CN110483475B - 一种氧化银催化法制备苯并噻吩类化合物的方法 - Google Patents
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Abstract
本申请提供一种氧化银催化法制备苯并噻吩类化合物的方法,属于杂环化合物制备技术领域。在酸性溶剂存在下,以2‑乙炔基苯甲硫醚及其衍生物为原料,经氧化银催化制备苯并噻吩类化合物。本申请制备步骤简短,反应条件温和,产品收率高,成本低,为苯并噻吩类化合物的制备提供了一种通用的新方法。
Description
技术领域
本申请涉及一种氧化银催化法制备苯并噻吩类化合物的方法,属于杂环化合物制备技术领域。
背景技术
苯并噻吩类化合物(Benzothiophene)是一类重要的杂环类化合物。苯并噻吩衍生物可以用于合成液晶聚合物、超导等新材料,是一种新型的有机光电材料,在新型电池等有机电子材料领域有着良好的应用前景。此外,二苯并噻吩(DBT)及其衍生物作为一类重要的有机合成中间体,在合成杀虫剂、医药、生物产品和硫靛染料等方面也有着极高的应用价值。
目前,合成苯并噻吩类化合物的常用方法有以下几种:①芳基烯基硫醚的分子内环化;②芳基炔基硫醚的分子内环化;③邻炔基苯硫酚(硫醚)的分子内环化;④邻-烯基苯硫酚的分子内环化;⑤芳基羰甲基硫醚分子内环化;⑥β卤-邻卤苯乙烯与无机含硫化合物反应;⑦邻卤苯炔与无机含硫化合物反应;⑧苯二硫醚与取代炔烃反应;⑨苯硫酚与取代炔烃反应;⑩邻氨基(重氮盐)苯甲硫醚与末端炔烃反应。
其中,通过邻炔基苯硫酚(硫醚)分子内环化制备苯并噻吩类化合物的方法,主要有:①以Pd/Cu为催化剂,通过I2、Br2、NBS、p-O2NC6H4SCl或PhSeCl进行亲电环化制备苯并噻吩类化合物,该法条件温和,收率高,但是产生的含卤废液对环境危害较大,不符合绿色化学的理念;②以Au(I)-IPr为催化剂,经环化反应制备苯并噻吩类化合物,该法底物适应性好,但是催化剂昂贵,且反应条件较苛刻;③磺酰基、酰基或磷自由基引发炔烃的分子内串联环化反应制备苯并噻吩类化合物,该法可同时构筑多个化学键,得到结构多样的苯并噻吩衍生物,但该类反应选择性差,副产物多,收率不高。
发明内容
有鉴于此,本申请提供一种氧化银催化进行苯并噻吩类化合物的制备方法,以克服上述现有技术所存在的缺陷。
具体的,本申请以2-乙炔基苯甲硫醚及其衍生物为原料,简洁、高效的苯并噻吩类化合物合成新方法,化合物结构如(I)所示:
制备上述化合物所采取的技术方案如下:
在酸性溶剂存在下,以氧化银为催化剂,2-乙炔基苯甲硫醚衍生物为原料,于低温下一步反应制备得苯并噻吩类化合物(I)。
上述反应的方程式可表达如下:
上述方案中,借助于氧化银作为催化剂,在酸性溶剂的存在下,有效提高了原料的活性,不仅可以在低温条件下完成苯并噻吩类化合物的合成,反应条件温和,也可以在3h左右反应完全,反应结束后中和、萃取、旋干、过柱得精品,其收率可保证在(90-96)%,部分情况下甚至更高。与常规制备方法相比,催化剂为氧化银,具有构成简单、易获取等优点,可以大幅度的降低苯并噻吩类化合物的制备成本,产业化和推广更容易。
在上述方案基础上,我们对催化剂的添加量做了进一步的研究,并确定优选的催化剂添加量满足:氧化银的添加量为投料总质量的(1-10)mol%,催化剂在该范围时,既能保证反应活性良好、原料反应速率和转化率均在85%以上,又能很好的控制成本。在实验过程中,我们发现:当催化剂添加量为(5-8)mol%时催化效果最佳,此时,反应速度快且反应稳定,转化效率在90%以上。
在上述方案基础上,我们对酸性溶剂做了进一步的研究,并确定优选的酸性溶剂满足:酸性溶剂选用盐酸、硫酸、甲酸、丙酸、特戊酸、醋酸、三氟乙酸中的任一种,反应保持在弱酸性条件下进行,氧化银与原料得以充分接触,并有效控制反应速度和反应方向,保证了成品得率。特别是当采用醋酸或三氟乙酸时,对转化速率和反应方向的控制效果最佳。
在上述方案基础上,我们对反应温度做了系统研究,并确定优选的反应参数满足:在40℃以下的低温反应段中,当反应温度为室温(15℃-30℃)时,也能保证成品得率在90-92%范围内,温度过高并不能显著提高得率,相反还额外增加了能耗,不利于成本控制,温度过低则反应活性不佳,反应得率会降低到60%以下,因此,综合考量下,反应温度为(15-30)℃,特别是当反应温度选择在25℃的室温时,反应效果最佳;在上述温度优选范围内,我们对反应时间做了进一步的研究,并确定40℃以下的中低温条件下,反应充分进行需要(2-4)h;当反应在(15-30)℃温度段进行时,最佳状态下反应时间为1.5h时,反应就可充分完成。
确定了基本的反应条件后,我们对精制过程进行了研究,并确定优选的精制工艺为:中和采用无机碱中和,优选价廉易得的氢氧化钠,氢氧化钠溶液浓度为1mol/L;萃取采用二氯甲烷;过柱为石油醚:乙酸乙酯=50:1。
本申请的有益效果如下:
(1)本申请通过酸性溶剂的控制,借助于催化剂氧化银的催化作用,实现了一步反应制备苯并噻吩类化合物,这为该类化合物的制备提供了新方法,该方法反应步骤少,为常温反应,不仅反应温和、反应周期短,且参与反应的原、辅料均为构成简单易得,降低了合成成本。
(2)本申请操作简单,适用底物广,在上述催化剂、酸性溶剂以及碱均为常规试剂,反应过程没有特别苛刻的外在要求,具有良好的拓展性,骨架结构上的取代基R具有很好的反应活性,成品收率均可控制在90%以上。
下面结合具体实施方式对本申请作进一步说明。
附图说明
图1A-1B依次为2-叔丁基苯并噻吩(A1)的1H谱图、13C谱图;
图2A-2B依次为2-环丙基基苯并噻吩(A2)的1H谱图、13C谱图;
图3A-3B依次为2-(2-噻吩基)苯并噻吩(A3)的1H谱图、13C谱图;
图4A-4B依次为2-(2-萘基)苯并噻吩(A4)的1H谱图、13C谱图;
图5A-5B依次为2-苯基苯并噻吩(B1)的1H谱图、13C谱图;
图6A-6B依次为2-(4-甲基苯基)苯并噻吩(B2)的1H谱图、13C谱图;
图7A-7B依次为2-(4-乙基苯基)苯并噻吩(B3)的1H谱图、13C谱图;
图8A-8B依次为2-(4-甲氧基苯基)苯并噻吩(B4)的1H谱图、13C谱图;
图9A-9C依次为2-(4-氟苯基)苯并噻吩(B5)的1H谱图、13C、19F谱图;
图10A-10B依次为2-(4-氯苯基)苯并噻吩(B6)的1H谱图、13C谱图;
图11A-11B依次为2-(4-溴苯基)苯并噻吩(B7)的1H谱图、13C谱图;
图12A-12B依次为2-(4-硝基苯基)苯并噻吩(B8)的1H谱图、13C谱图;
图13A-13B依次为2-(4-醛基苯基)苯并噻吩(B9)的1H谱图、13C谱图;
图14A-14B依次为2-(3-甲基苯基)苯并噻吩(C1)的1H谱图、13C谱图;
图15A-15C依次为2-(3-氟苯基)苯并噻吩(C2)的1H谱图、13C、19F谱图。
具体实施方式
本实施例中使用的分析仪器与设备:核磁共振仪,AVANCE DMX Ⅱ Ⅰ 400M(TMS内标,Bruker公司);高效液相色谱仪:Agilent Technologies 1200 Series。
表1苯并噻吩类化合物的结构
上述结构苯并噻吩类化合物可采用如下制备方法进行具体制备,具体参见
实施例1-实施例10。
实施例1:苯并噻吩(A1)的制备
25mL圆底烧瓶中依次加入2-(3,3-二甲基-1-丁炔-1-基)苯甲硫醚(408.7mg,2mmol),氧化银(23.1mg,0.1mmol),醋酸(20mL),室温下(25℃)搅拌反应1.5小时,随后向反应体系中加入50mL 1M的氢氧化钠溶液,用2x30mL二氯甲烷萃取,合并有机相,无水硫酸钠或无水硫酸镁干燥过夜,旋干,用石油醚:乙酸乙酯=50:1过柱,得到目标化合物342.5mg,无色油状液体,收率90%。
产物结构验证(见附图1A-1B):
1HNMR(δ,ppm,400MHz,CDCl3):7.81(dd,J=8.0,1.1Hz,1H),7.71(dd,J=8.0,1.1Hz,1H),7.34(td,J=7.5,1.2Hz,1H),7.31–7.24(m,1H),7.07(s,1H),1.50(s,9H);
13CNMR(δ,ppm,100MHz,CDCl3):158.24,140.06,138.90,123.98,123.41,122.86,122.10,117.68,34.93,32.19.
实施例2:酸性溶剂的选择
实验条件、投料量等同实施例1不变,选择不同酸性溶剂进行实验,具体如表2所示。
表2不同酸性溶剂反应结果
序号 | 酸性溶剂 | 收率(%) |
1 | 盐酸 | 64 |
2 | 硫酸 | 70 |
3 | 甲酸 | 65 |
4 | 丙酸 | 70 |
5 | 特戊酸 | 55 |
6 | 三氟乙酸 | 92 |
7 | 醋酸 | 94 |
由表2可见:醋酸和三氟乙酸的反应效果好、收率高,故反应溶剂优选醋酸和三氟乙酸。
实施例3:催化剂用量的选择
实验条件、投料量等同实施例1不变,选择不同用量的催化剂进行实验,具体如表3所示。
表3不同用量的催化剂的反应结果
序号 | Ag<sub>2</sub>O(x mol%) | 收率(%) |
1 | 0 | 0 |
2 | 0.3 | 25 |
3 | 0.7 | 45 |
4 | 1 | 76 |
5 | 3 | 88 |
6 | 5 | 90 |
7 | 7 | 92 |
8 | 10 | 94 |
9 | 11 | 94 |
由表3可见:1-10mol%用量的氧化银的反应效果和收率均在较好到优秀,综合考虑氧化银的用量优选5mol%。
实施例4:苯并噻吩(A4)的制备
25mL圆底烧瓶中依次加入2-(2-萘乙炔基)苯甲硫醚(548.8mg,2mmol),氧化银(23.1mg,0.1mmol),醋酸(20mL),室温下(25℃)搅拌反应1.5小时,随后向反应体系中加入50mL 1M的氢氧化钠溶液,用2x30mL二氯甲烷萃取,合并有机相,无水硫酸钠或无水硫酸镁干燥过夜,旋干,用石油醚:乙酸乙酯=50:1过柱,得到目标化合物499.8mg,白色固体,收率96%。
产物结构验证(见附图4A-4B):
1HNMR(δ,ppm,400MHz,CDCl3):8.19(d,J=1.6Hz,1H),7.94–7.87(m,5H),7.84(d,J=5.4Hz,1H),7.72(s,1H),7.54(t t,J=7.1,5.4Hz,2H),7.39(tt,J=8.7,6.6Hz,2H);
13CNMR(δ,ppm,100MHz,CDCl3):144.27,140.78,139.59,133.56,133.13,131.68,128.61,128.21,127.76,126.70,126.38,125.36,124.59,124.45,124.37,123.63,122.31,119.92.
实施例5:苯并噻吩(B1)的制备
25mL圆底烧瓶中依次加入2-苯乙炔基苯甲硫醚(448.6mg,2mmol),氧化银(23.1mg,0.1mmol),醋酸(20mL),室温下(25℃)搅拌反应1.5小时,随后向反应体系中加入50mL 1M的氢氧化钠溶液,用2x30mL二氯甲烷萃取,合并有机相,无水硫酸钠或无水硫酸镁干燥过夜,旋干,用石油醚:乙酸乙酯=50:1过柱,得到目标化合物420.6mg,白色固体,收率90%。
产物结构验证(见附图5A-5B):
1HNMR(δ,ppm,400MHz,CDCl3):7.88(dd,J=7.3,1.6Hz,1H),7.82(dd,J=7.3,1.6Hz,1H),7.78–7.76(m,2H),7.59(s,1H),7.49–7.46(m,2H),7.43–7.32(m,4H);
13CNMR(δ,ppm,100MHz,CDCl3):144.25,140.71,139.51,134.31,128.98,128.29,126.51,124.54,124.34,123.59,122.30,119.47.
实施例6:苯并噻吩(B3)的制备
25mL圆底烧瓶中依次加入2-(4-乙基苯乙炔基)苯甲硫醚(504.8mg,2mmol),氧化银(23.1mg,0.1mmol),醋酸(20mL),室温下(25℃)搅拌反应1.5小时,随后向反应体系中加入50mL 1M的氢氧化钠溶液,用2x30mL二氯甲烷萃取,合并有机相,无水硫酸钠或无水硫酸镁干燥过夜,旋干,用石油醚:乙酸乙酯=50:1过柱,得到目标化合物448.0mg,白色固体,收率94%。
产物结构验证(见附图7A-7B):
1HNMR(δ,ppm,400MHz,CDCl3):7.88(d,J=7.8Hz,1H),7.82(d,J=7.8,1H),7.70(d,J=7.8Hz,2H),7.56(s,1H),7.45–7.25(m,4H),2.75(q,J=7.6Hz,2H),1.34(t,J=7.6Hz,3H);
13CNMR(δ,ppm,100MHz,CDCl3):144.67,144.46,140.83,139.40,131.78,128.49,126.51,124.48,124.15,123.46,122.27,118.91,28.68,15.54.
实施例7:苯并噻吩(B5)的制备
25mL圆底烧瓶中依次加入2-(4-氟苯乙炔基)苯甲硫醚(484.6mg,2mmol),氧化银(23.1mg,0.1mmol),醋酸(20mL),室温下(25℃)搅拌反应1.5小时,随后向反应体系中加入50mL 1M的氢氧化钠溶液,用2x30mL二氯甲烷萃取,合并有机相,无水硫酸钠或无水硫酸镁干燥过夜,旋干,用石油醚:乙酸乙酯=50:1过柱,得到目标化合物410.9mg,白色固体,收率90%。
产物结构验证(见附图9A-9C):
1HNMR(δ,ppm,400MHz,CDCl3):7.89–7.84(m,1H),7.82–7.79(m,1H),7.74–7.69(m,2H),7.50(s,1H),7.43–7.31(m,2H),7.20–7.09(m,2H);
13CNMR(δ,ppm,100MHz,CDCl3):162.78(d,J=248.0Hz),143.07,140.68,139.45,130.59(d,J=3.6Hz),128.19(d,J=8.1Hz),124.51(d,J=23.3Hz),123.56,122.26,119.45,116.07,115.85;
19F NMR(δ,ppm,376MHz,CDCl3):-113.34.
实施例8:苯并噻吩(B7)的制备
25mL圆底烧瓶中依次加入2-(4-溴苯乙炔基)苯甲硫醚(606.4mg,2mmol),氧化银(23.1mg,0.1mmol),醋酸(20mL),室温下(25℃)搅拌反应1.5小时,随后向反应体系中加入50mL 1M的氢氧化钠溶液,用2x30mL二氯甲烷萃取,合并有机相,无水硫酸钠或无水硫酸镁干燥过夜,旋干,用石油醚:乙酸乙酯=50:1过柱,得到目标化合物532.1mg,白色固体,收率92%。
产物结构验证(见附图11A-11B):
1HNMR(δ,ppm,400MHz,CDCl3):7.88–7.83(m,1H),7.83–7.78(m,1H),7.65–7.53(m,5H),7.42–7.29(m,2H);
13CNMR(δ,ppm,100MHz,CDCl3):142.85,140.58,139.50,133.28,132.07,127.92,124.69,124.62,123.69,122.31,122.23,119.94.
实施例9:苯并噻吩(C1)的制备
25mL圆底烧瓶中依次加入2-(3-甲基苯乙炔基)苯甲硫醚(476.7mg,2mmol),氧化银(23.1mg,0.1mmol),醋酸(20mL),室温下(25℃)搅拌反应1.5小时,随后向反应体系中加入50mL 1M的氢氧化钠溶液,用2x30mL二氯甲烷萃取,合并有机相,无水硫酸钠或无水硫酸镁干燥过夜,旋干,用石油醚:乙酸乙酯=50:1过柱,得到目标化合物417.2mg,白色固体,收率93%。
产物结构验证(见附图14A-14B):
1HNMR(δ,ppm,400MHz,CDCl3):7.90(dd,J=7.5,1.5Hz,1H),7.84(dd,J=7.5,1.5Hz,1H),7.62–7.59(m,3H),7.45–7.36(m,3H),7.23(d,J=7.6Hz,1H),2.49(s,3H);
13CNMR(δ,ppm,100MHz,CDCl3):144.48,140.78,139.53,138.66,134.26,129.14,128.90,127.26,124.52,124.29,123.71,123.58,122.31,119.40,21.51.
实施例10:苯并噻吩(C2)的制备
25mL圆底烧瓶中依次加入2-(3-氟苯乙炔基)苯甲硫醚(484.6mg,2mmol),氧化银(23.1mg,0.1mmol),醋酸(20mL),室温下(25℃)搅拌反应1.5小时,随后向反应体系中加入50mL 1M的氢氧化钠溶液,用2x30mL二氯甲烷萃取,合并有机相,无水硫酸钠或无水硫酸镁干燥过夜,旋干,用石油醚:乙酸乙酯=50:1过柱,得到目标化合物415.5mg,白色固体,收率91%。
产物结构验证(见附图15A-15C):
1HNMR(δ,ppm,400MHz,CDCl3):7.91–7.84(m,1H),7.86–7.79(m,1H),7.59(s,1H),7.53(dt,J=7.8,1.4Hz,1H),7.50–7.33(m,4H),7.10–7.05(m,1H);
13CNMR(δ,ppm,100MHz,CDCl3):163.12(d,J=245.9Hz),142.73(d,J=2.8Hz),140.47,139.57,136.47(d,J=8.1Hz),130.48(d,J=8.3Hz),124.72,124.69,123.80,122.31,122.20(d,J=2.9Hz),120.32,115.04(d,J=21.3Hz),113.32(d,J=22.8Hz);
19F NMR(δ,ppm,376MHz,CDCl3):-112.59.
实施例11:化合物对供试虫的毒性试验
分别在24孔组织培养板中的加入不同浓度的化合物(0,0.1,0.5,1,10,100,1000μmol/L),加入量为100μL,每种化合物重复5个孔。静置0.5h后,分别接种各供试虫的初孵幼虫,每孔接入幼虫10头。在人工气候室中培养,4d后检查供试虫死亡率并计算半数致死浓度(LC50)。培养室温度25±2℃,相对湿度65±5%;光照强度为1500±500lx,光照距离为45±5cm,光照时间为12h/d。结果参见表4所示。
表4不同化合物的毒性试验
根据半数致死浓度(LC50,μmol/L)的计算结果可知,化合物C1和C2具有最佳的杀虫效果,显著优于其他化合物。
Claims (4)
2.根据权利要求1所述的一种氧化银催化法制备苯并噻吩类化合物的方法,其特征在于:反应制备的苯并噻吩类化合物需进行无机碱中和,萃取采用二氯甲烷。
3.根据权利要求2所述的一种氧化银催化法制备苯并噻吩类化合物的方法,其特征在于:所述中和后的产物经萃取、分离得到精品苯并噻吩类化合物。
4.根据权利要求2所述的一种氧化银催化法制备苯并噻吩类化合物的方法,其特征在于:所述中和后的产物经二氯甲烷萃取,旋干后得粗品,过柱分离得精品苯并噻吩类化合物,过柱溶剂为石油醚:乙酸乙酯=50:1。
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