銅催化芳基鹵代烴與咪唑的偶聯(lián)反應

PAGE11目錄摘要: 1關鍵詞： 2引言 21實驗部分 41.1實驗原理 41.2實驗儀器及試劑 41.3實驗步驟 41.4產物及產率 52結果與分析 53討論 63.1本實驗的優(yōu)點 63.2實驗中的注意事項 6相關產物譜圖： 6參考文獻 10致謝 10銅催化芳基鹵代烴與咪唑的偶聯(lián)反應 田小李 化學化工學院應用化學專業(yè)2008級指導老師：秦大斌摘要:某些過度金屬可催化親電性不飽和碳與含活潑氫的氮、氧、硫、碳原子直接成鍵，這種交叉偶聯(lián)反應是現(xiàn)代有機合成中重要的手段之一，與鈀、鎳等過度金屬相比，銅是一種廉價且毒性低的金屬。近年來，亞銅催化的碳雜偶聯(lián)反應以其高效、低成本和易制備等優(yōu)點被廣泛研究并應用于工業(yè)生產、有機合成及生物活性分子的制備中。用銅來催化這些交叉偶聯(lián)反應不僅可以節(jié)省貴金屬的消耗，降低成本，而且可以減少對環(huán)境的污染，促進綠色化學的發(fā)展。偶聯(lián)反應，是由兩個有機化學單位進行某種化學反應而得到一個有機分子的過程.偶聯(lián)反應又可分為交叉偶聯(lián)和自身偶聯(lián)反應。進行偶聯(lián)反應時，介質的酸堿性是很重要的。在這里，我們研究了以亞銅為催化劑，在弱堿性條件下芳基鹵代烴與咪唑的偶聯(lián)反應，其產物為咪唑衍生物。咪唑衍生物種類繁多，如烷基咪唑、硝基咪唑、苯并咪唑、吡啶并咪唑，其在農業(yè)，醫(yī)藥等領域都有廣泛應用。關鍵詞：銅催化；偶聯(lián)反應；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引言有機含氮化合物(即分子中含有C—N鍵的有機化合物)是一類非常重要的化合物,它不僅廣泛存在于各類具有生理活性的天然產物、藥物中,也是諸多化工材料的重要組分,有些更是生命活動不可缺少的物質.因此在一些結構簡單的含氮化合物基礎上構建新的C—N鍵對這類化合物的合成顯得尤為重要,而對這一領域的研究也一直是有機化學的熱點之一.Ullmann[1]在1903年首次提出了銅鹽催化的芳香鹵代物與胺反應合成二芳基胺衍生物的方法。1906年，Goldberg[2]報道了銅鹽催化的芳香鹵代物與酞胺類化合物的C-N偶聯(lián)反應。但是這兩個反應通常都要求劇烈的反應條件，如較高的反應溫度（150到300OC）和較大量的催化劑用量等，反應需要使用高沸點溶劑，如N,N-二甲基甲酰胺(DMF)、硝基苯、N-甲基-2-吡咯烷酮（NMP）等，存在后處理困難，反應復雜、產率低、底物適用范圍窄等因素，限制了該反應的使用[3]。進過不斷的發(fā)展，人們發(fā)現(xiàn)Pd和Ni催化的交叉偶聯(lián)反應較傳統(tǒng)的Ullmann反應具有條件溫和、反應簡單等優(yōu)點,在Pd和Ni催化反應被發(fā)現(xiàn)之后,人們從二十世紀七十年代起逐漸放棄了對Ullmann反應的研究。然而,經過多年對Pd和Ni催化偶聯(lián)反應的研究,人們也逐漸認識到Pd和Ni催化劑的一些缺點,這主要包括:毒性較大,價格較高,以及對不穩(wěn)定而且劇毒的有機膦配體的依賴性等。為了尋找廉價而且低毒的催化劑,在最近的幾年里,人們又對Cu催化的Ullmann反應產生了濃厚的興趣。在1998年,馬大為等報道了鹵代芳烴與α2氨基酸之間進行偶聯(lián)得到N2芳基2α2氨基酸的反應。這一反應使用CuI作催化劑,溶劑為DMA,反應條件較為溫和。利用該反應,他們合成了重要的醫(yī)藥試劑Benzolactam2V8。近幾十年來，亞銅催化的偶聯(lián)反應逐漸成為熱門的話題，并且被廣泛地應用于工業(yè)生產、有機合成及生物活性分子的制備中［4—8］。相對于目前廣泛研究的鈀催化劑，亞銅催化劑的主要優(yōu)點在于銅的價格低廉，且不需要使用毒性較大的含磷配體，因此在較大規(guī)模的合成應用中更有優(yōu)勢。亞銅催化的碳-雜偶聯(lián)反應往往比鈀的催化更加有效，反應條件也更加溫和，具體表現(xiàn)為反應溫度較低、外加堿的堿性較弱。過渡金屬催化的C-N偶聯(lián)反應已經有上百年的發(fā)展歷史，并且在近幾十年來一直是一個非常熱門的課題。目前過渡金屬催化的C-N偶聯(lián)反應已經被廣泛地應用于工業(yè)生產和學術研究中［9，10］。這里，我們就以亞銅催化芳基鹵代烴與咪唑的偶聯(lián)反應為例來說明。咪唑是一種含有兩個氮原子的五元雜環(huán)化合物,它不僅是生物體內組氨酸的組分,也是核糖核酸(RNA)和脫氧核糖核酸(DNA)嚷吟的組分。咪唑分子本身具有良好的電子轉移性和易功能化的特點,含有咪唑環(huán)的許多化合物因其具有良好的生物活性而在醫(yī)藥和農藥領域發(fā)揮著重要的作用。咪唑易于生成衍生物,生成的途徑有氰乙化反應、烷基取代反應、季胺化反應、鹵代反應、經甲基化反應和鹽化作用等。常用的咪唑衍生物是烷基取代作用后的生成物。另外,還有氰乙化系列、氰乙化產物鹽系列、氮雜苯系列、三聚異氰酸系列、經甲基咪唑系列、咪唑琳系列等。近年來,咪唑類化合物成為了國內外含氮新型雜環(huán)化合物合成與應用的研究熱點。1實驗部分1.1實驗原理咪唑分子中N上的H具有酸性，在這個實驗中，用弱堿脫去咪唑上的酸性H,再用被脫去酸性H的咪唑去取代芳烴中的鹵素，得到咪唑衍生物。整個反應是一個親核取代反應。1.2實驗儀器及試劑電子天平（萬分之一）、反應釜、微量注射器、磁力攪拌子、磁力加熱攪拌器、旋轉蒸發(fā)儀、膠頭滴管、試管、防爆瓶。咪唑、碘化亞銅、配體TBAF(氯化四丁基銨)、K3PO43H2O、對甲氧基溴苯、2-溴吡啶、對氟碘苯、二氯甲烷、乙酸乙酯、石油醚、蒸餾水1.3實驗步驟如表1所示，在反應釜中加入上述各物質，再分別加入表2中各原料，120OC下反應24小時，點板待其反應結束，用乙酸乙酯萃取，合并有機相，用無水硫酸鎂干燥，過濾，用旋轉蒸發(fā)儀旋干，過柱子。過柱子時，先用二氯甲烷將其溶解，再均勻加入到硅膠柱子中，過柱子采用的溶劑為石油醚與乙酸乙酯的混合溶液，極性逐漸增加，其比例依次為7:1、4:1、3:1、2:1、3:2、1:1。最后根據(jù)點板產物分布情況，當石油醚:乙酸乙酯=3:1時收集產物，用旋轉蒸發(fā)儀旋干，得黃色油狀物。烘干，稱量，計算產率。（反應原料，反應條件及產物如表2）表1物質Mneqm(g)吡啶碘化亞銅L氯化四丁基銨三水磷酸鉀68.1191186.3261.52661.2mol0.1mol0.2mol2mmol1mmol1.20.10.20.220.08160.01910.03720.05230.5322表2編號原料堿溫度(oC)時間（h）催化劑產物123對氧甲基溴苯3-溴吡啶對氟碘苯K3PO43H2OK3PO43H2OK3PO43H2O120120120242424CuICuICuI對甲氧基咪唑苯2-咪唑吡啶對氟咪唑苯1.4產物及產率根據(jù)實驗原理及相關數(shù)據(jù)計算各產物的產量及產率列于表3.表3編號原料體積（ul）密度(g/ml)質量(g)產物產量(g)產率(%)123對氧甲基溴苯3-溴吡啶對氟碘苯128.194.7115.31.461.661.9250.1870.1570.222對甲氧基咪唑苯2-咪唑吡啶對氟咪唑苯0.1370.1070.17778.874.384.82結果與分析快速過柱（石油醚：乙酸乙酯=3:1）得黃色油狀物。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快速過柱（石油醚：乙酸乙酯=3:1）得黃色油狀物。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快速過柱（石油醚：乙酸乙酯=3:1）得黃色油狀物。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討論3.1本實驗的優(yōu)點在實驗過程中，采用蒸餾水作為反應溶劑，既環(huán)保，又節(jié)約。3.2實驗中的注意事項首先，整個反應在反應釜中進行，由于反應溫度較高（120OC油?。仨氁ＷC反應釜的氣密性，以免反應物揮發(fā)以及外界環(huán)境對反應造成影響；其次，反應溫度應嚴格控制在120OC，所以在反應中采用油浴并在恒溫下進行；再次，在過柱子時，溶劑的比例即溶劑的極性控制也至關重要，溶劑的極性應逐漸增加（石油醚與乙酸乙酯的比例依次為7:1、4:1、3:1、3:2、2:1、1:1），若剛開始時溶劑的極性過高，則無法收集到高純度的產物。相關產物譜圖：參考文獻[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]