葉東鼐，傅葉娟，王青豪，葉 敏

(贛南師范大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，江西 贛州 341000)

?

·有機(jī)藥物化學(xué)·

HBF4催化末端炔烴水化成甲基酮的合成研究*

葉東鼐，傅葉娟，王青豪，葉 敏?

(贛南師范大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，江西 贛州 341000)

炔烴水化成酮是有機(jī)合成中最基本的轉(zhuǎn)化.本論文以四氟硼酸為催化劑，炔烴為反應(yīng)底物， 三氟乙醇(TFE)作溶劑，高效水化合成一系列甲基酮類化合物.考察了不同反應(yīng)條件，拓展了反應(yīng)的底物，并提出了反應(yīng)的可能機(jī)理.

甲基酮；末端炔；水化；催化

酮類化合物是最重要的合成原料之一，將炔烴化合物進(jìn)行Markovnikov類型的水化反應(yīng)合成酮是有機(jī)合成中最基本的轉(zhuǎn)化，該反應(yīng)具有100%的原子利用率[1].一般認(rèn)為在酸催化下，炔烴直接水合比較困難，但在硫酸汞的硫酸溶液催化下，炔烴較易與水發(fā)生加成反應(yīng)，稱為Kucherov反應(yīng)(圖1, a)[2].反應(yīng)中所用汞鹽有劇毒，因此很早已開始非汞催化劑的研究，最近取得了比較大的進(jìn)展.所用催化劑主要有釕[3]、銠[4]、鈀[5]、鉑[6]、金[7]、銀[8]、銥[9]、鈷[10]、鐵[11]、錫-鎢[12]等過渡金屬催化.另外Bronsted酸催化的炔烴水化反應(yīng)僅有少數(shù)文獻(xiàn)報(bào)道[13-16].盡管如此，已經(jīng)報(bào)道的這些方法仍存在一些缺點(diǎn)：比如需要高溫反應(yīng)、使用到昂貴的金屬、官能團(tuán)兼容性差以及大大過量的酸作為添加劑(圖1, b).因此繼續(xù)探尋操作簡(jiǎn)單、官能團(tuán)兼容性好、無(wú)過渡金屬的方法合成酮類化合物仍是有機(jī)合成的熱點(diǎn).

圖1 文獻(xiàn)中有關(guān)炔烴水化成酮的介紹

圖2 四氟硼酸催化末端炔烴水化成甲基酮

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

Bruker AM-400 FT-NMR核磁共振儀(TMS為內(nèi)標(biāo)，CDCl3為溶劑)；島津GCMS-QP5050A 質(zhì)譜儀;反應(yīng)試劑均為國(guó)產(chǎn)市售分析純.

1.2 HBF4催化末端炔烴水化合成甲基酮的實(shí)驗(yàn)操作

于25 mL螺旋刻度試管中分別加入0.2 mmol炔烴1、四氟硼酸 (20 mol %)(四氟硼酸為40%的水溶液)和1 mL 三氟乙醇，50 ℃反應(yīng)1 h.反應(yīng)結(jié)束后，加入10 mL水，乙酸乙酯(3×5 mL)萃取，合并有機(jī)層并用無(wú)水硫酸鎂進(jìn)行干燥.濃縮，去溶劑.所得余留物經(jīng)柱色譜分離，得到相應(yīng)的酮化合物2.

1.3 產(chǎn)物結(jié)構(gòu)分析

苯乙酮(2a):1H NMR(400 MHz, CDCl3):δ=7.94-7.96(m,2H), 7.53-7.58(m,1H),7.44-7.47 (m,2H), 2.60 (s,3H).13C NMR (100 MHz,CDCl3):δ=198.1, 137.1, 133.1, 128.5, 128.3, 26.6. MS(EI)m/z: 120, 105, 71, 51.

3-甲基苯乙酮(2b):1H NMR(400 MHz,CDCl3):δ=7.75(d,J=10.8 Hz,2H),7.33(t,J=8.0 Hz, 2H),2.58(s,3H),2.40(s,3H).13C NMR(100 MHz,CDCl3):δ= 198.4, 138.3, 137.4, 133.8, 128.7, 128.4, 125.5, 26.6, 21.3. MS(EI)m/z: 134, 119, 91, 65, 51.

4-叔丁基苯乙酮(2c):1H NMR(400 MHz,CDCl3):δ=7.91 (t,J=3.0 Hz,1H),7.89(t,J= 3.0 Hz,1H),7.49(t,J= 3.0 Hz,1H),7.46(t,J= 3.0 Hz, 1H),2.58(s, 3H),1.34(s,9H).13C NMR(100 MHz,CDCl3):δ=197.9, 156.8, 134.6, 128.2, 125.5, 35.1, 31.0, 26.5. MS(EI)m/z: 176, 161, 133, 118, 91, 77.

4-苯基苯乙酮(2d):1H NMR(400 MHz,CDCl3):δ=8.02-8.05(m,2H),7.67-7.70(m,2H),7.61-7.64(m,2H),7.45-7.49(m,2H),7.38-7.42(m,1H),2.64(s,3H).13C NMR(100 MHz,CDCl3):δ=197.8, 145.7, 139.8, 135.8, 128.9, 128.9, 128.2, 127.2, 127.2, 26.6. MS (EI) m/z: 196, 181, 152, 76, 43.

4-甲氧基苯乙酮(2e):1H NMR (400 MHz, CDCl3):δ=7.91 (d,J= 8.8 Hz, 2H),6.90 (d,J= 8.8 Hz, 2H), 3.84 (s, 3H), 2.52 (s, 3H).13C NMR (100 MHz, CDCl3):δ= 196.7, 163.4, 130.5, 130.3, 113.6, 55.4, 26.3. MS (EI) m/z: 150, 135, 107, 92, 77, 63.

2-甲氧基苯乙酮(2f):1H NMR(400 MHz,CDCl3):δ=7.69-7.72(m,1H),7.41(m,1H),6.93-6.98(m,2H),3.88(s,3H),2.59(s,3H).13C NMR(100 MHz,CDCl3):δ= 199.8, 158.9, 133.6, 130.3, 128.2, 120.5, 111.6, 55.4, 31.8. MS(EI)m/z: 150, 135, 105, 92, 77, 63.

4-氟苯乙酮(2g):1H NMR(400 MHz,CDCl3):δ=7.92-7.95 (m,2H),7.06-7.10(m,2H),2.54(s,3H).13C NMR(100 MHz,CDCl3):δ= 196.4, 166.9, 164.4, 133.6, 133.5, 130.9, 130.8, 115.7, 115.4, 26.4. MS(EI)m/z: 138, 123, 95, 75.

4-氯苯乙酮(2h):1H NMR(400 MHz,CDCl3):δ=7.82(d,J=8.4 Hz,2H),7.36(d,J= 8.4 Hz,2H),2.52(s,3H).13C NMR(100 MHz,CDCl3):δ= 196.7, 139.4, 135.4, 129.6, 128.8, 26.4. MS(EI)m/z: 154, 139, 111, 74.

4-溴苯乙酮(2i):1H NMR(400 MHz,CDCl3):δ=7.80(d,J=8.4 Hz,2H),7.58(d,J=8.4 Hz,2H),2.56(s,3H).13C NMR(100 MHz,CDCl3):δ= 196.9, 135.8, 131.8, 129.8, 128.2, 26.5. MS(EI)m/z: 198, 183, 155, 104, 75.

4-三氟甲基苯乙酮(2j):1H NMR(400 MHz,CDCl3):δ=8.06(d,J=8.0 Hz,2H),7.73(d,J=8.0 Hz,2H),2.65(s,3H).13C NMR(100 MHz,CDCl3):δ= 196.9, 139.6, 134.2, 134.2, 128.6, 125.7, 125.7, 125.6, 125.6, 124.9, 26.7. MS(EI)m/z: 188, 173, 145, 125, 95, 75, 50.

2 結(jié)果與討論

2.1 反應(yīng)條件的篩選

我們以0.2 mmol苯乙炔作為反應(yīng)原料，加入20 mol % 的酸和1 mL溶劑，室溫下反應(yīng)為模型反應(yīng)，進(jìn)行了條件的優(yōu)化.我們首先以三氟乙醇為反應(yīng)溶劑，嘗試了不同的酸.如表1所示，醋酸和三氟醋酸作為催化劑不能得到對(duì)應(yīng)的產(chǎn)物，而四氟硼酸能有效催化該反應(yīng)的進(jìn)行，得到70%的收率.其次我們以四氟硼酸為反應(yīng)的催化劑，考察了不同的溶劑對(duì)該反應(yīng)的影響.發(fā)現(xiàn)反應(yīng)的溶劑對(duì)反應(yīng)的順利進(jìn)行非常的重要，除了以三氟乙醇為溶劑能得到對(duì)應(yīng)的產(chǎn)物，其它的溶劑，極性溶劑、非極性溶劑、質(zhì)子性溶劑和非質(zhì)子性溶劑都不能得到對(duì)應(yīng)的產(chǎn)物.唯一的例外是三氟乙醇的類似物HFIP作為溶劑能得到50%收率的產(chǎn)物.最后我們考察了反應(yīng)的溫度，將溫度提高到50度反應(yīng)，能得到近似定量收率的產(chǎn)物.因此，綜合以上因素，該反應(yīng)的最佳條件為：四氟硼酸為催化劑，三氟乙醇為溶劑，50 ℃反應(yīng)1 h.

表1 反應(yīng)條件的優(yōu)化

表2 酸催化炔烴水化成酮的底物拓展

圖3 四氟硼酸催化末端炔烴合成甲基酮的反應(yīng)機(jī)理

2.2 反應(yīng)底物拓展

在最優(yōu)化的反應(yīng)條件下，我們對(duì)反應(yīng)的底物進(jìn)行了拓展.如表2所示，選取了有代表性的炔烴進(jìn)行了測(cè)試.總體而言，苯環(huán)上連有給電子基團(tuán)和吸電子基團(tuán)的底物都能得到對(duì)應(yīng)的產(chǎn)物，但給電子基團(tuán)更有利于反應(yīng)的進(jìn)行，這可能是由于當(dāng)苯環(huán)上有給電子基團(tuán)時(shí)，更能穩(wěn)定中間體烯基碳正離子，有利于反應(yīng)的進(jìn)行.當(dāng)苯環(huán)對(duì)位有體積比較大的基團(tuán)如叔丁基時(shí)，收率沒有受到明顯的影響.當(dāng)乙炔基的鄰位有取代基時(shí)，由于空間位阻的影響，收率有一定的影響，但仍能得到較高的收率.對(duì)于苯環(huán)上連接有吸電子基時(shí)，收率有一定的降低，尤其是當(dāng)有強(qiáng)拉電子基團(tuán)，收率降低比較明顯.值得注意的是含有鹵素原子的底物能兼容該反應(yīng)體系，這些產(chǎn)物能夠在過渡金屬的催化下，方便的實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的轉(zhuǎn)化.在優(yōu)化條件下，我們也嘗試了內(nèi)炔烴，發(fā)現(xiàn)該底物沒有反應(yīng)，這樣有助于實(shí)現(xiàn)內(nèi)炔和末端炔烴的官能團(tuán)選擇性.此外，脂肪末端炔烴也不能發(fā)生反應(yīng)，這可能是由于芳香炔烴能形成穩(wěn)定的中間體，而脂肪炔烴相應(yīng)的中間體不如芳香炔烴穩(wěn)定.

2.3 可能的反應(yīng)機(jī)理

基于之前的報(bào)道和上述的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，提出了可能的反應(yīng)機(jī)理，如圖3所示.首先，在三氟乙醇溶劑中，末端炔烴與酸進(jìn)行親電加成得到烯基正離子中間體A， 該過程遵從Markovnikov規(guī)則.由于三氟甲基的強(qiáng)吸電子作用導(dǎo)致三氟乙醇不能與中間體A作用，烯基正離子與水作用得到烯醇中間體B, 最后烯醇互變成甲基酮產(chǎn)物2.值得注意的是，該體系的另外一個(gè)陰離子即四氟硼酸根，同樣不是一個(gè)好的親核試劑，難與烯基正離子作用，正是由于這些原因，該轉(zhuǎn)化反應(yīng)速度較快.

3 結(jié)論

本文介紹了一種以三氟乙醇為溶劑，酸催化炔烴水化成酮的方法.避免了以往反應(yīng)體系常用過渡金屬作為催化劑、酸為溶劑的合成體系.該反應(yīng)溫度適中，反應(yīng)速度較快.此外該反應(yīng)具有較好的官能團(tuán)兼容性，得到較高的分離收率.本催化體系將末端炔烴轉(zhuǎn)化成甲基酮的方法的實(shí)際應(yīng)用和機(jī)理探討還在繼續(xù)研究中.

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HBF4-Catalyzed Synthesis of Methyl Ketones through Hydration of Terminal Alkynes

YE Dongnai, FU Yejuan, WANG Qinghao, YE Min

(SchoolofChemistryandChemicalEngineering,GannanNormalUniversity,Ganzhou341000,China)

Converting alkynes into carbonyl compounds through hydration is a fundmental transformation in organic synthesis. An efficient HBF4-catalyzed hydration of terminal alkynes to synthesis of methyl ketones has been developed. Trifluoroethanol was used as solvent. We also optimized the reaction conditions, examined the scope of the substrates and proposed the possible mechanisms.

methyl ketone; terminal alkyne; hydration; catalyzed

2016-07-16

10.13698/j.cnki.cn36-1346/c.2016.06.014

國(guó)家自然科學(xué)基金(21202023);江西省教育廳科技項(xiàng)目(GJJ151005)

葉東鼐(1989-),男，江西安遠(yuǎn)人，贛南師范大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院助教，碩士，研究方向：藥物合成及有機(jī)合成方法學(xué).

? 通訊作者：葉敏(1982-),女，江西上饒人，贛南師范大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院講師，碩士，研究方向：藥物合成、光譜分析.

http://www.cnki.net/kcms/detail/36.1037.C.20161209.1515.030.html

O621

A

1004-8332(2016)06-0062-04