H6P2W18O62/SiO2催化合成5-乙氧羰基-4-(4-羟基苯基)-6-甲基-3，4-二氢嘧啶-2(1H)-酮①

刘晓霞，肖欢，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，湖北黄石435002)

H6P2W18O62/SiO2催化合成5-乙氧羰基-4-(4-羟基苯基)-6-甲基-3，4-二氢嘧啶-2(1H)-酮①

刘晓霞，肖欢，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，湖北黄石435002)

采用H6P2W18O62/SiO2为催化剂，以对羟基苯甲醛、乙酰乙酸乙酯、尿素为原料合成5-乙氧羰基-4-(4-羟基苯基)-6-甲基-3，4-二氢嘧啶-2(1H)-酮.探讨H6P2W18O62/SiO2对本反应的催化活性，较系统地研究了反应物物质的量比、催化剂用量、反应时间、反应温度四因素对产物收率的影响.实验表明:H6P2W18O62/SiO2是合成5-乙氧羰基-4-(4-羟基苯基)-6-甲基-3，4-二氢嘧啶-2(1H)-酮的良好催化剂；在n(对羟基苯甲醛)∶n(乙酰乙酸乙酯)∶n(尿素)=1∶1.5∶1.5，催化剂的用量占反应物料总质量的1.5%，反应温度为80℃，反应时间为60 min的最佳条件下，其收率可达94.4%.

H6P2W18O62/SiO2；5-乙氧羰基-4-(4-羟基苯基)-6-甲基-3，4-二氢嘧啶-2(1H)-酮；催化剂

1893年Biginelli首次报道由乙酰乙酸乙酯、芳香醛和脲在浓盐酸催化下缩合反应得到3，4-二氢嘧啶-2-酮衍生物，此后这一合成方法称为Biginelli反应[1-3].嘧啶酮[4]是一类具有重要应用价值和良好生物活性的含氮杂环化合物，可用作抗肿瘤药物、止痛药物、杀菌剂、除草剂、杀虫剂等.一些从海洋生物中分离出的含二氢嘧啶酮结构的生物碱还具有抗HIV病毒活性[5].Biginelli法合成3，4-二氢嘧啶-2-酮类化合物，虽然简单、方便，但反应存在反应时间长（18 h），收率低（20%～50%）等缺点，研究者不断寻找新的催化剂来合成3，4-二氢嘧啶-2-酮.

杂多酸是由杂原子(如P、Si、Fe等)和多原子(如Mo、W、V等)按一定的结构通过氧原子配位桥联组成的一类含氧多酸.按其阴离子的结构(即一级结构)可分为Keggin、Dawson和Anderson等类型[6].目前用作催化剂的主要是具有Keggin结构的杂多酸，例如十二磷钨酸(H3PW12O40·xH2O)、十二硅钨酸(H4SiW12O40· yH2O)、十二磷钼酸(H3PMo12O40·zH2O)等[7];而Dawson型磷钨酸(Dawson HPW)是一种具有超强酸性和显著稳定性的绿色环保型催化剂，可以代替传统催化剂HF、HCl、H2SO4等在均相和非均相中发生反应，比Keggin型磷钨酸催化活性还高[8].

杂多酸的一个重要性质是其具有独特的“准液相”（pseudoliquid phase)行为[9].“准液相”行为的存在，使其催化反应不仅能发生在催化剂的表面，而且能发生在整个催化剂的体相，因而使杂多酸具有更高的催化活性和选择性.但由于杂多酸的比表面较小(为1～10 m2/g)，所以在实际应用中需要将杂多酸固载在适当的载体上以提高其比表面积.杂多酸在酸溶液中稳定，与碱共沸时易使其分解.因此，像Al2O3、MgO等碱性载体一般不宜作为固载杂多酸的载体.用来负载杂多酸的主要是中性和酸性载体，包括:SiO2、活性炭、TiO2[10]、离子交换树脂.其中SiO2和活性炭最常用.催化剂的固载量可以通过浸渍前后杂多酸量的变化来确定[11].控制杂多酸的浓度和固载时间，可制得不同固载量的催化剂.一般来说，催化剂的活性随其载酸量的增大而增大，但固载量过大，杂多酸的溶脱损失也随之增大.因此，在实际应用时要选择一适宜的载酸量.

本课题组前期研究[12-13]表明，H6P2W18O62/SiO2是一类理想的催化剂，有望得到长足的发展.SiO2具有大的比表面积和优良的热稳定性，本研究合成H6P2W18O62/SiO2催化剂，研究反应物的摩尔比，反应温度和反应时间等因素对产物收率的影响，合成了5-乙氧羰基-4-(4-羟基苯基)-6-甲基-3，4-二氢嘧啶-2(1H)-酮，获得了较为理想的催化效果.该方法的使用为3，4-二氢嘧啶-2-酮衍生物的制备提供了一条方便、快捷、有效的合成方法.

1　实验部分

1.1试剂与仪器H6P2W18O62，正硅酸乙酯，正丁醇，对羟基苯甲醛，乙酰乙酸乙酯，尿素，无水乙醇，无水氯化钙，均为分析纯，实验用水均为二次蒸馏水；标准磨口中量有机制备仪；PKW-Ⅲ型电子节能控温仪，XT4显微熔点测定仪.Nicolet 5700型红外拉曼光谱仪（美国尼高力公司产品，KBr液膜法）；粉末衍射分析用D8 ADVANCE型X线衍射仪（德国布鲁克公司产品），由石墨单色器滤波，用铜靶Kα1辐射，在管电压为40 kV，管电流为40 mA的条件下测定，扫描范围2θ为5°～70°.Avance IIITM300MHz超导核磁共振谱仪（瑞士布鲁克拜厄斯宾公司）；FinniganL CQ Advantage MAX质谱仪；S-3400N型扫描电子显微镜（日本Hitachi公司）.

1.2H6P2W18O62/SiO2催化剂的制备参考文献[12-13]中将1g自制的H6P2W18O62溶解于18 mL水中，将20 mL的正硅酸乙酯和15 mL的正丁醇充分混合，然后缓慢滴加到H6P2W18O62水溶液中.在搅拌的情况下，依次在室温、45℃、80℃下分别保留1、1、2.5 h.所得湿凝胶在45℃和90℃下分别真空干燥16 h和3 h.用温水洗所得干凝胶，滤液应为中性.然后，在一定的温度下，焙烧一段时间，即得负载量为40%的H6P2W18O62/SiO2.

1.35-乙氧羰基-4-(4-羟基苯基)-6-甲基-3，4-二氢嘧啶-2(1H)-酮的合成与表征采用无溶剂法，在50mL圆底烧瓶中，按正交表计算量加入一定计量比的对羟基苯甲醛，乙酰乙酸乙酯、尿素和一定质量的催化剂，充分混匀后在磁力搅拌器上反应一定时间，时间与正交表的每组所对应，反应完成后趁热过滤分离出催化剂，滤液在冰水中冷却结晶，静置，抽滤，所得固体物质用蒸馏水洗涤数次后用无水乙醇进行重结晶，过滤，干燥得纯品，称重计算收率.

MS(ESI)，m/z：276.89（[M+1]+），552.95（[2M+1]+），符合产物的相对分子量.IR(KBr)，v/cm-1：3 222.6 cm-1为NH伸缩振动峰，3115.6cm-1为苯环上CH伸缩振动峰，2974.6cm-1为饱和CH伸缩振动峰，1693.5cm-1为酯CO伸缩振动峰，1 648.1 cm-1为酮CO振动峰，1 457.7，1 400.6 cm-1为苯环的骨架振动，1 229.0，1 097.8，1 021.5 cm-1为COC伸缩振动峰，782.5，672.7 cm-1为苯环CH的面外弯曲振动.符合合成产物的特征官能团红外数据.

2　结果与讨论

2.1催化剂的表征

2.1.1催化剂的IR光谱H6P2W18O62和H6P2W18O62/SiO2的红外谱图如图1所示.从图1中a可知，纯H6P2W18O62的主要吸收峰为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结构.另外，在3 439.2 cm-1为OH的伸缩振动，在1 619.4 cm-1出现较弱的吸收峰，这是水的弯曲振动吸收，因此，该物质含有一定的结晶水.由图b可知H6P2W18O62/SiO2吸收峰发生了明显地变化，但H6P2W18O62/SiO2在700～1 100 cm-1区域内特征吸收峰有一部分被保留，发生了少许偏移，913.7 cm-1处的峰消失了，且SiO2的OH的吸收峰1 080.6 cm-1明显的变宽，说明H6P2W18O62可能与SiO2发生了化学作用，不是简单的物理吸附作用[13]，负载的H6P2W18O62仍保持Dawson结构.

图1　H6P2W18O62(a)和H6P2W18O62/SiO2(b)的红外表征图

图2　H6P2W18O62(a)和H6P2W18O62/SiO2(b)的XRD表征图

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

2.1.2催化剂的XRD图谱H6P2W18O62和H6P2W18O62/SiO2的XRD图谱如图2所示.从图2可知，H6P2W18O62的XRD衍射峰主要集中在2θ=7°～10°，14°～19°，24°～30°，33°～35°这4个区间内，符合Dawson结构杂多酸的2θ，表明所制备的H6P2W18O62结构是完整的.而在H6P2W18O62/SiO2谱图中只出现了一个较宽的衍射峰（2θ=24.15°），未见H6P2W18O62晶相峰，说明H6P2W18O62/SiO2为典型的无定型态，H6P2W18O62高度分散在SiO2载体表面且没有出现凝聚[14].

2.1.3催化剂的SEM图H6P2W18O62和H6P2W18O62/SiO2的SEM图如图3所示.由图3(a)可知，H6P2W18O62的外部形态呈大小不一（5～15 μm）的多孔球状结构.图3(b)为H6P2W18O62的单个球放大图，它呈似破非破状，可能容易被掺杂改性.如图3(c)，SiO2为大小约为300 nm的均一球状颗粒，且排列规则，所以作为载体可以使H6P2W18O62均匀地分散开.图3(d)表明，H6P2W18O62负载于SiO2后，H6P2W18O62均匀分散在SiO2载体上.

2.2合成5-乙氧羰基-4-(4-羟基苯基)-6-甲基-3，4-二氢嘧啶-2(1H)-酮条件的优化在固定对羟基苯甲醛用量为0.04 mol的情况下，该反应的影响因素主要有反应物物质的摩尔比A，反应温度B，催化剂H6P2W18O62/SiO2用量C和反应时间D，本文中采用4因素（A，B，C，D）和3水平（1，2，3）的正交实验法L9（34），考察了4因素对合成5-乙氧羰基-4-(4-羟基苯基)-6-甲基-3，4-二氢嘧啶-2(1H)-酮的影响，结果分别见表1和表2.

由表2可知，4个因素中以反应物物质的摩尔比A对反应的影响最为明显，其大小顺序为A＞D＞C＞B.由位级分析可知，最佳的位级组合是A3B2C1D1，亦即适宜的反应条件是固定对羟基苯甲醛的用量为0.04mol的情况下，n (对羟基苯甲醛):n(乙酰乙酸乙酯)∶n(尿素)=1∶1.5∶1.5，催化剂的用量占反应物料总质量的1.5%，反应温度为80℃，反应时间为60 min.在此优化条件下，平行做3次，其收率分别为94.0%、94.9%、94.2%，平均收率为94.4%.

表1　正交试验L9（34）的因素和水平

3　结论

H6P2W18O62/SiO2催化合成5-乙氧羰基-4-(4-羟基苯基)-6-甲基3，4-二氢嘧啶-2(1H)-酮的适宜条件是：n（对羟基苯甲醛）∶n(乙酰乙酸乙酯)∶n(尿素)=1∶1.5∶1.5，催化剂用量占反应物料总质量的1.5%，反应温度为80℃，反应时间为60 min，在该条件下5-乙氧羰基-4-(4-羟基苯基)-6-甲基-3，4-二氢嘧啶-2(1H)-酮的收率可达94.4%.H6P2W18O62/SiO2对合成5-乙氧羰基-4-(4-羟基苯基)-6-甲基-3，4-二氢嘧啶-2(1H)-酮具有良好的催化活性，与其他催化剂相比，具有催化剂用量少，反应时间短，5-乙氧羰基-4-(4-羟基苯基)-6-甲基3，4-二氢嘧啶-2(1H)-酮收率较高，且无废酸排放，工艺流程简单之优点.因此，H6P2W18O62/SiO2是合成5-乙氧羰基-4-(4-羟基苯基)-6-甲基3，4-二氢嘧啶-2(1H)-酮的优良催化剂，具有良好的应用前景.

表2　正交试验L9（34）结果与分析

[1]路军，马怀让.三氯化铁催化的一锅法合成3，4-二氢嘧啶-2-酮[J].有机化学，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，袁耀锋，庞美丽，等.利用三溴化铟催化的Biginelli反应原位合成3，4-二氢嘧啶-2-酮[J].高等学校化学学报，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-3，4-二氢嘧啶-2-酮的合成[J].河北化工，2010，33(7):22-23.

[5]施磊，朱国华，丁欣宇，等.三氯化铝催化合成3，4-二氢嘧啶-2-酮[J].化学试剂，2007，9(4):255-256.

[6]杨水金，黄永葵，邓丽娇，等.二氧化硅负载硅钨酸催化合成环己酮1，2-丙二醇缩酮[J].井冈山大学学报:自然科学版，2011，32(6):38-40.

[7]丁欣宇，施磊，景晓辉.对甲苯磺酸催化合成4-苯基-6-甲基-5-乙氧羰基-3，4-二氢嘧啶-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，龚文朋，杨水金.H3PW6Mo6O40/SiO2催化合成4-苯基-6-甲基-5-乙氧羰基-3，4-二氢嘧啶-2(H)-酮[J].湖北大学学报:自然科学版，2014，36(3):252-257.

[14]潘晓民，谢有畅.X射线相定量法测单层分散阈值[J].大学化学，2001，16(3):36-39.

(责任编辑胡小洋)

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年国家大学生创新创业训练计划项目（201313256001）和湖北师范学院硕士研究生创新科研基金项目（1051320130216）资助

刘晓霞（1987-），女，硕士生；杨水金，通信作者，教授，E-mail：yangshuijin@163.com