铜催化芳基卤代烃与咪唑的偶联反应

PAGE11目录摘要: 1关键词： 2引言 21实验部分 41.1实验原理 41.2实验仪器及试剂 41.3实验步骤 41.4产物及产率 52结果与分析 53讨论 63.1本实验的优点 63.2实验中的注意事项 6相关产物谱图： 6参考文献 10致谢 10铜催化芳基卤代烃与咪唑的偶联反应 田小李 化学化工学院应用化学专业2008级指导老师：秦大斌摘要:某些过度金属可催化亲电性不饱和碳与含活泼氢的氮、氧、硫、碳原子直接成键，这种交叉偶联反应是现代有机合成中重要的手段之一，与钯、镍等过度金属相比，铜是一种廉价且毒性低的金属。近年来，亚铜催化的碳杂偶联反应以其高效、低成本和易制备等优点被广泛研究并应用于工业生产、有机合成及生物活性分子的制备中。用铜来催化这些交叉偶联反应不仅可以节省贵金属的消耗，降低成本，而且可以减少对环境的污染，促进绿色化学的发展。偶联反应，是由两个有机化学单位进行某种化学反应而得到一个有机分子的过程.偶联反应又可分为交叉偶联和自身偶联反应。进行偶联反应时，介质的酸碱性是很重要的。在这里，我们研究了以亚铜为催化剂，在弱碱性条件下芳基卤代烃与咪唑的偶联反应，其产物为咪唑衍生物。咪唑衍生物种类繁多，如烷基咪唑、硝基咪唑、苯并咪唑、吡啶并咪唑，其在农业，医药等领域都有广泛应用。关键词：铜催化；偶联反应；咪唑衍生物CoppercatalyzedarylradicalcouplingreactionofalkylhalideswithimidazoleLiTianxiaoSchoolofChemistryandChemicalEngineeringGrade2008Instructor:DabinAbstract:Sometransitionmetalcatalyzedelectrophonicunsaturatedcarboncontainingactivehydrogen,nitrogen,oxygen,sulfur,carbonatomsdirectlybonded,thiscross-couplingreactionisoneoftheimportanttoolinmodernorganicsynthesis,Comparedwithpalladium,nickelandothertransitionmetals,copperisacheapandlowtoxicmetal.Inrecentyears,thecuprous-catalyzedChybridcouplingreactionhasbeenextensivelystudiedandusedinthepreparationofindustrialproduction,organicsynthesisandbiologicalactivityofmoleculesbecauseitshighefficiency,lowcostandeaseofpreparationandotheradvantages.Usingcoppertocatalyzecross-couplingreactioncannotonlysavepreciousmetalconsumption,reducecosts,butalsocanreduceenvironmentalpollution,andpromotethedevelopmentofgreenchemistry.Couplingreactionisachemicalreactionprocessofanorganicmoleculecomposedoftwoorganicchemistryunits.Thecouplingreactioncanbedividedintothecross-couplingandcouplingreaction.ThemediumpHisveryimportantwhenthecouplingreaction.Here,westudiedthecopperascatalyst,intheconditionofweakalkalinearylhalogenatedhydrocarbonsandimidazolecouplingreaction,theirproductistheimidazolederivatives.Therearewidevarietyofimidazolederivatives,suchasalkylimidazole,nitroimidazole,benzimidazole,pyridineandimidazole,whicharewidelyusedinagriculture,medicineandotherfields.Keywords:Coppercatalysis,couplingreaction,sulfonatedderivatives引言有机含氮化合物(即分子中含有C—N键的有机化合物)是一类非常重要的化合物,它不仅广泛存在于各类具有生理活性的天然产物、药物中,也是诸多化工材料的重要组分,有些更是生命活动不可缺少的物质.因此在一些结构简单的含氮化合物基础上构建新的C—N键对这类化合物的合成显得尤为重要,而对这一领域的研究也一直是有机化学的热点之一.Ullmann[1]在1903年首次提出了铜盐催化的芳香卤代物与胺反应合成二芳基胺衍生物的方法。1906年，Goldberg[2]报道了铜盐催化的芳香卤代物与酞胺类化合物的C-N偶联反应。但是这两个反应通常都要求剧烈的反应条件，如较高的反应温度（150到300OC）和较大量的催化剂用量等，反应需要使用高沸点溶剂，如N,N-二甲基甲酰胺(DMF)、硝基苯、N-甲基-2-吡咯烷酮（NMP）等，存在后处理困难，反应复杂、产率低、底物适用范围窄等因素，限制了该反应的使用[3]。进过不断的发展，人们发现Pd和Ni催化的交叉偶联反应较传统的Ullmann反应具有条件温和、反应简单等优点,在Pd和Ni催化反应被发现之后,人们从二十世纪七十年代起逐渐放弃了对Ullmann反应的研究。然而,经过多年对Pd和Ni催化偶联反应的研究,人们也逐渐认识到Pd和Ni催化剂的一些缺点,这主要包括:毒性较大,价格较高,以及对不稳定而且剧毒的有机膦配体的依赖性等。为了寻找廉价而且低毒的催化剂,在最近的几年里,人们又对Cu催化的Ullmann反应产生了浓厚的兴趣。在1998年,马大为等报道了卤代芳烃与α2氨基酸之间进行偶联得到N2芳基2α2氨基酸的反应。这一反应使用CuI作催化剂,溶剂为DMA,反应条件较为温和。利用该反应,他们合成了重要的医药试剂Benzolactam2V8。近几十年来，亚铜催化的偶联反应逐渐成为热门的话题，并且被广泛地应用于工业生产、有机合成及生物活性分子的制备中［4—8］。相对于目前广泛研究的钯催化剂，亚铜催化剂的主要优点在于铜的价格低廉，且不需要使用毒性较大的含磷配体，因此在较大规模的合成应用中更有优势。亚铜催化的碳-杂偶联反应往往比钯的催化更加有效，反应条件也更加温和，具体表现为反应温度较低、外加碱的碱性较弱。过渡金属催化的C-N偶联反应已经有上百年的发展历史，并且在近几十年来一直是一个非常热门的课题。目前过渡金属催化的C-N偶联反应已经被广泛地应用于工业生产和学术研究中［9，10］。这里，我们就以亚铜催化芳基卤代烃与咪唑的偶联反应为例来说明。咪唑是一种含有两个氮原子的五元杂环化合物,它不仅是生物体内组氨酸的组分,也是核糖核酸(RNA)和脱氧核糖核酸(DNA)嚷吟的组分。咪唑分子本身具有良好的电子转移性和易功能化的特点,含有咪唑环的许多化合物因其具有良好的生物活性而在医药和农药领域发挥着重要的作用。咪唑易于生成衍生物,生成的途径有氰乙化反应、烷基取代反应、季胺化反应、卤代反应、经甲基化反应和盐化作用等。常用的咪唑衍生物是烷基取代作用后的生成物。另外,还有氰乙化系列、氰乙化产物盐系列、氮杂苯系列、三聚异氰酸系列、经甲基咪唑系列、咪唑琳系列等。近年来,咪唑类化合物成为了国内外含氮新型杂环化合物合成与应用的研究热点。1实验部分1.1实验原理咪唑分子中N上的H具有酸性，在这个实验中，用弱碱脱去咪唑上的酸性H,再用被脱去酸性H的咪唑去取代芳烃中的卤素，得到咪唑衍生物。整个反应是一个亲核取代反应。1.2实验仪器及试剂电子天平（万分之一）、反应釜、微量注射器、磁力搅拌子、磁力加热搅拌器、旋转蒸发仪、胶头滴管、试管、防爆瓶。咪唑、碘化亚铜、配体TBAF(氯化四丁基铵)、K3PO43H2O、对甲氧基溴苯、2-溴吡啶、对氟碘苯、二氯甲烷、乙酸乙酯、石油醚、蒸馏水1.3实验步骤如表1所示，在反应釜中加入上述各物质，再分别加入表2中各原料，120OC下反应24小时，点板待其反应结束，用乙酸乙酯萃取，合并有机相，用无水硫酸镁干燥，过滤，用旋转蒸发仪旋干，过柱子。过柱子时，先用二氯甲烷将其溶解，再均匀加入到硅胶柱子中，过柱子采用的溶剂为石油醚与乙酸乙酯的混合溶液，极性逐渐增加，其比例依次为7:1、4:1、3:1、2:1、3:2、1:1。最后根据点板产物分布情况，当石油醚:乙酸乙酯=3:1时收集产物，用旋转蒸发仪旋干，得黄色油状物。烘干，称量，计算产率。（反应原料，反应条件及产物如表2）表1物质Mneqm(g)吡啶碘化亚铜L氯化四丁基铵三水磷酸钾68.1191186.3261.52661.2mol0.1mol0.2mol2mmol1mmol1.20.10.20.220.08160.01910.03720.05230.5322表2编号原料碱温度(oC)时间（h）催化剂产物123对氧甲基溴苯3-溴吡啶对氟碘苯K3PO43H2OK3PO43H2OK3PO43H2O120120120242424CuICuICuI对甲氧基咪唑苯2-咪唑吡啶对氟咪唑苯1.4产物及产率根据实验原理及相关数据计算各产物的产量及产率列于表3.表3编号原料体积（ul）密度(g/ml)质量(g)产物产量(g)产率(%)123对氧甲基溴苯3-溴吡啶对氟碘苯128.194.7115.31.461.661.9250.1870.1570.222对甲氧基咪唑苯2-咪唑吡啶对氟咪唑苯0.1370.1070.17778.874.384.82结果与分析快速过柱（石油醚：乙酸乙酯=3:1）得黄色油状物。1HNMR（400MHzCDCl3）δ3.85（s，3H，-OCH3）δ6.97（d,1H,J=2.0,-CHiminazole）δ7.20(d,2H,J=8.0–CHAr)δ7.31(d,2H,J=8.0–CHAr)δ7.77(s,1H,–CHiminazole)13CNMR（100MHzCDCl3）δ55.63,118.82,127.55,130.73,135.94,158.92快速过柱（石油醚：乙酸乙酯=3:1）得黄色油状物。1HNMR（400MHzCDCl3）δ7.10-7.25（m,4H,-CHAr）δ7.31-7.41（m,2H,-CHiminazole）δ7.78(s,1H,–CHiminazole);13CNMR（100MHzCDCl3）δ116.63,116.85,123.42,130.47,133.41,135.45,162.85快速过柱（石油醚：乙酸乙酯=3:1）得黄色油状物。1HNMR（400MHzCDCl3）δ7.12-7.22（m,2H,-CHAr）δ7.29-7.35（m,1H,-CHAr）δ7.60（s,1H,-CHAr）δ7.73-7.83（m,1H,-CHAr）δ8.31（s,1H,-CHiminazole）δ8.42-8.43（m,1H,-CHAr）13CNMR（100MHzCDCl3）δ112.30,122.00,130.62,134.92,139.02,149.083讨论3.1本实验的优点在实验过程中，采用蒸馏水作为反应溶剂，既环保，又节约。3.2实验中的注意事项首先，整个反应在反应釜中进行，由于反应温度较高（120OC油浴），必须要保证反应釜的气密性，以免反应物挥发以及外界环境对反应造成影响；其次，反应温度应严格控制在120OC，所以在反应中采用油浴并在恒温下进行；再次，在过柱子时，溶剂的比例即溶剂的极性控制也至关重要，溶剂的极性应逐渐增加（石油醚与乙酸乙酯的比例依次为7:1、4:1、3:1、3:2、2:1、1:1），若刚开始时溶剂的极性过高，则无法收集到高纯度的产物。相关产物谱图：参考文献[1]Ullmann,F.Ber.Dtsch.Chem.Ges.1903,36,2382[2]Goldberg.I.Ber.Dtsch.Chem.Ges.1906.39.1961[3]HuajianX.YichengL.YuanyuanL.YizhiF.ChineseJournalofOrganicChemistry.Vol.2010.30[4]EicherT，HauptmannS.TheChemistryofHeterocycles-Structure，Reactions，SynthesisandApplication，Weinheim:Wiley-VCH，2003[5]