CN110878055B - 一种制备羰基杂环类化合物的方法 - Google Patents

一种制备羰基杂环类化合物的方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种制备羰基杂环类化合物的方法，采用路易斯碱与氢硅烷为促进剂，在温和条件下(100℃，diglyme)，能高效地使邻位取代苯胺化合物与常压CO2反应生成相应的含有不同官能团的羰基杂环类化合物。该方法以常压CO2为绿色无毒羰基化试剂，以便宜的路易斯碱和PMHS(工业硅废物)为促进剂，避免CO、高压CO2和贵金属催化剂的使用，无需提纯和分离中间体异氰酸酯，且反应结束后只需简单抽滤分离即可得到纯产物，是一种高效、通用的合成方法，适用于制备一系列的苯并咪唑酮，苯并噁唑酮和苯并噻唑酮类化合物，具有较强的工业应用价值。

Description

一种制备羰基杂环类化合物的方法
技术领域
本发明属于有机合成领域，具体涉及一种制备羰基杂环化合物的方法。
背景技术
羰基杂环类化合物是一类非常重要的结构构筑单元和具有生物活性的精细化学品，并已广泛应用于药物合成，农业化学，抑制剂，染料和有机合成等领域(Nale,D.B.&Bhanage,B.M.Green Chem.2015,17,2480-2486；Singh,R.,Nagesh,K.&Parameshwar,M.ACSCatal.2016,6,6520-6524；Zhao,Y.W.,Xie,Y.J.,Xia,C.G.&Huang,H.M.Adv.Synth.Catal.2014,356,2471-2476)。因此，发展高效合成羰基杂环类化合物的方法具有重要意义。
传统的合成方法通常基于邻位取代苯胺与高毒性羰基化试剂的环化羰基化反应，例如，光气和一氧化碳(CO)。为了避免有毒羰基化试剂的使用，二氧化碳(CO2)作为一种可再生和环境友好的C1羰基化资源可被用于替代有机合成中的有毒光气或CO来制备羰基杂环类化合物，提供了一条合成羰基杂环类化合物的绿色合成途径。然而由于CO2分子是热力学稳定的并且在动力学上是惰性的。目前报道的反应体系通常需要特定的金属催化剂，高压力CO2和有限的反应底物类型(Kimura,T.,Kamata,K.,Mizuno,N.Angew.Chem.Int.Ed.2012,51,6700-6703；Yu,B.,Zhang,H.Y.,Zhao,Y.F.,Chen,S.,Xu,J.L.,Hao,L.D.,Liu,Z.M.ACS Catal.,2013,3,2076-2082；Chen,Y.S.,Hone,C.A.,Gutmann,B.,Kappe,C.O.Org.Process Res.Dev.,2017,21,1080-1087)。这些存在的问题大大限制了其在工业上的大量使用。因此，发展一种通用，高效的以CO2为C1羰基化资源制备羰基杂环类化合物的合成方法是即急需解决又充满挑战的重要课题。
发明内容
本发明的目的是提供一种制备羰基杂环类化合物的方法。
所述羰基杂环类化合物，其结构式如式I所示：
Figure BDA0001791108470000021
上述式I中，X可为NH、S、O中的任一种；
R1、R2、R3、R4独立地为下述任一基团：H、烷基、烷氧基、卤素(氟、氯、溴)、硝基、腈基、酯基、苯氧基、炔基，或R1、R2、R3、R4中相邻的两个可以形成取代或未取代的C3-C8环烷基、取代或未取代的4-8元杂环基、取代或未取代的5-10元的芳香基或杂芳基；
所述取代的C3-C8环烷基、取代的4-8元杂环基、取代的5-10元的芳香基或杂芳基中的取代基可选自：烷基、烷氧基、卤素(氟、氯、溴)、硝基、腈基、酯基、炔基中的至少一种。
所述羰基杂环类化合物具体可为如下任意一种:1,3-二氢苯并咪唑-2-酮(1,3-dihydro-2H-benzimidazol-2-one)、5-甲基-1,3-二氢苯并咪唑-2-酮(5-methyl-1,3-dihydro-2H-benzimidazol-2-one)、2-氧代-2,3-二氢-1H-1,3-苯并咪唑-5-羧酸甲酯(1,3-dihydro-2-oxo-2H-benzimidazole-5-carboxylic acid methyl ester)、5，6-二甲基-2-苯并咪唑啉酮(5,6-dimethylbenzimidazolin-2-one)、4-甲基-1,3-二氢苯并咪唑-2-酮(4-methyl-1,3-dihydrobenzimidazol-2-one)、5-氯-1,3-二氢苯并咪唑-2-酮(5-chloro-1,3-dihydro-2H-benzimidazol-2-one)、萘并咪唑-2-酮(1H-naphth[2,3-d]imidazole-2(3H)-one)、苯并噻唑-2-酮(Benzothiazol-2(3H)-one)、6-氟苯并噻唑-2-酮(6-fluoro-2,3-dihydrobenzothiazol-2-one)、6-氯苯并噻唑-2-酮(6-chloro-2,3-dihydrobenzothiazol-2-one)、2-苯并噁唑啉酮(Benzoxazol-2(3H)-one)、6-甲基苯并噁唑-2-酮(6-methylbenzoxazolin-2-one)、5-甲基苯并[d]噁唑-2-酮(5-methylbenzo[d]oxazol-2(3H)-one)、5-溴-2-苯并噁唑酮(5-bromo-1,3-benzoxazol-2(3H)-one)、6-氯-2-苯并噁唑酮(6-chloro-2-benzoxazolinone)、5-氯-2-苯并噁唑酮(5-chloro-2-benzoxazolinone)。
本发明所提供的制备羰基杂环类化合物的方法，包括如下步骤：
在碱和氢硅烷的共同存在下，将式II所示邻位取代苯胺化合物与CO2气体进行环化羰基化反应，得到式I所示羰基杂环类化合物，
Figure BDA0001791108470000031
上述式II中，X可为NH、S、O中的任一种；
R1、R2、R3、R4独立地为下述任一基团：H、烷基、烷氧基、卤素(氟、氯、溴)、硝基、腈基、酯基、苯氧基、炔基，或R1、R2、R3、R4中相邻的两个可以形成取代或未取代的C3-C8环烷基、取代或未取代的4-8元杂环基、取代或未取代的5-10元的芳香基或杂芳基；
所述取代的C3-C8环烷基、取代的4-8元杂环基、取代的5-10元的芳香基或杂芳基中的取代基可选自：烷基、烷氧基、卤素(氟、氯、溴)、硝基、腈基、酯基、炔基中的至少一种。
上述方法中，所述氢硅烷可为烷基氢硅烷、苯基氢硅烷和聚甲基氢硅氧烷中的至少一种。
所述烷基氢硅烷可选自Et3SiH,Et2SiH2,(EtO)3SiH,(EtO)2MeSiH中的至少一种；
所述苯基氢硅烷可选自PhSiH3,Ph2MeSiH,PhMe2SiH中的至少一种；
所述聚甲基氢硅氧烷的平均分子量可为200-10000，具体可为1900。
所述氢硅烷具体可为聚甲基氢硅氧烷(PMHS)。
所述碱可为路易斯碱。
所述路易斯碱可选自下述至少一种：KOtBu、NaOtBu、KF、CsF、CsOAc、TBAF、K2CO3，具体可为CsF。
所述环化羰基化反应可在有机溶剂中进行。
所述有机溶剂可选自：DMSO,DMF,THF,CH3CN,γ-Valerolactone,diglyme中的至少一种，具体可为diglyme。
上述方法中，所述邻位取代苯胺化合物中胺基与碱的摩尔比可为1：1-1：5，具体可为1：2。
所述邻位取代苯胺化合物中胺基与氢硅烷的摩尔比可为1：1-1：10，具体可为1：4.5。
所述环化羰基化反应的反应温度可为30-150℃，具体可为100℃。
所述环化羰基化反应的反应时间可为1-36小时，具体可为20小时。
所述CO2气体的压力可为0.1-10MPa，具体可为0.1MPa。
本发明所提供的是一种以CO2为羰基化试剂合成羰基杂环类化合物的新型反应体系，采用路易斯碱与氢硅烷为促进剂，在温和条件下(100℃，diglyme)，能高效地使邻位取代苯胺化合物与常压CO2反应生成相应的含有不同官能团的羰基杂环类化合物。该方法以常压CO2为绿色无毒羰基化试剂，以便宜的路易斯碱和PMHS(工业硅废物)为促进剂，避免CO、高压CO2和贵金属催化剂的使用，无需提纯和分离中间体异氰酸酯，且反应结束后只需简单抽滤分离即可得到纯产物，是一种高效、通用的合成方法，适用于制备一系列的苯并咪唑酮，苯并噁唑酮和苯并噻唑酮类化合物，具有较强的工业应用价值。
附图说明
图1为本发明的合成羰基杂环类化合物的反应方程式。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明进行说明，但本发明并不局限于此。
下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法；下述实施例中所用的试剂、材料等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。
根据图1所示的反应方程式制备羰基杂环类化合物。
实施例1、邻苯二胺与CO2环羰基化反应生成1,3-二氢苯并咪唑-2-酮
在手套箱中，往10毫升的Schlenk瓶中，依次加入邻苯二胺(1mmol)、CsF(2mol)和diglyme(3mL)，用CO2置换其中的空气；将Schlenk瓶连接上CO2气囊，然后用注射器将PMHS(4.5mmol)注入反应瓶中，置于油浴锅100℃下搅拌20小时。待反应结束后，降温至室温，然后倒入30mL H2O中，立刻得到大量沉淀，然后抽滤得到大量固体粉末，用正己烷(3×5mL)洗涤固体粉末除去未反应原料，然后用乙酸乙酯(3×10mL)洗涤固体粉末。收集乙酸乙酯层，用无水硫酸镁干燥，然后真空旋蒸得到纯产物，分离产率为95％。
反应产物用1H和13C核磁谱图确定其结构：
1H NMR(400MHz,DMSO)δ10.45(s,2H),6.80(s,4H).
13C NMR(101MHz,DMSO)δ155.77,130.15,120.91,108.99.
由上可知，该产物结构正确，为1,3-二氢苯并咪唑-2-酮。
实施例2、5-甲基邻苯二胺与CO2环羰基化反应生成5-甲基-1,3-二氢苯并咪唑-2-酮
采用与实施例1完全相同的反应条件及检测方法，得到5-甲基-1,3-二氢苯并咪唑-2-酮的产率为89％。
反应产物用1H和13C核磁谱图确定其结构：
1H NMR(400MHz,DMSO)δ10.44(d,J＝14.9Hz,1H),6.78(d,J＝8.3Hz,1H),6.72(d,J＝7.3Hz,1H),2.27(s,2H).
13C NMR(101MHz,DMSO)δ155.89,130.32,129.80,128.21,121.33,109.46,108.62,21.48.
由上可知，该产物结构正确，为5-甲基-1,3-二氢苯并咪唑-2-酮。
实施例3、3，4-二氨基苯甲酸甲酯与CO2环羰基化反应生成2-氧代-2,3-二氢-1H-1,3-苯并咪唑-5-羧酸甲酯
采用与实施例1完全相同的反应条件及检测方法，得到2-氧代-2,3-二氢-1H-1,3-苯并咪唑-5-羧酸甲酯的产率为86％。
反应产物用1H和13C核磁谱图确定其结构：
1H NMR(400MHz,DMSO)δ11.07(s,1H),10.90(s,1H),7.65(dd,J＝13.8,5.6Hz,1H),7.50(d,J＝17.3Hz,1H),7.03(d,J＝8.2Hz,1H),3.83(s,3H).
13C NMR(101MHz,DMSO)δ166.89,155.85,134.44,130.09,123.35,122.22,109.44,108.64,52.32.
由上可知，该产物结构正确，为2-氧代-2,3-二氢-1H-1,3-苯并咪唑-5-羧酸甲酯。
实施例4、4，5-二甲基邻苯二胺与CO2环羰基化反应生成5，6-二甲基-2-苯并咪唑啉酮
采用与实施例1完全相同的反应条件及检测方法，得到5，6-二甲基-2-苯并咪唑啉酮的产率为91％。
反应产物用1H和13C核磁谱图确定其结构：
1H NMR(400MHz,DMSO)δ10.38(s,1H),6.72(s,1H),2.18(s,3H).
13C NMR(101MHz,DMSO)δ155.88,128.22,110.04,19.85.
由上可知，该产物结构正确，为5，6-二甲基-2-苯并咪唑啉酮。
实施例5、3-甲基邻苯二胺与CO2环羰基化反应生成4-甲基-1,3-二氢苯并咪唑-2-酮
采用与实施例1完全相同的反应条件及检测方法，得到4-甲基-1,3-二氢苯并咪唑-2-酮的产率为77％。
反应产物用1H和13C核磁谱图确定其结构：
1H NMR(400MHz,DMSO)δ10.64(s,1H),10.52(s,1H),6.81(d,J＝7.6Hz,1H),6.75–6.71(m,2H),2.25(s,3H).
13C NMR(101MHz,DMSO)δ156.03,129.32,128.80,122.13,120.92,118.17,106.64,16.69.
由上可知，该产物结构正确，为4-甲基-1,3-二氢苯并咪唑-2-酮。
实施例6、4-氯邻苯二胺与CO2环羰基化反应生成5-氯-1,3-二氢苯并咪唑-2-酮
采用与实施例1完全相同的反应条件及检测方法，得到5-氯-1,3-二氢苯并咪唑-2-酮的产率为80％。
反应产物用1H和13C核磁谱图确定其结构：
1H NMR(400MHz,DMSO)δ10.55(s,2H),6.98–6.92(m,3H),2.25(s,3H).
13C NMR(101MHz,DMSO)δ154.96,131.76,129.35,124.43,120.43,110.36,109.76.
由上可知，该产物结构正确，为5-氯-1,3-二氢苯并咪唑-2-酮。
实施例7、2，3-二氨基萘与CO2环羰基化反应生成萘并咪唑-2-酮
采用与实施例1完全相同的反应条件及检测方法，得到萘并咪唑-2-酮的产率为90％。
反应产物用1H和13C核磁谱图确定其结构：
1H NMR(400MHz,DMSO)δ10.82(s,1H),7.80(dd,J＝6.1,3.3Hz,1H),7.32(s,1H),7.28(dd,J＝6.2,3.3Hz,1H).
13C NMR(101MHz,DMSO)δ156.71,131.58,129.73,127.32,123.74,104.09.
由上可知，该产物结构正确，为萘并咪唑-2-酮。
实施例8、2-氨基苯硫醇与CO2环羰基化反应生成苯并噻唑-2-酮
采用与实施例1完全相同的反应条件及检测方法，得到苯并噻唑-2-酮的产率为87％。
反应产物用1H和13C核磁谱图确定其结构：
1H NMR(400MHz,DMSO)δ11.85(s,1H),7.53(d,J＝9.0Hz,1H),7.27(t,J＝9.0Hz,1H),7.12(t,J＝6.0Hz,2H).
13C NMR(101MHz,DMSO)δ170.06,136.13,126.07,124.85,123.06,122.87,111.47.
由上可知，该产物结构正确，为苯并噻唑-2-酮
实施例9、5-氟-2-氨基苯硫醇与CO2环羰基化反应生成6-氟苯并噻唑-2-酮
采用与实施例1完全相同的反应条件及检测方法，得到6-氟苯并噻唑-2-酮的产率为72％。
反应产物用1H和13C核磁谱图确定其结构：
1H NMR(400MHz,DMSO)δ11.93(s,1H),7.55(dd,J＝8.9,1.7Hz,1H),7.11(m,2H).
13C NMR(101MHz,DMSO)δ170.37,159.60,157.23,133.34,125.22,125.11,114.17,113.93,112.93,112.85,110.57,110.30.
由上可知，该产物结构正确，为6-氟苯并噻唑-2-酮。
实施例10、5-氯-2-氨基苯硫醇与CO2环羰基化反应生成6-氯苯并噻唑-2-酮
采用与实施例1完全相同的反应条件及检测方法，得到6-氯苯并噻唑-2-酮的产率为80％。
反应产物用1H和13C核磁谱图确定其结构：
1H NMR(400MHz,DMSO)δ12.06(s,1H),7.61(d,J＝8.4Hz,1H),7.18(dd,J＝8.4,1.9Hz,1H),7.11(d,J＝1.8Hz,1H).
13C NMR(101MHz,DMSO)δ172.32,136.63,131.29,124.73,122.90,111.71.
由上可知，该产物结构正确，为6-氯苯并噻唑-2-酮。
实施例11、2-氨基苯酚与CO2环羰基化反应生成2-苯并噁唑啉酮
采用与实施例1完全相同的反应条件及检测方法，得到2-苯并噁唑啉酮的产率为78％。
反应产物用1H和13C核磁谱图确定其结构：
1H NMR(400MHz,DMSO)δ11.57(s,1H),7.18-7.35(m,4H).
13C NMR(101MHz,DMSO)δ154.98,142.28,130.17,124.23,121.98,111.26,110.30
由上可知，该产物结构正确，为2-苯并噁唑啉酮。
实施例12、2-羟基-4-甲基苯胺与CO2环羰基化反应生成6-甲基苯并噁唑-2-酮
采用与实施例1完全相同的反应条件及检测方法，得到6-甲基苯并噁唑-2-酮的产率为73％。
反应产物用1H和13C核磁谱图确定其结构：
1H NMR(400MHz,DMSO)δ11.47(s,1H),7.09(s,1H),6.94(s,2H),2.31(s,3H).
13C NMR(101MHz,DMSO)δ154.99,143.96,131.76,128.35,124.41,110.36,109.72,71.76,70.06,58.45,21.26.
由上可知，该产物结构正确，为6-甲基苯并噁唑-2-酮。
实施例13、2-羟基-3-甲基苯胺与CO2环羰基化反应生成5-甲基苯并[d]噁唑-2-酮
采用与实施例1完全相同的反应条件及检测方法，得到5-甲基苯并[d]噁唑-2-酮的产率为78％。
反应产物用1H和13C核磁谱图确定其结构：
1H NMR(400MHz,DMSO)δ11.50(s,1H),7.13(d,J＝8.1Hz,1H),6.89(m,2H),2.31(s,3H).
13C NMR(101MHz,DMSO)δ155.10,141.83,133.63,130.77,122.57,110.58,109.52,21.38.
由上可知，该产物结构正确，为5-甲基苯并[d]噁唑-2-酮。
实施例14、2-羟基-4-溴苯胺与CO2环羰基化反应生成5-溴-2-苯并噁唑酮
采用与实施例1完全相同的反应条件及检测方法，得到5-溴-2-苯并噁唑酮的产率为75％。
反应产物用1H和13C核磁谱图确定其结构：
1H NMR(400MHz,DMSO)δ11.86(s,1H),7.27(d,J＝4.0Hz,3H).
13C NMR(101MHz,DMSO)δ154.56,143.02,132.53,124.85,115.80,112.95,111.76.
由上可知，该产物结构正确，为5-溴-2-苯并噁唑酮。
实施例15、2-羟基-4-氯苯胺与CO2环羰基化反应生成6-氯-2-苯并噁唑酮
采用与实施例1完全相同的反应条件及检测方法，得到6-氯-2-苯并噁唑酮的产率为71％。
反应产物用1H和13C核磁谱图确定其结构：
1H NMR(400MHz,DMSO)δ11.84(s,1H),7.30(d,J＝8.4Hz,1H),7.15–7.11(m,2H).
13C NMR(101MHz,DMSO)δ154.49,142.37,131.96,128.01,121.76,111.03,110.06.
由上可知，该产物结构正确，为6-氯-2-苯并噁唑酮。
实施例16、2-羟基-3-氯苯胺与CO2环羰基化反应生成5-氯-2-苯并噁唑酮
采用与实施例1完全相同的反应条件及检测方法，得到5-氯-2-苯并噁唑酮的产率为76％。
反应产物用1H和13C核磁谱图确定其结构：
1H NMR(400MHz,DMSO)δ11.85(s,1H),7.30(d,J＝8.4Hz,1H),7.13(m,2H).
13C NMR(101MHz,DMSO)δ154.72,142.59,132.17,128.23,121.98,111.26,110.29.
由上可知，该产物结构正确，为5-氯-2-苯并噁唑酮。

Claims (4)

1.一种制备羰基杂环类化合物的方法，
所述羰基杂环类化合物，其结构式如式I所示：
Figure FDA0002756333130000011
式I中，X为NH、S、O中的任一种；
R1、R2、R3、R4独立地为下述任一基团：H、烷基、烷氧基、卤素、硝基、腈基、酯基、苯氧基、炔基，或R1、R2、R3、R4中相邻的两个可以形成取代或未取代的C3-C8环烷基、取代或未取代的4-8元杂环基、取代或未取代的5-10元的芳香基或杂芳基；
所述取代的C3-C8环烷基、取代的4-8元杂环基、取代的5-10元的芳香基或杂芳基中的取代基选自：烷基、烷氧基、卤素、硝基、腈基、酯基、炔基中的至少一种；
所述方法包括如下步骤：
在碱和氢硅烷的共同存在下，将式II所示邻位取代苯胺化合物与CO2气体进行环化羰基化反应，得到式I所示羰基杂环类化合物，
Figure FDA0002756333130000012
式II中X同式I中X；式II中R1、R2、R3、R4同式I中R1、R2、R3、R4；
所述碱为CsF；
所述氢硅烷为聚甲基氢硅氧烷；
所述环化羰基化反应在有机溶剂中进行；
所述有机溶剂为二甘醇二甲醚。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述邻位取代苯胺化合物中胺基与碱的摩尔比为1：1-1：5；
所述邻位取代苯胺化合物中胺基与氢硅烷的摩尔比为1：1-1：10。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述CO2气体的压力为0.1-10MPa。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述环化羰基化反应的反应温度为30-150℃；
所述环化羰基化反应的反应时间为1-36小时。
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