负载型蒙脱土催化芦竹碱的微波合成*

吴　伟，吴小云，吴　江，尹晓刚，陈　卓(贵州师范大学化学与材料科学学院贵州省功能材料化学重点实验室，贵州贵阳　550001)



负载型蒙脱土催化芦竹碱的微波合成*

吴伟，吴小云，吴江，尹晓刚，陈卓
(贵州师范大学化学与材料科学学院贵州省功能材料化学重点实验室，贵州贵阳550001)

摘要:以吲哚(1)、甲醛(2)和二甲胺(3)为原料，固载蒙脱土(MMT)/路易斯酸(L)为催化剂，通过微波辐射合成了芦竹碱(4)，其结构经1H NMR确证。考察了MMT/L、反应温度、反应时间、溶剂和物料比r［n(1)∶n(2)∶n(3)］对4产率的影响。结果表明:在最优反应条件［甲醇为溶剂，MMT/ZnCl2为催化剂，MMT/ZnCl218 mg，1 1 mmol，r=1.0∶1.3∶1.3，于50℃反应10 min］下合成4，产率93.8%。MMT/ZnCl2循环使用3次，4产率60.0%关键词:蒙脱土;路易斯酸;微波合成;芦竹碱

芦竹碱［N，N-二甲氨基-3-甲基吲哚(4)］是大麦等植物在进化过程中产生的一种具有化感作用的生物碱［1］。4具有良好的生物活性，如对蘩缕属杂草有良好的抑制作用［2］，使昆虫产生拒食性［3，4］，显著杀灭大麦白粉病菌和作为海洋养殖物防污活性物质［5］等。此外，4还可与环氧树脂复配为抗污染涂料［6］。以4及其类似物为主要成分的除草剂［7］、杀虫剂和杀菌剂［8］等化学制剂具有高效、低毒、低抗性和低残留等优点，具有广阔的应用前景。

微波技术在1986年由Gedye［9］首次应用于有机合成。微波合成可以缩短反应时间，降低能耗和有效提高反应收率［10］，符合“绿色化学”的要求［11－12］。

合成4使用的催化剂主要为冰醋酸和路易斯酸［12－13］。以冰醋酸为催化剂时，用量较大(250%)且分离困难;以ZnCl2为催化剂时，用量小(50%)，但产率偏低(75%)，用量提高至250%时，产率98%。现有合成方法存在反应时间长、能耗高和催化剂用量大等缺点，亟需改进。

本文以吲哚(1)、甲醛(2)和二甲胺(3)为原料，固载蒙脱土(MMT)/路易斯酸(L)为催化剂，采用微波辐射法合成了4(Scheme 1)，其结构经1H NMR确证。考察了MMT/ZnCl2、反应温度、反应时间、溶剂和物料比r［n(1)∶n(2)∶n(3)］对4产率的影响。

Scheme 1

1　实验部分

1.1仪器与试剂

AvanceⅢ400 MHz型核磁共振仪(CDCl3为溶剂，TMS为内标); NOVA型单模微波合成仪。

MMT/L，实验室自制;其余所用试剂均为分析纯。

1.2合成［15］

(1)MMT/L的合成(以MMT/ZnCl2为例)

在反应瓶中加入ZnCl25.44 g(40 mmol)和无水甲醇50 mL，搅拌使其溶解;加入MMT 10 g，于室温搅拌1 h;减压蒸除溶剂，于120℃活化4 h得灰色固体MMT/ZnCl2。

分别以NiCl2，CuCl2，FeCl3和AlCl3替代ZnCl2，用类似的方法合成MMT/NiCl2，MMT/CuCl2，MMT/FeCl3和MMT/AlCl3。

(2)4的合成

在微波反应仪中依次加入MMT/ZnCl218 mg，5℃的33% 3的水溶液0.2 mL，2 0.098 mL 和1 117.2 mg(1 mmol)，搅拌下于50℃反应10 min。冷却至室温，倒入约三倍体积的冰水中，用20%NaOH溶液调至pH＞13，用乙酸乙酯萃取，合并萃取液，减压蒸除溶剂后用无水乙醇重结晶得白色固体4，产率93.8%，m.p.128℃～129 ℃;1H NMR δ:2.29(s，6H，CH3)，3.64(s，2H，CH2)，7.11～7.69(m，5H，ArH)，8.35(s， 1H，NH)。

2　结果与讨论

2.1合成

为优化反应条件，提高4产率，考察了MMT/L(a～e)、反应温度、反应时间、溶剂和物料比r［n(1)∶n(2)∶n(3)］对4产率的影响。

(1)MMT/L

1 1 mmol，r=1.0∶1.0∶1.0，MMT/L 12 mg，以水为溶剂，于50℃微波反应10 min，其余反应条件同1.2(2)，考察MMT/L对4产率的影响，结果见表1。

表1　MMT/L对4产率的影响*Table 1　Effects of MMT/L on yield of 4

由表1可见，除以MMT/FeCl3为催化剂时，4的产率低于MMT外，其余MMT/L为催化剂时，4的产率均有所提高。其中，以MMT/ZnCl2为催化剂时，4的产率最高(66.8%)。其可能原因是:MMT/L较大的比表面积使得催化效率提高; MMT/FeCl3催化效果不佳的原因可能在于FeCl3氧化1的副反应导致4的产率下降。因此，选择MMT/ZnCl2为催化剂。

1 1 mmol，以MMT/ZnCl2为催化剂，其余反应条件同2.1(1)，考察MMT/ZnCl2用量对4产率的影响，结果表明:MMT/ZnCl2用量为12 mg，18 mg和24 mg时，4的产率分别为71.1%，71.7%和71.8%。因此，MMT/ZnCl2的最佳用量为18 mg。

(2)溶剂

MMT/ZnCl20.15 mmol，于50℃微波反应10 min，其余反应条件同2.1(1)，考察溶剂对4产率的影响，结果见表2。由表2可见，溶剂极性对4产率影响较大;溶剂极性太大或太小，均不利于提高4产率;选用极性较大的质子性溶剂，如甲醇和乙醇，4产率分别为90.5%和89.8%。推测可能是极性较大的质子性溶剂有利于此曼尼希反应。因此，选择甲醇为反应溶剂。

表2　溶剂对4产率的影响*Table 2　Effects of solvent on yield of 4

表3　r对4产率的影响*Table 3　Effects of r on yield of 4

表4　反应温度和反应时间对4产率的影响*Table 4　Effects of reaction temperature and time on yield of 4

(3)r

1 1 mmol，MMT/ZnCl218 mg，以甲醇为溶剂，于50℃微波反应10 min，其余反应条件同2.1(1)，考察r对4产率的影响，结果见表3。由表3可见，随着1和2增加，4产率提高;当r=1.0∶1.3∶1.3时，产率最高(93.8%)。因此，选择r=1.0∶1.3∶1.3。

(4)反应温度和反应时间

1 1 mmol，r=1.0∶1.3∶1.3，MMT/ZnCl218 mg，以甲醇为溶剂，其余反应条件同2.1(1)，考察反应温度和反应时间对4产率的影响，结果见表4。由表4可见，反应时间相同时，4的产率随温度升高而提高(如No.2，No.7和No.9);超过50℃，产率下降。因此，选择50℃为反应温度。固定反应温度为50℃，延长反应时间(No.3～No.7)，4的产率提高，但反应时间超过10 min，产率稍有下降(No.7)。其可能原因是:反应温度过高和反应时间过长，1开始发生聚合等副反应。因此选择反应时间为10 min。

综上所述，合成4的最优条件为:1 1 mmol，r=1.0∶1.3∶1.3，MMT/ZnCl218 mg，以甲醇为溶剂，于50℃微波反应10 min。

2.2循环性能

在最优条件下考察MMT/ZnCl2的循环性能，结果见表5。由表5可见，随着MMT/ZnCl2循环使用次数增加，4的产率逐渐降低; MMT/ZnCl2循环使用3次，4产率60.0%。这表明MMT/ZnCl2有一定循环性能。

表5　MMT/ZnCl2的循环性能*Table 5　Cycling performance of MMT/ZnCl2

2.3表征

由1H NMR分析可见，δ 2.29处特征峰为甲基的质子单峰;δ 3.64处特征峰为亚甲基的质子单峰;δ 7.11～7.69处特征峰为芳氢的质子单峰; δ 8.35处特征峰为氨基氢的质子单峰。

3　结论

以吲哚(1)、甲醛(2)和二甲胺(3)为原料，固载蒙脱土(MMT)/路易斯酸(L)为催化剂，微波辐射合成了芦竹碱(4)。在最优反应条件［甲醇为溶剂，MMT/ZnCl218 mg，1 1 mmol，r=1.0∶1.3∶1.3，于50℃反应10 min］下合成4，产率93.8%。MMT/ZnCl2循环使用3次，4产率60.0%。

该反应路线大大减少了催化剂用量，提高了反应速率，降低了能耗和环境污染，有望在4的生产中推广。

参考文献

［1］孔垂华，胡飞，陈雄辉，等.作物化感品种资源的评价利用［J］.中国农业科学，2002，35:1159－1164.

［2］史建伟，薛怀清.杂草防除的生物策略［J］.世界农业，2002，279(7):41－44.

［3］Wippich C，Wink M.Biological properties of alkaloids:Influence of quinolizidine alkaloids and gramine on the germination and development of powdery mildew，erysiphe graminis f sp hordei［J］.Experientia，1985，41:1477－1479.

［4］李春选，马恩波.飞蝗研究进展［J］.昆虫知识，2003，40(1):24－27.

［5］赵晓燕.海洋天然产物防污研究进展［J］.材料开发与应用，2001，16(4):34－36.

［6］杨保平，邢杰，郭军红，等.二羟基芦竹碱新型环保防污涂料的研制［J］.现代涂料与涂装，2010，13(10):3－5.

［7］贝纳新，高萍，石承民，等.植物源杀虫剂研究进展［J］.沈阳农业大学学报，2002，33(4):309－314.

［8］Pachter I J，Zacharias D E，Ribeir O.Indole alkaloids of acer saccharinum(the silver maple)，dictyoloma incanescens，piptadenia columbrina and mimosa hostilis ［J］.J Org Chem，1959，24:1285－1287.

［9］Gedye R，Smith F，Westaway K，et al.The structures of spirasine V and spirasine VI［J］.Tetrahedron Lett，1986，27(3):279－292.

［10］Kremsner J M，Kappe C O.Microwave-assisted organic synthesis in near-criti［J］.Polym Prepr，2008，49:951－981.

［11］Roland A，Saloua C，Takahiro T，et al.Electrophilicities of benzaldehyde-derived iminium ions:Quantification of the electrophilic activation of aldehydes by iminium formation［J］.J Am Chem Soc，2013，135(17):6579－6587.

［12］赵志刚，石治川，刘强，等.新型猪去氧胆酸分子钳人工受体的微波无溶剂合成及其对氨基酸甲酯的识别性能［J］.合成化学，2014，22(5):601～607.

［13］王天桃，张应阔，钱万红，等.芦竹碱合成新工艺的研究［J］.化工时刊，2002，3:49－50.

［14］许前会，韦萍.新型植物源农药芦竹碱的应用与合成研究［J］.农药，2004，43(2):76－77.

［15］Dai H G，Li J T，Tong S L.Efficient and practical synthesis of Mannich bases related to gramine mediated by Zinc chloride［J］.Syn Comm，2006，36:1829－1835.

［16］李记太，蔺志平.蒙脱土K10－ZnCl2催化下研磨法合成二吲哚甲烷衍生物［J］.有机化学，2008，28(7):

·研究简报·

Catalytic Synthesis of Gramine by Immobilized Montmorillonite under Microwave Irradiation

WU Wei，WU Xiao-yun，WU jiang，YIN Xiao-gang，CHEN Zhuo
(Key Laboratory of Functional Materials Chemistry of Guizhou Province，
School of Chemistry and Materials Science，Guizhou Normal University，Guiyang 550001，China)

Abstract:Gramine(4)was synthesized by microwave-assist method from indole(1)，formaldehyde(2)and dimethylamine(3)，using immobilized montmorillonite/Lewis acid as the catalyst.The structure was confirmed by1H NMR.The effects of catalyst，reaction temperature，reaction time，solvent and molar ratio{ r［n(1)∶n(2)∶n(3)］} on the yield of 4 were investigated.The optimum conditions of synthesis 4 at 50℃for 10 min were as follows:methanol as the solvent，MMT/ZnCl2as the catalyst，MMT/ZnCl20.15 mmol，1 1 mmol，r=1.0∶1.3∶1.3.The yield of 4 was 93.8% under the optimum conditions.The yield of 4 was 60.0% after MMT/ZnCl2used for three times.

Keywords:MMT; Lewis acid; microwave; synthesis; Gramine

通讯作者:陈卓，教授，E-mail:chenzhuo19@163.com

作者简介:吴伟(1989－)，男，汉族，贵州毕节人，硕士研究生，主要从事有机合成的研究。E-mail:29035287@ qq.com

基金项目:贵州师范大学研究生创新基金资助项目［硕创2014(11)］;贵州省科技创新人才团队建设项目{黔科合人才团队［2014］4006号}

收稿日期:2014-08-18;

修订日期:2015-04-29

DOI:10.15952/j.cnki.cjsc.1005－1511.2015.06.0543 *

文献标识码:A

中图分类号:;O621.25; O626.21