CN108203399B - 一种二氰基二芳基乙烯类化合物的合成方法 - Google Patents

一种二氰基二芳基乙烯类化合物的合成方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种二氰基二芳基乙烯类化合物的合成方法，所述方法在空气氛围中，以取代苯乙腈为原料，以Ru/C、K2CO3为催化剂，在邻二氯苯中，于140～160℃反应完全后，将反应液分离纯化，获得二氰基二芳基乙烯类化合物；本发明所用Ru/C催化剂不仅廉价易得，而且因其在反应中为非均相催化体系，因此其催化剂和溶剂非常方便回收，并且可重复套用；反应原料多样且廉价易得，适合于合成各种取代的二氰基二芳基乙烯类化合物；后处理简单，产品纯度好，产率高。

Description

一种二氰基二芳基乙烯类化合物的合成方法
(一)技术领域
本发明涉及一种二氰基二芳基乙烯类化合物的合成方法。
(二)背景技术
烯腈化合物是有机合成的重要中间产物。烯腈类化合物存在于自然界以及人类现在生活中的各个方面，是许多天然产物以及药物的基本构成骨架和重要组成单元。特别是二氰基二芳基乙烯类化合物，其应用更是极其广泛，如它可应用在化工、医药、材料等行业中，因此它有合成方法一直受到人们的关注。Hsiu-Chih Yeh等利用碘与醇钠合成二氰基二苯乙烯化合物，此类方法合成过程中需要用到底温、易燃易爆溶剂乙醚、后处理麻烦，而且催化剂无法回收利用(Hsiu-Chih Yeh等，J.Org.Chem.2004,69,6455-6462)。Elison等采用电催化氧化偶联的方法合成了二氰基二芳基乙烯类化合物(Elison MN.Eur.J.Org.Chem.2007,18,3023-3027)，该方法二氰基二芳基乙烯类化合物产率低，只有61％左右。Kowalkowska等以α氨基取代的苯乙腈季胺盐(硫酸甲酯盐)为原料合成了二氰基二苯基乙烯(Kowalkowska等，Eur.J.Org.Chem.2005,5,925-933.)，收率62％，该法收率低、原料成本高。Papa A J.采用2-氯四甲基胍氧化含活性氢化合物的方法制以23％的收率备了二氰基二苯基乙烯(Papa A J.等，J.Org.Chem.1966,31,1430-1433.)。Arseniyadis等以α溴代苯乙腈和氢氧化钾为原料，零下15℃下制备了二氰基二芳基乙烯类化合物(Arseniyadis等1984，Organic Reactions(Hoboken,NJ,United States),31)。以上这些二氰基二芳基乙烯类化合物的合成方法均存在着一些不足，制约着其成为产业化的可能。
钌催化剂的特点在于催化性能优异，价格便宜。近些年来发展很快，这个领域的研究也逐渐成为一个热点。本发明采用廉价的商业化产品Ru/C为催化剂，开发出了一种新型高效绿色环保适合于产业化的二氰基二芳基乙烯类化合物的合成方法。
(三)发明内容
本发明目的是提供一种新型的式(Ⅱ)所示的二氰基二芳基乙烯类化合物的合成方法，该方法操作简单，后处理方便，产品收率高，纯度好，尤其是催化剂和溶剂可重复套用，以空气作为氧化剂，不仅节约了生产成本，而且体现了环境友好，非常适合于工业化大生产。
本发明采用的技术方案是：
本发明提供了一种式(II)所示二氰基二芳基乙烯类化合物的合成方法，所述方法按如下步骤进行：在空气氛围中，以式(I)所示取代苯乙腈为原料，以Ru/C、K2CO3为催化剂，在邻二氯苯中，于140～160℃反应完全后，将反应液分离纯化，获得式(II)所示二氰基二芳基乙烯类化合物；
反应式如下：
Figure BDA0001560326610000021
式(I)中，R1选自下列基团之一：H、卤素、三氟甲基、叔丁基或甲基，R1的取代位可为苯环上邻位、间位、对位的一种、两种或三种。
进一步，式(I)所示取代苯乙腈与K2CO3的投料摩尔比为1:0.5-2.0，优选1:1.5。
进一步，本发明使用的炭载钌(Ru/C)催化剂可使用市售商品，也可以根据文献报道方法自行制备，Ru/C催化剂的用量以Ru的摩尔量计，所述Ru物质的量为式(I)所示取代苯乙腈物质的量的2‰～10‰(即式(I)所示取代苯乙腈与Ru物质的量物质的量之比为1:0.005-0.01)，优选为5‰。
进一步，本发明在140～160℃(优选160℃)，反应20～35小时。
进一步，所述邻二氯苯体积用量以式(I)所示取代苯乙腈物质的量计为5-10ml/mmol。
进一步，完全反应后，反应混合物经常规后处理即可得到式(II)所示的二氰基二芳基乙烯类化合物，所述的常规后处理步骤包括：完全反应后，向反应液中加入1-2倍体积水，搅拌均匀后进行一次过滤，获得一次滤液和一次滤饼，用邻二氯苯洗涤一次滤饼，二次过滤，获得二次滤饼和二次滤液，二次滤饼回收催化剂利用，合并一次滤液和二次滤液静置分层后收集有机相，减压蒸馏回收有机溶剂重复利用，取蒸馏后的浓缩物用乙醇进行重结晶，三次过滤，三次滤液回收乙醇，三次滤饼即为式(II)所示二氰基二苯乙烯化合物。
本发明的创新点在于，本发明开发了一种新型的钌催化的C-H键活化氧化、再经歧化亲核加成、脱水等串联反应一锅法合成二氰基二芳基乙烯类化合物的方法，其反应机理如图1所示：催化剂Ru和化合物I配位后Ru插入到α-C-H键中间，产生C-H键活化中间体A，活化中间体A接受空气氧化生成中间体B，中间体B脱水后得到中间体化合物C，并且催化剂Ru获得再生。在碱性环境中，化合物I中的α-C形成碳负离子，与化合物C发生亲核加成反应后脱水得到目标产物Ⅱ。
与现有技术相比，本发明的有益效果主要体现在：
1、本发明以串联反应的方式一锅法完成了C-H键活化氧化、歧化亲核加成、脱水等反应，制备了二氰基二芳基乙烯类化合物。大大缩短了该类化合物的制备工艺路线，从而开发了一种新型的钌催化的一锅法合成二氰基二芳基乙烯类化合物的方法；同时也拓展了钌碳催化剂的应用范围，丰富了钌化学。
2、本发明所用催化剂和溶剂可实现回收利用，减少了反应成本，最主要的是减少了对环境的污染，符合绿色合成的要求；具体如下：(1)所用催化剂Ru/C不仅廉价易得，而且因其在反应中为非均相催化剂，易于回收，可重复套用；(2)本发明实现了溶剂(邻二氯苯)的循环利用。
3、反应底物谱广，原料廉价易得，产品产率高。
4、本发明为空气参与作为氧化剂的反应，反应在空气气氛下即可实现，减少了反应成本和对环境的污染，符合绿色合成的要求。
(四)附图说明
图1钌催化的碳氢C-H活化成双键反应机理图。
(五)具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行进一步描述，但本发明的保护范围并不仅限于此：
本发明实施例使用的Ru/C购自康纳新型材料(杭州)有限公司，型号为K0803，其中Ru含量为5％(g/g)。
实施例1：二氰基二苯乙烯(II-1)的制备
反应式如下：
Figure BDA0001560326610000031
在空气气氛下，加入0.1g(Ru摩尔量为(I-1)的5‰)Ru/C催化剂、15mmol K2CO3到反应瓶中，再加入50mL邻二氯苯，然后在搅拌状态下将1.172g(10mmol)苯乙腈(I-1)加入到反应瓶中，温度保持在160℃左右，搅拌反应30小时，TLC监测至原料(I-1)基本反应完全。反应结束后向反应液中加入20mL水，搅拌均匀后进行一次过滤，获得一次滤饼和一次滤液，用5mL邻二氯苯洗涤一次滤饼后进行二次过滤，二次滤饼回收得Ru/C催化剂；合并一次滤液和二次滤液，静置分层后收集有机相，经10mmHg下减压蒸馏(收集沸点为58℃至63℃时的馏份)回收邻二氯苯，用于下一批反应。向蒸馏残余物中加入15mL乙醇进行重结晶，三次过滤，三次滤饼即为式(II-1)所示二氰基二苯乙烯化合物1.059g，收率92％，GC-MS纯度99.0％。三次滤液经旋转蒸发仪蒸发回收乙醇，用于下一批反应。化合物式(II-1)的结构表征如下：
1H-NMR(CDCl3):δ7.85(m,4H),7.57(m,6H)；13C-NMR(CDCl3):δ132.00,131.15,129.39,128.69,125.60,116.66；GC-MS(EI):m/z 230[M+]
实施例2：二氰基二对氯苯乙烯(II-2)的制备
反应式如下：
Figure BDA0001560326610000041
在空气气氛下，加入0.1g(Ru摩尔量为(I-1)的5‰)Ru/C催化剂、15mmol K2CO3到反应瓶中，再加入50mL邻二氯苯，然后在搅拌状态下将1.516g(10mmol)对氯苯乙腈(I-2)加入到反应瓶中，温度保持在160℃左右，搅拌反应30小时，以下操作同实施例1，最后得式(II-2)所示二氰基二对氯苯乙烯化合物1.406g，收率94％，GC-MS纯度99.0％。化合物式(II-2)的结构表征如下：
1H-NMR(CDCl3):δ7.73(d,2H,J＝6Hz),7.51(d,2H,J＝12Hz),7.35-7.32(m,4H)；IRνmax(cm-1):3092,2224,1592,1492,1404,1257,1093,1012,826,824；GC-MS(EI):m/z 298[M+]
实施例3：二氰基二间三氟甲基苯乙烯(II-3)的制备
反应式如下：
Figure BDA0001560326610000051
在空气气氛下，加入0.1g(Ru摩尔量为(I-1)的5‰)Ru/C催化剂、15mmol K2CO3到反应瓶中，再加入50mL邻二氯苯，然后在搅拌状态下将1.852g(10mmol)间三氟甲基苯乙腈(I-3)加入到反应瓶中，温度保持在160℃左右，搅拌反应35小时，以下操作同实施例1，最后得式(II-3)所示二氰基二间三氟甲基苯乙烯化合物1.593g，收率87％，GC-MS纯度99.0％。化合物式(II-3)的结构表征如下：
1H-NMR(CDCl3):δ8.12(s,2H),7.92(m,2H),7.69(m,2H),7.54(m,2H)；13C-NMR(CDCl3):δ141.58,133.41,132.03,130.23,129.21,125.54,124.12,122.15,115.68；IRνmax(cm-1):2226,1333,1171,1132,803,697；GC-MS(EI):m/z 366[M+].
实施例4：二氰基二对甲基苯乙烯(II-4)的制备
反应式如下：
Figure BDA0001560326610000052
在空气气氛下，加入0.2g(Ru摩尔量为(I-1)的10‰)Ru/C催化剂、15mmol K2CO3到反应瓶中，再加入50mL邻二氯苯，然后在搅拌状态下将1.312g(10mmol)对甲基苯乙腈(I-4)加入到反应瓶中，温度保持在160℃左右，搅拌反应35小时，以下操作同实施例1，最后制得式(II-4)所示二氰基二对甲基苯乙烯化合物1.137g，收率88％，GC-MS纯度99.0％。化合物式(II-4)的结构表征如下：
1H-NMR(CDCl3):δ7.74(d,4H,J＝10.2Hz),7.34(d,4H,J＝10.2Hz),2.45(s,6H)；13C-NMR(CDCl3):δ142.401,129.944,129.208,128.638,124.621,117.055,21.473；IRνmax(cm-1):2218,1728,1805,1509,1184,509,493；GC-MS(EI):m/z 258[M+].
实施例5：二氰基二对甲氧基苯乙烯(II-5)的制备
反应式如下：
Figure BDA0001560326610000061
在空气气氛下，加入0.1g(Ru摩尔量为(I-1)的5‰)Ru/C催化剂、15mmol K2CO3到反应瓶中，再加入50mL邻二氯苯，然后在搅拌状态下将1.472g(10mmol)对甲氧基苯乙腈(I-5)加入到反应瓶中，温度保持在160℃左右，搅拌反应35小时，以下操作同实施例1，最后制得式(II-5)所示二氰基二对甲氧基苯乙烯化合物1.248g，收率86％，GC-MS纯度99.0％。化合物式(II-5)的结构表征如下：
1H-NMR(CDCl3):δ7.81(d,4H,J＝10.8Hz),7.02(d,4H,J＝10.8Hz),3.90(s,6H)；13C-NMR(CDCl3):δ162.05,130.46,124.66,122.84,117.33,114.61,55.56；IRνmax(cm-1):1507,1514,1303,1260,1186,826,519；GC-MS(EI):m/z 290[M+]
实施例6：二氰基二对叔丁基苯乙烯(II-6)的制备
反应式如下：
Figure BDA0001560326610000062
在空气气氛下，加入0.1g(Ru摩尔量为(I-1)的5‰)Ru/C催化剂、15mmol K2CO3到反应瓶中，再加入50mL邻二氯苯，然后在搅拌状态下将1.733g(10mmol)对特丁基苯乙腈(I-6)加入到反应瓶中，温度保持在160℃左右，搅拌反应35小时，以下操作同实施例1，最后制得式(II-6)所示二氰基二对叔丁基苯乙烯化合物1.456mg，收率85％，GC-MS纯度99.0％。化合物式(II-6)的结构表征如下：
1H-NMR(CDCl3):δ7.80(d,4H,J＝9.6Hz),7.55(d,4H,J＝10.2Hz),1.38(s,18H)；13C-NMR(CDCl3):δ155.37,129.78,128.55,128.05,126.25,117.09,34.97,31.23；IRνmax(cm-1):3441,2901,1607,1506,1459,1105,837；GC-MS(EI):m/z 342[M+].
实施例7：二氰基二邻氯苯乙烯(II-7)的制备
反应式如下：
Figure BDA0001560326610000071
在空气气氛下，加入0.075g(Ru摩尔量为(I-1)的5‰)Ru/C催化剂、15mmol K2CO3到反应瓶中，再加入50mL邻二氯苯，然后在搅拌状态下将1.516g(10mmol)邻氯苯乙腈(I-7)加入到反应瓶中，温度保持在155℃左右，搅拌反应35小时，以下操作同实施例1，最后制得式(II-7)所示二氰基二邻氯苯乙烯化合物1.212mg，收率81％，GC-MS纯度99.0％。化合物式(II-7)的结构表征如下：
1H-NMR(CDCl3):δ7.73(d,2H,J＝6Hz),7.51(d,2H,J＝12Hz),7.35-7.32(m,4H)；IRνmax(cm-1):3092,2224,1592,1492,1404,1257,1093,1012,826,824；GC-MS(EI):m/z 298[M+]
实施例8：二氰基二对氟苯乙烯(II-8)的制备
反应式如下：
Figure BDA0001560326610000072
在空气气氛下，加入0.1g(Ru摩尔量为(I-1)的5‰)Ru/C催化剂、15mmol K2CO3到反应瓶中，再加入50mL邻二氯苯，然后在搅拌状态下将1.352g(10mmol)对氟苯乙腈(I-8)加入到反应瓶中，温度保持在160℃左右，搅拌反应35小时，以下操作同实施例1，最后制得式(II-8)所示二氰基二对氟苯乙烯化合物1.185mg，收率89％，GC-MS纯度99.0％。化合物式(II-8)的结构表征如下：
1H-NMR(500M Hz,CDCl3):δ7.89-7.84(m,4H),7.27-7.24(m,4H)；IRνmax(cm-1):3079,2224,1598,1515,1257,1013,839,783；GC-MS(EI):m/z 266[M+]
实施例9：二氰基二苯乙烯(II-1)的制备
反应式如下：
Figure BDA0001560326610000081
在空气气氛下，加入0.1g(Ru摩尔量为(I-1)的5‰)Ru/C催化剂、5mmol K2CO3到反应瓶中，加入60mL邻二氯苯，然后在搅拌状态下将1.172g(10mmol)苯乙腈(I-1)加入到反应瓶中，以下操作同实施例1，最终制得式(II-1)所示二氰基二苯乙烯化合物0.81g，收率70％。化合物式(II-1)的结构表征同实施例1。
实施例10：二氰基二苯乙烯(II-1)的制备
反应式如下：
Figure BDA0001560326610000082
在空气气氛下，加入0.1g(Ru摩尔量为(I-1)的5‰)Ru/C催化剂、10mmolK2CO3到反应瓶中，加入40mL邻二氯苯，然后在搅拌状态下将1.172g(10mmol)苯乙腈(I-1)加入到反应瓶中，以下操作同实施例1，最终制得式(II-1)所示二氰基二苯乙烯化合物0.92mg，收率80％。化合物式(II-1)的结构表征同实施例1。
实施例11：二氰基二苯乙烯(II-1)的制备
反应式如下：
Figure BDA0001560326610000083
在空气气氛下，加入0.1g(Ru摩尔量为(I-1)的5‰)Ru/C催化剂、12mmol K2CO3到反应瓶中，然后加入50mL间二氯苯，然后在搅拌状态下将1.172g(10mmol)苯乙腈(I-1)加入到反应瓶中，温度保持在155℃左右，搅拌反应35小时，以下操作同
实施例1，最终制得式(II-1)所示二氰基二苯乙烯化合物0.98g，收率85％。化合物式(II-1)的结构表征同实施例1。
实施例12：二氰基二苯乙烯(II-1)的制备
反应式如下：
Figure BDA0001560326610000091
在空气气氛下，加入0.1g(Ru摩尔量为(I-1)的5‰)Ru/C催化剂、10mmol K2CO3到反应瓶中，加入50mL邻二甲苯，然后在搅拌状态下将1.172g(10mmol)苯乙腈(I-1)加入到反应瓶中，温度保持在140℃左右，搅拌反应35小时，以下操作同实施例1，最终制得式(II-1)所示二氰基二苯乙烯化合物0.82g，收率71％。化合物式(II-1)的结构表征同实施例1。
实施例13：二氰基二对氯苯乙烯(II-2)的制备
反应式如下：
Figure BDA0001560326610000092
在空气气氛下，加入0.04g(Ru摩尔量为(I-1)的2‰)Ru/C催化剂、12mmol K2CO3到反应瓶中，然后加入50mL邻二氯苯，然后在搅拌状态下将1.516g(1mmol)对氯苯乙腈(I-2)加入到反应瓶中，温度保持在160℃左右，搅拌反应35小时，以下操作同实施例1，最终制得式(II-2)所示二氰基二对氯苯乙烯化合物1.31g，收率88％。化合物式(II-2)的结构表征同实施例2。
实施例14：制备二氰基二苯乙烯(II-1)反应催化剂和溶剂的回收利用实验。
反应式如下：
Figure BDA0001560326610000101
在空气气氛下，加入0.1g(Ru摩尔量为(I-1)的5‰)Ru/C催化剂、15mmol K2CO3到反应瓶中，再加入50mL邻二氯苯，然后在搅拌状态下将1.172g(10mmol)苯乙腈(I-1)加入到反应瓶中，温度保持在160℃左右，搅拌反应30小时，TLC监测反应至原料(I-1)基本反应完全。反应结束后向反应液中加入20mL水，搅拌均匀后一次过滤，获得一次滤液和一次滤饼，用5mL邻二氯苯洗涤一次滤饼后二次过滤，二次滤饼回收得Ru/C催化剂，用于下一批反应；合并一次滤液和二次滤液，静置分层后收集有机相，经10mmHg下减压蒸馏(收集沸点为58℃至63℃时的馏份)回收邻二氯苯，用于下一批反应。向蒸馏残余物中加入15mL乙醇进行重结晶，三次过滤，三次滤饼即为式(II-1)所示二氰基二苯乙烯化合物。三次滤液经旋转蒸发仪蒸发回收乙醇，用于下一批反应。
上述实验催化剂套用重复五次，结果如表1所示。从表1中可以看出本发明所用的催化剂和溶剂有优秀的回用性能。
表1反应催化剂和溶剂的回收利用实验
Figure BDA0001560326610000102
实施例15：催化剂筛选实验
反应式如下：
Figure BDA0001560326610000111
在空气气氛下，加入催化剂、15mmol K2CO3到反应瓶中，再加入50mL邻二氯苯，然后在搅拌状态下将1.172g(10mmol)苯乙腈(I-1)加入到反应瓶中，温度保持在160℃左右，搅拌反应30小时，TLC监测至原料(I-1)基本反应完全。反应结束后，若有产物，后处理同实施例1，实验结果见表2。
表2
Figure BDA0001560326610000112
注：表中催化剂购于安耐吉化学萨恩化学技术(上海)有限公司，钯碳中钯的质量负载量为5％。

Claims (6)

1.一种式(II)所示二氰基二芳基乙烯类化合物的合成方法，其特征在于所述方法按如下步骤进行：在空气氛围中，以式(I)所示取代苯乙腈为原料，以Ru/C、K2CO3为催化剂，在邻二氯苯中，于140～160℃反应完全后，将反应液分离纯化，获得式(II)所示二氰基二芳基乙烯类化合物；
Figure FDA0002534416600000011
式(I)中，R1选自下列基团之一：H、卤素、三氟甲基、叔丁基或甲基。
2.如权利要求1所述二氰基二芳基乙烯类化合物的合成方法，其特征在于所述式(I)所示取代苯乙腈与K2CO3的投料物质的量之比为1:0.5-2.0。
3.如权利要求1所述二氰基二芳基乙烯类化合物的合成方法，其特征在于所述Ru/C用量以Ru物质的量计，所述Ru物质的量为式(I)所示取代苯乙腈物质的量的2‰～10‰。
4.如权利要求1所述二氰基二芳基乙烯类化合物的合成方法，其特征在于所述邻二氯苯体积用量以式(I)所示取代苯乙腈物质的量计为5-10ml/mmol。
5.如权利要求1所述二氰基二芳基乙烯类化合物的合成方法，其特征在于所述反应液分离纯化的方法为：完全反应后，向反应液中加入1-2倍体积水，搅拌均匀后进行一次过滤，获得一次滤液和一次滤饼，用邻二氯苯洗涤一次滤饼，二次过滤，获得二次滤饼和二次滤液，二次滤饼回收催化剂利用，合并一次滤液和二次滤液静置分层后收集有机相，减压蒸馏回收邻二氯苯重复利用，取蒸馏后的浓缩物用乙醇进行重结晶，三次过滤，三次滤液回收乙醇，三次滤饼即为式(II)所示二氰基二苯乙烯化合物。
6.如权利要求1所述二氰基二芳基乙烯类化合物的合成方法，其特征在于所述R1选自下列之一：H、间三氟甲基、间甲基、对叔丁基或对氯。
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