N-乙基咔唑的綠色高效合成

阿布力米提·阿布都卡德爾， 張永紅， 劉晨江,1b*

(1.新疆大學 a. 化學化工學院; b. 理化測試中心，新疆 烏魯木齊　830046)

?

·研究簡報·

N-乙基咔唑的綠色高效合成

阿布力米提·阿布都卡德爾1a， 張永紅1a， 劉晨江1a,1b*

(1.新疆大學 a. 化學化工學院; b. 理化測試中心，新疆 烏魯木齊830046)

摘要：以咔唑為原料，碳酸二乙酯為烷基化試劑，碳酸銫和三乙基芐基氯化銨為共催化劑，經(jīng)烷基化反應綠色合成了N-乙基咔唑，其結(jié)構(gòu)經(jīng)1H NMR和HR-ESI-MS確證。在最佳反應條件[咔唑200 mmol，碳酸二乙酯1.2 eq.，碳酸銫(0.05 eq.)和三乙基芐基氯化銨(0.05 eq.)為催化體系，于180 ℃反應3 h]下，產(chǎn)率99%。

關鍵詞：N-乙基咔唑； 碳酸二乙酯； 綠色合成； 雙催化劑； 烷基化

N-乙基咔唑(3)在合成永固紫RL、硫化還原藍GNX等染料方面有重要應用[1]，其制備方法受到廣大科研人員的關注[2]。工業(yè)上3的制備方法主要有氯乙烷法和硫酸二乙酯法[3]，但這兩種方法存在原料咔唑(1)不能完全轉(zhuǎn)化、反應時間較長等不足。近年來，科研人員以溴乙烷為烷基化試劑[4-7]，使用相轉(zhuǎn)移催化劑[8-11]、超聲波[12]或微波[13]促進的方法，反應速率及產(chǎn)率有了較大幅度提高。但現(xiàn)有合成方法都大量使用了強堿和有機溶劑，對環(huán)境污染較嚴重。因此，開發(fā)綠色高效的3的合成方法具有重要意義。

本文以碳酸銫和三乙基芐基氯化銨為共催化劑，碳酸二乙酯(2)為烷基化試劑，實現(xiàn)了3的綠色合成(Scheme 1),其結(jié)構(gòu)經(jīng)1H NMR和HR-ESI-MS確證。并優(yōu)化了反應條件，考察了在最優(yōu)反應條件下，放大反應及催化劑重復使用次數(shù)對3產(chǎn)率的影響。

1實驗部分

1.1儀器及試劑

X-4型顯微熔點儀(溫度未校正)；Agilent 1200型高效液相色譜儀；Bruker ARX-300型核磁共振儀(CDCl3為溶劑，TMS為內(nèi)標)；Agilent 6210 TOF LC/MS型高分辨質(zhì)譜儀(ESI源)。

Scheme 1

所用試劑均為分析純。

1.23的合成

在高壓釜中加入1 33.44 g(200 mmol)， 2 35.44 g(300 mmol)， Cs2CO3163 g和相轉(zhuǎn)移催化劑三乙基芐基氯化銨(TEBAC)114 g，攪拌(轉(zhuǎn)速200 r·min-1)下于180 ℃反應3 h。降至室溫，減壓至一個大氣壓，旋蒸除去過量的2和乙醇，殘余物經(jīng)水洗除催化劑，真空干燥得白色固體3[14-15]，產(chǎn)率99%， m.p.68～70 ℃；1H NMRδ： 8.04(d,J=8.2 Hz, 2H), 7.48～7.23(m, 6H), 7.41(dd,J=8.4 Hz, 1.1 Hz, 2H), 7.23(t,J=6.8 Hz, 1.3 Hz, 2H), 4.36(q,J=7.2 Hz, 2H), 1.45(t,J=7.2 Hz, 3H); HR-ESI-MSm/z： Calcd for C14H14N{[M+H]+}196.112 1， found 196.114 6。

2結(jié)果與討論

2.1反應條件優(yōu)化

考察了催化劑的種類及用量、反應溫度和時間、投料比等對產(chǎn)率的影響，尋找最佳反應條件。

(1) 催化劑

1 200 mmol，其余反應條件同1.2，考察催化劑的種類及其用量對反應的影響，結(jié)果見表1。由表1可見，以KOH為堿性催化劑，四丁基溴化銨(TBAB)為相轉(zhuǎn)移催化劑時，產(chǎn)率較低(42%， No.1)；在相同的反應條件下，Cs2CO3的活性最高(No.3)。由于TBAB作相轉(zhuǎn)移催化劑時有少量副產(chǎn)物生成，因此我們考察了其它相轉(zhuǎn)移催化劑的催化效果。以18-冠-6為相轉(zhuǎn)移催化劑時，雖然沒有副產(chǎn)物生成，但是反應速度大幅降低(No.4)；三乙基芐基氯化銨(TEBA)為相轉(zhuǎn)移催化劑時的催化效果較好，1完全轉(zhuǎn)化，3的產(chǎn)率達到98%(No.5)。 Cs2CO3和TEBA的用量降到0.05 eq.時，催化性能依然良好(No.6)；當催化劑用量進一步降低到0. 02 eq.時，轉(zhuǎn)換率和產(chǎn)率降至65%(No.7)。綜上，選用Cs2CO3(0.05 eq.)和TEBA(0.05 eq.)作為最佳的催化體系。

表1　催化劑及其用量對3產(chǎn)率的影響*

*1 200 mmol，其余反應條件同1.2；a轉(zhuǎn)化率和產(chǎn)率由HPLC測定。

(2) 反應溫度和反應時間

以Cs2CO3(0.05 eq.)和TEBA(0.05 eq.)為催化體系，其余反應條件同2.1(1)，考察溫度和時間對產(chǎn)率的影響，結(jié)果見圖1。

Time/h

由圖1可見，反應速率隨溫度上升而加快。于170 ℃反應4 h后，1未反應完全；于180 ℃反應3 h, 1完全轉(zhuǎn)化，產(chǎn)率>99%;隨著溫度進一步升高至190 ℃，副產(chǎn)物大量增加。因此， 最佳反應溫度為180 ℃，最佳反應時間為3 h。

(3) 2的用量

于180 ℃反應3 h，其余反應條件同2.1(2)，考察2的用量對3產(chǎn)率的影響，結(jié)果見表2。由表2可見，2的用量對產(chǎn)率的影響較大。當2的用量為0.8 eq.時，產(chǎn)率僅65%，同時伴有66%的乙醇生成。這一結(jié)果顯示，該反應體系中，2僅有一個乙基可用，增加2的用量可提高3的產(chǎn)率。但當其用量大于1.2eq.時，產(chǎn)率不再增加。因此，2

表22的用量對3產(chǎn)率的影響*

Table 2The effect of the amount of 2 on the yield of 3

2/eq.0.80.91.01.11.21.31.41.5產(chǎn)率/%6576869499999999

*于180 ℃反應3 h，其余反應條件同表1。

的最佳用量為1.2 eq．。

綜上所述，合成3的最佳反應條件為：1 200 mmol， 2 1.2 eq.， Cs2CO3(0.05 eq.)和TEBA(0.05 eq.)為催化體系，于180 ℃反應3 h，產(chǎn)率99%。

2.2反應放大及催化劑循環(huán)使用

為了驗證該工藝在工業(yè)生產(chǎn)上的可行性，對最佳反應條件進行公斤級放大研究(1 1．672 kg，高壓釜中進行)，產(chǎn)率99%。說明最佳反應條件穩(wěn)定，能實現(xiàn)公斤級放大實驗，為工業(yè)生產(chǎn)提供依據(jù)。

放大實驗中回收的催化劑，在放大級反應中重復使用，重復操作5次，考察其循環(huán)使用次數(shù)對產(chǎn)率的影響，結(jié)果見表3。由表3可見，催化劑重復操作5次，1的轉(zhuǎn)化率和3的產(chǎn)率都未明顯降低，說明催化劑在使用過程中，并未失活。

表3　催化劑循環(huán)使用次數(shù)對產(chǎn)率的影響

3結(jié)論

采用碳酸銫與三乙基芐基氯化銨為雙催化劑，使用綠色環(huán)保的碳酸二乙酯為烷基化試劑，高產(chǎn)率地合成了N-乙基咔唑，克服了傳統(tǒng)方法中的高污染問題，大大提高了反應速率和產(chǎn)率。

該方法操作簡單，不使用有機溶劑，催化劑可循環(huán)利用，公斤級放大表現(xiàn)良好，成本低，具有工業(yè)化生產(chǎn)的潛力。

參考文獻

[1]孫雄平,蔣曉莊. 優(yōu)質(zhì)紫色顏料——永固紫RL[J].上?；?1994,19(1):12-15.

[2]張永暉,崔建蘭,楊玉芬,等.N-乙基咔唑合成工藝的研究進展[J].山西化工,2011,31(1):39-42.

[3]吳建中,張為民.N-乙基咔唑的合成[J].江蘇化工,1991,2(3):28-29.

[4]李振,李俊,秦金貴. 簡法合成N-乙基咔唑[J].化學試劑,2001,23(5):297．

[5]鐘增培,周健能. 用KF/Al2O3催化合成N-乙基咔唑方法研究[J].化學通報,1998，(1):31-32.

[6]Chen J, Ko S, Liu L,etal. The effect of porphyrins suspended with different electronegative moieties on the photovoltaic performance of monolithic porphyrin-sensitized solar cells with carbon counter electrodes[J].New J Chem,2015,39(4):2889-2900.

[7]Li D, Wu P, Guo D,etal. Synthesis and luminescence properties of novel carbazolyl-containing amino alcohol Schiff bases[J].Res Chem Intermed,2015,41(4):2591-2601.

[8]段文生,崔建蘭,祁曉靜. 相轉(zhuǎn)移催化劑合成N-乙基咔唑的研究[J].天津化工,2010,24(3):21-24.

[9]李德江,葛正紅. 相轉(zhuǎn)移催化合成N-烴基咔唑[J].化工時刊,2004,18(5):51-53.

[10]孫劍.N-乙基咔唑的中試研究[J].寶鋼技術(shù),2004，(4):37-38.

[11]秦智,倪家寶.N-烷基咔唑的合成研究[J].廣西化工,1998,27(4):19-21.

[12]Zhao S H, Kang J, Du Y T,etal. An efficient ultrasound-assisted synthesis ofN-alkyl derivatives of carbazole,indole,and phenothiazine[J].J Heterocycl Chem,2014,51(3):683-689.

[13]李珊,王宏青. 微波誘導催化合成N-乙基咔唑[J].化學試劑,2002,22(4):240-246.

[14]C. Farmer S, H. Berg S. Ring contracting sulfur extrusion from oxidized phenothiazine ring systems[J].Molecules,2008,13(6):1345-1352.

[15]Lin J, Chen J, Su W. Rhodium-cobalt bimetallic nanoparticles:A catalyst for selective hydrogenation of unsaturated carbon-carbon bonds with hydrous hydrazine[J].Adv Synth Catal,2013,355(1):41-46.

The Efficient Green Synthesis ofN-ethylcarbazole

ABDUKADER Ablimit1a，ZHANG Yong-hong1a,LIU Chen-jiang1a,1b*

(a. College of Chemical and Chemical Engineering; b. Physics and Chemistry Detecting Center,1. Xinjiang University, Urumqi 830046, China)

Abstract：N-ethylcarbazole was synthesized by alkylation reaction, using carbazole as the material, diethyl carbonate as the alkylating reagent and Cs2CO3/TEBAC as the cocatalyst. The structure was confirmed by1H NMR and HR-ESI-MS． Under the optimized conditions[carbazole 200 mmol， diethyl carbonate 1.2 eq.， Cs2CO3 0.05 eq., TEBAC 0.05 eq.， at 180 ℃ for 3 h], the yield was up to 99%.

Keywords：N-ethylcarbazole; diethyl carbonate; green synthesis; cocatalyst; alkylation reaction

中圖分類號：O626.3; O621.3

文獻標志碼：A

DOI：10.15952/j.cnki.cjsc.1005-1511.2016.03.15368

作者簡介：阿布力米提·阿布都卡德爾(1970-)，男，維吾爾族，新疆和田人，博士，主要從事有機合成的研究。 E-mail: ablimit1970@126.com通信聯(lián)系人： 劉晨江，教授， Tel. 0991-8582901, E-mail: pxylcj@126.com

基金項目：國家自然科學基金資助項目(21162025, 21262035)

收稿日期：2015-04-20；

修訂日期：2016-01-08