鄧 浩, 劉 彤 , 廖萬鵬, 吳 鳳

(貴州大學(xué) 化學(xué)與化工學(xué)院，貴州 貴陽 550025)

硼酸類化合物是一類重要的有機(jī)合成中間體，具有穩(wěn)定性高、無毒無害、活性較好等特點(diǎn)，在生物學(xué)，藥物以及活性天然產(chǎn)物中應(yīng)用廣泛[1-4]。隨著有機(jī)電致發(fā)光(OLED)材料的興起，芴類硼酸因其獨(dú)特的電學(xué)和光學(xué)性質(zhì)，逐漸成為重要的OLED材料中間體[5-9]。目前，硼酸的經(jīng)典合成方法主要涉及格式試劑、鋰試劑與硼酸酯反應(yīng)。黃賀隆等[10]通過正丁基鋰和異丙醇頻哪醇硼酸酯反應(yīng)，得到了相應(yīng)硼酸酯，收率達(dá)75%。但此反應(yīng)的條件較苛刻，操作繁瑣，不利于工業(yè)化。因此，化學(xué)工作者更傾向于采用過渡金屬催化硼基化反應(yīng)生成硼酸酯，此方法具有反應(yīng)溫和，選擇性單一，良好的官能團(tuán)耐受性等優(yōu)點(diǎn)[11-13]。但過渡金屬催化劑價(jià)格比較昂貴。

Scheme 1

為降低成本，提高收率。本文以2-溴-9-芴酮為原料，經(jīng)4步反應(yīng)得到B-[9,9-雙(4-甲基苯基)-9H-芴-2-基]硼酸(Scheme 1)。其中反應(yīng)步驟3～4為關(guān)鍵步驟，采用響應(yīng)面分析法[14-17]對這兩步反應(yīng)的條件進(jìn)行了優(yōu)化，確定最佳的工藝條件。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

AV-400 MHz型核磁共振儀(DMSO-d6為溶劑，TMS為內(nèi)標(biāo))。

乙酸鉀，天津市光復(fù)精細(xì)化工研究所；1，4-二氧六環(huán)，嘉興市艾森化工有限公司；聯(lián)硼酸頻哪醇酯，蘇州沃爾森生物科技有限公司；[1,1′-雙(二苯基膦基)二茂鐵]二氯化鈀[PdCl2(dppf)]，北京格林凱默科技有限公司;其余所用試劑均為分析純。

1.2 合成

將化合物35 g(11.7 mmol)、聯(lián)硼酸頻那醇酯3.3 g(12.9 mmol)溶于1.4-二氧六環(huán)中，攪拌下加入乙酸鉀3.46 g(35.3 mmol)，氮?dú)獗Ｗo(hù)，加入PdCl2(dppf)0.26 g(0.35 mmol)，回流反應(yīng)至終點(diǎn)。冷卻至室溫，抽濾，濾餅用石油醚(3×50 mL)洗滌，濾液用石油醚萃取，合并濾液與洗液，蒸發(fā)溶劑得白色固體4;1H NMR(400 MHz, DMSO-d6)δ: 7.97(d,J=7.4 Hz，2H), 7.74(d,J=7.4 Hz，1H), 7.59(s，1H), 7.42(d,J=4.0 Hz， 2H), 7.36(d,J=7.2 Hz， 1H), 7.09(d,J=7.7 Hz， 4H), 6.98(d,J=7.7 Hz， 4H), 2.26(s， 6H), 1.30(s， 12H)。

2 結(jié)果與討論

2.1 單因素實(shí)驗(yàn)

以化合物4的收率為考察指標(biāo)，對步驟3～4的反應(yīng)時(shí)間(h)，反應(yīng)溫度(℃)和催化劑用量(eq.)進(jìn)行單因素實(shí)驗(yàn)考察。由圖可知(圖略)，初始階段反應(yīng)較快，隨之趨于平衡。表明反應(yīng)時(shí)間，反應(yīng)溫度是影響反應(yīng)速率以及收率的主要條件。化合物4收率呈現(xiàn)出先增加后降低的趨勢。這是因?yàn)樯傻幕衔?與化合物3發(fā)生了Suzuki反應(yīng)，使收率降低。

2.2 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)

依據(jù)單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果，以目標(biāo)化合物4收率為響應(yīng)值，以反應(yīng)時(shí)間(A)、反應(yīng)溫度(B)、催化劑用量(C)為自變量，采用響應(yīng)面法 Box-Behnken 中心組合設(shè)計(jì)原理，設(shè)計(jì)三因素三水平實(shí)驗(yàn)方案，共有17個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)水平與因素安排，如表1所示。響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果如表2所示。

表1 因素與水平Table 1 Factors and levels

表2 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果Table 2 Response surface experiment design and results

2.3 回歸模型分析

采用Design-Expert 8.0.6軟件對上述17個(gè)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)的響應(yīng)值進(jìn)行回歸分析，結(jié)合表3可知，回歸模型極顯著(P值<0.0001)，失擬項(xiàng)不顯著(P=0.0661>0.05)，說明模型受其他因素的影響較小，擬合效果好，預(yù)測結(jié)果可信度較高，可以用該模型描述收率與實(shí)驗(yàn)指標(biāo)的關(guān)系?；貧w模型的顯著性檢驗(yàn)結(jié)果標(biāo)明：A、 B、 C對響應(yīng)值影響程度由大到小分別為：C>B>A。

2.4 響應(yīng)面分析

根據(jù)化合物4收率受自變量A、 B、 C交互作用的影響(圖略)，發(fā)現(xiàn)催化劑量的曲線最陡峭，隨著數(shù)值的增加收率變化最明顯，反應(yīng)時(shí)間則相對平滑。表明收率受催化劑量影響最明顯，反應(yīng)時(shí)間影響較小。催化劑用量與反應(yīng)溫度的交互作用最強(qiáng)，形狀接近橢圓形，交互作用最弱的是反應(yīng)溫度與反應(yīng)時(shí)間，形狀接近圓形。以上分析與方差分析基本相符。

2.5 最佳工藝

通過模型優(yōu)化分析得到的最佳合成條件為反應(yīng)時(shí)間5.38 h，催化劑用量為0.4 eq.，反應(yīng)溫度為107.64 ℃，在此模型下預(yù)測的最佳收率為92.66%。調(diào)整最佳合成條件為反應(yīng)時(shí)間5.4 h，催化劑用量為0.4 eq.，反應(yīng)溫度為108 ℃，以更符合實(shí)際操作條件。在此實(shí)驗(yàn)條件下進(jìn)行了3次實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，收率分別為91.86%， 92.13%和92.48%，平均值為92.15%，與模型預(yù)測值相近，較文獻(xiàn)收率提高了17.15%。

表3 模型方差分析與顯著性檢驗(yàn)結(jié)果Table 3 Model variance analysis and significance test results

以2-溴-9-芴酮為原料，經(jīng)4步反應(yīng)合成了B-[9,9-雙(4-甲基苯基)-9H-芴-2-基]硼酸。采用響應(yīng)面法優(yōu)化了合成條件，收率92.15%，較文獻(xiàn)值提高17.15%。