H3PW12O40/SiO2高效催化Mannich反应合成β-氨基酮衍生物

陈慧媛，徐玉林，叶华林，杨水金

(湖北师范学院化学化工学院，稀有金属化学湖北省协同创新中心（湖北师范学院），湖北黄石435002)

H3PW12O40/SiO2高效催化Mannich反应合成β-氨基酮衍生物

陈慧媛，徐玉林，叶华林，杨水金

(湖北师范学院化学化工学院，稀有金属化学湖北省协同创新中心（湖北师范学院），湖北黄石435002)

在室温条件下，采用浸渍法合成的H3PW12O40/SiO2为催化剂，高效催化酮、芳香醛和苯胺的Mannich反应合成系列β-氨基酮衍生物.对新型催化剂H3PW12O40/SiO2的制备条件进行优化，系统地研究了H3PW12O40负载量、焙烧温度、活化时间对催化剂的影响.探讨了H3PW12O40/SiO2对酮、芳香醛和苯胺的Mannich反应的催化活性，系统地研究了反应温度、催化剂用量、反应物的摩尔比等因素对产物收率的影响.实验结果表明：在n(酮)∶n(芳香醛)∶n(苯胺)=1.5∶1.2∶1.0，催化剂的用量占反应物料总质量的8%，反应温度为20℃，反应时间为9 h的最佳条件下，β-氨基酮衍生物的收率在61.2%～77.0%之间.整个反应体系具有条件温和、操作简单、不污染环境和催化剂可重复回收利用等优点.①

H3PW12O40/SiO2；Mannich反应；β-氨基酮；催化

Mannich反应是合成β-氨（胺）基羰基化合物及其衍生物的重要有机反应.其反应产物β-氨基酮是有机合成中天然生物活性分子的中间体，在医药、农药、火药、染料、涂料等方面有着广泛的用途［1-4］.传统合成β-氨基酮的工艺条件是在盐酸的催化下进行的，但是这种传统的方法存在腐蚀性较强、污染环境、后处理困难等缺点［5］.近几年也有文献报道，Mannich反应可用稀土金属盐［6］、过渡金属盐［7］、氨基磺酸［8］、离子液体［9］、Yb(OTf、NaBAr4F［11］、相转移催化剂季铵盐［12］等来催化.虽然这些催化技术相对成熟，但是这些方法均存在许多缺点，诸如催化剂较昂贵、催化剂用量较大、催化效率不高、分离困难等.因此，寻找一类新的催化活性高、环保型的催化剂成为人们追求的目标.

杂多酸又称多金属氧酸盐（Polyoxometalates，简写为POMs），对其开发研究日益受到人们关注［13］.因杂多酸具有独特的酸性、“准液相”行为、较高的催化活性和选择性、对设备的腐蚀性低、反应条件温和等优点，近年来在催化研究领域中受到研究者们的广泛重视.其中磷钨酸是由杂原子P和配位原子W以一定的结构通过氧原子配位桥联组成的含氧多元酸，兼具强酸性和氧化还原性，同时具有催化活性高、稳定性好、可调变性等优点，对环境无污染，是一种多功能的新型绿色催化剂，具有广阔的研究价值和应用前景.

但磷钨酸易溶于水，分离和回收困难.SiO2具有大的比表面积和规则的孔结构，常用作载体.本研究以SiO2为载体，将磷钨酸负载于SiO2上催化环己酮或苯乙酮、芳香醛和苯胺合成系列的β-氨基酮衍生物，反应通式如Scheme 1所示.

Scheme 1β-氨基酮衍生物的合成路径

1 实验部分

1.1 主要仪器和试剂

1.1.1 主要仪器粉末衍射分析用DADVANCE型X-射线衍射仪（德国布鲁克公司产），石墨单色器滤波，用铜靶Kɑ1辐射，在管电流40 mA，管电压40 kV的条件下测定，扫描范围5°～70°；Nicolet 5700型红外拉曼光谱仪（美国尼高力公司产）KBr压片法；1H NMR用Varian Mercury 300型核磁共振仪测定，TMS为内标；MS使用Finnigan LCQ Advantage MAX质谱仪测定；X-4数字显示显微熔点测定仪（上海隆拓仪器设备有限公司）；电子天平（北京赛多利斯仪器系统有限公司）；PKW-Ⅲ型电子节能控温仪.

1.1.2 主要试剂苯甲醛、对羟基苯甲醛、对硝基苯甲醛、环己酮、苯乙酮、苯胺、饱和NaHCO3、正硅酸乙酯、无水乙醇、浓氨水均为分析纯，磷钨酸（自制），实验用水均为去离子水.

1.2 H3PW12O40/SiO2催化剂的制备方法

1.2.1 SiO2的制备将无水乙醇、H2O和浓氨水按照n(C2H5OH)∶n(H2O)∶n(浓氨水)=8∶4∶1的比例配制混合溶液.在室温下搅拌混合均匀后，将一定量的正硅酸乙酯慢慢滴加到混合溶液中，搅拌半小时，形成乳白色液体.然后静置半小时，将溶液装入离心管进行离心，沉淀用蒸馏水、乙醇交替洗涤3次，烘干，研磨后即可得SiO2白色粉末.

1.2.2 浸渍法制备H3PW12O40/SiO2将一定量的H3PW12O40·xH2O溶解于20 mL的蒸馏水中，准确加入定量的SiO2，在室温下混合搅拌12 h.所得悬浮液经蒸干后，在马弗炉中以一定的温度煅烧一定时间，研碎即可得到催化剂H3PW12O40/SiO2.

1.3 β-氨基酮衍生物的合成在50 mL圆底烧瓶中按一定计量比加入苯甲醛、环己酮、苯胺及一定量的催化剂和无水乙醇，在室温下磁力搅拌，反应一段时间后有大量固体析出，抽滤，产物经饱和NaHCO3洗涤后，过滤得到粗产物，在粗产物中加入一定量的无水乙醇加热，使粗产物尽可能的溶解，然后趁热过滤，滤液经室温冷却后结晶，得到纯产品.

2 结果与讨论

2.1 催化H3PW12O40/SiO2表征

2.1.1 催化剂的IR光谱H3PW12O40和H3PW12O40/SiO2的红外谱图如图1所示.

由图1可知，H3PW12O40(a)的特征峰为1 082.2，985.6，898.4和802.6 cm-1，表明其具有Keggin型结构.另外在1 659.1 cm-1有弱的吸收峰，其为水的弯曲振动峰，说明此化合物中含有结晶水.而在(b)，(c)，(d)中，负载后H3PW12O40(a)在898.4 cm-1处的特征峰迁移至951.3 cm-1，1 082.2和985.6 cm-1处与SiO2的特征峰重合，在1 079.2 cm-1处表现为一宽峰，但802.6 cm-1的特征峰仍保留，说明H3PW12O40/SiO2中H3PW12O40仍保留Keggin型结构.

图1 H3PW12O40(a)，20%H3PW12O40/SiO2(b)，30% H3PW12O40/SiO2(c)和40%H3PW12O40/SiO2(d)的IR谱图

图2 H3PW12O40(a)，20%H3PW12O40/SiO2(b)，30% H3PW12O40/SiO2(c)和40%H3PW12O40/SiO2(d)的XRD谱图

2.1.2 催化剂的XRD谱H3PW12O40和H3PW12O40/SiO2的XRD光谱图如图2所示.

由图2可知，H3PW12O40(a)的特征衍射出现在10°，21°，25°，30°和35°左右，这为Keggin型结构的特征衍射峰.而在(b)，(c)，(d)中，H3PW12O40/SiO2只在25°左右出现一个宽峰，H3PW12O40的衍射峰消失，表明H3PW12O40均匀分布在二氧化硅表面上，没有出现聚合现象.

2.2 催化剂H3PW12O40/SiO2制备条件的优化采用合成2-(1-苯胺基)苯甲基-环己酮为探针反应，探针反应条件为：固定环己酮为20 mmol，苯胺20 mmol，苯甲醛20 mmol，催化剂的用量为8%（占反应物料总质量的百分含量），无水乙醇用量为10 mL，反应时间为9 h.

2.2.1 H3PW12O40负载量的优化固定催化剂的活化时间4 h，焙烧温度为200℃，改变H3PW12O40负载量，考察H3PW12O40负载量对催化剂催化活性的影响，实验结果见表1.

由表1可知，随着H3PW12O40负载量的增大，产物的收率先开始增大，后随H3PW12O40负载量的增大产物收率反而降低.当H3PW12O40负载量为30%时，催化剂催化活性达到最高，故确定适宜的H3PW12O40负载量为30%.

2.2.2 焙烧温度的优化固定催化剂的活化时间4 h，H3PW12O40的负载量为30%，改变焙烧温度，探讨焙烧温度对催化剂催化活性的影响，实验结果见表2.

表1 H3PW12O40负载量对催化剂活性的影响

表2 焙烧温度对催化剂活性的影响

由表2可知，随着焙烧温度的升高，产物的收率先开始增大，后随焙烧温度的升高收率反而下降.当焙烧温度为100℃时，催化剂催化活性达到最高，故确定适宜焙烧温度为100℃.

2.2.3 活化时间的优化确定催化剂的焙烧温度为100℃，H3PW12O40的负载量为30%，改变活化时间，探讨活化时间对催化剂催化活性的影响，实验结果见表3.

由表3可知，随着活化时间的延长，产物的收率先增大后降低.当活化时间为4 h时，催化剂催化活性达到最高，故确定适宜活化时间为4 h.

由以上实验结果表明，催化剂H3PW12O40/SiO2的最优制备条件是：H3PW12O40/SiO2负载量为30%，焙烧温度为100℃，活化时间为4 h.

表3 活化时间对催化剂活性的影响

2.3 反应条件的优化

2.3.1 催化剂用量对反应的影响以苯甲醛(20 mmol)、环己酮(20 mmol)和苯胺(20 mmol)作为反应底物，10 mL乙醇为溶剂，H3PW12O40/SiO2为催化剂，反应9 h，对三组分Mannich反应的条件进行优化.催化剂的用量对反应收率的影响结果见表4.

表4 催化剂用量对收率的影响

由表4分析可知，随着催化剂用量的增加，得到的Mannich反应的收率先呈上升的趋势.用量为8%时，收率达到66.7%；继续增加催化剂用量，收率反而下降.所以选择催化剂最适宜用量为8%.

2.3.2 反应物的配比对收率的影响确定催化剂的适宜用量后，进一步考察了反应物的摩尔比对反应收率的影响，结果见表5.

表5 反应物的摩尔对收率的影响

由表5可知：当n(环己酮)∶n(苯甲醛)∶n(苯胺)=1.5∶1.2∶1.0时，产品的收率最高，因此确定n(环己酮)∶n(苯甲醛)∶n(苯胺)为1.5∶1.2∶1.0.

2.3.3 反应温度对收率的影响确定了催化剂用量和三组分摩尔比以后，进一步考察了反应温度对反应收率的影响，其结果见表6.

表6结果表明，高温不利于Mannich反应进行，反应温度过高时，反应体系颜色加深，TLC跟踪表明有副产物生成.在20℃时产品收率最高，因此确定理想反应温度为20℃.

2.3.4 催化剂重复使用反应完后回收催化剂，经过滤、洗涤、活化后重复使用.在最优反应条件下，以环己酮(30 mmol)、苯甲醛(24 mmol)和苯胺(20 mmol)作为反应底物，探索了催化剂重复使用过程中的催化效率，其结果见表7.结果发现：催化剂重复使用4次，产品的收率依次为：77.0%，63.9%，56.2%和42.2%.催化效率有降低的趋势，其主要原因可能是由于重复使用多次以后，磷钨酸部分脱落，引起催化效率降低.但催化剂重复利用4次后，收率仍有42.2%，说明该催化剂具有一定的催化效果.具有回收再利用的优点，克服了传统催化剂难以回收利用，污染环境的缺点.

表6 反应温度对收率的影响

表7 催化剂重复使用次数对收率的影响

2.3.5 反应底物对收率的影响以最优化的反应条件，在20℃时，8%的H3PW12O40/SiO2为催化剂，对不同的酮(30 mmol)、芳香醛(24 mmol)和苯胺(20 mmol)在10 mL的乙醇中反应9 h，其反应结果见表8.

表8 H3PW12O40/SiO2催化合成不同的β-氨基酮衍生物

由表8可知：H3PW12O40/SiO2对合成β-氨基酮衍生物具有良好的催化效果，5种β-氨基酮衍生物的收率在61.2%～77.0%之间.

2.3.6 产品的IR光谱分析对5种β-氨基酮衍生物进行了IR分析，其特征吸收峰数据见表9.

表9 β-氨基酮衍生物的IR特征吸收峰数据表

由表9可知，其IR特征吸收峰数据与其结构和文献一致，符合要求.

2.3.7 产品的质谱分析对所合成的2-（1-苯胺基）苯甲基-环己酮进行质谱分析，其结果见图3.

图3 2-（1-苯胺基）苯甲基-环己酮的MS图

由图3可知：m/z：280.02为［M+1］+，结合目标产物分子式可知，所合成的2-（1-苯胺基）苯甲基-环己酮与目标产物的相对分子质量是一致的，所合成的化合物符合要求.

对2-（1-苯胺基）苯甲基-环己酮进行核磁氢谱和碳谱分析，由1H NMR(CDCl3，300 MHz)δ:1.26～2.5 (m，9H，CH2)，2.77(s，1H，CH)，4.61(s，1H，NH)，6.5～7.5(m，10H，ArH)；13C NMR δ:23.59，24.80，26.96，27.84，28.59，31.25，41.72，42.36，113.72，114.02，117.63，126.94，127.45，128.31，128.94，129.01，141.42，211.32，212.94可知，该数据与其结构和文献数据一致，符合要求.

3 结论

综上所述，在H3PW12O40/SiO2的最优条件下，酮、芳香醛和苯胺进行的三组分“一锅法”Mannich反应，合成β-氨基酮衍生物的适宜条件是：当反应温度为20℃、反应物摩尔比为：n(环己酮)∶n(苯甲醛)∶n(苯胺)=1.5∶1.2∶1.0，催化剂的用量占反应物料总质量的8%，溶剂为无水乙醇，反应时间为9 h，5种β-氨基酮衍生物的收率在61.2%～77.0%之间.使用H3PW12O40/SiO2作催化剂具有价廉易得，对环境无污染，可回收利用的优点.该方法为β-氨基酮衍生物的合成提供了新的途径，具有良好的应用前景.

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（责任编辑 胡小洋）

Efficient one-pot synthesis of β-amino ketone derivatives catalyzed by H3PW12O40/SiO2

CHEN Huiyuan，XU Yulin，YE Hualin，YANG Shuijin
(College of Chemistry and Chemical Engineering，Hubei Normal University，Hubei Collaborative Innovation Center for Rare Metal Chemistry（Hubei Normal University），Huangshi 435002，China)

A new environmental friendly catalyst，H3PW12O40/SiO2was prepared by impregnation method. The catalyst exhibited excellent catalytic activities for the synthesisis of β-amino ketone derivatives via Mannich reaction of ketones，aromatic aldehydes and aromatic amines.The preparation conditions of the catalyst were conducted a comprehensive optimization.The effects of reaction on the yield of β-amino ketone were investigated and the optimum conditions were determined as follows:n(ketones)∶n(aromatic aldehydes)∶n (aromatic amines)=1.5∶1.2∶1.0，the mass ratio of the catalyst to total reactant was 8%，the reaction temperature was 20℃，and the reaction time was 9 h.The yield of the product was up to 61.2%77.0%.The results show that the reaction catalyzed by H3PW12O40/SiO2has advantages of mild reaction conditions，simple operation，easy isolation and the catalyst can be recycled.

H3PW12O40/SiO2；Mannich reaction；β-amino ketone；catalyst

TQ426.91

A

10.3969/j.issn.1000-2375.2015.05.018

1000-2375（2015）05-0492-06

投稿日期：2015-01-28

2013年国家级大学生创新创业训练计划项目（201313256001）和湖北师范学院本科生科研项目（2014ZD31）资助

陈慧媛（1993-），女，本科生；杨水金，通信作者，教授，E-mail：yangshuijin@163.com