超声辅助水滑石/ZnCl2高效催化Knoevenagel缩合反应

刘心韵，郑兴莉，付海，龚维，陈卓，尹晓刚

(1.贵州师范大学 化学与材料科学学院 贵州省功能材料化学重点实验室，贵州 贵阳 550001； 2.贵州医科大学 药学院，贵州 贵阳 550025)

Knoevenagel缩合反应是指在碱催化下，含有活性亚甲基的化合物与醛或酮发生脱水缩合反应生成α，β-不饱和羰基化合物的反应[1-3]。Knoevenagel缩合反应受到人们的高度重视，如CaO/HMCM22[4]催化芳香醛与丙二腈反应，催化剂表现出酸碱协同催化作用。薛冰[5]等浸渍法制备了氨水改性氧化石墨烯[5]。酸性离子液体催化[6]、SBA-15固载离子液体功能化脯氨酸[7]等均表现出良好的催化活性。

超声反应具有低能耗、无污染、安全、廉价等特点[8-9]。如王锡天等[10]在无溶剂、无催化剂、超声辐射下芳香醛与丙二腈发生Knoevenagel缩合反应，此方法化学选择性好，但是存在产率不高、反应时间长等缺点。本实验用超声辅助水滑石/ZnCl2催化Knoevenagel缩合反应，反应时间短、反应产率高、后处理简单，催化剂循环使用，符合绿色化学的要求。

1 实验部分

1.1 材料与仪器

水滑石、氯化锌、三氯化铁、氯化铜、三氯化铝、氯化镍、苯甲醛、丙二腈、无水碳酸钠、甲醇、乙二醇、丙三醇、正丁醇、乙腈、乙酸乙酯、四氢呋喃、二氯甲烷、三氯甲烷、1，2-二氯甲烷、石油醚均为分析纯。

RE-52旋转蒸发器；JP-010T超声清洗仪；NEXUS670傅里叶红外测试仪；X-5显微熔点仪。

1.2 实验方法

1.2.1 催化剂的制备 水滑石负载路易斯酸催化剂参考文献[11]制备，称取0.02 mol的氯化锌(2.72 g)溶于25 mL无水甲醇，搅拌使其在无水甲醇中完全溶解，加入5 g水滑石，室温下搅拌吸附 1 h。旋转蒸发除去无水甲醇，将其放入烘箱 120 ℃，活化4 h，制得LDH/ZnCl2。用相同的方法制备LDH/CuCl2、LDH/FeCl3、LDH/NiCl2、LDH/AlCl3，放入干燥箱中备用。

1.2.2 Knoevenagel缩合反应 将 1 mmol(151.10 mg)苯甲醛、1 mmol(66.10 mg)丙二睛、再加LDH/ZnCl2(用量为醛质量的5%)，在室温下超声反应15 min，利用薄层色谱(TLC)法跟踪反应进度。反应后离心，过滤出催化剂，重结晶得到3a～3i产物。反应式如下：

图1 Knoevenagel缩合反应式Fig.1 Knoevenagel condensation reaction

产物表征3a～3i均为已知物，产物通过1H NMR、IR及熔点表征。

2 结果与讨论

2.1 催化剂种类对产率的影响

表1为催化剂种类对产率的影响。

表1 催化剂种类对产率的影响Table 1 Effect of catalyst type on yield

由表1可知，水滑石负载氯化物对Knoevenagel缩合反应的催化效果好，其中LDH/ZnCl2对Knoevenagel缩合反应的催化效果最好，产率达到了97.5%。其次是LDH/AlCl3、LDH/NiCl2的催化效果较好，产率分别为95.7%，95.0%，LDH/CuCl2、LDH/FeCl3催化效果一般，催化产率分别为96.0%，93.7%；ZnCl2单独催化时，产率为78.7%，LDH单独催化时，产率为64.7%。

2.2 溶剂对产率的影响

表2为溶剂对产率的影响。

表2 溶剂对产率的影响Table 2 Effect of solvent on yield

由表2可知，当以正丁醇为溶剂时产率为89.5%(序号1)；甲醇作溶剂时，产率为87.0%(序号2)；乙醇作溶剂时，产率为97.5%(序号3)；该反应在强极性溶剂中的产率均在85.0%以上，且在质子性溶剂乙醇中的产率最高。水作溶剂时，产率为77.7%。总体来说，溶剂对产率的影响并不是太大，但是在水作溶剂时，相对较低，推测原因是Knoevenagel缩合反应有水生成，以水作溶剂，影响反应朝正向移动，所以产率偏低。

2.3 催化剂用量和原料摩尔比对产率的影响

表3为催化剂用量和原料摩尔比对产率的影响。

表3 催化剂用量和原料摩尔比对产率的影响Table 3 Effect of catalyst dosage and raw material molar ratio on yield

由表3可知，催化剂用量是芳香醛用量的2%时，反应产率为66.9%(序号1)，催化剂用量是芳香醛用量的5%时，反应产率为99.3%(序号2)，催化剂用量是芳香醛用量的10%时，产率为87.8%(序号3)。催化剂用量为芳香醛的5%时，产率最高；催化剂用量增大，反应产率下降。原料摩尔比为0.9∶1时反应产率为58.9%(序号4)，原料摩尔比为1∶1时，产率为99.3%(序号2)，原料摩尔比为1.1∶1时，产率为91.1%(序号5)，原料摩尔比为
1.2∶1 时，产率为87.5%(序号6)。丙二睛过量不利于反应的进行，反应产率较低，芳香醛过量也不利于反应的进行。

2.4 超声时间对产率的影响

表4为超声时间对产率的影响。

表4 超声时间对产率的影响Table 4 Effect of ultrasonic time on yield

由表4可知，超声时间为3 min时，产率为94.0%；超声时间为5 min时产率为97.5%；超声时间为10 min，产率为83.6%；超声时间为15 min时产率为80.2%；超声时间为5 min时，产率最好。超声8 min时，产率反而下降；超声时间延长至 10 min、15 min时产率下降的更严重，推测原因为超声时间过长，可能破坏了催化剂的催化性能，从而影响产率。

2.5 克级反应

扩大苯甲醛的用量为0.09 mol(10.0 g)，丙二腈的用量也相应扩大对应的比例，用量为0.09 mol(6.2 g)，催化剂用量为苯甲醛用量的7.5%(0.75 g)，乙醇为200 mL，产率为94.1%。

2.6 底物适应性

在最优条件下，以不同的醛进行反应，考察该条件下的底物适应性。由表5可知，苯环当以苯甲醛反应时，产率可以达到98.3%(3a)；苯环上有吸电子基可以促进反应的进行，对硝基苯甲醛反应产率为99.3%(3b)，间硝基苯甲醛反应产率为93.5%(3c)，推测原因为大基团的空间位阻较大，阻碍了反应的进行；对氯苯甲醛的反应产率为85.5%(3d)，邻氯苯甲醛的产率为98.6%(3e)，二者的产率相差较大，氯处在邻位时对反应进行有利。邻氟苯甲醛的产率为93.6%(3f)，间氟苯甲醛的产率为97.3%(3g)；邻甲氧基苯甲醛的产率为94.1%(3h)，对甲氧基苯甲醛的产率为91.3%(3i)；甲氧基取代使羰基的电负性增加，不利于亲核试剂对羰基的进攻。总体来说无论是吸电子基还是给电子基，反应产率都有较好。

表5 底物适应性考察Table 5 Substrate adaptation

3 结论

超声辅助下LDH/路易斯酸催化Knoevenagel缩合反应进行的最优条件为：以LDH/ZnCl2为催化剂，用量是醛用量的5%，在室温下，乙醇溶剂，超声5 min，苯甲醛与丙二腈物质的量比为1∶1时，无需碱辅助，产率为98.3%。底物适应性考察结果为从3b～3i的产物产率在85.5%～99.3%之间。克级反应时，产率为94.1%，该催化体系反应速度快，无需碱性环境，有较好的工业应用前景。