CN114349609A - 一种六苯并蔻二聚体的合成方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种六苯并蔻二聚体的合成方法，先行引入骨架大大提高了中间体稳定性和反应产率。首先通过D‑A反应合成并多苯多醌骨架，然后通过Corey‑Fuchs反应得到二氯乙烯中间体、Suzuki‑Miyaura(铃木－宫浦)反应获得多芳基中间体，最后通过关环反应生成c‑HBC二聚体。与现有技术相比，本发明的合成方法相对更加简单，所得产物分子具有C2对称轴，其结晶好，分子排列规整，有助于该类六苯并蔻二聚体在半导体晶体管、有机光伏电池、手性光学等领域的潜在应用，为满足半导体器件的未来需求提供有意义的探索和材料储备等。
Description
技术领域
本发明属于有机合成技术领域，涉及一种六苯并蔻二聚体的合成方法。
背景技术
近年来，有机光电功能材料以其独特的优势(溶液加工、印刷电子、柔性、低耗等)在很多新兴领域得到快速的发展和应用，如有机发光二极管(OLED)、有机光伏电池(OSL)、有机场效应晶体管(OFET)等。然而想要进一步提高这些器件的性能，就要从结构上对这些分子进行调控。石墨烯纳米带表现出独特的电学和光学特性，这些特性强烈依赖于其化学结构，尤其是带宽和边缘结构。通过自下而上的溶液合成方法获得石墨烯纳米带，可以从原子尺度上精确地调控石墨烯纳米带的边缘结构、带宽、带隙及光电功能。
扭曲的六苯并蔻分子(c-HBC)具有独特的双凹面结构，一方面有助于削弱分子间的堆积、提高了分子的溶解度和可加工性，另一方面独特的有序互补式堆积使该类分子具有较高的电导率和光子传输特性。1965年，J.F.Stephen等人(参考文献：Tetrahedron.1965,21(2),467-470)通过一系列复杂(8步)、低收率(2.4％)的反应首次合成了扭曲的六苯并蔻(c-HBC)，但受限于当时的条件，这个双凹面纳米石墨烯的堆积结构、光电性质没有被深入研究。直到2005年，Colin Nuckolls教授和肖胜雄等人(参考文献：Angew.Chem.Int.Ed.2005,44,7390-7394)首次通过巴顿-凯洛格反应(Barton-KelloggReaction)合成了c-HBC。然而，利用该反应合成相应化合物需要的步骤更多(13步)、中间体(硫酮和叠氮)稳定性不够好、条件苛刻且路线总产率很低。
发明内容
本发明的目的就是为了提供一种六苯并蔻二聚体的合成方法，以c-HBC为基本单元，通过“骨架合成-后期修饰”策略只需要8步即可得到六苯并蔻二聚体。该类化合物在有机场效应晶体管、有机发光二极管、有机太阳能电池等领域具有潜在的重要应用。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
本发明提供了一种六苯并蔻二聚体的合成方法，其为从骨架合成、芳基偶联到最终关环的合成路线，先行引入骨架大大提高了中间体稳定性和反应产率。首先通过D-A反应合成并多苯多醌骨架，然后通过Corey-Fuchs反应得到二氯乙烯中间体、Suzuki-Miyaura(铃木－宫浦)反应获得多芳基中间体，最后通过关环反应生成c-HBC二聚体。
具体的，本发明的合成方法可包括以下步骤：
(1)在惰性气体氛围下，将7,8-双(十二烷氧基)蒽-1,4-二酮、1,2,4,5-四(溴甲基)苯(即化合物1)和碘化钾溶于有机溶剂A中，反应，分离、干燥，得到中间产物一；
(2)在惰性气体氛围下，将中间产物一与三苯基膦溶于有机溶剂B中，加入四氯化碳，反应，分离、提纯，得到中间产物二(即化合物2，2,3,13,14-四(十二烷基氧基)-6,10,17,21-四(二氯亚甲基)-6,10,17,21-四氢并九苯)；
(3)在惰性气体氛围下，将中间产物二、苯硼酸和碱溶于溶剂C中，在催化剂和配体作用下，进行Suzuki-Miyaura偶联反应，所得产物提纯后，得到中间产物三(即化合物3，2,3,13,14-四(十二烷氧基)-6,10,17,21-四(二苯基亚甲基)-6,10,17,21-四氢并九苯)；
(4)在惰性气体氛围下，将中间产物三溶于甲苯，在碘及环氧丙烷的作用下，光照反应，去除溶剂后得到未完全闭环的中间体；
(5)将未完全闭环的中间体的溶于有机溶剂D中，在惰性气体下，滴加三氯化铁的无水硝基甲烷溶液并搅拌反应，分离提纯后得到目标产物六苯并蔻二聚体(即化合物4)。
进一步的，本发明所用的7,8-双(十二烷氧基)蒽-1,4-二酮、1,2,4,5-四(溴甲基)苯可以根据参考文献合成(Org.Lett.2009,11(11),2225-2228)，其具体可以邻苯二酚为原料，通过3步合成。
进一步的，步骤(1)和步骤(2)中，7,8-双(十二烷氧基)蒽-1,4-二酮、1,2,4,5-四(溴甲基)苯、碘化钾、三苯基膦和四氯化碳的摩尔量之比为(2～2.5)：(10～14)：(10～14)：(18～22)。
进一步的，步骤(1)中，反应的温度为110～180℃，时间为24～72h。
进一步的，步骤(2)中，反应的温度为100～140℃，时间为12～48h。
进一步的，步骤(1)中，所述的有机溶剂A为DMA(N,N-二甲基乙酰胺)、DMF(N,N-二甲基甲酰胺)或NMP(N-甲基吡咯烷酮)中的一种或几种。
步骤(2)中，所述有机溶剂B为甲苯、二甲苯、氯苯、二氯苯或三氯苯等中的一种或几种。
进一步的，步骤(3)中，苯硼酸和碱的摩尔用量分别为中间产物二摩尔用量的8～24倍，具体的，化合物2、苯硼酸和碱的摩尔当量比可以为1:10:10，或1:20:20等。
进一步的，步骤(3)中，催化剂摩尔用量为中间产物二摩尔用量的5～30％，可选为10％。如催化剂、配体与化合物2的摩尔当量比可以为0.1:0.25:1。
进一步的，步骤(3)中，偶联反应的温度为70～110℃，时间为8～48h。
进一步的，步骤(3)中，所用催化剂为双(二亚苄基丙酮)钯(0)、醋酸钯、四(三苯基膦)钯、二(三苯基膦)二氯化钯或1,1'-双二苯基膦二茂铁二氯化钯中的一种或几种。具体的，催化剂为双(二亚苄基丙酮)钯(0)。同时，配体可以采用2-双环己基膦-2',6'-二甲氧基联苯等。
进一步的，步骤(3)中，所用碱为碳酸钾、碳酸钠或磷酸钾中的一种或几种，优选为碳酸钾。
进一步的，步骤(3)中，所用溶剂C为有机溶剂与水按体积比2～30:1的混合，其中，有机溶剂选自甲苯、四氢呋喃、乙二醇二甲醚或1,4-二氧六环中的一种或几种，优选为甲苯，且甲苯与水的体积比优选为10:1。
进一步的，步骤(4)中，碘的用量与中间产物三的摩尔当量比至少为10:1，环氧丙烷的用量与中间产物三的摩尔当量比至少为10:1。
进一步的，步骤(4)中，光照反应的温度控制不超过40℃，时间为6～24h；
进一步的，步骤(4)中，光照所用光源为高压汞灯或紫外灯。
进一步的，步骤(5)中，所用有机溶剂D为二氯甲烷、1,2-二氯乙烷或氯仿中的一种或几种。
进一步的，步骤(5)中，三氯化铁的摩尔量为制备未完全闭环的中间体所用中间产物三摩尔量的35～45倍，优选为40倍。
进一步的，步骤(5)中，反应时间为1～3h，温度为常温。
进一步的，整个反应过程中的惰性气体均可分别独立的为氮气或氩气。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)利用巴顿-凯洛格反应合成类似化合物需要的步骤更多、中间体(硫酮和叠氮)稳定性不够好、且路线总产率很低。相对巴顿-凯洛格反应策略，本发明中六苯并蔻二聚体的合成方法通过“骨架合成-后期修饰”策略即可得到，且制备方法简单有效。
(2)现有的沙滩椅型并九苯分子，至少需通过13步的步骤合成，而且中间体(硫酮和叠氮)稳定性不够好，而本发明只需8步。
(3)将性能优异的曲面的六苯并蔻(c-HBC)引入并九苯中，使并九苯不仅仅局限于线性平面共轭分子，而且此类并九苯稳定性较高，进一步扩大了并苯类家族的范畴。与现有的沙滩椅型并九苯分子相比，本发明中的分子具有C2对称轴，其结晶好，分子排列规整，有助于该类六苯并蔻二聚体在半导体晶体管、有机光伏电池、手性光学等领域的潜在应用，为满足半导体器件的未来需求提供有意义的探索和材料储备。
附图说明
图1为本发明的工艺流程示意图。
图2为实施例1中所得化合物2的核磁共振氢谱(400MHz,CDCl3,300K)。
图3为实施例1中所得化合物2的核磁共振碳谱(126MHz,CDCl3,300K)。
图4为实施例1中所得化合物2的MALDI(FT-ICR-MS)谱图。
图5为实施例1中所得化合物3的核磁共振氢谱(400MHz,C2D2Cl4,300K)。
图6为实施例1中所得化合物3的核磁共振碳谱(126MHz,C2D2Cl4,300K)。
图7为实施例1中所得化合物3的MALDI(FT-ICR-MS)谱图。
图8为实施例1中所得二聚体(即化合物4)的核磁共振氢谱(400MHz,C2D2Cl4,300K)。
图9为实施例1中所得二聚体(即化合物4)的核磁共振碳谱(126MHz,C2D2Cl4,300K)。
图10为实施例1中所得二聚体(即化合物4)的MALDI(FT-ICR-MS)质谱。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
以下各实施例中，如无特别说明的原料或处理技术，则表明其均为本领域的常规市售原料产品或常规处理技术。
实施例1：
参见图1所示的工艺流程，本实施例提供了一种六苯并蔻二聚体的合成方法，采用以下步骤：
(1)7,8-双(十二烷氧基)蒽-1,4-二酮(化合物1)根据文献合成。(参考文献：Org.Lett.2009,11(11),2225-2228.)
(2)在氮气环境下，向7,8-双(十二烷氧基)蒽-1,4-二酮(化合物1,6.35g,11mmol,2.2eq)的100mL DMA溶液中加入1,2,4,5-四(溴甲基)苯(2.25g,5mmol,1.0eq)和碘化钾(9.96g,60mmol,12.0eq)。将棕色悬浮液在150℃、氮气保护下搅拌24小时，然后在室温下加入100mL甲醇。将得到的棕色固体过滤并干燥。该不溶性固体无需进一步纯化即可用于下一步。
在氮气环境下，将上述固体溶于100mL氯苯，然后加入三苯基膦(15.74g,60mmol,12.0eq)和四氯化碳(9.64mL,100mmol,20.0eq)。将该溶液在氮气保护下回流反应24小时。冷却后，将溶液通过硅胶塞过滤，并将滤液减压浓缩。残余物通过硅胶色谱柱纯化，用二氯甲烷/己烷(v/v，4∶1)作为洗脱剂，得到2.3g浅棕色固体产物(即化合物2)，产率为29.8％。
(3)将2,3,13,14-四(十二烷基氧基)-6,10,17,21-四(二氯亚甲基)-6,10,17,21-四氢并九苯(化合物2)(772mg,0.5mmol,1.0eq)，苯硼酸(1.22g,10mmol,20.0eq)和碳酸钾(1.38g,10mmol，20.0eq)溶解在20mL甲苯和2mL水中，用氮气鼓泡30分钟。然后在氮气下将Pd(dba)2(57.5mg,0.1mmol,0.2eq)和S-phos(即2-双环己基膦-2',6'-二甲氧基联苯，102.5mg,0.25mmol,0.5eq)加入溶液中。将该混合物在110℃下搅拌24小时。冷却至室温后，将有机相用100mL水洗涤，并减压浓缩。残余物通过硅胶色谱柱纯化，用二氯甲烷/己烷(v/v，1：1)作为洗脱剂，得到676mg白色固体产物(即化合物3)，收率72％。
(4)在室温下，将2,3,13,14-四(十二烷氧基)-6,10,17,21-四(二苯基亚甲基)-6,10,17,21-四氢并九苯(化合物3)(500mg,0.27mmol,1.0eq)、碘(686mg,2.7mmol,10.0eq)和环氧丙烷(1.89mL,27mmol,100eq)的无水甲苯(300mL)溶液在高压汞灯(或紫外灯)下照射至少3小时。反应完成后，加入饱和亚硫酸钠(或亚硫酸氢钠或硫代亚硫酸钠)溶液从而中和过量的碘。将有机相减压浓缩，得到部分环化的中间体混合物，并干燥。
在氮气下，向已干燥的中间体混合物的135mL无水二氯甲烷溶液中，滴加三氯化铁(1.75g,10.8mmol,40.0eq)的无水硝基甲烷溶液。将反应混合物在氮气保护下搅拌2小时。反应完成后，加入2～50mL饱和氯化铵水溶液以淬灭反应，并将有机相减压浓缩。残余物通过硅胶色谱柱纯化，用二氯甲烷/己烷(v/v，3:2)作为洗脱剂，得到322mg橙色固体产物(即化合物4)，收率65％。
图2为制备得到的化合物2的1H-NMR图。图3为制备得到的化合物2的13C-NMR图。图4为制备得到的化合物2的MALDI(FT-ICR-MS)图，化合物2的理论分子量为1538.6225，实际测得的分子量为1538.6276。由图2、图3、图4可以确定通过步骤2得到了化合物2。
图5为制备得到的化合物3的1H-NMR图。图6为制备得到的化合物3的13C-NMR图。图7为制备得到的化合物3的MALDI(FT-ICR-MS)图。由图5可以看出，化合物3在芳香去之间所产生的峰与未反应之前原料化合物2的峰分裂完全不同，经过积分得到苯环上54个氢的归属。化合物3的理论分子量为1875.1847，实际测得的分子量为1875.1763。通过图5、图6、图7可以说明经过Suzuki-Miyaura偶联反应得到了化合物3。
图8为制备得到的化合物4的1H-NMR图。图9为制备得到的化合物3的13C-NMR图。图10为制备得到的化合物3的MALDI(FT-ICR-MS)图。从图8上可以看出经过积分得到38个氢的归属，并且整体向低场移动，这与我们预期的是一样的，说明经过光环化反应后，这个分子共轭的共轭效应会使化学位移向低场移动。化合物4的理论分子量为1859.0595，实际测得的分子量为1859.0611。通过图8、图9、图10可以说明经过关环反应将所有环关上，成功得到化合物4。对比例1：
与实施例1相比，绝大部分都相同，在步骤(2)中除了溶剂DMA改为等体积量的DMF，化合物2的产率只有24.5％。
与实施例1相比，绝大部分都相同，在步骤(2)中除了溶剂氯苯改为等体积量的甲苯，化合物2的产率只有23.4％。
与实施例1相比，绝大部分都相同，在步骤(3)中除了催化剂Pd(dba)2改为等摩尔量的四(三苯基膦)钯，化合物3的产率只有61％。
与实施例1相比，绝大部分都相同，在步骤(3)中除了催化剂Pd(dba)2改为等摩尔量的二(三苯基膦)二氯化钯，化合物3的产率只有65％。
实施例2：
与实施例1相比，绝大部分都相同，除了本实施例中，7,8-双(十二烷氧基)蒽-1,4-二酮、1,2,4,5-四(溴甲基)苯、碘化钾、三苯基膦和四氯化碳的摩尔量分别调整为2eq、10eq、10eq、18eq。
实施例3：
与实施例1相比，绝大部分都相同，除了本实施例中，7,8-双(十二烷氧基)蒽-1,4-二酮、1,2,4,5-四(溴甲基)苯、碘化钾、三苯基膦和四氯化碳的摩尔量分别调整为2.5eq、14eq、14eq、22eq。
实施例4：
与实施例1相比，绝大部分都相同，除了本实施例合成化合物2的过程中，两步反应的温度分别对应调整为110℃，100℃。
实施例5：
与实施例1相比，绝大部分都相同，除了本实施例合成化合物2的过程中，两步反应的温度分别对应调整为180℃，140℃。
实施例6-7：
与实施例1相比，绝大部分都相同，除了本实施例中，有机溶剂A调整为等体积的DMF(N,N-二甲基甲酰胺)或NMP(N-甲基吡咯烷酮)。
实施例8-11：
与实施例1相比，绝大部分都相同，除了本实施例中，有机溶剂B分别调整为等体积的甲苯、二甲苯、氯苯、二氯苯或三氯苯。
实施例13：
与实施例1相比，绝大部分都相同，除了本实施例中，催化剂摩尔用量分别调整为化合物2摩尔用量的5％、30％。
实施例14-15：
与实施例1相比，绝大部分都相同，除了本实施例中，偶联反应的温度分别调整为70℃、110℃。
实施例16-19：
与实施例1相比，绝大部分都相同，除了本实施例中，所用钯催化剂分别调整为等摩尔量的醋酸钯、四(三苯基膦)钯、二(三苯基膦)二氯化钯或1,1'-双二苯基膦二茂铁二氯化钯。
实施例20-21：
与实施例1相比，绝大部分都相同，除了本实施例中，所用碱分别调整为等摩尔量的碳酸钠或磷酸钾。
实施例22：
与实施例1相比，绝大部分都相同，除了本实施例中，所用溶剂C中甲苯与水的体积比优选为2:1。
实施例23：
与实施例1相比，绝大部分都相同，除了本实施例中，所用溶剂C中甲苯与水的体积比优选为30:1。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种六苯并蔻二聚体的合成方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)在惰性气体氛围下，将7,8-双(十二烷氧基)蒽-1,4-二酮、1,2,4,5-四(溴甲基)苯和碘化钾溶于有机溶剂A中，反应，分离、干燥，得到中间产物一；
(2)在惰性气体氛围下，将中间产物一与三苯基膦溶于有机溶剂B中，加入四氯化碳，反应，分离、提纯，得到中间产物二；
(3)在惰性气体氛围下，将中间产物二、苯硼酸和碱溶于溶剂C中，在催化剂和配体作用下，进行Suzuki-Miyaura偶联反应，所得产物提纯后，得到中间产物三；
(4)在惰性气体氛围下，将中间产物三溶于甲苯，在碘及环氧丙烷的作用下，光照反应，去除溶剂后得到未完全闭环的中间体；
(5)将未完全闭环的中间体的溶于有机溶剂D中，在惰性气体下，滴加三氯化铁的无水硝基甲烷溶液并搅拌反应，分离提纯后得到目标产物六苯并蔻二聚体。
2.根据权利要求1所述的一种六苯并蔻二聚体的合成方法，其特征在于，步骤(1)和步骤(2)中，7,8-双(十二烷氧基)蒽-1,4-二酮、1,2,4,5-四(溴甲基)苯、碘化钾、三苯基膦和四氯化碳的摩尔量之比为(2～2.5)：(10～14)：(10～14)：(18～22)。
3.根据权利要求1所述的一种六苯并蔻二聚体的合成方法，其特征在于，步骤(1)中，反应的温度为110～180℃，时间为24～72h；
步骤(2)中，反应的温度为100～140℃，时间为12～48h。
4.根据权利要求1所述的一种六苯并蔻二聚体的合成方法，其特征在于，步骤(1)中，所述的有机溶剂A为N,N-二甲基乙酰胺、N,N-二甲基甲酰胺或N-甲基吡咯烷酮中的一种或几种；
步骤(2)中，所述有机溶剂B为甲苯、二甲苯、氯苯、二氯苯或三氯苯中的一种或几种。
5.根据权利要求1所述的一种六苯并蔻二聚体的合成方法，其特征在于，步骤(3)中，苯硼酸和碱的摩尔用量分别为中间产物二摩尔用量的8～24倍；
催化剂摩尔用量为中间产物二摩尔用量的5～30％；
偶联反应的温度为70～110℃，时间为8～48h。
6.根据权利要求1所述的一种六苯并蔻二聚体的合成方法，其特征在于，步骤(3)中，所用催化剂为双(二亚苄基丙酮)钯(0)、醋酸钯、四(三苯基膦)钯、二(三苯基膦)二氯化钯或1,1'-双二苯基膦二茂铁二氯化钯中的一种或几种；
所用碱为碳酸钾、碳酸钠或磷酸钾中的一种或几种；
所用溶剂C为有机溶剂与水按体积比2～30:1的混合，其中，有机溶剂选自甲苯、四氢呋喃、乙二醇二甲醚或1,4-二氧六环中的一种或几种。
7.根据权利要求1所述的一种六苯并蔻二聚体的合成方法，其特征在于，步骤(4)中，碘的用量与中间产物三的摩尔当量比至少为10:1，环氧丙烷的用量与中间产物三的摩尔当量比至少为10:1。
8.根据权利要求1所述的一种六苯并蔻二聚体的合成方法，其特征在于，步骤(4)中，光照反应的温度控制不超过40℃，时间为6～24h；
光照所用光源为高压汞灯或紫外灯。
9.根据权利要求1所述的一种六苯并蔻二聚体的合成方法，其特征在于，步骤(5)中，所用有机溶剂D为二氯甲烷、1,2-二氯乙烷或氯仿中的一种或几种。
10.根据权利要求1所述的一种六苯并蔻二聚体的合成方法，其特征在于，步骤(5)中，三氯化铁的摩尔量为制备未完全闭环的中间体所用中间产物三摩尔量的35～45倍；
反应时间为1～3h。
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| CN108129276A (zh) * | 2017-12-21 | 2018-06-08 | 上海师范大学 | 一种沙滩椅式并九苯化合物的制备方法 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116120156A (zh) * | 2023-02-20 | 2023-05-16 | 上海师范大学 | 双溴取代的六苯并蔻单体、六苯并蔻类共轭聚合物及其制备 |
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| CN114349609B (zh) | 2024-03-26 |
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