CN102358715B - 一种由芳基硼酸合成芳腈的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于芳腈类化合物合成技术领域,特别涉及一种由芳基硼酸合成芳腈的方法。芳基硼酸和氰化试剂在催化剂、碱、碘存在的条件下,于有机溶剂中反应获得芳腈;所述的氰化试剂为毒性小,较为便宜的K4[Fe(CN)6]或K4[Fe(CN)6]·3H2O。本发明提供了一种生产成本较低,无高毒性原料的芳腈类化合物合成方法。
Description
技术领域
本发明属于芳腈类化合物合成技术领域,特别涉及一种由芳基硼酸合成芳腈的方法。
背景技术
芳腈类化合物有着广泛的用途,不仅是重要的化工中间体,也是某些染料、农药、医药的关键成份。目前以芳基硼酸为原料一步合成芳腈的方法有:(1)以硫氰酸苄酯为氰化试剂的方法(见 Org. Lett. 2006, 8, 4331-4333);(2)以氰化锌为氰化试剂的方法(见 J. Am. Chem. Soc. 2010, 132, 11389-11391);(3)以对甲苯磺酰腈为氰化试剂的方法(见 Angew. Chem. Int. Ed. 2011, 50, 519-522),(4)以氰化亚铜为氰化试剂的方法(见 Adv. Synth. Catal. 2011, 353, 291-294)。氰化试剂是芳基硼酸生成芳腈的主要原料之一,是生产成本的重要决定因素。然而上述四种方法使用的氰化试剂都较为昂贵,而且除对甲苯磺酰腈外,其它氰化试剂皆有较大的毒性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种由芳基硼酸合成芳腈的方法,解决目前方法中氰化试剂成本高、毒性大的问题。
本发明采用的技术方案如下:
一种由芳基硼酸合成芳腈的方法,芳基硼酸和氰化试剂在催化剂、碱、碘存在的条件下,于有机溶剂中反应获得芳腈;所述的氰化试剂为K4[Fe(CN)6]或K4[Fe(CN)6]·3H2O,优选K4[Fe(CN)6]。
所述的催化剂为Cu(OAc)2、Cu(NO3)2、CuCl2、Cu2O、Cu(OAc)2/Pd(OAc)2或Cu(NO3)2/Pd(OAc)2优选Cu(OAc)2/Pd(OAc)2;采用Cu(OAc)2/Pd(OAc)2时,Cu(OAc)2、Pd(OAc)2、芳基硼酸三者的物质的量比优选0.3:0.01:1。
具体的,使用时可采用所述铜盐的水合物,如Cu(OAc)2·H2O、 Cu(NO3)2·3H2O、 CuCl2·2H2O、Cu(OAc)2·H2O/Pd(OAc)2或Cu(NO3)2·3H2O/Pd(OAc)2。
所述的碱为K2CO3、NaOH、KF或Na2CO3,优选K2CO3。
投料物质的量比为:芳基硼酸:氰化试剂:催化剂:碱:I2为1:(0.2-1):(0.1-1): (0.5-5):(1-3),优选1:0.5:0.3: 1:1。
所述的有机溶剂为N,N-二甲基甲酰胺、N-甲基吡咯烷酮、二甲基亚砜或甲苯,优选二甲基亚砜。
有机溶剂加入的量为每毫摩尔芳基硼酸加入0.3-3mL,优选1.5mL。
反应在100-180℃进行1-30h,优选160℃反应6h。
惰性气体保护或无惰性气体保护下进行合成反应,优选惰性气体保护。
所述的芳腈结构式如下所示,其中R为氢、烷基、烷氧基、芳基、氨基、硝基酯基、乙酰基或卤原子,X为氧、硫原子, 。
具体的步骤如下:惰性气体保护下,向反应容器中加入催化剂、碱、芳基硼酸、氰化试剂、碘、有机溶剂,密封反应容器后放入预热至100-180℃的油浴锅中,磁力搅拌下反应1-30h。
原料芳基硼酸推荐以较为便宜的芳烃为原料进行合成(具体可参见J. Am. Chem. Soc. 2010, 132, 11389–11391)。
反应结束后,冷却反应体系至室温,加入1mL苯乙腈的二氯甲烷溶液(浓度为0.7 mmol/mL)作为内标,搅拌至混合均匀,静置。吸取上层澄清的溶液,利用气相色谱对产物进行定量,芳腈的最高产率可达92%。通过薄层色谱或柱色谱提纯产物,利用气-质联用、1H-NMR和13C-NMR确定产物的结构。
本发明的具体技术方案如下:
氰化试剂是芳基硼酸生成芳腈的主要原料之一,是生产成本的重要决定因素。本发明首次以亚铁氰化钾(K4[Fe(CN)6])为氰化试剂,完成芳基硼酸向芳腈的高效转化。与芳基硼酸生成芳腈方面已有技术中使用的氰化试剂相比,亚铁氰化钾明显要便宜,毒性小;有效地降低了生产成本,提高了合成方法的绿色性。
附图说明
图1为实施例1苯甲腈的质谱图;
图2为实施例1苯甲腈的1H NMR图;
图3为实施例1苯甲腈的13C NMR图;
图4为实施例2对甲基苯甲腈的质谱图;
图5为实施例3间甲基苯甲腈的质谱图;
图6为实施例4对叔丁基苯甲腈的质谱图。
具体实施方式
以下以具体实施例来说明本发明的技术方案,但本发明的保护范围不限于此:
实施例1
氮气保护下,向反应容器中依次加入催化剂(0.3mmol Cu(OAc)2·H2O、0.01mmol Pd(OAc)2)、1mmol K2CO3、1mmol苯硼酸、0.5 mmol K4[Fe(CN)6], 1 mmol I2和1.5 mL 二甲基亚砜,密封反应容器后放入预热至160℃的油浴锅中,磁力搅拌下反应6h。反应结束后,冷却反应体系至室温,加入1mL苯乙腈的二氯甲烷溶液(浓度为0.7 mmol/mL)作为内标,搅拌至混合均匀,静置。吸取上层澄清溶液,利用气相色谱对产物进行定量,苯甲腈的产率为89%。通过柱色谱提纯产物,利用质谱、1H-NMR和13C-NMR确定产物的结构。苯甲腈(C7H5N)质谱(见图1): 分子离子峰(M+)理论值为103.04,测量值为103.1;1H NMR (400 MHz, CDCl3): δ (ppm) = 7.59-7.65 (m, 3H), 7.46-7.49 (m 2H); 13C NMR (400 MHz, CDCl3): δ (ppm) = 132.8, 132.1, 129.1, 118.8, 112.3.
实施例2
氮气保护下,向反应容器中依次加入0.3mmol Cu(OAc)2·H2O、0.01mmol Pd(OAc)2、1mmol K2CO3、1mmol对甲基苯硼酸、0.5 mmol K4[Fe(CN)6], 1 mmol I2和1.5 mL 二甲基亚砜,密封反应容器后放入预热至160℃的油浴锅中,磁力搅拌下反应6h。反应结束后,冷却反应体系至室温,加入1mL苯乙腈的二氯甲烷溶液(浓度为0.7 mmol/mL)作为内标,搅拌至混合均匀,静置。吸取上层澄清的溶液,利用气相色谱对产物进行定量,对甲基苯甲腈的产率为74%。通过柱色谱提纯产物,利用质谱、1H-NMR和13C-NMR确定产物的结构。对甲基苯甲腈(C8H7N)质谱(见图4): 分子离子峰(M+)理论值为117.06,测量值为117.1; 1H NMR (400 MHz, CDCl3): δ (ppm) = 7.50-7.52 (2H), 7.25-7.27 (2H), 2.41 (s, 3H); 13C NMR (400 MHz, CDCl3): δ (ppm) = 143.7, 131.9, 129.8, 119.0, 109.1, 21.7.
实施例3
氮气保护下,向反应容器中依次加入0.3mmol Cu(OAc)2·H2O、0.01mmol Pd(OAc)2、1mmol K2CO3、1mmol间甲基苯硼酸、0.5 mmol K4[Fe(CN)6], 1 mmol I2和1.5 mL 二甲基亚砜,密封反应容器后放入预热至160℃的油浴锅中,磁力搅拌下反应6h。反应结束后,冷却反应体系至室温,加入1mL苯乙腈的二氯甲烷溶液(浓度为0.7 mmol/mL)作为内标,搅拌至混合均匀,静置。吸取上层澄清的溶液,利用气相色谱对产物进行定量,间甲基苯甲腈的产率为76%。通过柱色谱提纯产物,利用质谱确定产物的结构。间甲基苯甲腈(C8H7N)质谱(见图5): 分子离子峰(M+)理论值为117.06,测量值为117.1。
实施例4
氮气保护下,向反应容器中依次加入0.3mmol Cu(OAc)2·H2O、0.01mmol Pd(OAc)2、1mmol K2CO3、1mmol对叔丁基苯硼酸、0.5 mmol K4[Fe(CN)6], 1 mmol I2和1.5 mL 二甲基亚砜,密封反应容器后放入预热至160℃的油浴锅中,磁力搅拌下反应6h。反应结束后,冷却反应体系至室温,加入1mL苯乙腈的二氯甲烷溶液(浓度为0.7 mmol/mL)作为内标,搅拌至混合均匀,静置。吸取上层澄清溶液,利用气相色谱对产物进行定量,对叔丁基苯甲腈的产率为90%。通过柱色谱提纯产物,利用质谱、1H-NMR和13C-NMR确定产物的结构。对叔丁基苯甲腈(C11H13N)质谱: 分子离子峰(M+)理论值为159.10,测量值为159.1; 1H NMR (400 MHz, CDCl3): δ (ppm) = 7.58-7.60 (2H), 7.47-7.49 (2H), 1.33 (s, 9H); 13C NMR (400 MHz, CDCl3): δ (ppm) = 156.8, 132.1, 126.2, 119.3, 109.4, 35.4, 31.1.
实施例5
氮气保护下,向反应容器中依次加入0.3mmol Cu(OAc)2·H2O、0.01mmol Pd(OAc)2、1mmol K2CO3、1mmol对氟苯硼酸、0.5 mmol K4[Fe(CN)6], 1 mmol I2和1.5 mL 二甲基亚砜,密封反应容器后放入预热至120℃的油浴锅中,磁力搅拌下反应10h。反应结束后,冷却反应体系至室温,加入1mL苯乙腈的二氯甲烷溶液(浓度为0.7 mmol/mL)作为内标,搅拌至混合均匀,静置。吸取上层澄清的溶液,利用气相色谱对产物进行定量,对氟苯甲腈的产率为86%。通过柱色谱提纯产物,利用质谱确定产物的结构。对氟苯甲腈(C7H4FN)质谱: 分子离子峰(M+)理论值为121.03,测量值为121.1。
实施例6
氮气保护下,向反应容器中依次加入0.3mmol Cu(OAc)2·H2O、0.01mmol Pd(OAc)2、1mmol K2CO3、1mmol 3,5-二氟苯硼酸、0.5 mmol K4[Fe(CN)6], 1 mmol I2和1.5 mL 二甲基亚砜,密封反应容器后放入预热至140℃的油浴锅中,磁力搅拌下反应6h。反应结束后,冷却反应体系至室温,加入1mL苯乙腈的二氯甲烷溶液(浓度为0.7 mmol/mL)作为内标,搅拌至混合均匀,静置。吸取上层澄清的溶液,利用气相色谱对产物进行定量,3,5-二氟苯甲腈的产率为88%。通过柱色谱提纯产物,利用质谱确定产物的结构。3,5-二氟苯甲腈(C7H3F2N)质谱: 分子离子峰(M+)理论值为139.02,测量值为139.1。
实施例7
氮气保护下,向反应容器中依次加入0.3mmol Cu(OAc)2·H2O、0.01mmol Pd(OAc)2、1mmol K2CO3、1mmol 3-三氟甲基苯硼酸、0.5 mmol K4[Fe(CN)6], 1 mmol I2和1.5 mL 二甲基亚砜,密封反应容器后放入预热至120℃的油浴锅中,磁力搅拌下反应24h。反应结束后,冷却反应体系至室温,加入1mL苯乙腈的二氯甲烷溶液(浓度为0.7 mmol/mL)作为内标,搅拌至混合均匀,静置。吸取上层澄清溶液,利用气相色谱对产物进行定量,3-三氟甲基苯甲腈的产率为82%。通过柱色谱提纯产物,利用质谱确定产物的结构。3-三氟甲基苯甲腈(C8H4F3N)质谱: 分子离子峰(M+)理论值为171.03,测量值为171.1。
实施例8
氮气保护下,向反应容器中依次加入0.3mmol Cu(OAc)2·H2O、0.01mmol Pd(OAc)2、1mmol K2CO3、1mmol 3-甲氧基苯硼酸、0.5 mmol K4[Fe(CN)6], 1 mmol I2和1.5 mL 二甲基亚砜,密封反应容器后放入预热至160℃的油浴锅中,磁力搅拌下反应12h。反应结束后,冷却反应体系至室温,加入1mL苯乙腈的二氯甲烷溶液(浓度为0.7 mmol/mL)作为内标,搅拌至混合均匀,静置。吸取上层澄清溶液,利用气相色谱对产物进行定量,3-甲氧基苯甲腈的产率为58%。通过柱色谱提纯产物,利用质谱确定产物的结构。3-甲氧基苯甲腈(C8H7NO)质谱: 分子离子峰(M+)理论值为133.05,测量值为133.1。
实施例9
氮气保护下,向反应容器中依次加入0.3mmol Cu(OAc)2·H2O、0.01mmol Pd(OAc)2、1mmol K2CO3、1mmol 1-萘硼酸、0.5 mmol K4[Fe(CN)6], 1 mmol I2和1.5 mL 二甲基亚砜,密封反应容器后放入预热至180℃的油浴锅中,磁力搅拌下反应6h。反应结束后,冷却反应体系至室温,加入1mL苯乙腈的二氯甲烷溶液(浓度为0.7 mmol/mL)作为内标,搅拌至混合均匀,静置。吸取上层澄清的溶液,利用气相色谱对产物进行定量,1-萘甲腈的产率为73%。通过柱色谱提纯产物,利用质谱、1H-NMR和13C-NMR确定产物的结构。1-萘甲腈(C11H7N)质谱: 分子离子峰(M+)理论值为153.06,测量值为153.1; 1H NMR (400 MHz, CDCl3): δ (ppm) = 7.79-7.84 (2H), 7.52-7.61 (2H), 7.40-7.44 (1H); 13C NMR (400 MHz, CDCl3): δ(ppm) = 133.1, 132.7, 132.4, 132.1, 128.5, 128.4, 127.4, 124.9, 124.8, 117.69, 109.9。
实施例10
氮气保护下,向反应容器中依次加入0.3mmol Cu(OAc)2·H2O、0.01mmol Pd(OAc)2、1mmol K2CO3、1mmol 4-吡啶硼酸、0.5 mmol K4[Fe(CN)6], 1 mmol I2和1.5 mL 二甲基亚砜,密封反应容器后放入预热至140℃的油浴锅中,磁力搅拌下反应6h。反应结束后,冷却反应体系至室温,加入1mL苯乙腈的二氯甲烷溶液(浓度为0.7 mmol/mL)作为内标,搅拌至混合均匀,静置。吸取上层澄清的溶液,利用气相色谱对产物进行定量,4-氰基吡啶的产率为37%。通过柱色谱提纯产物,利用质谱确定产物的结构。4-氰基吡啶(C6H2N2)质谱: 分子离子峰(M+)理论值为104.04,测量值为104.0。
实施例11
氮气保护下,向反应容器中依次加入0.3mmol Cu(OAc)2·H2O、0.01mmol Pd(OAc)2、1mmol K2CO3、1mmol 4-呋喃硼酸、0.5 mmol K4[Fe(CN)6], 1 mmol I2和1.5 mL 二甲基亚砜,密封反应容器后放入预热至120℃的油浴锅中,磁力搅拌下反应24h。反应结束后,冷却反应体系至室温,加入1mL苯乙腈的二氯甲烷溶液(浓度为0.7 mmol/mL)作为内标,搅拌至混合均匀,静置。吸取上层澄清溶液,利用气相色谱对产物进行定量,4-氰基呋喃的产率为52%。通过柱色谱提纯产物,利用质谱确定产物的结构。4-氰基呋喃(C5H3NO)质谱: 分子离子峰(M+)理论值为94.02,测量值为94.1。
实施例12
氮气保护下,向反应容器中依次加入0.3mmol Cu(OAc)2·H2O、0.01mmol Pd(OAc)2、1mmol K2CO3、1mmol 4-噻吩硼酸、0.5 mmol K4[Fe(CN)6], 1 mmol I2和1.5 mL 二甲基亚砜,密封反应容器后放入预热至140℃的油浴锅中,磁力搅拌下反应6h。反应结束后,冷却反应体系至室温,加入1mL苯乙腈的二氯甲烷溶液(浓度为0.7 mmol/mL)作为内标,搅拌至混合均匀,静置。吸取上层澄清溶液,利用气相色谱对产物进行定量,4-氰基噻吩的产率为35%。通过柱色谱提纯产物,利用质谱确定产物的结构。4-氰基噻吩(C5H3NS)质谱: 分子离子峰(M+)理论值为109.00,测量值为109.0。
实施例13-14
以N-甲基吡咯烷酮作为溶剂,且分别改变催化剂为Cu(OAc)2·H2O(实施例13)以及Cu(NO3)2·3H2O/Pd(OAc)2(实施例14),其他同实施例1。苯甲腈的产率分别为15%、19%。
实施例15-17
以N-甲基吡咯烷酮作为溶剂,改变碱K2CO3分别为NaOH、KF和Na2CO3,其他同实施例1。苯甲腈的产率分别为32%、24%、75%。
实施例18-19
分别以N,N-二甲基甲酰胺和N-甲基吡咯烷酮为溶剂,其他同实施例1。苯甲腈的产率分别为80%、78%。
实施例20
改变反应温度为140℃,其他同实施例1。苯甲腈的产率为70%。
实施例21-22
以N-甲基吡咯烷酮作为溶剂,改变K4[Fe(CN)6]的用量分别为0.2mmol、0.4mmol,其他同实施例1。苯甲腈的产率分别为37%、45%。
Claims (8)
1.一种由芳基硼酸合成芳腈的方法,其特征在于,芳基硼酸和氰化试剂在催化剂、碱、碘存在的条件下,于有机溶剂中反应获得芳腈;所述的氰化试剂为K4[Fe(CN)6]或K4[Fe(CN)6]·3H2O,所述芳基硼酸中的芳基为苯基、萘基、吡啶、呋喃、噻吩,所述的催化剂为Cu(OAc)2、Cu(NO3)2、CuCl2、Cu2O、Cu(OAc)2/Pd(OAc)2或Cu(NO3)2/Pd(OAc)2。
2.如权利要求1所述的由芳基硼酸合成芳腈的方法,其特征在于,所述的碱为K2CO3、NaOH、KF或Na2CO3。
3.如权利要求1所述的由芳基硼酸合成芳腈的方法,其特征在于,投料物质的量比为:芳基硼酸:氰化试剂:催化剂:碱:I2为1:(0.2-1):(0.1-1):(0.5-5):(1-3)。
4.如权利要求1所述的由芳基硼酸合成芳腈的方法,其特征在于,所述的有机溶剂为N,N-二甲基甲酰胺、N-甲基吡咯烷酮、二甲基亚砜或甲苯。
5.如权利要求4所述的由芳基硼酸合成芳腈的方法,其特征在于,有机溶剂加入的量为每毫摩尔芳基硼酸加入0.3-3mL。
6.如权利要求1-5之一所述的由芳基硼酸合成芳腈的方法,其特征在于,反应在100-180℃进行1-30h。
7.如权利要求6所述的由芳基硼酸合成芳腈的方法,其特征在于,惰性气体保护或无惰性气体保护下进行合成反应。
8.如权利要求7所述的由芳基硼酸合成芳腈的方法,步骤如下:惰性气体保护下,向反应容器中加入催化剂、碱、芳基硼酸、氰化试剂、碘、有机溶剂,密封反应容器后放入预热至160℃的油浴锅中,磁力搅拌下反应6h。
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