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应用化学毕业论文
应用化学毕业论文
本科生毕业论文（设计）
（申请学士学位）
论文题目3,4-二氢嘧啶-2-酮衍生物的合成
作者姓名赵先中
专业名称应用化学
指导教师李永红
2013年5月29日
滁州学院本科毕业设计（论文）原创性声明
本人郑重声明：
所呈交的设计（论文）是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。
除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果。
本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。
作者签名：
年月日
3,4-二氢嘧啶-2-酮衍生物的合成
摘要：
以无水乙醇为溶剂，氨基磺酸为催化剂催化苯甲醛、苯乙酮和尿素进行Bigielli缩合，用微波合成法生成4,6-二苯基-3,4-二氢嘧啶-2-酮。
探究该反应的最优反应条件并对产物进行表征。
在反应温度20℃下，苯甲醛、苯乙酮与尿素物质的量比为60mmol:
30mmol:
45mmol，氨基磺酸用量为苯甲醛物质的量的10%，反应20分钟，产率高达70.9％。
该反应具有反应时间短、反应温度低、操作简单安全等优点，为4,6-二苯基-3,4-二氢嘧啶-2-酮类药物中间体的合成提供了一条新的路线。
关键词：
3,4-二氢嘧啶-2-酮；微波辐射；Bigielli反应
Synthesisof3,4-Dihydropyrimidin-2-ones
Abstract:
Withanhydrousethanolassolvent,sulfamicacidwereusedtocatalyzeone-potthree-componentcondensationreactionsofbenzaldehyde,acetophenone,andureatogive4,6-diaryl-3,4-dihydropyrimidin-2-oneundermicrowaveirradiation,andtoexploretheoptimalreactionconditionsandtheproductswerecharacterized.Undtheoptimalconditions,theproductionrateashighas70.9%,andthismethodwassimple,efficient,reactiontime-savingandlowreactiontemperature.
Keywords:
3,4dihydropyrimidine-2-ketones;microwaveirradiation;BiginelliReaction;
1前言
近年来人们通过对3,4-二氢嘧啶-2-酮衍生物（DHPMS）药理活性的研究，发现此类化合物具有钙拮抗、降压，α1a-拮抗和抗癌等活性，可用作钙通道剂、抗过敏剂、降压剂、拮抗剂等。
此外，还可以作为研制抗癌药物的先导物。
某些从海洋生物中分离出来的胍类生物碱有抗病毒，抗真菌活性，据报道有些甚至有望成为治疗艾滋病的药物[1]。
而Biginelli反应在某些天然产物生物碱的全合成中有广泛的应用，尤其在许多胍类海洋生物碱的全合成中十分重要[2]。
1.13,4-二氢嘧啶-2-酮衍生物研究综述
Biginelli反应是以意大利化学家Biginelli的名字命名的。
1893年，Biginelli首次发现将芳香醛、乙酰乙酸乙酯和脲在浓盐酸催化下于乙醇中加热回流得到了3,4-二氢嘧啶-2-酮衍生物[3]。
自此，该反应便称为Biginelli反应。
随着DHPMS药用价值的发现，人们对Biginelli反应的研究也越来越多。
近些年来，大量文献纷纷报道了用于制备这类药物中间体的各种合成方法和研究成果。
人们对Biginelli反应的研究主要有以下两个方面。
1.1.1催化剂的研究
传统Biginelli反应是以浓盐酸做催化剂，可是催化效果不好，产率较低。
为提高Biginelli反应的产率，人们在催化剂的选用上做了大量的研究，也发现了很多对Biginelli反应催化效果好的催化剂。
如用CoCl·6H2O、NiCl2·6H2O、离子液体、三溴化铟、固体酸等作催化剂[4]，均得到了高产率的3,4-二氢嘧啶-2-酮类化合物。
2011年杜玉英等人以[BPy][HSO4]离子液体催化高产率合成了一系列3,4-二氢嘧啶-2-酮[5]。
钱长涛等人发现镧系金属盐Yb（OTf）3对Biginelli反应有很好的催化作用[6]，如硝酸镧[7]、CdCl2[8]等也都有良好的催化效果，可是这些催化剂价格昂贵不易获得、毒性大、对环境污染严重。
而固体氨基磺酸比较稳定、不挥发、对人体毒性极小，且价格低廉、使用方便、对Biginelli反应的催化效果好，易溶于水易除去等诸多优点。
虽然氨基磺酸微溶于无水乙醇，而该反应在无水乙醇中进行，但是在微波辐射作用下，氨基磺酸依然有高效的催化能力。
所以本实验中用的催化剂为氨基磺酸。
1.1.2合成方法的研究
近些年来出现了新的合成方法。
路军等人[9]在2001年，综述了二十世纪末Biginellif反应的研究进展。
介绍了催化合成法、固相合成法、微波合成法等。
2007年，景崤壁等人报道了之前六年中3,4二氢嘧啶酮衍生物合成研究进展，介绍了一些绿色合成法如研磨合成法、超声合成法等，以及天然产物合成中的一些研究进展，为该类化合物的合成提供了详尽的文献综述，在药物合成、不对称合成和天然产物合成方面提供了有意义的指导[10]。
2009年，权正军等[11]人也对近几年来有关Biginelli3,4-二氢嘧啶-2-酮的衍生化反应、Biginelli不对称合成和Biginelli反应在天然产物合成中的应用研究进行了综述。
此外，近年来一些新的合成方法也引起了广泛关注，如杨长艳[12]等人在2011年在酸性离子液体催化下“一锅法”无溶剂进行了Biginelli反应。
该方法不使用有机溶剂，污染小，离子液体可循环使用且快速高效。
宗乾收等人[13]通过将芳醛、乙酰乙酸乙酯和尿素在离子液[bbim][BF4]中反应，合成了一系列的4-芳基-3,4-二氢嘧啶-2-酮。
2010年王勤等人[14]采用草酸为催化剂，在无溶剂超声波辐射下,简单有效地合成了3,4-二氢嘧啶-2-酮衍生物。
正如前言中介绍的，很多研究人员对Biginelli反应的合成方法，也做了很多尝试和改进，如超声合成发，固相合成法等。
然而微波合成法与其他合成方法相比，具有很多优势，如操作简单方便、绿色高效等。
国内外都有很多利用微波辐射进行Biginelli反应的相关报道。
如安琳等[15]人利用微波辐射合成了一系列4,6-二芳基-3,4-二氢嘧啶-2-酮和嘧啶-2-酮。
所以本实验也用微波合成法做研究。
随着科学的发展和科研人员的不懈努力，相信将来一定会有更好的合成方法出现。
DHPMS会更广泛的应用在新药的研制中。
1.1.3Biginelli反应的应用
Biginelli反应的缩合产物DHPMS结构中含有N
（1），N（3）两个氮氢、C
（2）-硫羰基/羰基、C（4）-次甲基氢、C（5）-酯基/酰基和C（6）-甲基等活性基团，因而极易发生各种化学反应生成结构新颖的嘧啶杂环化合物[16]。
这些新的DHPMS化合物具有巨大的药用价值。
而Biginelli反应在某些天然产物生物碱的全合成中有广泛的应用，尤其在许多胍类海洋生物碱的全合成中十分重要[17]。
可是传统的Biginelli合成法反应时间长、产率低，而某些新的合成方法又有催化剂昂贵、污染环境的缺点。
所以开发产率高、成本低廉、反应时间短、操作简单、绿色无污染的Biginelli新方法对3,4-二氢嘧啶-2-酮类化合物的开发应用具有重要意义。
1.2反应机理
在Biginelli反应中，酸催化剂是至关重要的。
如果没有酸催化剂,第一步芳香醛与脲的缩合反应几乎不能进行。
这是因为脲中-NH2的亲核性（碱性）很弱（与羰基共轭），而芳醛中羰基碳的亲电性（酸性）也不强，所以二者的反应性不强。
但酸催化剂可激活芳醛中的羰基，使羰基碳的亲电性增强，从而使其可以与脲（弱的碱）反应[18]。
机理如图1-1和图1-2：
选择高活性的酸性催化剂，是提高该反应收率的重要途径。
近年来，很多学者在这方面作了大量工作，使Biginelli反应收率由原来报道的20%~50%提高至80%~90%,有些甚至更高。
在Biginelli反应中，1,3-二酮类化合物是以烯醇式参与反应的如图1-3。
这一点，傅南雁等人已经证实[19-20]。
可能因为烯醇式易于与图1-2酰基亚胺碳正离子进行亲电加成反应。
苯甲醛与脲缩合生成酰基亚胺正离子中间体，该酰基亚胺正离子再与烯醇式的苯乙酮亲电加成生成一种开链的酰脲。
Biginelli反应的最后一步是该开链酰脲中的羟基和氨基在酸催化下脱水缩合形成环，如图1-4：
1.3实验内容介绍
自发现Biginelli反应以来，虽然对合成3,4-二氢嘧啶-2-酮衍生物的研究已经很多，但用不同的1,3-二酮类化合物代替“三乙”合成DHPMS化合物新产品研究得并却不多。
所以，本实验将对苯乙酮代替乙酰乙酸乙酯，以催化活性较强的氨基磺酸为催化剂，利用微波辐射进行Biginelli反应合成4,6-二苯基-3,4-二氢嘧啶-2-酮，及对反应条件进行探究。
确定最优的反应温度、功率、反应物配比、催化剂用量和反应时间，并测定其熔点，红外光谱等对产物进行表征。
反应方程式如图1-5：
2实验部分
2.1实验仪器与试剂
本实验所用的仪器和试剂均根据实验室现有条件所选取。
所选仪器操作简单安全，所选试剂均为分析纯，且具有低毒、廉价、对环境污染小等优点。
研究过程中为节约成本，每次实验均用较少的量进行反应。
2.1.1实验仪器
表2-1实验仪器
仪器名称
仪器型号
生产厂家
电脑微波固液相合成/萃取仪
恒温加热电磁搅拌器
真空干燥箱
傅里叶红外光谱仪
显微熔点仪
电子天平
XH-200A
10081175
DZF-6050
Nicolet6700
WRX-4
FA2104N
北京祥鹄科技发展有限公司
巩义市予华仪器有限公司
上海三发科技仪器有限公司
美国Thermo公司
上海易测仪器设备有限公司
上海精密科学仪器有限公司
2.1.2实验试剂
表2-2实验试剂
试剂名称
纯度
生产厂家
苯甲醛
苯乙酮
尿素
氨基磺酸
无水乙醇
AR
AR
AR
AR
AR
天津市博迪化工有限公司
天津市博迪化工有限公司
天津市博迪化工有限公司
天津市福晨化学试剂厂
上海博河精细化学品有限公司
2.2实验方案与操作步骤
2.2.1实验方案
实验前，查阅相关文献，选择可行的合成方法（本实验选用微波辐射法合成，以氨基磺酸为催化剂）；再做实验，对最优反应条件进行探索。
首先，用控制变量法控制其他条件不变，寻找最佳反应功率及温度。
在最优反应温度和功率下，按照成本最低收率最高原则，确定最优物料比。
然后控制其他条件不变和最优的物料比，改变催化剂用量，来寻找最佳的催化剂用量。
最后在最优的反应条件下确定最佳反应时间。
用常规方法进行该Biginelli反应，与微波合成法在反应条件及产率上进行比较。
处理数据，并对实验结果加以讨论。
试验完成后，对检测产物的熔点及红外光谱，与参考文献做比较，并做分析。
2.2.2实验探索
对苯乙酮代替乙酰乙酸乙酯参与Biginelli反应生成4,6-二苯基-3,4-二氢嘧啶-2（1H）-酮的研究并不是一帆风顺的。
根据文献，研究前期很长一段时间里并没有获得想要的产品。
因为在大多文献中查得Biginelli反应在较高的温度下进行的。
一次偶然的机会，在加好试剂却放置很长时间而未放入微波合成仪的两口烧瓶的瓶壁上，发现附着着一层白色沉淀物质，我便大胆猜想这可能就是想要的产物。
通过测熔点，发现该白色物质的熔点与文献中所要产物的熔点基本吻合。
这次偶然的机会使我发现了实验失败的关键原因是反应温度太高。
又经过很多次对方法的改进和尝试，终于得到使实验产率可观的最优反应温度在20℃左右。
2.2.3操作步骤
在50mL两口烧瓶中加入尿素、苯乙酮、苯甲醛、氨基磺酸（苯甲醛物质的量的百分比）和20mL无水乙醇（溶剂）。
加入磁搅拌子，在恒温加热电磁搅拌器上将反应物混合均匀。
如有需要，可以微热到预定的反应温度。
达到反应温度后迅速将两口烧瓶安装到电脑微波固液相合成萃取仪中，设定反应条温度15℃、功率300W、反应时间15min，开启反应，观察温度和功率变化。
将反应后的混合物导入250mL冰水中，静止一段时间，待上层溶液澄清后抽滤，将粗产物用无水乙醇洗涤并重结晶，用真空干燥箱干燥、称重、计算产率。
用控制变量法按照下列表格中反应条件重复上述实验操作，考察温度、功率、反应物配比、催化剂用量及时间对反应的影响。
使用常规方法，将反应物用与微波合成法同样的量进行Biginelli反应，与微波法做对比。
取少量样品测定其熔点，红外光谱等对产物进行表征。
3实验结果与讨论
3.1合成条件对产率的影响
3.1.1反应温度对产率的影响
微波功率为300W，苯甲醛：
苯乙酮：
尿素为1.0:
1.0:
1.5（30mmol:
30mmol:
45mmol），反应时间15min，催化剂（氨基磺酸）用量为苯甲醛物质的量的30%条件下，考察应温度对反应的影响如表3-1：
表3-1反应温度对反应的影响
温度/℃
产量/g
产率/%
15
20
25
30
35
1.02
2.23
1.87
1.15
0.53
13.6
29.7
24.9
15.3
7.06
实验现象记录：
从微波合成仪中取出两口烧瓶，其中反应后的混合物为白色浑浊液。
将反应后的混合物导入冰水中，各组反应均有少量白色絮状沉淀出现，经重结晶和烘干，产物为白色粉末状，有少量黄色结块。
从表格中数据可知，产率随着温度的升高先上升再下降，20℃时产率达到最高，30℃以后杂质渐多。
所以得最优反应温度为20℃。
3.1.2微波功率对产率的影响
反应温度定位20℃，苯甲醛：
苯乙酮：
尿素为1.0:
1.0:
1.5（30mmol:
30mmol:
45mmol），催化剂（氨基磺酸）用量为苯甲醛物质的量的30％，反应时间15min条件下，考察反应功率对反应的影响如表3-2：
表3-2反应功率对反应的影响
功率/W
产量/g
产率/%
100
150
200
250
300
350
2.05
2.12
2.20
2.16
2.23
2.18
27.3
28.3
29.3
28.8
29.7
29.0
实验现象记录：
实验现象与上一组相似。
数据显示，200W之后产率增长不明显，且从电脑微波合成仪所显示的功率与温度的变化曲线可以看出200W时已经足够提供20℃的反应温度。
所以最佳的功率为200W。
3.1.3反应物配比对产率的影响
在反应温度为20℃，功率为200W，催化剂（氨基磺酸）用量为苯甲醛物质的量的30%，反应15min的条件下，考察反应物配比（苯甲醛：
苯乙酮：
尿素）对反应的影响如表3-3：
表3-3反应物配比对反应的影响
配比
反应物用量/mmol
产量/g
产率/%
1.0:
1.0:
1.5
1.0:
1.2:
1.5
1.0:
1.5:
1.5
1.2:
1.0:
1.5
1.5:
1.0:
1.5
1.8:
1.0:
1.5
2.0:
1.0:
1.5
2.2:
1.0:
1.5
2.4:
1.0:
1.5
2.6:
1.0:
1.5
30:
30:
45
30:
36:
45
30:
45:
45
36:
30:
45
45:
30:
45
54:
30:
45
60:
30:
45
66:
30:
45
72:
30:
45
78:
30:
45
2.20
3.03
3.12
3.32
3.63
4.08
4.43
4.32
4.34
4.66
29.3
40.4
41.6
44.3
48.4
54.4
59.1
57.6
56.5
62.1
实验现象记录：
实验现象与上一组相似，但反应后的混合物液体的浑浊度增加。
数据显示，苯乙酮过量时，随苯乙酮的增加，在配比为1.0:
1.2:
1.5时产率增加已不明显，且1.0:
1.5:
1.5之后产品中出现杂质。
当苯甲醛过量时产率显著升高，在配比为2.0:
1.0:
1.5时产率最高。
但是2.4:
1.0:
1.5之后出现杂质，2.6:
1.0:
1.5时杂质太多不予考虑；所以2.0:
1.0:
1.5为最优配比。
3.1.4催化剂用量对产率的影响
温度为20℃，功率200W，苯甲醛：
苯乙酮：
尿素为2.0:
1.0:
1.5（60mmol:
30mmol:
45mmol），应时间为15min的条件下，考察催化剂（氨基磺酸）用量（与甲醛物质的量的百分比）对反应的影响如表3-4：
表3-4催化剂用量对反应的影响
用量/%
产量/g
产率/%
5
10
15
20
25
30
35
4.67
4.91
4.43
4.37
4.41
4.43
4.72
62.3
65.6
59.1
58.3
58.8
59.1
62.9
实验现象记录：
实验现象与前几组相似，但在催化剂用量为5%和10%时反应后的混合物为白色膏状的乳浊液。
由表中数据可知当催化剂用量为10%时，产率达到最高，随后随着氨基磺酸用量的增加，产率先降低又升高，但是25%之后产物中杂质渐多，产物结块。
所以最优催化剂用量为10%。
3.1.5反应时间对产率的影响
在反应温20℃，功率200W，苯甲醛：
苯乙酮：
尿素为2.0:
1.0:
1.5（60mmol:
30mmol:
45mmol），催化剂（氨基磺酸）用量为苯甲醛物质的量的10%的条件下，考察反应时间对反应的影响如表3-5：
表3-5反应时间对反应的影响
时间/min
产量/g
产率/%
10
15
20
25
30
3.43
4.91
5.32
5.22
5.23
45.7
65.6
70.9
69.6
69.7
实验现象记录：
实验现象与前一组相似，从实验数据可以看出，随反应时间的增加产率也升高，在20min后产率趋于平稳。
所以最佳反应时间为20min。
3.2优化合成条件下的平行实验
苯甲醛：
苯乙酮：
尿素为2.0:
1.0:
1.5，催化剂（氨基磺酸）用量为苯甲醛物质的量的10%，反应温度为20℃，功率为200W，反应时间为20min的最优反应条件下的三组平行试验结果如表3-6：
表3-6最优条件下的平行试验
编号
产量/g
产率/%
1
2
3
5.35
5.28
5.33
71.3
70.4
71.1
平均值
5.32
70.9
实验现象记录：
反应结束后的混合物为白色膏状乳浊液，经重结晶干燥后为白色粉末状固体。
从实验数据可知在该条件下，产率高、重现性好。
3.3常规加热法合成目标产物
苯甲醛：
苯乙酮：
尿素为2.0:
1.0:
1.5（60mmol:
30mmol:
45mmol），催化剂（氨基磺酸）用量为苯甲醛物质的量的10%，反应温度为20℃，反应时间3h。
三组平行试验结果如下表3-7：
表3-7常规合方法的是要数据
编号
产量/g
产率/%
1
2
3
3.52
3.63
3.57
46.9
48.4
47.6
平均值
3.57
47.6
实验现象记录：
反应过程中，瓶壁上有白色沉淀出现，溶液渐渐变浑浊。
一段时间后，溶液浊度明显增加，最终混合物为白色膏状乳浊液，经重结晶干燥后为白色粉末状固体。
3.4产物的表征
3.4.1产物的一般性状及熔点测定
所得产物为白色粉末状固体，难溶于水，能溶于无水乙醇等一些有机溶剂。
熔点检测值：
（209~212）℃，参考文献[21]的熔点值：
（208~210）℃，产物熔点的检测值与参考文献的熔点值基本吻合。
3.4.2产物的红外光谱
测得产物的红外光谱的峰值如图3-1：
IR（KBr）ν/cm-1：
3334.7（仲酰胺N-H伸缩振动），1644.8（HN-CO-NH中C=O伸缩振动），1560.0，1599.4（仲酰胺），1444.4（C=C骨架振动），1360.8，1311.3，1268.3（仲酰胺中C-N伸缩与N-H弯曲的混频），1135.1,1090.1，1052.3，1027.2，749.1、711.5（苯环上一取代），696.6，530.5
文献[22]中产物的峰值：
IR（KBr）ν：
3227，3087，2919，1684，1486，1449，1337，1291，1154，910，829，758cm－1
比较文献值可知有些峰值未出现或不明显，比如文献中3087（=C-H伸缩振动）及出现一些杂峰，可能是由于样品纯度不过或干燥不彻底导致的结果。
图3-1红外光谱图
4结论
由上述六组实验数据可知，在氨基磺酸催化下，无水乙醇做溶剂，苯乙酮代替乙酰乙酸乙酯与苯甲醛、尿素，用微波合成法进行Biginelli反应，其最佳反应条件如下：
苯甲醛：
苯乙酮：
尿素为2.0:
1.0:
1.5，氨基磺酸用量为苯甲醛物质的量的10%，反应温度为20℃，功率为200W，反应时间20min。
在该反应条件下，4,6-二苯基-3,4-二氢嘧啶-2-酮的产率高达70.9%。
相同量的反应物在同样的反应温度下，常规合成法需要3h才能反应完全，而微波合成法只需要20min，且产率要比常规合成法高很多。
由此可见，在该反应中，微波合成法优于常规合成发。
过去，人们对芳香醛、乙酰乙酸乙酯与尿素进行Biginelli反应的研究较多，但因为苯乙酮代替乙酰乙酸乙酯与苯甲醛、尿素进行Biginelli反应时空间位阻较大，所以对该反应的研究并不多。
本实验选用苯乙酮代替乙酰乙酸乙酯参与Biginelli反应，并对反应条件进行探究，对以后Biginelli反应的研究具有重要意义。
参考文献
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