能顺利地进行。当芳香醛上连接一个或者两个羟基(表2, entries 4p-4q)时,反应也可以正常进行。当硫脲代替脲参与反应时(表2, entries 4r-4s),也能顺利的得到目标产物。此外,乙酰乙酸异丙酯作为一种二羰基化合物也可以很好地参与反应,分别以81%和90%得到目标化合物(表2, entries 4t-4u)。以上结果表明,该反应具有一定的底物普适性。
4. 催化剂的循环使用性研究
催化剂的循环使用研究结果见图1。具体操作为:将反应结束后抽滤除去粗产物的滤液旋除水,真

Table 2. Research of substrate scopea
表2. 底物的普适性研究a
a反应条件:芳香醛(2 mmol),1,3-二羰基化合物(2 mmol),脲或硫脲(3 mmol),离子液体4-苯基-3-丙基磺酸基四氢噻唑-2-硫酮硫酸氢盐(10 mol%),70˚C,0.5 h;b分离产率。
空干燥至恒重后回收的离子液体直接用于下一次循环实验。离子液体重复使用6次的产率分别为92%,91%,92%,91%,90%,89%。表明离子液体具有良好的循环使用效果。
5. 总结
本文以离子液体4-苯基-3-丙基磺酸基四氢噻唑-2-硫酮硫酸氢盐为催化剂催化芳香醛、1,3-二羰基化合物、脲或硫脲发生Biginelli反应高产率地合成了一系列的3,4-二氢嘧啶-2(1H)-(硫)酮类化合物,该反应方法具有操作简单、时间短、催化剂可以高效循环使用等特点。
基金项目
“万人计划”后备人选培养项目(No. wr2016cx0145);国家自然科学基金(No. 21572195)。
NOTES
*通讯作者。