曙紅催化的溴代芳烴硼化反應研究

榮 春, 馮乙巳,2

(1.合肥工業大學 化學與化工學院,安徽 合肥 230009; 2.安徽省雜環實驗室,安徽 合肥 230009)

芳基硼酸和酯是合成有機化學中的重要和常用合成原料,由于其對空氣和水分的穩定性、低毒性和易于處理等優點,在化學、醫藥和材料科學等領域廣泛用于形成碳碳或碳雜原子鍵構建有機分子[1]。

較早芳基硼酸酯的合成方法包括格氏試劑和有機鋰試劑與硼酸三烷基酯反應制備[2-3]，但是這些反應存在官能團耐受性差,需要嚴格的無水條件等限制。近幾十年來,過渡金屬催化芳香族鹵化物或擬鹵化物的硼化反應得到廣泛研究[4-6],成為合成芳基硼酸酯的常用而有效的方法。該方法具有反應底物來源廣泛和良好的官能團相容性。但過渡金屬催化的芳烴硼酯化反應通常需要昂貴的配體助催化,以及反應液中剩有金屬殘渣難以去除等缺點,使其在工業實際應用中受到限制。近些年來,使用無過渡金屬催化的鹵代苯光催化芳基硼酸酯合成引起了人們的廣泛關注[7-13]。文獻[14]在紫外輻射條件下,利用連續流反應器,研究芳基碘化物和溴化物在低溫水溶液中,能夠快速且有化學選擇性的合成芳基硼酸酯。文獻[15]報道具有實用價值的芳基鹵代物的光催化硼化反應,以fac-Ir(ppy)3為光催化劑,以CH3CN/H2O作為混合溶劑,在添加劑n-Bu3N的促進下,以良好的收率獲得了芳基硼酸酯，反應的產率在48%～89%之間。然而該類貴金屬光催化劑價格昂貴且毒性大。

光催化有機反應被認為是最環保途徑之一,是“綠色”化學合成的條件[16]。雖然已有一些有效的光催化芳基硼酸酯合成方法[17-18],但大多數需要貴金屬光催化劑和在紫外光條件下實現反應轉換,限制了該類方法工業生產的實用性。本文研究以廉價和易得的曙紅為催化劑,在可見光輻射下催化鹵代芳烴與頻哪醇硼酸酯反應,實現C-B鍵偶聯反應,并表現出較好的實際應用前景。研究涉及的反應如下:

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

安捷倫VNMRS 600M型超導核磁共振波譜儀(nuclear magnetic resonance,NMR)(CDCl3為溶劑,TMS 為內標); Waters LCT Premier XE 型高分辨質譜儀(high resolution mass spectrometer,HR-MS); Trace 1300 型氣相色譜儀;HSGF254高效薄層層析硅膠板(煙臺匯友開發有限公司);HSGF254型薄層板硅膠(300 ～ 400目)(青島海洋化工分廠)。所用試劑均為商品分析純或化學純。

1.2 鹵代芳烴化合物的硼化反應

向帶有螺紋蓋的干燥的20 mL反應管中放入磁子后,依次加入聯硼酸頻哪醇酯(0.4 mmol,101.6 mg)、溴苯(0.2 mmol,31.4 mg)和2 mL無水叔丁基甲基醚;密封反應管并將其放置于2個36 W藍色LED燈(距離2個燈位置5 cm)中間位置,在室溫下攪拌反應48 h。反應完成后,加入3 mL乙酸乙酯淬滅反應溶液,抽濾、濾液濃縮后得到粗產物。使用200～300目硅膠柱色譜分離目標產物,并在45 ℃的真空干燥箱中過夜。稱量產物質量并計算反應產物收率,與內標法檢測產品收率比較。然后將獲得的純產品用無水CDCl3溶解,并通過核磁共振波譜儀檢測來確定產物分子結構。

1.3 產物核磁共振譜

4,4,5,5-四甲基-2-苯基-1,3,2-二氧雜硼雜環戊烷(3a):淡黃色液體,收率50%;1H NMR (600 MHz, CDCl3)δ7.85 (d,J=7.0 Hz, 2H), 7.47 (d,J=7.4 Hz, 1H), 7.39 (t,J=7.4 Hz, 2H), 1.37 (s, 12H)；13C NMR (151 MHz, CDCl3)δ134.76 (s), 131.27 (s), 127.72 (s), 83.75 (s), 77.29 (s), 77.08 (s),76.87 (s),24.89(s)；11B NMR(CDCl3,102.7 MHz)29.9；EI-MS M+m/z204.1。

4,4,5,5-四甲基-2-鄰甲苯基-1,3,2-二氧雜硼雜環戊烷(3b):淡黃色液體,收率52%;1H NMR(600 MHz, CDCl3)δ7.70 (d,J=7.8 Hz, 2H), 7.18 (d,J=7.7 Hz, 2H), 2.36 (s, 3H), 1.33 (s, 12H)；13C NMR (151 MHz, CDCl3)δ141.37 (s), 134.77 (s), 128.49 (s), 83.59 (s), 77.21 (s), 77.00 (s), 76.79 (s), 24.83 (s), 21.71 (s)；11B NMR (CDCl3, 102.7 MHz) 30.2；EI-MS M+m/z218.1。

2-(4-甲氧基苯基)-4,4,5,5-四甲基-1,3,2-二氧雜硼雜環戊烷(3c):淡黃色液體,收率45%;1HNMR (600 MHz, CDCl3)δ7.75 (d,J=8.6 Hz, 2H), 6.89 (d,J=8.7 Hz, 2H), 3.81 (s, 3H), 1.32 (s, 12H)；13C NMR (151 MHz, CDCl3)δ162.11 (s), 136.48 (s), 113.27 (s), 83.52 (s), 77.22 (s), 77.01 (s), 76.80 (s), 55.06 (s), 24.84 (s)；11B NMR (CDCl3, 102.7 MHz) 30.8； EI-MS M+m/z234.1。

2-(4-氯苯基)-4,4,5,5-四甲基-1,3,2-二氧雜硼雜環戊烷(3d):無色液體,收率55%;1H NMR (600 MHz, CDCl3)δ7.72 (d,J=8.2 Hz, 2H), 7.33 (d,J=8.3 Hz, 2H), 1.32 (s, 12H);13C NMR (151 MHz, CDCl3)δ137.49 (s), 136.09 (s), 127.97 (s), 83.98 (s), 77.21 (s), 76.99 (s), 76.78 (s), 24.83 (s);11B NMR (CDCl3, 102.7 MHz) 29.5; EI-MS M+m/z238.1。

4-(4,4,5,5-四甲基-1,3,2-二氧雜硼雜環戊烷-2-基)苯甲腈(3e):白色固體,收率44%;1H NMR (600 MHz, CDCl3)δ7.86 (d,J=8.1 Hz, 2H), 7.62 (d,J=8.1 Hz, 2H), 1.33 (s, 12H);13C NMR (151 MHz, CDCl3)δ135.06 (s), 131.09 (s), 118.83 (s), 114.49 (s), 84.46 (s), 77.22 (s), 77.01 (s), 76.80 (s), 24.83 (s);11B NMR (CDCl3, 102.7 MHz) 30.4; EI-MS M+m/z229.1。

2-(3-甲氧基苯基)-4,4,5,5-四甲基-1,3,2-二氧雜硼雜環戊烷(3f):無色液體,收率52%;1H NMR (600 MHz,CDCl3)δ7.40(t,J=8.4 Hz, 1H), 7.32 (d,J=2.5 Hz, 1H), 7.29 (dd,J=9.7, 5.7 Hz, 1H), 7.00 (ddd,J=10.9, 5.8, 0.7 Hz, 1H), 3.82 (s, 3H), 1.34 (s, 12H);13C NMR (151 MHz, CDCl3)δ159.00 (s), 128.91 (s), 127.15 (s), 118.64 (s), 117.89 (s), 83.80 (s), 77.22 (s), 77.01 (s), 76.80 (s), 55.22 (s), 24.95～24.75 (m);11B NMR (CDCl3,102.7 MHz)30.8;EI-MS M+m/z234.5。

2-(3-氯苯基)-4,4,5,5-四甲基-1,3,2-二氧雜硼雜環戊烷(3g):無色液體,收率60%;1H NMR (600 MHz, CDCl3)δ7.77 (d,J=1.3 Hz,1H),7.66 (d,J=7.3 Hz,1H),7.41(ddd,J=7.9,2.1,1.1 Hz,1H),7.29(t,J=7.7 Hz, 1H), 1.33 (s, 12H);13C NMR (151 MHz, CDCl3)δ134.53 (s), 134.00 (s), 132.62 (s), 131.23 (s), 129.16 (s), 84.10 (s), 77.22 (s), 77.01 (s), 76.80 (s), 24.93～24.74 (m);11B NMR (CDCl3,102.7 MHz)30.3;EI-MS M+m/z238.5。

4,4,5,5-四甲基-2-間甲苯基-1,3,2-二氧雜硼雜環戊烷(3h):淡黃色液體,收率59%;1H NMR (600 MHz, CDCl3)δ7.63 (s, 1H), 7.62～7.58 (m, 1H), 7.28～7.25 (m, 2H), 2.35 (s, 3H), 1.34 (s, 12H);13C NMR (151 MHz, CDCl3)δ137.11 (s), 135.30 (s), 132.01 (s), 131.74 (s), 127.67 (s), 83.69 (s), 77.21 (s), 77.00 (s), 76.79 (s), 24.84 (s), 21.25 (s);11B NMR (CDCl3, 102.7 MHz) 30.2;EI-MS M+m/z218.1。

4,4,5,5-四甲基-2-對甲苯基-1,3,2-二氧雜硼雜環戊烷(3i):淡黃色液體,收率45%;1H NMR (600 MHz, CDCl3)δ6.52 (d,J=6.9 Hz, 1H), 6.22～6.11 (m, 1H), 6.02 (dd,J=12.6, 7.2 Hz, 2H), 1.35 (s, 3H), 0.18 (s,12H);13C NMR (151 MHz, CDCl3)δ149.78 (s), 140.81 (s), 136.08 (s), 135.00 (s), 130.02 (s), 122.55 (s), 88.76 (s), 29.55 (d,J=0.9 Hz), 26.72 (s), 6.07 (s), 5.93 (s), 5.79 (s), 5.65 (s), 5.51 (s), 5.38 (s);11B NMR (CDCl3, 102.7 MHz) 29.9;EI-MS M+m/z218.1。

2-(2-氯苯基)-4,4,5,5-四甲基-1,3,2-二氧硼戊環(3j):無色液體,收率52%;1H NMR (600 MHz,CDCl3)δ7.67 (dd,J=7.3, 1.0 Hz, 1H), 7.35～7.29 (m, 2H), 7.26～7.18 (m, 1H); 1.36 (s, 12H).13C NMR (151 MHz, CDCl3)δ139.52 (s), 136.39 (s), 131.81 (s), 129.35 (s), 125.78 (s), 84.12 (s), 77.25 (s), 77.04 (s), 76.82 (s), 24.77 (d,J=2.7 Hz);11B NMR(CDCl3,102.7 MHz) 30.5;EI-MS M+m/z238.5。

2-(3,5-二甲基苯基)-4,4,5,5-四甲基-1,3,2-二氧雜硼雜環戊烷(3k):無色液體,收率42%;1H NMR (600 MHz,CDCl3)δ7.46(s,2H),7.11(s, 1H), 2.33 (s, 6H), 1.35 (s, 12H);13C NMR (151 MHz, CDCl3)δ137.13 (s), 132.97 (s), 132.39 (s), 83.65 (s), 77.25 (s), 77.04 (s), 76.83 (s), 24.96～24.78 (m), 21.13 (s);11B NMR (CDCl3,102.7 MHz)30.8;EI-MS M+m/z248.5。

2-均三甲苯基-4,4,5,5-四甲基-1,3,2-二氧雜硼雜環戊烷(3l):無色液體,收率37%;1H NMR (600 MHz, CDCl3)δ6.77 (s, 2H); 2.36 (s, 6H), 2.23 (s, 3H), 1.37 (s, 12H);13C NMR (151 MHz, CDCl3)δ142.08 (s), 138.88 (s), 127.41 (s), 83.43 (s), 77.22 (s), 77.01 (s), 76.79 (s), 24.93 (s), 22.17 (s), 21.22 (s);11B NMR (CDCl3, 102.7 MHz) 32.3; EI-MS M+m/z262.5。

2-(聯苯-4-基)-4,4,5,5-四甲基-1,3,2-二氧雜硼雜環戊烷(3m): 無色液體,收率37%;1H NMR (600 MHz, CDCl3)δ7.88 (d,J=8.0 Hz, 2H), 7.63～7.58 (m, 4H), 7.44 (t,J=7.7 Hz, 2H), 7.35 (t,J=7.4 Hz, 1H),1.36 (s,12H);13C NMR (151 MHz,CDCl3)δ143.85(s),140.98(s),135.22 (s), 128.74 (s),127.53(s),127.21(s),126.44(s),83.80(s),77.21 (s),77.00 (s),76.79 (s),24.87 (s).11B NMR (CDCl3, 102.7 MHz) 31.2; EI-MS M+m/z280.1。

2 結果與討論

2.1 模型反應優化

以溴苯(1a)為鹵代芳烴底物,與雙頻哪醇二硼(B2pin2)(2a)的C-B偶聯反應為模型反應,研究催化劑、光源、反應溶劑和反應時間等因素對模型反應的影響,反應結果見表1所列。

本文首先研究篩選了常見的有機染料光催化劑Eosin Y、 Eosin B、羅丹明B和熒光素等對模型反應的影響(序號1～4)。結果發現該類有機光催化劑都能夠有效催化鹵代芳烴與頻那醇硼酸酯的偶聯反應,產物收率分別為31%、19%、24%和26%,因此選擇Eosin Y作為反應催化劑進行深入研究。

不同波長的光源(序號5～8)對模型反應研究發現,在無光照射的黑暗條件下和綠光照射下,幾乎沒有檢測到產物;相同條件下在白光照射反應產率為8%;在藍光下,反應的收率達到了31%。由此可見照射光源的能量越高,對反應越有利,反應產率越高。但紫外光條件下反應產率卻下降為20%,可能由于高能量紫外光破壞反應中間體而導致產物收率降低。因此藍光為模型反應的最優光源。

表1 模型反應條件優化

研究催化劑的用量(序號9～10)對反應收率影響,發現Eosin Y用量從10%增加到30%,對反應收率影響較小,因此后續試驗選用較低催化劑用量。篩選不同溶劑(序號11～14)對硼化反應影響發現,溶劑對產物收率有較大影響。乙腈溶劑未檢測到反應產物,而苯、1,4-dioxane和正己烷等溶劑中得到較低收率的反應產物。應用甲基叔丁基醚作為溶劑反應收率最高,可達31%，而改換成其他醚類試劑時,收率均沒有提高(表1未列出)。

最后進行反應時間(序號15～18)對模型反應影響研究。隨著反應時間從15 h延長到48 h,反應的產率由25%升高到52%。但反應時間從36 h延長到48 h時,產物產率只提高了2%,產物收率提高有限,因此以36 h為后續反應優選時間。

通過模型優化條件研究,確定反應的最優條件為:10% EosinY為催化劑,36 W 藍光作為激發光源,4 eq B2pin2為硼源,叔丁基甲基醚為溶劑,在室溫下反應36 h。

2.2 底物適應性研究

在模型反應優化條件基礎上,進一步對該反應產物適應性進行研究,結果如圖1所示。反應結果顯示,在優化條件下拓展的反應產物都具有較好的收率。當鹵代芳烴苯環無論烷烴、有鹵和各種含氧官能團時,反應都能順利進行,并具有中等以上產物收率。當溴代芳烴對位具有常見吸電子基團時,產物收率中等及偏上(如圖1d～圖1e)。如對位有吸電子基—Cl時,收率可達到55%(圖1d);對位取代基為氰基(—CN)收率則達到44%(圖1f)。而溴代芳烴底物對位有供電子基團如甲基(—CH3)和甲氧基(—OMe)等時,產物收率都低于取代基在間位的收率,收率最高也只有52%(如圖1b、圖1c)。對鹵代芳烴具有鄰位有取代基時,電子效應對產物收率影響較小,與未取代溴苯接近(如圖1i、圖1j)。

圖1 產物及其收率

而當間位是給電子取代基,產物收率有提高,如間甲氧基溴苯收率只有52%(圖1f)。與已經報道的金屬催化的芳基鹵代物的硼化反應比較,該反應體系對多取代芳烴也可順利進行反應,雖然由于多取代空間位阻和電子云效應反應產物收率有所降低,但也表現出較好的反應性能(圖1k、圖1l)。如鄰氯溴苯(圖1k)延長反應時間至60 h產物收率也能夠達到42%。另外,反應體系對萘環以及強吸電子基團并不兼容(圖1n、圖1q)。此外,體系中加入芐基溴和對二溴苯也并沒檢測到產物,體系的兼容性局限在苯環以及常見的供電子基團,這是反應的局限性,在后續研究中將會進一步拓展其產物范圍。

2.3 反應機理研究

結合文獻調研,當向該反應體系中額外加入1,1-二苯乙烯時,產物3a～3m的收率均有不同程度下降。可見自由基捕捉劑抑制反應的進行。加入其他自由基捕捉劑TEMPO(2,2,6,6-四甲基哌啶氮氧化物)、BHT(2,6-二叔丁基-4-甲酚),目標產物3a～3m同樣檢測到被抑制生成。據此本文推測反應可能為自由基加成反應。

3 結 論

本文以有機染料Eosin Y為催化劑,溴代芳烴與頻那醇硼酸酯在光照條件下直接偶聯合成芳烴硼酸酯反應。確定的優化條件為:在10% Eosin Y為催化劑,36 W 藍光作為激發光源,4倍當量的B2pin2為硼源,叔丁基甲基醚為溶劑,在室溫下反應36 h。在最優條件下該反應對不同溴代芳烴產物都表現出良好的反應適應性,且條件溫和,操作簡單,避免使用昂貴貴金屬光催化劑,特別是對鄰位取代鹵代芳烴底物表現出特殊的兼容性,是一種高效和廉價芳香硼酸酯的合成新方法。后續可通過研究反應機理,進一步了解反應實質,并開展放大實驗和實際有機中間體合成應用研究,為工業生產芳香硼酸酯提供新的選擇途徑。