蘇 雨,殷耀兵

(河北工程大學城市建設學院,河北邯鄲056038)

金屬有機試劑參與的碳-碳鍵的形成反應在有機化學研究和有機化工生產(chǎn)中占據(jù)著非常重要的地位。然而,傳統(tǒng)的金屬試劑[1]對水和空氣敏感,反應條件苛刻且易燃易爆。有機硼試劑[2-3](除了硼氫和硼鹵化物外)在通常條件下對空氣和水不敏感、無毒、安全,而且容易制備、保存方便,具有良好的官能團兼容性。芳環(huán)硼酸是有機硼酸中的典型代表,各種取代芳環(huán)硼酸是重要的有機合成中間體及醫(yī)藥、農(nóng)藥中間體。對于各種取代芳環(huán)硼酸的合成研究,最早起于20世紀50年代左右,此后對它們的應用研究日益增多。黃世文等[4]采用“一鍋法”合成了多種芳環(huán)硼酸,其中苯硼酸分離產(chǎn)率 48%,α-噻吩基硼酸分離產(chǎn)率55%。安忠維,陳新兵[5]也報道了多環(huán)芳烴類單取代硼酸的“一鍋”合成方法,產(chǎn)率達40%～60%。Tatsuo Ishiyama.等[6]首次提出鈀催化氧硼基化法制備芳基硼酸酯,產(chǎn)率可達60%～98%,并且反應物帶有的各種官能團如硝基、氰基、酯基和羰基不受影響。

目前,已研制出來的芳環(huán)硼酸種類有數(shù)百種之多,4-(1-萘基)苯硼酸作為其中的一員,主要被用作開發(fā)新一代有機發(fā)光材料的原料,市場價格已高達每公斤10 000元人民幣。然而,至今還沒有關于4-(1-萘基)苯硼酸合成工藝的報道,所以,其合成工藝的研究很有實用價值。本文以對溴苯胺和1-溴萘為原料,研究了經(jīng)由重氮化反應[7]、格氏反應、Suzuki偶聯(lián)法[8]和丁基鋰試劑法[9]四步反應合成4-(1-萘基)苯硼酸的工藝,并探討了影響反應的各種因素。

1 實驗部分

1.1 儀器和試劑

NMI20-Analyst核磁共振分析儀(上海紐邁電子科技公司),GC-2014氣相色譜儀(日本島津公司)和LC-2010HT高效液相色譜儀(日本島津公司)。主要化學試劑為對溴苯胺、亞硝酸鈉、碘化鉀、1-溴萘、硼酸三甲酯、四-(三苯基膦)鈀[Pd、丁基鋰、硼酸三異丙酯等,所有試劑均為分析純。

1.2 實驗方法

1)對溴碘苯的合成。將86g對溴苯胺溶于147g濃硫酸,倒入盛有碎冰的燒杯中,0～5℃下,依次緩慢加入 37g亞硝酸鈉和少量尿素,過濾。5～20℃下,將濾液滴加到盛有83g碘化鉀飽和溶液的三口燒瓶中,反應2h,冷卻后過濾。產(chǎn)品用甲苯溶解,濃硫酸、亞硫酸氫鈉各洗2遍,碳酸鈉和硫酸鈉干燥,過濾,濾液旋蒸濃縮,析晶,得 80g對溴碘苯晶體。

2)1-萘硼酸的合成。在三口燒瓶中依次加入14g鎂屑和150ml四氫呋喃,少量溴乙烷引發(fā)反應。60～65℃下滴加103.5g1-溴萘,反應1.5h即制得格氏鹽。另取一三口燒瓶,依次加入61g硼酸三甲酯和150ml甲苯,在 T＜10℃下,向其中滴加格氏鹽,加完后自然升溫,反應1h。然后保持溫度20℃,加入鹽酸溶液調(diào)節(jié)pH＜2。過濾,分液,有機層用水洗滌,旋蒸濃縮得1-萘硼酸固體,將其堿洗后調(diào)至酸性,過濾,乙酸乙酯結晶,得50.6g1-萘硼酸晶體。

3)4-(1-萘基)溴苯的合成。將對溴碘苯、1-萘硼酸、碳酸鉀、N,N-二甲基甲酰胺、水、Pd(Pph3)4依次加入到三口燒瓶中,85℃下反應,薄層色譜(TLC)和氣相色譜(GC)監(jiān)控反應進程。反應結束后加水攪勻,甲苯萃取,過濾,分液,有機層旋蒸濃縮至無溶劑蒸出,然后進行減壓蒸餾,收集180～190℃的餾分。

4)4-(1-萘基)苯硼酸的合成。將4-(1-萘基)溴苯和四氫呋喃依次加入三口燒瓶中,氮氣保護,-80～-70℃下,依次滴加丁基鋰試劑和硼酸三異丙酯。滴完,自然升溫至0℃后酸化,調(diào)節(jié)pH＜2。反應完過濾,分液,有機層旋蒸濃縮,蒸出一半溶劑后用二乙醇胺處理,酸化,過濾,烘干得27.6g產(chǎn)品。

2 結果與分析

2.1 對溴碘苯合成工藝分析

重氮化合成對溴碘苯是整個制備工藝的第一步,是多步合成反應取得成功的關鍵。取對溴碘苯用四氫呋喃溶解后進氣相檢測,其譜圖表明第一個峰為溶劑峰,出峰時間在1～2min之間;產(chǎn)品峰在6.668min出現(xiàn),其含量為98.5%。本步產(chǎn)品收率為56.5%。結果說明,重氮化反應收率高,產(chǎn)品純度好,為后續(xù)反應打下了良好的基礎。

由于重氮化是放熱反應,反應速率相當快,而且重氮鹽不穩(wěn)定。因此重氮化時濃硫酸需過量2倍,防止生成的重氮鹽與未反應的芳胺偶合,生成不可逆的重氮氨基化合物。此外,必須保持亞硝酸稍過量,以免引起自我偶合反應,通常為理論用量的102%～105%,重氮化以后,過剩的亞硝酸鈉常加入尿素或氨基磺酸分解。

2.2 1-萘硼酸合成工藝分析

高效液相色譜(HPLC)譜圖中在產(chǎn)品峰前面有一些小雜質(zhì)峰,總含量為 0.13%;產(chǎn)品峰在5.520min出現(xiàn),含量為 99.8%;產(chǎn)品峰后面在13min和17min也有兩個雜質(zhì)峰,總含量為0.07%。產(chǎn)品收率為58.8%。分析結果說明,第二步合成的收率高,產(chǎn)品純度非常好。

在格氏反應中,格氏試劑不穩(wěn)定,遇水易分解。所以鹵代烴與其他溶劑必須不含水,所用的儀器也必須完全干燥;而在反應時,應隔絕空氣,以避免它與空氣中的水蒸氣、氧氣和二氧化碳接觸發(fā)生分解。此外,1-溴萘的格氏鹽在低溫時極易析出,實驗時應保持在較高溫度下滴加格氏鹽。

2.3 4-(1-萘基)溴苯合成工藝分析

GC譜圖中有 5個小的雜質(zhì)峰,分別在3.803min、8.178 min、9.243 min、9.960 min 和11.892min出現(xiàn),其總含量約為1.89%;產(chǎn)品峰在10.798min出現(xiàn),其含量為98.11%。產(chǎn)品收率為83.3%。產(chǎn)品純度稍差,但是收率比較高。

本工藝采用對溴碘苯作為反應原料,它的純度對這一步的影響頗大。當用95%的對溴碘苯反應時,在產(chǎn)品峰附近(9～10min之間)存在很大的雜質(zhì)峰,嚴重影響了產(chǎn)品的后處理和收率。而用對二溴苯代替對溴碘苯進行偶聯(lián)時,產(chǎn)品產(chǎn)率不足60%。

2.4 4-(1-萘基)苯硼酸合成工藝分析

4-(1-萘基)苯硼酸HPLC譜圖分析如下:產(chǎn)品峰在2.959min出現(xiàn),含量為99.4%;其前面有若干小雜質(zhì)峰,含量約為0.32%;后面有2個雜質(zhì)峰,含量為0.28%。產(chǎn)品收率74.2%。產(chǎn)品純度非常好,收率也比較高。

其核磁共振分析(見圖1)譜圖中化學位移δ=2～3出現(xiàn)的峰為未被氘代的水中的氫;δ=3.69的峰為二甲基亞砜上未被氘代的氫;芳環(huán)上的氫在δ=7～9之間出現(xiàn),對該區(qū)域進行積分可計算出這個區(qū)間的氫的個數(shù)比為4:1:6,共11個氫,而4-(1-萘基)苯硼酸芳環(huán)上的氫正好是11個。

4-(1-萘基)苯硼酸的后處理采用與二乙醇胺成酯的方法,一般的堿處理提純方法不適用,而且二乙醇胺的用量最好是1:1(理論)的比例,過量太多的二乙醇胺會影響后續(xù)工作。

3 結論

1)以對溴苯胺和1-溴萘為原料,經(jīng)重氮化、格氏反應、Suzuki偶聯(lián)和丁基鋰試劑法四步反應,合成了4-(1-萘基)苯硼酸。

2)通過1H NMR、GC和HPLC分析方法表征了合成的中間物和產(chǎn)物,產(chǎn)品純度高達99.4%,總收率為20.5%。

3)各步反應操作簡單,重現(xiàn)性好,為4-(1-萘基)苯硼酸的工業(yè)化生產(chǎn)提供了依據(jù)。

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