3-吡啶硼酸的合成研究

劉國權(quán)，梁九娣，郭曉芝，王海英,韓建榮

(1.河北科技大學(xué)理學(xué)院，河北石家莊 050018；2.石家莊市環(huán)境監(jiān)測中心，河北石家莊 050022)

有機硼酸化合物是一類重要的化學(xué)中間體，在有機合成中有廣泛的應(yīng)用[1-5]。有機硼酸是Suzuki交叉偶聯(lián)反應(yīng)的重要原料[6]，可以與含有α，β不飽和鍵的羧基化合物進(jìn)行共軛加成反應(yīng)[7-8]。目前芳基硼酸的制備研究較多，而吡啶硼酸等雜環(huán)類硼酸的合成報道較少[9-10]。在很多的醫(yī)藥、農(nóng)藥、離子液體等分子中含有吡啶結(jié)構(gòu)[11-16]，以吡啶硼酸為原料，通過Suzuki偶聯(lián)反應(yīng)，可以將吡啶環(huán)引入到分子中，反應(yīng)條件溫和、收率高且環(huán)境友好。吡啶硼酸屬于雜環(huán)類硼酸，與芳基硼酸相比，合成條件較苛刻，且后處理方法也有所不同。本文以3-溴吡啶為起始物，通過與硼酸三丁酯和烷基鋰反應(yīng)，制備了3-吡啶硼酸，并對反應(yīng)條件進(jìn)行了優(yōu)化，探索出一條易于工業(yè)化生產(chǎn)的合成路線，降低了生產(chǎn)成本，具有較高的實際應(yīng)用價值。

1 實驗部分

1.1 實驗儀器與試劑

主要儀器：四口瓶(250 mL)，JJ-1增力電動攪拌器，RE-2000旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器，SHZ-Ⅲ循環(huán)水式多用真空泵，T-200型電子天平，F(xiàn)A1604A電子天平，高效液相色譜儀(蘭博公司，Model2000),傅里葉變換紅外光譜儀(島津公司，IRPrestige 21),核磁共振波譜儀(瑞士Bruker，Avance500 MHz)。

主要試劑：3-溴吡啶，正丁基鋰(2.5 mol/L)，硼酸三丁酯(AR)，四氫呋喃(AR)，丙酮(AR)，鹽酸(AR)，干冰，高純氮氣。

1.2 實驗步驟

在氮氣保護下，向四口瓶中加入0.031 6 mol的3-溴吡啶原料、一定配比的硼酸三丁酯和四氫呋喃，降溫至-68～-70 ℃。向四口瓶中滴加正丁基鋰至溶液呈黃色。滴加完后保溫1 h。然后立即滴加稀HCl水解。溶液先產(chǎn)生沉淀，隨著沉淀逐漸消失，調(diào)體系pH值為1。向溶液中滴加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25%的NaOH溶液，至pH值為13，攪拌1 h。分液，有機相用15 mL的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的NaOH萃取，將水相合并，用15 mL的THF分別萃取堿液2次。將得到的堿液用稀HCl調(diào)pH值，開始有渾濁產(chǎn)生，慢慢出現(xiàn)絮狀物，調(diào)pH值為5.0。以70 mLTHF萃取水相，有機相旋干、提純得到4.11 g產(chǎn)品，收率為82.20%。采用HPLC對產(chǎn)品進(jìn)行測定(流動相為V(甲醇)∶V(水)∶V(三氟乙酸)=50∶50∶3，波長為260 nm)，純度為99.63%；IR測定結(jié)果：3 425 cm-1為O—H鍵伸縮振動頻率νO—H，1 421 cm-1，1 362 cm-1，1 313 cm-1為環(huán)骨架伸縮振動頻率νC=C；1H NMR：8.288(t，1H)，7.755(t，1H)，7.031(t，1H)，6.449(t，1H)。合成步驟見圖1。

圖1 3-吡啶硼酸的合成反應(yīng)步驟Fig.1 Synthesis steps of 3-pyridyl boric acid

2 結(jié)果與討論

2.1 不同反應(yīng)時間對合成3-吡啶硼酸產(chǎn)率的影響

在其他反應(yīng)條件不變的情況下，考察低溫反應(yīng)時間對收率的影響。反應(yīng)時間分別設(shè)定為2.5，2.0，1.5，1.0，0.5 h；相應(yīng)得到3-吡啶硼酸的不同產(chǎn)率。計算公式：3-吡啶硼酸的產(chǎn)率=旋轉(zhuǎn)蒸干提純的產(chǎn)物的物質(zhì)的量/3-吡啶硼酸的理論物質(zhì)的量，結(jié)果如表1所示。

表1 反應(yīng)時間對產(chǎn)率的影響Tab.1 Influence of reaction time on the yield

由表1可以看出，反應(yīng)時間對3-吡啶硼酸產(chǎn)率的影響非常顯著。當(dāng)反應(yīng)時間為0.5 h時其產(chǎn)率只有67.62%，反應(yīng)時間為1.0 h時產(chǎn)率達(dá)到了82.20%，當(dāng)反應(yīng)超過1.0 h后，生成3-吡啶硼酸的產(chǎn)率基本保持不變。不同的反應(yīng)時間有不同的產(chǎn)率的原因在于，當(dāng)反應(yīng)時間小于1.0 h時由于反應(yīng)還沒有充分，不斷會有新的3-吡啶硼酸的生成，3-吡啶硼酸產(chǎn)率會隨反應(yīng)的進(jìn)行而增加；當(dāng)反應(yīng)大于1.0 h時，反應(yīng)已經(jīng)基本充分，隨反應(yīng)時間的延長，3-吡啶硼酸的產(chǎn)率基本不變。

2.2 合成反應(yīng)溫度對3-吡啶硼酸產(chǎn)率的影響

在其他反應(yīng)條件不變的情況下，考察低溫反應(yīng)溫度對收率的影響。分別選取-45，-50，-55，-60，-65，-70 ℃，3-吡啶硼酸的收率如表2所示。

表2 反應(yīng)溫度對產(chǎn)率的影響Tab.2 Influence of reaction temperature on the yield

由表2的數(shù)據(jù)可知，合成反應(yīng)的溫度對3-吡啶硼酸產(chǎn)率的影響比較顯著，3-吡啶硼酸產(chǎn)率隨反應(yīng)溫度的變化規(guī)律是：隨著反應(yīng)溫度的降低，產(chǎn)率逐漸提高，其產(chǎn)率隨溫度降低到一定高度后基本上保持平穩(wěn)變化，在平穩(wěn)變化中會出現(xiàn)一個最高產(chǎn)率，以后就基本保持不變。

2.3 正丁基鋰的用量對產(chǎn)率的影響

在調(diào)整反應(yīng)條件并只改變與3-溴吡啶反應(yīng)的正丁基鋰的用量，實驗分別采用正丁基鋰的用量為0.025，0.030，0.035，0.040，0.045，0.050 mol得到3-吡啶硼酸不同的產(chǎn)率如表3所示。

表3 正丁基鋰的用量對產(chǎn)率的影響Tab.3 Influence of n-butyl lithium on the yield

由表3可知，當(dāng)正丁基鋰達(dá)到0.040 mol以上時其對3-吡啶硼酸的產(chǎn)率基本沒有影響。這是因為當(dāng)加入正丁基鋰的用量充分時它就會與3-溴吡啶充分反應(yīng)，生成的硼酸二酯就越充分，得到的3-吡啶硼酸的產(chǎn)率就越高。當(dāng)正丁基鋰的用量逐漸減少時，在3-溴吡啶的用量不變的前提下，正丁基鋰就逐漸不能與3-溴吡啶充分反應(yīng)生成硼酸二酯，這樣就會導(dǎo)致3-吡啶硼酸的產(chǎn)率降低。

2.4 硼酸三丁酯的用量對產(chǎn)率的影響

在其他反應(yīng)條件不變的情況下，只改變合成3-吡啶硼酸時硼酸三丁酯的用量，實驗采用硼酸三丁酯的量為0.030，0.035，0.040，0.043，0.048 mol時，分別得到了3-吡啶硼酸不同的產(chǎn)率如表4所示：

表4 硼酸三丁酯的用量對產(chǎn)率的影響Tab.4 Influence of tributylborate on the yield

由表4可知，當(dāng)硼酸三丁酯的用量達(dá)到0.040 mol以上的時候，其對3-吡啶硼酸的產(chǎn)率基本沒有影響。當(dāng)加入足夠量的硼酸三丁酯時，它會和3-溴吡啶與正丁基鋰生成的3-吡啶鋰充分反應(yīng)，此時的產(chǎn)率基本保持不變且會在某一量達(dá)到最高；隨著硼酸三丁酯加入量的減少，不能將3-吡啶鋰充分反應(yīng)完全，3-吡啶硼酸的產(chǎn)率也會跟著逐漸降低。

2.5 pH值對3-吡啶硼酸產(chǎn)率的影響

在其他反應(yīng)條件不變的情況下，改變合成反應(yīng)完成后的3-吡啶硼酸鈉混合液經(jīng)稀鹽酸反應(yīng)后溶液的pH值，實驗采取了在pH值分別為4.0，5.0，6.0，7.0時依次作了4次實驗，分別得到了3-吡啶硼酸不同的產(chǎn)率如表5所示。

表5 pH值對產(chǎn)率的影響Tab.5 Influence of pH value on the yield

由表5可知，pH值對產(chǎn)率的影響非常顯著。當(dāng)pH值調(diào)的太高時3-吡啶硼酸的產(chǎn)率就會很低，由于稀鹽酸的用量過少以致不能提供足夠的H+去與3-吡啶硼酸鈉發(fā)生反應(yīng)，這樣就會有未反應(yīng)的3-吡啶硼酸鈉，產(chǎn)率就會降低。實驗證明3-吡啶硼酸溶于鹽酸，所以當(dāng)加入較多的稀鹽酸后，此時溶液的pH值較低，3-吡啶硼酸就會部分溶解到溶液中，得到的3-吡啶硼酸的產(chǎn)率又會明顯降低。

3 結(jié) 語

以3-溴吡啶為起始物，利用鋰試劑和硼酸酯合成了3-吡啶硼酸。結(jié)果表明，該合成工藝具有產(chǎn)率較高、易于工業(yè)化生產(chǎn)、生產(chǎn)成本較低的優(yōu)點。通過實驗，得到合成3-吡啶硼酸的優(yōu)化條件：反應(yīng)溫度為-60 ℃，反應(yīng)時間為1.0 h，物料配比為n(C5H4NBr)∶n(n-BuLi)∶n(B(OC4H9)3)=1.00∶1.20∶1.20，水解pH值為5.0，3-吡啶硼酸的產(chǎn)率為82.20%，純度可達(dá)99.50%以上。

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