一种螺环苊烯吡喃衍生物、该衍生物的合成方法及其合成用催化剂

技术领域

本发明属于化学材料制备技术领域，具体涉及一种螺环苊烯吡喃衍生物、该衍生物的合成方法及其合成用催化剂。

背景技术

4H-吡喃衍生物是一类非常重要的杂环化合物，具有广泛的生理活性和药理活性，如抗过敏作用、降血糖作用、抗菌、抗癌活性和用于治疗过敏性皮炎、糖尿病等。此外，多功能的4H-吡喃衍生物还是许多天然物质的重要结构单元，能够转变为具有钙离子调节功能的吡啶系列化合物，是新药物开发研究的热点之一。

4H-吡喃衍生物通常是在碱性催化剂下，由芳香醛、活泼亚甲基化合物和β-二酮发生“一锅法”反应制备的。而芳香醛还可以用靛红、苊醌和茚三酮等物质进行代替，进而合成出一系列的螺杂环化合物，扩大了4H-吡喃衍生物的范围。比如Majid M.Heravi等在乙醇中利用三乙胺作催化剂，可以有效地催化苊醌、丙二腈或氰基乙酸乙酯与β-二酮发生反应制备螺环苊烯吡喃衍生物(One-pot three-component synthesis of the spiroacenaphthylene derivatives[J]，Tetrahedron，2010，66：5345～5348)。但该方法存在反应时间长、产率低、环境污染严重、催化剂不能循环使用等缺点。因此，开发一种新型的催化合成螺环苊烯吡喃衍生物的方法便成为有机合成工作者普遍关注的问题。

离子液体是由一种含氮杂环的有机阳离子和一种无机或有机阴离子组成的液态盐类，在有机合成中，它与传统的有机溶剂相比，具有不挥发、溶解能力强、不易燃、可以为反应提供一个全离子环境等优点，因此近年来离子液体作为反应溶剂在有机合成中得到了广泛的应用。另外，碱性离子液体作为一种功能化离子液体，特别是布朗斯特碱性离子液体由于具有较好的热稳定性、分布均匀的酸性位点及易与产物分离回收等优点而被运用到螺环苊烯吡喃衍生物的的合成过程中。比如郭红云等以含有咪唑母体结构的碱性离子液体[bmim]OH(氢氧化1-丁基-3-甲基咪唑鎓盐)作为催化剂，水为反应溶剂条件下高效地催化苊醌、丙二腈/氰基乙酸乙酯和β-二酮发生三组分“一锅法”反应合成出了一系列的螺环苊烯吡喃衍生物，该方法具有反应条件温和、操作简单、后处理方便以及反应时间短等优点(水介质中碱性离子液体[bmim][OH]催化下一锅三组分合成螺杂环衍生物[J]，有机化学，2011，31(11)：1901～1904)。

上述方法中虽然采用了绿色溶剂水作为反应溶剂，但由于其反应物苊醌不溶于水，因此该反应为非均相催化反应，从而使得碱性离子液体催化剂的用量较大、反应时间较长和反应温度较高。同时，上述方法所采用的碱性离子液体的结构母体是难生物降解的咪唑结构，制备价格较高，这与绿色化工的政策是相违背的。此外，上述方法中催化剂循环使用前需进行提纯操作，这些复杂的过程不仅导致了反应后未反应的原料不能参与循环使用从而导致原料利用率低，而且也会使得整个过程耗能较高，在工业化生产中难以被大规模使用。

发明内容

1.发明要解决的技术问题

本发明的目的在于克服现有技术中利用碱性离子液体催化合成螺环苊烯吡喃衍生物过程中通常存在离子液体催化剂使用量较大、不易生物降解，原料利用率低、反应条件苛刻以及催化剂使用前需要进行提纯处理等缺点的不足，提供了一种螺环苊烯吡喃衍生物、该衍生物的合成方法及其合成用催化剂。使用本发明的碱性离子液体催化剂来催化合成螺环苊烯吡喃衍生物时，其催化效率较高、易生物降解，原料利用率高、反应条件温和，且其催化系统可直接循环使用，循环次数较多。

2.技术方案

为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：

其一，本发明的一种螺环苊烯吡喃衍生物合成用催化剂，该催化剂为碱性离子液体催化剂，其结构式为：

其二，本发明的一种螺环苊烯吡喃衍生物的合成方法，该方法是以苊醌、丙二腈和β-二酮为反应原料，在本发明的碱性离子液体催化剂的催化作用下来合成螺环苊烯吡喃衍生物的，其化学反应式如下：

其中，物质I为苊醌，物质II为丙二腈，物质III为β-二酮，物质IV为本发明得到的螺环苊烯吡喃衍生物，该合成方法的具体步骤为：

(1)按照摩尔比为1:1:1分别称取苊醌、丙二腈和β-二酮；

(2)将称取的苊醌、丙二腈和β-二酮分别加入到乙醇水溶液中，经充分溶解并混合均匀后向其中继续加入苊醌摩尔量4～7％的碱性离子液体催化剂，于磁力搅拌条件下进行加热回流反应，得到固体析出物，上述回流反应的反应压力为一个大气压，回流反应时间为8～18min；

(3)将步骤(2)中得到的固体析出物冷却至室温后先进行碾碎，然后静置2-3h后进行抽滤操作，其滤渣经洗涤、真空干燥后即得到螺环苊烯吡喃衍生物。

更进一步的，步骤(2)中以毫升计的乙醇水溶液的体积量为以毫摩尔计的苊醌摩尔量的7～10倍。

更进一步的，所述的β-二酮为乙酰丙酮、5，5-二甲基-1，3-环己二酮、5-羟基香豆素、巴比妥酸、1，3-茚二酮中的任一种。

更进一步的，所述步骤(2)中乙醇水溶液所含乙醇的体积比浓度为85-95％。

更进一步的，所述步骤(2)中乙醇水溶液所含乙醇的体积比浓度为90％。

更进一步的，所述抽滤后的滤液中含有的碱性离子液体催化剂，可不经处理重复使用至少7次。

更进一步的，步骤(3)中采用体积比浓度为85-95％的乙醇水溶液对滤渣进行洗涤。

其三，本发明的一种螺环苊烯吡喃衍生物，该衍生物是采用本发明的合成方法合成的，其结构式为：

3.有益效果

采用本发明提供的技术方案，与现有技术相比，具有如下显著效果：

(1)本发明的一种螺环苊烯吡喃衍生物的合成方法，是以苊醌、丙二腈和β-二酮为原料，在碱性离子液体催化剂的催化作用下来合成螺环苊烯吡喃衍生物的，通过选用本发明的碱性离子液体催化剂，可以显著提高其催化效率，反应时间明显缩短，且催化剂的使用量相对较少。此外，本发明的碱性离子液体催化剂无需任何处理即可直接进行循环使用，循环使用过程中催化剂的损失量较少，循环使用次数较多，且循环使用多次仍能保持较高的催化活性，从而有利于节约资源，减少后续处理工序。

(2)本发明的一种螺环苊烯吡喃衍生物的合成方法，通过对催化剂种类、溶剂种类及其纯度以及合成工艺参数进行优化设计，从而可以显著提高反应原料的利用率，原子的经济性较好。

(3)本发明的一种螺环苊烯吡喃衍生物的合成方法，其反应压力为一个大气压，反应温度为，回流反应时间为8～18min，且催化合成反应结束后将反应液冷却至室温，碾碎析出的固体，然后进行静置、抽滤操作，其滤渣经乙醇水溶液洗涤、真空干燥后即得到螺环苊烯吡喃衍生物，其反应条件比较温和，便于实际操作，且产物的提纯过程简单，从而便于工业化推广生产。

具体实施方式

为进一步了解本发明的内容，下面结合实施例对本发明作进一步的描述。

本发明的一种螺环苊烯吡喃衍生物的合成方法，是以苊醌、丙二腈和β-二酮为反应原料，在碱性离子液体催化剂的催化作用下来合成螺环苊烯吡喃衍生物的，催化反应的化学方程式如下：

其中，物质I为苊醌，物质II为丙二腈，物质III为β-二酮，物质IV为本发明所得螺环苊烯吡喃衍生物，本发明中碱性离子液体催化剂的结构式为：

本发明中螺环苊烯吡喃衍生物的合成方法的具体步骤为：

(1)按照摩尔比为1:1:1分别称取苊醌、丙二腈和β-二酮，其中，所述的β-二酮为乙酰丙酮、5，5-二甲基-1，3-环己二酮、5-羟基香豆素、巴比妥酸、1，3-茚二酮中的任一种。

(2)将称取的苊醌、丙二腈和β-二酮分别加入到乙醇水溶液中，经充分溶解并混合均匀后向其中继续加入苊醌摩尔量4～7％的碱性离子液体催化剂，于磁力搅拌条件下进行加热回流反应，得到固体析出物。上述乙醇水溶液所含乙醇的体积比浓度为85-95％，且以毫升计的乙醇水溶液的体积量为以毫摩尔计的苊醌摩尔量的7～10倍；上述回流反应的反应压力为一个大气压，回流反应时间为8～18min。

(3)将步骤(2)中得到的固体析出物冷却至室温后先进行碾碎，然后静置2-3h后进行抽滤操作，其滤渣经体积比浓度为85-95％的乙醇水溶液进行洗涤并真空干燥后即得到螺环苊烯吡喃衍生物。

本发明所使用的碱性离子液体催化剂的制备方法，见相关文献(Biodiesel production by transesterification catalyzed by an efficient choline ionic liquid catalyst,Applied Energy，2013，108：333-339)。通过选用上述碱性离子液体催化剂来催化合成螺环苊烯吡喃衍生物，可以显著提高催化效率，反应时间明显缩短，且催化剂的使用量相对较少。催化合成反应结束后经抽滤处理得到的滤液中含有的碱性离子液体催化剂，无需任何处理即可直接进行循环使用，循环使用过程中催化剂的损失量较少，其循环使用次数较多，可达7次以上，且催化剂循环使用多次仍能保持较高的催化活性，从而有利于节约资源，减少后续处理工序。

下面通过具体实施例对本发明作进一步的说明，本发明的实质特点和显著效果可以从下述实施例中得以体现，但它们并不对本发明作任何限制，本领域的技术人员根据本发明的内容做出一些非本质的改进和调整，均属于本发明的保护范围。其中实施例中反应产物的测试表征使用的是德国Bruker公司的型号为AVANCE-III 500MHz的核磁共振仪；红外光谱测试表征采用的是德国Bruker公司的型号为Bruker tensor 37FT-IR的红外光谱仪(KBr压片)；反应产物的熔点采用毛细管法测定。

实施例1

将1mmol苊醌、1mmol丙二腈、1mmol乙酰丙酮和0.06mmol碱性离子液体催化剂分别加入到盛有7ml 90％乙醇水溶液(体积比)的带有搅拌子和冷凝管的50ml单口瓶中。加热回流反应12min，TLC(薄板层析)检测，原料点消失，冷却至室温，碾碎析出的固体，静置2h，抽滤，滤渣经90％乙醇水溶液洗涤、真空干燥后得到5′-乙酰基-2′-氨基-6′-甲基-2-氧代-2H-螺环[苊烯-1，4′-吡喃]-3′-腈，收率为86％，滤液中直接加入苊醌、丙二腈和乙酰丙酮后进行循环使用。

本实施例的合成方法，其反应条件比较温和，便于实际操作，且产物的提纯过程简单，从而便于工业化推广生产。发明人通过对催化剂种类、溶剂种类及其纯度以及合成工艺参数进行优化设计，从而显著提高了反应原料的利用率，原子的经济性较好。

本实施例最终所得5′-乙酰基-2′-氨基-6′-甲基-2-氧代-2H-螺环[苊烯-1，4′-吡喃]-3′-腈的性能参数如下：m.p.>300℃；IR(KBr)：3422，2971，2204，1718，1569cm^-1；¹H>6)：δ＝1.53(s，3H)，2.15(s，3H)，7.36(s，2H)，7.51～8.42(m，6H)。

实施例2

将1mmol苊醌、1mmol丙二腈、1mmol 5，5-二甲基-1，3-环己二酮和0.05mmol碱性离子液体催化剂分别加入到盛有7ml 90％乙醇水溶液(体积比)的带有搅拌子和冷凝管的50ml单口瓶中。加热回流反应9min，TLC(薄板层析)检测，原料点消失，冷却至室温，碾碎析出的固体，静置3h，抽滤，滤渣经90％乙醇水溶液洗涤、真空干燥后得到2′-氨基-7′，7′-二甲基-2，5′-二氧代-5′，6′，7′，8′-四氢-2H-螺环[苊烯-1，4′-苯并吡喃]-3′-腈，收率为91％，滤液中直接加入苊醌、丙二腈和5，5-二甲基-1，3-环己二酮后进行循环使用。

本实施例最终所得2′-氨基-7′，7′-二甲基-2，5′-二氧代-5′，6′，7′，8′-四氢-2H-螺环[苊烯-1，4′-苯并吡喃]-3′-腈：m.p.268～270℃；IR(KBr)：3362，3284，2958，2189，1723，1661，1597cm^-1；¹H>6)：δ＝1.08(s，3H)，1.14(s，3H)，2.07(d，J＝16.0Hz，1H)，2.21(d，J＝16.0Hz，1H)，2.75(s，2H)，7.43(s，2H)，7.49～8.40(m，6H)。

实施例3

将1mmol苊醌、1mmol丙二腈、1mmol 5-羟基香豆素和0.06mmol碱性离子液体催化剂分别加入到盛有9ml 90％乙醇水溶液(体积比)的带有搅拌子和冷凝管的50ml单口瓶中。加热回流反应14min，TLC(薄板层析)检测，原料点消失，冷却至室温，碾碎析出的固体，静置2.5h，抽滤，滤渣经90％乙醇水溶液洗涤、真空干燥后得到2′-氨基-2，5′-二氧代-2H，5′H-螺环[苊烯-1，4′-吡喃并[3，2-c]苯并吡喃]-3′-腈，收率为93％，滤液中直接加入苊醌、丙二腈和5-羟基香豆素后进行重复使用。

本实施例最终所得2′-氨基-2，5′-二氧代-2H，5′H-螺环[苊烯-1，4′-吡喃并[3，2-c]苯并吡喃]-3′-腈：m.p.>300℃；IR(KBr)：3428，2991，2985，2192，1718，1614，1573cm^-1；¹H>6)：δ＝7.42(s，2H)，7.67～8.39(m，10H)。

实施例4

将1mmol苊醌、1mmol丙二腈、1mmol巴比妥酸和0.07mmol碱性离子液体催化剂分别加入到盛有10ml 90％乙醇水溶液(体积比)的带有搅拌子和冷凝管的50ml单口瓶中。加热回流反应17min，TLC(薄板层析)检测，原料点消失，冷却至室温，碾碎析出的固体，静置2h，抽滤，滤渣经90％乙醇水溶液洗涤、真空干燥后得到3′-氨基-2，6′，8′-三氧代-5′，6′，7′，8′-四氢-2H-螺环[苊烯-1，1′-吡喃并[2，3-d]嘧啶]-2-腈，收率为82％，滤液中直接加入苊醌、丙二腈和巴比妥酸后进行重复使用。

本实施例最终所得3′-氨基-2，6′，8′-三氧代-5′，6′，7′，8′-四氢-2H-螺环[苊烯-1，1′-吡喃并[2，3-d]嘧啶]-2-腈：m.p.>300℃；IR(KBr)：3412，3141，2985，2678，2198，1681，1574cm^-1；¹H>6)：δ＝4.67(s，1H)，8.13(s，2H)，7.32～8.43(m，6H)，9.59(s，1H)。

实施例5

将1mmol苊醌、1mmol丙二腈、1mmol 1，3-茚二酮和0.07mmol碱性离子液体催化剂分别加入到盛有10ml 90％乙醇水溶液(体积比)的带有搅拌子和冷凝管的50ml单口瓶中。加热回流反应18min，TLC(薄板层析)检测，原料点消失，冷却至室温，碾碎析出的固体，静置3h，抽滤，滤渣经90％乙醇水溶液洗涤、真空干燥后得到3′-氨基-2，9′-二氧代-2H，9′H-螺环[苊烯-1，1′-茚并[1，2-b]吡喃]-2′-腈，收率为80％，滤液中直接加入苊醌、丙二腈和1，3-茚二酮后进行重复使用。

本实施例最终所得3′-氨基-2，9′-二氧代-2H，9′H-螺环[苊烯-1，1′-茚并[1，2-b]吡喃]-2′-腈：m.p.>300℃；IR(KBr)：3422，2978，2213，1712，1561cm^-1；¹H>6)：δ＝7.37～8.19(m，10H)，8.26(s，2H)。

实施例6

将1mmol苊醌、1mmol丙二腈、1mmol 5，5-二甲基-1，3-环己二酮和0.04mmol碱性离子液体催化剂分别加入到盛有7ml 95％乙醇水溶液(体积比)的带有搅拌子和冷凝管的50ml单口瓶中。加热回流反应8min，TLC(薄板层析)检测，原料点消失，冷却至室温，碾碎析出的固体，静置2h，抽滤，滤渣经95％乙醇水溶液洗涤、真空干燥后得到2′-氨基-7′，7′-二甲基-2，5′-二氧代-5′，6′，7′，8′-四氢-2H-螺环[苊烯-1，4′-苯并吡喃]-3′-腈，收率为90％，滤液中直接加入苊醌、丙二腈和5，5-二甲基-1，3-环己二酮后进行循环使用。

本实施例最终所得2′-氨基-7′，7′-二甲基-2，5′-二氧代-5′，6′，7′，8′-四氢-2H-螺环[苊烯-1，4′-苯并吡喃]-3′-腈：m.p.268～270℃；IR(KBr)：3362，3284，2958，2189，1723，1661，1597cm^-1；¹H>6)：δ＝1.08(s，3H)，1.14(s，3H)，2.07(d，J＝16.0Hz，1H)，2.21(d，J＝16.0Hz，1H)，2.75(s，2H)，7.43(s，2H)，7.49～8.40(m，6H)。

实施例7

以实施例1为探针反应，作反应催化剂碱性离子液体的活性重复性试验，离子液体重复使用7次，产物5′-乙酰基-2′-氨基-6′-甲基-2-氧代-2H-螺环[苊烯-1，4′-吡喃]-3′-腈的收率变化见表1。

表1催化剂碱性离子液体在制备5′-乙酰基-2′-氨基-6′-甲基-2-氧代-2H-螺环[苊烯-1，4′-吡喃]-3′-腈中的活性重复性试验结果

实施例8

以实施例5为探针反应，作反应催化剂碱性离子液体的活性重复性试验，离子液体重复使用7次，产物3′-氨基-2，9′-二氧代-2H，9′H-螺环[苊烯-1，1′-茚并[1，2-b]吡喃]-2′-腈的收率变化见表2。

表2催化剂碱性离子液体在制备3′-氨基-2，9′-二氧代-2H，9′H-螺环[苊烯-1，1′-茚并[1，2-b]吡喃]-2′-腈中的活性重复性试验结果

由表1和2可以看出：催化剂碱性离子液体在循环使用7次后，其所得产物5′-乙酰基-2′-氨基-6′-甲基-2-氧代-2H-螺环[苊烯-1，4′-吡喃]-3′-腈和3′-氨基-2，9′-二氧代-2H，9′H-螺环[苊烯-1，1′-茚并[1，2-b]吡喃]-2′-腈收率的降低幅度均很小。因此，可以推断出该催化剂碱性离子液体在催化合成螺环苊烯吡喃衍生物的过程中可以被循环使用，其催化活性未有明显降低。