无溶剂合成含二茂铁基查尔酮

刘玉婷，邹倩，尹大伟

(陕西科技大学化学与化工学院 陕西省轻化工助剂重点实验室，陕西 西安 710021)

绿色化学及绿色有机合成方法具有简单、绿色、高效、低成本等特点，是研究者们研究的热点[1-3]。其中，使用低毒性有机溶剂或无溶剂合成方法成为一个重要的研究方向。二茂铁基查尔酮在生物医药领域、功能材料领域、化学电分析和催化领域具有广泛的应用，其传统合成方法是液相法，存在反应时间长、溶剂使用量大、后处理繁琐等缺点。为了克服这些缺点，超声技术[4]、微波法[5-8]和固相法[9-12]等合成方法相继报道，尤其是固相合成法无需溶剂、反应时间短、操作简单、设备要求低，是一种绿色、经济的合成方法[13,14]。本课题组[15-18]曾利用固相研磨法，以KF/Al2O3为催化剂，室温下成功的合成了二茂铁基查尔酮，但是所用催化剂价格较高，成本高，因此，本文采用室温固相研磨法，在固体NaOH和无水K2CO3的催化下，合成了12种二茂铁基查尔酮，并通过FT-IR,1H NMR，13C NMR对其结构进行了表征。

图1 二茂铁基查尔酮的合成

1 实验部分

1.1 试剂及仪器

VECTOR-22傅里叶红外光谱仪,德国BRUKER公司；ADVANCE Ⅲ 400 MHz核磁共振仪(DMSO-d6为溶剂，TMS为内标)德国BRUKER公司；X-4型数字显示显微熔点仪(温度计未经校正)，北京泰克仪器有限公司。所用试剂均为国产分析纯。乙酰基二茂铁参照文献[9]合成。

1.2 含二茂铁基查尔酮的合成

向干燥的研钵中加入10 mmol乙酰基二茂铁，12 mmol芳香醛，0.5 mol NaOH/0.5 mmol无水K2CO3，混合均匀，室温下研磨5-10 min(TLC监测反应进程，展开剂V(乙酸乙酯∶石油醚)=1∶3)，待完全反应后，加入少量水，抽滤，水洗至滤液中性，干燥，得到纯品。

1-苯基-3-二茂铁基烯酮(3a):红棕色固体，m.p.142～144 ℃(141～142 ℃[14])。IR(KBr), σ(cm-1): 3 090(—CH=), 1 647(C=O), 1 593(C=C), 1 493, 1 450(Ar, Fc), 762(Ar-H)。1H NMR(400 MHz，DMSO-d6),δ:4.25(s, 5H, Fc-H), 4.63(s, 2H, Fc-H), 4.95(s, 2H, Fc-H), 7.14～7.18(d, 1H, =CH), 7.29～7.68(m, 5H, Ph-H), 7.81～7.85(d, 1H, =CH)。13C NMR(100 MHz，DMSO-d6),δ: 192.47, 140.38, 134.70, 129.63, 128.46, 127.79, 122.46, 80.12, 72.31, 69.63, 69.25。

1-(4-氟)苯基-3-二茂铁基烯酮(3b):红棕色固体，m.p. 160～161℃ (161～162 ℃[14])。IR(KBr), σ(cm-1): 3 096(—CH=), 1 649(C=O), 1 588(C=C), 1 503, 1 451(Ar, Fc), 823(Ar-H)。1H NMR(400 MHz，DMSO-d6),δ:4.25(s, 5H, Fc-H), 4.53(s, 2H, Fc-H), 4.80(s, 2H, Fc-H), 7.06～7.15(d, 1H, =CH), 7.29～7.30(d, 2H, Ph-H), 7.67～7.69(d, 2H, Ph-H), 7.77～7.80(1, 2H, =CH)。13C NMR(100 MHz，DMSO-d6),δ:192.30, 139.12, 130.90, 129.67, 122.15, 115.71, 115.49, 80.03, 72.36, 69.63, 69.39。

1-(4-氯)苯基-3-二茂铁基烯酮(3c): 红棕色固体，m.p.162～163 ℃ (160～161 ℃[14])。 IR(KBr), σ(cm-1): 3 092(—CH=), 1 648(C=O), 1 590(C=C), 1 510, 1 450(Ar, Fc), 818(Ar-H)。1H NMR(400MHz，DMSO-d6),δ:4.24(s, 5H, Fc-H), 4.63(s, 2H, Fc-H), 4.83(s, 2H, Fc-H), 7.09～7.13(d, 1H, =CH), 7.41～7.43(d, 2H, Ph-H), 7.60～7.62(d, 2H, Ph-H), 7.74～7.78(d, 1H, =CH)。13C NMR(100 MHz，DMSO-d6),δ:192.23, 138.93, 136.78, 133.19, 128.94, 128.72, 122.87, 79.97, 72.44, 69.66, 69.26。

1-(4-溴)苯基-3-二茂铁基烯酮(3d):红棕色固体,m.p.161～163 ℃(165～166 ℃[14])。 IR(KBr), σ(cm-1):3 094(—CH=), 1 649(C=O), 1 585(C=C), 1 523, 1 451(Ar, Fc), 817(Ar-H)。1H NMR(400 MHz, DMSO-d6),δ: 4.24(s, 5H, Fc-H), 4.54(s, 2H, Fc-H), 4.80(s, 2H, Fc-H), 7.11～7.15(d, 1H, =CH), 7.29～7.30(d, 2H, Ph-H), 7.55～7.58(d, 2H, Ph-H), 7.73～7.77(d, 1H, =CH)。13C NMR(100 MHz, DMSO-d6)δ: 192.41, 138.99, 133.98, 131.68, 129.15, 124.05, 122.95, 79.98, 72.46, 69.65, 69.39。

1-(4-甲基)苯基-3-二茂铁基烯酮(3e):红棕色固体，m.p.170～171 ℃(172～173 ℃[14])。 IR(KBr), σ(cm-1):3 098(—CH=), 2 980, 1 370(—CH3), 1 647(C=O), 1 584(C=C), 1 512, 1 446(Ar,Fc), 814(Ar-H)。1H NMR(400 MHz，DMSO-d6),δ: 2.43(s, 3H, —CH3), 4.24(s, 5H, Fc-H), 4.61(s, 2H, Fc-H), 4.94(s, 2H, Fc-H), 7.10～7.14(d, 1H, =CH), 7.27～7.30(d, 2H, Ph-H), 7.58～7.59(d, 2H, Ph-H), 7.79～7.83(d, 1H, =CH)。13C NMR(100MHz，DMSO-d6),δ: 192.58, 140.43, 140.09, 131.85, 129.42, 127.80, 121.50, 80.22, 72.21, 69.61, 69.23, 21.06。

1-(4-甲氧基)苯基-3-二茂铁基烯酮(3f):红棕色固体，m.p.145～147 ℃(148～149 ℃[14])。IR(KBr), σ(cm-1):3 084(—CH=), 2 837, 1 349(—CH3), 1 651(C=O), 1 580(C=C), 1 507, 1 449 (Ar, Fc), 822(Ar-H)。1H NMR(400 MHz，DMSO-d6),δ:3.89(s, 3H, —OCH3), 4.24(s, 5H, Fc-H), 4.60(s, 2H, Fc-H), 4.94(s, 2H, Fc-H), 6.98～7.03(d, 1H, =CH), 7.64～7.65(d, 2H, Ph-H), 7.78～7.81(d, 2H, Ph-H), 7.87～7.90(d, 1H, =CH)。13C NMR(100MHz，DMSO-d6),δ: 192.53, 140.17, 131.50, 129.42, 127.37, 120.23, 113.90, 80.15, 72.11, 69.39, 69.19, 54.95。

1-(4-异丙基)苯基-3-二茂铁基烯酮(3g):红棕色固体，m.p.109～110℃。IR(KBr),σ(cm-1):3 096(—CH=), 2958,1376(—CH3), 1 647(C=O), 1 588(C=C), 1 511, 1 449 (Ar, Fc), 821(Ar-H)。1H NMR(400 MHz，DMSO-d6),δ:1.30(s,6H, -CH3), 2.97(m, 1H, —CH), 4.24(s, 5H, Fc-H), 4.61(s, 2H, Fc-H), 4.94(s, 2H, Fc-H), 7.12～7.15(d, 1H, =CH), 7.32～7.36(d, 2H, Ph-H), 7.62～7.64(d, 2H, Ph-H), 7.82～7.83(d, 1H, =CH)。13C NMR(100 MHz，DMSO-d6),δ: 192.59, 151.02, 140.43, 132.57, 127.93, 126.60, 121.58, 80.22, 72.23, 69.62, 69.25, 33.66, 23.35。

1-(2-噻吩)基-3-二茂铁基烯酮(3h):红棕色固体，m.p.124～125 ℃。IR(KBr), σ(cm-1):3 102(—CH=), 1 642(C=O), 1 579(C=C), 1 552, 1 454(Ar, Fc)。1H NMR(400 MHz，DMSO-d6),δ: 4.24(s, 5H, Fc-H), 4.61(s, 2H, Fc-H), 4.92(s, 2H, Fc-H), 6.92～6.96(d, 1H, =CH), 7.03～7.12(d, 1H, Thy-H), 7.29～7.30(m, 1H, Thy-H), 7.34～7.37(d, 1H, Thy-H), 7.91～7.95(d, 1H, =CH)。13C NMR(100 MHz，DMSO-d6),δ:192.07, 140.15, 132.86, 130.98, 127.85, 127.42, 121.51, 80.08, 72.29, 69.64, 69.39。

1-(3-噻吩)基-3-二茂铁基烯酮(3i):红棕色固体，m.p.132～135 ℃。IR(KBr), σ(cm-1):3 096(—CH=), 1 645(C=O), 1583(C=C), 1 550, 1 450(Ar, Fc)。1H NMR(400 MHz，DMSO-d6),δ: 4.24(s, 5H, Fc-H), 4.61(s, 2H, Fc-H), 4.94(s, 2H, Fc-H), 6.96～6.99(d, 1H, =CH), 7.18～7.20(d, 1H, Thy-H), 7.42～7.45(d, 1H, Thy-H), 7.62(s, 1H, Thy-H), 7.80-7.82(d, 1H, =CH).13C NMR(100 MHz，DMSO-d6),δ: 193.09, 138.04, 133.92, 127.93, 126.43,124.74, 122.21, 79.98, 72.23, 69.61, 69.20。

1-(4-吡啶)基-3-二茂铁基烯酮(3j):红棕色固体，m.p.:67～68 ℃。IR(KBr), σ(cm-1): 3 092(—CH=), 1 642(C=O), 1 579(C=C), 1 557, 1 454(Ar, Fc)。1H NMR(400 MHz，DMSO-d6),δ: 4.25(s, 5H, Fc-H), 4.64(s, 2H, Fc-H), 4.93(s, 2H, Fc-H), 6.98～7.02(d, 1H, =CH), 7.06～7.14(d, 1H, Py-H), 7.29～7.32(d, 1H, Py-H), 7.67～7.76(m, 2H, Py-H), 7.48～7.50(d, 1H, =CH)。13C NMR(100 MHz, DMSO-d6),δ: 192.71, 153.06, 149.65, 138.64, 136.41, 126.09, 125.03, 123.63, 80.04, 72.57, 69.71, 69.48。

1-(4-硝基)苯基-3-二茂铁基烯酮(3k):红棕色固体，m.p.:59～60 ℃。IR(KBr), σ(cm-1):3 096(—CH=), 1 653(C=O), 1 573(C=C), 1 517, 1 448(Ar,Fc), 1345(—N=O), 826(Ar—H).1H NMR(400 MHz, DMSO-d6),δ: 4.24(s, 5H, Fc—H), 4.54(s, 2H, Fc-H), 4.80(s, 2H, Fc-H), 7.26～7.29(d, 1H, =CH), 7.57～7.59(d, 2H, Fc-H), 7.80～7.82(d, 2H, Fc-H), 8.12～8.13(d, 1H, =CH)。13C NMR(100MHz，DMSO-d6),δ: 192.65, 137.44, 134.00, 129.55, 124.99, 123.81, 121.48, 80.01, 72.81, 69.75, 69.40。

1-(3-硝基)苯基-3-二茂铁基烯酮(3l):红棕色固体，m.p.:115～118 ℃ 178～179 ℃。IR(KBr), σ(cm-1): 3 090(—CH=), 1 653(C=O), 1 596(C=C), 1 521, 1 452(Ar,Fc), 1 343(—N=O), 821(Ar—H)。1H NMR(400M Hz, DMSO-d6),δ: 4.23(s, 5H, Fc-H), 4.68(s, 2H, Fc-H),4.97(s, 2H, Fc-H), 7.21～7.25(d, 1H, =CH), 7.56～7.75(m, 2H, Fc-H), 7.82～7.91(d, 1H, Fc-H), 8.13～8.17(d, 1H, Fc-H), 8.52-8.53(d, 1H, =CH)。13C NMR(100 MHz, DMSO-d6),δ:192.03, 137.42, 136.53, 134.03, 129.58, 124.97, 123.82, 121.50, 80.08, 71.89, 69.75, 69.14。

1.3 反应机理

二茂铁基查尔酮的合成是Claisen-Schmidt缩合反应机理。首先碱夺去乙酰基二茂铁中的α-氢，形成一个烯醇负离子，然后这个负离子作为亲核试剂，进攻芳醛分子中的羰基碳原子，发生亲核加成反应生成一个中间负离子(烷氧负离子)；烷氧负离子与体系中的H+结合得到羟醛；最后，脱水得到烯酮。催化剂NaOH/无水K2CO3在反应中，既提供了碱性条件，又达到脱除水的目的，因此可以提高查尔酮的产率。在无溶剂研磨条件下，反应物及试剂在外力的作用下可以充分接触，反应体系浓度大，因此反应时间短、效率高、产率高。

图2 二茂铁基查尔酮的合成机理

2 结果与讨论

2.1 反应条件筛选

采用研磨法，以乙酰基二茂铁与苯甲醛的反应为模板，优化反应条件。以单因素实验法探究催化剂种类、原料摩尔比及反应时间对产率的影响，结果见表1。

实验考察了催化剂种类对反应的影响(编号1～5)。当无催化剂(编号5)时，反应的产率只有21.1%；使用碱性催化剂时，产率明显提高(编号2)；使用碱与无水K2CO3混合催化剂时，产率最高可达88.2%(编号3)。考察了乙酰基二茂铁与苯甲醛的摩尔比对产率的影响(编号6～9)，发现随着苯甲醛的量增加，产率先增加(在摩尔比为1∶1.2时产率最高)后降低，主要是因为有副产物的生成。研究催化剂用量对产率的影响(编号7,10～12)发现，催化剂用量10%(5%NaOH/5%无水K2CO3)时产率最高，随着催化剂用量的增大，副产物的量增多，导致烯酮产率降低。除此之外，发现在所试反应条件下，5～10 min反应，可以使反应完全(TLC监测)。综上所述，选择在室温条件下进行研磨反应，乙酰基二茂铁与芳醛的摩尔比1∶1.2，NaOH/无水K2CO3为催化剂，催化剂用量为10%，反应时间为5～10 min。

在最佳反应条件下，考察了乙酰基二茂铁与不同芳醛的反应合成一系列查尔酮，结果见表2。

表1 反应条件筛选

表2 底物拓展实验

从表2可以看出，该方法的适用性较广，包括苯甲醛在内的12种芳醛都可以顺利反应，以较高的产率得到目标化合物。当芳环上有推电子取代基时，如甲基，甲氧基对反应不利(编号5～7)，产率较低；而当芳环上有吸电子取代基时，如卤素，硝基对反应有利(编号2～4，11～12)，产率较高，这是由于吸电子基的吸电子作用，使得醛羰基碳的电子云密度降低，有利于亲核试剂(乙酰基二茂铁负离子)的进攻而发生亲核加成反应。从表2可以看出，查尔酮的产率在89.4%～95.1%，低于理论值，这是因为在反应结束后，只是进行水洗，其主要目的是洗去催化剂碱，但是也会有部分产物被洗掉，不过为了实现绿色合成的目的，未使用有机溶剂对水相进行进一步萃取，因此造成产物产率降低。

3 结 论

采用无溶剂固相研磨法合成了含二茂铁基查尔酮，其结构经FT-IR、1H NMR 及13C NMR进行了确证，同时优化了反应。采用固相研磨法，反应条件温和、操作简单、反应时间短，是一种绿色、经济、高效、低成本的合成含二茂铁基查尔酮的方法。