周舟,姚駿,畢峰,彭亮,潘晨晨,柳利,李法寶

(有機(jī)化工新材料湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心(湖北大學(xué)),有機(jī)功能分子合成與應(yīng)用教育部重點實驗室(湖北大學(xué)),湖北 武漢 430062)

鈀催化交叉偶聯(lián)法合成7-乙炔基-2-芴基膦酸二乙酯

周舟,姚駿,畢峰,彭亮,潘晨晨,柳利,李法寶

(有機(jī)化工新材料湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心(湖北大學(xué)),有機(jī)功能分子合成與應(yīng)用教育部重點實驗室(湖北大學(xué)),湖北 武漢 430062)

以芴為原料,通過鹵代、Sonogashira偶聯(lián)、鈀催化交叉偶聯(lián)反應(yīng)等合成了目標(biāo)化合物7-乙炔基-2-芴基膦酸二乙酯.采用核磁共振譜(1H、13C、31P NMR)、傅里葉變換紅外光譜(FT-IR)、液質(zhì)聯(lián)用飛行時間質(zhì)譜(LC-MS TOF)等對目標(biāo)化合物進(jìn)行結(jié)構(gòu)表征,表征數(shù)據(jù)與化合物結(jié)構(gòu)相符.本文采用一步法直接合成膦酸酯,與傳統(tǒng)的兩步法相比,操作步驟更加簡化,反應(yīng)條件溫和,避免使用五氯化磷、二氧化硫等毒性原料,鈀催化交叉偶聯(lián)反應(yīng)產(chǎn)率高達(dá)91%.

芴;炔;亞膦酸二乙酯;鈀催化交叉偶聯(lián);合成

芳基膦酸酯是一類重要的具有生理活性的醫(yī)藥有機(jī)中間體[1],很多生物活性物質(zhì)含有磷酸酯結(jié)構(gòu)[2],工業(yè)上可用作阻燃劑、聚合物添加劑等.農(nóng)業(yè)方面的研究表明芳基膦酸酯具有較強(qiáng)的殺蟲活性[3].剛性、直線型結(jié)構(gòu)的末端炔基可以與過渡金屬鹵化物反應(yīng)合成金屬炔基配位物,可用于分子導(dǎo)線、發(fā)光材料、太陽能電池材料等[4-7].目前合成芳基膦酸酯的方法有: 1) 碘代芳烴與亞磷酸二烷基酯的Na或K鹽發(fā)生光引發(fā)反應(yīng)[8]; 2) 電化學(xué)氧化法合成芳基膦酸酯[9]; 3) 陰離子磷-Fries重排法[10]; 4) 芳基自由基與亞磷酸三烷基酯反應(yīng)[11]; 5) 過渡金屬催化碳-磷鍵的交叉偶聯(lián)反應(yīng).但這些方法均存在不少需要改進(jìn)的地方,如使用了價格昂貴、高污染的含膦配體,或者是使用了毒性較大的有機(jī)溶劑,以及產(chǎn)率較低等.本文以光學(xué)活性的芴為原料,通過鹵代、Sonogashira偶聯(lián)、鈀催化交叉偶聯(lián)反應(yīng)等合成了目標(biāo)化合物7-炔基-2-芴基膦酸二乙酯(圖1).采用核磁共振譜(1H、13C和31P NMR)、傅里葉變換紅外光譜(FT-IR)、液質(zhì)聯(lián)用飛行時間質(zhì)譜(LC-MS TOF)等對目標(biāo)化合物進(jìn)行結(jié)構(gòu)表征,確證其結(jié)構(gòu).

圖1 7-乙炔基-2-芴基膦酸二乙酯的合成路線

1 實驗部分

1.1儀器與試劑儀器:美國瓦里安AS600(600 MHz)高分辨率核磁共振儀,中國武漢物理與數(shù)學(xué)研究所WIPM 400(400 MHz)核磁共振儀,Agilent 1260-6224 LC-MS TOF飛行時間液質(zhì)聯(lián)用儀、BX FI-IR型傅里葉轉(zhuǎn)換紅外光譜儀(美國Perkin-Elmet公司生產(chǎn),KBr壓片)、恒溫加熱磁力攪拌器、AL-206型電子天平(上海,梅特勒-拖利多公司)、SHZ-Ⅲ型循環(huán)水式真空泵(上海榮生化學(xué)儀器廠)、DZF-602型真空干燥箱(上海精宏實驗設(shè)備有限公司)、旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀、磁力攪拌器、氮氣保護(hù)裝置.

試劑:所用試劑均為市售,試劑純度均為AR.

1.22-溴芴的合成將芴(10.0 g,60 mmol)加入150 mL碳酸丙烯酯中,60 ℃攪拌5 min,觀察到固體全部溶解后,快速加入NBS(10.7 g,60 mmol),然后停止加熱,室溫攪拌4 h后,倒入1 L去離子水,劇烈攪拌3 h,過濾并收集濾渣,干燥后得白色固體12.0 g.產(chǎn)率82%.1H NMR(400 MHz,CDCl3),δ=3.88(s,2H),7.74(s,1H),7.63(t,J=12.0 Hz,2H),7.51(d,J=4.0 Hz,2H),7.35(d,2H).

1.32-溴-7-碘芴的合成將2-溴芴(10.0 g,40.8 mmol),碘(2.6 g,10.3 mmol)和碘酸鈉(1.6 g,8.2 mmol)加入150 mL冰醋酸中,邊攪拌邊緩慢滴加4 mL去離子水和2 mL濃硫酸,加熱回流2 h后冷卻至室溫,過濾,收集濾渣,依次用30 mL冰醋酸、100 mL去離子水洗滌,真空干燥后得淡黃色固體13.1 g.產(chǎn)率87%.1H NMR(400 MHz,CDCl3),δ=3.85(s,2H),7.49(t,J=4.0 Hz,2H),7.60(d,J=4.0 Hz,1H),7.66(s,1H),7.70(d,J=2.0 Hz,1H),7.87(s,1H).

1.42-三甲基硅乙炔基-7-溴芴的合成氮氣保護(hù)下,將2-溴-7碘芴(10.0 g,27.0 mmol),二氯二(三苯基膦)鈀(0.3 g,1.1 mmol),三苯基膦(1.5 g,2.2 mmol),碘化亞銅(0.4 g,2.2 mmol)加入60 mL干燥三乙胺和100 mL二氯甲烷的混合溶液中,冰浴攪拌0.5 h,加入三甲基硅乙炔(3.8 mL,27.0 mmol),0.5 h后撤去冰浴,加熱至35 ℃,攪拌8 h.除去溶劑后重新溶于二氯甲烷中,過濾,濃縮得粗品,經(jīng)柱層析分離(石油醚),得白色固體7.6 g.產(chǎn)率83%.1H NMR(400 MHz,CDCl3),δ=0.26(s,9H),3.86(s,2H),7.50(d,J=4.0 Hz,2H),7.62(t,J=8.0 Hz,2H),7.67(t,J=4.0 Hz,2H).

1.57-三甲基硅乙炔基-2-芴基膦酸二乙酯的合成氮氣保護(hù)下,將2-三甲基硅乙炔基-7-溴芴(3.0 g,9.0 mmol),四(三苯基膦)鈀(0.5 g,0.45 mmol),三苯基膦(1.2 g,4.5 mmol)加入30 mL干燥三乙胺和100 mL甲苯的混合溶液中,5 min后加入亞膦酸二乙酯(1.32 mL,10.4 mmol),攪拌回流6 h,自然冷卻至室溫,過濾,濾液用水洗滌至中性,分液,有機(jī)層用無水硫酸鎂干燥后過濾,濾液濃縮后得粗品,經(jīng)柱層析分離(二氯甲烷∶乙酸乙酯=1∶1,V/V),得淡黃色液體3.0 g.產(chǎn)率84%.1H NMR(400 MHz,CDCl3),δ=0.28(s,9H).1.34(t,J=4.0 Hz,6H),3.91(s,2H),4.04～4.26(m,4H),7.45(d,J=6.0 Hz,1H),7.58(s,1H),7.74(d,J=4.0 Hz,1H),7.83(d,J=4.0 Hz,2H),7.99(d,J=8.0 Hz,1H).

1.67-乙炔基-2-芴基膦酸二乙酯的合成將7-三甲基硅乙炔基-2-芴基膦酸二乙酯(0.70 g,1.76 mmol),K2CO3(0.12 g,0.88 mmol)加入40 mL甲醇中,室溫攪拌2 h后過濾,收集濾液,減壓濃縮后柱層析分離(二氯甲烷∶乙酸乙酯=4∶1,V/V),得黃棕色油狀液體0.52 g.產(chǎn)率91%.IR(KBr,ν/cm-1):3 445,3 287,3 061,2 982,2 929,2 102,1 614,1 462,1 411,1 240,1 023,786.1H NMR(400 MHz,CDCl3),δ=1.35(t,J=6.0 Hz,6H),3.15(s,1H),3.94(s,2H),4.05～4.25(m,4H),7.55(d,J=8.0 Hz,1H),7.70(s,1H),7.77(d,J=8.0 Hz,1H),7.84(d,J=2.0 Hz,1H),7.86(s,1H),8.00(d,J=12.0 Hz,1H).13C NMR(150 MHz,CDCl3),δ=144.87,143.83,143.51,141.04,138.44,131.19,130.74,128.83,128.50,121.51,120.54,120.23,84.01,77.82,62.15(2C),36.65,16.41(2C).31P NMR(240 MHz,CDCl3),δ=15.80,18.54.EI(m/z):327.1(M+,1).

2 結(jié)果與討論

2.1 結(jié)構(gòu)表征

圖2 7-乙炔基-2-芴基膦酸二乙酯的IR圖

圖3 7-乙炔基-2-芴基膦酸二乙酯的1H NMR圖

圖4 7-乙炔基-2-芴基膦酸二乙酯的13C NMR圖

圖5 7-乙炔基-2-芴基膦酸二乙酯的31P NMR截圖

通過核磁共振譜(1H、13C、31P NMR)、傅里葉變換紅外光譜(FT-IR)、液質(zhì)聯(lián)用飛行時間質(zhì)譜(LC-MS TOF)等對7-乙炔基-2-芴基膦酸二乙酯的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征,圖譜分析結(jié)果表明,能夠確證該化合物的結(jié)構(gòu)與結(jié)構(gòu)式相符.

2.2目標(biāo)產(chǎn)物的合成方法分析本文中合成芳基膦酸酯的步驟采用鈀催化交叉偶聯(lián)反應(yīng)法,反應(yīng)條件為氮氣保護(hù)、常壓、反應(yīng)溫度為110 ℃,反應(yīng)時間6 h,整個反應(yīng)過程及后處理均未使用強(qiáng)酸和強(qiáng)堿,也避免使用強(qiáng)毒性溶劑,鈀催化劑用量少,大約為0.01當(dāng)量,該步反應(yīng)產(chǎn)率高達(dá)91%.由于鈀催化交叉偶聯(lián)反應(yīng)的反應(yīng)位點為鹵素取代位,因此所得產(chǎn)物選擇性高,副產(chǎn)物少,采用柱層析技術(shù)分離容易,經(jīng)柱層析純化的目標(biāo)化合物經(jīng)核磁圖、LC-MS-TOF檢測,結(jié)構(gòu)獲得確證.

目前文獻(xiàn)報道的芳基膦酸酯的合成方法,例如:光引發(fā)法[8]合成對光照要求嚴(yán)格,對儀器裝置要求較高;電化學(xué)法[9]合成的反應(yīng)選擇性不高,對含一個取代基的苯環(huán)的第二取代位選擇性只有33%～40%,其它二取代位副產(chǎn)物難以分離;陰離子重排法[10]合成只對特定的酚羥基芳環(huán)結(jié)構(gòu)有效,不具有普遍性;自由基法[11]合成則受到自由基猝滅的因素影響,難以確保產(chǎn)率穩(wěn)定;常用的氯化磷法[14]合成共分兩步,第一步先將芳基化合物與五氯化磷置于冰浴中并通入二氧化硫得到芳基膦酰氯,第二步將膦酰氯轉(zhuǎn)化成膦酸酯,而本文采用鈀催化交叉偶聯(lián)法,采用一步法將膦酸酯基團(tuán)與芳烴直接偶聯(lián),簡化了操作步驟,避免使用五氯化磷、二氧化硫等毒性原料,反應(yīng)條件溫和,鈀催化交叉偶聯(lián)反應(yīng)產(chǎn)率高達(dá)91%,是一個綠色、高效的合成方法.

本文中所用合成方法也存在一些不足,如鈀催化劑較為昂貴,如果需要大量合成時需要回收催化劑;鈀催化交叉偶聯(lián)反應(yīng)需要在無氧、氮氣保護(hù)下進(jìn)行,需防止催化劑被氧化后導(dǎo)致產(chǎn)率降低.

3 結(jié)論

本文中以光學(xué)活性的芴為原料,通過鹵代、Sonogashira偶聯(lián)、鈀催化交叉偶聯(lián)反應(yīng)等合成了未見報道的化合物7-乙炔基-2-芴基膦酸二乙酯.采用核磁共振譜(1H、13C NMR)、傅里葉變換紅外光譜(FT-IR)、液質(zhì)聯(lián)用飛行時間質(zhì)譜(LC-MS TOF)等對目標(biāo)化合物進(jìn)行了結(jié)構(gòu)表征,確證了結(jié)構(gòu).與傳統(tǒng)的合成法相比,本方法具有反應(yīng)原料低毒或無毒、反應(yīng)條件溫和、操作簡便、產(chǎn)率高,對環(huán)境友好等優(yōu)點.該化合物作為具有良好發(fā)光性能的剛性有機(jī)配體,可用于合成有機(jī)共軛金屬配合物,并具有良好的阻燃性及殺蟲活性.

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(責(zé)任編輯 胡小洋)

Synthesisofdiethyl7-ethynyl-2-fluorenylphosphonateviaPd-catalyzedcross-couplingmethod

ZHOU Zhou,YAO Jun,BI Feng,PENG Liang,PAN Chenchen,LIU Li,LI Fabao

(Hubei Collaborative Innovation Center for Advanced Organic Chemical Materials(Hubei University), Ministry of Education Key Laboratory for the Synthesis and Application of Organic Functional Molecules(Hubei University), Wuhan 430062, China)

This paper described the synthesis of the title compound diethyl 7-ethynyl-2-fluorenylphosphonate using fluorene as starting material by halogenation, Sonogashira coupling, palladium-catalyzed cross-coupling reactions. The structure of the title compound was characterized and confirmed by NMR (1H,13C and31P), FT-IR, LC-MS TOF spectra. Compared with traditional two steps method, this method has advantages of one-step synthesis of aryl phosphonate, simplification of operation process, avoiding using poisonous PCl5and SO2, moderate reaction condition, and the yield of Pd-catalyzed cross-coupling reaction as high as 91%.

fluorene; alkyne; diethylphosphonate; Pd-catalyzed cross-coupling; synthesis

2013-12-13

國家自然科學(xué)基金(21071049)和湖北省自然科學(xué)基金(2013CFA087)資助

周舟(1986-),男,碩士生;柳利,通信作者,教授,E-mail:liulihubei@gmail.com

1000-2375(2014)05-0439-04

TQ26

A

10.3969/j.issn.1000-2375.2014.05.010