李林璐，劉鵬舉，郭利兵

(河南省科學(xué)院化學(xué)研究所，河南 鄭州 450002)

芳基含氮硼酸酯是硼酸中氫被芳基含氮官能團(tuán)取代后的衍生產(chǎn)物，具有高穩(wěn)定性、低污染、良好摩擦學(xué)性能等優(yōu)點(diǎn)[1-4]，被廣泛應(yīng)用于有機(jī)合成中間體、光電材料、醫(yī)藥、農(nóng)藥等領(lǐng)域[5-8]。另外，芳基含氮硼酸酯也是Suzuki交叉偶聯(lián)反應(yīng)的重要原料，可以形成C—O鍵、C—N鍵、C—S鍵，也因其高反應(yīng)活性、低毒性及最終降解為環(huán)境友好硼酸酯的優(yōu)勢(shì)被認(rèn)為是一類理想反應(yīng)底物[9-10]。因此，開(kāi)發(fā)高效、溫和的芳基含氮硼酸酯合成方法一直都是人們關(guān)注的重點(diǎn)[11]。

芳香硼酸酯的經(jīng)典合成是在格氏試劑或鋰試劑作用下完成的，但若鹵代芳基分子中帶有酯基、氰基等官能團(tuán)則無(wú)法通過(guò)有機(jī)金屬試劑直接制備[7-12]。1995 年，Miyaura等[9-14]率先以鹵代芳烴及聯(lián)硼酸頻哪酯為原料在鈀催化下獲得芳基硼酸酯，隨后發(fā)現(xiàn)除鹵代芳烴外，芳基三氟甲磺酸酯、芳基重氮鹽等底物均可通過(guò)過(guò)渡金屬催化的硼基化反應(yīng)制得芳基硼酸酯。后又發(fā)展了鋅、鎳、銅、鐵等過(guò)渡金屬催化芳基硼基化反應(yīng)，但由于合成條件苛刻、收率低等問(wèn)題沒(méi)有較好解決，材料應(yīng)用仍受到限制[15-17]。

本文提供了一種新型芳基含氮雜環(huán)硼酸酯及其制備方法。以鹵代芳基乙酸為原料，氯化亞砜為試劑完成與苯的復(fù)合反應(yīng)，后用二甲基亞砜(MDSO)在酸性條件下氧化C—H鍵(圖1)獲得高活性的雙羰基芳基中間體，進(jìn)而與氨基環(huán)合構(gòu)筑C—N鍵，最后硼酸取代，制備目標(biāo)產(chǎn)物芳基含氮雜環(huán)硼酸酯，并由液相色譜及核磁氫譜確證產(chǎn)物結(jié)構(gòu)及純度。合成路線見(jiàn)圖式2(其中反應(yīng)物1、2、3、4中R=Br，H;產(chǎn)物4中R=Br)。

圖1 DMSO氧化醛基反應(yīng)機(jī)理

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 主要試劑和儀器

間溴苯乙酸(純度98%)、氯化亞砜(純度99.7%)、異丙醇頻哪醇硼酸酯(純度98%)，麥克林生化科技有限公司；DMSO(純度99%)，上海阿拉丁生化科技股份有限公司；(1R,2R)-1,2-二苯基乙二胺(純度98%)，TCL公司；正丁基鋰(2.5 mol/L己烷溶液)，北京邁瑞達(dá)有機(jī)科技有限公司。其他均為市售分析純。

Agilent 1260 高效液相色譜儀(C18色譜柱,250 mm×4.6 mm×5 μm。分析條件：A相為φ= 0.1%三氟乙酸的甲醇溶液；C相為φ=0.1%三氟乙酸的水溶液；檢測(cè)波長(zhǎng)254 nm；流速1.0 mL/min)；DPX-400型超導(dǎo)核磁共振儀。

圖2 目標(biāo)化合物的合成路線

1.2 新型芳香基含氮雜環(huán)硼酸酯合成

1.2.1 中間產(chǎn)物3的合成

溴甲烷基1,2-二苯基乙烷-1-酮(R=Br)。將50 g溴苯乙酸，55.3 g氯化亞砜加入1 000 mL三口瓶中。室溫?cái)嚢? h至完全溶解，后油浴85 ℃回流過(guò)夜。次日減壓蒸餾除去過(guò)量氯化亞砜，后降低裝置溫度至30 ℃以下，加入500 mL二氯甲烷，23.6 g苯，及40.3 g無(wú)水三氯化鋁，室溫?cái)嚢? h反應(yīng)終止?；旌衔锼矗稍?，加入甲醇分散過(guò)濾，完畢得產(chǎn)物溴甲烷基1,2-二苯基乙烷-1-酮。對(duì)溴甲烷基1,2-二苯基乙烷-1-酮：黃色粉末59.56 g，產(chǎn)率91.4%，純度98%；1H NMR(DMSO-d6，400 MHz)，δ: 8.00～7.33(m,9H,—Ar—H)，4.14(d, 2H，—CH2—)。間溴甲烷基1,2-二苯基乙烷-1-酮：黃色粉末59.22 g，產(chǎn)率90.9%，純度98%；1H NMR(DMSO-d6，400 MHz)，δ: 8.00～7.18(m,9H,—Ar—H)，4.14(d, 2H，—CH2—)。

烷基1,2-二苯基乙烷-1-酮(R=H)。將45 g苯乙酸，60 g氯化亞砜加入1 000 mL三口瓶中。室溫?cái)嚢? h至完全溶解，后油浴85 ℃回流過(guò)夜。次日減壓蒸餾除去過(guò)量氯化亞砜，后降低裝置溫度至30 ℃以下，加入500 mL二氯甲烷，26 g苯，及45 g無(wú)水三氯化鋁，室溫?cái)嚢? h反應(yīng)終止?；旌衔锼矗稍?，加入甲醇分散過(guò)濾，得到產(chǎn)物。淺黃色粉末61.5 g，產(chǎn)率93%，純度98%；1H NMR(DMSO-d6，400 MHz)，δ: 8.00～7.22(m,10H,—Ar—H)，4.14(d, 2H，—CH2—)。

1.2.2 中間產(chǎn)物4的合成

溴甲烷基苯甲酰(R=Br)。稱取50 g 3a(3b)，30 g DMSO，153 g 48%氫溴酸于500 mL燒瓶中，100 ℃下加熱回流5 h，冷卻至室溫，終止反應(yīng)。反應(yīng)物水洗3次，過(guò)濾干燥，重結(jié)晶得產(chǎn)物溴甲烷基苯甲酰。對(duì)溴甲烷基苯甲酰：黃色粉末50.1 g，產(chǎn)率94.3%，純度97%。1H NMR(DMSO-d6, 400 MHz)，δ: 8.01～7.49(m, 9H,—Ar—H)。間溴甲烷基苯甲酰：黃色粉末49.9 g，產(chǎn)率94%，純度97%。1H NMR(DMSO-d6, 400 MHz)，δ: 8.03～7.49(m, 9H,—Ar—H)。

烷基苯甲酰(R=H)。稱取50 g 3c，40 g DMSO，211 g 48%氫溴酸于500 mL燒瓶中，100 ℃下加熱回流5 h，冷卻至室溫，終止反應(yīng)。反應(yīng)物水洗3次，過(guò)濾干燥，重結(jié)晶得產(chǎn)物。黃色粉末51.36 g，產(chǎn)率95%，純度97%；1H NMR(DMSO-d6, 400 MHz)，δ: 7.81～7.49(m, 10H,—Ar—H)。

1.2.3 中間產(chǎn)物5的合成

溴甲烷基2,3,5,6-四苯基吡嗪(R=Br)。稱取48 g 4a(4b)，42.3 g(1R,2R)-1,2-二苯基乙二胺，200 g醋酸加于500 mL燒瓶中，30 ℃下回流24 h，反應(yīng)完畢。生成物冷卻過(guò)濾，甲醇洗滌得產(chǎn)物5a(5b)。對(duì)溴甲烷基2,3,5,6-四苯基吡嗪：黃色粉末70.8 g，產(chǎn)率92%，純度97%。1H NMR(DMSO-d6, 400 MHz)，δ: 8.34～7.32(m,19H,—Ar—H)。間溴甲烷基2,3,5,6-四苯基吡嗪：黃色粉末70.3 g，產(chǎn)率91.3%，純度97%。1H NMR(DMSO-d6, 400 MHz)，δ: 8.28～7.32(m,19H,—Ar—H)。

1.2.4 終產(chǎn)物芳基含氮雜環(huán)硼酸酯的合成

氬氣氛圍中，液氮使裝置降溫至-78 ℃以下，以200 mL四氫呋喃為溶劑加入45 g 5a(5b)、52 mL正丁基鋰己烷溶液、40 g異丙醇頻哪醇硼酸酯，裝置自然升至室溫，反應(yīng)8 h?；旌衔锛尤氲润w積氯化銨水溶液，后用乙酸乙酯萃取，水洗，干燥，減壓濃縮，重結(jié)晶得終產(chǎn)物。芳基含氮雜環(huán)對(duì)位硼酸酯：白色粉末42.89 g，產(chǎn)率90.6%，純度97%；1H NMR(DMSO-d6, 400 MHz)，δ: 8.229～7.216(m, 19H,—Ar—H), 1.327(m, 12H，—CH3)。芳基含氮雜環(huán)間位硼酸酯：白色粉末42.61g，產(chǎn)率90%，純度97%；1H NMR(DMSO-d6, 400 MHz)，δ: 8.23～7.32(m, 19H,—Ar—H), 1.2(m, 12H，—CH3)。

2 結(jié)果與討論

2.1 原料配比對(duì)收率的影響

在DMSO對(duì)中間產(chǎn)物3的氧化反應(yīng)中，足量的氫溴酸可保證烷基被取代完全，但過(guò)量易造成苯環(huán)多位不確定性取代，嚴(yán)重影響氧化效率及產(chǎn)物純度。據(jù)理論分析，DMSO與中間產(chǎn)物3的反應(yīng)摩爾比大于2∶1即可，故保證其他實(shí)驗(yàn)條件相同情況下，考察原料配比對(duì)產(chǎn)物4收率的影響，結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 原料配比對(duì)產(chǎn)物4收率的影響

從圖3可見(jiàn)，當(dāng)氫溴酸與中間產(chǎn)物3的摩爾比為5∶1時(shí)，中間產(chǎn)物的收率已大于94%，總收率在70%以上，繼續(xù)增加氫溴酸配比時(shí)，收率逐漸降低。故反應(yīng)過(guò)程中選用氫溴酸、DMSO與中間產(chǎn)物3的最佳摩爾比應(yīng)為5∶2∶1。

2.2 反應(yīng)溫度對(duì)反應(yīng)過(guò)程的影響

DMSO在氫溴酸環(huán)境下對(duì)中間產(chǎn)物3的氧化反應(yīng)在低溫時(shí)不易發(fā)生或進(jìn)程緩慢，溫度過(guò)高又會(huì)產(chǎn)生副反應(yīng)，影響收率。因此，必須控制溫度，保證反應(yīng)效率及產(chǎn)物收率。操作如下：將反應(yīng)物置入油浴反應(yīng)器中，選擇溫度隨時(shí)間勻速增加，每隔10 min監(jiān)測(cè)產(chǎn)物收率情況,結(jié)果見(jiàn)圖4。

由圖4可知：當(dāng)溫度大于50 ℃時(shí)，開(kāi)始有產(chǎn)物檢測(cè)到；隨著溫度不斷升高，產(chǎn)物單位時(shí)間產(chǎn)出量不斷增加；當(dāng)溫度達(dá)到100 ℃時(shí)，產(chǎn)物產(chǎn)出率最大，繼續(xù)升溫，產(chǎn)物產(chǎn)出率明顯降低。因此，反應(yīng)適宜溫度為100～105 ℃。

圖4 溫度對(duì)反應(yīng)過(guò)程的影響

2.3 熱穩(wěn)定性

采用Mettler-Toledo的TGA/DSC同步熱分析儀對(duì)目標(biāo)產(chǎn)物含氮雜環(huán)硼酸酯在氮?dú)鈿夥?流速為20 cm3/min，升溫速率10 ℃/min)中的熱分解狀況進(jìn)行考察，評(píng)價(jià)其熱穩(wěn)定性。

圖5為芳香基含氮雜環(huán)硼酸酯的熱穩(wěn)定性分析結(jié)果。從圖5可以看出,芳香基含氮雜環(huán)硼酸酯的分解溫度范圍是257.28～396.83 ℃。

圖5 芳香基含氮雜環(huán)硼酸酯的TG譜

3 結(jié) 論

a.以鹵代芳基乙酸為原料，利用DMSO反應(yīng)系統(tǒng)特點(diǎn)，結(jié)合其他有機(jī)基元反應(yīng)完成設(shè)計(jì)。其關(guān)鍵步驟為借助H+/DMSO強(qiáng)氧化性為基礎(chǔ)，定向進(jìn)行C—H官能團(tuán)化來(lái)構(gòu)建多羰基化合結(jié)構(gòu)體進(jìn)而完成含氮官能團(tuán)環(huán)化，實(shí)現(xiàn)多個(gè)目標(biāo)產(chǎn)物的準(zhǔn)確制備。

b.適宜工藝條件為：n(氫溴酸)∶n(DMSO)∶n(中間產(chǎn)物3)=5∶2∶1，反應(yīng)溫度100～105 ℃，中間產(chǎn)物收率可達(dá)95%以上，總收率在70%以上。芳香基含氮雜環(huán)硼酸酯的分解溫度范圍為257.28～396.83 ℃，具有良好的高溫穩(wěn)定性。該結(jié)果為進(jìn)一步解決C—H鍵氧化的問(wèn)題，H+/DMSO系統(tǒng)反應(yīng)深入探究及新型含氮雜環(huán)硼酸酯的開(kāi)發(fā)、利用提供依據(jù)。