（有机化学专业论文）芳二炔甲硫醚类化合物的一锅合成研究.pdf

硕 学位论文 摘要 末端含有多个硫甲基功能基的有机分子可将纳米粒子组装成尺度或形态可调 节的纳米团簇。本实验室过去已经设计并合成了形态多样、具有冗共轭体系的多 硫甲基功能基芳炔硫醚类分子。这对获得一些具有良好组装效果尤其是能够控制 团簇形态或控制团簇尺度的功能分子有着重要的意义。在这些工作的基础上，本 文合成了一些形态相异、具有兀共轭体系的多硫甲基功能基芳二炔甲硫醚类化合 物。 卤代芳二炔甲硫醚类化合物是构筑上述多硫甲基功能基芳二炔甲硫醚类化合 物的重要原料。但目前尚无好的方法制备这类化合物。为此，本文对利用亲核硫 试剂甲硫基甲基苯基砜( m p s ) 与芳基丙炔醛合成芳二炔甲硫醚类化合物的方法 学进行了考察。本文先以改进后的o g u r a 法合成了m p s ；以卤代芳烃为起始物， 经过s o n o g a s h i r a 反应和氧化反应合成了一系列芳基丙炔醛。之后，本文探讨了 m p s 和芳基丙炔醛的一锅合成法，并成功得合成了一系列芳二炔甲硫醚类化合 物。该法具有原料易得、合成简便、产率较高等优点。 为了探明芳二炔甲硫醚类化合物的形成机制，本文分阶段对该反应的机理进 行了探讨。通过对反应中各阶段生成的中间体的捕捉及结构分析，对反应过程进 行了确认，最终证实了双消除反应机理的设想。x 射线单晶衍射实验结果表明， 双键中间体的构型为e 式构型。 本文最后利用一锅法制得的卤代芳二炔甲硫醚考察了v 型和y 型两种多硫甲 基功能基芳二炔甲硫醚类化合物的合成。碘代芳二炔甲硫醚类化合物分别与间二 苯乙炔和均三苯乙炔通过s o n o g a s h i r a 反应成功地合成了v 型和y 型两种多硫甲 基功能基芳二炔甲硫醚类化合物。 本文中部分中间体和所有目标化合物的结构均通过1 hn m r 、”cn m r 、m s 和i r 组合测定得到确认。 关键词：双消除反应；一锅合成：芳二炔硫醚；甲硫甲基苯基砜 i i a b s t r a c t o r g a n i cc o m p o u n d s ，t h a t c o n t a i ns e v e r a lt h i o m e t h y l sa t t h et e r m i n a l ，c a n a s s e m b l en a n o p a r t i c l e st on a n o p a r t i c l ec l u s t e r s ，w h o s es i z ea n ds h a p e c a nb ea d j u s t e d b yt h ec o m p o u n d s o u rl a b o r a t o r yh a dd e s i g n e da n ds y n t h e s i z e da r y l e t h y n e t h i o e t h e r s w h i c ha r ed i f f e r e n ti ns h a p e ，兀c o n j u g a t e da n dc o n t a i ns e v e r a lt h i o m e t h y l s t h o s ec o m p o u n d sa r ei m p o r t a n tf o rg e t t i n gs o m ef u n c t i o n a lm o l e c u l e st h a th a v eg o o d a s s e m b l i n ge f f e c t ，e s p e c i a l l yf o rg e t t i n gt h o s et h a tc a nc o n t r o lt h es h a p ea n d t h es i z e o ft h ec l u s t e r b a s e do nt h ep r e c e d i n gr e s e a r c ho fo u rl a b o r a t o r y , t h i sp a p e r s y n t h e s i z e ds o m ea r y l d i y n e st h i oe t h e r s ，w h i c ha r e 兀c o n ju g a t e da n d c o n t a i ns e v e r a l t h i o m e t h y l sa tt h et e r m i n a l h a l o g e n a t e da r y l d i y n e sm e t h y l t h i oe t h e r sa r ei m p o r t a n tm a t e r i a lf o rs y n t h e s i z i n g a r v l d i y n e sm e t h y l t h i oe t h e r st h a th a v es e v e r a lt h i o m e t h y l sa tt h et e r m i n a l b u tt h e r e h a v e n tb e e na n ys a t i s f a c t o r ym e t h o d sf o rp r e p a r i n gt h o s ec o m p o u n d ss of a r t h e r e f o r ， t h i sp a p e rs t u d i e dt h em e t h o d o l o g yf o rp r e p a r a t i o no fa r y l d i y n e sm e t h y l t h i oe t h e r s u s i n gm e t h y lt h i om e t h y lp h e n y ls u l f o n e ( m p s ) a n d a r y l p r o p a r g y la l d e h y d e s f i r s t l y ，m p sw a sp r e p a r e da c c o r d i n gt ot h em o d i f i e do g u r am e t h o d ，a n das e r i e so f a r y l p r o p a r g y la l d e h y d e sw e r es y n t h e s i z e df r o mh a l o g e n a t e da r e n e sb y s o n o g a s h i r a r e a c t i o na n do x i d a t i o n t h e n ，t h eo n e p o tr e a c t i o nu s i n gm p - sa n da r y l p r o p a r g y l a l d e h y d e s w a sd i s c u s s e d ，a n das e r i e so fa r y l d i y n e sm e t h y l t h i o e t h e r sw e r e s u c c e s s f u l l yp r e p a r e da c c o r d i n g l y t h em e t h o dh a sf o l l o w i n ga d v a n t a g e s ：a c c e s s i b l e m a t e r i a l s ，s i m p l em a n i p u l a t i o na n dg o o dy i e l d i no r d e rt oc l a r i f yt h ec o u r s eo ft h ef o r m a t i o no fa r y l d i y n e sm e t h y l t h i oe t h e r s ， t h em e c h a n i s mo ft h eo n ep o tr e a c t i o nw a ss t u d i e ds t e pb ys t e p a f t e rt r a p p i n ga n d s t r u c t u r ea n a l y s i so ft h ei n t e r m e d i a t e sf o r m i n ga tt h ed i f f e r e n ts t e p so f t h er e a c t i o n ， t h em e c h a n i s mo fd o u b l ee l i m i n a t i o nw a sc o n f i r m e d t h e r e s u l t sf r o mx 。r a y c r v s t a l l o g r a p h i ca n a l y s i si n d i c a t e dt h a tt h ei n t e r m e d i a t e sw i t hd o u b l eb o n dh a v ee c o n f i g u r a t i o n i nt h el a s tp a r to ft h ep a p e r ，t h ep r e p a r a t i o no fvs h a p e da n dys h a p e da r y l d i y n e s m e t h y l t h i o e t h e r sw i t hs e v e r a lt h i o m e t h y l s a tt h et e r m i n a l w e r es t u d i e du s i n g h a l o g e n a t e da r y l d i y n e sm e t h y l t h i o e t h e r ss y n t h e s i z e db yo n e p o tr e a c t i o n i o d i c a r y l d i y n e sm e t h y l t h i oe t h e r sr e a c t e dw i t hd i a r y l e t h y n ea n dt r i a r y l e t h y n er e s p e c t l yb y s o n o g a s h i r ar e a c t i o n a f f o r d e ds u c c e s s f u l l yvs h a p e da n dys h a p e da r y l d i y n e s m e t h y l t h i oe t h e r s i i i 硕士学位论文 t h es t r u c t u r eo fs o m ei n t e r m e d i a t e sa n da l lt a r g e tc o m p o u n d ss y n t h e s i z e di nt h i s p a p e rw e r ec h a r a c t e r i z e db y 1h n m r ，1 3 cn m r ，m sa n di r k e yw o r d s ：d o u b l ee l i m i n a t i o n ；o n e p o tr e a c t i o n ；m e t h y l t h i oa r y la i k y n y e ； m e t h y l t h i o n m e t h y ip h e n y ls u l f o n e i v 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法 律后果由本人承担。 作者签名： 滴世朗日期：矽牌7 月伞日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被 查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编 本学位论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密凹。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：高逆朝 导师签每! 鳅芝，、1 o 二 日期：w o m a n ) 月印日 日期：矽譬年7 月9 日 硕l 学位论文 第1 章绪论 炔基硫醚类化合物( r 1 c - c s r 2 ) 是一类重要的有机合成中间体。从结构上看， 这类化合物既含有炔基又含烃硫基。炔键的存在，使得该类化合物可以发生还原、 加成等反应。而含硫部分则可以发生进一步的转化，并且在一定条件下可以脱去。 另外由于硫原子可以和许多贵金属产生非常稳定的键合作用，因而和其它含硫化 合物一样，炔基硫醚类化合物在单分子膜自组装和纳米自组装等方面也有重要的 应用。 1 1 炔基硫醚类化合物的合成方法 炔基硫醚类化合物的合成方法学研究一直倍受关注。归纳起来，炔基硫醚类 化合物的合成方法可以粗略得分为以下三种类型。 1 1 1 消除法 由双键化合物经溴化然后消除两分子卤化氢合成三键的方法，同样适用与炔 基硫醚类化合物的合成。m a g r i o t i s 等人通过这种方法合成了乙炔基苯硫醚1 1 。 p h s , 一 1 ) b r 2 ，c h 2 c 1 2 ，0 2 ) a q n a o h ，b u 4 n + h s 0 4 一 c h 2 c 1 2 ，2 3 p h s , n a n h ， b r l i qn h 3 ，e t 2 0 净一= _ p h s 一 特殊结构的磷叶立德可以在加热条件下可以发生消除反应。b r a g a 等人利用 了硫可以稳定碳负离子的性质，通过仅酰基a 一硫亚甲基三苯膦的热解反应，成功 制备了多种炔键硫醚【2 1 。 p h a p c s r 一 o = c r 1 - 2 3 0 。c 5 x1 0 3m m h g - p h 3 p o 用有机金属试剂对4 一单取代的5 氯1 ，2 ，3 - 噻二唑作用发生环断裂，也可以制 备炔基硫醚。v o e t s 等人利用4 。苯基5 氯1 ，2 ，3 噻二唑与有机锂试剂作用，反应 首先生成不稳定的噻二唑负离子，随后发生n s 键的断裂，接着脱去一分子n 2 ， 形成炔硫醚的负离子，最后用碘甲烷处理，得到了甲硫基苯乙炔，不过产率偏低， 只有3 4 【引。 芳二炔甲硫醚类化合物的一锅合成研究 p 塔。一 p 莓n n s【 n n 一，sj 孟桂英等人提出了一种方便的合成甲硫芳炔化合物的新方法【4 1 。他们利用亲 核硫试剂甲硫甲基苯基砜( m p - s ) 与芳香醛的一锅反应，成功地合成了一系列甲硫 芳炔化合物。 p h s 0 2 c h 2 s c h 3 一一 u m p s 1 ) 门- b u l i 2 ) a r c h o 3 ) c 1 p o ( o e t ) 2 4 ) l d a 1 1 2 取代法 端炔在强碱作用下形成炔负离子，然后与含硫试剂反应发生取代反应，是制 备炔基硫醚的简便方法。桑晓燕等研究发现，将乙基溴化镁与端炔反应制成炔基 g r i g n a r d 试剂，后者再与芳( 烷) 基硫氯反应可在温和的条件下高产率地制得炔基硫 醚【5 1 。 r 堡丛生型堕lr m gb r 垦坚蟹l r s r l t h f 0 4 0 0 2 5 也可以用乙炔基硫醚类化合物在碱性条件下形成的炔负离子作为亲核试剂制 取炔基硫醚【6 7 1 。m a r u y a m a 等人利用由乙炔基苯硫醚制得的g r i g n a r d 试剂，与砜 类化合物l 反应，以很好的产率得到了苯硫基取代的化合物2 【6 1 。 p h s c - c m g b r 2 p h 1 1 3 以亚铜盐为催化剂的合成方法 b r a g a 等人研究发现在碘化亚铜存在下，以六甲基磷酰胺为溶剂，炔基溴可 以和二烃基二硫醚以很好的产率得到炔基硫醚1 8 j 。他们还发现，炔基硫醚也可以 由端炔和苯基硫氯在碘化亚铜催化下反应得到【9 1 。b i e b e r 等人发现在室温条件 下，以二甲亚砜为溶剂，以碳酸钾为碱，在碘化亚铜的催化下，端炔也可以和二 苯基二硫反应生成炔基硫醚【l0 1 。与前述取代法相比，以亚铜盐为催化剂的合成方 硕上学位论文 法步骤更简单，条件更温和。 r 1 b r + o 5 r 2 s s r 2 昔r 1 s r 2 r + p h s c i 基旦一r s p h d m f r 一+ 0 5 p h s s p h 型：里坚璺q k 2 c 0 3 ，3 0 1 2 炔基硫醚类化合物的应用 1 2 1 炔基硫醚类化合物在合成上的应用 炔基硫醚类化合物是重要的有机合成中间体，可以用于合成烯基硫醚、硫酯、 取代炔和炔基砜等多种有机化合物。 炔基硫醚是制备( 毋- a 一碘代烯基硫醚的理想前体桑晓燕等人研究了炔基硫醚 和碘化氢的加成反应，提供了一种立体选择合成( e ) 仅。碘代烯基硫醚的简便方法 【5 】 o r s r l 器 r , s r l 一i 芳炔硫醚类化合物可以与对甲基苯磺酸反应制备硫酯类化合物。b r a g a 等人 通过实验发现，在硅胶的存在下芳炔硫醚类化合物于酸性环境中可以水解得到硫 酯，并且有较好的收率【1 1 1 。 p t s o h o p h 人s r 8 6 炔基硫醚类化合物由于含有三键，因而能够发生环加成反应。r i d d e l l 等人首 次报道了炔基硫化物和二环烯烃在r u 催化下进行 2 + 2 】环加成，其中含硫部分还可 以进行进一步的功能化，为一些难以直接通过环加成得到的加合物的制备提供了 一种新的参考方法【12 1 。 芳二炔甲硫醚类化含物的一锅合成研究 s r + 一c p t * 肌r u c 9 i 。( c o d ) p h 7 6 r 炔基硫醚是不活泼的亲双烯体。当它们发生d i e l s a l d e r 反应时，方面不能 被经典的路易斯酸活化，另一方面反应的条件比较苛刻，而且产率较低。g e r h a r d 等人利用l ，2 一- ( - - 苯基膦) 乙烷溴化钴、碘化锌和锌粉组成的混合催化剂实现了在 温和的条件下芳炔硫醚与取代丁二烯的d i e l s a l d e r 反应，产率较高【13 1 。生成的产 物可用温和的氧化齐u d d q 进一步氧化为二芳基硫醚。 x + r 紫 a ra r 炔基硫醚还可以用于合成取代炔。s a v a r i n 等研究发现，在亚铜盐存在下， 炔基硫醚和硼酸经过钯催化的交叉偶联反应可以得到取代炔，产率3 9 9 l 【14 1 。 该反应特点是条件温和，不要用到碱，对底物有广泛的适用性，因而是其它取代 炔合成方法很好的补充。 r 1 ，z + r 3 b ( o h ) 1 2 r 1 一g 1 2p d ，c a t , r c o o c 。u ( i ) r 1 r 3 t h f 4 0 5 0 一 炔基硫醚类化合物中的硫可以被氧化成砜，因而炔基硫醚类化合物可以用来 制备炔基砜类化合物12 1 。 r l s r m c p b a ( 2e q ) , c h 2 c 1 2 一r 1 印 r 1 2 2 炔基硫醚类化合物在纳米团簇自组装上的应用 由于硫原子可以和许多贵金属形成非常稳定的键合作用，因而炔基硫醚类化 合物在单分子膜自组装和纳米团簇自组装等方面也有重要的应用。 纳米团簇自组装在化学和生物传感器、生物医学诊断器、信息储存器和催化 剂等方面有潜在的应用前景 1 5 , 1 6 】。在分子自组装研究中，对于纳米团簇相互之间 的空间位置的控制能力，对于理解和设计功能型纳米团簇具有很大的挑战性。到 目前为至，用于控制纳米团簇之间的空间性质的中间连接体很多，包括d n a s 1 7 】， 氨基酸【1 8 j ，多聚物或表面活性剂 1 9 , 2 0 1p j , 及多齿型硫醚f 2 1 1 。控制手段包括不同的自 组装过程，如空间交换反应，逐层白组装，交叉偶联和利用巾间体模板 自组装等。尽管如此，对纳米团簇之间的空刮性质的理解还是很有限。例如纳 米团簇在自组装过程中其空问性质如何能够根据中i e j 模扳分了的大小、形状及键 合性质来进行调整。这一问题如果能得以解决，将会对纳米团簇自组装的适配性 能产生深远的影响。f u 是对这课题的研究需要合成些结构特殊的中间模扳分 r ，这些分了在大小、形状和键台性能等力面部需耍进行精心设计。 本实验室的张志扬等人设计并合成了几种形状、大小和术端功能基数同相片 的具有共轧体系的芳炔硫i 哒类化合物口“，希掣通过研究其在纳米州簇自组装中 的性质，尝试解决以上簇组装研究中存在的问题。他们从这些化合物中选择了 化合物3 干兀化台物4 两种x 型的甲硫基芳炔化台物作为白组装模板分了，考察了它 们与金纳米粒子的白组装作用”( 图11 ) 。 图il 甲苯中金纳米团罐透射电子显微图a ：以化合物4 为自组装模板分子b 以化台 物3 为自组装模板分于右e 角插图是放大后的图片左下角插图是用十二烷基硫醇拆卸团 簇后得到的图片 化合物3 和化合物4 在分了结构上的差别，就是在苯环和甲硫基之间是否存 赢y 萨 恸鼍 爨 ，瑟 渺 l 奴。 0 g 飞矿 旷 旷 n 矿 o o。 叙。 p 芦 芦 她 m 芳二炔甲硫醚类化合物的一锅合成研究 在一根碳碳三键。化合物3 中甲硫基直接连接在苯环上，而化合物4 中苯环和甲 硫基之间连着一根碳碳三键。实验结果表明，这个差别导致在相同实验条件下， 化合物3 的自组装速度比化合物4 的自组装速度快，而化合物3 所形成的金纳米 团簇比化合物4 所形成的金纳米团簇小。 1 3 一锅合成法 传统的有机合成是分步地进行反应的，存在步骤多、产率低、选择性差和操 作繁杂等缺点。近年来迅速发展的一锅合成法( o n e p o ts y n t h e s i s ) 为传统的合成化 学注入了新的活力，开拓了新途径【2 引。采用这种方法，可将多步反应或多次操作 置于一锅完成，不再分中间产物。这不仅简化了反应操作，缩短了反应时间，更 是减少了使用大量溶剂所带来的污染，降低了生产成本，另外由于避免了分步反 应后处理所带来的损失而具有总收率相对较高的优点。 经过近一二十年的发展，一锅合成法的内容得到了极大的丰富。它已经被广 泛应用于包括烯烃、炔烃等多种类型的化合物的合成【2 9 。2 1 。下面通过几个例子来 说明一锅合成法的特点与应用。 取代苯氧基苯乙酮是用途广泛的有机合成中间体。传统的合成方法操作繁杂， 每完成一步反应需分离一次中间体，且产率较低。柳利等探讨了聚合物支载的铬 ( v i ) 氧化剂、过溴离子及取代苯氧基离子于一锅中以1 苯乙醇为底物，合成苯氧基 苯乙酮的方法，并与分步合成法相比较【3 副( 表1 1 ) 。 5 a - s o c o m p 5 a5 b5 e x ，3 - n 0 24 - n 0 2 h 从表1 1 可以看出，一锅合成法产率高于分步合成法，不仅如此，一锅合成法在 整个合成过程中无须分离反应中间体，反应连续进行，操作更为简便。 硕士学位论文 表1 1 两条路线结果的比较 f r i d m a n 等人通过控制2 氨基2 一脱氧葡萄糖衍生物的反应活性，一锅法高效 得合成了一系列低聚糖34 1 。2 氨基2 脱氧葡萄糖衍生物的反应活性的调控是通过 选择性的引入不同的氨基保护基和异头碳上的离去基团来实现的。他们采用一锅 法连续得进行3 个和4 个单元的2 氨基2 脱氧葡萄糖的糖基化，以5 0 8 l 的产率获 得了三聚糖和四聚糖。 a 忒氛s r ：虫釜! 竺生p h t h n o 。竺 n wh t r o c l - i n n i s ，t f o h 。e t 2 0 n i s ，t f o h 。c h 2 c 1 2 p h t h n 多组分偶联反应也是一锅合成法的重要类型。n e m o t o 等人描述了一种新的 一锅合成a 硅氧基氨基化合物的方法【35 1 。他们以乙腈或乙醚为溶剂，将三种底物， 化合物6 、醛或酮和一级或二级胺，简单得混合在一起搅拌。在许多例子中，三种 底物经过短时间的反应就可以以很好的产率得到仅硅氧基氨基化合物。 二曳h o + h 导t b s + 划仑2 b n 警 p h 吖n h 20 瑚仑2 h 可_ i ) b 驴u 4 n f i面nt h f 而 ( - ) - b e s t a t i n 2 0 世纪9 0 年代初，以a n a s t a s 等为代表的化学家提出了与传统的“治理污染 不同的“绿色化学 的概念3 6 1 。“绿色化学 研究通过改进化学化工过程，及相 应的工艺技术，从根本上降低，以至消除副产品或废抛物的生成，从而达到保护 卧 一甜：侈一 卧亡亡 鹤 n o 几 + h ；：力 n 上 ，) 呱 一 侣 c 卧 芳一炔f i 硫醚类化台物的锅台成w 宄 和改善环境的目的。由十一锅合成法可以简化反应操作，缩短反应时间，提高产 率并减少使用大量溶剂所带来的污染，因此它是使合成反应路线更加绿色化的 个重要的策略。从这个角度来说，”发新的一锅合成方法对于解决环境污染问题 具有重要的意义。 14 研究内容和意义 l4 l 课题的引入 奉实验室张忐扬等人利用化合物3 和化台物4 两个甲硫基芳炔化合物作为自组 装模板分子，研究了它们与余纳米粒子的自组装行为。实验获得了一些有意义的 结果。在此基础上，奉实验室拟从以下两个方面进一步研究：i ) 通过增加苯环和 甲硫基之间的三键数目使* 7 硫基芳炔化合物的侧链进步增长，然后考察这此侧 链增长后的甲硫基芳炔化合物与金纳米粒子的白组装作用：l i ) 比较侧链长度不 同的甲硫基芳炔化合物r ，金纳米粒f 的白组装作川的差异以划发现其中的规律。 作为上述研究内容的一部分，本文扣算合成一些形态不同、具有共轭体系的 多硫叶 基功能基芳一炔甲硫醚类化合物。在这类化台物中，苯环和甲硫基之f 刚的 二键数日增加到两个。卤代芳一炔f f j 硫醚类化合物足构筑这些多硫1 1 蛙功能基芳 一炔甲硫醚类化合物的重要原料。奉沦文研究课题就是探索简便易行高效的合成 卤代芳：炔甲硫醚类化合物及其类似物的方法，为r 述功能分子的合成构筑一个 平台。下面以x 型多硫甲基功能基芳二炔甲硫醚类化合物为例说明我们的研究思 路。 j 7 o 3 。戚y 磁 蝴鼍 ；， 。篱 c c 硝、 、 0、 b s s 甜 叫 硕上学位论文 1 4 2 研究内容 芳二炔甲硫醚类化合物的合成未见报道。考察前述合成炔基硫醚类化合物的 方法( 1 1 ) ，可以发现如果采用取代法( 1 1 2 ) 或者以亚铜盐为催化剂的合成方法 ( 1 1 3 ) 来合成芳二炔甲硫醚类化合物，都需要用到芳基丁二炔。这类化合物需要 多步合成并且不十分稳定。如果采用消除法( 1 1 1 ) ，大部分合成路线同样存在原 料不易获得的问题。考察孟桂英等人提出的一锅合成法，可以发现如果采用该方 法合成芳二炔甲硫醚类化合物，所用的原料甲硫基甲基苯基砜( m p s ) 与芳基丙炔 醛均较容易合成，而且一锅合成法方法简便，可望获得较好的产率。 基于上述的分析，本文拟对利用亲核硫试剂甲硫基甲基苯基砜( m p s ) 与芳基 丙炔醛合成芳二炔甲硫醚类化合物的方法学进行考察。具体研究内容将包括四个 方面：i ) 原料芳基丙炔醛和m p s 的合成；i i ) 芳二炔甲硫醚类化合物一锅合成； i i i ) 一锅合成反应的机理探讨；i v ) 多硫甲基功能基芳二炔甲硫醚类化合物的合成。 1 4 3 研究意义 1 芳二炔甲硫醚类化合物的合成未见报道，因而对它的合成研究对于丰富合 成方法学具有重要的意义； 2 一锅合成法是使反应更加“绿色化”的重要途径，开发新的一锅合成方法 对于解决环境污染问题具有重要的意义； 3 芳二炔甲硫醚类化合物是构筑一些形状、大小和功能基数目相异的具有兀 共轭体系的多硫甲基功能基芳二炔甲硫醚类化合物的重要砌块。研究芳二炔甲硫 醚类化合物的合成方法将为构筑这些功能分子提供一个良好的平台； 4 多硫甲基功能基芳二炔甲硫醚类化合物在纳米团簇自组装的研究中具有一 定价值，因而它们的合成也有重要的意义。 芳二炔甲硫醚类化合物的一锅合成研究 第2 章甲硫甲基苯基砜和芳基丙炔醛的合成 2 1 甲硫甲基苯基砜的合成 o g u r a 等报道一种合成甲硫甲基苯基砜( m p s ) 的方法【3 7 】( 简称o g u r a 法) ，合 成路线如下： 91 2 丝2 q ：墨q 翌! 三竺， s 2 ) p h s 0 2 n a , a c o h ，a c o n a 1 0 0 ，2 6h m p s 该合成方法反应时间长，合成产率低，只有3 8 。但是由于o g u r a 法具有线路短、 条件温和、原料易得等优点，所以仍不失为制备m p s 的一种较方便的方法。若 能在此基础上缩短周期、提高产率，势必给m p s 在有机合成中的应用前景带来 改观。 2 1 1o g u r a 法的反应机理 对m p s 的合成，o g u r a 等认为可能存在两步反应过程。第一步涉及到 p u m m e r e r 重排反应【3 8 4 0 】：第二步则属于变位取代反应过程【4 1 , 4 2 】。p u m m e r e r 重排 反应可能经历如下过程： p2 a c t 9 一、 c h 3 1 曾七- c h 3 ；全笺；钿心h z 显 甲丽f c h 3 遵毛一凸一c h 3 c h 3 - - 璺一c h 3 + 一 a e o 一、 i ；警 c h 3 8 + ：c h 2 h e l l 3 8 一c + h 2 】一c h 3 s c h 2 0 a c写彳元震产【一= 一一一j u b o u 。2 u 州 二甲亚砜中，s = o 键是强极性键，硫原子带部分正电荷，而氧原子带部分负电荷。 氧负离子作为亲核中心进攻乙酸酐中的一个羰基碳，发生乙酰基的转移，此步骤 是一个慢步骤。随后脱去醋酸根负离子，生成了锍盐，该锍盐在醋酸根负离子作 用下消除一分子乙酸生成内铃盐。内绘盐发生进一步转化得到a 酰氧基二甲硫醚。 第二步则是变位取代反应。反应过程如下： 硕士学位论文 c h 3 s c h 2 0 a c + p h s 0 2 n a 一跳2 s 吼 苯亚磺酸根是两可负离子，有两个亲核中心，即以氧原子为亲核中心或以硫原子 为亲核中心。一般认为在质子型溶剂中，由于氧比硫更容易形成强有力的氢键， 致使氧的反应性减弱。合成m p s 的第二步是在质子型溶剂冰醋酸中进行的。所 以，真正的亲核中心已不是氧原子，而是硫原子。亚磺酸钠的硫原子进攻a 一酰氧 基二甲硫醚的亚甲基，脱去醋酸根负离子，生成m p s 。 2 1 2o g u r a 法的改进 本实验室在对反应机理充分了解的基础上，通过以下几个方面改进了该反 应： i ) 通过对比实验选择了n a 3 p 0 4 作为第一步反应的平衡促进物质并优化了它 的用量。在此基础上，优化了第一步反应的时间，使第一步反应的时间由原来的 2 4h 减少为1 2h ； i i ) 通过对比实验选择了氯乙酸作为第二步反应的辅助质子供体并优化了它 的用量； i i i ) 通过对比实验确定了d m s o 和乙酸酐用量的最佳比例。 改进后的o g u r a 法，使用磷酸钠作为平衡移动促进物质，以氯乙酸为辅助质 子供体，一锅法合成硫试剂m p s ，不仅使m p s 的产率从文献的3 8 提高到5 l ， 而且使反应时间大大缩短。改进后的m p s 的合成路线如下： 0 。! ! 垒! 至q ! 型生! q 璺! ! 旦竺：! 兰皇 s 2 ) p h s 0 2 n a ，a c o h ，a c o n a c i c h 2 c o o h ，1 0 0 ，2 4h 2 2 芳基丙炔醛的合成 2 2 1 芳基丙炔醛的合成路线 通过比较文献上报道的合成方法【4 3 4 6 1 的优劣，包括反应步骤的长短和反应操 作的难易等，本文确定了由卤代芳烃出发，经过s o n o g a s h i r a 反应和氧化反应两步 合成芳基丙炔醛的方法。具体合成路线如下： 芳二炔甲硫醚类化合物的一锅合成研究 r x + j h 篇誉瑞 7 a - 7 f 酱r 一c h 。 9 a - g f r ：a ，n 0 2 ；b ，c l ；g ，h ；d ，c h 3 ；e ，c h 3 0 ；e ix ：b ro ri 反应中用到的六种卤代芳烃原料，除了对氯溴苯和碘苯是市售试剂外，其余 四种原料是实验室合成的。合成方法如下： 。斟 c h ， n i - 1 2 d n i t ： c h 3 i ，k 2 c 0 3 a c e t o n e 1 2 ，n a h c 0 3 呸n 一 7 曩 c 屿 7 d c 邺 研 7 e - m 1 0 1 ) n a n 0 2 ，h c l 2 ) 2 2 2 重要反应讨论 2 2 2 1 重氮化反应 对硝基碘苯，对甲基碘苯和对二碘苯的制备都经历了类似的两步反应。首先， 取代苯胺在酸性介质中与亚硝酸作用，生成重氮盐，该过程称为重氮化反应。第 二步反应是碘化钾与重氮盐发生取代反应，生成取代碘苯。重氮化反应是一个很 重要的反应，通过该反应制得的重氮盐可以作为合成许多有机化合物的中间体。 重氮化反应机理【4 7 】如图2 1 。 重氮盐的制备方法是将芳胺溶解或者悬浮于过量的稀酸中( 酸的物质的量为 芳胺的2 5 倍左右) ，把溶液冷却至o 5 ，然后加入与芳胺等物质的量的亚硝酸 钠水溶液。重氮盐的制备要注意三点。第一，反应温度的控制。因为重氮盐一般 不稳定，稍高的温度就会使它发生分解，所以要严格控制反应温度。一般是通过 冰水浴将反应温度控制在0 5 。为了防止反应体系温度升高，可往反应体系中 州1 一| 掣 竽 d 一动 d 一动 9 硕上学位论文 加一些冰块。第二，酸的用量。酸常用盐酸或硫酸。酸的用量一般为芳胺物质的 量2 5 3 个摩尔量，1 个摩尔量的酸与亚硝酸钠反应生成亚硝酸，另外1 个摩尔量 的酸生成重氮盐，余下的过量的酸是为了维持溶液一定的酸度，防止重氮盐与未 起反应的胺发生偶联。第三，亚硝酸钠的用量。重氮化反应通常使用比计算量多 3 - 5 的亚硝酸钠。过量的亚硝酸易导致重氮基被硝基取代而降低产率。所以，滴 加亚硝酸钠溶液的过程中要用碘化钾淀粉试纸检验硝酸钠是否过量。若试纸变 蓝，表明亚硝酸钠已经过量。 4 - h o n o + h + ；= = = d th 2 0 n o + h 2 0 n o = ；= = = = = = = = = t i m n o +h20 甲h 2h 2 i 南- n o o 且b 卡 旷n旷n 亭b 寺b h n i n o b h 2 6 h h n ，n 号b 1 r 一 一h + 0。l h ，o ! ： h 2 0 图2 1 重氮化反应机理 2 2 2 2s o n o g a s h i r a 反应 芳基丙炔醇的制备利用了一个很重要的偶联反应：s o n o g a s h i r a 反应。 s o n o g a s h i r a 反应通常指在钯铜混合催化剂的催化下，卤代芳烃或卤代烯烃与端 基炔烃之间发生的交叉偶联反应【4 引。该反应是制备取代炔烃的很重要的方法。上 图2 2 表示了这种反应的机理【4 9 1 。首先催化量的c u i 和炔反应生成炔铜，炔铜与 p d ( p p h 3 ) 2 c 1 2 发生金属转移化反应，再进行还原消除得到p d o ( p p h 3 ) 2 。然后零价的 钯与r x 发生氧化加成，接着与另一当量的炔铜发生金属转移化反应，最后再发 生还原消除，生成偶联产物，同时再生成零价钯，从而完成整个催化循环。此类 反应中经常有少量的炔的二聚物( d i m m e r ) 生成。胺在反应中起着非常重要的作用， 首先胺可以促进炔铜的产生，其次可以吸收反应中产生的卤化氢。 + 多 n * b 芳二炔甲硫醚类化合物的一锅合成研究 p h 3 p h 3 一a m i n e c c h p p h h 。3 p p p d ”二三喜：十 p d o ( p p h 3 ) 2 c y c l ea p ，i l l 茎 i ) 氧化加成； i i ) 金属转移化： i i i ) 还原消除； b b 卧4-=-si、mebr3等景( 3 二；芸= 尝警马 e x c e s s ) 。 ：z 5 w 0 s o n o g a s h i r a 偶联反应的结果与反应底物和反应条件紧密相关。本文利用卤代 芳烃和丙炔醇制备芳基丙炔醇，反应以p d ( p p h 3 ) 2 c 1 2 和c u i 为催化剂，以无水甲 苯和二异丙胺溶液为溶剂，在氮气保护下进行。实验结果表明，在上述反应条件 下，不同卤代烃( 指卤代芳烃，下同) 的反应活性存在如下关系：碘代烃 溴代烃 氯代烃。碘代烃反应活性最高，在常温下即可反应，反应很迅速，两个小时甚至 更短时间即可反应完全。溴代烃则需要在较高的反应温度和较长的反应时间。本 文中对氯苯基丙炔醇的合成是在7 0 左右反应5 个小时，对甲氧基苯基丙炔醇 的合成则是在7 0 左右反应一天。氯代烃反应活性较差，在较高温度下也不发 生反应，对氯苯基丙炔醇的合成就是利用了氯与溴的反应活性差异。 2 3 实验部分 2 3 1 仪器和试剂 x t - 4 型双目显微熔点测定仪，温度计未校正；n i c o l e t6 7 0 0 型傅里叶变换红 娘町 硕上学位论文 外光谱仪，k b r 压片；j e o ll a m b d a5 0 0 型或v a r i a ni n o v a 4 0 0 高分辨核磁共振 仪，t m s 为内标，c d c l 3 为测定溶剂。所有化学试剂和溶剂均为市售化学纯或分 析纯产品。甲苯和二异丙胺加入c a h 2 回流，使用前经蒸馏处理。 2 3 2 实验步骤 2 3 2 1 甲硫甲基苯基砜( m p s ) 的合成 在装有冷凝管的1 5 0m l 反应瓶中，加入d m s o ( 5 0m m o l ，3 5 4m l ) 、乙酸酐( 7 5 m m o l ，7 0 7m l ) 2 x f 之磷酸钠( 1 2 5m m o l ，2 0 5g ) ，在8 0 时反应1 2h 后使反应冷却至 室温。然后在不断搅拌下依次加入冰醋酸( 4 0m l ) 、无水乙酸钠( 5 5m m o l ，4 5 lg ) 和氯乙酸( 3 0m m o l ，2 8 4g ) ，最后加入苯亚磺酸钠( 1 1 2 5m m o l ，1 8 4 5g ) ，然后在 1o o 下持续反应2 4h 。反应完后向反应体系中加入水( 2 0 0m l ) ，二氯甲烷萃取。 萃取液分别用水、饱和n a c l 水溶液洗涤，无水n a 2 s 0 4 干燥，过滤后减压蒸除溶剂。 粗产物通过硅胶柱层析分离【坎石油醚) ：v ( a c o e t ) = 7 ：1 】，得n 5 1 8g 甲硫甲基苯 基砜( m p s ) ，收率5l 。 m p s ：无色晶体，m p 8 5 8 6 ( 文献值【5 1 1 ：8 6 5 8 7 5 ) 2 3 2 2 化合物1 0 的合成 化合物1 0 按文献方法【5 2 1 制备。 2 3 2 3 化合物7 a 的合成 将对硝基苯胺( 1 0g ，7 2 4 6m m 0 1 ) ) 3 i 2 n 装有浓盐酸( 1 8m l ) 和水( 3 0m l ) 的烧杯 中，冰水浴冷却。在搅拌下，从滴液漏斗逐滴加入亚硝酸钠( 5 3g ，7 6 8 1m 0 1 ) 与水 ( 2 0m l ) 配成的溶液。保持反应温度不超过5 。滴加完毕，继续反应一段时间使 重氮化反应完全。然后往反应液中滴加碘化钾( 18g ，o 1 1m 0 1 ) 与水( 1 0 0m l ) 配成的 溶液，滴加完毕，在室温下继续反应，直到没有气体产生为止。反应液用二氯甲 烷萃取，有机相依次用饱和n a h s 0 3 水溶液和饱和n a c l 水溶液洗涤，无水n a 2 s 0 4 干燥。过滤除去固体后，减压蒸除溶剂，残余物用石油醚重结晶，得到l5 9 2g7 a ， 收率为8 8 。 7 a ：淡黄色固体，m p 1 7 3 1 7 4 ( 文献值【5 3 】：1 7 4 ) 2 3 2 4 化合物7 d 的合成 将对甲基苯胺( 1 0 7g ，0 1m 0 1 ) n 入装有浓盐酸( 3 0 m l ) 和水( 3 0m l ) 的烧杯中， 冰水浴冷却。在搅拌下，从滴液漏斗逐滴加入亚硝酸钠( 7 7g ，0 11m 0 1 ) 与水( 2 0m l ) 配成的溶液。保持反应温度不超过5 。滴加完毕，继续反应一段时间使重氮化 反应完全。然后往反应液中滴加碘化