CN110790661A - 一种利用二氧化碳将苄基硼酸酯类化合物转化为苯乙酸及其衍生物的方法 - Google Patents

一种利用二氧化碳将苄基硼酸酯类化合物转化为苯乙酸及其衍生物的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公布了一种利用二氧化碳将苄基硼酸酯类化合物转化为苯乙酸及其衍生物的方法。本发明在无金属催化剂的条件下，将苄基硼酸酯类化合物和碱溶于有机溶剂中，在反应体系中充入二氧化碳，在50～150摄氏度下反应3～72小时，随后酸化得到苯乙酸或其衍生物。该方法是一种一种绿色、简单、高效的合成苯乙酸及其衍生物的方法，反应利用温室气体二氧化碳作为碳源，且无过渡金属催化剂，生态友好，经济高效。

Description

一种利用二氧化碳将苄基硼酸酯类化合物转化为苯乙酸及其 衍生物的方法
技术领域
本发明涉及有机合成领域，具体涉及苯乙酸及其衍生物的合成方法，特别涉及一种利用二氧化碳将苄基硼酸酯转化为苯乙酸及其衍生物的方法。
背景技术
二氧化碳(carbon dioxide)，一种碳氧化合物，化学式为CO2，常温常压下是一种无色无味的气体，也是一种常见的温室气体。因为其丰度高，可再生性好、惰性和无毒的特点，二氧化碳是合成各种化学原料和生物活性分子的最具吸引力的C1来源之一。如今，我们已开发出许多过渡金属催化的羧化方法来合成含有羧基的化学原料和具生物活性的化合物。由于苯乙酸骨架在各种生物活性分子中的重要性，因此通过将惰性二氧化碳分子插入各种有机分子中来构建苯乙酸骨架是完成这类转化的最主要的策略之一。
为了以二氧化碳为原料合成含苯乙酸的衍生物，研究者们展开了大量的研究，并提出了许多方法。这些方法一般都需要通过使用化学计量的金属还原剂，以有机卤化物为反应原料(见图1中的Path a)；或用不饱和烃和化学计量的有机金属试剂作用(见图1中的Path b)。上述金属还原剂往往都比较昂贵，且对空气敏感，具有很高的危险性，使得此类方法有着很大的缺点。
对于大多数已开发的方法，都需要使用化学计量的金属还原剂才能进行，而且在底物方面，卤化物常被认为是致癌剂。因此，需要一种生态友好且经济的方法来合成苯乙酸。
发明内容
本发明的目的是提供一种生态友好且经济高效的苯乙酸及其衍生物的制备方法，在无过渡金属催化剂存在的情况下，通过在常压下用二氧化碳对苄基硼酸酯类化合物进行羧化来合成苯乙酸及其衍生物。
为实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：
一种合成苯乙酸及其衍生物的方法，在无金属催化剂的条件下，将1当量的苄基硼酸酯类化合物、1～5当量的碱溶于有机溶剂中，在反应体系中充入二氧化碳，在50～150摄氏度下反应3～72小时，随后酸化得到苯乙酸或其衍生物。
在此发明的技术方案中，对于所述苄基硼酸酯类化合物，所述“苄基”的含义是：硼原子连接在与苯环相连的第一个碳上，苯环可以是独立的，也可以包含在其他化合物的结构中。
上述制备苯乙酸及其衍生物的方法具有广泛的官能团相容性。所述苄基硼酸酯类化合物原料是苄基硼酸频哪醇酯类化合物时可以用如下式I表示，相应得到的苯甲酸或其衍生物可以用式II表示：
Figure BDA0002251646310000021
式I和式II中，R1和R2相互独立或成环，R1代表苯环上的一个或多个取代基，选自氢、烷基、取代烷基、环烷基、取代环烷基、芳基、取代芳基、卤素、类卤素；R2选自氢、烷基、取代烷基、环烷基、取代环烷基、芳基、取代芳基；或者，R1和R2成环时联合代表环烷基、取代环烷基、芳基或取代芳基。
上述烷基优选是C1～C15的直链烷基或C3～C15的支链烷基，例如甲基、乙基、丙基、异丙基、丁基、戊基、己基、庚基、辛基、壬基、癸基、十一烷基、十二烷基等；上述环烷基优选是C5～C9的环烷基，例如环戊基、环己基等。
上述芳基优选是苯基，上述取代芳基优选是取代苯基。
上述取代烷基、取代环烷基、取代芳基上可以带有一个或多个取代基团，所述取代基团可以选自烷基、苯基、取代苯基、卤素、类卤素、酯基及这些取代基团的组合，更优选为C1～C20烷基、C1～C20酯基、氟、氯、溴、碘、氰基、苯基及其组合。
上述类卤素优选为氰基、硫氰基。
上述制备苯乙酸及其衍生物的方法中，原料苄基硼酸酯类化合物优选为苄基硼酸频哪醇酯类化合物，但本发明的范围并不受限于一种硼酸酯的类型。
上述制备苯乙酸及其衍生物的方法中，所使用的碱为反应提供了碱性环境，帮助二氧化碳参与进行羧化反应。所述碱优选为醇的碱金属盐，包括但不限于乙醇钾、乙醇钠、叔丁醇钾等。优选的，1当量的苄基硼酸酯类化合物配比2当量的碱。
所述有机溶剂一般为非质子溶剂，包括但不限于苯、乙醚、乙腈、丙酮、二氯甲烷、乙酸乙酯、1,4-二氧六环、四氢呋喃、二甲基亚砜(DMSO)、二甲基甲酰胺(DMF)等。
上述制备苯乙酸及其衍生物的方法中，较高的温度对反应产率有帮助，优选条件下的反应温度为100摄氏度。
上述制备苯乙酸及其衍生物的方法中，所使用的二氧化碳优选为常压，但高于常压也能在一定程度上促进反应，同样属于本发明的限制范围。
上述制备苯乙酸及其衍生物的方法中，反应时间为3～72小时，优选时间为24小时。
本发明公开的一种由二氧化碳和苄基硼酸酯类化合物制备苯乙酸及其衍生物的方法，反应不需要过渡金属催化剂，反应后用使用适量盐酸、稀硫酸、磷酸等非氧化性酸进行酸化，减压条件除去溶剂，可以使用柱层析色谱等方法分离得到产物，简单易行。
本发明提供了一种在无过渡金属催化剂的碱性条件下，通过在常压下用二氧化碳对苄基硼酸酯类化合物进行羧化反应来合成苯乙酸及其衍生物的一种绿色、简单、高效的方法。反应利用温室气体二氧化碳作为碳源，且无过渡金属催化剂，生态友好，经济高效。
附图说明
图1是传统合成苯乙酸衍生物的两种方法和本发明方法的对比图，其中：左边显示的为现有技术，Path a以有机卤化物为反应原料，使用化学计量的金属还原剂；Path b使用不饱和烃和化学计量的有机金属试剂作用；右边显示的本发明方法无需过渡金属催化剂，在碱性条件下使用常压二氧化碳加热反应，即可实现这一转化。
具体实施方式
下面通过具体实施例子进一步详细描述本发明，但不以任何方式限制本发明的范围。
实施例1
依次向装有搅拌子的100mL反应瓶中加入苄基硼酸频哪醇酯(0.3mmol，1当量，65.4mg)，乙醇钾(0.6mmol，50.5mg)，5mL二氧六环，在液氮浴下冻干溶剂，用二氧化碳充换气三次，并封闭反应瓶，加热至100℃搅拌反应24小时。反应结束后，将反应混合物在减压下除去溶剂，通过乙酸乙酯将混合物转移至125mL分液漏斗中，加入5mL稀盐酸(1mol/L)，加入40mL乙酸乙酯和30mL水萃取三次，合并有机相，减压除去溶剂，通过柱色谱法纯化，得到所需产物苯乙酸，产率80％。
实施例2
依次向装有搅拌子的100mL反应瓶中加入2-萘基甲基硼酸频哪醇酯(0.3mmol，1当量，80.5mg)，乙醇钾(0.6mmol，50.5mg)，5mL二氧六环，在液氮浴下冻干溶剂，用二氧化碳充换气三次，并封闭反应瓶，加热至100℃搅拌反应24小时。反应结束后，将反应混合物在减压下除去溶剂，通过乙酸乙酯将混合物转移至125mL分液漏斗中，加入5mL稀盐酸(1mol/L)，加入40mL乙酸乙酯和30mL水萃取三次，合并有机相，减压除去溶剂，通过柱色谱法纯化，得到所需产物2-萘乙酸，产率60％。
实施例3
依次向装有搅拌子的100mL反应瓶中加入4-苯基苯甲基硼酸频哪醇酯(0.3mmol，1当量，88.3mg)，乙醇钾(0.6mmol，50.5mg)，5mL二氧六环，在液氮浴下冻干溶剂，用二氧化碳充换气三次，并封闭反应瓶，加热至100℃搅拌反应24小时。反应结束后，将反应混合物在减压下除去溶剂，通过乙酸乙酯将混合物转移至125mL分液漏斗中，加入5mL稀盐酸(1mol/L)，加入40mL乙酸乙酯和30mL水萃取三次，合并有机相，减压除去溶剂，通过柱色谱法纯化，得到所需产物4-苯基苯乙酸，产率70％。
实施例4
依次向装有搅拌子的100mL反应瓶中加入4-叔丁基苄基硼酸频哪醇酯(0.3mmol，1当量，82.3mg)，乙醇钾(0.6mmol，50.5mg)，5mL二氧六环，在液氮浴下冻干溶剂，用二氧化碳充换气三次，并封闭反应瓶，加热至100℃搅拌反应24小时。反应结束后，将反应混合物在减压下除去溶剂，通过乙酸乙酯将混合物转移至125mL分液漏斗中，加入5mL稀盐酸(1mol/L)，加入40mL乙酸乙酯和30mL水萃取三次，合并有机相，减压除去溶剂，通过柱色谱法纯化，得到所需产物4-叔丁基苯乙酸，产率30％。
实施例5
依次向装有搅拌子的100mL反应瓶中加入4-氟苄基硼酸频哪醇酯(0.3mmol，1当量，70.8mg)，乙醇钾(0.6mmol，50.5mg)，5mL二氧六环，在液氮浴下冻干溶剂，用二氧化碳充换气三次，并封闭反应瓶，加热至100℃搅拌反应24小时。反应结束后，将反应混合物在减压下除去溶剂，通过乙酸乙酯将混合物转移至125mL分液漏斗中，加入5mL稀盐酸(1mol/L)，加入40mL乙酸乙酯和30mL水萃取三次，合并有机相，减压除去溶剂，通过柱色谱法纯化，得到所需产物4-氟苯乙酸，产率63％。
实施例6
依次向装有搅拌子的100mL反应瓶中加入4-氯苄基硼酸频哪醇酯(0.3mmol，1当量，75.8mg)，乙醇钾(0.6mmol，50.5mg)，5mL二氧六环，在液氮浴下冻干溶剂，用二氧化碳充换气三次，并封闭反应瓶，加热至100℃搅拌反应24小时。反应结束后，将反应混合物在减压下除去溶剂，通过乙酸乙酯将混合物转移至125mL分液漏斗中，加入5mL稀盐酸(1mol/L)，加入40mL乙酸乙酯和30mL水萃取三次，合并有机相，减压除去溶剂，通过柱色谱法纯化，得到所需产物4-氯苯乙酸，产率65％。
实施例7
依次向装有搅拌子的100mL反应瓶中加入2-氯苄基硼酸频哪醇酯(0.3mmol，1当量，75.8mg)，乙醇钾(0.6mmol，50.5mg)，5mL二氧六环，在液氮浴下冻干溶剂，用二氧化碳充换气三次，并封闭反应瓶，加热至100℃搅拌反应24小时。反应结束后，将反应混合物在减压下除去溶剂，通过乙酸乙酯将混合物转移至125mL分液漏斗中，加入5mL稀盐酸(1mol/L)，加入40mL乙酸乙酯和30mL水萃取三次，合并有机相，减压除去溶剂，通过柱色谱法纯化，得到所需产物2-氯苯乙酸，产率57％。
实施例8
依次向装有搅拌子的100mL反应瓶中加入4-甲氧羰基苄基硼酸频哪醇酯(0.3mmol，1当量，82.8mg)，乙醇钾(0.6mmol，50.5mg)，5mL二氧六环，在液氮浴下冻干溶剂，用二氧化碳充换气三次，并封闭反应瓶，加热至100℃搅拌反应24小时。反应结束后，将反应混合物在减压下除去溶剂，通过乙酸乙酯将混合物转移至125mL分液漏斗中，加入5mL稀盐酸(1mol/L)，加入40mL乙酸乙酯和30mL水萃取三次，合并有机相，减压除去溶剂，通过柱色谱法纯化，得到所需产物4-甲氧羰基苯乙酸，产率45％。
实施例9
依次向装有搅拌子的100mL反应瓶中加入4-氰基苄基硼酸频哪醇酯(0.3mmol，1当量，72.9mg)，乙醇钾(0.6mmol，50.5mg)，5mL二氧六环，在液氮浴下冻干溶剂，用二氧化碳充换气三次，并封闭反应瓶，加热至100℃搅拌反应24小时。反应结束后，将反应混合物在减压下除去溶剂，通过乙酸乙酯将混合物转移至125mL分液漏斗中，加入5mL稀盐酸(1mol/L)，加入40mL乙酸乙酯和30mL水萃取三次，合并有机相，减压除去溶剂，通过柱色谱法纯化，得到所需产物4-氰基苯乙酸，产率60％。
实施例10
依次向装有搅拌子的100mL反应瓶中加入4-甲氧基苄基硼酸频哪醇酯(0.3mmol，1当量，74.4mg)，乙醇钾(0.6mmol，50.5mg)，5mL二氧六环，在液氮浴下冻干溶剂，用二氧化碳充换气三次，并封闭反应瓶，加热至100℃搅拌反应24小时。反应结束后，将反应混合物在减压下除去溶剂，通过乙酸乙酯将混合物转移至125mL分液漏斗中，加入5mL稀盐酸(1mol/L)，加入40mL乙酸乙酯和30mL水萃取三次，合并有机相，减压除去溶剂，通过柱色谱法纯化，得到所需产物4-甲氧基苯乙酸，产率15％。
实施例11
依次向装有搅拌子的100mL反应瓶中加入4-溴苄基硼酸频哪醇酯(0.3mmol，1当量，89.1mg)，乙醇钾(0.6mmol，50.5mg)，5mL二氧六环，在液氮浴下冻干溶剂，用二氧化碳充换气三次，并封闭反应瓶，加热至100℃搅拌反应24小时。反应结束后，将反应混合物在减压下除去溶剂，通过乙酸乙酯将混合物转移至125mL分液漏斗中，加入5mL稀盐酸(1mol/L)，加入40mL乙酸乙酯和30mL水萃取三次，合并有机相，减压除去溶剂，通过柱色谱法纯化，得到所需产物4-溴苯乙酸，产率50％。

Claims (10)

1.一种合成苯乙酸及其衍生物的方法，在无金属催化剂的条件下，将1当量的苄基硼酸酯类化合物、1～5当量的碱溶于有机溶剂中，在反应体系中充入二氧化碳，在50～150摄氏度下反应3～72小时，随后酸化得到苯乙酸或其衍生物，其中所述苄基硼酸酯类化合物中硼原子连接在与苯环相连的第一个碳上，该苯环是独立的或者包含在其他化学结构中。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述苄基硼酸酯类化合物是苄基硼酸频哪醇酯类化合物，其结构如式I所示，得到的苯乙酸及其衍生物的结构如式II所示：
Figure FDA0002251646300000011
其中，R1和R2相互独立或成环，R1代表苯环上的一个或多个取代基，选自氢、烷基、取代烷基、环烷基、取代环烷基、芳基、取代芳基、卤素、类卤素；R2选自氢、烷基、取代烷基、环烷基、取代环烷基、芳基、取代芳基；或者，R1和R2成环时联合代表环烷基、取代环烷基、芳基或取代芳基。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述烷基是C1～C15的直链烷基或C3～C15的支链烷基，所述环烷基是C5～C9的环烷基，所述芳基是苯基。
4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，述取代烷基、取代环烷基、取代芳基上带有一个或多个取代基团，所述取代基团选自烷基、苯基、取代苯基、卤素、类卤素、酯基及这些取代基团的组合。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述取代基团选自C1～C20烷基、C1～C20酯基、氟、氯、溴、碘、氰基、苯基及其组合。
6.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述类卤素选自氰基、硫氰基。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述碱为醇的碱金属盐，所述有机溶剂为非质子溶剂。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述碱选自乙醇钾、乙醇钠和叔丁醇钾中的一种或多种；所述有机溶剂选自苯、乙醚、乙腈、丙酮、二氯甲烷、乙酸乙酯、1,4-二氧六环、四氢呋喃、二甲基亚砜和二甲基甲酰胺中的一种或多种的混合溶剂。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所通入的二氧化碳为常压或者高于常压。
10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，反应后使用非氧化性酸进行酸化，减压除去溶剂，使用柱层析色谱方法分离得到产物。
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