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• 二氢嘧啶酮及其衍生物具有广泛的生物和药理活性^[1-3]。最近研究发现，一些功能化的二氢嘧啶酮具有某些特殊的生理活性，如芳亚甲基稠环嘧啶酮除了具有广谱的抗癌活性外，对某些特定的癌(如血癌)细胞尤其表现出优良的选择性^[4]，而且还具有抗真菌^[5]以及抗HIV^[6]等的活性。此外，喹唑啉酮是一类具有良好生物活性和药物功能的含氮杂环化合物，如抗癌^[7]、抗真菌^[8]、抗糖尿病^[9]等，部分喹唑啉酮已开发成商品化药物^[10-11]。因此，芳亚甲基稠环嘧啶酮和喹唑啉酮的合成在药物合成方面备受关注。

  合成芳亚甲基稠环嘧啶酮的经典方法是Biginelli型反应。该反应需在体系中加入强酸^[12]或强碱^[4]，但上述方法存在腐蚀设备、污染环境等问题。近年来，人们陆续开发了一些催化剂用于该反应，如三甲基氯硅烷(TMSCl)^[13]、[TBA]₂[W₆O₁₉]^[14]、[C₃SO₃HDoim]HSO₄^[15]、三聚氯氰^[16]、Brönsted酸性离子液体^[17]和vitamin B1^[18]等。这些催化剂虽在一定程度上缩短了反应的时间，提高了反应的产率，但部分催化剂仍存在制备工艺复杂、使用量大、毒性比较高等缺点。因而，寻求一种易制备、成本低，且能循环使用的催化体系具有重要意义。

  随着绿色化学理念的不断深入，利用环境友好的负载型催化剂催化有机反应成为科学家的研究热点之一^[19-22]。与Biginelli型反应的传统有机小分子催化剂相比，负载型催化剂具有反应条件温和、对环境友好、易分离、可回收重复使用等优点。本文制备了活性炭负载硫酸催化剂(H₂SO₄/AC)^[23]，通过酸碱滴定法测定了催化剂的总酸量。在无溶剂条件下，使用该催化剂催化芳醛、尿素和环戊酮(环己酮)之间的缩合反应，经三组分一锅法合成了系列环戊并[d]嘧啶酮和六氢喹唑啉酮。催化剂经简单处理，可循环使用3次。

  1.   实验部分

  1.1   仪器和试剂

  XT4A型显微熔点仪(北京科仪电光仪器厂)，温度未校正；IR prestige-21型傅里叶变换红外光谱仪(FT-IR，日本岛津公司)；BRUKER AVANCE 400型核磁共振仪(NMR，瑞士Bruker公司)；TD-3000型X射线衍射仪(XRD，丹东通达科技有限公司)。

  H₂SO₄/AC催化剂为自制，其它试剂均为市售分析纯，使用前未做进一步处理。

  1.2   催化剂H₂SO₄/AC的制备

  按照文献[24]方法，室温下，在圆底烧瓶中加入5 g活性炭，边搅拌边滴加5.5 mL浓硫酸(大约20 min，不可过快，不可加热)，之后静置吸附12 h，在120 ℃的烘箱中烘4 h。冷却，用煮沸的无水乙醇洗涤，再在120 ℃的烘箱中烘干，备用。

  1.3   目标化合物的合成

  向50 mL圆底烧瓶中加入芳香醛1(0.01 mol)、尿素2(0.012 mol)和环戊酮3(0.01 mol)，再加入0.3 g H₂SO₄/AC催化剂，搅拌，100 ℃下加热反应3 h，反应体系完全固化。反应物依次用水、丙酮、乙酸乙酯洗涤，产物用热的无水乙醇溶解，趁热过滤除去H₂SO₄/AC，滤饼经过充分洗涤，在120 ℃下烘干即可重复使用。浓缩滤液析出晶体，抽滤得产物5a-5g。

  按上述方法，用环己酮4代替环戊酮3，得到产物6a-6f。

  1.4   化合物的数据表征

  苯亚甲基-4-苯基-3, 4, 6, 7-四氢-1H-环戊并[d]嘧啶-2(5H)-酮(5a) 淡黄色固体，产率79%，mp 236~239 ℃(文献[13] mp 236~239 ℃); ¹H NMR(DMSO-d₆, 400 MHz), δ: 8.79(s, 1H), 7.46~7.32(m, 11H), 6.64(s, 1H), 5.10(s, 1H), 2.94~2.90(m, 2H), 2.43~2.37(m, 1H), 2.03~1.97(m, 1H); ¹³C NMR(DMSO-d₆, 400 MHz), δ: 153.3, 143.8, 139.6, 138.0, 136.4, 129.0, 128.4, 127.9, 126.9, 126.5, 118.9, 117.2, 57.9, 28.8;IR(KBr), σ/cm^-1: 3410, 3116, 2924, 1670, 1600, 1458。

  7-(4-氯苯亚甲基)-4-(4-氯苯基)-3, 4, 6, 7-四氢-1H-环戊并[d]嘧啶-2(5H)-酮(5b) 白色固体，产率75%，mp 252~255 ℃(文献[13] mp 252~255 ℃); ¹H NMR(DMSO-d₆, 400 MHz), δ: 8.80(s, 1H), 7.49~7.37(m, 9H), 6.62(s, 1H), 5.19(s, 1H), 2.88~2.79(m, 2H), 2.40~2.35(m, 1H), 2.05~1.99(m, 1H); ¹³C NMR(DMSO-d₆, 400 MHz), δ: 153.4, 142.6, 140.6, 136.9, 135.9, 132.5, 130.6, 129.9, 128.9, 128.8, 118.9, 116.1, 56.8, 28.5;IR(KBr), σ/cm^-1: 3402, 3113, 2924, 1685, 1454, 1381。

  7-(2-氯苯亚甲基)-4-(2-氯苯基)-3, 4, 6, 7-四氢-1H-环戊并[d]嘧啶-2(5H)-酮(5c) 白色固体，产率70%，mp 230~233 ℃(文献[13] mp 232~235 ℃); ¹H NMR(CDCl₃, 400 MHz), δ: 9.55(s, 1H), 7.56~7.29(m, 9H), 6.72(s, 1H), 5.23(s, 1H), 2.93~2.81(m, 2H), 2.51~2.45(m, 1H), 2.24~2.15(m, 1H); IR(KBr), σ/cm^-1: 3429, 3113, 2924, 1674, 1608, 1454, 1384。

  7-(4-硝基苯亚甲基)-4-(4-硝基苯基)-3, 4, 6, 7-四氢-1H-环戊并[d]嘧啶-2(5H)-酮(5d) 白色固体，产率75%，mp 253~255 ℃(文献[25] mp 280~283 ℃); ¹H NMR(DMSO-d₆, 400 MHz), δ: 10.10(s, 1H), 8.41~8.20(m, 4H), 7.76~7.45(m, 4H), 7.25(s, 1H), 6.95(s, 1H), 5.45(s, 1H), 2.62~2.35(m, 4H); IR(KBr), σ/cm^-1: 3402, 2920, 1666, 1597, 1519, 1458, 1342。

  7-(4-甲氧基苯亚甲基)-4-(4-甲氧基苯基)-3, 4, 6, 7-四氢-1H-环戊并[d]嘧啶-2(5H)-酮(5e) 白色固体，产率85%，mp 250~252 ℃(文献[13] mp 250~252 ℃); ¹H NMR(DMSO-d₆, 400 MHz), δ: 8.72(s, 1H), 7.20~6.90(m, 9H), 6.59(s, 1H), 5.08(s, 1H), 3.74(s, 6H), 2.88~2.79(m, 2H), 2.40~2.35(m, 1H), 2.05~1.95(m, 1H); ¹³C NMR(DMSO-d₆, 400 MHz), δ: 159.1, 153.4, 138.2, 137.2, 136.2, 135.3, 130.7, 129.6, 128.1, , 117.8, 116.2, 114.4, 57.2, 55.5, 28.6;IR(KBr), σ/cm^-1: 3379, 3113, 2924, 1678, 1600, 1450, 1369。

  7-(2-甲氧基苯亚甲基)-4-(2-甲氧基苯基)-3, 4, 6, 7-四氢-1H-环戊并[d]嘧啶- 2(5H)-酮(5f) 淡黄色固体，产率78%，mp 237~239 ℃(文献[26] mp 237~239 ℃); ¹H NMR(DMSO-d₆, 400 MHz), δ: 8.25(s, 1H); 7.34~7.25(m, 4H), 7.10~6.96(m, 5H), 6.35(s, 1H), 5.18(s, 1H), 3.83(s, 3H), 3.75(s, 3H), 2.55~2.00(m, 4H); IR(KBr), σ/cm^-1: 3410, 3074, 2924, 1674, 1593, 1454, 1388。

  7-(4-甲基苯亚甲基)-4-(4-甲基苯基)-3, 4, 6, 7-四氢-1H-环戊并[d]嘧啶-2(5H)-酮(5g) 白色固体，产率80%，mp 238~241 ℃(文献[13] mp 238~241 ℃); ¹H NMR(DMSO-d₆, 400 MHz), δ: 8.72(s, 1H), 7.25~7.14(m, 9H), 6.58(s, 1H), 5.09(s, 1H), 2.60~2.56(m, 2H), 2.28(s, 6H), 2.08~2.00(m, 2H); IR(KBr), σ/cm^-1: 3441, 3116, 2920, 1685, 1512, 1454, 1383。

  8-苯亚甲基-4-苯基-3, 4, 5, 6, 7, 8-六氢喹唑啉-2(1H)-酮(6a) 白色固体，产率79%，mp＞300℃；¹H NMR(DMSO-d₆, 400 MHz), δ: 9.21(s, 1H), 7.57~7.35(m, 10H), 6.81~6.70(m, 2H), 5.47(s, 1H), 2.30~2.21(m, 2H), 1.66~1.50(m, 4H); ¹³C NMR(DMSO-d₆, 400 MHz), δ: 153.9, 143.6, 129.0, 127.6, 126.5, 56.5, 55.6, 27.5, 25.9;IR(KBr), σ/cm^-1: 3414, 3086, 2935, 1670, 1473, 1342。

  8-(2-氯苯亚甲基)-4-(2-氯苯基)-3, 4, 5, 6, 7, 8-六氢喹唑啉-2(1H)-酮(6b) 白色固体，产率64%，mp 238~240 ℃; ¹H NMR(DMSO-d₆, 400 MHz), δ: 10.30(s, 1H), 7.52~7.34(m, 9H), 6.65(s, 1H), 5.40(s, 1H), 2.80~2.67(m, 2H), 2.30~2.21(m, 2H), 1.20~1.08(m, 2H); IR(KBr), σ/cm^-1: 3433, 3325, 2962, 1662, 1531, 1377。

  8-(4-硝基苯亚甲基)-4-(4-硝基苯基)-3, 4, 5, 6, 7, 8-六氢喹唑啉-2(1H)-酮(6c) 白色固体，产率65%，mp 200~202 ℃; ¹H NMR(CDCl₃, 400 MHz), δ: 10.24(s, 1H), 7.42~7.00(m, 9H), 6.30(s, 1H), 5.39(m, 1H), 2.37~2.26(m, 6H); IR(KBr), σ/cm^-1: 3313, 3028, 2939, 1662, 1597, 1519。

  8-(4-甲氧基苯亚甲基)-4-(2-甲氧基苯基)-3, 4, 5, 6, 7, 8-六氢喹唑啉-2(1H)-酮(6d) 白色固体, 产率80%，mp 278~280 ℃; ¹H NMR(DMSO-d₆, 400 MHz), δ: 9.84(s, 1H), 7.34~7.14(m, 9H), 6.52(s, 1H), 5.42(s, 1H), 3.89~3.72(s, 6H), 2.65~2.60(m, 2H), 2.40~2.31(m, 2H), 1.92~1.70(m, 2H); IR(KBr), σ/cm^-1: 3352, 3012, 2935, 1608, 1558, 1462。

  8-(2-甲氧基苯亚甲基)-4-(2-甲氧基苯基)-3, 4, 5, 6, 7, 8-六氢喹唑啉-2(1H)-酮(6e) 黄色固体，产率75%，mp 222~225 ℃; ¹H NMR(CDCl₃, 400 MHz), δ: 10.48(s, 1H), 7.43~7.00(m, 8H), 6.90(s, 1H), 5.70(s, 1H), 4.49(s, 1H), 3.94(s, 3H), 3.75(s, 3H), 1.67~1.55(m, 6H)；IR(KBr), σ/cm^-1: 3329, 2931, 1651, 1508, 1496。

  8-(4-甲基苯亚甲基)-4-(2-甲基苯基)-3, 4, 5, 6, 7, 8-六氢喹唑啉-2(1H)-酮(6f) 白色固体, 产率60%，mp 278~280 ℃; ¹H NMR(DMSO-d₆, 400 MHz), δ: 9.90(s, 1H), 7.00~7.48(m, 9H), 6.60(s, 1H), 5.64(s, 1H), 2.68~2.41(m, 2H), 2.30~2.16(m, 6H), 1.96~1.74(m, 4H); IR(KBr), σ/cm^-1: 3352, 3012, 2935, 1608, 1558, 1462。

  2.   结果与讨论

  2.1   催化剂的表征

  2.1.1   催化剂的红外分析

  图 1为活性炭AC及活性炭负载硫酸H₂SO₄/AC的FT-IR谱图。从图 1可以看出，H₂SO₄/AC在1033、1087cm^-1处出现S—O的伸缩振动峰，在1261 cm^-1处出现OSO的非对称伸缩振动峰，在1386、1458 cm^-1处是OSO的对称伸缩振动峰，由此说明磺酸基成功负载到活性炭上^[27]。

  图 1

  

  图 1.  AC(a)和H₂SO₄/AC(b)的红外光谱图

  Figure 1.  FT-IR spectra of AC(a) and H₂SO₄/AC(b)

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  2.1.2   催化剂酸度的测定

  采用文献[27]的方法，用酸碱滴定法测定催化剂的酸度。取0.5 g H₂SO₄/AC置于烧杯中，加入200 mL饱和氯化钠溶液，室温搅拌24 h，将离心机调至3000 r/min定时15 min离心分离。取上层清液，用0.1 mol/L的氢氧化钠标准溶液进行滴定，经计算酸值相当于4.56 mmol/g。

  2.1.3   催化剂的XRD表征

  AC和H₂SO₄/AC的XRD图谱如图 2所示。从图 2可以看出，AC和H₂SO₄/AC均在2θ=20°~30°处有一个强衍射峰，在2θ=40°~50°处有一个相对较弱的衍射峰，说明所制催化剂H₂SO₄/AC与载体活性炭的XRD谱图一致。

  图 2

  

  图 2.  AC(a)和H₂SO₄/AC(b)的XRD图谱

  Figure 2.  The XRD patterns of AC(a) and H₂SO₄/AC(b)

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  2.2   反应条件的优化

  以苯甲醛(10 mmol)、尿素(12 mmol)、环戊酮(10 mmol)之间的三组分反应为模板，以H₂SO₄/AC为催化剂，探讨了催化剂的用量、反应温度及反应时间对产率的影响，实验结果如表 1所示。从表 1可以看出，当在反应中加入AC作催化剂时，无法得到目标产物，对比LEI等^[18]在无溶剂、无催化剂条件下，将反应温度设为140 ℃，可以得到目标产物，分析原因可能是反应温度差别较大，说明该反应在无催化剂条件下，需要在较高温度下进行，而催化剂的加入可以使反应在较低温度下发生；当加入H₂SO₄/AC之后，反应能够顺利进行，说明制备的H₂SO₄/AC具有催化活性；接下来对催化剂的用量进行了筛选(表 1，Entries 2-6)，增加H₂SO₄/AC的用量，反应产率逐渐提高，当用量达到0.3 g时，产率最高，继续增加催化剂的用量，产率反而降低，推测原因可能是：增加催化剂的用量，使吸附到催化剂表面的产品也增多了，造成了产品的损失，因而将催化剂的用量设定为0.3 g；进一步考察了反应温度对产率的影响，结果表明降低反应温度不利于反应的进行，将温度升高到110 ℃，产率并未明显提高(表 1，Entries 7-9)，因此，将反应温度设定为100 ℃；最后对反应时间进行考察，发现将时间缩短到2 h或延长到4 h，产率均有所下降(表 1，Entries 10-11)，因此将时间设定为3 h。综上所述，筛选出的最佳反应条件为：0.3 g的催化剂用量，反应温度为100 ℃，反应时间3 h。

  表 1

  

  表 1  反应条件的优化^a

  Table 1.  Optimization of the reaction conditions^a

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  序号 Entry	催化剂 Catalyst	催化剂用量/g Catalyst/g	温度/℃ Temperature/℃	时间/h Time/h	化合物5a产率b Yieldb/% of 5a
  1	AC	0.1	100	3	0
  2	H2SO4/AC	0.1	100	3	40
  3	H2SO4/AC	0.2	100	3	64
  4	H2SO4/AC	0.3	100	3	79
  5	H2SO4/AC	0.4	100	3	60
  6	H2SO4/AC	0.5	100	3	50
  7	H2SO4/AC	0.3	80	3	50
  8	H2SO4/AC	0.3	90	3	58
  9	H2SO4/AC	0.3	110	3	80
  10	H2SO4/AC	0.3	100	2	46
  11	H2SO4/AC	0.3	100	4	55
  a.反应条件: 苯甲醛(10 mmol), 尿素(12 mmol), 环戊酮(10 mmol); b.分离产率。 a.Reaction conditions: benzaldehyde (10 mmol), urea (12 mmol), cyclopentanone (10 mmol); b.isolated yield.

  2.3   反应底物的普适性考察

  在最佳反应条件下，对反应底物进行了普适性考察，结果见表 2。首先，用含有不同取代基的芳醛与环戊酮、尿素反应，发现无论取代基是吸电子基还是给电子基，反应均能顺利进行，获得中等较高的收率(表 2，Entries 1-7)。芳醛的反应活性同时受电子效应和空间效应的影响：从空间效应看，在取代基相同的情况下，空间位阻较大的邻位取代芳醛反应的收率明显低于对位取代芳醛，从电子效应看，芳醛含有吸电子基(Cl、NO₂)时的产率，低于含有给电子基(CH₃O)时的产率，说明电子效应对反应有一定的影响。之后用环己酮代替环戊酮与芳醛、尿素进行反应，同样得到了产率较高的系列六氢喹唑啉酮(表 2，Entries 8-13)，说明该催化剂对环戊酮和环己酮参加的反应均有催化作用，对其它酮的研究将在后续工作中进行。

  表 2

  

  表 2  H₂SO₄/AC催化合成嘧啶酮和喹唑啉酮

  Table 2.  Synthesis of pyrimidinones and quinazolinones catalyzed by H₂SO₄/AC

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  序号 Entry	化合物 Compound	芳香基 Ar	产物 Product	产率/% Yield/%	熔点/℃ mp/℃(Found)
  1	3	C6H5	5a	79	236~239
  2	3	4-ClC6H4	5b	75	252~255
  3	3	2-ClC6H4	5c	70	230~233
  4	3	4-NO2C6H4	5d	75	253~255
  5	3	4-CH3OC6H4	5e	85	250~252
  6	3	2-CH3OC6H4	5f	72	237~239
  7	3	4-CH3C6H4	5g	80	238~241
  8	4	C6H5	6a	79	＞300
  9	4	2-ClC6H4	6b	64	238~240
  10	4	4-NO2C6H4	6c	65	200~202
  11	4	4-CH3OC6H4	6d	80	222~226
  12	4	2-CH3OC6H4	6e	75	222~225
  13	4	4-CH3C6H4	6f	60	278~280

  2.4   催化剂的重复使用性

  催化剂的重复使用性是判定催化剂性能的重要指标。以苯甲醛、环戊酮、尿素之间的缩合反应为例，研究H₂SO₄/AC催化剂的重复使用性(图 3)。从图 3可以看出，催化剂重复使用3次，依然能得到较好的收率，当重复使用第4次时产率降低比较明显。为了探讨催化剂重复使用后产率下降的原因，分别测定了使用1次和使用2次后的催化剂的酸值，平行测定3次，取平均值，经计算分别为4.28和4.10 mmol/g，与最初酸值4.56 mmol/g相比有所下降，推测为催化剂重复使用后产率下降的可能原因。

  图 3

  

  图 3.  H₂SO₄/AC催化剂的循环使用情况

  Figure 3.  Recyclability of the catalyst H₂SO₄/AC

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  3.   结论

  本文制备了活性炭负载硫酸催化剂(H₂SO₄/AC)，使用该催化剂催化Biginelli型反应，成功合成了系列环戊并[d]嘧啶酮和系列六氢喹唑啉酮。与其它催化剂相比，H₂SO₄/AC具有成本低，对环境友好，可循环使用等优点，符合绿色化学的基本标准，为这两类化合物的合成提供了一种经济实用的方法，同时也可作为一种潜在的催化剂应用于其他化合物的合成中。

  
  
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  图 1  AC(a)和H₂SO₄/AC(b)的红外光谱图

  Figure 1  FT-IR spectra of AC(a) and H₂SO₄/AC(b)

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  图 2  AC(a)和H₂SO₄/AC(b)的XRD图谱

  Figure 2  The XRD patterns of AC(a) and H₂SO₄/AC(b)

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  图 3  H₂SO₄/AC催化剂的循环使用情况

  Figure 3  Recyclability of the catalyst H₂SO₄/AC

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  表 1  反应条件的优化^a

  Table 1.  Optimization of the reaction conditions^a

  序号 Entry	催化剂 Catalyst	催化剂用量/g Catalyst/g	温度/℃ Temperature/℃	时间/h Time/h	化合物5a产率b Yieldb/% of 5a
  1	AC	0.1	100	3	0
  2	H2SO4/AC	0.1	100	3	40
  3	H2SO4/AC	0.2	100	3	64
  4	H2SO4/AC	0.3	100	3	79
  5	H2SO4/AC	0.4	100	3	60
  6	H2SO4/AC	0.5	100	3	50
  7	H2SO4/AC	0.3	80	3	50
  8	H2SO4/AC	0.3	90	3	58
  9	H2SO4/AC	0.3	110	3	80
  10	H2SO4/AC	0.3	100	2	46
  11	H2SO4/AC	0.3	100	4	55
  a.反应条件: 苯甲醛(10 mmol), 尿素(12 mmol), 环戊酮(10 mmol); b.分离产率。 a.Reaction conditions: benzaldehyde (10 mmol), urea (12 mmol), cyclopentanone (10 mmol); b.isolated yield.

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  表 2  H₂SO₄/AC催化合成嘧啶酮和喹唑啉酮

  Table 2.  Synthesis of pyrimidinones and quinazolinones catalyzed by H₂SO₄/AC

  序号 Entry	化合物 Compound	芳香基 Ar	产物 Product	产率/% Yield/%	熔点/℃ mp/℃(Found)
  1	3	C6H5	5a	79	236~239
  2	3	4-ClC6H4	5b	75	252~255
  3	3	2-ClC6H4	5c	70	230~233
  4	3	4-NO2C6H4	5d	75	253~255
  5	3	4-CH3OC6H4	5e	85	250~252
  6	3	2-CH3OC6H4	5f	72	237~239
  7	3	4-CH3C6H4	5g	80	238~241
  8	4	C6H5	6a	79	＞300
  9	4	2-ClC6H4	6b	64	238~240
  10	4	4-NO2C6H4	6c	65	200~202
  11	4	4-CH3OC6H4	6d	80	222~226
  12	4	2-CH3OC6H4	6e	75	222~225
  13	4	4-CH3C6H4	6f	60	278~280

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