牟佳玲，梁 玲，叶秀明，陈赛赛，洪 志

（台州学院 医药化工与材料工程学院，浙江 台州318000）

含有苯并吡喃结构的天然产物广泛存在于自然界的植物中，并且具有很好的生物活性和药理活性，比如具有抗炎［1］、抗感染［2］、抗氧化［3］、抗肿瘤［4］和调节神经系统［5］等作用。因此，这类化合物的合成引起人们极大的兴趣，但是传统的合成办法存在使用氟硼酸盐、甲苯、氯仿等易污染环境的试剂和反应时间较长等缺点［6-8］。

随着人们对生存环境的日益重视，科学家们尝试在有机合成过程中采用无毒溶剂和催化剂，或无溶剂条件。固体碱是酸碱催化剂中的一类重要催化剂，催化功能来源于固体表面上具有催化活性的碱性部位。磁性固体碱催化剂是一种新型的催化剂，它不仅具有固体碱的催化特性，还具有独特的磁响应性，能够在加磁场的作用下与产物实现分离［9］，后处理简单，且具有稳定性高、易处理和储存、对设备无腐蚀作用、可循环使用及污染小等优点。

无溶剂球磨法是有机合成中的一种重要工具［10］。与传统的液相反应相比，机械力化学在无溶剂或最少溶剂的条件下进行，具有反应时间短、选择性高和操作简单等特点，被广泛应用于制备催化剂［11］、有机合成［12］等过程。本文尝试采用固体碱为催化剂，在球磨辅助下催化反应，制备3-硝基-2H-1-苯并吡喃类化合物。实验结果表明，该方法具有收率高、后处理简便、催化剂活性好、易回收且能重复使用等优点。

1 实验部分

1.1 主要仪器与试剂

Advance ⅢHD 400 型核磁共振波谱仪；5700 型傅里叶红外光谱仪；Quattro micro API 型液质联用仪；S-4800 型扫描电子显微镜；QM-3B 高速振动球磨机；JM-A20002 型电子天平；ZF-6 型三用紫外分析仪；WRX-4 型熔点仪。

实验所用试剂均为市售分析纯或化学纯，购于阿拉丁试剂（上海）公司或国药集团化学试剂有限公司，用前未作处理。

1.2 实验过程

1.2.1 固体碱催化剂K2CO3/nano-γ-Al2O3的制备

取6.5 g K2CO3粉末溶于12 mL 的蒸馏水中，然后缓慢滴加进18.5 g 的nano-γ-Al2O3粉末（20 nm）中，同时进行研磨，所得产物于70°C 下干燥14 h 后，在马弗炉中600°C 焙烧5 h，即得到固体碱催化剂K2CO3/nano-γ-Al2O3（26.3%）（K2CO3与Al2O3的质量比为1∶2.8）。

1.2.2 磁性固体碱催化剂K2CO3/nano-γ-Al2O3/Fe3O4的制备

取6.25 g Fe3O4粉末（50 nm），于10 mL 蒸馏水中超声分散30 min 备用；取6.5 g K2CO3粉末溶于12 mL的蒸馏水中，然后缓慢滴加进18.5 g 的nano-γ-Al2O3粉末（20 nm）中，同时进行研磨，滴加完毕后加入超声分散后的Fe3O4悬浮液，继续研磨。所得产物于70°C 下干燥14 h 后，在马弗炉中600°C 焙烧5 h，即得到磁性固体碱催化剂K2CO3/nano-γ-Al2O3/Fe3O4（20.8%）（K2CO3、Al2O3与Fe3O4的质量比为1∶2.8∶1）。

1.2.3 3-硝基-2H-1-苯并吡喃类化合物的制备

在50 mL 球磨罐中加入不锈钢球（2 个20 mm 球，4 个10 mm 球，4 个5 mm 球），水杨醛0.79 g（6.5 mmol），1-苯基-2-硝基乙烯0.75 g（5 mmol），适量固体碱。球磨5 min 暂停1 次，TLC 跟踪反应进程，循环至反应完成。结束后，用乙酸乙酯（15 mL×2）将混合物从不锈钢瓶中洗至100 mL 烧杯中，在外加磁场的作用下分离出催化剂，用乙醇清洗，100°C 干燥2 h 后备用。将所得液体转移至分液漏斗，加入30 mL 水，振摇1～2 min，静置分层，分离出有机相，再用乙酸乙酯（30 mL×2）对水相进行萃取，最后合并有机相并用等体积的水清洗1 次，将得到的有机相用无水Na2SO4干燥，减压浓缩，层析柱分离，烘干。具体合成路线见图1，所得产物经核磁、质谱、红外及熔点分析表征。

图1 合成路线Fig.1 synthetic route

1.3 化合物3a～3n表征

2-苯基-3-硝基苯并吡喃（3a）：黄色固体，熔点91.8～92.6°C，（lit.［13］：92.0～93.0°C）1H NMR（CDCl3，400 MHz），δ：6.58（s，CH，1H），6.86（d，J=8.4 Hz，ArH，1H），7.00（t，J1=J2=7.6Hz，CH，1H），7.30～7.38（m，ArH，7H），8.06（s，CH，1H）ppm；IR（KBr），v，cm-1：690，759，966，1066，1116，1217，1325，1452，1510，1566，1600，1647，3068；MS，m/z（%）：276（M+23，100）.

2-（2-甲氧基苯基）-3-硝基苯并吡喃（3b）：黄色固体，熔点113.8～114.5 ℃，1H NMR（CDCl3，400 MHz），δ：3.90（s，CH3，3H），6.81（t，J1=7.6Hz，J2=7.2Hz，ArH，2H），6.94～6.99（m，ArH，2H），7.05（s，CH，1H），7.14～7.15（dd，J1=J2=4.0Hz，ArH，1H），7.28～7.33（m，ArH，3H），8.08（s，CH，1H）ppm；IR（KBr），v，cm-1：756，1029，1249，1327，1456，1487，1512，1546，1597，1645，3444；MS，m/z（%）：306（M+23，83）.

2-（4-甲氧基苯基）-3-硝基苯并吡喃（3c）：黄色固体，熔点153.0～154.0 ℃，（lit.［14］：154.0～155.0 ℃），1H NMR（CDCl3，400 MHz），δ：3.75（s，CH3，3H），6.52（s，CH，1H），6.83（t，J1=8.4 Hz，J2=7.2 Hz，ArH，3H），6.98（t，J1=7.2 Hz，J2=7.6 Hz，ArH，1H），7.30（t，J1=8.8 Hz，J2=9.2 Hz，ArH，4H），8.03（s，CH，1H）ppm；IR（KBr），v，cm-1：567，748，829，968，1064，1116，1174，1255，1328，1454，1510，1606，1647，2956，3070；MS，m/z（%）：306（M+23，100）.

2-（3-硝基苯基）-3-硝基苯并吡喃（3d）：黄色固体，熔点141.2～144.1 ℃，（lit.［15］：146.5～147.5 ℃），1H NMR（CDCl3，400 MHz），δ：5.30（s，CH，1H），6.91（d，J=8.8 Hz，ArH，1H），7.06（t，J1=6.8 Hz，J2=7.6 Hz，ArH，1H），7.38（d，J=7.6 Hz，ArH，2H），7.54（d，J=8.0 Hz，ArH，1H），7.72（d，J=7.6 Hz，ArH，1H），8.14（s，CH，1H），8.20（d，J=8.0 Hz，ArH，1H）ppm.IR（KBr），v，cm-1：767，933，981，1066，1195，1219，1325，1346，1458，1516，1531，1604，1645，3074；MS，m/z（%）：321（M+23，100）.

2-（4-氯苯基）-3-硝基苯并吡喃（3e）：褐色固体，熔点137.2～138.1 ℃，（lit.［14］：133～134 ℃），1H NMR（CDCl3，400 MHz），δ：6.54（s，CH，1H），6.86（d，J=8.8 Hz，ArH，1H），7.01（t，J1=J2=7.6 Hz，ArH，1H），7.29～7.32（dd，J1=2.4 Hz，J2=7.6 Hz，ArH，6H），8.05（s，CH，1H）ppm；IR（KBr），v，cm-1：754，798，958，1008，1187，1201，1222，1327，1487，1500，1602，1641，3080；MS，m/z（%）：310（M+23，100），312（M+26，45）.

2-（4-溴苯基）-3-硝基苯并吡喃（3f）：黄色固体，熔点151.2～152.0 ℃（lit.［16］：139.0～141.0 ℃），1H NMR（CDCl3，400 MHz），δ：6.53（d，J=1.2 Hz，CH，1H），6.86（d，J=8.0 Hz，ArH，1H），7.02（t，J1=7.2 Hz，J2=7.6 Hz，ArH，1H），7.23～7.25（dd，J1=J2=1.6 Hz，ArH，2H），7.32～7.34（dd，J1=J2=1.6 Hz，ArH，2H），7.43～7.45（dd，J1=J2=1.6 Hz，ArH，2H），8.06（s，CH，1H）ppm；IR（KBr），v，cm-1：761，794，1004，1066，1116，1222，1325，1450，1500，1600，1641，3080；MS，m/z（%）：354（M+22，96），356（M+24，100）.

2-苯基-3-硝基-6-氯苯并吡喃（3g）：黄色固体，熔点88.4～89.2 ℃，1H NMR（CDCl3，400 MHz），δ：6.57（s，CH，1H），6.81（d，J=8.8 Hz，ArH，1H），7.24（d，J=2.4 Hz，ArH，1H），7.31（d，J=2.4 Hz，ArH，1H），7.34（s，ArH，5H），7.97（s，CH，1H）ppm；IR（KBr），v，cm-1：692，823，1058，1201 1328，1417，1473，1516，1656，3068，3441；MS，m/z（%）：287（M，100），289（M+2，58）.

2-萘基-3-硝基-6-氯苯并吡喃（3h）：黄色固体，熔点123.0～123.5 ℃，1H NMR（CDCl3，400 MHz），δ：6.74（s，CH，1H），6.81（d，J=8.4 Hz，ArH，1H），7.22～7.24（dd，J1=2.4 Hz，J2=2.8 Hz，ArH，1H），7.33（d，J=2.8 Hz，ArH，1H），7.47～7.52（m，ArH，3H），7.73（s，ArH，1H），7.77～7.84（m，ArH，3H），8.06（s，CH，1H）ppm；13C NMR（CDCl3，100 MHz），δ：74.50，94.70，105.80，118.74，120.35，124.53，126.50，126.67，127.03，127.49，127.71，128.31，128.39，129.14，129.47，133.76，133.86，135.41，140.89ppm；IR（KBr），v，cm-1：748，827，1062，1126，1203，1328，1471，1514，1560，1656，3062，3419；MS，m/z（%）：291（M+23，100）.

2-（4-甲氧基苯基）-3-硝基-6-氯苯并吡喃（3i）：黄色固体，熔点121.9～122.3 ℃，1H NMR（DMSO，400 MHz），δ：3.72（s，CH3，3H），6.60（s，CH，1H），6.90（t，J1=10.0 Hz，J2=8.8 Hz，ArH，3H），7.31（d，J=8.8 Hz，ArH，2H），7.38～7.40（dd，J1=J2=2.8 Hz，ArH，1H），7.73（d，J=2.4 Hz，ArH，1H），8.38（s，CH，1H）ppm；IR（KBr），v，cm-1：835，962，1028，1060，1174，1199，1257，1278，1327，1417，1469，1516，1606，1653，2839，2977，3072，3423；MS，m/z（%）：340（M+23，100），342（M+25，42）.

2-（3-硝基苯基）-3-硝基-6-溴苯并吡喃（3j）：黄色固体，熔点159.9～161.6 ℃，1H NMR（CDCl3，400 MHz），δ：6.67（s，CH，1H），6.81（d，J=8.4 Hz，ArH，1H），7.43～7.45（dd，J1=J2=2.4 Hz，ArH，1H），7.50（d，J=2.0 Hz，ArH，1H），7.53～7.57（m，ArH，1H），7.68～7.74（m，ArH，1H），8.06（s，CH，1H），8.22～8.23（m，ArH，2H）ppm；IR（KBr），v，cm-1：694，739，823，943，986，1076，1131，1288，1304，1329，1348，1467，1512，1534，1595，1638，1727，2872，2964，3087；MS，m/z（%）：400（M+23，100）.

2-苯基-3-硝基-6，8-二碘苯并吡喃（3k）：黄色固体，熔点211.3～213.1 ℃，1H NMR（CDCl3，400 MHz），δ：6.72（s，CH，1H），7.33～7.38（m，ArH，5H），7.57（d，J=2.0 Hz，ArH，1H），7.90（s，ArH，1H），8.00（d，J=2.0 Hz，CH，1H）ppm；IR（KBr），v，cm-1：696，719，742，765，837，869，923，970，1062，1180，1226，1327，1433，1512，1649，2370，3028；MS，m/z（%）：527（M+22，100）.

2-呋喃基-3-硝基-6，8-二碘苯并吡喃（3l）：棕色固体，熔点300.0 ℃（dec.），1H NMR（DMSO，400 MHz），δ：6.42～6.43（dd，J1=J2=2.0 Hz，CH，1H），6.55（d，J=3.2 Hz，CH，1H），6.82（s，CH，1H），7.71～7.72（dd，J1=0.8 Hz，J2=0.4 Hz，CH，1H），8.00（d，J=2.0 Hz，ArH，1H），8.10（d，J=2.0 Hz，ArH，1H），8.30（s，CH，1H）ppm；IR（KBr），v，cm-1：596，750，1014，1176，1226，1332，1435，1512，1556，1649，1701，1737，2322，2364;MS，m/z（%）：517（M+22，100）;

2-硝基-3-苯基-3H-苯并［f］苯并吡喃（3m）：橙黄色固体，熔点154.0～155.0 ℃，1H NMR（DMSO，400 MHz），δ：6.82（s，CH，1H），7.17（d，J=8.8 Hz，ArH，1H），7.35（t，J1=2.8 Hz，J2=3.6 Hz，ArH，2H），7.45～7.52（m，ArH，4H），7.67（t，J1=J2=8.4 Hz，ArH，1H），7.91（d，J=8.0 Hz，ArH，1H），8.03（d，J=9.2 Hz，ArH，1H），8.40（d，J=8.4 Hz，ArH，1H），9.02（s，CH，1H）ppm；IR（KBr），v，cm-1：501，609，696，750，871，1024，1074，1408，1492，1591，1757，1803，184，1948，3030，3055；MS，m/z（%）：325（M+22，100）.

1.4 催化剂分析表征

1.4.1 催化剂的SEM分析

图2 为催化剂K2CO3/nano-γ-Al2O3（26.3%）的扫描电镜图，大量的活性成分K2CO3负载在多孔载体Al2O3上，Al2O3表面平整光滑，呈规则的块状。图3 为催化剂K2CO3/nano-γ-Al2O3/Fe3O4（20.8%），与图2相比，图3 中所显示的催化剂晶体堆积更为疏松，催化活性中心更多。

图2 K2CO3/nano-γ-Al2O3（26.3%）的扫描电镜图Fig.2 SEM of K2CO3/nano-γ-Al2O3（26.3%）

图3 K2CO3/nano-γ-Al2O3/Fe3O4（20.8%）的扫描电镜图Fig.3 SEM of K2CO3/nano-γ-Al2O3/Fe3O4（20.8 %）

1.4.2 催化剂的EDS分析

由表1 和图4 可知，催化剂的能谱中只出现了O、Al、K、Fe 四种元素的峰，重量百分比分别为43.64%、27.38%、17.47%、11.51%。在焙烧过程中K2CO3与Al2O3发生强烈的相互作用，C 元素流失的同时两者可能产生了新的K-O 或K-Al-O 晶相物系附着在载体上，形成新的碱性中心，活性位点增多，从而使催化剂的活性增加。

表1 催化剂K2CO3/nano-γ-Al2O3/Fe3O4（20.8%）的元素分析表Tab.1 Elemental analysis table for catalyst K2CO3/nano-γ-Al2O3/Fe3O4（20.8%）

1.4.3 催化剂的磁滞回归线

磁性固体碱K2CO3/nano-γ-Al2O3/Fe3O4（20.8%）磁性测定结果如图5 所示，此时饱和磁化强度为7.8 emu/g，矫顽力可忽略不计，该催化剂具有超顺磁性。

图4 催化剂K2CO3/nano-γ-Al2O3/Fe3O4（20.8%）的能谱图Fig.4 Energy spectrum of catalyst K2CO3/nano-γ-Al2O3/Fe3O4（20.8%）

图5 催化剂K2CO3/nano-γ-Al2O3/Fe3O4（20.8%）的磁滞回归线Fig.5 Magnetic hysteresis loops of K2CO3/nano-γ-Al2O3/Fe3O4（20.8%）

2 结果与讨论

2.1 反应条件的优化

以水杨醛（3.9 mmol）和硝基苯乙烯（3.0 mmol）的反应为模型，对催化剂种类、用量及球磨时间进行条件优化。从表2 中可以看出，当不加催化剂时，反应无法进行（表2，序号1）；当加入K2CO3时，反应能进行，但产率低；加入nano-γ-Al2O3时，反应也无法进行；当催化剂为K2CO3/nano-γ-Al2O3（26.3%），其中K2CO3的用量与序号3 等量时，反应进行且产率有较少的提高（表2，序号5），表明nano-γ-Al2O3在该催化剂中担当载体，使K2CO3分布均匀，在一定程度上提高了催化剂比表面积。当催化剂为K2CO3/nano-γ-Al2O3/Fe3O4（20.8%）时，反应产率提高，当增加催化剂用量、延长球磨时间，结果发现，当催化剂为K2CO3/nano-γ-Al2O3/Fe3O4（20.8%）为0.57 g，球磨时间为25 min 时，产率最高（表2，序号10）。

2.2 催化剂的回收利用

上述典型反应按照优化反应条件进行，反应结束后，在外加磁场的作用下分离出催化剂，用无水乙醇洗涤，在100°C 干燥2 h，重新使用。由于每次回收操作过程中催化剂会有部分损失，所以需要加入新催化剂，使催化剂总量保持恒定，考察使用次数对催化剂活性影响。实验表明，在补加一定量新催化剂的条件下，循环使用5 次，每次循环使用，催化剂活性略有降低，收率从83%降至61%。结果见表3。

表2 反应条件的优化Tab.2 Optimization of reaction condition

表3 催化剂的循环使用实验Tab.3 Recycling experiments of catalyst

2.3 固体碱催化合成3-硝基-2H-1-苯并吡喃类化合物

在上述优化条件下，通过球磨合成一系列3-硝基-2H-1-苯并吡喃类化合物，结果见表4。在合成3-硝基-2H-1-苯并吡喃类化合物时，硝基苯乙烯苯环上含有吸电子基的产率高于给电子基，水杨醛上含有吸电子基的产率都不是很高。

表4 固体碱催化合成3-硝基-2H-1-苯并吡喃类化合物Tab.4 Synthesis of 3-nitro-2H-1-benzopyran compounds catalyzed by solid bases

3 结论

实验结果表明：6.5 mmol 的水杨醛，5 mmol 的硝基苯乙烯类化合物，催化剂K2CO3/nano-γ-Al2O3/Fe3O4（20.8%）用量为0.57 g，球磨时间25 min，合成了13 种3-硝基-2H-1-苯并吡喃类化合物。与传统方法相比，该方法缩短了反应时间，后处理对环境友好，且催化剂K2CO3/nano-γ-Al2O3/Fe3O4（20.8%）在催化合成反应中具有催化活性高、生产工艺简单、反应时间少、催化剂易回收且能重复使用等优点。本实验的研究为3-硝基-2H-1-苯并吡喃类化合物的合成提供了一种简单有效、绿色经济的方法。