王理想，馮菊紅*，張朵朵，陳雅婷，盛余豪，汪 濤，胡學(xué)雷

(1.武漢工程大學(xué)化工與制藥學(xué)院，湖北 武漢 430074；2.綠色化工過程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430074)

根據(jù)世界衛(wèi)生組織(WHO)的最新數(shù)據(jù)顯示，2020年全球新發(fā)癌癥病例 1 929 萬例，死亡病例 996 萬例，中國新發(fā)癌癥人數(shù)位居全球第一，癌癥成為威脅公眾健康最嚴(yán)重的疾病之一[1]。吡唑類化合物是一類重要的雜環(huán)化合物，具有多種生物活性，是一種廣泛研究的抗癌活性物質(zhì)[2-4]。許多研究證實(shí)，通過吡喃環(huán)與吡唑偶聯(lián)得到的吡喃并吡唑雜環(huán)同樣具有重要的潛在生物活性，包括抗癌活性等[5-8]。

二氫吡喃并[2,3-c]吡唑類化合物由于在醫(yī)藥化學(xué)中的廣泛應(yīng)用，在有機(jī)合成領(lǐng)域引起了研究者的極大興趣。二氫吡喃并[2,3-c]吡唑類化合物的主要合成方法是醛、丙二腈、水合肼和乙酰乙酸乙酯的四組分反應(yīng)[9]。多組分反應(yīng)(MCRs)是有機(jī)合成中非常有效的途徑，隨著科學(xué)界對(duì)綠色化學(xué)認(rèn)識(shí)的不斷提高，設(shè)計(jì)不含有害化學(xué)成分的化學(xué)反應(yīng)以減少或消除有毒廢物成為首要任務(wù)[10]。二氫吡喃并[2,3-c]吡唑類化合物的合成可以使用多種催化劑，常見的有三乙胺[11]、氫氧化鈣[12]、異煙酸[13]、咪唑[14]、雜多酸[15]、甘氨酸[16]、L-脯氨酸[17]等，但傳統(tǒng)催化劑具有危險(xiǎn)性、腐蝕性、不可回收、后處理復(fù)雜等諸多缺點(diǎn)。Keggin型雜多酸磷鎢酸(HPW)作為一種多功能的新型催化劑，具有很高的催化活性且穩(wěn)定性良好[18-19]。鑒于此，作者使用正硅酸乙酯(TEOS)對(duì)四氧化三鐵(Fe3O4)磁性納米顆粒進(jìn)行包硅生成Fe3O4@SiO2磁性納米顆粒(SCMNPs)，不僅解決了Fe3O4顆粒攪拌易粘連的缺點(diǎn)，而且增加了表面的羥基使其更容易進(jìn)行下一步化學(xué)修飾[20-21]，利用硅烷偶聯(lián)劑的橋聯(lián)作用以三乙烯二胺(DABCO)為陽離子并引入磺酸基，磷鎢酸在作陰離子的同時(shí)又為磺酸基提供一個(gè)氫離子，提高了磺酸基的酸性，從而合成一種新型的磺酸-磷鎢酸型雙雜化催化劑，通過FTIR、XRD、SEM等對(duì)其進(jìn)行表征，將該催化劑用于催化二氫吡喃并[2,3-c]吡唑類化合物的多組分合成，并對(duì)合成條件進(jìn)行優(yōu)化。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 試劑與儀器

Fe3O4磁性納米顆粒、正硅酸乙酯(TEOS)、氨水(25%)、無水乙醇、3-氯丙基三甲氧基硅烷、三乙烯二胺(DABCO)、甲苯、乙腈等試劑均為分析純，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

Thermo Scientific Nicolet 6700型傅立葉變換紅外光譜儀(FTIR)，美國熱電尼高力有限公司；Hitachis-4800型掃描電子顯微鏡(SEM)，日本電子；Bruker D8 Advance型X-射線衍射儀(XRD)，德國布魯克公司。

1.2 催化劑的合成

1.2.1 Fe3O4@SiO2磁性納米顆粒(SCMNPs)的制備

將1.00 g Fe3O4磁性納米顆粒分散于去離子水(20 mL)、無水乙醇(80 mL)、正硅酸乙酯(3 mL)和25%氨水(3 mL)的混合溶液中，超聲30 min，然后在室溫下攪拌24 h，收集沉淀并用去離子水沖洗，于真空下干燥24 h，得到SCMNPs[22]。

1.2.2 SCMNPs的表面氯化

將1.00 g SCMNPs、1 mL 3-氯丙基三甲氧基硅烷加入到50 mL干燥甲苯中，氮?dú)獗Ｗo(hù)下攪拌回流24 h，通過外部磁場(chǎng)分離顆粒，并用無水乙醇進(jìn)行索氏洗滌以去除未反應(yīng)的試劑，于真空下干燥24 h，得到表面氯化的SCMNPs(Clp-SCMNPs)[23]。

1.2.3 DABCO在Clp-SCMNPs表面的接枝

將1.00 g Clp-SCMNPs分散于50 mL乙腈中，再加入0.34 g DABCO，回流24 h后，通過外部磁場(chǎng)分離顆粒，并用無水乙醇沖洗數(shù)次，于真空下干燥24 h，得到固體DABCO-SCMNPs。

1.2.4 含磺酸基固體酸催化劑的合成

將0.41 g 1,4-丁磺酸內(nèi)酯溶于10 mL無水甲苯中，并將溶液滴加到含1.00 g DABCO-SCMNPs的甲苯(15 mL)懸浮液中，混合物在氮?dú)獗Ｗo(hù)下回流24 h，通過外部磁場(chǎng)分離顆粒，并用無水乙醇進(jìn)行索氏洗滌以去除未反應(yīng)的試劑，于真空下干燥24 h，得到Sul-DA-SCMNPs。

1.2.5 磷鎢酸基團(tuán)的固定化

將1.00 g Sul-DA-SCMNPs分散于40 mL蒸餾水中，再加入2.89 g磷鎢酸，在室溫下攪拌24 h后，通過外部磁場(chǎng)分離顆粒，并用蒸餾水洗滌數(shù)次，以去除多余的磷鎢酸，于真空下干燥24 h，得到磺酸-磷鎢酸型雙雜化催化劑HPW-Sul-DA-SCMNPs。

1.3 6-氨基-4-苯基-3-甲基-2,4-二氫吡喃并[2,3-c]吡唑-5-腈的多組分催化合成

在一定的溶劑中，將苯甲醛(2 mmol)、丙二腈(2 mmol)和HPW-Sul-DA-SCMNPs加入到乙酰乙酸乙酯(2 mmol)、水合肼(2 mmol)的混合物中，攪拌，通過TLC監(jiān)測(cè)反應(yīng)進(jìn)程。待反應(yīng)結(jié)束后，加入碎冰，并用乙酸乙酯萃取，粗產(chǎn)物用乙醇重結(jié)晶，得到白色固體6-氨基-4-苯基-3-甲基-2,4-二氫吡喃并[2,3-c]吡唑-5-腈。m.p.165～167 ℃;1HNMR(DMSO-d6,400 MHz),δ:1.76(s,3H,CH3),4.57(s,1H,CH),6.83(s,2H,NH2),7.27～7.13(m,5H,ArH),12.03(s,1H,NH);FTIR(KBr),v，cm-1:3 374,3 310,3 172,2 876,2 193,1 650,1 612,1 598,1 491,1 407,1 161,1 043,746,706;13CNMR(DMSO-d6,125 MHz),δ:161.2,155.2,144.8,135.9,128.7,127.8,127.0,121.1,119.4,57.7,36.8,10.1。

2 結(jié)果與討論

2.1 催化劑的表征

2.1.1 FTIR分析(圖1)

a.Fe3O4 b.SCMNPs c.HPW-Sul-DA-SCMNPs

由圖1可知，3 431.92 cm-1、1 639.06 cm-1處的吸收峰分別為-OH的伸縮振動(dòng)和彎曲振動(dòng)，2 950.40 cm-1處的吸收峰為C-H的伸縮振動(dòng)；在譜線b和c中，1 085.19 cm-1處的吸收峰為Si-O-Si的反對(duì)稱伸縮振動(dòng)，說明SiO2已包覆到Fe3O4表面；所有樣品在588.13 cm-1處均出現(xiàn)Fe-O的伸縮振動(dòng)峰；譜線c在1 466.59 cm-1處出現(xiàn)了C-N的伸縮振動(dòng)峰，表明成功接入了DABCO；1 187.77 cm-1、1 046.29 cm-1處的吸收峰分別為O=S=O的不對(duì)稱和對(duì)稱拉伸振動(dòng)，表明引入了磺酸基團(tuán)；另外，在981.60 cm-1、899.44 cm-1、805.47 cm-1處出現(xiàn)3個(gè)特征峰，分別歸因于八面體結(jié)構(gòu)中的共角八面體間的W=O、WOc-W、W-Ob-W橋鍵的拉伸振動(dòng)，證實(shí)了Keggin型雜多酸磷鎢酸在磁性納米材料上的固定化。

2.1.2 XRD分析(圖2)

圖2 Fe3O4、SCMNPs、HPW-Sul-DA-SCMNPs的XRD圖譜

由圖2可知，所有磁性納米顆粒均在2θ為30.34°、35.65°、43.33°、53.42°、57.63°、62.92°處出現(xiàn)相同的衍射峰，分別對(duì)應(yīng)于(220)、(311)、(400)、(422)、(511)、(440)晶面，與JCPDS-PDF卡的No.19-0629一致。表明，在功能化步驟中Fe3O4磁性納米顆粒的晶體結(jié)構(gòu)并未受到破壞，此外，HPW-Sul-DA-SCMNPs的XRD圖譜中沒有出現(xiàn)磷鎢酸結(jié)晶相的相關(guān)衍射峰，證實(shí)了磷鎢酸在SCMNPs表面分散良好。

2.1.3 SEM分析(圖3)

圖3 Fe3O4(a)、HPW-Sul-DA-SCMNPs(b)的SEM照片

由圖3可知，通過共沉淀法制備的Fe3O4磁性納米顆粒普遍粒徑小于100 nm，但極少數(shù)顆粒粒徑較大，可能是由于在洗滌、過濾和干燥過程中顆粒間發(fā)生團(tuán)聚。相較于Fe3O4磁性納米顆粒，HPW-Sul-DA-SCMNPs顆粒粒徑普遍增大，且顆粒表面變得圓潤光滑，也側(cè)面驗(yàn)證了后續(xù)接枝步驟的成功。

2.2 合成條件的優(yōu)化

以苯甲醛(2 mmol)、丙二腈(2 mmol)、乙酰乙酸乙酯(2 mmol)、水合肼(2 mmol)合成6-氨基-4-苯基-3-甲基-2,4-二氫吡喃并[2,3-c]吡唑-5-腈的多組分反應(yīng)為模型，考察反應(yīng)溶劑、反應(yīng)溫度和催化劑用量等參數(shù)對(duì)該反應(yīng)的影響，結(jié)果見表1。

表1 多組分反應(yīng)的條件優(yōu)化

由表1可知：(1)質(zhì)子型溶劑的反應(yīng)效果優(yōu)于非質(zhì)子型溶劑，在其它反應(yīng)條件相同的情況下，以乙醇-水(1∶1)為反應(yīng)溶劑時(shí)，目標(biāo)化合物收率最高。(2)固定乙醇-水(1∶1)為反應(yīng)溶劑，對(duì)反應(yīng)溫度進(jìn)行優(yōu)化，發(fā)現(xiàn)反應(yīng)溫度為75 ℃時(shí)，目標(biāo)化合物收率最高，但相比50 ℃時(shí)收率并沒有明顯提高，因此，選擇反應(yīng)溫度為50 ℃。(3)固定乙醇-水(1∶1)為反應(yīng)溶劑、反應(yīng)溫度為50 ℃，對(duì)催化劑用量進(jìn)行優(yōu)化，發(fā)現(xiàn)催化劑用量為50 mg時(shí)，可以在較短的反應(yīng)時(shí)間(20 min)內(nèi)獲得較高的收率。

綜上，6-氨基-4-苯基-3-甲基-2,4-二氫吡喃并[2,3-c]吡唑-5-腈的最佳合成條件如下：乙醇-水(1∶1)為反應(yīng)溶劑、反應(yīng)溫度為50 ℃、催化劑用量為50 mg、反應(yīng)時(shí)間為20 min，在此條件下，6-氨基-4-苯基-3-甲基-2,4-二氫吡喃并[2,3-c]吡唑-5-腈收率高達(dá)92%。

2.3 催化劑HPW-Sul-DA-SCMNPs的重復(fù)使用性(圖4)

圖4 催化劑HPW-Sul-DA-SCMNPs的重復(fù)使用性

由圖4可知，重復(fù)使用6次后，催化劑HPW-Sul-DA-SCMNPs的催化活性并沒有明顯損失。

2.4 6-氨基-4-苯基-3-甲基-2,4-二氫吡喃并[2,3-c]吡唑-5-腈的合成機(jī)理(圖5)

圖5 6-氨基-4-苯基-3-甲基-2,4-二氫吡喃并[2,3-c]吡唑-5-腈的合成機(jī)理

催化劑HPW-Sul-DA-SCMNPs含有磺酸基和磷鎢酸基2個(gè)酸性基團(tuán)，其提高了反應(yīng)物的反應(yīng)活性，在2,4-二氫吡喃并[2,3-c]吡唑的合成中起到了關(guān)鍵作用。在苯甲醛和丙二腈的反應(yīng)中，催化劑HPW-Sul-DA-SCMNPs中的2個(gè)酸性基團(tuán)通過質(zhì)子轉(zhuǎn)移增強(qiáng)了苯甲醛羰基碳的親電性，同時(shí)質(zhì)子轉(zhuǎn)移后產(chǎn)生的共軛堿可以將丙二腈的活性亞甲基變成碳負(fù)離子，該碳負(fù)離子在Knoevenagel縮合反應(yīng)中進(jìn)攻芳香醛的親電羰基碳，生成2-亞芐基甲基丙烯腈中間體。另一方面，水合肼和乙酰乙酸乙酯縮合得到吡唑酮，在酸性催化劑作用下生成烯醇形式，再與2-亞芐基甲基丙烯腈中間體發(fā)生Michael加成，然后在酸性催化劑的作用下發(fā)生環(huán)化反應(yīng)得到目標(biāo)化合物6-氨基-4-苯基-3-甲基-2,4-二氫吡喃并[2,3-c]吡唑-5-腈。

3 結(jié)論

基于二氧化硅包覆的四氧化三鐵磁性納米顆粒，合成了一種新型的磺酸-磷鎢酸型雙雜化催化劑，將該催化劑用于催化二氫吡喃并[2,3-c]吡唑類化合物的多組分合成。在乙醇-水(1∶1，體積比)為反應(yīng)溶劑、反應(yīng)溫度為50 ℃、催化劑用量為50 mg、反應(yīng)時(shí)間為20 min的最佳條件下，6-氨基-4-苯基-3-甲基-2,4-二氫吡喃并[2,3-c]吡唑-5-腈收率可達(dá)92%。通過外部磁場(chǎng)可將催化劑從反應(yīng)體系中分離回收，重復(fù)使用6次后，催化劑仍能保持較高的催化活性。為二氫吡喃并[2,3-c]吡唑類化合物的合成提供了一條快捷、有效的綠色合成方法。