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Acta Chimica Sinica >

2025 , Vol. 83 >Issue 7: 674 - 684

DOI: https://doi.org/10.6023/A25030096

Article

Solvent-Free “One-Pot” Biginelli Reaction Catalyzed by Mononuclear Cd(II) Complex Containing Benzenesulfonic Acid Ligands

  • Xin Wang ,
  • Yiwei Shi ,
  • Ruijie Yang ,
  • Zhiguo Song ,
  • Min Wang , *
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  • College of Chemistry and Materials Engineering, Bohai University, Jinzhou 121013
*E-mail:

Received date: 2025-03-27

  Online published: 2025-05-23

Supported by

Ministry of Education’s Industry-University Collaborative Education Project of the First Batch in 2024, China(230805940290824)

Fold

Abstract

In this work, a structural novel mononuclear cadmium complex, Cd(C10H8N2)4(C7H6NO5S)2 [abbreviated as Cd(bpy)4(HL)2], was synthesized by solvothermal method using 4-nitrotoluene-2-sulfonate anion (C7H6NO5S－, HL－) and 4,4'-bipyridine (bpy) as the main and auxiliary ligands. The complex was characterized by X-ray single crystal diffraction, scanning electron microscopy, energy dispersive spectroscopy, nitrogen adsorption/desorption analysis and thermogravimetric analysis. The catalytic performance of Cd(bpy)4(HL)2 was investigated by using the Biginelli reaction as a model. The experimental results showed that Cd(bpy)4(HL)2 exhibited excellent catalytic performance in the Biginelli reaction. A series of 4,6-diaryl-3,4-dihydropyrimidine-2(1H)-ones were synthesized from aromatic aldehydes, aromatic ketones and urea through a three-component one-pot method under solvent-free and 90 ℃ conditions. The reaction time was short, the product yields were high, and the catalyst could be recovered and reused by simple phase separation. Even after six consecutive catalytic cycles, the catalyst still maintained high catalytic activity. The catalysts before and after catalysis were characterized by powder X-ray diffraction, infrared spectroscopy and X-ray photoelectron spectroscopy, and the test findings were compared. From the results, the phase purity, composition and structure of the catalyst did not change significantly after continuous use for six times, and the chemical properties of the catalyst were stable. The structures of Cd(bpy)4(HL)2 and the reactants were optimized by density functional theory (DFT). The active sites of the complex were predicted by analyzing the Mulliken charges, molecular surface electrostatic potential (ESP) and average local ionization energy (ALIE) of Cd(bpy)4(HL)2. The reaction sites of the reactants were predicted by analyzing the ESP of benzaldehyde, acetophenone and urea. The activation effect of the active sites on the reaction sites was verified by X-ray photoelectron spectroscopy. Therefore, the possible catalytic mechanism was speculated. The structural characteristic of Cd(bpy)4(HL)2 makes it easy to contact with the reaction substrates, and the presence of two active sites enables it to exhibit co-catalytic effect in the catalytic reaction, thereby promoting the reaction.

Key words： benzenesulfonic acid complex; Biginelli reaction; catalytic activity; density functional theory; catalytic mechanism

Cite this article

Xin Wang , Yiwei Shi , Ruijie Yang , Zhiguo Song , Min Wang . Solvent-Free “One-Pot” Biginelli Reaction Catalyzed by Mononuclear Cd(II) Complex Containing Benzenesulfonic Acid Ligands[J]. Acta Chimica Sinica, 2025 , 83(7) : 674 -684 . DOI: 10.6023/A25030096

1 引言

二氢嘧啶酮(DHPMs)及其衍生物因具有良好的生物活性而受到广泛关注[1-3]. Biginelli反应作为多组分反应之一, 是合成DHPMs的重要方法. 早在1893年, Biginelli[4]以芳香醛、乙酰乙酸乙酯和脲为原料, 在浓HCl催化下以低收率合成了3,4-二氢嘧啶-2(1H)-酮衍生物. 为提高产品收率, FeCl3和Cu(OTf)2等多种催化剂被相继开发[5-12]. 不仅如此, 研究者们还开发了各种新颖的催化剂用来催化该反应, 如ZnO@SBA-15纳米复合材料[13]、白色大理石[14]、低共熔溶剂/苯磺酸[15]、膨润土负载Fe(III)[16]及磁性Fe-C-O-Mo合金纳米棒[17]等. 然而, 这些方案中依然存在使用有毒有机溶剂、反应温度高、催化剂昂贵及催化剂较难回收等缺点.
金属配合物催化符合“绿色化学”原则, 是21世纪化学发展的典范. 由于可以通过修饰配体结构来改变催化活性, 近几年来, 过渡金属配合物被广泛用于催化各种有机反应[18-23]. 在过渡金属配合物中, 镉的配位方式丰富多变, 可形成4、5、6、7以及8配位的结构[24-25]; 镉配合物具有良好的稳定性和多种优异性能, 在催化、发光材料和传感检测等领域都存在着潜在应用[26-27]. 磺酸基团中具有多个氧原子, 这些氧原子可以从多个方向与金属离子成键, 也可以和其他有机配体形成氢键, 这不仅使磺酸基团成为良好的氢键受体, 也使其配位模式灵活多变, 配位结构多种多样, 因此, 含磺酸基的配合物在催化领域中具有广泛的应用[28-31]. 4,4'-联吡啶是一种线状刚性有机桥联配体, 无支链, 其空间位阻小, 两端的氮原子因其良好的配位特性而能同时桥联不同的金属原子, 且其特殊的刚性平面共轭结构可通过较强的π-π堆积和氢键作用自组装合成一系列配合物[32-33].
基于以上诸多特点, 本工作以过渡金属镉为中心离子, 引入硝基甲苯邻磺酸根(HL－)和4,4'-联吡啶(bpy)作为主辅配体, 合成了一种单核镉配合物Cd(C10H8N2)4- (C7H6NO5S)2[简写为Cd(bpy)4(HL)2], 并对其进行了表征. 进而以Cd(bpy)4(HL)2为催化剂, 在无溶剂、90 ℃条件下催化芳香醛、芳香酮和脲三组分“一锅法”Biginelli反应, 取得了良好的效果, 该反应具有绿色、温和及高效等优点. 最后, 结合密度泛函理论(DFT)对Cd(bpy)4(HL)2和反应物进行了量化计算, 预测了Cd(bpy)4(HL)2的活性位点和反应物的反应位点, 探究了可能的催化作用机理.

2 结果与讨论

2.1 配合物的晶体结构

采用X射线单晶衍射对Cd(bpy)4(HL)2的晶体结构进行了表征(CCDC: 2223337), 表征结果通过Olex2系统精修, 将解析后获得的Cd(bpy)4(HL)2的晶体学数据列于表1之中. 如表1所示, Cd(bpy)4(HL)2为Monoclinic晶系的P21/n空间群, 其晶胞参数为a=0.89086(3) nm, b=1.61511(5) nm, c=1.27040(4) nm, α=90°, β=103.7390(10)°, γ=90°, V=1.77560(10) nm3, Z=2. 由表2所示的配合物部分键长键角数据的实验值与计算值可知, 部分键角的实验值与理论值接近, 而配位键键长的计算值比实验值略大, 这是由于实验是对固相分子进行的测试, 而理论计算的分子结构是在0 K的气相中被优化, 导致柔性分子垂直伸长[34]. 以上数据表明理论计算所得到的配合物的优化结构与实验制备得到的晶体结构较为相符. 除此之外, 通过表2数据可知, 实验测得的主要键长数值: Cd(1)—O(1)#1和Cd(1)—O(1)为0.2300(2) nm, Cd(1)—N(1)和Cd(1)—N(1)#1为0.2315(2) nm, Cd(1)—N(2)和Cd(1)—N(2)#1为0.2411(2) nm, 中心金属与相邻原子之间的所有键长均不相等. 测得的轴向的键角O(1)#1—Cd(1)—O(1)、N(1)#1—Cd(1)—N(1)和N(2)#1—Cd(1)—N(2)均为180°, 但这3个轴向之间的夹角O(1)#1—Cd(1)—N(2)#1、O(1)#1—Cd(1)—N(1)和N(1)—Cd(1)—N(2)#1均不为90°. 这些数据表明Cd(II)与4个4,4'-联吡啶分子和2个对硝基甲苯邻磺酸根形成的配合物为六配位的略有畸变的八面体结构.
表1 Cd(bpy)4(HL)2的晶体学数据a,b

Table 1 Crystallographic data for Cd(bpy)4(HL)2

Parameter Value
Formula C34CdN6O10S2
Formula weight 828.92
Crystal system Monoclinic
Space group P21/n
a/nm 0.89086(3)
b/nm 1.61511(5)
c/nm 1.27040(4)
α/(°) 90
β/° 103.7390(10)
γ/° 90
V/nm3 1.77560(10)
Z 2
Dc/(mg•m－3) 1.550
Goodness-of-fit F2 1.113
R1, ωR2 0.0338, 0.0986
R1, ωR2 (all data) 0.0366, 0.1019

ɑ R1=Σ║Fo│－│Fc║/Σ│Fo│. bwR2={Σ[w(Fo2－Fc2)2]/Σ[w(Fo2)2]}1/2.

表2 Cd(bpy)4(HL)2的部分键长(nm)和键角(°)的实验值和计算值a

Table 2 Partial bond length (nm) and bond angle (°) of Cd(bpy)4(HL)2

Bond length/nm Bond angle/(°)
X-ray B3LYP X-ray B3LYP
Cd(1)—O(1)#1 0.2300(2) 0.2363 O(1)#1—Cd(1)—O(1) 180.0 179.35
Cd(1)—O(1) 0.2300(2) 0.2363 N(1)#1—Cd(1)—N(1) 180.0 179.69
Cd(1)—N(1) 0.2315(2) 0.2378 N(2)#1—Cd(1)—N(2) 180.0 179.44
Cd(1)—N(1)#1 0.2315(2) 0.2378 O(1)#1—Cd(1)—N(2)#1 85.24(9) 86.93
Cd(1)—N(2) 0.2411(2) 0.2457 O(1)#1—Cd(1)—N(1) 90.32(9) 92.80
Cd(1)—N(2)#1 0.2411(2) 0.2457 N(1)—Cd(1)—N(2)#1 88.20(9) 89.16

a Symmetry tansformations used to generate equivalent atoms: #1 －x＋1, －y＋1, －z; #2 x＋1/2, －y＋3/2, z－1/2; #3 －x＋1/2, y－1/2, －z＋1/2; #4 －x＋1/2, y＋1/2, －z＋1/2.

Cd(bpy)4(HL)2的晶体结构如图1a所示, 其对称结构单元包括1个中心离子Cd2＋、2个对硝基甲苯邻磺酸根配体和4个4,4′-联吡啶配体, 其中, Cd2＋与4个4,4'-联吡啶分子的氮原子和2个对硝基甲苯邻磺酸根上磺酸基的氧原子直接配位. 多个相邻的Cd(bpy)4(HL)2分子之间通过4,4'-联吡啶相互连接, 形成了图1b所示二维网状结构. 在此基础上, 这些二维网状结构彼此相互堆积, 最终拓展成图1c所示的三维网状结构, 此结构有利于底物分子的扩散, 底物分子更容易与配合物的活性位点相结合, 进而有利于提高反应速率.
图1 Cd(bpy)4(HL)2的(a)晶体结构、(b)二维网状结构和(c)三维网状结构

Figure 1 (a) Crystal structure, (b) two-dimensional network structure and (c) three-dimensional network structure of Cd(bpy)4(HL)2

2.2 扫描电镜和能量色散光谱分析

图2a~2d为Cd(bpy)4(HL)2的SEM图像, 从图像中可以看出, 配合物为不规则的块状, 表面有较多的孔洞似蜂窝状, 不但增大了配合物的比表面积, 且有利于底物分子的扩散, 使底物分子与配合物得以充分接触, 促进了催化反应的进行. 此外, 本工作用能量色散光谱(EDS)对Cd(bpy)4(HL)2进行了研究, 主要元素组成如图2e所示, 测试结果与配合物的元素组成相符, 元素映射图像(图2f~2k)表明Cd, C, N, S和O在配合物表面上分布均匀.
图2 (a~d) Cd(bpy)4(HL)2的SEM图像, (e) Cd(bpy)4(HL)2的EDS及(f~k) Cd(bpy)4(HL)2中Cd, C, N, S, O的元素映射

Figure 2 (a~d) SEM images of Cd(bpy)4(HL)2, (e) EDS, and (f~k) elemental mappings of Cd, C, N, S, O of Cd(bpy)4(HL)2

2.3 氮气吸附/脱附分析

采用氮气吸附/脱附分析对Cd(bpy)4(HL)2的吸附-脱附特性进行研究, 图3为Cd(bpy)4(HL)2的氮气吸附-脱附等温线及BJH孔径分布图. 由图3a可知, 配合物的吸附-脱附等温线具有典型的IV型等温线的特征, 吸附-脱附等温线无明显的饱和吸附平台, 在相对压力0.8~1.0范围内存在典型的H3型回滞环, 这类回滞环多见于狭缝孔隙结构中, 进一步印证了配合物的结构. 图3b的BJH孔径分布图表明, 配合物的介孔尺寸主要分布在2~32 nm之间, 孔结构不规整.
图3 Cd(bpy)4(HL)2的(a) N2吸附-脱附等温线和(b) BJH孔径分布图

Figure 3 (a) N2 adsorption-desorption isotherm and (b) BJH pore size distribution of Cd(bpy)4(HL)2

2.4 热重分析

在氮气气氛保护下, 以10 ℃/min的升温速率将Cd(bpy)4(HL)2样品从30 ℃加热到1000 ℃, 得到图4所示的热重曲线. 由图4可知, 该配合物的热重曲线可以分为两个失重阶段. 第一个失重阶段在274~437 ℃之间, 此阶段内发生剧烈分解, 实验测得的失重率为53.70%, 推测可能是由于失去两个对硝基甲苯邻磺酸根配体所导致的(理论值为52.40%), 实验值与理论值基本一致. 第二个失重阶段起点在437 ℃, 在437 ℃之后配合物分解速率下降, 表明该配合物在第二阶段437~795 ℃之间发生缓慢分解, 最终Cd(bpy)4(HL)2有残渣剩余, 剩余物的质量占起始物的11.56%, 推测为氧化镉(理论值11.29%)[35-36]. 热重分析结果表明, 该配合物在274 ℃之前可稳定存在, 具有良好的热稳定性.
图4 Cd(bpy)4(HL)2的热重曲线图

Figure 4 TG curves of Cd(bpy)4(HL)2

2.5 催化性能考察

以芳香醛(1)、芳香酮(2)和脲(3)为原料, Cd(bpy)4(HL)2为催化剂, 采用Biginelli反应制备4,6-二芳基-3,4-二氢嘧啶-2(1H)-酮4a~4j (Scheme 1), 以此反应为模版考察配合物的催化性能.
图式1 Cd(bpy)4(HL)2催化合成4,6-二芳基-3,4-二氢嘧啶-2(1H)-酮

Scheme 1 Synthesis of 4,6-diaryl-3,4-dihydropyrimidine-2(1H)-ones catalyzed by Cd(bpy)4(HL)2

2.5.1 反应条件优化

首先, 以苯甲醛、苯乙酮和脲为原料, 无溶剂条件下, 考察了原料配比、反应温度和Cd(bpy)4(HL)2的用量, 结果如表3所示. 实验结果表明, 当苯甲醛10 mmol, 原料配比为nbenzaldehyde∶nacetophenone∶nurea=1.0∶1.0∶1.1, 反应温度为90 ℃, Cd(bpy)4(HL)2的添加量为0.3 mmol时, 反应时间较短, 产物产率较高(Entry 2).
表3 原料配比、反应温度和Cd(bpy)4(HL)2用量优化

Table 3 Optimization of raw material ratio, reaction temperature and the amount of Cd(bpy)4(HL)2

Entry nbenzaldehyde∶
nacetophenone∶nurea		 Temp./
℃		 Catal. amount/
mmol		 Time/min Yield/%
1 1.0∶1.0∶1.0 90 0.3 46 74.6
2 1.0∶1.0∶1.1 90 0.3 16 88.2
3 1.0∶1.0∶1.2 90 0.3 29 84.2
4 1.0∶1.0∶1.3 90 0.3 37 82.8
5 1.0∶1.0∶1.1 50 0.3 41 67.6
6 1.0∶1.0∶1.1 70 0.3 28 80.7
7 1.0∶1.0∶1.1 110 0.3 20 84.4
8 1.0∶1.0∶1.1 90 0.1 18 83.3
9 1.0∶1.0∶1.1 90 0.2 18 84.3
10 1.0∶1.0∶1.1 90 0.4 16 86.2
11 1.0∶1.0∶1.1 90 0.5 16 86.1

2.5.2 普适性考察

为研究Cd(bpy)4(HL)2对该反应的催化性能, 采用三组分“一锅法”催化Biginelli反应合成了一系列4,6-二芳基-3,4-二氢嘧啶-2(1H)-酮, 实验结果见表4. 实验结果表明, 对于不同取代基的芳香醛, Cd(bpy)4(HL)2在合成一系列4,6-二芳基-3,4-二氢嘧啶-2(1H)-酮反应中均具有显著的催化效果, 当芳香醛的苯环上带有吸电子基团如硝基时, 该反应能够以较短的时间和较高的产率得到相应的目标产物; 当芳香醛的苯环带有给电子基团如甲氧基或羟基时, 反应时间略长, 产物产率略低. 推测是由于当芳香醛苯环上的取代基为吸电子基团时, 苯环周围的电子云密度降低, 产生吸电子效应, 羰基碳上的正电荷增加, 促使羰基活化, 进而提高反应速率.
表4 Cd(bpy)4(HL)2催化合成4,6-二芳基-3,4-二氢嘧啶-2(1H)-酮a

Table 4 Synthesis of 4,6-diaryl-3,4-dihydropyrimidine-2(1H)-ones catalyzed by Cd(bpy)4(HL)2

a Reaction conditions: aromatic aldehyde (10 mmol), aromatic ketone (10 mmol) and urea (11 mmol), Cd(bpy)4(HL)2 (0.3 mmol), 90 ℃, solvent-free.

为了证明以上推测, 依据DFT, 在B3LYP/6-31G(d)方法水平下运用Gaussian09程序包, 对不同取代基的芳香醛进行了结构优化, 并运用Multiwfn软件对芳香醛上羰基碳的Mulliken电荷和芳香醛的分子直径进行了计算分析, 结果见图5. 由图5可知, 与芳香醛苯环上带有供电子基相比, 当芳香醛苯环上取代基为吸电子基时, 羰基碳上带有更多的正电荷, 与推测结论一致. 将图5所得的芳香醛的分子直径与氮气吸附/脱附分析所得到的Cd(bpy)4(HL)2的孔径(见图3)对比可知, 芳香醛分子可轻松进入配合物的孔洞中, 接触的比表面积增大, 有利于反应的进行.
图5 不同芳香醛上羰基碳的Mulliken电荷和芳香醛的分子直径

Figure 5 Mulliken charges of carbonyl carbon on different aromatic aldehydes and molecular diameters of aromatic aldehydes

2.5.3 催化剂重复使用考察

在上述较优反应条件下, 对催化剂的重复使用情况进行考察, 重复使用情况如图6a所示. 由图6a可知, Cd(bpy)4(HL)2在连续使用6次后, 产物产率依旧在73%以上, 这表明该配合物具有良好的催化效率, 可多次重复使用.
图6 (a) Cd(bpy)4(HL)2的重复使用情况以及Cd(bpy)4(HL)2催化6次前后的(b)粉末X射线衍射图、(c)红外光谱图、(d) X射线光电子能谱总谱和(e~i) Cd3/2d, C1s, O1s, N1s和S2p的X射线光电子能谱

Figure 6 (a) Reuse of Cd(bpy)4(HL)2, and (b) powder X-ray diffraction pattern, (c) infrared spectra, XPS spectra of (d) total spectrum and (e~i) Cd3/2d, C1s, O1s, N1s and S2p of Cd(bpy)4(HL)2 before and after six catalytic times

还对催化前和催化6次后的催化剂进行表征对比, 结果如图6b~6i所示. 粉末X射线衍射图谱(6b)显示, 配合物催化前后的衍射峰位与X射线单晶衍射数据模拟峰位表现出较高的吻合度, 说明配合物的相纯度较高, 化学性能稳定, 且连续使用6次后其相纯度并未发生明显变化. 由红外光谱(图6c)、X射线光电子能谱(XPS)总谱(图6d)及Cd、C、O、N、S的精细谱(图6e~6i)可知, 催化前后配合物的特征峰基本相同, 无大的偏差, 这些表明连续使用6次后Cd(bpy)4(HL)2的结构和组成并未发生明显变化, 证实Cd(bpy)4(HL)2具有良好稳定性. 结合上述实验和表征结果推测, 后处理过程中催化剂的少量流失可能是造成反应时间增加及产物产率下降的主要原因.

2.5.4 催化剂比较

将Cd(bpy)4(HL)2与近年来已报道的部分催化剂进行了对比, 结果如表5所示, 与已报道的催化条件相比, Cd(bpy)4(HL)2的催化反应条件较为绿色, 使用较低用量的催化剂在短时间内即可获得满意的产品收率, 催化过程中无需使用有毒的溶剂, 因此, Cd(bpy)4(HL)2作为催化剂具有良好的应用前景.
表5 催化剂比较

Table 5 Comparison of catalysts

Entry Catalyst (ncatalyst∶nbenzaldehyde) Raw material ratioa Condition Time/min Yield/% Ref.
1 NiFe2O4@SiO2nPr@glucose amine (10%) 1.0∶1.0∶1.0 25 ℃ (H2O) 120 90.0 [39]
2 Ƴ-Fe2O3-SO3H (5%) 1.0∶1.0∶1.5 80 ℃ (solvent free) 100 90.0 [40]
3 [TSPi][CF3SO3]2 (2.5%) 1.0∶1.0∶1.2 r.t. (CH2Cl2, grind) 16 89.0 [41]
4 PPh3 (20%)/I2 (15%) 1.2∶1.0∶1.5 80 ℃ (1,4-dioxane) 120 82.0 [42]
5 LDA (20%) 1.2∶1.5∶1.5 0 ℃ (THF) 60 81.0 [43]
6 Cd(bpy)4(HL)2 (3%) 1.0∶1.0∶1.1 90 ℃ (solvent free) 16 88.2 This work

a Reactants (benzaldehyde/etthylacetoacetate/urea) ratio in mmol.

2.6 基于DFT理论分析配合物的催化机理

2.6.1 配合物活性位点预测

为预测配合物的活性位点, 采用DFT对Cd(bpy)4- (HL)2进行了理论计算. 优化后的Cd(bpy)4(HL)2的分子模型如图7所示, 表6为Cd(bpy)4(HL)2结构中金属离子Cd(II)和其周围4,4'-联吡啶和对硝基甲苯邻磺酸根的部分C、O、N、S等原子的Mulliken电荷. 结果表明, Cd(II)带有较多的正电荷, 为25.80 eV. 对硝基甲苯邻磺酸根中S=O上的O(86)和O(87)所带负电荷相对较多, 分别为－16.98和－16.95 eV. 由此推断, Cd(II)、对硝基甲苯邻磺酸根中S=O上的O原子为配合物上的活性位点.
图7 Cd(bpy)4(HL)2的优化分子模型

Figure 7 Optimized molecular model of Cd(bpy)4(HL)2

表6 Cd(bpy)4(HL)2部分原子的Mulliken电荷

Table 6 Mulliken charge of Cd(bpy)4(HL)2 part atom

Atom Charge/eV Atom Charge/eV Atom Charge/eV Atom Charge/eV
Cd(1) 25.80 C(11) 0.74 N(79) －9.71 H(106) 4.14
C(2) 1.77 C(12) －3.27 O(83) －14.61 H(107) 5.28
C(3) 1.82 C(13) －3.27 O(86) －16.98 C(118) －13.63
C(4) －3.89 C(14) －0.19 O(87) －16.95 H(119) 5.20
H(5) 5.82 H(15) 3.92 C(99) －9.80 H(121) 3.95
C(6) －3.92 C(16) 0.19 C(100) －2.29 H(120) 5.77
H(7) 6.01 H(17) 4.19 C(101) 4.41 N(109) 1.42
C(8) 0.93 H(18) 4.11 C(102) 8.38 O(112) －7.84
H(9) －4.03 H(19) 4.19 H(103) 6.67 O(113) －7.76
H(10) 4.38 N(78) －14.59 C(104) －4.68 C(105) －2.34
分子表面静电势(ESP)[44-45]是表征分子反应活性位点的一种方法, ESP常被用于研究分子间的相互作用及分子识别, 解释分子化学反应活性与分子性质之间的关系. 图8a为Cd(bpy)4(HL)2的表面静电势, 蓝色区域表示负电荷区域, 易受到亲电试剂的进攻; 红色区域表示正电区域, 易受到亲核试剂的进攻; 白色区域表示零电位区域. 其中, 黄球对应静电势极大值点, 青球对应极小值点. 由图8a可见, 配合物表面静电势的极小值点多数位于O原子附近, 其中数值相对较负的极小值点在对硝基甲苯邻磺酸根上的S=O中O原子附近, 说明这些部分更容易受到亲电试剂的进攻.
图8 Cd(bpy)4(HL)2的(a)表面静电势填色图、(b)表面平均局部离子化能填色图及(c~e)苯甲醛、苯乙酮和脲的表面静电势填色图

Figure 8 (a) Surface electrostatic potential coloring diagram, (b) surface average local ionization energy coloring diagram of Cd(bpy)4(HL)2, and (c~e) Surface electrostatic potential coloring diagram of benzaldehyde, acetophenone and urea

平均局部离子化能(ALIE)[46-47]是一个反应电子在局部区域电离能的实空间函数. 分子表面的局部离子化能越小, 电子束缚越弱, 电子反应性越高, 越容易发生亲电反应和自由基反应. 图8b为Cd(bpy)4(HL)2的平均局部离子化能分布图, 蓝色区域为ALIE较小的区域, 青色小球对应表面上ALIE的极小值. 从图8b中可以看出, 对硝基甲苯邻磺酸根上的S=O中的O原子附近的蓝色区域尤为明显, 表明这几处易发生亲电反应.

2.6.2 反应物反应位点预测

利用DFT, 在B3LYP水平上结合6-31G(d)基组对苯甲醛、苯乙酮和脲进行了结构优化, 并通过表面静电势推测其反应位点. 苯甲醛、苯乙酮和脲的ESP填色图如图8c、8d和8e所示. 其中, 苯甲醛和苯乙酮的羰基氧附近的负静电势较强(图8c和图8d), 而脲的氨基上氢原子附近具有较强的正静电势(图8e). 由此推测, 苯甲醛和苯乙酮的羰基氧以及脲的氨基上氢原子为反应位点, 可被Cd(bpy)4(HL)2上的活性位点所活化, 进而促进反应的进行.

2.6.3 活性位点对反应位点活化作用的XPS分析

为了验证Cd(bpy)4(HL)2上活性位点对反应物上反应位点的活化作用, 以化合物4a合成为例, 对Cd(bpy)4(HL)2和6个不同反应时间的催化反应体系混合物分别进行了Cd、O和N元素的XPS检测. 由图9a、9b和9c可见, 随着反应的进行, Cd的结合能升高, 苯甲醛上C=O的O结合能降低; 配合物中S=O中O和脲中NH2上的N的结合能都有所降低. 推测是由于Cd(bpy)4(HL)2中Cd(II)对苯甲醛上C=O的O进行了活化, 使C=O上O原子的电子密度增大; 配合物S=O中O对NH2上的H进行活化, 导致NH2上的N原子的电子密度增大, 亲核性增强, 有利于反应的进行[48-49]. 以上结果进一步证明了DFT预测相关位点的准确性, 也为催化作用机理的提出提供了依据.
图9 不同反应时间催化体系的(a) Cd3/2d, (b) O1s和(c) N1s的XPS谱图

Figure 9 XPS spectra of (a) Cd3/2d, (b) O1s, and (c) N1s in catalytic systems with different reaction times

2.6.4 可能的催化作用机理

根据已报道的通过Biginelli反应合成4,6-二芳基- 3,4-二氢嘧啶-2(1H)-酮的相关机理[14,16], 结合上述表征和量化计算结果, 推测催化作用机理如图10所示. Cd(bpy)4(HL)2中的Cd(II)提供Lewis酸活性位点, 将苯甲醛1上的C=O的O原子活化, 进而使苯甲醛1上的C=O的C原子的正电荷数目增加, 使其更易于发生亲核反应. 同时, Cd(bpy)4(HL)2上S=O中的O原子提供活性位点, 活化脲2中NH2的H原子. 活化后的苯甲醛1与脲2发生醛胺缩合反应生成中间体M1, 中间体M1进行分子内脱水生成中间体M2. 苯乙酮3的C=O经过S=O中的氧原子活化后, 与中间体M2进行加成生成中间体M3. 中间体M3中C=O的O原子被Cd(bpy)4(HL)2中的Cd(II)活化的同时, 中间体(M3)上NH2的H原子也被S=O中的O原子所活化, 活化后的C=O和NH2进行分子内加成, 进一步分子内脱水后生成最终产物4,6-二芳基-3,4-二氢嘧啶-2(1H)-酮4.
图10 可能的催化机理

Possible catalytic mechanism

3 结论

以四水合硝酸镉、对硝基甲苯邻磺酸钠和4,4'-联吡啶为原料, 利用溶剂热合成法制得一种新型镉配合物Cd(bpy)4(HL)2, 对其进行了一系列表征. 并以芳香醛、芳香酮和脲为原料, 以Cd(bpy)4(HL)2为催化剂, 在无溶剂、90 ℃条件下通过三组分“一锅法”高效合成了多种4,6-二芳基-3,4-二氢嘧啶-2(1H)-酮. 采用DFT对Cd(bpy)4(HL)2和反应物进行量化计算, 通过Mulliken电荷、ESP和ALIE分析预测配合物的表面活性位点, 通过ESP对苯甲醛、苯乙酮和脲的反应位点进行了预测, 并利用X射线光电子能谱进行了验证, 进而阐述了Cd(bpy)4(HL)2催化Biginelli反应的机理.
通过表征结果可知, 配合物具有的不规则块状结构和表面较多的孔洞增大了配合物的比表面积; 量化计算结果证明, 配合物上的Cd(II)与S=O中的氧原子具有共催化作用, 以上使得配合物在Biginelli反应中表现出良好的催化性能. 与已报道的合成方法相比, 该方法具有催化剂廉价易得、无需使用有毒有机溶剂、反应时间较短、产物产率较高及底物适用范围广等优点, 符合绿色化学发展的要求.

4 实验部分

4.1 原料、试剂及测试仪器

本工作中使用到的实验试剂均为市售的分析纯. X射线单晶衍射采用德国布鲁克公司生产的Bruker D8 QUEST型单晶X射线衍射仪测定. 扫描电镜和能量色散光谱采用日本日立公司生产的S-4800型冷场发射扫描电镜测定. 氮气吸附-脱附等温线及BJH孔径是由北京彼奥德电子技术有限公司生产的Kubo-X1000型孔径与比表面积分析仪测得. 热重数据由美国珀金埃尔默公司生产的STA8000型TG/DTA热分析仪测得. 红外数据采用日本岛津公司生产的IRTracer-100型傅立叶变换红外光谱仪测定. X射线光电子能谱采用日本岛津公司生产的Axis Supra＋型X射线光电子能谱仪测定. 粉末X射线衍射图谱由日本理学公司生产的Rigaku Ultima IV型粉末X射线衍射仪测定. 催化产物的熔点由天津市天光仪器公司生产的RD-II型熔点仪测得.

4.2 对硝基甲苯邻磺酸钠的制备

准确称取0.04 mmol的氢氧化钠(NaOH, 1.66 g)和0.04 mol对硝基甲苯邻磺酸(C7H7NO5S, 9.66 g), 将其溶于200 mL去离子水中, 将溶液pH调节至中性, 过滤出杂质, 65 ℃加热搅拌使溶剂挥发, 最后蒸干即可得到对硝基甲苯邻磺酸钠(产率82.4%).

4.3 配合物的合成

准确称取0.4 mmol的四水合硝酸镉[Cd(NO3)2• 4H2O, 0.12 g]和0.4 mmol的对硝基甲苯邻磺酸钠(0.09 g), 将其溶解于5 mL去离子水中制成A液. 再准确称取0.4 mmol的4,4'-联吡啶(0.06 g)溶于5 mL的乙醇溶液制成B液. 将B液倒入A液在室温下充分搅拌后转移至25 mL内衬为聚四氟乙烯的不锈钢反应器中, 在80 ℃的条件下保持反应60 h, 待反应完成后将其缓慢降至室温, 静置3 d后析出无色透明晶体, 产率为78%(基于Cd).

4.4 配合物的晶体结构检测

选取大小为0.2 mm×0.22 mm×0.24 mm的单晶样品置于Bruker Smart Apex II型单晶X射线衍射仪的样品座上, 在296(2) K下以Mo Kα射线(λ=0.071073 nm)为辐射源, 用Smart程序收集单晶样品的衍射数据、用Saint程序进行数据还原、再用SADABS程序对数据进行半经验吸收校正[50]. 进一步在Olex2系统[51]中调用SHELX-97程序[52], 采用直接法解出初结构, 用理论加氢法确定氢原子位置. 对非氢原子坐标及其各向异性热参数进行最小二乘法精修至收敛. 对氢原子则采用跨式(riding model)进行精修, 其各向同性热参数为其母原子平均热参数的1.2~1.5倍.

4.5 催化相关实验

在无溶剂、加热条件下向25 mL锥形瓶中加入芳香醛(10 mmol)、芳香酮、脲及Cd(bpy)4(HL)2, 充分搅拌至反应结束(薄层色谱跟踪反应进程). 反应结束后, 加入无水乙醇将产物全部溶解, 过滤分离后, 将溶解的产物进行重结晶, 并将重结晶后得到的物质进行熔点检测; 而不溶解的催化剂沉淀在反应瓶底部, 对其进行过滤分离后, 用无水乙醇进行洗涤, 干燥后用于考察催化剂重复使用情况.

4.6 量子化学计算

量子化学计算由Gaussian 09程序包完成, 采用DFT在B3LYP[53-54]水平上对Cd(bpy)4(HL)2的几何结构进行优化. 考虑金属原子的相对论效应, 过渡金属Cd采用SDD赝势基组, 非金属元素C、H、O、N、S选用6-31G(d)基组. 分子轨道图、静电势图和平均局部离子化能图均由Multiwfn软件[55]计算数据, 并使用VMD软件[56]绘制.
(Zhao, C.)

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