CN102516162A - 铜催化的硝基芳（杂）环化合物的制备方法 - Google Patents

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张�林
刘振华
李惠芹
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Abstract

本发明属于有机合成化学技术领域，涉及一种铜催化的硝基芳(杂)环化合物的制备方法。本发明在醋酸铜催化作用下，吡啶基导向的C-H键硝化反应，制备了一系列硝基芳(杂)环类化合物。与已经公开的Ru、Rh、Pd、Pt催化剂相比较，铜催化剂具有环境友好、价格低廉的优点，本发明具有操作简单，原料和试剂易得，产物易分离纯化，可以高效、高收率地单一选择性的制得高纯度的硝基芳(杂)环化合物。

Description

铜催化的硝基芳(杂)环化合物的制备方法
技术领域
本发明属于有机合成化学技术领域，本发明涉及一种铜催化的硝基芳(杂)环化合物的制备方法。
背景技术
硝基化合物是一类重要的化合物，因为硝基基团的存在，使得硝基芳环化合物呈现出一些特殊的性质，且这类化合物在有机合成化学领域是很重要的有合成子，所以发展新的芳环C-H键的直接硝基化方法一直是有机合成化学的重要研究课题之一。到目前为止已经发展的方法主要是通过亲电取代反应实现硝基化作用(G..A.Olah，R.Malhotra，S.C.Narang，Nitration：Methods and Mechanisms，VCH，Weinheim，1989；K.Schofield，Aromatic Nitration，CambridgeUniversity Press，Cambridge，1980.)。但是这些反应体系还有一些缺陷，例如：底物适用范围狭窄，反应的选择性很差，不能保证实现单一的硝化作用，反应产率较低等。
近年来，C-H键的活化/官能化成为了当前有机化学研究的热点方向之一，很多类型的C-H键活化/官能化的化学反应已经被报道。Liu小组通过钯催化C-H键的活化反应实现了C-H键的硝化作用(Y.-K.Liu，S.-J.Lou，D.-Q.Xu，Z.-Y.Xu，Chem.Eur.J.2010，16，13590)。随着全球生态环境的急剧恶化，如何实现可持续发展已成为人类面临的重大问题，以从源头上消除污染、节省资源为核心的绿色化学研究已经成为解决日益严峻的生态环境问题的强有力手段(Energy Environ.Sci.2009，2，1038-1049.)。铜作为催化剂具有环境友好、价格低廉等优点，这些优点使其特别适合作为化学工业生产的催化剂。截止目前，铜催化/螯合协助的特定位置C-H键的选择性硝化作用的文献还没有过报道。
发明内容
本发明的目的是针对已有的合成硝基芳(杂)环类化合物方法的缺点，例如，硝化作用没有选择性或选择性很差，反应的产率低下，提供一种价格低廉、环境友好的铜催化体系，高效的、单一选择性的合成硝基芳(杂)环化合物的方法。
本发明在醋酸铜催化作用下，吡啶基导向的C-H键硝化反应，制备了一系列硝基芳(杂)环类化合物。
本发明所涉及的合成硝基芳(杂)环化合物，其反应方程式如下：
Figure BSA00000600866400021
包括将一种2-芳基吡啶类化合物和硝酸银在醋酸铜催化作用下在一定的反应条件之下反应得到硝基芳(杂)环化合物2，其中，R为吸电子基团或者供电子基团，R2为氢或者甲基。用本发明方法可以高效地单一选择性的得到高纯度的硝基芳(杂)环化合物。
本发明的硝基(杂)芳环化合物的制备方法包括底物2-芳基吡啶1的制备、C-H键活化/硝化反应。
具体过程可表示如下：
(1)含供电子基团或吸电子基团的苯硼酸与2-溴吡啶及其衍生物在醋酸钯催化作用下，
以三苯基膦为配体，碱和一定溶剂中反应，生成2-芳基吡啶化合物1。
Figure BSA00000600866400022
其用量为：苯硼酸与2-溴吡啶1∶1.2，以大致相等的摩尔数，醋酸钯的量为0.05倍量的摩尔数，配体的量为0.1倍量的摩尔数，碱的量为2倍量的摩尔数为最好。碱为K3PO4，溶剂为水，反应温度为60-90℃。
(2)在一定量的催化剂醋酸铜存在下，在一定的反应温度和溶剂中，2-芳基吡啶1与硝酸银反应，生成硝基芳(杂)环化合物2。
Figure BSA00000600866400023
相对于2-芳基吡啶化合物1，催化剂醋酸铜的用量为50mol％，温度为120-140℃，溶剂以卤代烷烃1，2，3-三氯丙烷为最佳。
与已经公开的Ru、Rh、Pd、Pt催化剂相比较，铜催化剂具有环境友好、价格低廉的优点，本发明具有操作简单，原料和试剂易得，产物易分离纯化，可以高效、高收率地单一选择性的制得高纯度的硝基芳(杂)环化合物。
附图说明
图1为2a的1H-NMR的核磁共振谱；
图2为2a的13C-NMR的核磁共振谱；
图3为2e的1H-NMR的核磁共振谱；
图4为2e的13C-NMR的核磁共振谱。
具体实施方式
下面的实施例将有助于说明本发明，但是不局限其范围。
实施例1
1)2-苯基吡啶1a的制备
Figure BSA00000600866400031
向带有磁力搅拌装置的25mL圆底烧瓶中加入水(10mL)、苯硼酸(0.61g，5mmol)、2-溴吡啶(524μL，5.5mmol)，醋酸钯(0.056g，0.25mmol)、三苯基膦(0.131g，0.5mmol)、磷酸钾(2.12g，10mmol)，将反应加热至80℃，TLC监测至底物完全消失。将反应液倾入饱和氯化钠水溶液中(20mL)，用二氯甲烷(3×15mL)萃取，合并有机相，经过无水氯化钙干燥、抽虑、减压蒸馏等步骤得到粘稠的油状体，经过硅胶柱层析(洗脱液为V石油醚∶V乙醚＝15∶1)得到淡黄色油状液体0.634g，产物的结构经过NMR、MS证实为2-苯基吡啶化合物1a，收率为82％。
2)硝基芳(杂)环化合物2a的制备
Figure BSA00000600866400032
向带有磁力搅拌装置的25mL圆底烧瓶中加入1，2，3-三氯丙烷(2mL)、2-苯基吡啶1a(0.155g，1mmol)、硝酸银(0.255g，1.5mmol)和无水醋酸铜(0.091g，0.5mmol)，搅拌均匀后，将其放入130℃油浴中继续搅拌。TLC检测底物消失，反应结束。将反应液倾入饱和碳酸氢钠水溶液(15mL)中，用二氯甲烷(3×15mL)萃取，合并有机相，无水氯化钙干燥、抽虑，然后减压蒸馏除去有机溶剂，得到固体混合物，最后经过硅胶柱层析(洗脱液为V石油醚∶V乙酸乙酯＝10∶3)得到淡黄色液体0.17g，经过NMR、MS证实为硝基化合物2a，其收率以2-苯基吡啶为基础为85％。
谱图解析数据2a：
1H NMR(500MHz，CDCl3)：δ＝7.30-7.33(m，1H)，7.48(d，J＝7.5Hz，1H)，7.53-7.57(m，1H)，7.62(t，J＝7.0Hz，1H)，7.67(t，J＝7.5Hz，1H)，7.78-7.81(m，1H)，7.90(d，J＝8.5Hz，1H)，8.65(d，J＝4.5Hz，1H)；13C NMR(CDCl3，125Hz)：δ＝122.6，122.9，124.3，129.2，131.2，132.4，135.3，136.8，149.6，155.4.
实施例2
用2-(2-甲基苯基)吡啶代替“实例1”中的2-苯基吡啶，1)中反应温度为70℃，2)中反应温度为100℃，其他条件同“实例1”，实验结果见表1.
Figure BSA00000600866400041
谱图解析数据2b：
1H NMR(500MHz，CDCl3)：δ＝2.18(s，3H)，7.29-7.33(m，2H)，7.44(t，J＝8.5Hz，1H)，7.53(d，J＝7.5Hz，1H)，7.77-7.80(m，1H)，7.83(d，J＝8.0Hz，1H)，8.69(d，J＝5.0Hz，1H)；13C NMR(CDCl3，125Hz)：δ＝20.1，121.9，122.6，123.9，128.6，128.8，130.9，134.8，136.5，139.0，149.9，155.6.
实施例3
用2-(3-甲基苯基)吡啶代替“实例1”中的2-苯基吡啶，1)中反应温度为90℃，2)中反应温度为140℃，其他反应条件同“实例1”，实验结果见表1.
Figure BSA00000600866400051
谱图解析数据2c：
1H NMR(500MHz，CDCl3)：δ＝2.48(s，3H)，7.30(d，J＝6.0Hz，1H)，7.32(d，J＝9.0Hz，1H)，7.40(s，1H)，7.43(d，J＝7.5Hz，1H)，7.77(t，J＝7.5Hz，1H)，7.84(d，J＝8.0Hz，1H)，8.65(d，J＝4.0Hz，1H)；13C NMR(CDCl3，125Hz)：δ＝21.2，122.6，123.1，124.4，129.4，131.8，133.8，135.3，136.5，143.4，149.4，155.7.
实施例4
用2-(4-甲基苯基)吡啶代替“实例1”中的2-苯基吡啶，反应条件同“实例1”，实验结果见表1.
谱图解析数据2d：
1H NMR(500MHz，CDCl3)：δ＝2.48(s，3H)，7.27-7.30(m，1H)，7.45(dd，J1＝6.5Hz，J2＝7.0Hz，2H)，7.50(d，J＝8.0Hz，1H)，7.70(s，1H)，7.75-7.78(m，1H)，8.63(d，J＝4.5Hz，1H)；13C NMR(CDCl3，125Hz)：δ＝21.0，122.6，122.7，124.7，131.0，132.5，133.0，136.7，140.0，149.6，155.5.
实施例5
用2-(4-氰基苯基)吡啶代替“实例1”中的2-苯基吡啶，1)中反应温度为90℃，2)中反应温度为140℃，其他反应条件同“实例1”，实验结果见表1.
Figure BSA00000600866400053
谱图解析数据2e：
1H NMR(400MHz，CDCl3)：δ＝7.39(dd，J1＝5.2Hz，J2＝7.2Hz，1H)，7.52(d，J＝7.6Hz，1H)，7.79(d，J＝8.0Hz，1H)，7.85(t，J＝6.4Hz，1H)，7.94(dd，J1＝1.6Hz，J2＝8.0Hz，1H)，8.16(d，J＝1.2Hz，1H)，8.67(d，J＝4.4Hz，1H)；13C NMR(CDCl3，100Hz)：δ＝113.4，116.4，122.7，123.9，124.4，127.9，132.3，135.3，137.2，139.1，150.1，153.4.
实施例6
用2-(2-噻吩)吡啶代替“实例1”中的2-苯基吡啶，反应条件同“实例1”，实验结果见表1.
谱图解析数据2f：
1H NMR(500MHz，CDCl3)：δ＝7.34(t，J＝6.0Hz，1H)，7.37(d，J＝6.0Hz，1H)，7.63(d，J＝6.0Hz，1H)，7.74-7.79(m，2H)，8.66(d，J＝4.5Hz，1H)；13C NMR(CDCl3，125Hz)：δ＝123.9，124.3，125.1，125.8，136.5，144.2，149.2，149.6.
实施例7
用2-苯基嘧啶代替“实例1”中的2-苯基吡啶，反应条件同“实例1”，实验结果见表1.
Figure BSA00000600866400062
谱图解析数据2g：
1H NMR(500MHz，CDCl3)：δ＝7.29(t，J＝4.5Hz，1H)，7.59(t，J＝8.0Hz，1H)，7.69(t，J＝7.5Hz，1H)，7.84(d，J＝8.0Hz，1H)，8.01(d，J＝8.0Hz，1H)，8.82(d，J＝5.0Hz，2H)；13C NMR(CDCl3，125Hz)：δ＝119.8，124.0，130.3，131.4，132.1，133.0，156.9，157.3，163.3.
表1

Claims (2)

1.铜催化的硝基芳(杂)环化合物的制备方法，其特征是具体步骤如下：
(1)含供电子基团或吸电子基团的苯硼酸与2-溴吡啶及其衍生物在醋酸钯催化作用下，以三苯基膦为配体，碱和一定溶剂中反应，生成2-芳基吡啶化合物1：
Figure FSA00000600866300011
其配比为：苯硼酸与2-溴吡啶1∶1.2，醋酸钯的量为0.05倍量的摩尔数，配体的量为0.1倍量的摩尔数，碱的量为2倍量的摩尔数，碱为K3PO4，溶剂为水，反应温度为60-90℃；
(2)在一定量的催化剂醋酸铜存在下，在一定的反应温度和溶剂中，2-芳基吡啶1与硝酸银反应，生成硝基芳(杂)环化合物2：
Figure FSA00000600866300012
相对于2-芳基吡啶化合物1，催化剂醋酸铜的用量为50mol％，温度为120-140C，溶剂为卤代烷烃1，2，3-三氯丙烷。
2.按照权利要求1所述的制备方法，其特征是具体步骤如下：
1)2-苯基吡啶1a的制备：
向带有磁力搅拌装置的25mL圆底烧瓶中加入水10mL、苯硼酸0.61g，5mmol、2-溴吡啶524μL，5.5mmo，醋酸钯0.056g，0.25mmol、三苯基膦0.131g，0.5mmol、磷酸钾2.12g，10mmol，将反应加热至80℃，TLC监测至底物完全消失，将反应液倾入20mL饱和氯化钠水溶液中，用3×15mL二氯甲烷萃取，合并有机相，经过无水氯化钙干燥、抽虑、减压蒸馏步骤得到粘稠的油状体，经过洗脱液为V石油醚∶V乙醚＝15∶1的硅胶柱层析得到淡黄色油状液体0.634g，产物的结构经过NMR、MS证实为2-苯基吡啶化合物1a，收率为82％；
2)硝基芳(杂)环化合物2a的制备：
Figure FSA00000600866300021
向带有磁力搅拌装置的25mL圆底烧瓶中加入1，2，3-三氯丙烷2mL、2-苯基吡啶1a 0.155g，1mmol、硝酸银0.255g，1.5mmol和无水醋酸铜0.091g，0.5mmol，搅拌均匀后，将其放入130℃油浴中继续搅拌，TLC检测底物消失，反应结束，将反应液倾入15mL饱和碳酸氢钠水溶液中，用3×15mL二氯甲烷萃取，合并有机相，无水氯化钙干燥、抽虑，然后减压蒸馏除去有机溶剂，得到固体混合物，最后经过洗脱液为V石油醚∶V乙酸乙酯＝10∶3的硅胶柱层析得到淡黄色液体0.17g，经过NMR、MS证实为硝基化合物2a，其收率以2-苯基吡啶为基础为85％。
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