CN102491862B - 一种纯水中制备联芳类化合物的方法 - Google Patents
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Abstract
一种在纯水溶液中制备联芳类化合物的方法，其属于催化化学技术领域。该方法是通过芳基卤代物与芳基硼酸的Suzuki交叉偶联反应制备联芳类化合物的方法。它是将芳基卤代物、芳基硼酸、碱、催化剂和甲氧基封端的聚乙二醇修饰的咪唑盐按摩尔比为0.5∶0.75∶1.0∶0.0025～0.005∶0.01～0.02加到1mL水中，于100℃反应5～480分钟，反应结束后，加入15mL饱和食盐水淬灭反应，反应混合物3次用15mL乙酸乙酯萃取反应产物，合并有机相，滤液浓缩，用柱层析分离，得到分析纯的联芳类化合物。该方法的特点是反应在绿色溶剂纯水中进行，无需加入任何有机溶剂；解决了纯水体系中非水溶性底物反应困难的问题；反应过程中无需惰性气体保护，操作简单，易于工业化生产。
Description
技术领域
本发明涉及一种在纯水溶液中制备联芳类化合物的方法，其属于有机化合物催化化学技术领域。
背景技术
联芳类化合物广泛存在于天然产物、医药和多种有机功能材料中（Chem.Rev.2002,102,1359;Chem.Rev.2004,104,2127;J.Am.Chem.Soc.2006,128,16641）。钯催化的Suzuki交叉偶联反应是构建Csp2-Csp2键最有效的方法之一（Chem.Rev.1995,95,2457）。水相中的Suzuki反应通常只适用于水溶性底物。对于非水溶性底物，一般通过加入有机共溶剂、表面活性剂、微波加热等方式来解决反应速率受底物水溶性限制的问题（Chem.Rev.2009,109,725;J.Org.Chem.2011,76,4379;Chem.Commun.2005,2881）。但是，上述方法不仅不符合绿色化学理念，且存在产品分离复杂、表面活性剂合成困难、耗费能源等问题。因此，发展一种纯水体系中，反应速度不受底物水溶性限制的联芳类化合物的制备方法具有重要应用前景。
聚乙二醇修饰的膦配体在Suzuki反应中得到广泛的应用（Chem.Eur.J.2003,9,1416;Org.Lett.2009,11,2121;J.Catal.2006,240,87;Chem.Eur.J.2004,10,1789;J.Mol.Catal.A:Chem.2004,222,127;J.Mol.Catal.A:Chem.2003,198,23;J.Org.Chem.1999,64,5188）。但膦配体对氧气敏感，反应体系需严格无氧环境。N-杂环卡宾具有较强的给电子能力、金属配位能力和结构易修饰及对氧气不敏感等特点，已广泛用于过渡金属催化反应中（Angew.Chem.Int.Ed.2010,49,8810）。Pd/N-杂环卡宾化合物是继传统Pd/膦催化剂之后的另一类高效催化剂（Chem.Rev.2011,111,2705；Dalton Trans.2010,39,7183）。到目前为止，聚乙二醇修饰的N-杂环卡宾配体鲜见报道（Dalton Trans.2009,6985；Organometallics2011,30,684）。迄今，聚乙二醇修饰的N-杂环卡宾用于纯水相Suzuki反应制备联芳类化合物的方法未见报道。
发明内容
本发明的目的是提供一种环境友好、高活性及通用的在纯水中进行的钯催化芳基卤代物与芳基硼酸的Suzuki交叉偶联反应制备联芳化合物的催化新工艺。
本发明的技术方案是：一种在纯水溶液中制备联芳类化合物的方法，首先依次将0.0025～0.005mmol钯催化剂、0.01～0.02mmol甲氧基封端的聚乙二醇修饰的咪唑盐、0.5mmol芳基卤代物、0.75mmol芳基硼酸、1.0mmol碱和1mL的水加入圆底烧瓶中，所述咪唑盐选用咪唑盐I、咪唑盐II或咪唑盐III，在100°C搅拌进行Suzuki交叉偶联反应5～480分钟，反应结束后，加入15mL饱和食盐水淬灭反应，反应混合物3次用15mL乙酸乙酯萃取反应产物，合并有机相，滤液浓缩，用柱层析分离，得到分析纯的联芳类化合物。
上述制备方法中，所述钯催化剂选自醋酸钯或氯化钯。
上述制备方法中，所述碱为三乙胺。
上述制备方法中，所述芳基卤代物选自4-溴苯甲醚、4-溴苯甲腈、2-溴苯甲腈、4-溴苯乙酮、4-溴硝基苯、4-溴苯酚、4-溴苯甲酸、3-溴吡啶、5-溴-2-甲氧基吡啶或4-氯硝基苯。
上述制备方法中，所述芳基硼酸选自苯硼酸、4-甲基苯硼酸、4-氟苯硼酸、4-甲氧基苯硼酸或4-溴苯硼酸。
上述制备方法中，所述咪唑盐为按下述过程合成的甲氧基封端的聚乙二醇修饰的咪唑盐I、咪唑盐II或咪唑盐III：
1）甲氧基封端的聚乙二醇单甲醚磺酸酯的合成：在250mL三口烧瓶上安装上恒压滴液漏斗、磁力搅拌和氮气保护装置，将0.04mo1CH3(OCH2CH2)nOH加入三口烧瓶；用油泵抽真空后充入N2，置换三到五次，在N2保护下进行以下操作：向三口烧瓶中依次加入100mL无水无氧的甲苯和无水无氧的0.04molEt3N，搅拌使固体完全溶解；然后在恒压滴液漏斗中分别加入0.04mo1CH3SO2C1和50mL无水无氧的甲苯；在冰水浴冷却下，边搅拌边将漏斗中的液体滴加到反应器中，30-60分钟内滴完；冰水浴下搅拌4小时，室温下磁力搅拌12小时；反应混合物经过滤除去生成的固体Et3N·HCl；滤液再经旋转蒸发仪除去溶剂甲苯，得到白色或微黄色的蜡状CH3(OCH2CH2)nOSO2CH3。
2）甲氧基封端的聚乙二醇修饰的咪唑盐的合成：依次将0.005mol甲氧基封端的聚乙二醇单甲醚磺酸酯和相应的0.006mol咪唑加入到15mL的密闭玻璃管中，在无溶剂和100°C条件下，反应24小时，反应结束后，经柱层析分离得到甲氧基封端的聚乙二醇修饰的咪唑盐I、咪唑盐II或咪唑盐III。
本发明的有益效果是：反应在绿色溶剂纯水中进行，无需加入任何有机溶剂；解决了纯水溶剂体系中非水溶性底物反应困难的问题；无需惰性气体保护简化了操作过程。该方法在天然产物、医药、农药、除草剂以及高分子传导材料、液晶材料的合成等方面有着广泛的应用前景。
具体实施方式
实施例1 4-苯基苯甲醚的制备
首先依次将氯化钯（0.0025mmol）、咪唑盐I（0.01mmol）、4-溴苯甲醚（0.5mmol）、苯硼酸（0.75mmol），三乙胺（1.0mmol）和水（1mL）加到圆底烧瓶中，在100°C磁力搅拌下反应10分钟。反应结束后，加入15mL饱和食盐水淬灭反应，反应混合物用乙酸乙酯（15mL×3）萃取反应产物，合并有机相，使用旋转蒸发仪浓缩得粗产品，柱层析得到目标产物，柱层析用的洗脱液是石油醚，产物结构通过1H NMR和质谱鉴定。分离收率达97%。
实施例2 4-苯基硝基苯的制备
首先依次将醋酸钯（0.0025mmol）、咪唑盐II（0.01mmol）、4-溴硝基苯（0.5mmol）、苯硼酸（0.75mmol），三乙胺（1.0mmol）和水（1mL）加到圆底烧瓶中，在100°C磁力搅拌下反应10分钟。反应结束后，加入15mL饱和食盐水淬灭反应，反应混合物用乙酸乙酯（15mL×3）萃取反应产物，合并有机相，使用旋转蒸发仪浓缩得粗产品，柱层析得到目标产物，柱层析用的洗脱液是石油醚，产物结构通过1H NMR和质谱鉴定。分离收率达96%。
实施例3 4-苯基苯乙酮的制备
首先依次将氯化钯（0.0025mmol）、咪唑盐III（0.01mmol）、4-溴苯乙酮（0.5mmol）、苯硼酸（0.75mmol），三乙胺（1.0mmol）和水（1mL）加到圆底烧瓶中，在100°C磁力搅拌下反应5分钟。反应结束后，加入15mL饱和食盐水淬灭反应，反应混合物用乙酸乙酯（15mL×3）萃取反应产物，合并有机相，使用旋转蒸发仪浓缩得粗产品，柱层析得到目标产物，柱层析用的洗脱液是石油醚，产物结构通过1H NMR和质谱鉴定。分离收率达95%。
实施例4 4-苯基苯甲腈的制备
首先依次将氯化钯（0.0025mmol）、咪唑盐III（0.01mmol）、4-溴苯甲腈（0.5mmol）、苯硼酸（0.75mmol），三乙胺（1.0mmol）和水（1mL）加到圆底烧瓶中，在100°C磁力搅拌下反应10分钟。反应结束后，加入15mL饱和食盐水淬灭反应，反应混合物用乙酸乙酯（15mL×3）萃取反应产物，合并有机相，使用旋转蒸发仪浓缩得粗产品，柱层析得到目标产物，柱层析用的洗脱液是石油醚，产物结构通过1H NMR和质谱鉴定。分离收率达97%。
实施例5 4-（4-氟）苯基苯甲腈的制备
首先依次将氯化钯（0.0025mmol）、咪唑盐III（0.01mmol）、4-溴苯甲腈（0.5mmol）、4-氟苯硼酸（0.75mmol），三乙胺（1.0mmol）和水（1mL）加到圆底烧瓶中，在100°C磁力搅拌下反应20分钟。反应结束后，加入15mL饱和食盐水淬灭反应，反应混合物用乙酸乙酯（15mL×3）萃取反应产物，合并有机相，使用旋转蒸发仪浓缩得粗产品，柱层析得到目标产物，柱层析用的洗脱液是石油醚，产物结构通过1H NMR和质谱鉴定。分离收率达92%。
实施例6 4-（4-甲氧基）苯基苯甲腈的制备
首先依次将醋酸钯（0.0025mmol）、咪唑盐III（0.01mmol）、4-溴苯甲腈（0.5mmol）、4-甲氧基苯硼酸（0.75mmol），三乙胺（1.0mmol）和水（1mL）加到圆底烧瓶中，在100°C磁力搅拌下反应15分钟。反应结束后，加入15mL饱和食盐水淬灭反应，反应混合物用乙酸乙酯（15mL×3）萃取反应产物，合并有机相，使用旋转蒸发仪浓缩得粗产品，柱层析得到目标产物，柱层析用的洗脱液是石油醚，产物结构通过1H NMR和质谱鉴定。分离收率达97%。
实施例7 4-（4-溴）苯基苯甲腈的制备
首先依次将醋酸钯（0.0025mmol）、咪唑盐III（0.01mmol）、4-溴苯甲腈（0.5mmol）、4-溴苯硼酸（0.75mmol），三乙胺（1.0mmol）和水（1mL）加到圆底烧瓶中，在100°C磁力搅拌下反应20分钟。反应结束后，加入15mL饱和食盐水淬灭反应，反应混合物用乙酸乙酯（15mL×3）萃取反应产物，合并有机相，使用旋转蒸发仪浓缩得粗产品，柱层析得到目标产物，柱层析用的洗脱液是石油醚，产物结构通过1H NMR和质谱鉴定。分离收率达95%。
实施例8 4-（4-甲基）苯基苯甲腈的制备
首先依次将醋酸钯（0.0025mmol）、咪唑盐III（0.01mmol）、4-溴苯甲腈（0.5mmol）、4-甲基苯硼酸（0.75mmol），三乙胺（1.0mmol）和水（1mL）加到圆底烧瓶中，在100°C磁力搅拌下反应10分钟。反应结束后，加入15mL饱和食盐水淬灭反应，反应混合物用乙酸乙酯（15mL×3）萃取反应产物，合并有机相，使用旋转蒸发仪浓缩得粗产品，柱层析得到目标产物，柱层析用的洗脱液是石油醚，产物结构通过1H NMR和质谱鉴定。分离收率达96%。
实施例9 2-（4-甲基）苯基苯甲腈的制备
首先依次将氯化钯（0.0025mmol）、咪唑盐III（0.01mmol）、2-溴苯甲腈（0.5mmol）、4-甲基苯硼酸（0.75mmol），三乙胺（1.0mmol）和水（1mL）加到圆底烧瓶中，在100°C磁力搅拌下反应20分钟。反应结束后，加入15mL饱和食盐水淬灭反应，反应混合物用乙酸乙酯（15mL×3）萃取反应产物，合并有机相，使用旋转蒸发仪浓缩得粗产品，柱层析得到目标产物，柱层析用的洗脱液是石油醚，产物结构通过1H NMR和质谱鉴定。分离收率达98%。
实施例10 4-（4-甲基）苯基苯酚的制备
首先依次将氯化钯（0.0025mmol）、咪唑盐III（0.01mmol）、4-溴苯酚（0.5mmol）、4-甲基苯硼酸（0.75mmol），三乙胺（1.0mmol）和水（1mL）加到圆底烧瓶中，在100°C磁力搅拌下反应10分钟。反应结束后，加入15mL饱和食盐水淬灭反应，反应混合物用乙酸乙酯（15mL×3）萃取反应产物，合并有机相，使用旋转蒸发仪浓缩得粗产品，柱层析得到目标产物，柱层析用的洗脱液是石油醚，产物结构通过1H NMR和质谱鉴定。分离收率达96%。
实施例11 4-（4-甲基）苯基苯甲酸的制备
首先依次将氯化钯（0.0025mmol）、咪唑盐III（0.01mmol）、4-溴苯甲酸（0.5mmol）、4-甲基苯硼酸（0.75mmol），三乙胺（1.0mmol）和水（1mL）加到圆底烧瓶中，在100°C磁力搅拌下反应10分钟。反应结束后，加入15mL饱和食盐水淬灭反应，反应混合物用乙酸乙酯（15mL×3）萃取反应产物，合并有机相，使用旋转蒸发仪浓缩得粗产品，柱层析得到目标产物，柱层析用的洗脱液是石油醚，产物结构通过1H NMR和质谱鉴定。分离收率达93%。
实施例12 3-苯基吡啶的制备
首先依次将氯化钯（0.0025mmol）、咪唑盐III（0.01mmol）、3-溴吡啶（0.5mmol）、苯硼酸（0.75mmol），三乙胺（1.0mmol）和水（1mL）加到圆底烧瓶中，在100°C磁力搅拌下反应30分钟。反应结束后，加入15mL饱和食盐水淬灭反应，反应混合物用乙酸乙酯（15mL×3）萃取反应产物，合并有机相，使用旋转蒸发仪浓缩得粗产品，柱层析得到目标产物，柱层析用的洗脱液是石油醚，产物结构通过1H NMR和质谱鉴定。分离收率达95%。
实施例13 2-甲氧基-5-苯基吡啶的制备
首先依次将氯化钯（0.0025mmol）、咪唑盐III（0.01mmol）、5-溴-2-甲氧基吡啶（0.5mmol）、苯硼酸（0.75mmol），三乙胺（1.0mmol）和水（1mL）加到圆底烧瓶中，在100°C磁力搅拌下反应30分钟。反应结束后，加入15mL饱和食盐水淬灭反应，反应混合物用乙酸乙酯（15mL×3）萃取反应产物，合并有机相，使用旋转蒸发仪浓缩得粗产品，柱层析得到目标产物，柱层析用的洗脱液是石油醚，产物结构通过1H NMR和质谱鉴定。分离收率达98%。
实施例14 4-苯基硝基苯的制备
首先依次将氯化钯（0.005mmol）、咪唑盐III（0.02mmol）、5-溴-2-甲氧基吡啶（0.5mmol）、苯硼酸（0.75mmol），三乙胺（1.0mmol）、四丁基溴化铵（0.75mmol）和水（1mL）加到圆底烧瓶中，在100°C磁力搅拌下反应480分钟。反应结束后，加入15mL饱和食盐水淬灭反应，反应混合物用乙酸乙酯（15mL×3）萃取反应产物，合并有机相，使用旋转蒸发仪浓缩得粗产品，柱层析得到目标产物，柱层析用的洗脱液是石油醚，产物结构通过1H NMR和质谱鉴定。分离收率达88%。
Claims (5)
1.一种在纯水溶液中制备联芳类化合物的方法，其特征在于：首先依次将0.0025～0.005mmol钯催化剂、0.01～0.02mmol甲氧基封端的聚乙二醇修饰的咪唑盐、0.5mmol芳基卤代物、0.75mmol芳基硼酸、1.0mmol碱和1mL的水加入圆底烧瓶中，所述咪唑盐选用咪唑盐I、咪唑盐II或咪唑盐III，在100℃搅拌进行Suzuki交叉偶联反应5～480分钟，反应结束后，加入15mL饱和食盐水淬灭反应，反应混合物3次用15mL乙酸乙酯萃取反应产物，合并有机相，滤液浓缩，用柱层析分离，得到分析纯的联芳类化合物；所述咪唑盐I的化学结构式为
所述咪唑盐II的化学结构式为
所述咪唑盐III的化学结构式为
所述咪唑盐为按下述过程合成的甲氧基封端的聚乙二醇修饰的咪唑盐I、咪唑盐II或咪唑盐III：
1）甲氧基封端的聚乙二醇单甲醚磺酸酯的合成：在250mL三口烧瓶上安装上恒压滴液漏斗、磁力搅拌和氮气保护装置，将0.04mo1CH3(OCH2CH2)nOH加入三口烧瓶；用油泵抽真空后充入N2，置换三到五次，在N2保护下进行以下操作：向三口烧瓶中依次加入100mL无水无氧的甲苯和无水无氧的0.04molEt3N，搅拌使固体完全溶解；然后在恒压滴液漏斗中分别加入0.04mo1CH3SO2C1和50mL无水无氧的甲苯；在冰水浴冷却下，边搅拌边将漏斗中的液体滴加到反应器中，30-60分钟内滴完；冰水浴下搅拌4小时，室温下磁力搅拌12小时；反应混合物经过滤除去生成的固体Et3N·HCl；滤液再经旋转蒸发仪除去溶剂甲苯，得到白色或微黄色的蜡状CH3(OCH2CH2)nOSO2CH3；
2）甲氧基封端的聚乙二醇修饰的咪唑盐的合成：依次将0.005mol甲氧基封端的聚乙二醇单甲醚磺酸酯和相应的0.006mol咪唑加入到15mL的密闭玻璃管中，在无溶剂和100℃条件下，反应24小时，反应结束后，经柱层析分离得到甲氧基封端的聚乙二醇修饰的咪唑盐I、咪唑盐II或咪唑盐III。
2.根据权利要求1所述的一种在纯水溶液中制备联芳类化合物的方法，其特征在于：所述钯催化剂选自醋酸钯或氯化钯。
3.根据权利要求1所述的一种在纯水溶液中制备联芳类化合物的方法，其特征在于：所述碱为三乙胺。
4.根据权利要求1所述的一种在纯水溶液中制备联芳类化合物的方法，其特征在于：所述芳基卤代物选自4-溴苯甲醚、4-溴苯甲腈、2-溴苯甲腈、4-溴苯乙酮、4-溴硝基苯、4-溴苯酚、4-溴苯甲酸、3-溴吡啶、5-溴-2-甲氧基吡啶或4-氯硝基苯。
5.根据权利要求1所述的一种在纯水溶液中制备联芳类化合物的方法，其特征在于：所述芳基硼酸选自苯硼酸、4-甲基苯硼酸、4-氟苯硼酸、4-甲氧基苯硼酸或4-溴苯硼酸。
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