CN111499556B - 一种咔唑类化合物的制备方法 - Google Patents

一种咔唑类化合物的制备方法 Download PDF

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Abstract

一种咔唑类化合物的制备方法，将式(Ⅲ)的反应底物加入溶剂溶解，加入环状二酰基过氧化物和过渡金属，在光照的条件下得到式(I)；所述式(I)、式(II)、式(Ⅲ)中的R1与R2包括氢、卤素、烷基、芳基中的任意一种，PG为对甲基苯磺酰基、苯磺酰基、磺酰基、乙酰基的任意一种。本发明使用环状二酰基过氧化物与过渡金属配位进行碳氢活化反应，同时作为氧化剂和配体，反应过程中生成的副产物双羧酸可以回收作为再次合成环状二酰基过氧化物的原料，原子经济性高，合成方法简单，产率高，更好地实现环境友好和绿色化学的目标。

Description

一种咔唑类化合物的制备方法
技术领域
本发明属于有机化学合成领域，具体涉及成环化合物的制备方法，特别涉及一种咔唑类化合物的制备方法，且还涉及通过所述方法获得的咔唑类化合物。
背景技术
咔唑是一种重要的含氮杂原子化合物，广泛存在于各种天然产物和药物中。同时，咔唑类在精细化工中也是一种广泛使用的中间体，在偶氮材料，有机发光材料，医药等领域发挥着重要的作用。近年来，研究发现，咔唑不仅自身是一种很好的电子给体，还由于本身结构的特异性具有良好的空穴导电和有机电致发光特性。这使得咔唑及其衍生物的快速构建倍受有机工作者的关注。
由于咔唑类的重要性，近年来发展出了许多咔唑的合成方法，主要有过渡金属催化的环化反应，DDQ氧化脱氢，Buchwald-Hartwig反应，Diels-Alder反应等。这些传统的方法普遍存在原料合成困难，步骤较长，反应条件比较苛刻，由于副产物所带来的原子经济性差等问题。由于上述原因，近期很多课题组发展出利用碳氢活化的方法对咔唑的结构进行快速构建。其中，比较有代表性的工作有剑桥大学Gaunt课题组的工作，该课题组使用醋酸钯作为催化剂，醋酸碘苯作为氧化剂成功实现了咔唑类的构建，具有高效简便的优点。但是同时，反应中使用的氧化剂醋酸碘苯在反应过程中会产生与氧化剂使用量等量的碘苯，导致原子经济性较低，对环境造成严重污染。更为严重的是，由于副产物碘苯是一种很好的进攻试剂，在反应过程中，会对反应进行干扰，影响反应的产率。而当后续研究者尝试避免使用醋酸碘苯作为氧化剂的时候，往往就需要较高的温度或加入其它添加剂，使得反应条件不够温和或过于复杂。
综上,现有技术仍缺乏一种绿色环保、简便高效的咔唑类化合物的制备方法。
发明内容
本发明目的是针对现有技术的不足，提供一种利用环状二酰基过氧化物和过渡金属在光照的条件下制备咔唑类化合物的方法。本发明的详细技术方案如下所示：
一种咔唑类化合物的制备方法，将式(Ⅱ)的反应底物加入溶剂溶解，随后加入环状二酰基过氧化物和过渡金属，最后在光照的条件下反应以获得式(I)；
其中，式(Ⅰ)、式(Ⅱ)的化学结构式如下所示：
式(Ⅰ)
Figure GDA0003319031180000021
式(Ⅱ)
Figure GDA0003319031180000022
所述式(I)、式(II)中的R1与R2包括氢、卤素、烷基、芳基中的任意一种，PG为对甲基苯磺酰基、苯磺酰基、磺酰基、乙酰基的任意一种。
环状二酰基过氧化物与过渡金属配位进行碳氢活化反应，同时作为氧化剂和配体，反应过程中生成的副产物双羧酸可以回收作为再次合成环状二酰基过氧化物的原料，原子经济性高。同时，由于环状二酰基过氧化物自身的性质，在反应中非常容易进行活化与金属配位，使得反应条件非常温和。在反应过程中，可以通过调节环状二酰基过氧化物的取代来灵活调控反应活性，具有精准可调可控等优点。目前，环状二酰基过氧化物与过渡金属搭配进行碳氢活化反应还未有相关报导。
作为优选，所述环状二酰基过氧化物包括式(Ⅲ)、式(Ⅳ)、式(Ⅴ)中任意一种；其中式(Ⅲ)、式(Ⅳ)、式(Ⅴ)的化学结构式如下所示，
式(Ⅲ)
Figure GDA0003319031180000023
式(Ⅳ)
Figure GDA0003319031180000024
式(Ⅴ)
Figure GDA0003319031180000025
其中，R3、R4、R5、R6为氢、卤素、烷基、芳基或硝基中的任意一种。
作为优选，所述过渡金属包括VIII族元素、IB族元素中的任意一种。
作为优选，所述过渡金属为VIII族元素中的铂族金属中的任意一种，所述铂系元素为钌、铑、钯、锇、铱、铂六种元素。铂系元素具有更佳的催化能力。优选的，钯金属在六种铂系元素中催化能力最强。
作为优选，所述过渡金属与所述环状二酰基过氧化物的摩尔比为1：(10-50)。
作为优选，所述过渡金属与所述环状二酰基过氧化物的摩尔比为1：(10-20)。该范围内产率能够达到70％，是更优选的摩尔比范围。
作为优选，所述溶剂为甲苯、N，N-二甲基甲酰胺、邻二氯乙烷中的一种。
本发明还保护根据上述方法制备的咔唑类化合物。
本发明的有益效果有：
(1)本发明使用环状二酰基过氧化物与过渡金属配位进行碳氢活化反应，同时作为氧化剂和配体，反应过程中生成的副产物双羧酸可以回收作为再次合成环状二酰基过氧化物的原料，原子经济性高；
(2)由于环状二酰基过氧化物自身的性质，在反应中非常容易进行活化与金属配位，使得本发明条件非常温和；
(3)本发明可以通过调节环状二酰基过氧化物的取代来灵活调控反应活性，精准可调可控，合成方法简单，产率高，更好地达到环境友好和绿色化学的目标。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式作进一步说明：
制备实施例
制备实施例1制备N-对甲基苯磺酰基邻苯苯胺备用
将1mmol邻苯苯胺加入到50mL二氯甲烷中溶解，然后加入2mmol吡啶、0.1mmol 4-二甲氨基吡啶和1.5mmol对甲基苯磺酰氯，随后将反应管置于室温搅拌器中，用薄层色谱(TLC)板检测反应直至原料反应完毕,即可得到所需的N-对甲基苯磺酰基邻苯苯胺。
制备实施例2制备N-甲磺酰基邻苯苯胺备用
将1mmol邻苯苯胺加入到50mL二氯甲烷中溶解，然后加入2mmol吡啶、0.1mmol 4-二甲氨基吡啶和1.5mmol甲磺酰氯，随后将反应管置于室温搅拌器中，用薄层色谱(TLC)板检测反应直至原料反应完毕,即可得到所需的N-对甲基苯磺酰基邻苯苯胺。
发明实施例
发明实施例1
(1)将0.1mmol N-对甲基苯磺酰基邻苯苯胺加入到1mL甲苯中溶解，然后加入0.01mmol醋酸钯和0.1mmol MPO(4,4-dimethyl-1,2-dioxolane-3,5-dione)，其中，醋酸钯与MPO的摩尔比为1：10，随后将反应管置于用420-430nm波段LED蓝光照射的搅拌器中，用薄层色谱(TLC)板检测反应直至原料反应完毕；
(2)加入10mL乙酸乙酯(EA)和10mL水，用60mL的分液漏斗萃取分液，水相用EA萃取三次(3*10mL)，合并有机相，然后再用10mL饱和食盐水洗涤一次，收集有机相并用无水硫酸钠干燥；
(3)过滤除去硫酸钠，且有机相利用旋转蒸发仪去除溶剂得到粗产物，粗产物通过柱层析纯化得到白色固体31mg，产率97％，其中洗脱剂为石油醚和乙酸乙酯混合物。
产物的表征数据为：
1H NMR(400MHz,Chloroform-d)δ8.33(d,J＝8.4Hz,2H),7.90(d,J＝7.2Hz,2H),7.70(d,J＝8.4Hz,2H),7.49(m,2H),7.40–7.33(m,2H),7.10(d,J＝8.0Hz,2H),2.26(s,3H).13C NMR(100MHz,Chloroform-d)δ144.9,138.4,134.9,129.7,127.4,126.5,126.4,123.9,120.0,115.2,77.3,77.0,76.8,21.5.
经过确认，产物的结构式为
Figure GDA0003319031180000041
其中Ts为对甲基苯磺酰基。
经分析，反应的机理确认为
Figure GDA0003319031180000051
发明实施例2
1)将0.1mmol N-甲磺酰基邻苯苯胺加入到1mL甲苯中溶解，然后加入0.01mmol醋酸钯、0.1mmol MPO(4,4-dimethyl-1,2-dioxolane-3,5-dione)，其中醋酸钯与MPO的摩尔比为1：10，随后将反应管置于用420-430nm波段LED蓝光照射的搅拌器中，用薄层色谱(TLC)板检测反应直至原料反应完毕；
(2)加入10mL乙酸乙酯(EA)和10mL水，用60mL的分液漏斗萃取分液，水相用EA萃取三次(3*10mL)，合并有机相，并再用10mL饱和食盐水洗涤一次，收集有机相用无水硫酸钠干燥；
(3)过滤除去硫酸钠，然后有机相利用旋转蒸发仪去除溶剂得到粗产物，粗产物通过柱层析纯化得到白色固体24mg，产率98％，其中洗脱剂为石油醚和乙酸乙酯混合物。
产物的表征数据为：
1H NMR(400MHz,Chloroform-d)δ8.17(d,J＝8.4Hz,2H),8.01(d,J＝7.6Hz,2H),7.51(t,J＝7.6Hz,2H),7.43(t,J＝7.6Hz,2H),2.98(s,2H).13C NMR(100MHz,Chloroform-d)δ138.4,127.6,126.3,124.2,120.3,114.7,38.7.
经过确认，产物的结构式为
Figure GDA0003319031180000061
其中Ms为甲磺酰基。
经分析，反应的机理确认为
Figure GDA0003319031180000062
发明实施例3
本实施例仅描述与实施例1不同之处，所述步骤(1)中的金属催化剂不同，具体为醋酸铜，粗产物的产率10％。
发明实施例4
本实施例仅描述与实施例1不同之处，所述步骤(1)中的溶剂不同，具体为N，N-二甲基甲酰胺，粗产物的产率50％。
发明实施例5
本实施例仅描述与实施例1不同之处，所述步骤(1)中的溶剂不同，具体为邻二氯乙烷，粗产物的产率52％。
发明实施例6
本实施例仅描述与实施例1不同之处，所述步骤(1)中的醋酸钯与MPO摩尔比不同，具体为1:15，粗产物的产率84％。
发明实施例7
本实施例仅描述与实施例1不同之处，所述步骤(1)中的醋酸钯与MPO摩尔比不同，具体为1:20，粗产物的产率70％。
发明实施例8
本实施例仅描述与实施例1不同之处，所述步骤(1)中的醋酸钯与MPO摩尔比不同，具体为1:50，粗产物的产率53％。
对比实施例
对比实施例1
本实施例仅描述与实施例1不同之处，所述步骤(1)中的溶剂不同，具体为乙腈，粗产物的产率11％。
对比实施例2
本实施例仅描述与实施例1不同之处，所述步骤(1)中的溶剂不同，具体为二氯甲烷，粗产物的产率19％。
对比实施例3
本实施例仅描述与实施例1不同之处，所述步骤(1)中的醋酸钯与MPO摩尔比不同，具体为1:5，粗产物的产率97％。
对比实施例4
本实施例仅描述与实施例1不同之处，所述步骤(1)中的醋酸钯与MPO摩尔比不同，具体为1:100，粗产物的产率37％。
综合实施例1、实施例3、实施例4、对比实施例1、对比实施例2，整理不同溶剂下的产率，结果如表1所示，本发明步骤(1)中的溶剂为N，N-二甲基甲酰胺、邻二氯乙烷、甲苯中的一种时，产率较高，特别是甲苯，产率高达97％，是最佳的溶剂，而选择不合适的溶剂如乙腈时，产率仅仅为11％。
表1不同溶剂下的产率
实施例 溶剂 产率
实施例1 甲苯 97％
实施例4 N，N-二甲基甲酰胺 50％
实施例5 邻二氯乙烷 52％
对比实施例1 乙腈 11％
对比实施例2 二氯甲烷 19％
综合实施例1、实施例6、实施例7和对比实施例3，整理不同醋酸钯与MPO摩尔比的产率，结果如表2所示。对比实施例3中,本发明催化剂用量为MPO用量的20％时，产率为97％,而实施例1中催化剂用量为MPO用量的10％时也是97％,催化效率几乎没有提升,说明催化剂的量达到20％时,已经足够了。对比实施例4中，本发明催化剂用量为MPO用量的1％，此时产率为37％，说明催化能力不够，而在1：(10-50)这个范围内，产率比较合适，更优的范围为1：(10-20)。
表2不同醋酸钯与MPO摩尔比的产率
实施例 醋酸钯 MPO 产率
实施例1 1 10 97％
实施例6 1 15 84％
实施例7 1 20 70％
实施例8 1 50 53％
对比实施例3 1 5 97％
对比实施例4 1 100 37％
根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。

Claims (1)

1.一种咔唑类化合物的制备方法，其特征在于，将式(Ⅱ)的反应底物加入溶剂甲苯溶解，随后加入环状二酰基过氧化物4,4-二甲基-1,2-二氧戊环-二酮和过渡金属醋酸钯，最后在420-430nm波段光照的条件下反应以获得式(I)；
其中，式(Ⅰ)、式(Ⅱ)的化学结构式如下所示：
式(Ⅰ)
Figure FDA0003293294090000011
式(Ⅱ)
Figure FDA0003293294090000012
所述式(I)、式(II)中的R1与R2为氢、卤素、烷基、芳基中的任意一种，PG为对甲基苯磺酰基、甲磺酰基的任意一种，
所述过渡金属与所述环状二酰基过氧化物的摩尔比为1：(10-15)。
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