負(fù)載型蒙脫土催化蘆竹堿的微波合成*

吳　偉，吳小云，吳　江，尹曉剛，陳　卓(貴州師范大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院貴州省功能材料化學(xué)重點(diǎn)實驗室，貴州貴陽　550001)

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負(fù)載型蒙脫土催化蘆竹堿的微波合成*

吳偉，吳小云，吳江，尹曉剛，陳卓
(貴州師范大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院貴州省功能材料化學(xué)重點(diǎn)實驗室，貴州貴陽550001)

摘要:以吲哚(1)、甲醛(2)和二甲胺(3)為原料，固載蒙脫土(MMT)/路易斯酸(L)為催化劑，通過微波輻射合成了蘆竹堿(4)，其結(jié)構(gòu)經(jīng)1H NMR確證。考察了MMT/L、反應(yīng)溫度、反應(yīng)時間、溶劑和物料比r［n(1)∶n(2)∶n(3)］對4產(chǎn)率的影響。結(jié)果表明:在最優(yōu)反應(yīng)條件［甲醇為溶劑，MMT/ZnCl2為催化劑，MMT/ZnCl218 mg，1 1 mmol，r=1.0∶1.3∶1.3，于50℃反應(yīng)10 min］下合成4，產(chǎn)率93.8%。MMT/ZnCl2循環(huán)使用3次，4產(chǎn)率60.0%關(guān)鍵詞:蒙脫土;路易斯酸;微波合成;蘆竹堿

蘆竹堿［N，N-二甲氨基-3-甲基吲哚(4)］是大麥等植物在進(jìn)化過程中產(chǎn)生的一種具有化感作用的生物堿［1］。4具有良好的生物活性，如對蘩縷屬雜草有良好的抑制作用［2］，使昆蟲產(chǎn)生拒食性［3，4］，顯著殺滅大麥白粉病菌和作為海洋養(yǎng)殖物防污活性物質(zhì)［5］等。此外，4還可與環(huán)氧樹脂復(fù)配為抗污染涂料［6］。以4及其類似物為主要成分的除草劑［7］、殺蟲劑和殺菌劑［8］等化學(xué)制劑具有高效、低毒、低抗性和低殘留等優(yōu)點(diǎn)，具有廣闊的應(yīng)用前景。

微波技術(shù)在1986年由Gedye［9］首次應(yīng)用于有機(jī)合成。微波合成可以縮短反應(yīng)時間，降低能耗和有效提高反應(yīng)收率［10］，符合“綠色化學(xué)”的要求［11－12］。

合成4使用的催化劑主要為冰醋酸和路易斯酸［12－13］。以冰醋酸為催化劑時，用量較大(250%)且分離困難;以ZnCl2為催化劑時，用量小(50%)，但產(chǎn)率偏低(75%)，用量提高至250%時，產(chǎn)率98%。現(xiàn)有合成方法存在反應(yīng)時間長、能耗高和催化劑用量大等缺點(diǎn)，亟需改進(jìn)。

本文以吲哚(1)、甲醛(2)和二甲胺(3)為原料，固載蒙脫土(MMT)/路易斯酸(L)為催化劑，采用微波輻射法合成了4(Scheme 1)，其結(jié)構(gòu)經(jīng)1H NMR確證。考察了MMT/ZnCl2、反應(yīng)溫度、反應(yīng)時間、溶劑和物料比r［n(1)∶n(2)∶n(3)］對4產(chǎn)率的影響。

Scheme 1

1　實驗部分

1.1儀器與試劑

AvanceⅢ400 MHz型核磁共振儀(CDCl3為溶劑，TMS為內(nèi)標(biāo)); NOVA型單模微波合成儀。

MMT/L，實驗室自制;其余所用試劑均為分析純。

1.2合成［15］

(1)MMT/L的合成(以MMT/ZnCl2為例)

在反應(yīng)瓶中加入ZnCl25.44 g(40 mmol)和無水甲醇50 mL，攪拌使其溶解;加入MMT 10 g，于室溫攪拌1 h;減壓蒸除溶劑，于120℃活化4 h得灰色固體MMT/ZnCl2。

分別以NiCl2，CuCl2，F(xiàn)eCl3和AlCl3替代ZnCl2，用類似的方法合成MMT/NiCl2，MMT/CuCl2，MMT/FeCl3和MMT/AlCl3。

(2)4的合成

在微波反應(yīng)儀中依次加入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)，攪拌下于50℃反應(yīng)10 min。冷卻至室溫，倒入約三倍體積的冰水中，用20%NaOH溶液調(diào)至pH＞13，用乙酸乙酯萃取，合并萃取液，減壓蒸除溶劑后用無水乙醇重結(jié)晶得白色固體4，產(chǎn)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　結(jié)果與討論

2.1合成

為優(yōu)化反應(yīng)條件，提高4產(chǎn)率，考察了MMT/L(a～e)、反應(yīng)溫度、反應(yīng)時間、溶劑和物料比r［n(1)∶n(2)∶n(3)］對4產(chǎn)率的影響。

(1)MMT/L

1 1 mmol，r=1.0∶1.0∶1.0，MMT/L 12 mg，以水為溶劑，于50℃微波反應(yīng)10 min，其余反應(yīng)條件同1.2(2)，考察MMT/L對4產(chǎn)率的影響，結(jié)果見表1。

表1　MMT/L對4產(chǎn)率的影響*Table 1　Effects of MMT/L on yield of 4

由表1可見，除以MMT/FeCl3為催化劑時，4的產(chǎn)率低于MMT外，其余MMT/L為催化劑時，4的產(chǎn)率均有所提高。其中，以MMT/ZnCl2為催化劑時，4的產(chǎn)率最高(66.8%)。其可能原因是:MMT/L較大的比表面積使得催化效率提高; MMT/FeCl3催化效果不佳的原因可能在于FeCl3氧化1的副反應(yīng)導(dǎo)致4的產(chǎn)率下降。因此，選擇MMT/ZnCl2為催化劑。

1 1 mmol，以MMT/ZnCl2為催化劑，其余反應(yīng)條件同2.1(1)，考察MMT/ZnCl2用量對4產(chǎn)率的影響，結(jié)果表明:MMT/ZnCl2用量為12 mg，18 mg和24 mg時，4的產(chǎn)率分別為71.1%，71.7%和71.8%。因此，MMT/ZnCl2的最佳用量為18 mg。

(2)溶劑

MMT/ZnCl20.15 mmol，于50℃微波反應(yīng)10 min，其余反應(yīng)條件同2.1(1)，考察溶劑對4產(chǎn)率的影響，結(jié)果見表2。由表2可見，溶劑極性對4產(chǎn)率影響較大;溶劑極性太大或太小，均不利于提高4產(chǎn)率;選用極性較大的質(zhì)子性溶劑，如甲醇和乙醇，4產(chǎn)率分別為90.5%和89.8%。推測可能是極性較大的質(zhì)子性溶劑有利于此曼尼希反應(yīng)。因此，選擇甲醇為反應(yīng)溶劑。

表2　溶劑對4產(chǎn)率的影響*Table 2　Effects of solvent on yield of 4

表3　r對4產(chǎn)率的影響*Table 3　Effects of r on yield of 4

表4　反應(yīng)溫度和反應(yīng)時間對4產(chǎn)率的影響*Table 4　Effects of reaction temperature and time on yield of 4

(3)r

1 1 mmol，MMT/ZnCl218 mg，以甲醇為溶劑，于50℃微波反應(yīng)10 min，其余反應(yīng)條件同2.1(1)，考察r對4產(chǎn)率的影響，結(jié)果見表3。由表3可見，隨著1和2增加，4產(chǎn)率提高;當(dāng)r=1.0∶1.3∶1.3時，產(chǎn)率最高(93.8%)。因此，選擇r=1.0∶1.3∶1.3。

(4)反應(yīng)溫度和反應(yīng)時間

1 1 mmol，r=1.0∶1.3∶1.3，MMT/ZnCl218 mg，以甲醇為溶劑，其余反應(yīng)條件同2.1(1)，考察反應(yīng)溫度和反應(yīng)時間對4產(chǎn)率的影響，結(jié)果見表4。由表4可見，反應(yīng)時間相同時，4的產(chǎn)率隨溫度升高而提高(如No.2，No.7和No.9);超過50℃，產(chǎn)率下降。因此，選擇50℃為反應(yīng)溫度。固定反應(yīng)溫度為50℃，延長反應(yīng)時間(No.3～No.7)，4的產(chǎn)率提高，但反應(yīng)時間超過10 min，產(chǎn)率稍有下降(No.7)。其可能原因是:反應(yīng)溫度過高和反應(yīng)時間過長，1開始發(fā)生聚合等副反應(yīng)。因此選擇反應(yīng)時間為10 min。

綜上所述，合成4的最優(yōu)條件為:1 1 mmol，r=1.0∶1.3∶1.3，MMT/ZnCl218 mg，以甲醇為溶劑，于50℃微波反應(yīng)10 min。

2.2循環(huán)性能

在最優(yōu)條件下考察MMT/ZnCl2的循環(huán)性能，結(jié)果見表5。由表5可見，隨著MMT/ZnCl2循環(huán)使用次數(shù)增加，4的產(chǎn)率逐漸降低; MMT/ZnCl2循環(huán)使用3次，4產(chǎn)率60.0%。這表明MMT/ZnCl2有一定循環(huán)性能。

表5　MMT/ZnCl2的循環(huán)性能*Table 5　Cycling performance of MMT/ZnCl2

2.3表征

由1H NMR分析可見，δ 2.29處特征峰為甲基的質(zhì)子單峰;δ 3.64處特征峰為亞甲基的質(zhì)子單峰;δ 7.11～7.69處特征峰為芳?xì)涞馁|(zhì)子單峰; δ 8.35處特征峰為氨基氫的質(zhì)子單峰。

3　結(jié)論

以吲哚(1)、甲醛(2)和二甲胺(3)為原料，固載蒙脫土(MMT)/路易斯酸(L)為催化劑，微波輻射合成了蘆竹堿(4)。在最優(yōu)反應(yīng)條件［甲醇為溶劑，MMT/ZnCl218 mg，1 1 mmol，r=1.0∶1.3∶1.3，于50℃反應(yīng)10 min］下合成4，產(chǎn)率93.8%。MMT/ZnCl2循環(huán)使用3次，4產(chǎn)率60.0%。

該反應(yīng)路線大大減少了催化劑用量，提高了反應(yīng)速率，降低了能耗和環(huán)境污染，有望在4的生產(chǎn)中推廣。

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·研究簡報·

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

通訊作者:陳卓，教授，E-mail:chenzhuo19@163.com

作者簡介:吳偉(1989－)，男，漢族，貴州畢節(jié)人，碩士研究生，主要從事有機(jī)合成的研究。E-mail:29035287@ qq.com

基金項目:貴州師范大學(xué)研究生創(chuàng)新基金資助項目［碩創(chuàng)2014(11)］;貴州省科技創(chuàng)新人才團(tuán)隊建設(shè)項目{黔科合人才團(tuán)隊［2014］4006號}

收稿日期:2014-08-18;

修訂日期:2015-04-29

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

文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

中圖分類號:;O621.25; O626.21