CN106366108A - 官能团化的氰硅烷及其合成方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了官能团化的氰硅烷及其合成方法，所述方法包括，将原料卤代硅烷和氰源MCN加入有机溶剂中，在无催化剂或者以金属盐为催化剂的条件下，合成所述官能团化的氰硅烷。所述官能团化的氰硅烷除了可以参与经典TMSCN所能参与的反应，合成氰醇、氨基醇以及α-胺基氰类化合物等重要合成中间体外，还能在加成反应中，通过适当的转化，把硅保护基上带有的官能团转移到所得的加成产物中，从而大大地提高合成效率和反应的原子经济性，并合成一些传统TMSCN试剂不能合成的产物。

Description

官能团化的氰硅烷及其合成方法和应用

技术领域

本发明属于有机化合物工艺应用技术领域，具体涉及官能团化的氰硅烷及其合成方法和应用。

背景技术

氰硅烷是一类重要的氰化试剂，广泛应用于羰基化合物的硅氰化反应中，来合成氨基醇类化合物，以及应用于对亚胺类化合物的Strecker反应中，来合成氨基酸类化合物。这些化合物都是广泛存在于天然化合物和药物分子中，因而长久以来，如何高效地合成多样性的氰硅烷一直是化学家们研究的热点问题。以三甲基氰硅烷为例，常见的合成方法包括：

1)1958，Sharkey报道了使用TMSCl和AgCN反应来制备TMSCN。一方面氰源AgCN是一种昂贵的原料，另一方面，在120℃高温下，反应12h，仅能获得38％的收率，反应过程如路线1所示。(W.H.Sharkey et al,J.Am.Chem.Soc.1958,80,4151-4153)

2)Evans等人在1973年使用廉价的HCN作为氰源实现了TMSCN的合成，虽然反应的产率较高，但是HCN气体大大增加了反应操作的危险性，反应过程如式(Ⅱ)中路线2所示。(D.A.Evans et al,J.Org.Chem.1974,39,914-917)

3)Sukata等人于1987年使用吸附树脂(XAD)吸附的NaCN作为氰源来合成TMSCN，产率较高，但是用于反应的氰源NaCN需要预先制备，使得反应的操作较为繁琐，而且反应的原子经济性较低，反应过程如路线3所示。(K.Sukata,Bull.Chem.Soc.Jpn.1987,60,2257-2258)

4)Xu等人于2005年报道了以多聚乙二醇(PEG400)为相转移催化剂，ZnI₂为Lewis酸催化剂，NaCN为氰源，CH₂Cl₂为溶剂，在超声条件下，较为高效地制备合成了TMSCN，反应过程如路线4所示。(Y.S.Xu et al,Synthetic Commun.2005,35,1271-1276)

尽管有了这么多条合成路线来合成氰硅烷，但是这些方法多只用来合成简单的氰硅烷，对于官能团化的氰硅烷的合成，到目前为止并没有文献报道。

发明内容

为克服现有技术的上述缺陷，本发明提供了一种以商业可得卤代硅烷化合物1为原料，以HCN或商业可得的无机氰酸盐廉价原料MCN作为氰源，便宜易得的无机金属盐MX¹ _n作为Lewis酸催化剂催化原料卤代硅烷化合物1和MCN之间的取代反应，高产率合成一系列高纯度的新型官能团化的氰硅烷2。

本发明合成方法的反应路线，如式(I)所示，

原料卤代硅烷化合物1在Lewis酸催化剂MX¹ _n的催化下和HCN或无机氰酸盐发生取代反应得到所述的新型官能团化的氰硅烷2；

其中，

FG为F、Cl、Br、I、OMs、OTs、NO₂、CF₃、CN、CO₂R、CONR₂、-CH＝CR₂、-C≡CR，其中，R为10个碳原子以下的烷基或芳基；CONR₂等羰基化合物；-CH＝CR₂和-C≡CR为含有不饱和碳碳键的官能团；

R¹为10个碳原子以下的烷基或芳基；

X为F、Cl、Br、I、OTf；

n＝1-10；

所述MCN为HCN或无机氰酸盐，M＝H、Li、Na、K、Mg、Ca、Ag、NH₄ ⁺；

所述Lewis酸催化剂MX¹ _n为无机盐，M＝Li、Na、K、Mg、Ca、Ag、NH4+，X1＝Br、I、OTf，n＝1-3；

其俄中，所述反应在氮气中温度为-20-200℃条件下进行。

其中，卤代硅烷化合物1为商业可得的原料；MCN为提供氰源的试剂；

无机盐催化剂MX¹ _n催化原料1和MCN之间的取代反应的催化剂；

所述产物2为相应的新型硅氰化试剂。

其中，所述卤代硅烷、MCN和催化剂MX¹ _n的摩尔比为100-300：150-300：3-9。

其中，所述有机溶剂为二甲基甲酰胺(DMF)、二甲基乙酰胺、二甲基亚砜(DMA)、N-甲基吡咯烷酮(NMP)、六甲基磷酰三胺(HMPA)、四氢呋喃(THF)、乙腈、二氯甲烷、甲苯之任一的一种或多种。

所述新型硅氰化试剂2为目标产物，其特征在于，所述卤代硅烷化合物1为商业可得的原料其中：FG可以是F、Cl、Br、I等卤素原子、OMs、OTs等离去基团；NO₂、CF₃、CN等强拉电子基团；CO₂R或者CONR₂(R＝10个碳原子以下的烷基或芳基)等羰基化合物；-CH＝CR₂、-C≡CR(R＝10个碳原子以下的烷基或芳基)等含有不饱和碳碳键的官能团；R¹为10个碳原子以下的烷基或芳基；n＝1-10。

本发明还公开了官能团化的氰硅烷，如下结构式(1)所示：

其中，

FG为F、Cl、Br、I、OMs、OTs、NO₂、CF₃、CN、CO₂R、CONR₂、-CH＝CR₂、-C≡CR，其中，R为10个碳原子以下的烷基或芳基；

R¹为10个碳原子以下的烷基或芳基；

n＝1-10。

本发明还公开了一种根据本发明制备方法合成的官能团化的氰硅烷。

本发明还公开了将所述官能团化的氰硅烷用于加成反应中，通过适当的转化，把硅保护基上带有的官能团转移到所得的加成产物中，从而大大地提高合成效率和反应的原子经济性。

在硅氢化反应中，在一个干燥的Schlenk管中，向原料中加入(R,R)-Salen/Al、Ph₃PO和无水二氯甲烷，将所得的混合溶液在搅拌后加入本发明方法所制备的官能团化的氰硅烷，反应过程通过薄层层析进行监测，待原料消耗完毕后，直接进行柱层析，并测到产率。

在官能团转移反应中，在一个干燥的25mLSchlenk管中，加入本发明方法所制备的官能团化的氰硅烷和无水THF，所得溶液搅拌后缓慢滴加正丁基锂，反应过程通过薄层层析进行监测，待原料10a消耗完毕后，用4mol/L的盐酸淬灭，所得混合溶液用乙酸乙酯萃取3次，合并有机相后旋出溶剂，直接进行柱层析，测定产率。

本发明的有益之处在于，本发明所用各种试剂均可商业所得，原料来源广泛，价格低廉，且各种试剂常温常压下能够稳定存在，操作处理方便，无须特殊处理；本反应的催化剂对空气和水稳定，反应适合大量生产；本发明操作条件十分温和，对设备要求简单，后处理也无特别要求；本发明所使用的廉价催化剂，在保持良好催化效果、降低成本的同时，达到了简化工艺、降低成本、方便后处理工序，溶剂的回收利用便捷，减少环境污染等要求；本发明所合成的官能团化的氰硅烷具有广泛的应用前景。所述官能团化的氰硅烷参与硅氰化反应，除了可以构建经典TMSCN所能构建的氨基醇以及氨基酸之外，还能在加成反应中，通过适当的转化，把硅保护基上带有的官能团转移到所得的加成产物中，从而提高合成效率。

具体实施方式:

结合以下实施例进一步详细地说明本发明，以下实施例显示了本发明的不同方面，但本发明的保护内容不局限于以下实施例。在不背离发明构思的精神和范围下，本领域技术人员能够想到的变化和优点都被包括在本发明中，并且以所附的权利要求书为保护范围。实施本发明的过程、条件、试剂、实验方法等，除以下专门提及的内容之外，均为本领域的普遍知识和公知常识，本发明没有特别限制内容。以下实施例所给出的数据包括合成的操作和反应条件及产物。

1)由化合物1aa-1ae到化合物2a的转化

通用操作流程1：在一个干燥的250mL三颈瓶中，加入新蒸的1(100-300mmoL)、MCN(150-300mmoL)、催化剂MI_n(3-9mmoL)和有机溶剂(100mL)，所得的混合溶液在表1所示的温度下搅拌进行。反应过程通过GC进行监测，待原料1aa-1ae消耗完毕后，经减压蒸馏得到如式(Ⅲ)所示的2a。

实施例1-22的具体实验操作见通用操作流程1，各实施例的具体反应条件和产率的见表1；其中式(Ⅲ)中1分别代表表1中的1aa-1ae。

表1 1-22的具体实施例的具体反应条件和产率

化合物2a的表征如下：

2)由化合物1b-1e到化合物2b-2e的转化

通用操作流程2：在一个干燥的250mL三颈瓶中，加入新蒸的卤代硅烷1(150mmol)、NaCN(200mmol)、催化剂KI(6mmol)和有机溶剂(100mL)，所得混合溶液在表2所示的温度下搅拌进行。反应过程通过GC进行监测，待原料卤代硅烷1消耗完毕后，经减压蒸馏得到如式(Ⅳ)所示化合物2；

实施例23-41的具体实验操作见通用操作流程2，各实施例的具体反应条件和产率的见表2，其中式(Ⅳ)中1分别代表表2中的1b-1e，2分别代表表2中的2b-2e。

表2 23-41的具体实施例的具体反应条件和产率

2b-2e的表征如下：

实施例42：实施例4合成的官能团化的氰硅烷2a参与的硅氢化反应

在一个干燥的25mL Schlenk管中，加入(R,R)-Salen/Al(3.0mg,0.005mmol)，Ph₃PO(13.9mg,0.05mmol)，3a(70mg,0.5mmol)后无水二氯甲烷(1.0mL)，所得的混合溶液在-30℃下搅拌0.5h后加入2a(125μL,1.0mmol)，反应过程通过薄层层析进行监测，待原料3a消耗完毕后，经过直接柱层析可得如式(V)所示4a，产率为93％。

2H),5.83(s,1H),2.86(s,2H),0.56(s,6H)；¹³C NMR(100MHz,CDCl₃):δ133.9,130.2,128.5,120.5,118.4,64.8,37.6,-0.58；

实施例43：实施例4合成的官能团化的氰硅烷2a参与的硅氢化反应

在一个干燥的25mLSchlenk管中，加入(R,R)-Salen/Al(3.0mg,0.005mmol)，Ph₃PO(41.7mg,0.15mmol)，6a(77mg,0.5mmol)后无水二氯甲烷(1.0mL)，所得的混合溶液在25℃下搅拌0.5h后加入2a(125μL,1.0mmol)，反应过程通过薄层层析进行监测，待原料6a消耗完毕后，经过直接柱层析可得如式(VI)所示的7a，产率为95％。

2H),2.86(s,2H),1.87(s,3H),0.59(s,6H)；¹³C NMR(100MHz,CDCl₃):δ134.9,128.3,125.5,119.5,118.4,65.6,36.7,30.9,-0.57。

实施例44：实施例4合成的官能团化的氰硅烷2a参与的硅氢化反应

在一个干燥的25mLSchlenk管中，加入(R,R)-Salen/Al(3.0mg,0.005mmol)，Ph₃PO(41.7mg,0.15mmol)，9a(74mg,0.5mmol)后无水二氯甲烷(1.0mL)，所得的混合溶液在25℃下搅拌0.5h后加入2a(125μL,1.0mmol)，反应过程通过薄层层析进行监测，待原料9a消耗完毕后，经过直接柱层析可得如式(VII)所示的10a，产率为89％。

2H),2.16(s,3H),1.78(s,3H),0.33(s,6H)；¹³C NMR(100MHz,CDCl₃):δ142.9,125.9,128.5,128.1,120.4,67.9,42.5,35.7,27.8,25.9,-0.57。

实施例45：实施例44合成的官能团化的氰硅烷10a参与的官能团转移反应

在一个干燥的25mL Schlenk管中，加入10a(140.0mg,0.5mmol)，无水THF(5.0mL)，所得的溶液在-78℃下搅拌0.5h后缓慢滴加正丁基锂(1M in THF,0.6mL,0.6mmol)，反应过程通过薄层层析进行监测，待原料10a消耗完毕后，用4mol/L的盐酸淬灭，所得混合溶液用乙酸乙酯萃取3次，合并有机相后旋出溶剂后经过直接柱层析可得如式(VIII)所示的12a产率为85％。

2H),2.57(t,J＝8.9Hz,2H),2.16(t,J＝8.4Hz,2H),1.28(s,3H)；¹³C NMR(100MHz,CDCl₃):δ204.9,142.9,125.9,128.5,128.1,77.9,45.2,35.5,27.5,21.9。

Claims (7)

1.官能团化的氰硅烷的合成方法，其特征在于，将原料卤代硅烷和氰源MCN加入有机溶剂中，在无催化剂或以金属盐为催化剂的条件下，合成所述官能团化的氰硅烷，所述方法如式(I)所示，

其中，

FG为F、Cl、Br、I、OMs、OTs、NO₂、CF₃、CN、CO₂R、CONR₂、-CH＝CR₂、-C≡CR，其中，R为10个碳原子以下的烷基或芳基；

R¹为10个碳原子以下的烷基或芳基；

X为F、Cl、Br、I、OTf；

n＝1-10；

所述MCN为HCN或无机氰酸盐，其中，M＝H、Li、Na、K、Mg、Ca、Ag、NH₄ ⁺；

所述催化剂MX¹ _n为无机盐，其中，M＝Li、Na、K、Mg、Ca、Ag、NH₄ ⁺，X¹＝Br、I、OTf，n＝1-3。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述反应在氮气中温度为-20-200℃条件下进行。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述卤代硅烷、MCN、催化剂MX¹ _n的摩尔比为卤代硅烷：MCN：MX¹ _n＝100-300：150-300：3-9。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述有机溶剂为二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺、二甲基亚砜、N-甲基吡咯烷酮、六甲基磷酰三胺、四氢呋喃、乙腈、二氯甲烷、甲苯之任一的一种或多种。

5.官能团化的氰硅烷，其特征在于，如下结构式(1)所示：

其中，

FG为F、Cl、Br、I、OMs、OTs、NO₂、CF₃、CN、CO₂R、CONR₂、-CH＝CR₂、-C≡CR，其中，R为10个碳原子以下的烷基或芳基；

R¹为10个碳原子以下的烷基或芳基；

n＝1-10。

6.如权利要求5所述的官能团化的氰硅烷，其特征在于，所述官能团化的氰硅烷由权利要求1所述的方法合成。

7.将权利要求5或6所述的官能团化的氰硅烷用于硅氰化反应和官能团转移反应的应用。