鄧祖敏，張澤敏，楊建發(fā)，雷以柱，王 萍

(六盤水師范學(xué)院 化學(xué)與材料工程學(xué)院,貴州 六盤水 553004)

隨著人類對環(huán)境問題的日益關(guān)注，化學(xué)工業(yè)綠色化發(fā)展的理念和實踐深入人心[1]，且越來越受到政府和學(xué)術(shù)界的重視[2,3]。綠色化學(xué)的應(yīng)用不僅是現(xiàn)代可持續(xù)發(fā)展的必然趨勢，也是保護環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的重要手段。將綠色化學(xué)與有機合成融合是對現(xiàn)代化學(xué)和綠色工業(yè)的核心價值追求，同時也是對可持續(xù)發(fā)展和國家綠色化學(xué)工業(yè)發(fā)展重大戰(zhàn)略的進一步履行和貫徹實施[3]。

吲哚及其衍生物是自然界中廣泛存在的含氮雜環(huán)化合物，是很多天然化學(xué)產(chǎn)物的基本化學(xué)結(jié)構(gòu)單元，也是一種重要雜環(huán)骨架結(jié)構(gòu)，存在于許多天然生物堿中，同時廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥、農(nóng)藥、材料等高分子化學(xué)骨架中[4]。雙吲哚烷基有機化合物及其衍生物廣泛存在于陸地及海洋生物堿中[5]，是一種具有生物活性，對動植物某些激素分泌有一定的生理調(diào)節(jié)作用的吲哚衍生物。因此，它的有機合成應(yīng)用方法在有機合成領(lǐng)域中較為活躍。

作為一種安全無毒的新型非金屬有機催化劑，碘被廣泛應(yīng)用于多種類型的合成有機反應(yīng)中。碘催化的有機合成反應(yīng)具有反應(yīng)時間短、收率高、選擇性高等優(yōu)點[6]。其催化機理為親核試劑進攻羰基中帶正電性的碳，使得π鍵斷裂形成兩個新的σ鍵。同時，與其他非金屬催化劑相比，碘催化劑成本低、毒性小且反應(yīng)溫和。因此，碘作為催化劑非常符合綠色化學(xué)的要求[7]。

1 碘在有機合成中的應(yīng)用

縮醛(酮)是生產(chǎn)食品、化妝品、煙草的重要原料。姜洪波[8]在碘催化有機反應(yīng)研究中， 成功探究出一種具有高產(chǎn)率、反應(yīng)條件溫和、高催化活性的碘催化縮醛(酮)的反應(yīng)(圖1)。劉兵[9]用超聲波輻射代替?zhèn)鹘y(tǒng)的室溫攪拌方式，將吲哚類化合物和醌類化合物轉(zhuǎn)化為3-吲哚醌。反應(yīng)中，以無水乙醇為溶劑、碘為催化劑，在超聲波輻射下，3-吲哚醌的產(chǎn)率可達95%(圖2)。2008年，沈舒蘇等[10]實現(xiàn)了無溶劑條件下，碘催化芳亞胺與N-乙烯基吡咯烷酮的環(huán)加成反應(yīng)，合成四氫喹琳衍生物。此方法具有反應(yīng)條件溫和、高效、環(huán)境友好等優(yōu)點(圖3)。

圖1 碘催化縮醛(酮)反應(yīng)

圖2 碘催化2-甲基吲哚和萘醌的反應(yīng)

圖3 碘催化合成四氫喹琳衍生物

2018年，徐亮等人[11]在芳基烷基酮合成芳基甲酸的研究中，將苯乙酮氧化為苯甲酸，反應(yīng)在以碘為催化劑、氯苯作為反應(yīng)溶劑，溫度逐漸增加至 130 ℃，二甲基亞砜氧化劑的條件下進行，隨后再加入另一種氧化劑過氧化叔丁醇，反應(yīng)3 h，制得苯甲酸產(chǎn)率達到了86%(圖4)。在2-芳硫基苯酚類化合物合成中，陳婭[12]用物質(zhì)的量比為1∶1.2的環(huán)己酮與對甲基苯磺酰氯作有機反應(yīng)物、1,4-二氯六環(huán)作為有機溶劑、碘為催化劑，實現(xiàn)了在低溫空氣氛圍中此類化合物的合成，可得高達88%的產(chǎn)率(圖5)。

圖4 苯乙酮氧化為苯甲酸

圖5 碘催化環(huán)己酮與對甲基苯磺酰氯的反應(yīng)

2 碘在酮類化合物及吲哚類化合物反應(yīng)中的應(yīng)用

碘作為一種價廉、易得、溫和的催化劑，在有機合成中被廣泛應(yīng)用和關(guān)注。2003年，Bandgar等人[13]研究碘催化雙吲哚基烷烴化合物的合成時發(fā)現(xiàn)，以碘作為催化劑，無論底物是吲哚、吲哚酸還是芳香醛、脂肪醛或酮，都使碘能夠在短時間內(nèi)的反應(yīng)中得到非常好的產(chǎn)率(圖6)。2006年，張占輝等人[14]研究分子碘在有機化學(xué)中的重要性和應(yīng)用時，將碘作為催化劑，完成了吲哚與α, β-不飽和酮發(fā)生的Michael反應(yīng)，得到產(chǎn)率為96%的β-吲哚酮，并且在此條件下幾乎沒有任何N-烷基化產(chǎn)物生成(圖7)。以碘作為催化劑，在固相或乙腈溶液中進行，可將吲哚和酮或醛轉(zhuǎn)化為二吲哚基烷烴類化合物(圖8)。

圖6 碘催化合成雙吲哚烷基化合物

圖7 碘催化吲哚與α,β-不飽和酮的反應(yīng)

圖8 碘催化吲哚和酮的反應(yīng)

3 其他催化劑在二吲哚基甲烷類化合物合成中的應(yīng)用

2005年，王宏社等人[15]在關(guān)于制備二吲哚甲烷的報道中，以吲哚和醛(酮)為底物，用二(三氯甲基磺酰)亞胺銪作反應(yīng)催化劑，在室溫下成功實現(xiàn)了雙吲哚基烷烴化合物的制備，產(chǎn)率高達85%～98%。該方法具有催化劑用量少且可重復(fù)使用、反應(yīng)時間短、反應(yīng)條件溫和的優(yōu)點(圖9)。2007年，Zolfigol等[16]報道了在水中十二烷基硫酸鋯能夠有效的催化吲哚與酮(醛)的反應(yīng)。研究表明，吲哚與芳香醛(酮)在此條件下反應(yīng)15～55 min，二吲哚甲烷衍生物的產(chǎn)率為77%～94%。且直連脂肪酮(醛)與吲哚反應(yīng)時的活性要比芳香醛(酮)的低(圖10)。2009年，刑燁等人[17]報道，為了更好的合成一種雙吲哚基甲烷衍生物，以二氯甲烷作為溶劑，磷鎢酸作為催化劑，在室溫的條件下便能合成相應(yīng)的產(chǎn)物。此反應(yīng)具有反應(yīng)條件溫和、產(chǎn)率高的特點，由于存在位阻和共軛效應(yīng)，使得酮的反應(yīng)速率比較慢。

圖9 吲哚和酮的反應(yīng)

圖10 十二烷基硫酸鋯催化的反應(yīng)

2012年，宋柳等人[18]以手性磷酸為主要催化劑，應(yīng)用于3-羥基-3-吲哚基氧化吲哚與酮的不對稱烷基化反應(yīng)中。此反應(yīng)以環(huán)己酮和3-羥基-3-吲哚基氧化吲哚為底物、手性磷酸為催化劑、甲苯作為溶劑，在-15 ℃下進行反應(yīng)獲得產(chǎn)物，產(chǎn)率均在90%以上(圖11)。2015年，陶紅葉等人[19]在[3+2]環(huán)加成反應(yīng)研究中，將二硫縮酮與N-甲基吲哚作為底物、以乙醇為溶劑、三氟甲磺酸為催化劑、溫度為80 ℃下進行反應(yīng)，最終可以獲得85% 的產(chǎn)率(圖12)。

圖11 環(huán)己酮和3-羥基-3-吲哚基氧化吲哚的反應(yīng)

圖12 TfOH催化二硫縮酮和N-甲基吲哚的反應(yīng)

2019年，錢景等[20]在研究過渡金屬催化吲哚和色酮衍生物的反應(yīng)中，以3-二甲基氨基-1-(2-羥基苯基)丙-2-烯-1-酮和3-重氮吲哚-2-亞胺為反應(yīng)物、二氯乙烷為溶劑、三氟甲磺酸銅為催化劑，在 40 ℃ 下以84% 產(chǎn)率制備得到目標(biāo)產(chǎn)物，且生成的副產(chǎn)物較少(圖13)。同年，李勝笑等人[21]在研究聯(lián)烯酮和吲哚的串聯(lián)反應(yīng)中，開發(fā)了一種無需加入任何催化劑即可制備N-芳基吲哚衍生物的方法。將1-苯基-2, 3-丁二烯-1-酮和吲哚作為反應(yīng)底物、碳酸銫作為堿、二甲基亞砜為溶劑，在 150 ℃ 下反應(yīng)可直接得到71%的產(chǎn)率(圖14)。此外，趙陽等人[22]在有機催化3-甲吲哚和苯乙烯基吡啶烷酮的加成反應(yīng)中，制備得到吲哚取代吡咯酮雙功能骨架化合物。此方法以三氟甲基磺酸作催化劑，以85%的產(chǎn)率獲得目標(biāo)產(chǎn)物(圖15)。近期，李偉軍[23]在吲哚C-3的邁克爾反應(yīng)及二吲哚甲烷的合成研究中，成功探究出了一種有效的邁克爾加成反應(yīng)，以吲哚和1, 3-二苯基丙烯酮為底物，在一種含雙乙腈和氯化鈀的離子液體中，100 ℃ 下連續(xù)反應(yīng)2 h，得產(chǎn)率為94% 的產(chǎn)物(圖16)。

圖13 三氟甲磺酸銅催化的反應(yīng)

圖14 1-苯基-2,3-丁二烯-1-酮和吲哚的反應(yīng)

圖15 3-甲吲哚和苯乙烯基吡啶烷酮的反應(yīng)

圖16 PdCl2(CH3CN)2催化吲哚和 1,3-二苯基丙烯酮的反應(yīng)

4 結(jié)語

吲哚及其衍生物是很多天然化學(xué)產(chǎn)物的基本結(jié)構(gòu)單元，也是合成許多結(jié)構(gòu)復(fù)雜生物堿的中間體。吲哚及其衍生物的化合物在雌性生物體內(nèi)對雌激素的代謝具有強烈的作用，能夠很好地保持生物體的平衡。通過將碘和其他催化劑催化吲哚及其衍生物的效果進行對比，發(fā)現(xiàn)在產(chǎn)率相似的情況下，用碘作為催化劑具有反應(yīng)條件溫和、副產(chǎn)物較少且操作簡單等優(yōu)點。隨著“綠色化學(xué)”理念的深入，為實現(xiàn)綠色化學(xué)，碘作為一種廉價易得、安全無毒的催化劑，在有機合成中仍值得被廣泛研究和深度挖掘。