CN115403507A - 一种咔唑-3-甲醛的合成方法 - Google Patents

一种咔唑-3-甲醛的合成方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种咔唑‑3‑甲醛的合成方法，属于有机合成技术领域。该合成方法包括以下步骤：将咔唑和二氧化碳在含有还原剂、催化剂、溶剂的反应体系中进行反应，获得含有咔唑‑3‑甲醛的混合物，并可进一步通过调节pH、有机溶剂萃取、脱除有机溶剂、快速柱层析获得咔唑‑3‑甲醛。该合成方法原料价格低廉，增强了生产工艺的竞争性，以温室气体CO2作为醛基源，变废为宝，原子利用率高，绿色环保，纯化步骤简单快速。

Description

一种咔唑-3-甲醛的合成方法
技术领域
本发明是属于有机合成技术领域，特别是关于一种咔唑-3-甲醛的合成方法。
背景技术
咔唑分子具有大的共轭体系，刚性结构性良好，空穴传输能力强，光化学性能稳定等诸多优点，因此，咔唑及其衍生物在光电材料领域得到了越来越多的应用。咔唑席夫碱是一类新型的光引发剂前体，也是一类富有潜力的荧光材料，具有很强的应用前景。而咔唑席夫碱的重要合成单元是咔唑甲醛类化合物，因而其的高效合成为咔唑席夫碱的快速合成、材料中间体的筛选提供了强有力的助力。
合成咔唑-3-甲醛的方法目前主要有以下三种：其一是经典的Vilsmeier-Haack甲酰化方法，以N,N-二甲基甲酰胺作为甲酰源，可实现富电体系的甲酰化，可实现咔唑的3-位醛基化修饰；其二是氧化3-甲基咔唑的苄位，得到咔唑-3-甲醛母体；其三是将含醛基的硝基芳基母体还原环化得到咔唑-3甲醛。
上述合成路线中，第一种经典的Vilsmeier-Haack甲酰化方法，需要使用当量的三氯氧膦，而三氯氧膦遇水易分解显酸性且放热，因而对于整个设备及体系的含水量要求高，此外其具有刺激性气味，毒性大，进一步加剧了工业化生产中环保问题，不符合绿色化学的要义，而后续生成的含膦废水处理难度大。第二种氧化3-甲基咔唑的方法，以3-甲基咔唑为原料，但是此类原料价格昂贵，不利于工业化，而由于氧化过程中醛基更易于被氧化生成羧酸，想要停留在醛基基团而非羧基基团，需使用2,3-二氯-5,6-二氰基苯醌(DDQ)，而其价格也相对高昂，此外其生成的三废也相对较多，原子利用率低，难以实现工业化生产。第三种还原环化含醛基的硝基芳基母体的方法，则需要通过Pd催化下的Suzuki偶联、硝基的Cadogan反应来实现，底物及催化体系相对价格高昂，竞争力小，而硝基的Cadogan反应需要大量的有机膦化合物作为还原剂，因而后期三废(膦废)处理难度大，整个反应体系步骤多、需要来回切换，可实际操作能力差，周期长，不利于工业化生产。
公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
发明内容
本发明的目的在于解决目前咔唑-3-甲醛的合成方法成本高、毒性大、三废多、周期长、难以工业化生产等问题，提供一种绿色高效、高原子利用率的咔唑-3-甲醛的合成方法。
本发明第一方面提供一种咔唑-3-甲醛的合成方法，其特征在于，所述合成方法包括以下步骤：
将咔唑和二氧化碳在含有还原剂、催化剂、溶剂的反应体系中进行反应，获得含有咔唑-3-甲醛的混合物，具体反应式如下：
Figure BDA0003830280900000021
在本发明的一实施方式中，所述二氧化碳可通过管道通入所述反应体系或者将所述反应体系在二氧化碳气氛中进行反应从而提供二氧化碳，优选的，将所述反应体系在二氧化碳气氛中进行反应从而提供二氧化碳。
在本发明的一实施方式中，所述还原剂为有机硅氢类还原剂或硼氢类还原剂，优选的，所述还原剂选自硼氢化钠、聚甲基氢硅烷、苯硅烷中的至少一种。
在本发明的一实施方式中，所述催化剂选自能生成金属氢化物的金属的盐；优选的，所述催化剂选自钴盐、铁盐、铁盐、铜盐、镍盐中的至少一种；更优选的，所述催化剂选自CoBr2、Fe(acac)3、CuCl2中的至少一种。Fe(acac)3为三乙酰丙酮铁，英文名称Ferricacetylacetonate，英文别名Iron(III)acetylacetonate，分子式为C15H21FeO6，CAS号14024-18-1。
在本发明的一实施方式中，所述溶剂选自N,N-二甲基甲酰胺、甲醇、乙醇、异丙醇、叔丁醇、甲苯中的至少一种；优选的，所述溶剂为乙醇。
在本发明的一实施方式中，咔唑与所述还原剂的摩尔比例为1：1-2。
在本发明的一实施方式中，所述反应在10-80℃条件下反应；优选的，所述反应在20-60℃条件下反应。所述反应进行的时间为6-20小时；优选的，所述反应进行的时间为10-12小时。
在本发明的一实施方式中，所述合成方法还包括将反应获得的含有咔唑-3-甲醛的混合物进行纯化的步骤，具体为：将反应获得的含有咔唑-3-甲醛的混合物用pH调节剂调节pH＝7～8，有机溶剂萃取，脱除有机溶剂，快速柱层析后即得到咔唑-3-甲醛。
在本发明的一实施方式中，所述pH调节剂选自氢氧化钠水溶液、碳酸钠水溶液、碳酸氢钠水溶液中的至少一种。
在本发明的一实施方式中，所述有机溶剂选自石油醚、正己烷、正戊烷、正庚烷中的至少一种；优选的，所述有机溶剂为正己烷。
与现有技术相比，本发明达到的技术效果如下：
(1)采用咔唑这类大宗化学品作为合成前体，原料价格低廉，增强了生产工艺的竞争性。
(2)以温室气体CO2作为醛基源，变废为宝，原子利用率高，更加绿色环保。
(3)采用还原体系，反应溶剂优选为质子性溶剂醇类，有利于反应的高效发生，为羧基的部分还原创造更佳的反应氛围，更优选将乙醇作为反应溶剂，整体催化效果更好，体系更加绿色环保，避免了先前含膦等三废的处理问题。
(4)纯化步骤简单：可通过调节溶液pH至弱碱性，用正己烷等溶剂萃取时，溶液杂质组分少，通过简单的快速柱层析则可以实现目标产物快速纯化。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。
除非另有其它明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”或其变换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的元件或组成部分，而并未排除其它元件或其它组成部分。
实施例1
CO2氛围下，在100mL四口烧瓶内加入8.36g咔唑(Mr＝167.21，99％，0.05mol)，1.89g硼氢化钠(Mr＝37.83，99％，0.05mol)，0.59g CoBr2-H2O(Mr＝236.76，99％，0.0025mol)，加入40mL N,N-二甲基甲酰胺，投料毕，60℃反应10h，薄层色谱分析(TLC)监测，回收溶剂后滴加氢氧化钠水溶液，溶液调成pH＝7～8之间，用正己烷萃取，有机层经脱除溶剂，快速柱层析后即得到4.86g咔唑-3-甲醛，收率49.8％。
实施例2
CO2氛围下，在100mL四口烧瓶内加入8.36g咔唑(Mr＝167.21，99％，0.05mol)，22.25g聚甲基氢硅烷(Mr＝222.5，99％，0.10mol)，0.88g Fe(acac)3(Mr＝353.17，99％，0.0025mol)，加入40mL乙醇，投料毕，40℃反应10h，薄层色谱分析(TLC)监测，回收溶剂后滴加氢氧化钠水溶液，溶液调成pH＝7～8之间，用正己烷萃取，有机层经脱除溶剂，快速柱层析后即得到6.62g咔唑-3-甲醛，收率67.8％。
实施例3
CO2氛围下，在100mL四口烧瓶内加入8.36g咔唑(Mr＝167.21，99％，0.05mol)，10.82g苯硅烷(Mr＝108.2，99％，0.10mol)，0.34g CuCl2(Mr＝134，99％，0.0025mol)，加入40mL甲苯，投料毕，50℃反应10h，薄层色谱分析(TLC)监测，回收溶剂后滴加氢氧化钠水溶液，溶液调成pH＝7～8之间，用正己烷萃取，有机层经脱除溶剂，快速柱层析后即得到3.63g咔唑-3-甲醛，收率37.2％。
实施例4
CO2氛围下，在100mL四口烧瓶内加入8.36g咔唑(Mr＝167.21，99％，0.05mol)，22.25g聚甲基氢硅烷(Mr＝222.5，99％，0.10mol)，0.59g CoBr2-H2O(Mr＝236.76，99％，0.0025mol)，加入40mL乙醇，投料毕，40℃下反应11h，薄层色谱分析(TLC)监测，回收溶剂后滴加氢氧化钠水溶液，溶液调成pH＝7～8之间，用正己烷萃取，有机层经脱除溶剂，快速柱层析后即得到8.68g咔唑-3-甲醛，收率88.9％。
实施例5
CO2氛围下，在100mL四口烧瓶内加入8.36g咔唑(Mr＝167.21，99％，0.05mol)，3.78g硼氢化钠(Mr＝37.83，99％，0.10mol)，0.59g CoBr2-H2O(Mr＝236.76，99％，0.0025mol)，加入40mL乙醇，投料毕，室温条件下反应12h，薄层色谱分析(TLC)监测，回收溶剂后滴加氢氧化钠水溶液，溶液调成pH＝7～8之间，用正己烷萃取，有机层经脱除溶剂，快速柱层析后即得到7.79g咔唑-3-甲醛，收率79.8％。
实施例6
CO2氛围下，在100mL四口烧瓶内加入8.36g咔唑(Mr＝167.21，99％，0.05mol)，22.25g聚甲基氢硅烷(Mr＝222.5，99％，0.10mol)，0.88g CoBr2-H2O(Mr＝236.76，99％，0.00375mol)，加入40mL乙醇，投料毕，40℃下反应12h，薄层色谱分析(TLC)监测，回收溶剂后滴加氢氧化钠水溶液，溶液调成pH＝7～8之间，用正己烷萃取，有机层经脱除溶剂，快速柱层析后即得到9.45g咔唑-3-甲醛，收率96.8％。
实施例7
在100mL四口烧瓶内加入8.36g咔唑(Mr＝167.21，99％，0.05mol)，22.25g聚甲基氢硅烷(Mr＝222.5，99％，0.10mol)，0.88g CoBr2-H2O(Mr＝236.76，99％，0.00375mol)，加入40mL乙醇，投料毕，以1mL/min速度通入CO2，80℃下反应12h，薄层色谱分析(TLC)监测，回收溶剂后滴加碳酸氢钠水溶液，溶液调成pH＝7～8之间，用石油醚萃取，有机层经脱除溶剂，快速柱层析后即得到7.08g咔唑-3-甲醛，收率72.6％。
实施例8
CO2氛围下，在100mL四口烧瓶内加入8.36g咔唑(Mr＝167.21，99％，0.05mol)，22.25g聚甲基氢硅烷(Mr＝222.5，99％，0.10mol)，0.88g CoBr2-H2O(Mr＝236.76，99％，0.00375mol)，加入40mL乙醇，投料毕，10℃下反应20h，薄层色谱分析(TLC)监测，回收溶剂后滴加碳酸钠水溶液，溶液调成pH＝7～8之间，用正戊烷萃取，有机层经脱除溶剂，快速柱层析后即得到4.62g咔唑-3-甲醛，收率47.3％。
前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。

Claims (10)

1.一种咔唑-3-甲醛的合成方法，其特征在于，所述合成方法包括以下步骤：
将咔唑和二氧化碳在含有还原剂、催化剂、溶剂的反应体系中进行反应，获得含有咔唑-3-甲醛的混合物，具体反应式如下：
Figure FDA0003830280890000011
2.根据权利要求1所述的合成方法，其特征在于，所述二氧化碳可通过管道通入所述反应体系或者将所述反应体系在二氧化碳气氛中进行反应从而提供二氧化碳；优选的，将所述反应体系在二氧化碳气氛中进行反应从而提供二氧化碳。
3.根据权利要求1所述的合成方法，其特征在于，所述还原剂为有机硅氢类还原剂或硼氢类还原剂；优选的，所述还原剂选自硼氢化钠、聚甲基氢硅烷、苯硅烷中的至少一种。
4.根据权利要求1所述的合成方法，其特征在于，所述催化剂选自能生成金属氢化物的金属的盐；优选的，所述催化剂选自钴盐、铁盐、铁盐、铜盐、镍盐中的至少一种；更优选的，所述催化剂选自CoBr2、Fe(acac)3、CuCl2中的至少一种。
5.根据权利要求1所述的合成方法，其特征在于，所述溶剂选自N,N-二甲基甲酰胺、甲醇、乙醇、异丙醇、叔丁醇、甲苯中的至少一种；优选的，所述溶剂为乙醇。
6.根据权利要求1所述的合成方法，其特征在于，咔唑与所述还原剂的摩尔比例为1：1-2。
7.根据权利要求1所述的合成方法，其特征在于，所述反应在10-80℃条件下反应；优选的，所述反应在20-60℃条件下反应；
和/或，所述反应进行的时间为6-20小时；优选的，所述反应进行的时间为10-12小时。
8.根据权利要求1所述的合成方法，其特征在于，所述合成方法还包括将反应获得的含有咔唑-3-甲醛的混合物进行纯化的步骤，具体为：将反应获得的含有咔唑-3-甲醛的混合物用pH调节剂调节pH＝7～8，有机溶剂萃取，脱除有机溶剂，快速柱层析后即得到咔唑-3-甲醛。
9.根据权利要求8所述的合成方法，其特征在于，所述pH调节剂选自氢氧化钠水溶液、碳酸钠水溶液、碳酸氢钠水溶液中的至少一种。
10.根据权利要求8所述的合成方法，其特征在于，所述有机溶剂选自石油醚、正己烷、正戊烷、正庚烷中的至少一种；优选的，所述有机溶剂为正己烷。
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