基于偶聯法合成4-(1-萘基)苯硼酸

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中占據著非常重要的地位。然而,傳統的金屬試劑[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。芳環硼酸是有機硼酸中的典型代表,各種取代芳環硼酸是重要的有機合成中間體及醫藥、農藥中間體。對于各種取代芳環硼酸的合成研究,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”合成了多種芳環硼酸,其中苯硼酸分離產率 48%,α-噻吩基硼酸分離產率55%。安忠維,陳新兵[5]也報道了多環芳烴類單取代硼酸的“一鍋”合成方法,產率達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,已研制出來的芳環硼酸種類有數百種之多,4-(1-萘基)苯硼酸作為其中的一員,主要被用作開發新一代有機發光材料的原料,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,研究了經由重氮化反應[7]、格氏反應、Suzuki偶聯法[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℃,加入鹽酸溶液調節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,調節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;產品峰在6.668min出現,其含量為98.5%。本步產品收率為56.5%。結果說明,重氮化反應收率高,產品純度好,為后續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)譜圖中在產品峰前面有一些小雜質峰,總含量為 0.13%;產品峰在5.520min出現,含量為 99.8%;產品峰后面在13min和17min也有兩個雜質峰,總含量為0.07%。產品收率為58.8%。分析結果說明,第二步合成的收率高,產品純度非常好。

在格氏反應中,格氏試劑不穩定,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個小的雜質峰,分別在3.803min、8.178 min、9.243 min、9.960 min 和11.892min出現,其總含量約為1.89%;產品峰在10.798min出現,其含量為98.11%。產品收率為83.3%。產品純度稍差,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,在產品峰附近(9～10min之間)存在很大的雜質峰,嚴重影響了產品的后處理和收率。而用對二溴苯代替對溴碘苯進行偶聯時,產品產率不足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:產品峰在2.959min出現,含量為99.4%;其前面有若干小雜質峰,含量約為0.32%;后面有2個雜質峰,含量為0.28%。產品收率74.2%。產品純度非常好,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;芳環上的氫在δ=7～9之間出現,對該區域進行積分可計算出這個區間的氫的個數比為4:1:6,共11個氫,而4-(1-萘基)苯硼酸芳環上的氫正好是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工作。

3 結論

1)以對溴苯胺和1-溴萘為原料,經重氮化、格氏反應、Suzuki偶聯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物,產品純度高達99.4%,總收率為20.5%。

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

[1] 麻生明.金屬參與的現代有機合成反應[M] .廣州:廣東科技出版社,1999.

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[4] 黃世文,單自興,趙德杰.“一鍋法”簡便合成一芳基硼酸和二芳基硼酸[J] .有機化學,1995,15(1):64-67.

[5] 安忠維,陳新兵.多環芳烴類單取代硼酸的合成研究[J] .精細化工,2000,17(5):297-298.

[6] ISHIYAMA T,MUR ATA M,MIYAURA N.Palladium(0)-catalyzed cross-coupling reaction of alkoxydiboron with haloarenes:A direct procedure for arylboronic esters[J] .Org Chem,1995,60(23):7508-7510.

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[9] 王積濤,宋禮成.金屬有機化學[M] .北京:高等教育出版社,1989.