榮 春, 馮乙巳,2

(1.合肥工業(yè)大學(xué) 化學(xué)與化工學(xué)院,安徽 合肥 230009; 2.安徽省雜環(huán)實(shí)驗(yàn)室,安徽 合肥 230009)

芳基硼酸和酯是合成有機(jī)化學(xué)中的重要和常用合成原料,由于其對(duì)空氣和水分的穩(wěn)定性、低毒性和易于處理等優(yōu)點(diǎn),在化學(xué)、醫(yī)藥和材料科學(xué)等領(lǐng)域廣泛用于形成碳碳或碳雜原子鍵構(gòu)建有機(jī)分子[1]。

較早芳基硼酸酯的合成方法包括格氏試劑和有機(jī)鋰試劑與硼酸三烷基酯反應(yīng)制備[2-3]，但是這些反應(yīng)存在官能團(tuán)耐受性差,需要嚴(yán)格的無(wú)水條件等限制。近幾十年來(lái),過(guò)渡金屬催化芳香族鹵化物或擬鹵化物的硼化反應(yīng)得到廣泛研究[4-6],成為合成芳基硼酸酯的常用而有效的方法。該方法具有反應(yīng)底物來(lái)源廣泛和良好的官能團(tuán)相容性。但過(guò)渡金屬催化的芳烴硼酯化反應(yīng)通常需要昂貴的配體助催化,以及反應(yīng)液中剩有金屬殘?jiān)y以去除等缺點(diǎn),使其在工業(yè)實(shí)際應(yīng)用中受到限制。近些年來(lái),使用無(wú)過(guò)渡金屬催化的鹵代苯光催化芳基硼酸酯合成引起了人們的廣泛關(guān)注[7-13]。文獻(xiàn)[14]在紫外輻射條件下,利用連續(xù)流反應(yīng)器,研究芳基碘化物和溴化物在低溫水溶液中,能夠快速且有化學(xué)選擇性的合成芳基硼酸酯。文獻(xiàn)[15]報(bào)道具有實(shí)用價(jià)值的芳基鹵代物的光催化硼化反應(yīng),以fac-Ir(ppy)3為光催化劑,以CH3CN/H2O作為混合溶劑,在添加劑n-Bu3N的促進(jìn)下,以良好的收率獲得了芳基硼酸酯，反應(yīng)的產(chǎn)率在48%～89%之間。然而該類貴金屬光催化劑價(jià)格昂貴且毒性大。

光催化有機(jī)反應(yīng)被認(rèn)為是最環(huán)保途徑之一,是“綠色”化學(xué)合成的條件[16]。雖然已有一些有效的光催化芳基硼酸酯合成方法[17-18],但大多數(shù)需要貴金屬光催化劑和在紫外光條件下實(shí)現(xiàn)反應(yīng)轉(zhuǎn)換,限制了該類方法工業(yè)生產(chǎn)的實(shí)用性。本文研究以廉價(jià)和易得的曙紅為催化劑,在可見(jiàn)光輻射下催化鹵代芳烴與頻哪醇硼酸酯反應(yīng),實(shí)現(xiàn)C-B鍵偶聯(lián)反應(yīng),并表現(xiàn)出較好的實(shí)際應(yīng)用前景。研究涉及的反應(yīng)如下:

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

安捷倫VNMRS 600M型超導(dǎo)核磁共振波譜儀(nuclear magnetic resonance,NMR)(CDCl3為溶劑,TMS 為內(nèi)標(biāo)); Waters LCT Premier XE 型高分辨質(zhì)譜儀(high resolution mass spectrometer,HR-MS); Trace 1300 型氣相色譜儀;HSGF254高效薄層層析硅膠板(煙臺(tái)匯友開(kāi)發(fā)有限公司);HSGF254型薄層板硅膠(300 ～ 400目)(青島海洋化工分廠)。所用試劑均為商品分析純或化學(xué)純。

1.2 鹵代芳烴化合物的硼化反應(yīng)

向帶有螺紋蓋的干燥的20 mL反應(yīng)管中放入磁子后,依次加入聯(lián)硼酸頻哪醇酯(0.4 mmol,101.6 mg)、溴苯(0.2 mmol,31.4 mg)和2 mL無(wú)水叔丁基甲基醚;密封反應(yīng)管并將其放置于2個(gè)36 W藍(lán)色LED燈(距離2個(gè)燈位置5 cm)中間位置,在室溫下攪拌反應(yīng)48 h。反應(yīng)完成后,加入3 mL乙酸乙酯淬滅反應(yīng)溶液,抽濾、濾液濃縮后得到粗產(chǎn)物。使用200～300目硅膠柱色譜分離目標(biāo)產(chǎn)物,并在45 ℃的真空干燥箱中過(guò)夜。稱量產(chǎn)物質(zhì)量并計(jì)算反應(yīng)產(chǎn)物收率,與內(nèi)標(biāo)法檢測(cè)產(chǎn)品收率比較。然后將獲得的純產(chǎn)品用無(wú)水CDCl3溶解,并通過(guò)核磁共振波譜儀檢測(cè)來(lái)確定產(chǎn)物分子結(jié)構(gòu)。

1.3 產(chǎn)物核磁共振譜

4,4,5,5-四甲基-2-苯基-1,3,2-二氧雜硼雜環(huán)戊烷(3a):淡黃色液體,收率50%;1H NMR (600 MHz, CDCl3)δ7.85 (d,J=7.0 Hz, 2H), 7.47 (d,J=7.4 Hz, 1H), 7.39 (t,J=7.4 Hz, 2H), 1.37 (s, 12H)；13C NMR (151 MHz, CDCl3)δ134.76 (s), 131.27 (s), 127.72 (s), 83.75 (s), 77.29 (s), 77.08 (s),76.87 (s),24.89(s)；11B NMR(CDCl3,102.7 MHz)29.9；EI-MS M+m/z204.1。

4,4,5,5-四甲基-2-鄰甲苯基-1,3,2-二氧雜硼雜環(huán)戊烷(3b):淡黃色液體,收率52%;1H NMR(600 MHz, CDCl3)δ7.70 (d,J=7.8 Hz, 2H), 7.18 (d,J=7.7 Hz, 2H), 2.36 (s, 3H), 1.33 (s, 12H)；13C NMR (151 MHz, CDCl3)δ141.37 (s), 134.77 (s), 128.49 (s), 83.59 (s), 77.21 (s), 77.00 (s), 76.79 (s), 24.83 (s), 21.71 (s)；11B NMR (CDCl3, 102.7 MHz) 30.2；EI-MS M+m/z218.1。

2-(4-甲氧基苯基)-4,4,5,5-四甲基-1,3,2-二氧雜硼雜環(huán)戊烷(3c):淡黃色液體,收率45%;1HNMR (600 MHz, CDCl3)δ7.75 (d,J=8.6 Hz, 2H), 6.89 (d,J=8.7 Hz, 2H), 3.81 (s, 3H), 1.32 (s, 12H)；13C NMR (151 MHz, CDCl3)δ162.11 (s), 136.48 (s), 113.27 (s), 83.52 (s), 77.22 (s), 77.01 (s), 76.80 (s), 55.06 (s), 24.84 (s)；11B NMR (CDCl3, 102.7 MHz) 30.8； EI-MS M+m/z234.1。

2-(4-氯苯基)-4,4,5,5-四甲基-1,3,2-二氧雜硼雜環(huán)戊烷(3d):無(wú)色液體,收率55%;1H NMR (600 MHz, CDCl3)δ7.72 (d,J=8.2 Hz, 2H), 7.33 (d,J=8.3 Hz, 2H), 1.32 (s, 12H);13C NMR (151 MHz, CDCl3)δ137.49 (s), 136.09 (s), 127.97 (s), 83.98 (s), 77.21 (s), 76.99 (s), 76.78 (s), 24.83 (s);11B NMR (CDCl3, 102.7 MHz) 29.5; EI-MS M+m/z238.1。

4-(4,4,5,5-四甲基-1,3,2-二氧雜硼雜環(huán)戊烷-2-基)苯甲腈(3e):白色固體,收率44%;1H NMR (600 MHz, CDCl3)δ7.86 (d,J=8.1 Hz, 2H), 7.62 (d,J=8.1 Hz, 2H), 1.33 (s, 12H);13C NMR (151 MHz, CDCl3)δ135.06 (s), 131.09 (s), 118.83 (s), 114.49 (s), 84.46 (s), 77.22 (s), 77.01 (s), 76.80 (s), 24.83 (s);11B NMR (CDCl3, 102.7 MHz) 30.4; EI-MS M+m/z229.1。

2-(3-甲氧基苯基)-4,4,5,5-四甲基-1,3,2-二氧雜硼雜環(huán)戊烷(3f):無(wú)色液體,收率52%;1H NMR (600 MHz,CDCl3)δ7.40(t,J=8.4 Hz, 1H), 7.32 (d,J=2.5 Hz, 1H), 7.29 (dd,J=9.7, 5.7 Hz, 1H), 7.00 (ddd,J=10.9, 5.8, 0.7 Hz, 1H), 3.82 (s, 3H), 1.34 (s, 12H);13C NMR (151 MHz, CDCl3)δ159.00 (s), 128.91 (s), 127.15 (s), 118.64 (s), 117.89 (s), 83.80 (s), 77.22 (s), 77.01 (s), 76.80 (s), 55.22 (s), 24.95～24.75 (m);11B NMR (CDCl3,102.7 MHz)30.8;EI-MS M+m/z234.5。

2-(3-氯苯基)-4,4,5,5-四甲基-1,3,2-二氧雜硼雜環(huán)戊烷(3g):無(wú)色液體,收率60%;1H NMR (600 MHz, CDCl3)δ7.77 (d,J=1.3 Hz,1H),7.66 (d,J=7.3 Hz,1H),7.41(ddd,J=7.9,2.1,1.1 Hz,1H),7.29(t,J=7.7 Hz, 1H), 1.33 (s, 12H);13C NMR (151 MHz, CDCl3)δ134.53 (s), 134.00 (s), 132.62 (s), 131.23 (s), 129.16 (s), 84.10 (s), 77.22 (s), 77.01 (s), 76.80 (s), 24.93～24.74 (m);11B NMR (CDCl3,102.7 MHz)30.3;EI-MS M+m/z238.5。

4,4,5,5-四甲基-2-間甲苯基-1,3,2-二氧雜硼雜環(huán)戊烷(3h):淡黃色液體,收率59%;1H NMR (600 MHz, CDCl3)δ7.63 (s, 1H), 7.62～7.58 (m, 1H), 7.28～7.25 (m, 2H), 2.35 (s, 3H), 1.34 (s, 12H);13C NMR (151 MHz, CDCl3)δ137.11 (s), 135.30 (s), 132.01 (s), 131.74 (s), 127.67 (s), 83.69 (s), 77.21 (s), 77.00 (s), 76.79 (s), 24.84 (s), 21.25 (s);11B NMR (CDCl3, 102.7 MHz) 30.2;EI-MS M+m/z218.1。

4,4,5,5-四甲基-2-對(duì)甲苯基-1,3,2-二氧雜硼雜環(huán)戊烷(3i):淡黃色液體,收率45%;1H NMR (600 MHz, CDCl3)δ6.52 (d,J=6.9 Hz, 1H), 6.22～6.11 (m, 1H), 6.02 (dd,J=12.6, 7.2 Hz, 2H), 1.35 (s, 3H), 0.18 (s,12H);13C NMR (151 MHz, CDCl3)δ149.78 (s), 140.81 (s), 136.08 (s), 135.00 (s), 130.02 (s), 122.55 (s), 88.76 (s), 29.55 (d,J=0.9 Hz), 26.72 (s), 6.07 (s), 5.93 (s), 5.79 (s), 5.65 (s), 5.51 (s), 5.38 (s);11B NMR (CDCl3, 102.7 MHz) 29.9;EI-MS M+m/z218.1。

2-(2-氯苯基)-4,4,5,5-四甲基-1,3,2-二氧硼戊環(huán)(3j):無(wú)色液體,收率52%;1H NMR (600 MHz,CDCl3)δ7.67 (dd,J=7.3, 1.0 Hz, 1H), 7.35～7.29 (m, 2H), 7.26～7.18 (m, 1H); 1.36 (s, 12H).13C NMR (151 MHz, CDCl3)δ139.52 (s), 136.39 (s), 131.81 (s), 129.35 (s), 125.78 (s), 84.12 (s), 77.25 (s), 77.04 (s), 76.82 (s), 24.77 (d,J=2.7 Hz);11B NMR(CDCl3,102.7 MHz) 30.5;EI-MS M+m/z238.5。

2-(3,5-二甲基苯基)-4,4,5,5-四甲基-1,3,2-二氧雜硼雜環(huán)戊烷(3k):無(wú)色液體,收率42%;1H NMR (600 MHz,CDCl3)δ7.46(s,2H),7.11(s, 1H), 2.33 (s, 6H), 1.35 (s, 12H);13C NMR (151 MHz, CDCl3)δ137.13 (s), 132.97 (s), 132.39 (s), 83.65 (s), 77.25 (s), 77.04 (s), 76.83 (s), 24.96～24.78 (m), 21.13 (s);11B NMR (CDCl3,102.7 MHz)30.8;EI-MS M+m/z248.5。

2-均三甲苯基-4,4,5,5-四甲基-1,3,2-二氧雜硼雜環(huán)戊烷(3l):無(wú)色液體,收率37%;1H NMR (600 MHz, CDCl3)δ6.77 (s, 2H); 2.36 (s, 6H), 2.23 (s, 3H), 1.37 (s, 12H);13C NMR (151 MHz, CDCl3)δ142.08 (s), 138.88 (s), 127.41 (s), 83.43 (s), 77.22 (s), 77.01 (s), 76.79 (s), 24.93 (s), 22.17 (s), 21.22 (s);11B NMR (CDCl3, 102.7 MHz) 32.3; EI-MS M+m/z262.5。

2-(聯(lián)苯-4-基)-4,4,5,5-四甲基-1,3,2-二氧雜硼雜環(huán)戊烷(3m): 無(wú)色液體,收率37%;1H NMR (600 MHz, CDCl3)δ7.88 (d,J=8.0 Hz, 2H), 7.63～7.58 (m, 4H), 7.44 (t,J=7.7 Hz, 2H), 7.35 (t,J=7.4 Hz, 1H),1.36 (s,12H);13C NMR (151 MHz,CDCl3)δ143.85(s),140.98(s),135.22 (s), 128.74 (s),127.53(s),127.21(s),126.44(s),83.80(s),77.21 (s),77.00 (s),76.79 (s),24.87 (s).11B NMR (CDCl3, 102.7 MHz) 31.2; EI-MS M+m/z280.1。

2 結(jié)果與討論

2.1 模型反應(yīng)優(yōu)化

以溴苯(1a)為鹵代芳烴底物,與雙頻哪醇二硼(B2pin2)(2a)的C-B偶聯(lián)反應(yīng)為模型反應(yīng),研究催化劑、光源、反應(yīng)溶劑和反應(yīng)時(shí)間等因素對(duì)模型反應(yīng)的影響,反應(yīng)結(jié)果見(jiàn)表1所列。

本文首先研究篩選了常見(jiàn)的有機(jī)染料光催化劑Eosin Y、 Eosin B、羅丹明B和熒光素等對(duì)模型反應(yīng)的影響(序號(hào)1～4)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)該類有機(jī)光催化劑都能夠有效催化鹵代芳烴與頻那醇硼酸酯的偶聯(lián)反應(yīng),產(chǎn)物收率分別為31%、19%、24%和26%,因此選擇Eosin Y作為反應(yīng)催化劑進(jìn)行深入研究。

不同波長(zhǎng)的光源(序號(hào)5～8)對(duì)模型反應(yīng)研究發(fā)現(xiàn),在無(wú)光照射的黑暗條件下和綠光照射下,幾乎沒(méi)有檢測(cè)到產(chǎn)物;相同條件下在白光照射反應(yīng)產(chǎn)率為8%;在藍(lán)光下,反應(yīng)的收率達(dá)到了31%。由此可見(jiàn)照射光源的能量越高,對(duì)反應(yīng)越有利,反應(yīng)產(chǎn)率越高。但紫外光條件下反應(yīng)產(chǎn)率卻下降為20%,可能由于高能量紫外光破壞反應(yīng)中間體而導(dǎo)致產(chǎn)物收率降低。因此藍(lán)光為模型反應(yīng)的最優(yōu)光源。

表1 模型反應(yīng)條件優(yōu)化

研究催化劑的用量(序號(hào)9～10)對(duì)反應(yīng)收率影響,發(fā)現(xiàn)Eosin Y用量從10%增加到30%,對(duì)反應(yīng)收率影響較小,因此后續(xù)試驗(yàn)選用較低催化劑用量。篩選不同溶劑(序號(hào)11～14)對(duì)硼化反應(yīng)影響發(fā)現(xiàn),溶劑對(duì)產(chǎn)物收率有較大影響。乙腈溶劑未檢測(cè)到反應(yīng)產(chǎn)物,而苯、1,4-dioxane和正己烷等溶劑中得到較低收率的反應(yīng)產(chǎn)物。應(yīng)用甲基叔丁基醚作為溶劑反應(yīng)收率最高,可達(dá)31%，而改換成其他醚類試劑時(shí),收率均沒(méi)有提高(表1未列出)。

最后進(jìn)行反應(yīng)時(shí)間(序號(hào)15～18)對(duì)模型反應(yīng)影響研究。隨著反應(yīng)時(shí)間從15 h延長(zhǎng)到48 h,反應(yīng)的產(chǎn)率由25%升高到52%。但反應(yīng)時(shí)間從36 h延長(zhǎng)到48 h時(shí),產(chǎn)物產(chǎn)率只提高了2%,產(chǎn)物收率提高有限,因此以36 h為后續(xù)反應(yīng)優(yōu)選時(shí)間。

通過(guò)模型優(yōu)化條件研究,確定反應(yīng)的最優(yōu)條件為:10% EosinY為催化劑,36 W 藍(lán)光作為激發(fā)光源,4 eq B2pin2為硼源,叔丁基甲基醚為溶劑,在室溫下反應(yīng)36 h。

2.2 底物適應(yīng)性研究

在模型反應(yīng)優(yōu)化條件基礎(chǔ)上,進(jìn)一步對(duì)該反應(yīng)產(chǎn)物適應(yīng)性進(jìn)行研究,結(jié)果如圖1所示。反應(yīng)結(jié)果顯示,在優(yōu)化條件下拓展的反應(yīng)產(chǎn)物都具有較好的收率。當(dāng)鹵代芳烴苯環(huán)無(wú)論烷烴、有鹵和各種含氧官能團(tuán)時(shí),反應(yīng)都能順利進(jìn)行,并具有中等以上產(chǎn)物收率。當(dāng)溴代芳烴對(duì)位具有常見(jiàn)吸電子基團(tuán)時(shí),產(chǎn)物收率中等及偏上(如圖1d～圖1e)。如對(duì)位有吸電子基—Cl時(shí),收率可達(dá)到55%(圖1d);對(duì)位取代基為氰基(—CN)收率則達(dá)到44%(圖1f)。而溴代芳烴底物對(duì)位有供電子基團(tuán)如甲基(—CH3)和甲氧基(—OMe)等時(shí),產(chǎn)物收率都低于取代基在間位的收率,收率最高也只有52%(如圖1b、圖1c)。對(duì)鹵代芳烴具有鄰位有取代基時(shí),電子效應(yīng)對(duì)產(chǎn)物收率影響較小,與未取代溴苯接近(如圖1i、圖1j)。

圖1 產(chǎn)物及其收率

而當(dāng)間位是給電子取代基,產(chǎn)物收率有提高,如間甲氧基溴苯收率只有52%(圖1f)。與已經(jīng)報(bào)道的金屬催化的芳基鹵代物的硼化反應(yīng)比較,該反應(yīng)體系對(duì)多取代芳烴也可順利進(jìn)行反應(yīng),雖然由于多取代空間位阻和電子云效應(yīng)反應(yīng)產(chǎn)物收率有所降低,但也表現(xiàn)出較好的反應(yīng)性能(圖1k、圖1l)。如鄰氯溴苯(圖1k)延長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間至60 h產(chǎn)物收率也能夠達(dá)到42%。另外,反應(yīng)體系對(duì)萘環(huán)以及強(qiáng)吸電子基團(tuán)并不兼容(圖1n、圖1q)。此外,體系中加入芐基溴和對(duì)二溴苯也并沒(méi)檢測(cè)到產(chǎn)物,體系的兼容性局限在苯環(huán)以及常見(jiàn)的供電子基團(tuán),這是反應(yīng)的局限性,在后續(xù)研究中將會(huì)進(jìn)一步拓展其產(chǎn)物范圍。

2.3 反應(yīng)機(jī)理研究

結(jié)合文獻(xiàn)調(diào)研,當(dāng)向該反應(yīng)體系中額外加入1,1-二苯乙烯時(shí),產(chǎn)物3a～3m的收率均有不同程度下降?？梢?jiàn)自由基捕捉劑抑制反應(yīng)的進(jìn)行。加入其他自由基捕捉劑TEMPO(2,2,6,6-四甲基哌啶氮氧化物)、BHT(2,6-二叔丁基-4-甲酚),目標(biāo)產(chǎn)物3a～3m同樣檢測(cè)到被抑制生成。據(jù)此本文推測(cè)反應(yīng)可能為自由基加成反應(yīng)。

3 結(jié) 論

本文以有機(jī)染料Eosin Y為催化劑,溴代芳烴與頻那醇硼酸酯在光照條件下直接偶聯(lián)合成芳烴硼酸酯反應(yīng)。確定的優(yōu)化條件為:在10% Eosin Y為催化劑,36 W 藍(lán)光作為激發(fā)光源,4倍當(dāng)量的B2pin2為硼源,叔丁基甲基醚為溶劑,在室溫下反應(yīng)36 h。在最優(yōu)條件下該反應(yīng)對(duì)不同溴代芳烴產(chǎn)物都表現(xiàn)出良好的反應(yīng)適應(yīng)性,且條件溫和,操作簡(jiǎn)單,避免使用昂貴貴金屬光催化劑,特別是對(duì)鄰位取代鹵代芳烴底物表現(xiàn)出特殊的兼容性,是一種高效和廉價(jià)芳香硼酸酯的合成新方法。后續(xù)可通過(guò)研究反應(yīng)機(jī)理,進(jìn)一步了解反應(yīng)實(shí)質(zhì),并開(kāi)展放大實(shí)驗(yàn)和實(shí)際有機(jī)中間體合成應(yīng)用研究,為工業(yè)生產(chǎn)芳香硼酸酯提供新的選擇途徑。