9-[4'-(吡啶-2-位)-(1,1'-聯(lián)二苯-4-位)]-3,6-咔唑二硼酸的合成及表征

黃海方，范和良，孔亞芬，朱偲偲

(欽州學(xué)院 海洋學(xué)院，廣西 欽州 535011)

9-[4'-(吡啶-2-位)-(1,1'-聯(lián)二苯-4-位)]-3,6-咔唑二硼酸的合成及表征

黃海方，范和良，孔亞芬，朱偲偲

(欽州學(xué)院 海洋學(xué)院，廣西 欽州 535011)

以咔唑和1,4-二溴苯為初始原料，經(jīng)Ullmann反應(yīng)、NBS親電取代反應(yīng)、Suzuki偶聯(lián)和有機鋰試劑法等反應(yīng)，合成了9-[4'-(吡啶-2-位)-(1,1'-聯(lián)二苯-4-位)〗-3,6-咔唑二硼酸，并對影響反應(yīng)的重要因素進行了考察和討論。采用1H NMR，元素分析等方法對產(chǎn)品的純度和結(jié)構(gòu)進行了分析表征。

Ullmann反應(yīng)；Suzuki偶聯(lián)；NBS親電取代

芳基硼酸作為一種重要的中間體，在有機合成中的應(yīng)用非常廣泛[1-2]。它具有化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、反應(yīng)溫和、能長期保存且反應(yīng)活性較高的特性，芳基硼酸與鹵代烴的Suzuki偶聯(lián)反應(yīng)的位置選擇性和立體選擇性好，是形成C-C鍵的重要途徑。其在有機合成反應(yīng)如C-O鍵、C-N鍵、C-S鍵的形成反應(yīng)中也具有非常重要的應(yīng)用[3-4]。

然而，目前對芳基單硼酸的合成研究比較多，有關(guān)芳基雙硼酸及多硼酸合成的研究很少[5]。本文以咔唑和1,4-二溴苯為初始原料，經(jīng)Ullmann反應(yīng)、NBS親電取代反應(yīng)、Suzuki偶聯(lián)和有機鋰試劑法等反應(yīng)，合成了9-[4'-(吡啶-2-位)-(1,1'-聯(lián)二苯-4-位)〗-3,6-咔唑二硼酸，其合成路線圖1。

圖1 目標化合物的合成路線

Fig.1 Synthetic route of the target product

1 實驗部分

1.1 主要儀器及試劑

德國 Bruker Esquire 3000 型離子阱電噴霧質(zhì)譜儀；Avance-400MHz核磁共振儀(瑞士Bruker公司)；Flash EA1112元素分析儀；X-4顯微熔點儀(上海精密儀器廠)；階梯升華儀。

對溴苯胺、吡啶、咔唑(96%)、2,4-二溴苯、碘化亞銅(98%)、三甲基硼酸脂、正丁基鋰(英國Alfa Aesa公司)；四(三苯基磷)合鈀(99.5%)(北京盛維特公司)；鄰菲羅啉、NBS、；鹽酸，亞硝酸鈉，氫氧化鈉、碳酸銫和碳酸鉀等均為市售分析純。

1.2 實驗方法

1.2.1 2-(4-溴苯基)吡啶(1)的合成

在250 mL三頸瓶中加入15.0 g (0.09 mol)對溴苯胺、30 mL濃鹽酸和15 mL水，開啟攪拌使對溴苯胺溶解。置冰鹽浴中冷卻至-10 ℃，緩慢滴加9.0 g (0.13 mol) 的飽和亞硝酸鈉溶液?？刂频渭铀俣?，使溫度保持在-5 ℃左右(不能超過5 ℃)。將所得重氮鹽溶液緩慢滴加到40 mL吡啶中，60 ℃下反應(yīng)4h。加氫氧化鈉溶液調(diào)至pH值>12，繼續(xù)反應(yīng)8 h。用二氯甲烷萃取3?4次，合并有機相，旋干，殘渣用200～400目硅膠作固定相、石油醚作洗脫劑過柱，蒸餾回收溶劑。所得黃色固體用階梯升華儀升華，升華梯度：60，50，40，30，20 ℃(短管)。得白色晶體14.03 g，收率：67.2 %，mp: 59～60 ℃。1HNMR (CDCl3, TMS) δ: 8.71?8.72 (d, 1H); 7.89～7.92 (d, 2H); 7.80～7.81 (t, 1H); 7.63～7.64 (t, 1H); 7.60～7.61 (d, 2H); 7.30～7.28 (d, 1H); 元素分析，C11H8NBr，實測值 (理論值), %:C,56.21 (56.41);H, 3.96 (3.42);N, 5.59 (5.98)。

1.2.2 4-(2-吡啶基)苯硼酸(2)的合成

250 mL三頸瓶中加入20.0 g (0.086 mol) 2-(4-溴苯基)吡啶和100 mL無水四氫呋喃，開啟磁力攪拌，通氮氣除氧并用乙醇/干冰浴冷卻到-78 ℃，半小時后逐滴滴加46.6 mL (2.4 M, 0.11 mol)正丁基鋰，維持反應(yīng)在-78 ℃下反應(yīng)1h，然后快速加入29.3 mL (0.258 mol)三甲基硼酸酯，在此溫度下繼續(xù)4～5h，升至室溫并過夜。用冰鹽浴冷卻到0 ℃，緩慢滴加鹽酸(2.0 mol/L)調(diào)節(jié)pH值= 6，升至室溫繼續(xù)反應(yīng)5h；用乙醚萃取四次合并有機相，減壓蒸干，所得固體用用硅膠(200～400 目)作固定相，石油醚和乙酸乙酯(體積比：2:1)作洗脫機柱層析，得白色固體9.89 g，收率：57.8 %，mp: 237～239 ℃；1HNMR (CDCl3, TMS) δ : 8.73～8.77 (d, 1H); 8.03～8.05 (d, 2H); 7.84～7.86 (t, 2H);7.70～7.72 (d, 2H); 7.28 (s, 1H)。

1.2.3 9-(4-溴苯基)-9H-咔唑(3)的合成

將15.0 g (0.09 mol)咔唑，25.5 g (0.11 mol) 2,4-二溴苯，37.3 g (0.27 mol)碳酸鉀，5.4 g (0.03 mol)鄰菲羅啉和130 mL無水鄰二甲苯加入到250 mL三頸瓶中，通氮氣除氧30 min，快速加入5.7 g (0.03 mol) CuI，繼續(xù)通氮氣30 min，然后緩慢加熱至回流，氮氣保護下反應(yīng)36h。冷卻至室溫后抽濾，并用二氯甲烷多次洗滌，濾液減壓濃縮得紅褐色殘渣，然后用硅膠(200～400目)作固定相，石油醚和二氯甲烷(體積比：30:1)作洗脫機柱層析，所得白色固體用乙醇重結(jié)晶，得白色條狀晶體22.35 g，收率：77.12 %，mp: 135～138 ℃；1H NMR (400MHz, CDCl3) δ: 7.29 (d,J=16.4 Hz, 2 H); 7.45 (t,J=11.6Hz, 6H); 7.73 (d, J = 6.8 Hz, 2H); 8.14 (d, J = 6.8 Hz, 2H); 元素分析，C18H12BrN，實測值(理論值)，% : C, 65.65 (67.10); H, 3.23 (3.75); N, 4.23 (4.35)。

1.2.4 3,6-二溴-9-(4-溴苯)-9H-咔唑(4)的合成

將3.5 g (0.01 mol) 9-(4-溴苯基)-9H-咔唑和50 mL二氯甲烷加入到150 mL三頸瓶中，開啟磁力攪拌，用冰鹽浴冷卻到0 ℃，在避光條件下用恒壓滴液漏斗逐滴滴加4.45 g (0.025 mol) NBS的二氯甲烷溶液，滴加完畢后在0 ℃下繼續(xù)反應(yīng)8～9h；加水淬滅反應(yīng)，半小時后用二氯甲烷萃取三次，合并有機相并減壓蒸干，所得殘渣用硅膠(200～400目)作固定相，石油醚和二氯甲烷(體積比：10:1) 作洗脫機柱層析，所得白色固體用用階梯升華儀升華，升華梯度：165 ，165 ，155 ，145 ，135,125 ℃(長管)。得淺黃色棉絮狀固體3.77 g，收率：79.0 %，mp: 196～198 ℃；元素分析，C18H10Br3N，實測值(理論值)，%: C, 45.24 (45.05); H, 2.17 (2.10); N, 2.67 (2.92)。

1.2.5 3,6-二溴-9-[4'-(吡啶-2-位)-(1,1'-聯(lián)二苯-4-位)〗-9H-咔唑(5)的合成

將4.30 g (0.009 mol) 3,6-二溴-9-(4-溴苯)-9H-咔唑，1.50 g (0.0075 mol) 4-(2-吡啶基)苯硼酸，60 mL甲苯，30 mL乙醇和7.33 g (0.0225 mol)碳酸銫飽和水溶液加入到150 mL三頸瓶中，通氮氣除氧30 min后，快速加入0.35 g (0.3mmol)四三苯基磷鈀，繼續(xù)通氮氣30 min，然后加熱回流6～8h。冷卻至室溫后分液，水相用甲苯萃取三次合并有機相，減壓濃縮，所得粗品用硅膠(200～400目)作固定相，石油醚和乙酸乙酯(體積比：2:1)作洗脫機柱層析，所得粗品用階梯升華儀升華，升華梯度：235，225，215 ，205 ，195 ℃(短管)。得白色固體2.98 g，收率：71.9 %，mp: 251?255 ℃；元素分析，C29H18Br2N2，實測值(理論值)，%: C, 63.72 (62.84); H, 3.07 (3.25); N, 5.25 (5.06)。

1.2.6 9-[4'-(吡啶-2-位)-(1,1'-聯(lián)二苯-4-位)〗-3,6-咔唑二硼酸(6)的合成

250 mL三頸瓶中加入2.67 g (0.0048 mol) 3,6-二溴-9-[4'-(吡啶-2-位)-(1,1'-聯(lián)二苯-4-位)〗-9H-咔唑和80 mL無水四氫呋喃，開啟磁力攪拌，通氮氣除氧并用乙醇/干冰浴冷卻到-78 ℃，半小時后逐滴滴加6.5 mL (2.5 M, 0.014 mol)正丁基鋰，維持反應(yīng)在-78 ℃下反應(yīng)1h，然后快速加入3.38 mL (0.03 mol)三甲基硼酸酯，在此溫度下繼續(xù)4～5h，升至室溫并過夜。用冰鹽浴冷卻到0 ℃，緩慢滴加鹽酸(2.0 mol/L)調(diào)節(jié)pH值 = 6，升至室溫繼續(xù)反應(yīng)5h；用乙醚萃取四次合并有機相，減壓蒸干，所得固體用用硅膠(200～400目)作固定相，石油醚和乙酸乙酯(體積比：1:1) 作洗脫機柱層析，得淺黃色固體 1.17 g。收率：50.8 %，mp>350 ℃；ESI-S (m/z) C29H22B2N2O4，實測值(理論值)：484.95 (484.18) [M]+。

2 結(jié)果與討論

2.1 3,6-二溴-9-(4-溴苯)-9H-咔唑(5)的合成

此反應(yīng)的機理屬于親電取代，其產(chǎn)率受反應(yīng)條件的影響極大甚至導(dǎo)致反應(yīng)失敗，此反應(yīng)首先應(yīng)該在黑暗的條件下進行且反應(yīng)溫度應(yīng)控制0 ℃以下才能按親電取代機理進行，如果在有光條件下或溫度過高則按自由基取代機理進行。9-(4-溴苯基)-9H-咔唑與NBS的物質(zhì)的量比對其產(chǎn)率的影響。

表1 9-(4-溴苯基)-9H-咔唑與 NBS 的物質(zhì)的量比對其產(chǎn)率的影響

由表1可知，適當增加NBS的量有利于提高產(chǎn)物的收率，隨著NBS的用量增加產(chǎn)物的收率也隨著增加，但增加到9-(4-溴苯基)-9H-咔唑的2.5倍以上時，收率增加的幅度明顯減緩，所以NBS與9-(4-溴苯基)-9H-咔唑的物質(zhì)的量比為2.5時最佳。

2.2 9-[4'-(吡啶-2-位)-(1,1'-聯(lián)二苯-4-位)〗-3,6-咔唑二硼酸(6)的合成

在制備9-[4'-(吡啶-2-位)-(1,1'-聯(lián)二苯-4-位)〗-3,6-咔唑二硼酸的反應(yīng)中，首先，反應(yīng)溫度最好控制在-78 ℃左右，如果溫度過高，產(chǎn)率明顯降低；其次，正丁基鋰是很強的有機堿，為避免反應(yīng)激烈而導(dǎo)致不充分，正丁基鋰需要緩慢滴加。在我們的重復(fù)實驗中發(fā)現(xiàn)，半小時左右(10mL)的滴加時間為最佳，過快加入會導(dǎo)致產(chǎn)率降低；在加入硼酸三甲脂時，由于硼酸三甲脂在-78 ℃的條件下容易結(jié)塊，最好快速的加入反應(yīng)中，以防其結(jié)在玻璃壁上而導(dǎo)致產(chǎn)率降低；最后，在加完正丁基鋰后，最好讓其反應(yīng)1小時后，再加入硼酸三甲脂，再將反應(yīng)液在-78 ℃反應(yīng)3～4h。

3 結(jié)論

本文以咔唑和1,4-二溴苯為初始原料，經(jīng)Ullmann反應(yīng)、NBS親電取代反應(yīng)、Suzuki偶聯(lián)和有機鋰試劑法等反應(yīng)，合成了9-[4'-(吡啶-2-位)-(1,1'-聯(lián)二苯-4-位)〗-3,6-咔唑二硼酸，產(chǎn)率高達50.8%，整條路線簡單，易于操作，產(chǎn)率高。

[1] 李月琴，陶 弦，徐慧華，等.3',4',5'-三氟聯(lián)苯-4-苯硼酸的合成及表征[J].化學(xué)試劑, 2010, 32(5) : 455-457.

[2] 劉國權(quán)，王閃閃，梁九娣，等. 5-三氟甲基-2-氯-4-吡啶硼酸的合成研究[J].河北科技大學(xué)學(xué)報, 2014, 35(4) : 330-333.

[3] 鐘為慧，葉海偉，劉振玉，等. 含氟苯硼酸的合成及應(yīng)用研究進展[J].有機化學(xué), 2009, 29(5) : 665-671.

[4] 李英奇，彭雨春.合成芳基硼酸及其酯的研究進展[J].化學(xué)試劑, 2006, 28 (3) : 149-152.

[5] 蔣歡妹,鄧 燕,張永強,等.對叔丁基苯硼酸的合成及表征[J].精細化工中間體, 2007, 37 (1) : 34-36.

(本文文獻格式：黃海方，范和良，孔亞芬，等.9-[4'-(吡啶-2-位)-(1,1'-聯(lián)二苯-4-位)]-3,6-咔唑二硼酸的合成及表征[J].山東化工，2017，46(10)：4-6.)

Synthesis and Characterization of 9-(4'-(pyridin-2-yl)-[1,1'-biphenyl]-4-yl)carbazole-3,6-diyl)diboronic acid

HuangHaifang,FanHeliang,KongYafeng,ZhuCaicai

(School of Ocean, Qinzhou University, Qinzhou 535011, China )

9-(4'-(pyridin-2-yl)-[1,1'-biphenyl]-4-yl)carbazole-3,6-diyl)diboronic acid materials have been synthesized by Ullmann reaction, NBS electrophilic substitution, Suzuki cross-coupling reaction, Organic lithium reagent method using carbazole and 1,4-dibromobenzene as the starting materials. The conditions which influence the reaction result were investigated and discussed. The purity and structure of the products were characterized by1H NMR, Elementary analysis ,Mass spectrum.

Ullmann reaction; Suzuki cross-coupling; NBS electrophilic substitution

2017-03-28

廣西中青年教師基礎(chǔ)能力提升項目資助

黃海方 (1982—)，山東菏澤人，實驗員，碩士研究生，研究方向：有機發(fā)光材料的合成與應(yīng)用。

O627.31

A

1008-021X(2017)10-0004-03