CN103833754A - 具有二氮杂芳香稠环结构的咔唑并菲啶类化合物及其合成方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种具有二氮杂芳香稠环结构的咔唑并菲啶类化合物（Ⅰ）及其合成方法。本发明以咔唑和喹啉衍生物为原料，采用光催化闭环的方法，成功制得一类具有光电功能的氮杂芳香稠环化合物。本发明的合成手段简单，并且使用普通廉价的试剂，降低制备的成本，易于推广应用。化合物（Ⅰ）在不同的有机溶剂中有很好的溶解性，有利于该化合物的提纯、制膜；通过接入不同取代基可获得多种氮杂芳香稠环化合物。化合物（Ⅰ）有望在有机场效应管、有机发光二极管、光伏电池、有机非线性光学、荧光探针和激光染料等领域得到广泛应用。

Description

具有二氮杂芳香稠环结构的咔唑并菲啶类化合物及其合成方法

技术领域

本发明涉及一类基于咔唑和喹啉的氮杂芳香稠环化合物及其合成方法，具体涉及利用光催化闭环反应方法制备14-己基-咔唑并菲啶类化合物，属于化工技术领域。

背景技术

芳香稠环化合物由多个芳香环彼此稠合而形成；此类化合物具有较大的共轭体系，平面性及刚性结构。芳香稠环化合物因其特殊的结构和物理和化学性质被广泛应用于有机场效应管、有机发光二极管、光伏电池、有机非线性光学、荧光探针和激光染料等领域。例如，CN103108875A提供了一种作为有机半导体材料有用的含氮芳香族杂环化合物以及使用了该化合物的有机电子器件。

芳香稠环化合物传统的化学合成方法，例如环化脱氢、环化脱卤化氢等等，反应条件往往比较苛刻，而且前驱体的合成也很复杂。光催化闭环反应是合成芳香稠环一种非常重要的反应，此方法所用的前驱体合成步骤简单且产率较高。近年来，人们利用光催化闭环反应方法合成了一系列芳香稠环化合物。然而，随着共轭体系的增加，具有刚性平面结构的芳香稠环分子间的相互作用力增强，导致其溶解性变差。

发明内容

为了解决芳香稠环化合物的现有技术中存在的问题，本发明提供一种溶解性好、分子可控的具有二氮杂芳香稠环结构的咔唑并菲啶类化合物及其合成方法。

本发明通过以下技术方案实现：

1、具有二氮杂芳香稠环结构的咔唑并菲啶类化合物

本发明的一种具有二氮杂芳香稠环结构的咔唑并菲啶类化合物，结构通式Ⅰ如下：

其中，取代基R₁-R₁₄各自独立的为H，C₁-C₆的烷基，卤素或含C、N、O、S原子的芳香环或芳香杂环。

根据本发明优选的，取代基R₁-R₁₄各自独立的为H，C₁-C₆的烷基、Cl、Br、苯或吡啶。

进一步优选的R₁₁为C₁-C₆的烷基、Cl、Br、苯或吡啶；R₁₄为C₁-C₆的烷基，R₁-R₁₀、R₁₂-R₁₃为H。

更为优选的，上述通式Ⅰ化合物是下列之一：

14-己基-咔唑并菲啶Ⅰ(a）

11‐溴‐14‐己基‐咔唑并菲啶Ⅰ(b)

11‐二（三甲苯基）硼基‐14‐己基‐咔唑并菲啶Ⅰ(c)

11-吡啶-14-己基-咔唑并菲啶Ⅰ(d)

2、具有二氮杂芳香稠环结构的咔唑并菲啶类化合物（Ⅰ）的合成方法

本发明的一种具有二氮杂芳香稠环结构的咔唑并菲啶类化合物的合成方法，以反-9-己基-3-（2-喹啉-乙烯基）咔唑衍生物为原料，通过光催化闭环反应制备而得。

化学反应式如下：

试剂与条件:苯;I₂:碘;

:环氧丙烷;hv:紫外光。

一种具有二氮杂芳香稠环结构的咔唑并菲啶类化合物合成方法，包括如下步骤：

（1）将有机溶剂用蒸馏法纯化，在惰性气氛下保存待用；

（2）将反-9-己基-3-（2-喹啉-乙烯基）咔唑衍生物和化学计量比的碘加入到步骤（1）纯化的有机溶剂中，边溶解边快速搅拌，完全溶解后使溶液中溶质的浓度均为0.001-0.1摩尔/升，通惰性气体30-60分钟；

（3）在持续搅拌情况下，将环氧丙烷加入步骤（2）所得的溶液中，使溶液中环氧丙烷的浓度为0.1-2.5摩尔/升；

（4）用250-500W的高压汞灯透过石英玻璃照射步骤（3）所得的溶液适当时间，得到粗产物；

（5）真空旋蒸出溶剂，将所得的粗产物溶解在三氯甲烷中，用质量分数为10-35%的Na₂S₂O₃溶液和蒸馏水洗涤；

（6）对有机滤液进行分离提纯得到产物。

根据本发明优选的，

步骤（1）中所述的有机溶剂选自苯、甲苯、正己烷、四氢呋喃或二氯甲烷中的一种。

步骤（6）中的分离提纯是指对有机滤液进行萃取、洗涤、干燥、旋干、硅胶柱层析、重结晶分离后得产物。

根据本发明优选的，14-己基-咔唑并菲啶Ⅰ(a）的制备，包括如下步骤：

（1）将有机溶剂苯用常压蒸馏的方法进行纯化，在惰性气氛下保存待用；

（2）将反-9-己基-3-（2-喹啉-乙烯基）咔唑0.45mmol和碘0.46mmol加入到步骤（1）纯化的500ml有机溶剂苯中，边溶解边快速搅拌，完全溶解后，通惰性气体30分钟；

（3）在持续搅拌情况下，将18ml环氧丙烷加入步骤（2）所得的溶液中，使溶液中环氧丙烷的浓度为0.51摩尔/升；

（4）用500W的高压汞灯透过石英玻璃照射步骤（3）所得的溶液一段时间反应结束得粗产物；

（5）真空旋蒸出溶剂，将所得的粗产物溶解在三氯甲烷中，依次用质量分数为15%的Na₂S₂O₃溶液和蒸馏水洗涤；

（6）对有机滤液进行萃取、洗涤、干燥、旋干、硅胶柱层析、重结晶分离提纯后，得到14-己基-咔唑并菲啶Ⅰ(a）。

本发明采取通过增加引入功能团的活性位点合成功能性芳香稠环衍生物，通过引入特定的合适功能基团，不仅可以有效改善有机分子的溶解性而且还可以调控分子的物化性能。此前尚未见此类化合物的报道。

本发明的优良效果如下：

1.与现有的氮杂芳香稠环化合物相比，本发明以廉价咔唑和喹啉衍生物为原料，经过光照即可以得到一类溶解性良好的14-己基-咔唑并菲啶化合物。反应操作简单，避免使用昂贵的试剂，降低制备的成本，易于推广应用。

2.本发明具有二氮杂芳香稠环结构的咔唑并菲啶类化合物可在有机场效应管、有机发光二极管、光伏电池、有机非线性光学、荧光探针和激光染料等领域领域得到广泛应用。

附图说明

图1为反-9-己基-3-（2-喹啉-乙烯基）咔唑Ⅱ(a）的氢谱图；横坐标为化学位移δ，单位：ppm。

图2为反-9-己基-3-（2-喹啉-乙烯基）咔唑Ⅱ(a）的碳谱图；横坐标为化学位移δ，单位：ppm。

图3为反-9-己基-3-（2-喹啉-乙烯基）咔唑Ⅱ(a）的质谱图；横坐标为质荷比m/z；纵坐标为相对强度，单位：%。

图4为14-己基-咔唑并菲啶Ⅰ(a）的氢谱图；横坐标为δ,单位：ppm。

图5为14-己基-咔唑并菲啶Ⅰ(a）的碳谱图；横坐标为δ,单位：ppm。

图6为14-己基-咔唑并菲啶Ⅰ(a）的质谱图；横坐标为质荷比m/z；纵坐标为相对强度，单位：%。

图7为Ⅰ(a）晶体的一个不对称单位。

图8为Ⅰ(a）晶体沿c轴方向的堆积图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步的说明，但不限于此。仪器与试剂说明如下：

高压汞灯（北京中教金源科技有限公司有售），苯用常压蒸馏的方法进行纯化，其余试剂均为化学纯。

以下以实施例1的原料Ⅱ(a)的制备方法为例，反应式如下：

制备步骤如下：

9-正己基咔唑(Ⅴa):在500ml单口圆底烧瓶中加入，四丁基碘化铵3g（5mol％）(TBAI，(n-C₄H₉)₄BrN)、咔唑33.4g(0.2mol)，然后将NaOH12.0g(0.3mol)，140ml的丙酮加入到上述溶液中。加热回流反应3h，冷却至室温。通过恒压滴液漏斗缓慢滴加溴代正己烷42.6ml（0.3mol）与60ml丙酮的混合液滴加完毕，加热回流反应24h。反应结束后将丙酮旋蒸出，冷却，0℃低温浴下将剩余混合物倒入500ml的冰水中，剧烈搅拌1h。充分搅拌后，抽滤。滤饼用蒸馏水洗涤3次。用分液漏斗将水相的油状物分离，水相用CH₂Cl₂萃取，富集，旋蒸，用无水乙醇重结晶。产物为白色针状晶体,重40g，产率79％。

3-甲酰基-9-己基咔唑(Ⅳa)：0℃氩气保护、快速搅拌下，将三氯氧磷(POCl₃)(1.17ml,12.55mmol)滴加到盛有N,N-二甲基甲酰胺(DMF)(1.13ml,14.60mmol)的三口瓶中。滴毕，向反应体系滴加己基咔唑(2)(3.145g,12.50mmol)的CHCl₃(7.5ml)溶液，继续反应回流16h后冷却到室温。然后，将反应混合物冰水混合物中，并用饱和的NaHCO₃溶液调节pH至～8。混合体系用CHCl₃萃取几次。将富集的CHCl₃溶液用去离子水洗涤几次后，用无水硫酸钠干燥。1h后，将溶液过滤去除无水硫酸钠，真空旋蒸得到粗产物，柱层析(硅胶,石油醚/乙酸乙酯,24/1,v/v)分离得到纯净产物3(2.551g,73.0%)。¹H NMR CDCl₃,25℃,TMS):δ(ppm)=10.09(s,1H),8.15(d,J=7.8Hz,1H),8.00(dd,J=8.7Hz,1H),7.56-7.44(m,3H),7.35-7.29(m,1H),4.33(t,J=7.5Hz,2H),1.94-1.84(m,2H),1.42-1.28(m,6H),0.86(t,J=7.2Hz,3H).¹³C NMR(75MHz,CDCl₃,25℃,TMS):δ(ppm)=191.71,144.08,141.19,128.54,127.14,126.68,123.96,123.08,123.01,120.73,120.27,109.37,108.92,43.44,31.49,28.88,26.90,22.49,13.94。

9-己基-3-乙烯基-咔唑(Ⅲa):0℃的低温氩气保护下，向快速搅拌的甲基三苯基碘化膦（2.9g，7.2mmol）THF（40ml）悬浊液中加入KotBu(1.06g,10.8mmol)，10分钟后加入THF（20ml）溶解的3-甲酰基-9正己基咔唑(2.0g,7.2mmol)。继续反应10分钟后，向容器中加入5mml的水。将反应溶液抽滤，得到的固体用石油醚洗三遍，滤液用二氯甲烷萃取三次。将萃取液依次用去离子水、饱和食盐水洗涤三次后，用无水硫酸镁干燥1h。最后通过硅胶柱分离提纯，洗脱剂为石油醚和乙酸乙酯混合溶剂（10/1,v/v）。最终得到无色液体1.6g，产率80%。HRMS calc for C₂₀H₂₃N:278.1903[M+H]⁺；found：278.1874。

反-9-己基-3-（2-喹啉-乙烯基）咔唑(Ⅱa)：在氩气保护下，依次向干燥的三口烧瓶中加入9-己基-3-乙烯基-咔唑（1.39g,5mmol）,醋酸钯（0.098g,0.5mmol）,三邻甲苯基膦（0.46g,5mmol）,碳酸钾（0.69g,5mmol）,3-溴喹啉（1.04g,5mmol）,40ml分子筛除水的N,N-二甲基甲酰胺.100℃下加热反应48个小时。反应结束以后，将反应液倾倒于水中。将水相用二氯甲烷萃取三次。萃取液依次用去离子水、饱和食盐水洗涤三次以后，用无水硫酸镁干燥1小时。最后将萃取液旋蒸，通过硅胶柱分离提纯，石油醚和乙酸乙酯混合溶剂（20/1,v/v）。最终得到黄色固体1.4g，产率60%。¹H NMR(300MHz,CDCl₃,25℃,TMS):δ(ppm)=(9.19d,J=2.1Hz,1H),8.30(d,J=1.5Hz,1H),8.24(s,1H),8.16-8.12(m,2H),7.85(d,J=8.1Hz,1H),7.76-7.66(m,2H),7.60(d,J=5.4Hz,1H),7.53-7.52(m,1H),7.48(q,J=7.2Hz,1H),7.44-7.41(m,2H),7.31-7.24(m,2H),4.32(t,J=7.2Hz,2H),1.90(m,2H),1.43-1.25(m,6H),0.87(t,J=6.9Hz,3H).¹³C NMR（75MHz，CDCl₃,25℃，TMS）:149.45,147.05,140.93,140.62,132.08,131.61,131.09,129.14,128.89,128.34,127.90,127.72,126.96,125.97,124.52,123.32,122.85,122.30，120.44,119.18,119.04,109.02,108.95,43.26,31.65,28.96,26.95,22.52,13.96.HRMS calc for C₂₉H₂₈N₂:405.2325[M+H]⁺;found:405.2320。

实施例1：14-己基-咔唑并菲啶（Ⅰa）的制备

具体步骤如下：

（1）将有机溶剂苯用常压蒸馏的方法进行纯化，在惰性气氛下保存待用；

（2）将反-9-己基-3-（2-喹啉-乙烯基）咔唑（Ⅱa，0.45mmol）和碘（I₂，0.46mmol）加入到步骤（1）纯化的500ml有机溶剂苯中，边溶解边快速搅拌，完全溶解后，通惰性气体30分钟；

（3）在持续搅拌情况下，将18ml环氧丙烷加入步骤（2）所得的溶液中，使溶液中环氧丙烷的浓度为0.51摩尔/升；

（4）用500W的高压汞灯透过石英玻璃照射步骤（3）所得的溶液10分钟至反应结束，得粗产物；

（5）真空旋蒸出溶剂，将所得的粗产物溶解在三氯甲烷中，依次用质量分数为15%的Na₂S₂O₃溶液和蒸馏水洗涤；

（6）对有机滤液进行萃取、洗涤、干燥、旋干、硅胶柱层析、重结晶分离提纯后，得到14-己基-咔唑并菲啶（Ⅰa）。

现将14-己基-咔唑并菲啶的波谱分析如下：

¹H NMR(300MHz,CDCl₃,25℃,TMS):δ(ppm)=9.36(s,1H),9.26(dd,J=8.1Hz,1H),9.07(s,1H),8.72(s,1H),8.39(dd,J=8.1Hz,1H),8.30(d,J=7.5Hz,1H),8.17(d,J=8.7Hz,1H),7.85-7.74(m,3H),7.64-7.59(m,1H),7.48(d,J=8.1Hz,1H),7.36-7.31(m,1H),4.44(t,J=7.2Hz,2H),2.06-1.96(m,2H),1.57-1.47(m,2H),1.45-1.23(m,4H),0.87(t,J=6.9Hz,3H).¹³C NMR（75MHz，CDCl₃,25℃，TMS）:152.32,145.95,142.99,140.87,131.27,130.03,129.79,129.43,129.03,127.93,127.74,127.34,126.73,126.27,125.49,125.12,125.00,122.18,121.44,119.76,119.32,108.77,105.73,43.41,31.65,28.82,27.23,22.61,14.02。HRMS calc for C₂₉H₂₆N₂:403.2169[M+H]⁺;found:403.2293。

原料反-9-己基-3-（2-喹啉-乙烯基）咔唑的核磁共振谱、质谱如附图所示。

14-己基-咔唑并菲啶的单晶培养及解析：室温下在饱和的14-己基-咔唑并菲啶二氯甲烷溶液中加入适量的乙醇，混合均匀，缓慢挥发，得到棒状单晶。正交晶系，空间群Pna2₁，晶胞参数

V=2287.126A³。

实施例2：11‐溴‐14‐己基‐咔唑并菲啶Ⅰ(b)的制备

化学反应式如下：

实施例3：11-二（三甲苯基）硼基-14-己基-咔唑并菲啶Ⅰ(c)的制备

化学反应式如下：

实施例4：1-吡啶-14-己奎-咔唑并菲啶I（a)的制备

化学反应式如下：

Claims (8)

1.一种基于咔唑和喹啉的氮杂芳香稠环化合物，其特征在于，结构通式Ⅰ如下：

其中，取代基R₁-R₁₄各自独立的为H，C₁-C₆的烷基，卤素或含C、N、O、S原子的芳香环或芳香杂环。

2.如权利要求1所述的化合物，其特征在于，其中，取代基R₁-R₁₄各自独立的为H，C₁-C₆的烷基、Cl、Br、苯或吡啶。

3.如权利要求1或2所述的化合物，其特征在于，R₁₁为C₁-C₆的烷基、Cl、Br、苯或吡啶；R₁₄为C₁-C₆的烷基；R₁-R₁₀、R₁₂-R₁₃为H。

4.如权利要求3所述的化合物，其特征在于，化合物是下列之一：

14‐己基‐咔唑并菲啶Ⅰ(a）：

11‐溴‐14‐己基‐咔唑并菲啶Ⅰ(b)：

11‐二（三甲苯基）硼基‐14‐己基‐咔唑并菲啶Ⅰ(c)：

11‐吡啶‐14‐己基‐咔唑并菲啶Ⅰ(d)：

5.如权利要求1所述的化合物的合成方法，以将反-9-己基-3-（2-喹啉-乙烯基）咔唑衍生物为原料，通过光催化闭环反应制备而得；具体步骤如下：

（1）将有机溶剂用蒸馏法纯化，在惰性气氛下保存待用；

（2）将反-9-己基-3-（2-喹啉-乙烯基）咔唑衍生物和化学计量比的碘加入到步骤（1）纯化的有机溶剂中，边溶解边快速搅拌，完全溶解后使溶液中溶质的浓度均为0.001-0.1摩尔/升，通惰性气体30-60分钟；

（3）在持续搅拌情况下，将环氧丙烷加入步骤（2）所得的溶液中，使溶液中环氧丙烷的浓度为0.1-2.5摩尔/升；

（4）用250-500W的高压汞灯透过石英玻璃照射步骤（3）所得的溶液适当时间，得到粗产物；

（5）真空旋蒸出溶剂，将所得的粗产物溶解在三氯甲烷中，用质量分数为10-35%的Na₂S₂O₃溶液和蒸馏水洗涤；

（6）对有机滤液进行分离提纯得到产物。

6.如权利要求,5所述的化合物的合成方法，其特征在于，步骤（1）中所述的有机溶剂选自苯、甲苯、正己烷、四氢呋喃或二氯甲烷中的一种。

7.如权利要求4所述的化合物的合成方法，其特征在于，步骤（6）中的分离提纯是指对有机滤液进行萃取、洗涤、干燥、旋干、硅胶柱层析、重结晶分离后得产物。

8.如权利要求3所述的化合物，其特征在于，其中14-己基-咔唑并菲啶Ⅰ(a）的合成方法，包括如下步骤：

（1）将有机溶剂苯用常压蒸馏的方法进行纯化，在惰性气氛下保存待用；

（2）将反-9-己基-3-（2-喹啉-乙烯基）咔唑0.45mmol和碘0.46mmol加入到步骤（1）纯化的500ml有机溶剂苯中，边溶解边快速搅拌，完全溶解后，通惰性气体30分钟；

（3）在持续搅拌情况下，将18ml环氧丙烷加入步骤（2）所得的溶液中，使溶液中环氧丙烷的浓度为0.51摩尔/升；

（4）用500W的高压汞灯透过石英玻璃照射步骤（3）所得的溶液一段时间反应结束得粗产物；

（5）真空旋蒸出溶剂，将所得的粗产物溶解在三氯甲烷中，依次用质量分数为15%的Na₂S₂O₃溶液和蒸馏水洗涤；

（6）对有机滤液进行萃取、洗涤、干燥、旋干、硅胶柱层析、重结晶分离提纯后，得到14-己基-咔唑并菲啶Ⅰ(a）。

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