一種芳基含氮雜環(huán)硼酸酯的制備

李林璐，劉鵬舉，郭利兵

(河南省科學院化學研究所，河南 鄭州 450002)

芳基含氮硼酸酯是硼酸中氫被芳基含氮官能團取代后的衍生產(chǎn)物，具有高穩(wěn)定性、低污染、良好摩擦學性能等優(yōu)點[1-4]，被廣泛應用于有機合成中間體、光電材料、醫(yī)藥、農(nóng)藥等領域[5-8]。另外，芳基含氮硼酸酯也是Suzuki交叉偶聯(lián)反應的重要原料，可以形成C—O鍵、C—N鍵、C—S鍵，也因其高反應活性、低毒性及最終降解為環(huán)境友好硼酸酯的優(yōu)勢被認為是一類理想反應底物[9-10]。因此，開發(fā)高效、溫和的芳基含氮硼酸酯合成方法一直都是人們關注的重點[11]。

芳香硼酸酯的經(jīng)典合成是在格氏試劑或鋰試劑作用下完成的，但若鹵代芳基分子中帶有酯基、氰基等官能團則無法通過有機金屬試劑直接制備[7-12]。1995 年，Miyaura等[9-14]率先以鹵代芳烴及聯(lián)硼酸頻哪酯為原料在鈀催化下獲得芳基硼酸酯，隨后發(fā)現(xiàn)除鹵代芳烴外，芳基三氟甲磺酸酯、芳基重氮鹽等底物均可通過過渡金屬催化的硼基化反應制得芳基硼酸酯。后又發(fā)展了鋅、鎳、銅、鐵等過渡金屬催化芳基硼基化反應，但由于合成條件苛刻、收率低等問題沒有較好解決，材料應用仍受到限制[15-17]。

本文提供了一種新型芳基含氮雜環(huán)硼酸酯及其制備方法。以鹵代芳基乙酸為原料，氯化亞砜為試劑完成與苯的復合反應，后用二甲基亞砜(MDSO)在酸性條件下氧化C—H鍵(圖1)獲得高活性的雙羰基芳基中間體，進而與氨基環(huán)合構筑C—N鍵，最后硼酸取代，制備目標產(chǎn)物芳基含氮雜環(huán)硼酸酯，并由液相色譜及核磁氫譜確證產(chǎn)物結構及純度。合成路線見圖式2(其中反應物1、2、3、4中R=Br，H;產(chǎn)物4中R=Br)。

圖1 DMSO氧化醛基反應機理

1 實 驗

1.1 主要試劑和儀器

間溴苯乙酸(純度98%)、氯化亞砜(純度99.7%)、異丙醇頻哪醇硼酸酯(純度98%)，麥克林生化科技有限公司；DMSO(純度99%)，上海阿拉丁生化科技股份有限公司；(1R,2R)-1,2-二苯基乙二胺(純度98%)，TCL公司；正丁基鋰(2.5 mol/L己烷溶液)，北京邁瑞達有機科技有限公司。其他均為市售分析純。

Agilent 1260 高效液相色譜儀(C18色譜柱,250 mm×4.6 mm×5 μm。分析條件：A相為φ= 0.1%三氟乙酸的甲醇溶液；C相為φ=0.1%三氟乙酸的水溶液；檢測波長254 nm；流速1.0 mL/min)；DPX-400型超導核磁共振儀。

圖2 目標化合物的合成路線

1.2 新型芳香基含氮雜環(huán)硼酸酯合成

1.2.1 中間產(chǎn)物3的合成

溴甲烷基1,2-二苯基乙烷-1-酮(R=Br)。將50 g溴苯乙酸，55.3 g氯化亞砜加入1 000 mL三口瓶中。室溫攪拌1 h至完全溶解，后油浴85 ℃回流過夜。次日減壓蒸餾除去過量氯化亞砜，后降低裝置溫度至30 ℃以下，加入500 mL二氯甲烷，23.6 g苯，及40.3 g無水三氯化鋁，室溫攪拌2 h反應終止?；旌衔锼矗稍?，加入甲醇分散過濾，完畢得產(chǎn)物溴甲烷基1,2-二苯基乙烷-1-酮。對溴甲烷基1,2-二苯基乙烷-1-酮：黃色粉末59.56 g，產(chǎn)率91.4%，純度98%；1H NMR(DMSO-d6，400 MHz)，δ: 8.00～7.33(m,9H,—Ar—H)，4.14(d, 2H，—CH2—)。間溴甲烷基1,2-二苯基乙烷-1-酮：黃色粉末59.22 g，產(chǎn)率90.9%，純度98%；1H NMR(DMSO-d6，400 MHz)，δ: 8.00～7.18(m,9H,—Ar—H)，4.14(d, 2H，—CH2—)。

烷基1,2-二苯基乙烷-1-酮(R=H)。將45 g苯乙酸，60 g氯化亞砜加入1 000 mL三口瓶中。室溫攪拌1 h至完全溶解，后油浴85 ℃回流過夜。次日減壓蒸餾除去過量氯化亞砜，后降低裝置溫度至30 ℃以下，加入500 mL二氯甲烷，26 g苯，及45 g無水三氯化鋁，室溫攪拌2 h反應終止。混合物水洗，干燥，加入甲醇分散過濾，得到產(chǎn)物。淺黃色粉末61.5 g，產(chǎn)率93%，純度98%；1H NMR(DMSO-d6，400 MHz)，δ: 8.00～7.22(m,10H,—Ar—H)，4.14(d, 2H，—CH2—)。

1.2.2 中間產(chǎn)物4的合成

溴甲烷基苯甲酰(R=Br)。稱取50 g 3a(3b)，30 g DMSO，153 g 48%氫溴酸于500 mL燒瓶中，100 ℃下加熱回流5 h，冷卻至室溫，終止反應。反應物水洗3次，過濾干燥，重結晶得產(chǎn)物溴甲烷基苯甲酰。對溴甲烷基苯甲酰：黃色粉末50.1 g，產(chǎn)率94.3%，純度97%。1H NMR(DMSO-d6, 400 MHz)，δ: 8.01～7.49(m, 9H,—Ar—H)。間溴甲烷基苯甲酰：黃色粉末49.9 g，產(chǎn)率94%，純度97%。1H NMR(DMSO-d6, 400 MHz)，δ: 8.03～7.49(m, 9H,—Ar—H)。

烷基苯甲酰(R=H)。稱取50 g 3c，40 g DMSO，211 g 48%氫溴酸于500 mL燒瓶中，100 ℃下加熱回流5 h，冷卻至室溫，終止反應。反應物水洗3次，過濾干燥，重結晶得產(chǎn)物。黃色粉末51.36 g，產(chǎn)率95%，純度97%；1H NMR(DMSO-d6, 400 MHz)，δ: 7.81～7.49(m, 10H,—Ar—H)。

1.2.3 中間產(chǎn)物5的合成

溴甲烷基2,3,5,6-四苯基吡嗪(R=Br)。稱取48 g 4a(4b)，42.3 g(1R,2R)-1,2-二苯基乙二胺，200 g醋酸加于500 mL燒瓶中，30 ℃下回流24 h，反應完畢。生成物冷卻過濾，甲醇洗滌得產(chǎn)物5a(5b)。對溴甲烷基2,3,5,6-四苯基吡嗪：黃色粉末70.8 g，產(chǎn)率92%，純度97%。1H NMR(DMSO-d6, 400 MHz)，δ: 8.34～7.32(m,19H,—Ar—H)。間溴甲烷基2,3,5,6-四苯基吡嗪：黃色粉末70.3 g，產(chǎn)率91.3%，純度97%。1H NMR(DMSO-d6, 400 MHz)，δ: 8.28～7.32(m,19H,—Ar—H)。

1.2.4 終產(chǎn)物芳基含氮雜環(huán)硼酸酯的合成

氬氣氛圍中，液氮使裝置降溫至-78 ℃以下，以200 mL四氫呋喃為溶劑加入45 g 5a(5b)、52 mL正丁基鋰己烷溶液、40 g異丙醇頻哪醇硼酸酯，裝置自然升至室溫，反應8 h。混合物加入等體積氯化銨水溶液，后用乙酸乙酯萃取，水洗，干燥，減壓濃縮，重結晶得終產(chǎn)物。芳基含氮雜環(huán)對位硼酸酯：白色粉末42.89 g，產(chǎn)率90.6%，純度97%；1H NMR(DMSO-d6, 400 MHz)，δ: 8.229～7.216(m, 19H,—Ar—H), 1.327(m, 12H，—CH3)。芳基含氮雜環(huán)間位硼酸酯：白色粉末42.61g，產(chǎn)率90%，純度97%；1H NMR(DMSO-d6, 400 MHz)，δ: 8.23～7.32(m, 19H,—Ar—H), 1.2(m, 12H，—CH3)。

2 結果與討論

2.1 原料配比對收率的影響

在DMSO對中間產(chǎn)物3的氧化反應中，足量的氫溴酸可保證烷基被取代完全，但過量易造成苯環(huán)多位不確定性取代，嚴重影響氧化效率及產(chǎn)物純度。據(jù)理論分析，DMSO與中間產(chǎn)物3的反應摩爾比大于2∶1即可，故保證其他實驗條件相同情況下，考察原料配比對產(chǎn)物4收率的影響，結果見圖3。

圖3 原料配比對產(chǎn)物4收率的影響

從圖3可見，當氫溴酸與中間產(chǎn)物3的摩爾比為5∶1時，中間產(chǎn)物的收率已大于94%，總收率在70%以上，繼續(xù)增加氫溴酸配比時，收率逐漸降低。故反應過程中選用氫溴酸、DMSO與中間產(chǎn)物3的最佳摩爾比應為5∶2∶1。

2.2 反應溫度對反應過程的影響

DMSO在氫溴酸環(huán)境下對中間產(chǎn)物3的氧化反應在低溫時不易發(fā)生或進程緩慢，溫度過高又會產(chǎn)生副反應，影響收率。因此，必須控制溫度，保證反應效率及產(chǎn)物收率。操作如下：將反應物置入油浴反應器中，選擇溫度隨時間勻速增加，每隔10 min監(jiān)測產(chǎn)物收率情況,結果見圖4。

由圖4可知：當溫度大于50 ℃時，開始有產(chǎn)物檢測到；隨著溫度不斷升高，產(chǎn)物單位時間產(chǎn)出量不斷增加；當溫度達到100 ℃時，產(chǎn)物產(chǎn)出率最大，繼續(xù)升溫，產(chǎn)物產(chǎn)出率明顯降低。因此，反應適宜溫度為100～105 ℃。

圖4 溫度對反應過程的影響

2.3 熱穩(wěn)定性

采用Mettler-Toledo的TGA/DSC同步熱分析儀對目標產(chǎn)物含氮雜環(huán)硼酸酯在氮氣氣氛(流速為20 cm3/min，升溫速率10 ℃/min)中的熱分解狀況進行考察，評價其熱穩(wěn)定性。

圖5為芳香基含氮雜環(huán)硼酸酯的熱穩(wěn)定性分析結果。從圖5可以看出,芳香基含氮雜環(huán)硼酸酯的分解溫度范圍是257.28～396.83 ℃。

圖5 芳香基含氮雜環(huán)硼酸酯的TG譜

3 結 論

a.以鹵代芳基乙酸為原料，利用DMSO反應系統(tǒng)特點，結合其他有機基元反應完成設計。其關鍵步驟為借助H+/DMSO強氧化性為基礎，定向進行C—H官能團化來構建多羰基化合結構體進而完成含氮官能團環(huán)化，實現(xiàn)多個目標產(chǎn)物的準確制備。

b.適宜工藝條件為：n(氫溴酸)∶n(DMSO)∶n(中間產(chǎn)物3)=5∶2∶1，反應溫度100～105 ℃，中間產(chǎn)物收率可達95%以上，總收率在70%以上。芳香基含氮雜環(huán)硼酸酯的分解溫度范圍為257.28～396.83 ℃，具有良好的高溫穩(wěn)定性。該結果為進一步解決C—H鍵氧化的問題，H+/DMSO系統(tǒng)反應深入探究及新型含氮雜環(huán)硼酸酯的開發(fā)、利用提供依據(jù)。