CN114318375B

CN114318375B - 一种吲哚并[2,3-a]咔唑及其制备方法

Info

Publication number: CN114318375B
Application number: CN202110816243.2A
Authority: CN
Inventors: 吴忠凯; 朱叶峰; 杨修光; 张玲; 裴晓东; 骆艳华; 申保金
Original assignee: Sinosteel Nanjing New Material Research Institute Co Ltd
Current assignee: Sinosteel Nanjing New Material Research Institute Co Ltd
Priority date: 2021-07-20
Filing date: 2021-07-20
Publication date: 2023-04-11
Anticipated expiration: 2041-07-20
Also published as: CN114318375A

Abstract

本发明公开了一种吲哚并[2,3‑A]咔唑及其制备方法，属于电化学技术领域。它包括一种以环己酮、邻苯二胺为原料合成吲哚并[2,3‑A]咔唑的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：投料：向反应容器内加入环己酮、邻苯二胺、添加剂和溶剂A；S2：通电：插入两根电极，室温条件下，通上电源后，调节电流大小，反应一段时间；S3：收集：反应结束后，加入溶剂B萃取，有机层经脱溶、重结晶得到吲哚并[2,3‑A]咔唑。本发明利用电化学的催化方法制备吲哚并[2,3‑A]咔唑，反应条件温和，原料简单易得，绿色环保，反应收率高。

Description

一种吲哚并[2,3-A]咔唑及其制备方法

技术领域

本发明属于电化学技术领域，更具体地说，涉及一种吲哚并[2,3-A]咔唑及其制备方法。

背景技术

OLED(Organic Light-Emitting Diode)，即有机发光二极管，因其柔性轻薄特质、自发光、响应速度快、低功耗等诸多特质，被赋予“梦幻显示器”称号。吲哚并[2,3-A]咔唑类似于双咔唑化合物的融合，然而其具有远超联咔唑的共轭体系，从而表现出强的光谱吸收，良好的电子传输等特性。因此其在电致发光材料方面有着巨大的应用前景。

根据文献报道，吲哚并[2,3-A]咔唑主要有以下3种合成方法：

路线I：Panesar等人报道了一例合成吲哚并[2,3-A]咔唑，以双吲哚甲烷为原料，原甲酸三甲酯为C1源，在强质子酸催化下、100℃条件下以82％的收率得到吲哚并[2,3-A]咔唑。

路线II：专利KR2011011579报道了一种无金属参与合成吲哚并咔唑的方法：采用Fisher吲哚合成的策略：以苯肼和1,2-环己二酮为原料，在硫酸以及三氟乙酸这类强酸作用下历经酮腙化(硫酸)、环化(100℃，三氟乙酸重排环化)得到吲哚并咔唑，收率77％。

路线III：Banerji等人报道一例合成吲哚并[2,3-A]咔唑的策略。以3-甲醛吲哚为原料，通过SmI2的催化自偶联合成联吲哚二甲醛，随后与肼回流(120℃)反应合环得到吲哚并[2,3-A]咔唑，收率60％。

上述合成路线中，路线I反应所采用的原料二吲哚甲烷，原甲酸三甲酯不易得且价格昂贵，严重限制了此方法的发展；路线II需要使用大量的硫酸和三氟乙酸，会产生大量的酸性废液，加剧了三废处理的难度，此外，还有反应周期长，难提纯等问题。路线III使用昂贵的SmI2这类催化剂，3-吲哚甲醛这类原料价格也昂贵，反应步骤长，综合收率也偏低，造成生产成本加剧，不利于工业化的生产。

因而需要发展一类绿色经济，原料易得，原子利用率高合成吲哚并[2,3-A]咔唑的方法，来满足日益增长的产品需求。

此外，基于分子间C(sp³)-H/N-H的氧化脱氢偶联策略，2017年，雷爱文课题组[ACSCatal.2017,7,12,8320–8323]报道了一种电化学氧化条件下C(sp³)-H杂环化的高效方法学。该反应在氮气氛围中，以Pt片作为阳阴极，ⁿBu₄NBF₄为电解质，MeCN为溶剂，在单室电解池中以恒电流模式电解，与氧、氮、硫等杂原子相邻的C(sp³)-H类化合物都能与唑类杂环反应生成相应的C-N键偶联产物。但其仅针对特定的氮结构，该文中选用三氮唑这类多氮化合物失去电子可得到稳定性高的氮自由基，与α-杂原子取代的亚甲基可实现交叉偶联，但是对于裸胺而言，其失去电子生成的阳离子自由基稳定差，易二聚而淬灭反应。

2019年，雷爱文课题组[Green Chem.,2019,21,765-769]利用电化学氧化和布朗斯特酸催化协同策略，通过[4+2]环化来合成吡嗪类化合物。该反应在氮气氛围中，反应温度为100℃，以KI作为电解质，对甲苯磺酸作为布朗斯特酸催化剂，Pt片作为阴极，石墨棒为阳极，DMA为溶剂，在单室电解池中以恒电流模式电解，一系列简单酮与邻二胺反应得到吡嗪类化合物。机理研究表明该反应涉及自由基过程，α-碘代酮为关键中间体。首先，碘负离子在阳极被氧化成碘自由基，碘自由基与酮14-1反应，得到α-碘代酮；然后，

酸催化下，邻二胺和α-碘代酮发生缩合反应生成亚胺中间体；随后，亚胺中间体发生分子内的亲核取代反应，形成环状中间体；最后，通过阳极氧化，生成芳构化的吡嗪产物。同时质子在阴极被还原，生成H₂。

但该方法不适用本发明合成吲哚并[2,3-A]咔唑的方法。

发明内容

1.要解决的问题

针对现有吲哚并[2,3-A]咔唑的制备反应周期长、原子利用率低的问题，本发明提供一种电化学催化合成吲哚并[2,3-A]咔唑的方法，该方法反应条件温和、绿色、经济性好。

2.技术方案

为了解决上述问题，本发明所采用的技术方案如下：

一种吲哚并[2,3-A]咔唑，采用电化学催化合成，反应式如下：

反应体系中包括环己酮、邻苯二胺、添加剂和溶剂，所述添加剂为易溶于水和有机溶剂且可以电解的电解质，包括用于亚胺生成阶段的脱水作用的添加剂Ⅰ和用于电解液中电子传输介质的添加剂Ⅱ。

更进一步地，所述添加剂I选自(TsOH·H2O)和醋酸(HOAc)中的一种，所述添加剂II选自四丁基溴化铵和四叔丁基十二烷基磺酸铵中的一种。

更进一步地，添加剂I的用量为0.1 equiv，即添加剂I：邻苯二胺的摩尔量为0.1：1，添加剂II用量为1 equiv，即添加剂II：邻苯二胺的摩尔量为1：1，所述添加剂I和添加剂II的摩尔比为1：10。

更进一步地，所述环己酮和邻苯二胺的摩尔比为1:(2.1～2.3)；所述环己酮、邻苯二胺、添加剂I和添加剂II的比例为1:(2.1～2.3):0.1:1。

更进一步地，包括以下步骤：

S1：投料：向反应容器内加入环己酮、邻苯二胺、添加剂和溶剂A；

S2：通电：插入两根电极，室温条件下，通上电源后，调节电流大小，反应一段时间；

S3：收集：反应结束后，加入溶剂B萃取，有机层经脱溶、重结晶得到吲哚并[2,3-A]咔唑。

更进一步地，所述电流大小为10～15 mA，反应时间为7～12h。

更进一步地，所述电极选自Pt(-)|C(+)，Pb(-)|Pt(+)，Ni(-)|C(+)。

更进一步地，步骤3中所述溶剂A回收后加入溶剂B萃取。

更进一步地，所述溶剂A选自乙腈(MeCN)、N,N-二甲基乙酰胺(DMA)、N,N-二甲基甲酰胺(DMF)和1,2-二氯乙烷(DCE)中的一种或多种；优选的，所述溶剂A的加入量为150-200mL。

更进一步地，所述溶剂B为水和乙酸乙酯的混合溶剂，还可以为水和二氯甲烷或水和氯仿的混合溶剂，能实现反应物和产物的溶解即可，所述溶剂B的加入量为水：有机溶剂＝2:3，优选的，所述溶剂B的加入量为水：有机溶剂＝200 mL:300 mL。

其中，本发明中的反应式和反应机理如图1和图2所示：芳香胺与酮在TsOH-H₂O作用下脱水生成亚胺，亚胺互变成烯胺，烯胺在电催化作用下失电子得到阳离子自由基，正离子与十二磺酸阴离子静电作用，因而与胺存在着较大的位阻，难以发生胺的亲核进攻，因而与富电的苯亲电加成得到环化的产物，然后经过失电子，去质子化过程得到一侧环化芳构化产物，然后再经过以上的一个催化循环，可得到目标产物。

其中，互变得到的烯胺中间体在电催化作用下失电子得到阳离子自由基，在添加剂四叔丁基十二烷基磺酸铵电性吸引作用而在末端的正离子区域有着较大的位阻，而无法完成胺的亲核进攻，而是与富电的苯环发生亲核加成，完成环化。因而此处使用的四叔丁基十二烷基磺酸铵一方面是电子传输介质，另一方面是静电作用位阻加大，阻断胺的亲核进攻，而选择性亲电加成芳环。

3.有益效果

相比于现有技术，本发明的有益效果为：

(1)本发明的方法以环己酮，邻苯二胺为原料，利用电化学的催化方法制备吲哚并[2,3-A]咔唑，反应条件温和，原料简单易得，绿色环保，反应收率高；

(2)本发明与已报道方法相比，该方法无需使用大量的强酸，原料简单易得，可一步一锅法直接环化芳构化，避免了繁琐的反应步骤及金属残留，无外加氧化剂参与，绿色环保，有效的降低了三废的排放；该方法原子经济性高，操作简单，成本低廉，产品质量优，为吲哚并[2,3-A]咔唑合成提供一种新的高效方法；

(3)本发明的吲哚并[2,3-A]咔唑的制备方法，在室温条件下采用一步法，以商业易得的环己酮和邻苯二胺为初始原料，在电流作用下，可高收率、高纯度得到吲哚并[2,3-A]咔唑。该方法条件温和，操作简单，成本低，收益高，有易于企业工业化生产。

附图说明

以下将结合附图和实施例来对本发明的技术方案作进一步的详细描述，但是应当知道，这些附图仅是为解释目的而设计的，因此不作为本发明范围的限定。

图1为本发明的反应式；

图2为本发明实施例1的反应机理图；

图3为本发明实施例1的核磁谱图；

图4为本发明实施例1的吲哚并[2,3-A]咔唑的色谱图。

具体实施方式

下文对本发明的示例性实施例的详细描述参考了附图，该附图形成描述的一部分，在该附图中作为示例示出了本发明可实施的示例性实施例。尽管这些示例性实施例被充分详细地描述以使得本领域技术人员能够实施本发明，但应当理解可实现其他实施例且可在不脱离本发明的精神和范围的情况下对本发明作各种改变。下文对本发明的实施例的更详细的描述并不用于限制所要求的本发明的范围，而仅仅为了进行举例说明且不限制对本发明的特点和特征的描述，以提出执行本发明的最佳方式，并足以使得本领域技术人员能够实施本发明。因此，本发明的范围仅由所附权利要求来限定。

吲哚并[2,3-A]咔唑具有优良的光学和电学性能，可作为发光材料应用于有机发光二极管、有机场效应晶体管、有机薄膜晶体管和光伏器件。现有技术中，或采用价格昂贵、获取困难的二吲哚甲烷和原甲酸三甲酯作为原料，或在体系中加入强酸或催化剂，造成污染大、反应周期长、原子利用率和收率低的问题，因此本发明利用电化学催化合成吲哚并[2,3-A]咔唑，构建C-N键，反应经过脱水-失电子-环化芳构化的两个催化循环过程，得到目标产物。

其中，表1为本发明各实施例的实验参数

表1为本发明各实施例的实验参数

实施例1

室温条件下，在500mL四口烧瓶内加入32.44g邻苯二胺(Mr＝108.14，99％，0.3mol)，61.82g环己酮(Mr＝98.14，99％，0.63mol)，5.71g TsOH·H2O(Mr＝190.22，99％，0.03mol)，96.71g四丁基溴化铵(Mr＝322.37，99％，0.3mol)，加入200mL MeCN，将铂电极及碳电极插入液面以下，充当阴极和阳极，调整电流10mA，反应8h，薄层色谱分析(TLC)监测，反应结束后，过滤加入水(200mL)及乙酸乙酯(300mL)萃取，有机层脱溶得到粗品以甲苯/乙醇重结晶得到45.29g吲哚并[2,3-A]咔唑，含量99.1％，收率58.9％。

制得的产物用核磁共振氢谱和色谱进行表征，其中图3为本实施例的核磁共振氢谱，1HNMR(400MHz,DMSO-d6):δ11.07(s,2H),8.16(d,J＝7.6Hz,2H),7.91-7.88(m,2H),7.72(d,J＝8.0Hz,2H),7.41-7.38(m,2H),7.23-7.19(m,2H)。

图4为本实施例的色谱图，其中保留时间为11.82min的峰为目标产物，峰面积占比99.1％，其余为杂质峰，总计占比0.9％。

实施例2

室温条件下，在500mL四口烧瓶内加入32.44g邻苯二胺(Mr＝108.14，99％，0.3mol)，64.77g环己酮(Mr＝98.14，99％，0.66mol)，5.71g TsOH·H₂O(Mr＝190.22，99％，0.03mol)，96.71g四丁基溴化铵(Mr＝322.37，99％，0.3mol)，加入200mL DMF，将铅电极及铂电极插入液面以下，充当阴极和阳极，调整电流12.5mA，反应10h，薄层色谱分析(TLC)监测，反应结束后，过滤加入水(200mL)及乙酸乙酯(300mL)萃取，有机层脱溶得到粗品以甲苯/乙醇重结晶得到28.83g吲哚并[2,3-A]咔唑，含量99.2％，收率37.5％。

实施例3

室温条件下，在500mL四口烧瓶内加入10.81g邻苯二胺(Mr＝108.14，99％，0.1mol)，22.57g环己酮(Mr＝98.14，99％，0.23mol)，0.6g醋酸(Mr＝60.05，99％，0.01mol)，96.71g四叔丁基十二烷基磺酸铵(Mr＝322.37，99％，0.3mol)，加入150mL DMF，将铅电极及铂电极插入液面以下，充当阴极和阳极，调整电流15mA，反应10h，薄层色谱分析(TLC)监测，反应结束后，过滤加入水(200mL)及乙酸乙酯(300mL)萃取，有机层脱溶得到粗品以甲苯/乙醇重结晶得到9.60g吲哚并[2,3-A]咔唑，含量99.2％，收率37.5％。

实施例4

室温条件下，在500mL四口烧瓶内加入32.44g邻苯二胺(Mr＝108.14，99％，0.3mol)，64.77g环己酮(Mr＝98.14，99％，0.66mol)，5.71g TsOH·H₂O(Mr＝190.22，99％，0.03mol)，170.24g四叔丁基十二烷基磺酸铵(Mr＝567.47，99％，0.3mol)，加入200mL DMA，将铂电极及碳电极插入液面以下，充当阴极和阳极，调整电流15mA，反应7h，薄层色谱分析(TLC)监测，反应结束后，过滤加入水(200mL)及乙酸乙酯(300mL)萃取，有机层脱溶得到粗品以甲苯/乙醇重结晶得到68.53g吲哚并[2,3-A]咔唑，含量99.0％，收率89.19％。

实施例5

室温条件下，在500mL四口烧瓶内加入32.44g邻苯二胺(Mr＝108.14，99％，0.3mol)，64.77g环己酮(Mr＝98.14，99％，0.66mol)，5.71g TsOH·H₂O(Mr＝190.22，99％，0.03mol)，116.05g四丁基溴化铵(Mr＝322.37，99％，0.36mol)，加入175mL DMA，将镍电极及碳电极插入液面以下，充当阴极和阳极，调整电流10mA，反应12h，薄层色谱分析(TLC)监测，反应结束后，过滤加入水(200mL)及乙酸乙酯(300mL)萃取，有机层脱溶得到粗品以甲苯/乙醇重结晶得到45.70g吲哚并[2,3-A]咔唑，含量99.0％，收率59.49％。

对比实施例1

室温条件下，在500mL四口烧瓶内加入32.44g邻苯二胺(Mr＝108.14，99％，0.3mol)，64.77g环己酮(Mr＝98.14，99％，0.66mol)，5.71g TsOH·H₂O(Mr＝190.22，99％，0.03mol)，加入200mL DMA，将铂电极及碳电极插入液面以下，充当阴极和阳极，调整电流15mA，反应7h，薄层色谱分析(TLC)监测，反应结束后，过滤加入水(200mL)及乙酸乙酯(300mL)萃取，有机层脱溶得到粗品以甲苯/乙醇重结晶得到22.87g吲哚并[2,3-A]咔唑，含量99.0％，收率29.19％。

对比实施例2

室温条件下，在500mL四口烧瓶内加入32.44g邻苯二胺(Mr＝108.14，99％，0.3mol)，64.77g环己酮(Mr＝98.14，99％，0.66mol)，170.24g四叔丁基十二烷基磺酸铵(Mr＝567.47，99％，0.3mol)，加入200mL DMA，将铂电极及碳电极插入液面以下，充当阴极和阳极，调整电流15mA，反应7h，薄层色谱分析(TLC)监测，反应结束后，过滤加入水(200mL)及乙酸乙酯(300mL)萃取，有机层脱溶得到粗品以甲苯/乙醇重结晶得到23.96g吲哚并[2,3-A]咔唑，含量99.0％，收率31.19％。

对比实施例3

室温条件下，在500mL四口烧瓶内加入32.44g邻苯二胺(Mr＝108.14，99％，0.3mol)，64.77g环己酮(Mr＝98.14，99％，0.66mol)，加入200mL DMA，将铂电极及碳电极插入液面以下，充当阴极和阳极，调整电流15mA，反应12h。反应结束后，过滤加入水(200mL)及乙酸乙酯(300mL)萃取，有机相GC-MS检测分析，吲哚并[2,3-A]咔唑含量<5％。

Claims

1. 一种吲哚并[2,3-A]咔唑的制备方法，其特征在于，采用电化学催化合成，反应体系中包括环己酮、邻苯二胺、添加剂和溶剂，所述添加剂为易溶于水和有机溶剂且可以电解的电解质，包括用于亚胺生成阶段的脱水作用的添加剂Ⅰ和用于电解液中电子传输介质的添加剂Ⅱ，所述添加剂I选自对甲苯磺酸一水合物和醋酸中的一种，所述添加剂II选自四丁基溴化铵和四叔丁基十二烷基磺酸铵中的一种，所述添加剂I的用量为0.1 equiv，添加剂II用量为1 equiv，所述添加剂I和添加剂II的摩尔比为1：10，所述环己酮和邻苯二胺的摩尔比为1:(2.1~2.3)；所述环己酮、邻苯二胺、添加剂I和添加剂II的比例为1:（2.1~2.3）:0.1:1，电流大小为10~15 mA。

2.根据权利要求1所述一种吲哚并[2,3-A]咔唑的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：投料：向反应容器内加入环己酮、邻苯二胺、添加剂和溶剂A，所述溶剂A选自乙腈、N,N-二甲基乙酰胺、N,N-二甲基甲酰胺和1,2-二氯乙烷中的一种或多种；

S3：收集：反应结束后，加入溶剂B萃取，有机层经脱溶、重结晶得到吲哚并[2,3-A]咔唑，所述溶剂B为水和乙酸乙酯、水和二氯甲烷或水和氯仿的混合溶剂。

3.根据权利要求2所述一种吲哚并[2,3-A]咔唑的制备方法，其特征在于，反应时间为7~12h。

4.根据权利要求2所述一种吲哚并[2,3-A]咔唑的制备方法，其特征在于，所述电极选自Pt(-)|C(+)，Pb(-)|Pt(+)，Ni(-)|C(+)。

5.根据权利要求2所述一种吲哚并[2,3-A]咔唑的制备方法，其特征在于，步骤3中所述溶剂A回收后加入溶剂B萃取。

6.根据权利要求2所述一种吲哚并[2,3-A]咔唑的制备方法，其特征在于，所述溶剂B的加入量为水：有机溶剂=2:3。