（物理化学专业论文）gai2催化体系的建立及其应用于有机反应的研究.pdf

学位论文独创性声明 本人郑重声明： 1 、坚持以“求实、创新”的科学精神从事研究工作。 2 、本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究 成果。 3 、本论文中除引文外，所有实验、数据和有关材料均是真实的。 4 、本论文中除引文和致谢的内容外，不包含其他人或其它机构 已经发表或撰写过的研究成果。 5 、其他同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了声明并表示 了谢意。 作者签名：1 c i 目磊新 日 期：丛i ! 1 2 学位论文使用授权声明 本人完全了解南京师范大学有关保留、使用学位论文的规定， 学校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的 电子版和纸质版；有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允 许论文进入学校图书馆被查阅：有权将学位论文的内容编入有关数 据库进行检索；有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密的学 位论文在解密后适用本规定。 储签名：诩急析 日期： 壶畔 摘要 考察了硼族元素卤化物作为路易斯酸对有机反应的催化性能。为了弥补传统 的路易斯酸易吸水而潮解或水解从而导致活性降低的缺陷，我们在有机溶剂中由 金属镓与单质碘反应得到三碘化镓，并以其现场催化有机反应，由此建立了一个 全新的路易斯酸催化体系。将其应用于a - 氨基膦酸酯的合成，p c c h m a n n 反应， 醇( 酚) 的四氢毗喃化反应，羰基的保护，苯并咪唑衍生物的合成等，对反应条 件( 如温度、溶剂、反应时间、催化剂用量、原料比等) 进行了优化，以较高的 产率得到了预期产物，并对各类反应的催化机理进行了系统的探讨。结果表明， 该催化体系具有很高的催化活性，可望获得更广泛的应用。以合成的部分产品作 为配体与金属铱合成了几种新型配合物，这些配合物均具有典型的磷光发光特 性。并对其电化学特性以及发光性能进行了研究。 关键词：路易斯酸三碘化镓旷氨基膦酸酯p c c h m a u n 反应四氢吡喃化反应羰 基保护苯并咪唑衍生物铱配合物磷光发光性能电化学性能 第1 页共8 5 页 疆塞娅蕉太堂型堂亟堂焦监塞 垒型1 2 催丝往丕的硅塞厘甚虞囝王直扭厦廛鳆班宜 a b s t i l a c r i nt h i st h e s i s ，t h ec a t a l y t i cp r o p e r t i e so fh a l o i dc o m p o u n d so fb o r o ng r o u p e l e m e n t si no r g a n i cs y n t h e s i sh a v eb e e ns t u d i e d g a l l i u mt r i i o d i d ep r e p a r e de a s i l y n s t ub yt h er e a c t i o no fm e t a l l i cg a l l i u mw i t hi o d i n ei no r g a n i cm e d i aw a su s e da sa c a t a l y s tf o rt h ef i r s tt i m ea n dan o v e lc a t a l y t i cs y s t e mu s i n gt h i sl e w i sa c i dw a s e s t a b l i s h e d t h ed i s a d v a n t a g e so ft r a d i t i o n a ll e w i sa c i d ss u c ha sh y g r o s c o p i ca n d s e n s i t i v et oa i rw e r ea v o i d e di no u rc a t a l y t i cs y s t e m t h er e a c t i o n ss u c ha st h e s y n t h e s i so fo r - a m i n op h o s p h o n a t e s ，p e e h m a u nr e a c t i o n , t e t r a h y d r o p y r a n y l a t i o no f a l c o h o l sa n dp h e n o l s ，t h ep r o t e c t i o no fc a r b o n y lc o m p o u n d s ，t h es y n t h e s i so f b e n z i m i d a z o l e sd e r i v a t i v e se ta c a t a l y z e db yt h i sc a t a l y s tw e r es t u d i e d , a n dt h e r e a c t i o nc o n d i t i o n ss u c ha st e m p e r a t u r e ，s o l v e n t , r e a c t i o nt i m e ，t h ea m o u n to f c a t a l y s t a n dt h er e a c t a n tr a t i o sw e r eo p t i m i z e da n dt h et a r g e tp r o d u e t sw e r eg a i n e di ng o o dt o e x c e l l e n ty i e l d s t h er e a c t i o nm e c h a n i s m sw e r ed i s c u s s e ds y g e m a t i c a l l y t h er e s u l t s s h o w e dt h a tt h ec a t a l y t i cs y s t e mh a sah i 曲a c t i v i t yt om a n y o r g a n i cr e a c t i o n sa n di ti s e a g e rt ob eu s e dw i d e l y s o m ep r o d u c t sw e r eu s e da sl i g a n d sf o rt h es y n t h e s i so f i r i d i u mc o m p l e x e sa n dt h ed e c t r o c h e m i c a la n dp h o s p h o r e s c e n tp r o p e r t i e so ft h e c o m p l e x e sw e r er e s e a r c h e d k e yw o r d s ：l e w i sa c i d ，g a l l i u mt r i i o d i d e ，o r - a m i n op h o s p h o n a t e s ，p e c h m a n n r e a c t i o n , t e t r a h y d r o p y r a n y l a t i o n , t h ep r o t e c t i o n o f c a r b o n y lc o m p o u n d s ， b e n z i m i d a z o l e s d e r i v a t i v e s ，i r i d i u mc o m p l e x e s ，p h o s p h o r e s c e n tp r o p e r t i e s ， e l e c t r o c h e m i c a lp r o p e r t i e s 第2 页共8 5 页 直塞衄整鑫堂理堂殛堂焦监塞 丝z ! z 催氆佳基地建童厘基廑用王直扭厘瘗数班宜 前言 1 9 2 3 年，布朗斯特( b r o n s t e d ) 和劳莱( l o w e r y ) 【i 】提出了酸碱质子理论。 酸碱质子理论认为，在反应过程中能给出质子( 王 十) 的离子或分子都是酸：凡 是能接受质子的离子或分子都是碱。同年，美国化学家路易斯( gn i _ 启w i s ) 删用共价键理论解释酸碱中和反应时发现：酸碱中和过程本质上是酸矿和碱 o h 之间形成新的共价键的过程，结合酸碱的电子结构，从电子对的配给和接 受出发，提出酸碱电子理论，又称为路易斯酸碱理论。路易斯认为：酸是价层 电子轨道上缺电子对因而能接受电子对的物质；碱是具有孤电子对因而能授予 电子对的物质。因此路易斯酸又称为电子对接受体( a c c e p t o r ) ，路易斯碱也叫 电子对给予体o n 0 0 。该理论认为酸碱反应的实质是形成配位键生成酸碱配合 物的过程。实际上，路易斯酸是亲电试剂，路易斯碱是亲核试剂。 路易斯酸包括质子酸( h c i 、h 2 s 0 4 等) 、正离子( l + 、a g + 、c u 2 + 、f e 3 + 等) 以及具有可以接受电子的空轨道的分子( b f 3 、a l c h 、z n c l 2 、s n c h ) 等【3 】。 现在我们用来作为催化剂的路易斯酸通常有n c l 4 、s n c h 、b f 3 、a l c b 、f e c h 、 i n c h 、l n ( o t 0 3 等分子型路易斯酸，它们可以用来催化许多c c 键的合成反应， 如f f i e x i e l c r a f t s 反应、烯丙基锡反应、e i l e 反应、d i e l s - a l d e r 反应、杂d i e l s - d e r 反应、g a t t e r m a n - k o c h 反应、有机硅的m u k a i y a m a 反应等。它们具有催化作用 是由于本身缺电子，容易和富电子体结合，增加反应物的活性。如在亲核取代 反应中，路易斯酸可以和带孤对电子的离去基团结合，更有利于亲核试剂对中 心碳的进攻。在亲核加成反应中，特别是羰基化合物与亲核试剂的反应中，路 易斯酸的催化作用更为明显，路易斯酸和羰基氧结合，增加了羰基中碳原子的 亲电能力，更有利于亲核试剂的进攻，使反应速度加快 、 路易斯酸催化的反应在有机合成中占有重要的地位并且应用广泛。由于大 多数路易斯酸可以先于底物与水发生反应，少量水的存在会终止反应的进行， 这在很大程度上限制了路易斯酸在有机合成中的应用，尤其在工业生产中，无 水操作有很大的局限性。自k o b a y a s h i 4 j 将l n ( o t 0 3 应用于水相的m u k m y a m a 反应中以来，人们陆续发现了一些可以在水中稳定存在的路易斯酸，它们多为 稀土金属盐。l n ( o t 0 3 是一类催化性能很好的稀土金属催化剂，更加引起人们 兴趣的是，它们在水相中稳定，而且有着与有机相中相同的催化作用。但是， 第3 页共8 5 页 铟( 哟位于周期表中i a 族，基态原子的价电子层为n s 2 n p l ，一般氧化态为+ 3 。 子成键时，价电子层未被充满( n s 2 ，n p x 2 ，n p y 2 ，n p 0 ，比稀有气体构型缺少一 三必 化物( b x 3 ) 却是以单体的形式存在的。这是因为b 原子与卤原子除形成三个。 键外，还有其它的成键形式。一般认为中心原子b 采取s p 2 杂化与三个卤原子 形成3 个。键，未参与杂化的p 轨道与3 个c l 原子充满电子的p 轨道对称性 匹配，平行重叠形成以离域尢键，6 个电子由3 个氯原子提供。由于电子的 离域，加强了b x 之间的作用，使b - x 键含有若干双键成份，可看成附加 的成键效应，结果增强了成键强度，使得b x 3 单体相对其双聚体更加稳定。由 此可见，为了弥补电子的不足，b x 3 形成离域兀键，a 1 x 3 则形成卤桥二聚体。 但是它们为什么在成键方式上却有很大的差异呢? 因为形成离域冗键的各原子 体积越小，其价轨道重迭的程度越大，体系就越稳定。m 原子半径比b 原予 半径( r m = 1 2 5 p m ，r a = 8 1 p r o ) 大得多，不能取得有效的兀重迭。那么，b x 3 为什 么不发生双聚呢? 其主要原因是：一、如果双聚就会损失一些b - x 之间的p 兀 一陬键能；二、b c h 和b b r 4 。离子仅仅在大的阳离子象c s + 的晶体中才稳定， 这说明b c l 3 和b b r 3 不双聚的主要原因是体积因素，由于4 个体积较大的c 1 或b r 原子对于较小的硼原子配位显得非常拥挤，不能形成有效的键合。然而， b f 4 是非常稳定的，所以b f 3 不双聚的决定性因素并不是体积大小，而是由于 f 的原子半径最小，电负性最大，使已经结合了一个硼原子的氟，其电子给予 能力很低( 氟一般不作为桥基配体出现) 。由于这两个原因，结果是桥键的能量 不足以补偿断裂单体中b - x 冗键所需的能量，因此，b x 3 都是单体而不双聚。 利用硼族元素缺电子体的亲电子倾向，可促进许多有机化学反应的进行 由于其元素的缺电子性，其卤化物可以在催化中加以利用，比如b f 3 、b c l 3 、 a 1 c i ，等都是良好的l e w i s 酸催化剂【5 】，对许多有机反应，如烷基化、异构 化、环化、卤化、聚合等皆有很好的催化能力。如用硼族元素的卤化物催 化的四氢吡喃化反应，分别显示了各种路易斯酸催化剂不同的催化性能。v a r m a 等分别用微波辐射在四氯化铟的离子液体中、三氯化铝无溶剂的体系中完成了 四氢吡喃化反应1 6 - 7 1 ；我们用三碘化镓作为路易斯酸催化剂完成了四氢吡喃醚 的转化8 1 。其部分反应的结果如下( 表1 ) ，虽然g a l 3 催化的反应时间较长，但 是反应条件温和且产率较高，说明g a l 3 具有较高的催化活性 第5 页共8 5 页 表1 不同路易斯酸催化剂催化的四氢吡喃化反应 c a t a l y s ta m o t m f f m m o l s u b s t r a t es o l v e n tt ，f f m i ny i e l d 硼、铝、铟的卤化物应用的比较多，近年来尤其是对铟的研究非常普遍，这 主要是因为铟具有独特的性质，金属铟在室温下不受空气和氧的影响，可以被安 全的加工，没有明显的毒性。由于铟在有机反应中显示出低的杂原子亲核性，因 此含有氧、氦的官能团可以不受铟试剂的影响由于铟试剂具有低的亲核性，它 可以对具有相似活性的官能团进行有化学选择性地转换。由于铟与镁、锌和锡在 包括第一电离势等诸多方面具有相似性，它已成为单电子转移试剂的代表。作为 具有高潜力的金属，铟试剂在有机合成中应用开始引起有机化学家的重视【9 - 。 作为温和的路易斯酸，卤化铟可以在水、醇等绿色溶剂中，实现高化学选择性、 高区域选择性和高立体选择性的化学转化。但作为同一主族的镓的卤化物g a l 3 的催化作用一直未见报道。在相关文献的查阅中，我们仅发现一篇关于g a l 3 促 进有机反应的报道【1 1 】，黄耀曾课题组在对镓及镓的化合物在有机合成中的应用作 了研究后发现三碘化镓在胺中可以促进1 一炔和醛的加成反应( s c h e m e1 ) ，但是 r c 三c h+r i c h og 山 a m l n e 1 1 1 fr t s c h e m e l 他们所用的g a l 3 不是催化剂量的，而是反应底物物质的量两倍，是一种促进剂。 他们同时实验了g a l 3 、g a c l 3 、a l h 、i n l 3 和z n l 2 对反应的促进作用，发现只有 g a l 3 取得良好的促进效果( 表2 ) 。 第6 页共8 5 页 r h o i c h c兰c r 表2 不同路易斯酸促进的生成炔醇的反应 目前用三碘化镓作为路易斯酸催化剂催化有机合成的反应还未见文献报 道。我们课题组在研究路易斯酸催化的有机合成反应中发现g a l 3 具有很高的催 化活性，如用它催化的s a k u r a i 反应 9 1 而且，研究表明g a l 3 还具有如下优点： 一、可用简单的无机方法在有机溶剂中现场制各，现制现用，操作方便；二、反 应条件温和；三、毒性较小；四、价格相对便宜。 鉴于以上各种原因，我们将新型路易斯酸催化剂g a l 3 应用于催化有机反 应，建立了若干有机合成新方法，将其应用于a 一氨基膦酸酯的合成，p c c h m a n n 反应，醇( 酚) 的四氢吡喃化反应，羰基的保护，苯并咪唑衍生物的合成等，均 取得了良好的产率，并对各类反应的催化机理进行了系统的探讨。以合成的部分 产品作为配体与金属铱合成了几种新型配合物，这些配合物均具有典型的磷光发 光特性。并对其电化学特性以及发光性能进行了研究。 第7 页共8 5 页 参考文献 【1 】武汉大学等校编无机化学( 上册) 高等教育出版社1 9 9 4 ，3 8 7 2 】武汉大学等校编无机化学( 上册) 高等教育出版社1 9 9 4 ，3 9 2 【3 】曹正白，陈克潜有机反应中的酸碱催化高等教育出版社1 9 9 5 【4 】傅南雁，庞美丽，袁耀锋，王积涛，绿色路易斯酸三卤化铟在有机合成的应 用秀扔纪2 0 0 3 ，2 3 ( 1 0 ) ，1 0 8 5 【5 】 日】尾崎萃等编田汝川等译，催化剂手册第一版北京：化学工业出版社 1 9 8 2 ，6 8 【6 】yj k i m ；s v a r m 乱m i c r o w a v e a s s i s t e dp r e p a r a t i o no f i m i d a z o l i u m - b a s e d t e t r a c l a l o r o i n d a t e 0 _ i i ) a n dt h e i ra p p l i c a t i o ni nt h et e t r a h y d r o p y r a n y l a f i o no f a l c o h o l st e t r a h e d r o nl e t t 2 0 0 5 ，4 6 ，1 4 6 7 【7 】v vn a r n b o o d i r i ；s v a r n 饥s o l v e n t - f r e et e t r a h y d r o p y r a n y l a t i o nf r r 】p ) o f a l c o h o l sa n dp h e n o l sa n dt h e i rr e g e n e r a t i o nb yc a t a l y t i ca l u m i n u mc h l o r i d e h e x a h y d r a t et e t r a h e d r o nl e t t 2 0 0 2 ，4 3 ，11 4 3 8 】p p s u n ；z x h u g a l 3c a t a l y z e dt e t r a h y d r o p y r a n y l a t i o no fa l c o h o l sa n d p h e n o l s c h i n j = c h e m ，2 0 0 4 ，2 2 ( 11 ) ，1 3 4 1 【9 】r a n u , b c i n d i u mm e t a la n di t sh a l i c l e si no r g a n i cs y n t h e s i s 眈j = o r g c h e m ，2 0 0 0 ，2 3 4 7 【1 0 b a b u g ；p e r u m a l ，p t s y n t h e t i ca p p l i c a t i o n so fi n d i u mt r i c h l o r i d ec a t a l y z e d r e a c t i o n s a l d r i c h i m i c a a c t a2 0 0 0 ，3 ( 1 ) ，1 6 【11 h a r ty ；h u a n gyz as t r a i g h t f o r w a r d ，e f f i c i e n ta n dv e r s a t i l ep r e p a r a t i o no f p r o p a r g y l i ca l c o h o l sf r o m1 - a l k y n e sa n da l d e h y d e sv i ag a ba n da m i n e t e t r a h e d r o nl e t t 1 9 9 5 ，3 6 ，7 2 7 7 【9 】s u n , e - p ，x i a n , y - f ；x i a o ，y - p g a l 3c a t a l y z e dn u c l e o p h i l i ca d d i t i o no f a l l y l t r i m e t h y l s i l a n et oa l d e h y d e sz c h e m r e s 2 0 0 4 ，2 1 6 第8 页共8 5 页 密塞垃箍盍坐型堂亟雯焦监塞垒z ! ：催丝往丕曲建寞霆甚廛厦壬直扭匡廑的班窥 第一章 3 a i ：催化体系在旷氨基膦酸酯合成的应用 1 1 引言 a - 氨基膦酸及其酯作为天然氨基酸的含磷类似物，自2 0 世纪5 0 年代，人们 首次从反刍动物胃纤毛中分离出以来【i 】，又先后从许多生物组织中，如原生腔肠 动物、牛脑、羊肝、肌肉以及红细胞膜中获得过氨基膦酬2 - 4 1 。研究表明，它们 具有许多重要的生理作用，特别是其中的磷原子具有四面体结构，与羧酸衍生物 水解的中间体十分相似，是一种广泛应用在药物化学和生物化学方面的重要的化 合物，其可作为抗菌剂和酶的抑制剂以及有机合成中间体 5 - 1 2 ，比如合成杀虫剂 1 3 1 、新的荧光物质1 1 4 1 、抗糖尿药类1 1 卯。它们具有抗肿瘤活性i 垌、抗植物病毒【1 7 9 1 、植物生长调节1 2 0 ) 、除草、杀菌【2 1 1 、抑制酶活性瞄i 、抗氧化削及防辐射 嘲、破坏生物细胞膜【2 5 】等重要的生物活性，另外还发现其对金属有缓蚀作用嗍， 同时也是合成膦酰基肽化合物的一种重要的底物【2 刀因此，引起了有机化学家与 生物学家的极大兴趣，他们都致力于弘氨基膦酸及其酯的合成研究，并且发展了 一些非常重要的方法。最早用于合成氨基膦酸的方法是m a n n i e h 型反应【冽，该 反应使用氨气，需在高压釜中进行；且收率很低，因此对其进行了大量的改进。 首先是对氨的改进，将氨改为苄基胺、酰胺、脲、硫脲或其n 取代衍生物代替 氨，其次是对膦酸酯的改进，以亚磷酸及其酯、三氯化磷等代替膦酸酯都可以合 成泓氨基膦酸( 酯) 1 2 9 捌。此外，醛改为酮也可以合成a 氨基膦酸( 酯) 【3 2 】经过这 些m a n n i c h 型合成法己可以合成出各种各样的洳氨基膦酸( 酯) 。后来a 氨基膦酸 及其酯的合成发展为先用醛或酮与胺反应合成出中间体亚胺化合物，然后再与亚 膦酸酯亲核加成合成【3 3 1 但由于亚胺化合物不稳定，且难以提纯，于是人们采用 一锅法来合成。 我国上海有机化学研究所的钱长涛等口4 谰y b ( o t f ) 3 为主催化剂、m g s 0 4 为 助催化剂在二氯甲烷中一锅合成了目标产物；苏州大学的沈琪等f 3 习用乙腈作溶 剂，以s m l 2 为催化剂和4 a 分子筛一起一锅法合成了产物小氨基膦酸酯。但是 他们并没有报道底物为二级胺的反应，所使用的催化剂y b ( o t f ) 3 虽然在水相中 稳定，但是使用之前必须在2 0 0 c 的高温下烘干，操作繁琐，而且y b ( o t f ) 3 、s m l 2 价格昂贵或难于制备。国外，s a i d i 等1 3 6 】用l i c l 0 4 催化了该反应，但催化剂的用 量太大，至少需反应底物物质的量的两倍；日本的t a k i y a m a 等1 3 7 埔0 2 5 倍于 第9 页共8 5 页 反应底物的c f 3 c o o h 实现了该反应，催化剂用量较大，且该试剂有较大腐蚀性， 易带来污染；z o n 等3 8 】用无水z n c l 2 、m g b r 2 催化合成了q 氨基磷酸酯，但是反 应在严格的无水条件下进行，并且所使用的原料是亚胺。本部分，我们以金属镓 和单质碘现场生成的新型路易斯酸g k l 3 为催化剂，在4 a 分子筛存在下，以二氯 甲烷为溶剂室温下一锅法合成了舡氨基膦酸酯。 1 2 结果与讨论 g a 1 2 催化体系中a - 氨基磷酸酯的合成： o r 1 - 巴一r 2 +h+ 百oall(10tool)4am01sjevd=r3r3南r4(etohpoh + + ，r l 一5 一n 3 ( a - n ) s e h e m e l 1 2 1 溶剂的选择 考察了该反应在一系列的有机溶剂如二氯甲烷、乙腈、四氢呋喃、甲苯等中 进行的情况，结果发现在二氯甲烷中反应进行的程度最好，并且三碘化镓可以溶 解在二氯甲烷中而形成均相体系。苯甲醛、苯胺与亚膦酸- 7 , 酯在这些溶剂中反 应的产率分别为二氯甲烷8 8 、乙腈7 5 、四氢呋喃6 7 、甲苯3 6 。因此， 我们选择二氯甲烷作为该反应体系的有机溶剂( 如苯胺、苯甲醛与亚膦酸二乙酯 的反应，见表1 - 1 ) 。 表1 - 1 不同溶剂对反应的影响 溶剂温度催化剂用l m m o l 原料比时间m 产率， 1 2 2 催化剂用量的确定 在反应底物相同、其它条件不变的情况下，改变催化剂三碘化镓的用量， 第l o 页共8 5 页 如0 0 2 m m o l 、0 0 5 m m o l 、0 0 8 m m o l 、0 i m m o l 、0 1 5 m m o l 与0 2 r e t o o l ，并在各 体系中均加入0 2 9 4 a 分子筛。结果发现，少于o 1 m m o l 的催化体系，产率较 低，而多于o 1 m m o l 的催化体系，产率也没有明显的提高。因此，我们确定催 化剂三碘化镓的用量为0 i m m o l 。另外，我们发现在没有三碘化镓，仅仅4 a 分子筛存在的情况下，反应进行1 2 小时仅得到痕量的目标产物( 表1 - 2 ) ，而仅 有三碘化镓没有4 a 分子筛时的产率也没有二者共同存在时的产率高，说明4 a 分子筛起到良好的助催化作用 表1 - 2 催化剂用量对反应的影响 1 2 3 反应温度及时间的确定 实验结果表明该催化体系具有很强的催化活性，因此我们选择了较温和的 条件即在室温下反应，取得了较高的产率在反应进行中，通过薄层色谱( t l c ) 进行实时跟踪分析，从而确定每一个反应的时间( 表1 4 ) 。如苯甲醛、苯胺与亚 膦酸二乙酯的反应，通过t l c 监控，我们发现随着反应的不断进行，原料点( 苯 甲醛、苯胺) 不断减小，而新点( 产物点，小氨基膦酸酯) 不断增大，反应4 小 时后，新点不再增大，原料点几乎完全消失，表明反应完全。 1 2 4 原料比例的确定 本实验中，我们探讨了原料醛、胺与亚膦酸二乙酯的配比，如l ：l ：1 ，1 ： 1 ：1 2 ，1 ：1 1 ：1 2 ，结果表明，在该反应体系中使用1 ：l ：1 2 的配比可获得 较好的产率( 表1 - 3 ) 。 第l l 页共8 5 页 表1 - 3 不同原料比对反应的影响 原料比催化剂用量r e t o o l 溶剂温度时间 l 产率， 1 2 5 实验结果 本部分，我们采用金属镓与单质碘在二氯甲烷中现场制备了路易斯酸催化 剂g a l 3 ，用醛( 酮) 、胺及亚膦酸- - 7 , 酯三组分一锅法合成了目标产物伽氨基 膦酸酯( s c h e m e1 ) ，结果如下表( 表1 - 4 ) ： 表1 - 4g a i s 催化的小氨基膦酸酯的合成 第1 2 页共8 5 页 直塞蛭蕉盘堂堡堂硒芏僮监窑量吐k 摧焦链嚣教建童盈基廛且王直扭匡麈曲班宜 a i s o l a t e dy i e l d s t h es 缸 u e t u r e so f t h ep r o d u c t sa r ec o n f i r m e db y1 h n m r ，3 1 p n m r , i r s p e c t r ao re l e m e n t a la n a l y s i s 在表1 4 中，我们可以看出在g a l 3 这个催化体系中一锅法反应均得了较高产 率的预期产物。如e n t r y7 底物为对溴苯甲醛与苯胺的反应产率为9 5 ，a ，b 不 饱和醛( e n t r y6 ) 的产率也达到了8 0 所采用的芳香醛均取得了很高的产率。 我们也尝试了脂肪醛如正丁醛、异丁醛作为底物的反应，但仅仅得到了痕量的目 标产物。反应也适用于一些酮，如底物为苯乙酮( e n t r y9 ) 时，产率为7 4 ，环己 酮( e n t r y1 0 ) 的产率为8 6 但对一些位阻更大的酮，反应结果不理想。这个反应 体系的另一个重要特点是，无论对一级胺还是二级胺，反应效果均较好。 发生该反应的可能机理为，醛( 酮) 与一级胺首先反应生成亚胺，亚胺、亚 膦酸二乙酯进一步与o a ( 1 l i ) 络合，进而生成目标产物( s c h e m e 2 ) 。 r 1 c o r 2 + r 3 2 三n f n _ 时 g a l 3 r - - - - - - - - - - n o p ( o e t h 烹bnjrai h e t o h p o 、 ( = 如果反应的底物是二级胺，则该反应的可能机理如下( s c h e m e3 ) ： 第1 3 页共8 5 页 直基垃噩友堂垄堂亟堂焦途塞 垒垒 b 催丝佳丕敛建童丛甚廑用王直扭厘廑曲班宜 r - 一3 r ：! 竺! f ，g a | 。 、，7 ，蚵 r - - c - - r 2 1 0 0 0 0 m k 【8 1 ) 。所以这类化合物作为酸洗缓蚀剂具有极大 的开发价值。 合成苯并眯唑类杂环化合物的方法有很多，最普遍、最常用的方法是用邻 苯二胺与羧酸及其衍生物进行缩合反应，但是这种方法常常要求比较苛刻的条 件，如在多聚磷酸( p p a ) 、盐酸存在的条件下，反应的温度需要1 7 0 - - 1 8 0 c “ 第6 0 页共8 5 页 ， “1 。也有用过渡金属作为催化剂完成该了反应，如用钯催化的邻苯二胺环脱水 的羰基化反应【1 2 1 ，钯催化的邻溴苯胺的分子内n 一芳基化反应等等。近年来， 一些固相合成法被应用到苯并咪唑类衍生物的合成【1 4 】，三氟磺酸盐类化合物 ( s c ( o t f ) 3 、y b ( o t f ) 3 ) 可以作为醛与邻苯二胺缩合反应的催化剂1 1 5 1 ，也有人 报道了活性醇与邻苯二胺的t o p 合成法【1 日在这些合成方法中，常常要用到 0 2 、m n 0 2 等作为反应中间体一二氢苯并咪唑芳基化反应的氧化剂。在i n b n p 存在的条件下，邻硝基苯胺与醛的s e t 反应可以实现苯并咪唑衍生物的转化 t t l 。然而，这些方法总有一些缺点，如使用过量的试剂、特殊的氧化过程及较 长的反应时间，由于较差的反应选择性往往同时得到2 - - 取代与1 ，2 一二取代 的苯并咪唑类衍生物。 本文中，我们使用催化剂量的单质碘在温和的条件下实现了醛与邻苯二胺 缩合生成苯并咪唑衍生物的反应。 4 , 2 实验结果与讨论 g a 也催化体系中苯并咪唑衍生物的合成： + 一古q 卜+ l 啦2 州 s c h e m e l 4 2 1 溶剂的选择 在一系列的有机溶剂二氯甲烷、乙腈、四氢呋喃中，探索了溶剂对该反应 的影响。如苯甲醛与邻苯二胺分别在这三种溶剂中的实验结果如下( 表4 - 1 ) ， 研究表明四氢呋喃是该反应的最好溶剂。 表4 1 不同溶剂对反应的影响 溶剂温度催化剂用：影m m o l 原料比时间ml 一取代物产率， 第6 l 页共8 5 页 寻找简单易行、绿色的合成方法是当前有机合成领域的一个重要的、热门 的研究目标，近年来研究最多的就是水相中的有机合成反应。通过研究，我们 发现在水相中也可以实现苯并咪唑衍生物的转化，但是由于反应底物及催化剂 单质碘在纯水中较小的溶解性，反应需要很长的时间且产率较低。为了缩短反 应时间、提高产率并实现反应的绿色化，我们选择了四氢呋喃一水 ( n 订- 】毗0 ，v v f f i l ：1 ) 作为反应体系的溶剂，较高产率的完成了醛与邻苯二胺缩 合生成1 一取代及1 ，2 一二取代的苯并咪唑衍生物的反应。虽然以四氢呋喃为 溶剂可以得到更高一些的产率，但是对环境的污染较大，不符合绿色化学的发 展要求。因此，我们选择四氢呋哺一水作为反应体系的溶剂 4 2 2 催化剂及其用量的的选择 在对路易斯酸催化剂三碘化镓应用于有机合成的研究中，我们设想g 幽 应该可以催化苯并眯唑衍生物的合成反应。但是实验发现，仅有g 幽存在的条 件下并不能得到预期的目标产物，因为反应还包括氧化脱氢的过程，譬如有文 献报道在m n o d s i 0 2 存在、微波辐射下可以实现该反应的转化【1 8 1 于是我们在 制各催化剂g 幽时加入了过量的单质碘作为氧化反应的引发剂，结果得到了苯 并咪唑类的衍生物，后来我们尝试仅用单质碘作为体系的催化剂，结果也得到 了目标产物我们分别考察了o o l m m o l 、o 0 2 m m o l 、o 0 5 m m o l 及o 0 8 m m o l 的碘对反应产率的影响，发现0 o l m m o l 的碘催化效果不理想，多于0 0 2 r e t o o l 的碘对提高产率没有更明显的作用( 如苯甲醛与邻苯二胺的反应，结果如表4 - - 2 ) ，另外在没有单质碘存在的情况下，即使回流2 4 小时也仅得到痕量的目 标产物。 表4 2 催化剂碘的用量对反应产率的影响 催化剂用：量y m m o l 溶剂原料比温度时间h1 一取代物的产率膨 第6 2 页共8 5 页 4 2 3 原料比的确定 在底物、溶剂等其它实验条件相同的情况下，我们选择了不同的原料比进 行了对比实验。结果发现，当反应底物醛与邻苯二胺的比例为1 ：l 时得到了一 取代及二取代苯并咪唑的混合物，但对于大多数反应，都是一取代产物为主( 见 表) 。随着醛的用量的增加，一取代产物逐渐减少，二取代产物逐渐增加，当醛 与邻苯二胺的摩尔比变为2 ：l 时，产物几乎为二取代产物，仅得到了痕量的一 取代产物。为了对该反应进行一个比较系统的研究，我们选择了1 ：1 的原料比。 另外，我们还使用2 ：1 的原料比进行了反应( 见表4 - - 3 ) 。 4 2 4 反应温度及时间的确定 通过研究，我们发现室温下进行该反应即可取得较高的收率，升高温度如 在回流的温度下反应，对缩短反应时间、提高产率并没有大的促进作用，因此， 我们选择了室温。在反应进行中，通过薄层色谱( t l c ) 进行实时跟踪分析， 从而确定每一个反应的时间( 表4 - 3 ) 。如苯甲醛与邻苯二胺的反应，薄层层析 发现，2 0 小时后原料几乎完全消失即可终止反应。 4 2 5 实验结果 室温下，以四氢呋哺一水( t l 珂h 2 0 ，v v = l ：1 ) 为反应体系的介质，以 0 0 2 m m o l 的单质碘为催化剂实现了醛与邻苯二胺的缩合反应( s c h e m e1 ) ，结果 如下( 表4 3 ) ： 表4 - - 3 苯并咪唑衍生物的合成 第6 3 页共8 5 页 直塞蛭蕉太竺垄堂亟堂焦监塞垡吐! 攫丝佳丕殴建童理基廛厦王直扭厘廛鳇班塞 【a 】i s o l a t e dy i e l d s ； 时2e q u i v a l e n to f a l d e h y d er e t e dw i t h1 , 2 - p h e n y l e n e d i a m i n ef o r3h ； 【c 】l i t e r a t u r er e f e r e n c ef o rt h ep r o d u c t a l lp r o d u c t sa mk n o w nc o m p o u n d s t h es t r u c l u r e so f t h e p r o d u c t sa r ec o n f i r m e db yi ra q i1 h n m rs p e c 帆 从表4 - 3 中我们可以看出，无论是芳香醛( e n u y1 - 8 ) ，还是脂肪醛n t r y 9 - 1 0 ) ，对该反应都是普遍适用的，均取得了较高的产率，只是一取代与二取代产 物的比例有所不同。苯环上有吸电子和给电子的芳香醛取得了几乎相同的结果。 当反应底物的物质的量之比为1 ：l 时，得到的是一取代与二取代苯并眯唑的混合 物，但绝大多数的反应产物均以一取代的苯并眯唑为主，说明用单质碘催化该反 应对一取代产物的合成有较高的选择性。当醛为两个当量时，高产率的合成了n 一烷基化一2 一取代的苯并咪唑。 发生该反应的可能机理为，在单质碘的作用下一分子醛与邻苯二胺上的一个 氮发生加成、消去形成亚胺，邻苯二胺上的另一个氮与亚胺发生亲电加成关环， 生成的咪唑啉环在氧的作用下发生氧化脱氢，生成一取代的苯并咪唑( s c h e m e2 1 。 当两分子的醛分别与邻苯二胺上的两个n 原子发生加成、消去时，则形成二亚 胺，然后一个亚胺上的n 与另一亚胺上的碳发生亲电加成形成五员环，生成的 第“页共豁页 s t h e m e 2 一取代苯并咪唑的形成机理 咪唑啉环在氧的作用下脱氢即生成二取代的苯并咪唑( s c h e m e3 ) s c h e m e 3 二取代苯并咪唑的形成机理 4 3 实验部分 4 3 1 实验仪器及试剂 。 实验仪器：反应在s c h l e n k 反应装置中进行。测定熔点时温度计未经校正核磁 共振谱用b r u k e r - 3 0 0 4 0 0 核磁共振仪( 以t m s 为内标) 测定。红外光 谱用p e r k i n - e l m e rf t 红外光谱仪测定。元素分析用p e r k i n - e l m e r2 4 0 c 型元素分析仪测定。 第6 5 页共3 5 页 实验试剂：邻苯二胺各种芳香醛及脂肪醛( 用前重蒸) 四氢呋哺二氯甲烷石 油醚乙酸乙酯( 所有试剂均为市售分析纯) 4 3 2 苯并眯唑衍生物的合成 称取0 0 0 5 1 9 ( 0 0 2 r e t 0 0 1 ) 单质碘溶于4 m l 四氢呋喃一水( t i - i f - h 2 0 ，v v = l ：1 ) 的混合溶液中，待碘完全溶解形成均相溶液后，向体系中加入o 1 0 8 9 ( 1 m m 0 1 ) 邻 苯二胺，o 1 i m l ( 1 m m 0 1 ) 对氟苯甲醛，反应混合物置于空气中室温下搅拌1 5 小 时( n c 实时跟踪分析) ，加入1 5 m l 水终止反应，用1 0 m l 二氯甲烷萃取三次， 合并有机层用无水硫酸钠干燥，旋转蒸发除去溶剂得粗产品。薄层层析( 层析液 为v 石蛐：v 。t 。_ = 5 ：l 的混合液) 得到纯品2 一( 4 一氟苯基) 苯并咪唑( i d ) 与1 一( 4 一氟苯甲基) - - 2 - - ( 4 一氟苯基) 苯并咪唑( 2 d ) 产品苯并咪唑衍生物的谱图数据； 1a ( 聊：w h i t es o l i d ；n a p2 9 5 2 9 6 3 2 ：1 h - n m r ( c d c l 3 ) ：67 2 8 7 3 3 ( i n ，2 均，7 4 3 7 4 5 帆a n ) ，7 6 7 - 7 7 1 帆2 h ) ，8 1 0 8 1 3 帆2 h ) 2 a 【1 9 1 ：w h i t es o l i d ；m p1 3 5 1