KR101268026B1 - 싸이오펜 유도체의 브롬화도 조절방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 구조적 선택 가능한 브롬화 반응으로 하기 화학식 1의 브로모알킬싸이오펜의 새로운 합성법을 개발 및 수율 향상을 목표로 한다. 3-알킬싸이오펜을 -78℃에서 n-BuLi으로 약 1.5시간 활성화하여 브롬과의 반응 후 알킬싸이오펜의 선택적 위치의 브롬화 방법을 기재한다.
<화학식1>

상기식에서, R은 1개 내지 12개의 탄소 원자를 갖는 분지 또는 비분지형 알킬분자이다.

Description

싸이오펜 유도체의 브롬화도 조절방법{A method of controlling the bromination of thiophene derivatives}

본 발명은 싸이오펜 유도체의 브롬화도 조절방법에 관한 것이다.

올리고, 폴리싸이오펜은 유기반도체에 주로 사용되는 기초적인 물질로써 많은 관심을 받아왔다. 특히 알킬티오펜은 폴리싸이오펜의 합성에 사용되는 전구체로써 이의 브롬화 알킬싸이오펜의 합성의 필요성이 대두되어진다. 브로모 알킬싸이오펜은 쿠마다. 스틸, 스즈끼 커플링 등 다수의 반응에 기본적으로 사용되어지는 물질로써 브롬의 위치에 따라서 헤드-투-테일(head-to-tail), 테일-투-테일(tail-to-tail) 형태의 구조적 특징을 갖는 물질이 합성되므로 알킬사슬의 규칙적 배열의 정렬하기 위하여 2-브로모-4-알킬싸이오펜의 합성이 필요하다. 이 물질을 합성하기 위하여 McCullough 그룹은 TMS를 블록 그룹으로 사용 후 제거하는 방법을 이용하여 3번의 반응단계를 거쳐서 합성하였다(Loewe, R. S.; Ewbank, P. C.; Liu, J.; Zhai, L.; McCullough, R. D. Macromolecules , 2001, 34, 4324). 이러한 다단계 반응을 줄이기 위하여 같은 그룹에서 다른 시스템을 도입하였다. n-BuLi을 이용하는 것으로 중간체인 리튬화된 싸이오펜에 CBr₄를 주입하여 반응하였지만 부반응과 정제의 어려움이 있어 23%의 낮은 수율을 나타냈다(Loewe, R. S.; Ewbank, P. C.; Liu, J.; Zhai, L.; McCullough, R. D. Macromolecules , 2001, 34, 4324). 최근에 Luscombe 그룹에서 리튬화 반응에 n-BuLi 및 베이스로 TMEDA를 사용하여 리튬화 반응을 활성화 시켰다 그 후에 CBr₄를 주입하여 반응하였지만 정제 후에 얻어진 2-브로모-4-헥실싸이오펜의 수율은 11%였다(Boyd, S. D.; Jen, A. K.-Y.; Luscombe, C. K. Macromolecules , 2009, 42, 9387).

본 발명은, 상기와 같이 기존의 브롬화 싸이오펜의 제조방법이 보이고 있는 낮은 수율, 많은 반응단계 등의 문제점을 극복하고, 원팟 반응을 통해 고수율로 브롬화 싸이오펜을 제조하는 방법을 제공하고자 한다.

본 발명의 일 측면에 따르면 싸이오펜 유도체의 브롬화도 조절방법으로서, 상기 조절방법은 (a) 반응기 내에서 하기 화학식 2의 싸이오펜 유도체를 리튬 소스와 접촉시켜 반응시키는 단계, 및 (b) 상기 반응기 내에 브롬을 투입하여 브롬화하는 단계를 포함하며;

상기 리튬 소스 및 브롬의 몰비를 조절함으로써 하기 화학식 3 또는 화학식 4의 화합물을 주생성물로 생성되도록 하는 것을 특징으로 하는 싸이오펜 유도체의 브롬화도 조절방법이 개시된다.

상기 식에서 R은 C₁-C₁₂의 분지 또는 비분지형 알킬 분자; 방향족 분자; N, S, O 중에서 선택된 적어도 1개의 헤테로 원소를 포함하는 헤테로 싸이클릭 분자이고; 상기 X는 N, O, S, Se 중에서 선택되며; 상기 n은 0-100의 정수이다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, (a) 반응기 내에서 화학식 2의 싸이오펜 유도체를 리튬 소스와 접촉시켜 반응시키는 단계; 및 (b) 상기 반응기 내에 브롬을 투입하여 브롬화하는 단계를 포함하며;

상기 리튬 소스 및 브롬의 몰비가 0.8-1.5 : 1인 것을 특징으로 하는 화학식 3의 브롬화 싸이오펜 유도체의 제조방법이 개시된다.

본 발명의 또 다른 측면에 따르면, (a) 반응기 내에서 화학식 2의 싸이오펜 유도체를 리튬 소스와 접촉시켜 반응시키는 단계; 및 (b) 상기 반응기 내에 브롬을 투입하여 브롬화하는 단계를 포함하며;

상기 리튬 소스 및 브롬의 몰비가 1.6-3 : 1인 것을 특징으로 하는 화학식 4의 브롬화 싸이오펜 유도체의 제조방법이 개시된다.

일 구현예에 있어서, 상기 리튬 소스는 n-부틸리튬, s-부틸리튬, t-부틸리튬, 리튬 디이소프로필아마이드 중에서 선택될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.

다른 구현예에 있어서, 상기 C₁-C₁₂의 분지 또는 비분지형 알킬 분자는 부틸, 헥실, 옥틸, 데실, 에틸헥실, 헥실옥시, 옥틸옥시 중에서 선택될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.

또 다른 구현예에 있어서, 상기 방향족 분자는 페닐, 바이페닐, 나프틸 중에서 선택될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.

또 다른 구현예에 있어서, 상기 헤테로 싸이클릭 분자는 퓨란, 피리딘, 싸이오펜, 이미다졸, 파이롤 중에서 선택될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.

일 구현예에 있어시, 상기 (a) 및 (b) 단계는 -100 ℃ 내지 0 ℃의 온도에서 수행될 수 있으며, 바람직하게는 -90 ℃ 내지 -50 ℃의 온도에서 수행될 수 있다.

다른 구현예에 있어서, 상기 (a) 단계를 수행하고 나서 (b) 단계를 수행하기 전 상기 (a) 단계 반응 결과물을 교반하여 활성화시키는 단계를 추가로 포함할 수 있으며, 이때 교반 활성화 단계는 10 분 내지 3 시간 동안 수행될 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 화학식 2의 화합물의 예에는

,

,

,

등이 포함되나, 이에 한정되지 않는다.

일 구현예에 있어서, 상기 화학식 2의 화합물은 3-알킬싸이오펜일 수 있으며, 상기 화학식 3의 화합물은 2-브로모-4-알킬싸이오펜으로서, 이를 주생성물로 제조하는 방법에 관한 것이다.

한 단계 반응을 통하여 높은 수율로 2-브로모-4-헥실싸이오펜의 합성이 가능해짐에 따라서 기존에 주로 사용 되어졌던 2-브로모-3-헥실싸이오펜만으로의 구조적 한계를 대채 가능할 것이라 여겨진다. Kumada, Suzki, Stille 등의 커플링 반응을 이용하여 보다 효율적으로 디헥실-2,2'-bi싸이오펜의 구조적 배열 헤드-투-헤드, 테일-투-테일, 헤드-투-테일의 올리고머의 합성이 가능하여 유기반도체에 보다 손쉽게 적용할 수 있다.

도 1은 2-브로모-4-부틸싸이오펜의 1H-NMR 스펙트럼이다.
도 2는 2-브로모-4-부틸싸이오펜의 13C-NMR 스펙트럼이다.
도 3은 2-브로모-4-헥실싸이오펜의 1H-NMR 스펙트럼이다.
도 4는 2-브로모-4-헥실싸이오펜의 13C-NMR 스펙트럼이다.
도 5는 2-브로모-4-옥틸싸이오펜의 1H-NMR 스펙트럼이다.
도 6은 2-브로모-4-옥틸싸이오펜의 13C-NMR 스펙트럼이다.

본 발명의 목적 중 하나는 기존의 2-브로모-4-알킬싸이오펜의 합성법의 문제점인 낮은 수율 및 많은 반응 단계를 거치지 않고 원팟(one pot) 반응으로 고수율의 2-브로모-4-알킬싸이오펜을 합성하는 것이다.

또한 본 발명의 목적 중 하나는 3-알킬싸이오펜의 브롬화 반응에서 브롬의 반응 위치를 선택적으로 제어하는데 그 목적이 있다. 부틸리튬 및 Br₂를 브롬의 반응 위치를 선택적으로 제한하는 것이다.

본 발명에서는 구조적 선택 가능한 브롬화 반응으로 브로모알킬싸이오펜의 새로운 합성법을 제시하였다. 브롬의 반응위치를 제어하기 위해서 NBS 또는 Br₂와의 단독반응이 아니고 새로운 시스템을 도입하였다.

그 결과 하기 실시예에서 살펴볼 수 있는 바와 같이, 예를 들어 -78 ℃에서 n-BuLi으로 3-알킬싸이오펜을 활성화하여 선택적으로 리튬화한 후 브롬을 20 분간 드롭핑하였고 반응조를 제거 후 서서히 온도를 상온으로 올렸다. 정제 후 93%라는 최고 수준의 수율로 2-브로모-4-알킬싸이오펜을 얻었다.

기존의 합성법의 문제점인 낮은 수율 및 많은 반응 단계를 거치지 않고 한 번의 반응으로 고수율의 2-브로모-4-알킬싸이오펜을 합성하는 것을 포함한다.

이하 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명에 따른 화학적 구조를 구체적으로 예시하면 다음과 같다.

<화학식 1>

상기식에서, R은 1개 내지 12개의 탄소 원자를 갖는 분지 또는 비분지형 알킬분자이다.

알킬싸이오펜의 브롬화는 완료 시까지 모노- 또는 디브롬화로서 실행할 수 있다. 브롬화도는 리튬 소스 및 Br₂의 적절한 화학량론적 사용에 의해 제어될 수 있다. 화학량론적 양은 모노- 또는 디브로모 생성물을 제조하기 위해 필요한 브롬 및 Br₂의 양을 의미하는 것으로 이해된다.

예를 들어, 알킬티오펜의 n-BuLi와 접촉하는 반응 시간은 2-5 시간 정도로 할 수 있고 Br₂와 접촉하는 반응 시간은 12-24 시간 정도로 할 수 있다. 반응 온도는 -100 내지 0℃에서 수행할 수 있다.

본 발명에 따른 방법은 추가 용매의 첨가 없이 실행한다. 그러나 원할 경우 용매를 첨가하는 것도 또한 가능하다. 이 경우, 용매는 반응 종결 후 통상적인 분리 방법, 예를 들어 증류에 의해 브롬화 최종 생성물로부터 다시 제거할 수 있다.

아래 반응식 1 및 2는 일반적 반응식과 반응물이 1번 화합물인 경우를 각각 보여준다.

[반응식 1]

[반응식 2]

이하의 실시예는 본 발명을 이해하기 위해 예시적으로 제시되었으며, 이에 의해서 본 발명의 범위 및 내용이 축소되거나 제한되어 해석될 수 없다.

실시예 1

3구 플라스크에 1.40 g의 3-부틸싸이오펜을 건조 THF 용매에 주입 후 아르곤 기체 상태에서 -78 ℃로 온도를 낮추었다. 2.5 M n-BuLi/헥산 약 4 ml를 이 용액에 1.5 시간 동안 한 방울씩 주입하였고 -78 ℃에서 약 1 시간 동안 교반하여 활성화하였다. 같은 온도에서 1.68 g의 브롬과 5 ml의 THF와 용액을 위의 용액에 약 15 분 동안 천천히 주입하였다. 20 분 동안 교반 후 소듐 싸이오설페이트 메탄올 수용액의 몇 방울을 주입하였다. 저온조 제거 후 상온에서 약 1 일간 반응을 진행하였고 얼음물로 반응을 종결시켰다. 디에틸에테르로 추출하였고 유기층을 3% Na₂S₂O₃ 수용액, 10% NaCl 수용액으로 워싱하였다. 그렇게 얻은 유기물을 Na₂SO₄로 건조하고 용매를 저압 이베퍼레이터로 제거하였다. 중성화 실리카겔을 사용하여 플래시 컬럼 정제하여 연노랑 액체의 물질을 얻었고 수율은 90%였다.

실시예 2

3구 플라스크에 1.68 g의 3-헥실싸이오펜을 건조 THF 용매에 주입 후 아르곤 기체 상태에서 -78 ℃로 온도를 낮추었다. 2.5 M n-BuLi/헥산 약 4 ml를 이 용액에 1.5 시간 동안 한 방울씩 주입하였고 -78℃에서 약 1 시간 동안 교반하여 활성화하였다. 같은 온도에서 1.68 g의 브롬과 5 ml의 THF와 용액을 위의 용액에 약 15 분 동안 천천히 주입하였다. 20 분 동안 교반 후 소듐 싸이오설페이트 메탄올 수용액의 몇 방울을 주입하였다. 저온조 제거 후 상온에서 약 1 일간 반응을 진행하였고 얼음물로 반응을 종결시켰다. 디에틸에테르로 추출하였고 유기층을 3% Na₂S₂O₃ 수용액, 10% NaCl 수용액으로 워싱하였다. 그렇게 얻은 유기물을 Na₂SO₄로 건조하고 용매를 저압 이베퍼레이터로 제거하였다. 중성화 실리카겔을 사용하여 플래시 컬럼 정제하여 무색의 물질을 얻었고 수율은 93%였다.

실시예 3

3구 플라스크에 1.96 g의 3-옥틸싸이오펜을 건조 THF 용매에 주입 후 아르곤 기체 상태에서 -78 ℃로 온도를 낮추었다. 2.5 M n-BuLi/헥산 약 4 ml를 이 용액에 1.5 시간 동안 한 방울씩 주입하였고 -78 ℃에서 약 1 시간 동안 교반하여 활성화하였다. 같은 온도에서 1.68 g의 브롬과 5 ml의 THF와 용액을 위의 용액에 약 15 분 동안 천천히 주입하였다. 20 분 동안 교반 후 소듐 싸이오설페이트 메탄올 수용액의 몇 방울을 주입하였다. 저온조 제거 후 상온에서 약 1 일간 반응을 진행하였고 얼음물로 반응을 종결시켰다. 디에틸에테르로 추출하였고 유기층을 3% Na₂S₂O₃ 수용액, 10% NaCl 수용액으로 워싱하였다. 그렇게 얻은 유기물을 Na₂SO₄로 건조하고 용매를 저압 이베퍼레이터로 제거하였다. 중성화 실리카겔을 사용하여 플래시 컬럼 정제하여 무색의 물질을 얻었고 수율은 92%였다.

실시예 4

3구 플라스크에 3.4 g의 3-헥실-2-(4-헥실싸이오펜-2-일)싸이오펜을 건조 THF 용매에 주입 후 아르곤 기체 상태에서 -78 ℃로 온도를 낮추었다. 2.5 M n-BuLi/헥산 약 4 ml를 이 용액에 1.5 시간 동안 한 방울씩 주입하였고 -78 ℃에서 약 1 시간 동안 교반하여 활성화하였다. 같은 온도에서 1.68 g의 브롬과 5 ml의 THF와 용액을 위의 용액에 약 15 분 동안 천천히 주입하였다. 20 분 동안 교반 후 소듐 싸이오설페이트 메탄올 수용액의 몇 방울을 주입하였다.　　저온조 제거 후 상온에서 약 1 일간 반응을 진행하였고 얼음물로 반응을 종결시켰다. 디에틸에테르로 추출하였고 유기층을 3% Na₂S₂O₃ 수용액, 10% NaCl 수용액으로 워싱하였다. 그렇게 얻은 유기물을 Na₂SO₄로 건조하고 용매를 저압 이베퍼레이터로 제거하였다. 중성화 실리카겔을 사용하여 플래시 컬럼 정제하여 무색의 물질을 얻었고 수율은 90%였다.

Claims (20)

1. 삭제
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 삭제
7. 삭제
8. 삭제
9. (a) 반응기 내에서 하기 화학식 2의 싸이오펜 유도체를 리튬 소스와 접촉시켜 반응시키는 단계; 및 (b) 상기 반응기 내에 브롬을 투입하여 브롬화하는 단계를 포함하며;
   상기 리튬 소스 대 브롬의 몰비가 0.8-1.5 : 1인 것을 특징으로 하는 하기 화학식 3의 브롬화 싸이오펜 유도체의 제조방법:
   <화학식 2>
   

   

   
   <화학식 3>
   

   

   
   상기 식에서 R은 C1-C12의 분지 또는 비분지형 알킬 또는 헥실옥시 또는 옥틸옥시 분자; 또는 페닐, 바이페닐, 나프틸 중에서 선택되는 방향족 분자이고; 상기 X는 N, O, S, Se 중에서 선택되며; 상기 n은 0-100의 정수이다.
10. 삭제
11. 제9항에 있어서, 상기 리튬 소스는 n-부틸리튬, s-부틸리튬, t-부틸리튬, 리튬 디이소프로필아마이드 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 브롬화 싸이오펜 유도체의 제조방법.
12. 제9항에 있어서, 상기 C₁-C₁₂의 분지 또는 비분지형 알킬 분자는 부틸, 헥실, 옥틸, 데실, 에틸헥실 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 브롬화 싸이오펜 유도체의 제조방법.
13. 삭제
14. 삭제
15. 제9항에 있어서, 상기 리튬소스 : 브롬의 몰비가 0.9-1.2 : 1인 것을 특징으로 하는 브롬화 싸이오펜 유도체의 제조방법.
16. 삭제
17. 제9항에 있어서, 상기 (a) 및 (b) 단계는 -100 ℃ 내지 0 ℃의 온도에서 수행되는 것을 특징으로 하는 브롬화 싸이오펜 유도체의 제조방법.
18. 제9항에 있어서, 상기 (a) 및 (b) 단계는 -90 ℃ 내지 -50 ℃의 온도에서 수행되는 것을 특징으로 하는 브롬화 싸이오펜 유도체의 제조방법.
19. 제9항에 있어서, 상기 (a) 단계 후에 (b) 단계를 수행하기 전 상기 (a) 단계 반응 결과물을 10 분 내지 3 시간 동안 교반하여 활성화시키는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 브롬화 싸이오펜 유도체의 제조방법.
20. 제9항에 있어서, 상기 화학식 2의 화합물은 3-알킬싸이오펜이고, 상기 화학식 3의 화합물은 2-브로모-4-알킬싸이오펜인 것을 특징으로 하는 브롬화 싸이오펜 유도체의 제조방법.

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