吡唑、吡喃和嘧啶是什么,有什么作用？

吡唑、吡喃和嘧啶是医学、农业、材料学广泛应用的重要化合物：吡唑片段拥有多种生理作用，包括止痛、抗发炎、退烧、抗心律失常、镇静、松弛肌肉、精神兴奋、抗痉挛、一元胺氧化酶抑制剂，抗糖尿病和抗菌等；同样，吡喃核也是多数苷类化合物（如葡萄糖，阿拉伯糖等）的基本结构；嘧啶基序有广泛的生物活性，在许多药物中起着至关重要的作用。

此外，吡咯并吡喃并嘧啶及其衍生物具有广泛的生物活性，例如吡喃并吡唑A可作为软体动物杀剂，B是Chk1抑制剂，C为抗菌剂，在著名的药物西地那非中也存在吡唑并嘧啶核。D中的吡喃嘧啶单元可作为抗糖尿病药，吡唑并吡喃并嘧啶E则是抗炎药等。

含有吡唑吡喃嘧啶的不同有机化合物  ▲ 

常规合成方法复杂、费时费力、易造成污染和浪费

文献调查显示，吡唑并吡喃并嘧啶的合成路径很复杂，需要用到非常多的催化剂，例如DABCO、SDS、TiO2纳米线、OMWC纳米管、葡甲胺、Cu-IMS纳米粒子、ChCl：尿素、油酸、MNS离子液体、PEG-400、磁化水、纤维素基纳米复合材料和SBA-PR-SO3H等。现有的合成路线需要制备催化剂，需要特殊的反应条件，反应时间较长，合成工序繁琐，而且在合成的过程中大部分有机溶剂都会被浪费，这些有机溶剂会对环境造成很大的威胁。

因此，生产上急需一种绿色、高效、经济的吡唑并吡喃并嘧啶的合成方法。

研究过程

● 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。

●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浓度时有最好的催化效果。

● 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）中反应效果最好。

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。

●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。

● 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。

反应的第一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-CD催化吡唑并吡喃并嘧啶的机制  ▲ 

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。