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β-环糊精的产品优势与作用机制及研究过程!


β-环糊精由于其内部空腔和疏水性,经常被用作超分子催化剂去结合客体分子,通过包合配合物选择性地催化各种有机反应,从而获得相应的生物活性杂环化合物。用环糊精作为催化剂,还可以水作为溶剂,更容易分离出有机合成产物。

 

科研人员发现,使用β-环糊精在水中作为高效催化剂,结合超声可将吡唑,吡喃和嘧啶基通过芳香醛乙酰乙酸乙酯、水合肼、苯甲醛和巴比妥酸四组分一步合成为吡唑并吡喃并嘧啶,反应在25min内即可完成,产出率高达84%-91%。

 

研究过程

 

1、β-环糊精是最高效的催化剂

 

研究者首先比较了牛磺酸、CTAB、TBAB、γ-环糊精、β-环糊精这些催化剂的催化效果,发现β-环糊精催化效率最高,而同样是环糊精的γ-环糊精却催化效果不佳。

 

2、选择最高效的 β-环糊精浓度

 

随后,研究者比较了10mol、20mol和25mol的β-CD催化效果,发现在20mol浓度时有的催化效果。

 

3、寻找最合适的反应溶剂及最适反应温度

 

接着,研究者比较了在极性非质子传递剂(DMF、THF和CH3CN)和极性质子传递性溶剂(H2O和EtOH)中的反应效果,发现在极性质子溶剂H2O,EtOH:H2O(1:1)中反应效果。

 

反应温度方面,室温时反应产物得率不高,当温度升高至50摄氏度时反应速度最快,反应产物得率最高。

 

4、检验官能团的影响

 

同时,研究者试验了各种带有吸电子或给电子取代基的各种芳族醛与反应的相容性。结果表明,反应均可进行顺利,并且可耐受较宽范围的官能团,例如氯、硝基溴、氟、甲基、甲氧基、羟基和苯基,吸电子取代基条件下产物得率较高,而供电子取代基条件下稍低,但均能够以良好或优异的收率得到相应的产物。

 

5、检验催化剂的重用性

 

催化剂重复使用能够显著减少生产步骤和降低生产成本,实验的最后,研究者也对β-环糊精的重复使用次数进行了研究。他们发现β-环糊精可以重复使用4个循环,均能保持91%-84%的高产率。而4个循环后,反应时间上升,产品产率下降。

 

β-环糊精高效催化的机制

 

最后,研究者给出了β-环糊精高效催化的可能作用机制。

 

反应的步是乙酰乙酸乙酯和水合肼缩合形成中间体,该中间体与其烯醇化物A平衡。由芳醛和巴比妥酸经Knoevenagel缩合成aford B形成下一个中间体。

 

醛和巴比妥酸可在β-CD腔中形成非共价可逆超分子复合物,从而提高了醛和巴比妥酸的局部浓度,导致醛和巴比妥酸溶解在水性介质中,这样醛就易于与巴比妥酸发生反应,并产生亚苄基嘧啶B,这一步缩合速率的加速可归因于水性β-环糊精提供了独特的疏水性截头圆锥形空腔和向外的亲水性羟基基团。

 

中间体A和B在β-CD的空腔中进行迈克尔加成形成C,这种加合物不稳定,通过氧阴离子与羰基的亲核加成反应进行分子内环化,生成中间体D,最后一步,中间体D脱水,得到吡唑并吡喃并嘧啶产物。

 

β-环糊精作为催化剂的优势

 

β-环糊精是一种生态友好,可重复使用,廉价且可生物降解的催化剂。与其他稠合三环吡唑并吡喃并嘧啶衍生物的催化剂相比,使用β-环糊精具有操作简便,反应时间短,产率高甚至优异,底物范围广的优势,还可以用水作为溶剂,减少有机溶剂污染,更加绿色环保。

 

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