离子液体中Sc(OTf)3催化下苯并[f]喹啉-1,2-二羧酸酯的合成

张梅梅, 马 宁, 魏志文, 王香善

(江苏师范大学 江苏省药用植物生物技术重点实验室,江苏 徐州 221116)

离子液体作为一种新兴的绿色溶剂，由于其具有蒸气压低、毒性小、热稳定性好、不燃烧和爆炸、溶解性能独特、反应产物分离简单等优点[1-2],并且可以循环使用,对环境友好,越来越多地被用作多类有机反应介质[3],如Friedel-Crafts烷基化、氢化反应、Heck反应、Suzuki偶联反应、Biginelli反应、Beckmann重排和Pechmann反应．喹啉类化合物是一类具有药理活性的杂环化合物,很多含有喹啉骨架的化合物可以用来治疗雌性激素紊乱；还具有抗菌活性,可以作为抗高血压药和乙酰胆碱酯酶抑制剂[4-5]；苯并[f]喹啉及其衍生物还能抑制葡萄糖醛酸转移酶活性[6-7].因此,苯并[f]喹啉类衍生物的合成在有机化学中受到人们的广泛关注．Sc(OTf)3作为一种新型的Lewis酸催化剂,在很多有机反应中具有很好的催化效果[8-10]．近几年,我们课题组一直从事绿色化学相关的研究[11-15],给杂环类化合物的合成提供了环境友好的绿色方法．本文用离子液体[BMIm]Br 作为反应介质,在Sc(OTf)3催化下,将芳醛(1)、2-萘胺(2)和丁炔二酸酯(3)反应,即可较高产率地得到一系列3-芳基苯并[f]喹啉-1,2-二羧酸酯衍生物(4)．反应方程式如下:

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1 实验部分

1.1 仪器及试剂

熔点使用XT-5型数字熔点仪测定(温度计未校正);红外光谱采用TENSOR 27型红外光谱仪测定(KBr压片);核磁共振氢谱采用Bruker AVANCE DPX-400型核磁共振仪测定,DMSO-d6为溶剂,TMS为内标;HRMS分析在Bruker-micro-TOF-Q-MS分析仪上测定;TLC检测采用上海安亭ZF-2三用紫外仪.苯甲醛、2-萘胺和Sc(OTf)3等均为市售的分析纯试剂．

1.2 4的合成

50 ml干燥的圆底烧瓶中加入1(2.0 mmol),2(2.0 mmol,0.288 g),3(2.1 mmol),Sc(OTf)3(0.010 g,0.02 mmol)和[BMIm]Br(2.0 ml),80 ℃搅拌反应10～16 h,TLC 跟踪至反应完全．反应结束后,向反应体系中加入5 ml水,析出固体,过滤即为粗产物,用95%乙醇重结晶得产物4.结果见表1．

表1 离子液体中化合物4的合成结果

产物的结构表征如下：

4a mp:199～200 ℃.1HNMRδ:2.41(s，3H，CH3)，3.74(s，3H，CH3O)，4.07(s，3H，CH3O)，7.36(d，J=8.0 Hz，2H，ArH)，7.57(d，J=8.0 Hz，2H，ArH)，7.80～7.83(m，3H，ArH)，8.03～8.06(m，2H，ArH)，8.36(d，J=8.4 Hz，1H，ArH).IRν: 3011,2953,1749,1716,1549,1508,1449,1435,1387,1368,1328,1274,1239,1196,1126,1115,1063,1005,891,834,760 cm-1.HRMSm/z：C24H20NO4[M+H]+，计算值，386.1392;实测值，386.1398.

4b mp: 186～187 ℃.1HNMRδ:3.76(s，3H，CH3O)，4.07(s，3H，CH3O)，6.15(s，2H，CH2)，7.07～7.12(m，2H，ArH)，7.25(dd，J=1.6 Hz，J′=0.4 Hz，1H，ArH)，7.80～7.82(m，2H，ArH)，8.02(d，J=9.2 Hz，1H，ArH)，8.17～8.19(m，2H，ArH)，8.31(d，J=9.2 Hz，1H，ArH).IRν: 2953，2893，1732，1545，1506，1479，1442，1371，1254，1225，1161，1115，1033，993，933，845，758 cm-1.HRMSm/z：C24H18NO6[M+H]+，计算值，416.1134;实测值，416.1141.

4c mp: 163～165 ℃.1HNMRδ:3.63(s，3H，CH3)，4.08(s，3H，CH3)，7.49～7.54(m，3H，ArH)，7.60～7.62(m，1H，ArH)，7.84～7.87(m，1H，ArH)，8.03(d，J=8.8 Hz，1H，ArH)，8.21～8.25(m，2H，ArH)，8.37(d，J=8.8 Hz，1H，ArH).IRν:2949，1740，1722，1508，1456，1435，1388，1374，1330，1312，1278，1261，1240，1211，1128，1002，837，754，747 cm-1.HRMSm/z：C23H17ClNO4[M+H]+，计算值，406.0846;实测值，406.0861.

4d mp: 166～167 ℃.1HNMRδ:3.75(s，3H，CH3O)，4.10(s，3H，CH3O)，7.84～7.86(m，2H，ArH)，7.92(d，J=8.8 Hz，2H，ArH)，8.20～8.24(m，2H，ArH)，8.37(d，J=8.8 Hz，1H，ArH)，8.41(d，J=8.8 Hz，2H，ArH).IRν: 2952，1732，1710，1603，1549，1523，1515，1441，1344，1312，1251，1209，1126，1115，1065，995，877，865，846，747，703 cm-1.HRMSm/z：C23H17N2O6[M+H]+，计算值，417.1087;实测值，417.1096.

4e mp: 120～121 ℃.1HNMRδ:3.74(s，3H，CH3O)，4.08(s，3H，CH3O)，7.38～7.46(m，2H，ArH)，7.49～7.52(m，1H，ArH)，7.82～7.86(m，2H，ArH)，8.06(d，J=9.2 Hz，1H，ArH)，8.19～8.21(m，2H，ArH)，8.35(d，J=8.8 Hz，1H，ArH).IRν: 3013，2957，1750，1724，1585，1548，1489，1438，1386，1308，1278，1240，1209，1192，1172，1108，1003，842，762 cm-1.HRMSm/z：C23H17FNO4[M+H]+，计算值，390.1142;实测值，390.1153.

4f mp: 167～168 ℃.1HNMRδ:3.74(s，3H，CH3O)，4.08(s，3H，CH3O)，7.50～7.54(m，1H，ArH)，7.61(d，J=7.6 Hz，1H，ArH)，7.76(d，J=8.0 Hz，1H，ArH).7.75～7.86(m，3H，ArH)，8.07(d，J=8.8 Hz，1H，ArH)，8.19～8.22(m，2H，ArH)，8.35(d，J=9.2 Hz，1H，ArH).IRν: 3055，2955，1731，1594，1560，1547，1480，1439，1413，1372，1310，1250，1127，1074，997，964，869，844，800，754，702 cm-1.HRMSm/z：C23H16BrNO4Na[M+Na]+，计算值，472.0160;实测值，472.0179.

4g mp: 198～199 ℃.1HNMRδ:3.76(s，3H，CH3O)，4.08(s，3H，CH3O)，7.61(d，J=8.4 Hz，2H，ArH)，7.77(d，J=8.4 Hz，2H，ArH).7.82～7.84(m，2H，ArH)，8.05(d，J=9.2 Hz，1H，ArH)，8.19～8.22(m，2H，ArH)，8.34(d，J=8.8 Hz，1H，ArH).IRν: 3044，2952，1743，1722，1681，1587，1428，1399，1321，1296，1278，1239，1178，1127，1069，1012，932，851，758 cm-1.HRMSm/z：C23H17BrNO4[M+H]+，计算值，450.0341;实测值，450.0364.

4h mp: 99～100 ℃.1HNMRδ:1.00(t，J=7.2 Hz，3H，CH3)，1.35(t，J=7.2 Hz，3H，CH3)，4.13(t，J=7.2 Hz，2H，CH2)，4.57(q，J=7.2 Hz，2H，CH2)，7.34～7.41(m，2H，ArH)，7.57～7.63(m，2H，ArH)，7.83～7.86(m，2H，ArH)，8.05(d，J=8.8 Hz，1H，ArH)，8.20～8.22(m，1H，ArH)，8.31～8.33(m，1H，ArH)，8.36(d，J=9.2 Hz，1H，ArH).IRν: 2981，2937，1732，1550，1491，1458，1447，1396，1385，1280，1236，1208，1129，1101，1107，835，770 cm-1.HRMSm/z：C25H20FNO4Na[M+Na]+，计算值，440.1274;实测值，440.1294.

4i mp: 130～131 ℃.1HNMRδ:1.07(t，J=7.2 Hz，3H，CH3)，1.35(t，J=7.2 Hz，3H，CH3)，4.19(q，J=7.2 Hz，2H，CH2)，4.56(q，J=7.2 Hz，2H，CH2)，7.58～7.64(m，3H，ArH)，7.70(s，1H，ArH)，7.82～7.84(m，2H，ArH)，8.06(d，J=8.8 Hz，1H，ArH)，8.19～8.22(m，1H，ArH)，8.28～8.30(m，1H，ArH)，8.35(d，J=8.8 Hz，1H，ArH).IRν:2983，1721，1573，1548，1474，1449，1421，1384，1372，1327，1308，1269，1229，1209，1147，1113，1064，1023，858，833，802，783，747，721，698 cm-1.HRMSm/z：C25H21ClNO4[M+H]+，计算值，434.1159;实测值，434.1185.

4j mp: 157～158 ℃.1HNMRδ:1.10(t，J=7.2 Hz，3H，CH3)，1.35(t，J=7.2 Hz，3H，CH3)，4.22(q，J=7.2 Hz，2H，CH2)，4.57(q，J=7.2 Hz，2H，CH2)，7.62(dd，J=8.0 Hz，J′=2.0 Hz，1H，ArH)，7.82～7.84(m，2H，ArH)，7.90(d，J=2.0 Hz，1H，ArH)，8.05(d，J=8.8 Hz，1H，ArH)，8.18～8.21(m，1H，ArH)，8.27～8.30(m，1H，ArH)，8.34(d，J=9.2 Hz，1H，ArH).IRν:2977，2936，2901，1741，1719，1544，1471，1449，1404，1372，1326，1306，1275，1260，1228，1148，1121，1064，1023，859，833，822，749 cm-1.HRMSm/z：C25H19Cl2NO4Na[M+Na]+，计算值，490.0589;实测值，490.0598.

4k mp: 146～147 ℃.1HNMRδ:1.08(t，J=7.2 Hz，3H，CH3)，1.35(t，J=7.2 Hz，3H，CH3)，4.20(q，J=7.2 Hz，2H，CH2)，4.57(q，J=7.2 Hz，2H，CH2)，7.50～7.54(m，1H，ArH)，7.64(d，J=7.6 Hz，1H，ArH)，7.77(d，J=8.8 Hz，1H，ArH)，7.82～7.84(m，3H，ArH)，8.06(d，J=8.8 Hz，1H，ArH)，8.19～8.20(m，1H，ArH)，8.28～8.30(m，1H，ArH)，8.34(d，J=8.8 Hz，1H，ArH).IRν: 3065，2982，2940，2902，1720，1569，1547，1475，1449，1423，1383，1372，1327，1308，1270，1231，1209，1112，1065，1022，858，833，801，746，698 cm-1.HRMSm/z：C25H20BrNO4Na[M+Na]+，计算值，500.0473;实测值，500.0496.

4l mp: 131～132 ℃.1HNMRδ:1.07(t，J=7.2 Hz，3H，CH3)，1.35(t，J=7.2 Hz，3H，CH3)，4.18(q，J=7.2 Hz，2H，CH2)，4.56(q，J=7.2 Hz，2H，CH2)，7.40(t，J=8.8 Hz 2H，ArH)，7.68～7.72(m，2H，ArH)，7.81～7.83(m，2H，ArH)，8.04(d，J=8.8 Hz，1H，ArH)，8.18～8.21(m，1H，ArH)，8.27～8.29(m，1H，ArH)，8.33(d，J=9.2 Hz，1H，ArH).IRν: 3045，2983，2940，2899，1732，1603，1550，1511，1459，1450，1385，1375，1272，1239，1197，1160，1113，1016，855，834，751 cm-1.HRMSm/z：C25H21FNO4[M+H]+，计算值，418.1455;实测值，418.1465.

4m mp: 126～127 ℃.1HNMRδ:1.07(t，J=7.2 Hz，3H，CH3)，1.35(t，J=7.2 Hz，3H，CH3)，4.19(q，J=7.2 Hz，2H，CH2)，4.56(q，J=7.2 Hz，2H，CH2)，7.63(d，J=8.4 Hz 2H，ArH)，7.67(d，J=8.4 Hz，2H，ArH)，7.81～7.84(m，2H，ArH)，8.04(d，J=9.2 Hz，1H，ArH)，8.18～8.20(m，1H，ArH)，8.27～8.29(m，1H，ArH)，8.33(d，J=9.2 Hz，1H，ArH).IRν: 2981，2939，2898，1732，1549，1451，1406，1384，1297，1272，1236，1197，1127，1110，1092，1066，1013，851，834 cm-1.HRMSm/z：C25H21ClNO4[M+H]+，计算值，434.1159;实测值，434.1170.

4n mp: 128～129 ℃.1HNMRδ:1.07(t，J=7.2 Hz，3H，CH3)，1.43(t，J=7.2 Hz，3H，CH3)，2.43(s，3H，CH3)，4.19(q，J=7.2 Hz，2H，CH2)，4.59(q，J=7.2 Hz 2H，CH2)，7.29(d，J=8.0 Hz，2H，ArH)，7.60(d，J=8.0 Hz，2H，ArH)，7.64～7.69(m，2H，ArH)，7.97(d，J=7.6 Hz，1H，ArH)，8.03～8.06(m，2H，ArH)，8.36(d，J=8.4 Hz，1H，ArH).IRν: 2981，1733，1723，1548，1450，1385，1374，1271，1237，1197，1126，1113，1068，1018，857，834，828，749 cm-1.HRMSm/z：C26H24NO4[M+H]+，计算值，414.1705;实测值，414.1723.

2 结果与讨论

以4-甲基苯甲醛、2-萘胺和丁炔二酸二甲酯为模型,采用单因素法对催化剂用量、反应温度、催化剂种类及不同种类的反应介质等反应条件进行筛选和优化．

2.1 催化剂摩尔分数对产物收率的影响

在其它条件不变的情况下，改变Sc(OTf)3的摩尔分数，研究催化剂摩尔分数对产物收率的影响．研究表明,不加催化剂,反应不发生;当加入Sc(OTf)3的摩尔分数为1%和10%时，产物4a收率较高，结果见表2．因此,本实验采用催化剂的摩尔分数为1%．

表2 Sc(OTf)3 的摩尔分数对产物4a 收率的影响

2.2 反应温度对产物收率的影响

在其它条件不变的情况下,改变反应温度，研究不同温度对产物收率的影响．结果表明,室温时反应基本不能进行,反应温度为80 ℃时4a的收率最高,可达90%，结果见表3．因此,后续相关实验都在80 ℃下进行．

表3 反应温度对产物4a收率的影响

2.3 催化剂对产物收率的影响

在其它条件相同时,研究不同催化剂对产物收率的影响，发现不同金属催化剂的催化能力有较大差别,对产物收率影响很大，其中Sc(OTf)3催化效果最好,产物收率达90%,Cu(OTf)2对该反应的催化能力最差,产物收率只有65%，结果见表4．因此,本实验采用Sc(OTf)3为催化剂．

表4 不同催化剂对产物4a收率的影响

2.4 反应介质对产物收率的影响

在其它条件相同时,使用不同种类的离子液体作为反应介质进行实验,并以有机溶剂THF为对照,对比研究不同反应介质对产物收率的影响,发现[BMIm]Br效果最好,产物收率达90%．而以有机溶剂THF作为反应介质,4a的收率比在离子液体中要低很多．结果见表5.因此实验以离子液体[BMIm]Br作为反应介质．

表5 反应介质对产物4a收率的影响

由以上分析可知，该三组分反应在离子液体中的最佳反应条件为:[BMIm]Br为反应介质,摩尔分数为1%的Sc(OTf)3为催化剂,反应温度为80 ℃．

根据筛选出的最佳反应条件,通过改变芳醛,分别与2-萘胺、丁炔二酸二甲酯或丁炔二酸二乙酯反应,合成了一系列3-芳基苯并[f]喹啉-1,2-二羧酸酯衍生物(表1)．由表1可知,无论原料1中苯环上含有吸电子基(硝基或卤素),还是供电子基(烷基或烷氧基),化合物4均可获得较高产率．另外无论取代基的位置在邻位、间位还是对位,对反应的进行和产率,均没有影响．

产物4的结构均经过红外、氢谱和高分辨质谱确证．以4a为例,红外光谱在1749和1716 cm-1处，分子中出现两个羰基的吸收峰,在1549,1508和1449 cm-1出现苯环的骨架振动吸收峰．在核磁共振氢谱中,在δ为2.41处检测到分子中甲基的吸收峰;3.74和4.07处出现两个单峰,是分子中甲氧基的吸收峰;7.36～8.36范围内出现多重峰,积分数目为10,与4a中苯环上氢原子个数相吻合．在高分辨质谱中,检测到精确的相对分子质量为386.1398,与C24H20NO4[M+H]+分子式的理论值(386.1392)非常吻合,相对偏差为1.6×10-6．

3 结论

在离子液体中以芳醛、2-萘胺和丁炔二酸酯为原料，Sc(OTf)3催化下能够三组分一步高产率地合成3-芳基苯并[f]喹啉-1,2-二羧酸酯衍生物．与其它方法相比较,该方法具有反应条件温和、产率较高、后处理方便、环境友好等优点．并探讨了催化剂的种类和用量、反应介质种类、反应温度等因素对产物产率的影响,找到了最佳的反应条件,为这类化合物提供了简便高效的绿色合成方法．

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