碘在有机合成中的应用研究进展

1、中国 科技论文在线 碘在有机合成中的应用研究进展何莉苹 1,许柱 2,周敏 1,蔡佩君 1作者简介:何莉苹(1987-,女,化工专业大四本科在读通信联系人:蔡佩君,男,副教授,研究方向为浮选药剂合成及应用 . E-mail: pjcai(1. 中国矿业大学化工学院,江苏徐州 221116;2. 中国矿业大学环境与测绘学院,江苏徐州 221116摘要:碘作为一种有机催化剂被广泛应用于有机化学领域。 按反应类型研究碘作为催化剂在 有机化学中的应用,主要反应有去保护基、催化含氮化合物、烯丙基化反应及其它反应。研 究表明,它作为一种催化剂具有收率高、反应时间短、选择性高、操作简单等优点。因此碘 可为绿

2、色有机合成、药物合成、新型催化反应开辟新途径,具有良好的应用前景。 关键词: I; Catalysts ; Organic Reaction; Appliance; Research progress中图分类号:O621.3Research Progress on the Application of I2 in OrganicSynthesisHE Liping1, XU Zhu2, ZHOU Min1, CAI Peijun1(1. School of Chemical Engineering & Technology, China University of Mining &am

3、p; Technology,Xuzhou 221116, P. R. China;2. School of Environmental and Spatial Informatics, China University of Mining & Technology,Xuzhou 221116, P. R. ChinaAbstract: As an organic catalyst, iodine finds an important role in organic reactions. Many studies are focused on its application, such

4、as group protection, catalytic nitrogen, allylation reaction, and so on. The results show that it has many advantages in organic reactions, including high yield, short reaction time, convenient operation and high selectivity. It has opened a new avenue for green organic synthesis, drug synthesis, ne

5、w catalytic reaction, which leads to promising applications.Key words: I; Catalysts ; Organic Reaction; Appliance; Research progress0 引言随着人类科学的迅速发展,碘被人们广泛应用于各个领域。 单质碘(I2是紫黑色有 金属光泽的鳞片状晶体,微溶于水、易溶于有机溶剂、易升华。 碘是制造各种无机及有机 碘化合物的重要原料, 也是人体和动植物不可缺少的元素之一。 它处于元素周期表第A 族的最下端, 具有较大的原子半径和多层电子结构, 使它除具有该族元素的通性外, 还 具

6、有一定的特殊性质, 如能催化有机化学反应, 因而受到有机化学界的重视。 碘催化的 有机化学反应具有收率高、反应时间短、选择性高等优点, 成为迄今最为活跃的研究领域 之一。碘作为催化剂已经被广泛应用于有机化学中, 引起人们的极大关注。 因为在众多的酸 性催化剂中, 质子酸催化有机反应具有副反应多、 后处理工艺复杂、 对反应设备腐蚀严重、 对环境污染严重等缺点。 而某些固体酸和 Lewis 酸催化剂具有原料难得、催化效率低、反 应温度高等不足。 除了被当作氧化剂 【1,2】 外, 研究表明, 碘还作为一种催化剂具有易得、 高效、操作简单等优点, 碘可以发生去保护基反应、催化含氮化合物发生反应、烯丙

7、基化反 中国 科技论文在线应及其它反应。 因此已被广泛用于有机合成, 具有很好的应用前景。1去保护基有机合成中的保护基团法不仅在实验室有广泛应用, 而且在今天的药物合成工业中也被频繁地应用着。合成上保护基的问题往往容易解决的, 而去保护基步骤常是整个合成的压轴戏, 许多的合成工作因不能顺利除去保护基而失败。 在多种保护基的选择性脱除时,一个保护基的脱除不影响另外的保护基显得十分重要。 I2催化剂可以选择性的脱除不同醚的保护基。Ren 课题组 3报道了使用 1% 碘的甲醇溶液能够将由 D-核糖核苷及 2-脱氧-D-核糖核苷上的低级醇衍生而得的醋酸酯基进行脱去(Scheme 1。Gogoi 等 4

8、报道了催化量的碘在含有表面活性剂(十二烷基磺酸钠的水中能够对肟或亚胺进行脱除反应而生成相应的酮或醛。对于烷基醚和烷氧基烷基醚, I2为催化剂,在不同溶剂中可以选择性去除对甲氧基苄基醚(PMB5, 三苯甲基醚(Tr, 二对甲氧苯基苯甲基醚(DMTr6, 2-甲基-2-丁烯醚(Pre7,四氢吡喃醚(THP8,9, 苯乙酮的邻位甲氧基甲基醚(MOM和邻位 PMB 10。 所有这些反应均在温和条件下进行, 产率高。对于硅醚, I2为催化剂, 在 MeOH 溶剂中可以选择性去除 t-BuMe2Si(TBDMS或 TBS 11,该法产率高, 条件温和, 操作简便。 在室温时, 只去除烷基 TBS, 而芳基

9、 TBS 不受影响 12(Scheme 1。 1% (w/vIMeOH 98%100%Scheme 1另外, 缩醛或缩酮在 I 2催化下, 也可高产率的去除保护基(Eq.113。 Kalita 等 14报道在碘催化下, 在微波照射下醛或环酮与 1,2-乙二醇反应得到 1,3-二氧戊环, 脂肪酮不反应。Karimi 等 15发展了另一种使羰基缩醛化的方法, 用 1,3-二(三甲基硅氧丙烷(BTSP1在碘催化下在二氯甲烷中与羰基化合物 2反应, 高产率制备 1,3-二氧杂环己烷 3(式 1。 位阻大的酮如二苯甲酮和樟脑延长反应时间也能得到中等收率的产物。 该方法条件温和, 酸敏感的基团如酚酯、TH

10、P 和 TBDMS 醚不被裂解。2催化含氮化合物碘被广泛地用于合成一些重要的含氮化合物。 在乙醇中, 碘能催化氨基二烯酮发生环化并脱水生成 2,3,6-三取代吡啶 16。 氮杂环丙烷不仅是有机合成中的有用中间体, 而且它们具有重要的生物活性。 以 I 2为催化剂, 可以方便、高效地合成氮杂环丙烷类化合物。Banik 等 17用钐和碘作催化剂将亚胺还原合成了胺类衍生物。 在这里, Sm- I2还原 中国 科技论文在线 体系并不是以 Sm I2存在, 而实际上是 Sm I3。 此反应用甲醇作溶剂, 各种亚胺都可以 与钐和碘反应并具有很高的选择性。 实验证明, 目标产物取决于起始亚胺的结构。 尽 管

11、钐和碘相互作用生成何种物质目前还不能证实, 通过假设两种竞争反应途径从而导致 了还原产物或则二聚产物的生成, 这些就合理地解释了最终的产物分布。 Qin 等 18用碘催化 N-叔丁基亚砜基亚胺与吲哚室温偶联制备双吲哚甲烷(Scheme 2,产率一般高于 90%, 仅当亚胺碳上带 2-呋喃基时产率(51%较低, 认为碘对亚胺进攻导致 其亲电性增强是催化作用的原因。 Scheme 2Liu 等 19用碘催化含烯烃基的乙酸酯对 N-烃基化吲哚环烃基化, 反应的区域选择性很 好, 主要为 3-烃基化产物。 认为碘是通过与酯结构中的烯丙基形成碘鎓而起作用(Scheme 3, 苯环上的取代基对该反应没明显

12、影响, 氮上含吸电子基时, 反应时间延长。 B rPh B BScheme 33 烯丙基化反应Lewis 酸促进下烯丙基三甲基硅烷与羰基合物之间的烯丙基化反应(Sakurai-Hosomi反应形成碳-碳键的重要方法之一。 用碘作催化剂, 各脂肪和芳香醛与烯丙基三甲基硅烷 反应, 碘与烯丙基三甲基硅烷形成的碘化三甲基硅烷可能是该反应有效的进剂。 碘还可以 有效地催化醛、苄氨基酸酯和烯丙基三甲基硅烷三化合物的反应生成保护的高烯基胺 【20】 。 Phukan 20用苯甲醛、 氨基甲酸苄酯和烯丙基三甲基硅烷在碘催化下一锅法合成了均烯丙基胺。 该法操作简单、快速,在室温下反应即可发生, 同时可得到很好

13、的产率20。 碘用 量的增加会使产率下降, 溶剂对产率也有影响, 并且碘比目前报道的任何催化剂的催化活 性都好。Yadav 等 21用碘催化环状烯丙基乙酸酯与烯丙基或炔基三甲基硅烷反应(Scheme 4, 取代环烯烃的产率 70%90%, 而非环状烯丙基乙酸酯及环烷基乙酸酯不能反应。 碘催化下 1-芳基炔丙醇也能与炔基三甲基硅烷进行22类似的亲核取代形成二炔类化合物。 Sri-hari等 23用碘催化 1-芳基炔丙醇与醇、酚及吲哚亲核取代, 1-芳基炔丙醇的芳环含给电子基有利 于反应。 A c A cScheme 4Yadav 等 24用碘催化烯丙基三甲基硅烷对 N-酰化喹啉在常温下环烯丙基化

14、, 反应的化学及区域选择性很好。 Rao等 25用碘催化取代烯丙醇对 1,3-二羰基化合物的 2-位烯丙基化(Scheme 5, 产物以反式为主, 产率达 99%。 二氯甲烷为反应的最佳溶剂, 在苯、甲苯、 THF、乙腈、水等试剂中产率降低。R 24R OH 5mol%I,r.t. 22R 24RScheme 54 其它反应4.1 合成炔酮,-不饱和炔羰基化合物是合成杂环化合物的重要前体和合成核苷、非蛋白氨基 酸、信息素及药物的中间体。 虽然它们的合成有多种方法,但每种方法多少都存在缺陷。 Yadav 等 26研究发现用碘催化的酰氯和炔基硅烷反应是制备,-不饱和炔羰基化合物最 有效的方法之一。

15、 该反应在二氯甲烷中室温就可进行, 等摩尔的酰氯和二(三甲基硅乙 炔反应生成单酮炔, 2摩尔酰氯和 1摩尔二(三甲基硅乙炔反应则生成 1,4-二酮炔。4.2 Reformatsky反应Reformatsky 反应可以同时实现碳链的增长和官能团的转变, 在有机合成中有着重要 作用。 Ross27报道在高强度超声波(HIU作用下, 苯酮、锌与-溴代酸酯在催化量的碘 催化下在二烷中 4142 发生 Reformatsky 反应, 生成-羟基酸酯。 但在此条件下, 苯 乙酮与-氯代乙酸乙酯不反应, 异丙基苯基酮与-溴代异丁酸乙酯反应, 得到了 66% 的 -内酯。除了上述反应外, 最近报道, 碘还被用

16、来催化烯糖和聚甲基氢硅氧烷反应合成 3,6-二 氢吡喃衍生物28, 吲哚与不饱和酮的 Michael 反应 29, 扁桃酸、乳酸与醛的反应 30, 烯基 三甲基硅烷、 三甲基氰硅烷和 N-乙酰化喹啉的加成反应合成 2-丙烯基和 2-氰基-1,2-二氢 喹啉衍生物 31, 羰基化合物、胺和三甲基氰硅烷三化合物的缩合反应制备-氨基腈 32等。4.3四氢呋喃开环聚合反应很长时间人们认为四氢呋喃能聚合成高分子量的聚合物, 但一直没有实现工业化。 原 因是缺少合适的工业催化剂, 文献 33叙述了用碘作催化剂在不同条件下合成了聚四氢呋 喃。 反应条件分别为室温、加热及低温,并试图用嘧啶-碘络合物、Icl

17、3、CF 3SO 3H、IBr 来 聚合四氢呋喃。 温度及碘的用量对这一反应有影响, 温度升高产率增大, 而碘用量的增 加也会提高产率。 作者认为这一反应的机理为:四氢呋喃与碘发生化学反应, 形成一种电 荷-转移络合物, 这种络合物可视为氧鎓离子和三碘化物或五碘化物平衡离子33。4.4-酮-烯醇醚的合成Bhosale 等 34用碘催化环-二酮与不同的醇反应, 高产率地生成了-烯醇醚 (Scheme 6 。H R Scheme 64.5 醚的选择性裂解Keith 35阐述了碘催化下用无水甲醇作溶剂, 在室温下成功地将稳定的甲氧基甲醚和 4-甲氧基苯基醚裂解。 已证实在此反应中, 碘和甲

18、醇在气相中反应生成 HI 和其它物质, 在液相中有酸生成也表明 I 2/MeOH溶液具有弱酸性。 Lipshutz等 36在甲醇中用碘催化烃基 硅基醚的选择性分解, 烷基醚优先于芳基醚分解, 反应的化学选择性较好。Lokhande 等 37在 DMSO 中用碘催化芳香族烯丙基醚分解, 反应在 130半小时完成, 产率 85%97%, 认为 碘起氧化剂的作用。 Yadav等 38在室温、 无溶剂条件下用碘催化酰氯与醚反应, 反应时间 2 7 h, 环醚产生-氯代酯, 而非环醚高选择性地产生酯和氯代烃, 分离产率 71%93%。 5结束语碘是一个方便易得、价格便宜、低毒且使用范围很广的试剂, 由它

19、催化的大多数反应 条件温和、反应速度快, 后处理简便、耐水和具有一定的立体和区域选择性。 在有机合 成中得到了广泛的应用, 尤其在药物合成领域具备潜能。 相信在今后的有关研究中, 碘 仍会受到化学家的广泛关注, 新的反应还会不断出现, 必将会为推动碘的发展和进步做出 贡献。致谢在这篇论文的撰写过程中, 蔡佩君副教授和周敏教授给予了莫大的指导。 对他们辛勤的 付出在此表示衷心的感谢! 相信通过这篇论文的写作, 必将会为今后的科研工作奠定坚实的 基础。参考文献 (References1 Yadav J S, Subba Reddy B V, Sabitha G, et al.An Efficien

20、t Co(II Catalyzed Auto Oxidation of 1,4-Dihydropyridines J . Synthesis, 2000, 1532-1534.2 Fujiki K, Tanifuji N, Sasaki Y, et al. New and Facile Synthesis of Thiosulfonates from Sulfinate/Disulfide/I2 System J . Synthesis, 2002, 343-348.3 Ren B, Cai L, Zhang L, et al. Selective deacetylation using io

21、dinemethanol reagent in fully acetylatednucleosides J. Tetrahedron Lett. 2005, 46 (47: 8083-8086.4 Gogoi P, Hazarika P, Konwar D J. Surfactant/I-2/Water: An efficient system for deprotection of oximes and imines to carbonyls under neutral conditions in water J. Org.Chem. 2005, 70(5: 1934-1936.5 Vain

22、o A R, Szarek W A. IODINE IN METHANOL: A simple selective method for cleavage of中国科技论文在线 p-methoxybenzyl ethers J. Synlett 1995 (9: 1157-1158. 6 Wahlstrom J L, Ronald R C. Detritylation of ethers using iodine-alcohol reagents: An acid-catalyzed reaction J . Org.Chem. 1998, 63(17: 6021-6022. 7 Vatele

23、 J M. Iodine in Dichloromethane - A Simple Method for Selective Cleavage of Prenyl Ethers J. Synlett 2001 (12: 1989-1991. 8 Sampath Kumar H M, Subba Reddy BV, Jagan Reddy E, et al. Iodine catalyzed mild and efficient tetrahydropyranylation / depyranylation of alcohols J. Chem.Lett. 1999, 28(9: 857-8

24、58. 9 Ramasamy K S, Bandaru R, Averett D. A Simple and Convenient Method for the Deprotection of Tetrahydropyranyl Ether Using Iodine in Methanol J. Synth. Commun. 1999, 29(16: 2881-2894. 10 Keith J M. Selective ortho-cleavage of methoxymethyl- and 4-methoxybenzyl ethers J.Tetrahedron Lett. 2004, 45

25、(13: 2739-2742. 11 Vaino A R, Szarek W A. A mild and efficient method for the deprotection of tert-butyldimethylsilyl ethers using iodine in methanol J . Chem.Commun. 1996: 2351-2352. 12 Lipshutz B H, Keith J. Selective deprotection of alkyl vs. aryl silyl ethers J.Tetrahedron Lett. 1998, 39 (17: 24

26、95-2498. 13 Szarek W A, Zamojski A, Tiwari K N, et al. A new, facile method for cleavage of acetals and dithioacetals in carbohydrate derivatives J . Tetrahedron Lett. 1986, 27 (33: 3827-3830. 14 Kalita D J, Borah R, Sarma J C. A new selective catalytic acetalization method promoted by microwave irr

27、adiation J . Tetrahedron Lett., 1998, 39(25: 4573-4574. 15 Karimi B, Golshani B. Synthesis, 2002 (6: 784-788. 16 Bagley M C, Glover C, Chevis D. Synlett. 2005 (4: 649-651. 17Banik B K, Zegrocka O, Banik I, et al. Samarium-induced iodine-catalyzed reduction of imines: synthesis of amine derivatives J

28、. Tetrahedron Lett, 1999, 40 (37: 6731-6734. 18 Ke B, Qin Y, He Q, et al . Preparation of bisindolylalkanes from N-tert-butanesulfinyl aldimines J . Tetrahedron Lett. 2005, 46 (10: 1751-1753. 19Liu Z, Liu L, Shafiq Z, et al. Iodine-catalyzed allylation and propargylation of indoles with allylic and

29、propargylic acetates J. Tetrahedron Lett. 2007, 48(23: 3963-3967. 20 Phukan P. Idoine as a very powerful catalyst for three- component synthesis of ptoteccted homoallylic amines J. J. Org. Chem. 2004, 69(11: 4005-4006. 21Yadav J S, Reddy B V S, Rao K V, et al. First example of molecular iodine-catal

30、yzed allylation and alkynylation of cyclic allylic acetates J . Tetrahedron Lett. 2004 (34: 6505-6507. 22Yadav J S, Reddy B V S, Thrimurtulu N, et al . The first example of alkynylation of propargylic alcohols with alkynylsilanes catalyzed by molecular iodineJ. Tetrahedron Lett.2008, 49(12: 2031-203

31、3. 23Srihari P, Bhunia D C, Sreedhar P, et al. Iodine-catalyzed C- and O-nucleophilic substitution reactions of -6- 中国科技论文在线 aryl-propargyl methanols J. Tetrahedron Lett. 2007, 48 (46: 8120-8124. 24Yadav J S, Reddy B V S, Srinivas M, et al. Allylation and cyanation of aza-aromatics activated by chlo

32、roformate and a catalytic amount of iodine J . Tetrahedron Lett. 2005, 46 (20: 3489-3492. 25Rao W D, Tay A H L, Goh P J, et al. Iodine-catalyzed allylation of 1,3-dicarbonyl compounds with allylic alcohols at room temperature J . Tetrahedron Lett. 2008, 49 (1: 122-126. 26 Yadav J S, Reddy B V S, Red

33、dy M S. Elemental Iodine-CatalyzedCoupling of Alkynylsilanes with Acid Chlorides: A Facile Synthesisof ,-Acetylenic Ketones J. Synlett, 2003 (11: 1722-1724. 27 Ross N A, Bartsch R A J. High-Intensity Ultrasound-Promoted Reformatsky Reactions J. J. Org. Chem. 2003, 68(2: 360-366. 28 Yadav J S, Reddy

34、B V S, Premalatha K, et al. First example of the activation of polymethylhydrosiloxane with molecular iodine: a facile synthesis of 3,6-dihydropyran derivatives J. Tetrahedron Lett. 2005, 46 (15: 2687-2690. 29 Banik B K, Fernandez M, Alvarez C. Iodine-catalyzed highly efficient Michael reaction of i

35、ndoles under solvent-free condition J . Tetrahedron Lett. 2005, 46 (14: 2479-2482. 30 Banik B K, Chapa M, Marquez J, et al. A remarkable iodine-catalyzed protection of carbonyl compounds J . Tetrahedron Lett. 2005, 46 (13: 2341-2343. 31 Yadav J S, Reddy B V S, Sriivas M, et al. Allylation and cyanation of aza-aromatics activated by chloroformate and a catalytic amount of iodine J . Tetrahedron Lett., 2005,