9-[4'-(吡啶-2-位)-(1,1'-联二苯-4-位)]-3,6-咔唑二硼酸的合成及表征

黄海方，范和良，孔亚芬，朱偲偲

(钦州学院 海洋学院，广西 钦州 535011)

9-[4'-(吡啶-2-位)-(1,1'-联二苯-4-位)]-3,6-咔唑二硼酸的合成及表征

黄海方，范和良，孔亚芬，朱偲偲

(钦州学院 海洋学院，广西 钦州 535011)

以咔唑和1,4-二溴苯为初始原料，经Ullmann反应、NBS亲电取代反应、Suzuki偶联和有机锂试剂法等反应，合成了9-[4'-(吡啶-2-位)-(1,1'-联二苯-4-位)〗-3,6-咔唑二硼酸，并对影响反应的重要因素进行了考察和讨论。采用1H NMR，元素分析等方法对产品的纯度和结构进行了分析表征。

Ullmann反应；Suzuki偶联；NBS亲电取代

芳基硼酸作为一种重要的中间体，在有机合成中的应用非常广泛[1-2]。它具有化学性质稳定、反应温和、能长期保存且反应活性较高的特性，芳基硼酸与卤代烃的Suzuki偶联反应的位置选择性和立体选择性好，是形成C-C键的重要途径。其在有机合成反应如C-O键、C-N键、C-S键的形成反应中也具有非常重要的应用[3-4]。

然而，目前对芳基单硼酸的合成研究比较多，有关芳基双硼酸及多硼酸合成的研究很少[5]。本文以咔唑和1,4-二溴苯为初始原料，经Ullmann反应、NBS亲电取代反应、Suzuki偶联和有机锂试剂法等反应，合成了9-[4'-(吡啶-2-位)-(1,1'-联二苯-4-位)〗-3,6-咔唑二硼酸，其合成路线图1。

图1 目标化合物的合成路线

Fig.1 Synthetic route of the target product

1 实验部分

1.1 主要仪器及试剂

德国 Bruker Esquire 3000 型离子阱电喷雾质谱仪；Avance-400MHz核磁共振仪(瑞士Bruker公司)；Flash EA1112元素分析仪；X-4显微熔点仪(上海精密仪器厂)；阶梯升华仪。

对溴苯胺、吡啶、咔唑(96%)、2,4-二溴苯、碘化亚铜(98%)、三甲基硼酸脂、正丁基锂(英国Alfa Aesa公司)；四(三苯基磷)合钯(99.5%)(北京盛维特公司)；邻菲罗啉、NBS、；盐酸，亚硝酸钠，氢氧化钠、碳酸铯和碳酸钾等均为市售分析纯。

1.2 实验方法

1.2.1 2-(4-溴苯基)吡啶(1)的合成

在250 mL三颈瓶中加入15.0 g (0.09 mol)对溴苯胺、30 mL浓盐酸和15 mL水，开启搅拌使对溴苯胺溶解。置冰盐浴中冷却至-10 ℃，缓慢滴加9.0 g (0.13 mol) 的饱和亚硝酸钠溶液。控制滴加速度，使温度保持在-5 ℃左右(不能超过5 ℃)。将所得重氮盐溶液缓慢滴加到40 mL吡啶中，60 ℃下反应4h。加氢氧化钠溶液调至pH值>12，继续反应8 h。用二氯甲烷萃取3?4次，合并有机相，旋干，残渣用200～400目硅胶作固定相、石油醚作洗脱剂过柱，蒸馏回收溶剂。所得黄色固体用阶梯升华仪升华，升华梯度：60，50，40，30，20 ℃(短管)。得白色晶体14.03 g，收率：67.2 %，mp: 59～60 ℃。1HNMR (CDCl3, TMS) δ: 8.71?8.72 (d, 1H); 7.89～7.92 (d, 2H); 7.80～7.81 (t, 1H); 7.63～7.64 (t, 1H); 7.60～7.61 (d, 2H); 7.30～7.28 (d, 1H); 元素分析，C11H8NBr，实测值 (理论值), %:C,56.21 (56.41);H, 3.96 (3.42);N, 5.59 (5.98)。

1.2.2 4-(2-吡啶基)苯硼酸(2)的合成

250 mL三颈瓶中加入20.0 g (0.086 mol) 2-(4-溴苯基)吡啶和100 mL无水四氢呋喃，开启磁力搅拌，通氮气除氧并用乙醇/干冰浴冷却到-78 ℃，半小时后逐滴滴加46.6 mL (2.4 M, 0.11 mol)正丁基锂，维持反应在-78 ℃下反应1h，然后快速加入29.3 mL (0.258 mol)三甲基硼酸酯，在此温度下继续4～5h，升至室温并过夜。用冰盐浴冷却到0 ℃，缓慢滴加盐酸(2.0 mol/L)调节pH值= 6，升至室温继续反应5h；用乙醚萃取四次合并有机相，减压蒸干，所得固体用用硅胶(200～400 目)作固定相，石油醚和乙酸乙酯(体积比：2:1)作洗脱机柱层析，得白色固体9.89 g，收率：57.8 %，mp: 237～239 ℃；1HNMR (CDCl3, TMS) δ : 8.73～8.77 (d, 1H); 8.03～8.05 (d, 2H); 7.84～7.86 (t, 2H);7.70～7.72 (d, 2H); 7.28 (s, 1H)。

1.2.3 9-(4-溴苯基)-9H-咔唑(3)的合成

将15.0 g (0.09 mol)咔唑，25.5 g (0.11 mol) 2,4-二溴苯，37.3 g (0.27 mol)碳酸钾，5.4 g (0.03 mol)邻菲罗啉和130 mL无水邻二甲苯加入到250 mL三颈瓶中，通氮气除氧30 min，快速加入5.7 g (0.03 mol) CuI，继续通氮气30 min，然后缓慢加热至回流，氮气保护下反应36h。冷却至室温后抽滤，并用二氯甲烷多次洗涤，滤液减压浓缩得红褐色残渣，然后用硅胶(200～400目)作固定相，石油醚和二氯甲烷(体积比：30:1)作洗脱机柱层析，所得白色固体用乙醇重结晶，得白色条状晶体22.35 g，收率：77.12 %，mp: 135～138 ℃；1H NMR (400MHz, CDCl3) δ: 7.29 (d,J=16.4 Hz, 2 H); 7.45 (t,J=11.6Hz, 6H); 7.73 (d, J = 6.8 Hz, 2H); 8.14 (d, J = 6.8 Hz, 2H); 元素分析，C18H12BrN，实测值(理论值)，% : C, 65.65 (67.10); H, 3.23 (3.75); N, 4.23 (4.35)。

1.2.4 3,6-二溴-9-(4-溴苯)-9H-咔唑(4)的合成

将3.5 g (0.01 mol) 9-(4-溴苯基)-9H-咔唑和50 mL二氯甲烷加入到150 mL三颈瓶中，开启磁力搅拌，用冰盐浴冷却到0 ℃，在避光条件下用恒压滴液漏斗逐滴滴加4.45 g (0.025 mol) NBS的二氯甲烷溶液，滴加完毕后在0 ℃下继续反应8～9h；加水淬灭反应，半小时后用二氯甲烷萃取三次，合并有机相并减压蒸干，所得残渣用硅胶(200～400目)作固定相，石油醚和二氯甲烷(体积比：10:1) 作洗脱机柱层析，所得白色固体用用阶梯升华仪升华，升华梯度：165 ，165 ，155 ，145 ，135,125 ℃(长管)。得浅黄色棉絮状固体3.77 g，收率：79.0 %，mp: 196～198 ℃；元素分析，C18H10Br3N，实测值(理论值)，%: C, 45.24 (45.05); H, 2.17 (2.10); N, 2.67 (2.92)。

1.2.5 3,6-二溴-9-[4'-(吡啶-2-位)-(1,1'-联二苯-4-位)〗-9H-咔唑(5)的合成

将4.30 g (0.009 mol) 3,6-二溴-9-(4-溴苯)-9H-咔唑，1.50 g (0.0075 mol) 4-(2-吡啶基)苯硼酸，60 mL甲苯，30 mL乙醇和7.33 g (0.0225 mol)碳酸铯饱和水溶液加入到150 mL三颈瓶中，通氮气除氧30 min后，快速加入0.35 g (0.3mmol)四三苯基磷钯，继续通氮气30 min，然后加热回流6～8h。冷却至室温后分液，水相用甲苯萃取三次合并有机相，减压浓缩，所得粗品用硅胶(200～400目)作固定相，石油醚和乙酸乙酯(体积比：2:1)作洗脱机柱层析，所得粗品用阶梯升华仪升华，升华梯度：235，225，215 ，205 ，195 ℃(短管)。得白色固体2.98 g，收率：71.9 %，mp: 251?255 ℃；元素分析，C29H18Br2N2，实测值(理论值)，%: C, 63.72 (62.84); H, 3.07 (3.25); N, 5.25 (5.06)。

1.2.6 9-[4'-(吡啶-2-位)-(1,1'-联二苯-4-位)〗-3,6-咔唑二硼酸(6)的合成

250 mL三颈瓶中加入2.67 g (0.0048 mol) 3,6-二溴-9-[4'-(吡啶-2-位)-(1,1'-联二苯-4-位)〗-9H-咔唑和80 mL无水四氢呋喃，开启磁力搅拌，通氮气除氧并用乙醇/干冰浴冷却到-78 ℃，半小时后逐滴滴加6.5 mL (2.5 M, 0.014 mol)正丁基锂，维持反应在-78 ℃下反应1h，然后快速加入3.38 mL (0.03 mol)三甲基硼酸酯，在此温度下继续4～5h，升至室温并过夜。用冰盐浴冷却到0 ℃，缓慢滴加盐酸(2.0 mol/L)调节pH值 = 6，升至室温继续反应5h；用乙醚萃取四次合并有机相，减压蒸干，所得固体用用硅胶(200～400目)作固定相，石油醚和乙酸乙酯(体积比：1:1) 作洗脱机柱层析，得浅黄色固体 1.17 g。收率：50.8 %，mp>350 ℃；ESI-S (m/z) C29H22B2N2O4，实测值(理论值)：484.95 (484.18) [M]+。

2 结果与讨论

2.1 3,6-二溴-9-(4-溴苯)-9H-咔唑(5)的合成

此反应的机理属于亲电取代，其产率受反应条件的影响极大甚至导致反应失败，此反应首先应该在黑暗的条件下进行且反应温度应控制0 ℃以下才能按亲电取代机理进行，如果在有光条件下或温度过高则按自由基取代机理进行。9-(4-溴苯基)-9H-咔唑与NBS的物质的量比对其产率的影响。

表1 9-(4-溴苯基)-9H-咔唑与 NBS 的物质的量比对其产率的影响

由表1可知，适当增加NBS的量有利于提高产物的收率，随着NBS的用量增加产物的收率也随着增加，但增加到9-(4-溴苯基)-9H-咔唑的2.5倍以上时，收率增加的幅度明显减缓，所以NBS与9-(4-溴苯基)-9H-咔唑的物质的量比为2.5时最佳。

2.2 9-[4'-(吡啶-2-位)-(1,1'-联二苯-4-位)〗-3,6-咔唑二硼酸(6)的合成

在制备9-[4'-(吡啶-2-位)-(1,1'-联二苯-4-位)〗-3,6-咔唑二硼酸的反应中，首先，反应温度最好控制在-78 ℃左右，如果温度过高，产率明显降低；其次，正丁基锂是很强的有机碱，为避免反应激烈而导致不充分，正丁基锂需要缓慢滴加。在我们的重复实验中发现，半小时左右(10mL)的滴加时间为最佳，过快加入会导致产率降低；在加入硼酸三甲脂时，由于硼酸三甲脂在-78 ℃的条件下容易结块，最好快速的加入反应中，以防其结在玻璃壁上而导致产率降低；最后，在加完正丁基锂后，最好让其反应1小时后，再加入硼酸三甲脂，再将反应液在-78 ℃反应3～4h。

3 结论

本文以咔唑和1,4-二溴苯为初始原料，经Ullmann反应、NBS亲电取代反应、Suzuki偶联和有机锂试剂法等反应，合成了9-[4'-(吡啶-2-位)-(1,1'-联二苯-4-位)〗-3,6-咔唑二硼酸，产率高达50.8%，整条路线简单，易于操作，产率高。

[1] 李月琴，陶 弦，徐慧华，等.3',4',5'-三氟联苯-4-苯硼酸的合成及表征[J].化学试剂, 2010, 32(5) : 455-457.

[2] 刘国权，王闪闪，梁九娣，等. 5-三氟甲基-2-氯-4-吡啶硼酸的合成研究[J].河北科技大学学报, 2014, 35(4) : 330-333.

[3] 钟为慧，叶海伟，刘振玉，等. 含氟苯硼酸的合成及应用研究进展[J].有机化学, 2009, 29(5) : 665-671.

[4] 李英奇，彭雨春.合成芳基硼酸及其酯的研究进展[J].化学试剂, 2006, 28 (3) : 149-152.

[5] 蒋欢妹,邓 燕,张永强,等.对叔丁基苯硼酸的合成及表征[J].精细化工中间体, 2007, 37 (1) : 34-36.

(本文文献格式：黄海方，范和良，孔亚芬，等.9-[4'-(吡啶-2-位)-(1,1'-联二苯-4-位)]-3,6-咔唑二硼酸的合成及表征[J].山东化工，2017，46(10)：4-6.)

Synthesis and Characterization of 9-(4'-(pyridin-2-yl)-[1,1'-biphenyl]-4-yl)carbazole-3,6-diyl)diboronic acid

HuangHaifang,FanHeliang,KongYafeng,ZhuCaicai

(School of Ocean, Qinzhou University, Qinzhou 535011, China )

9-(4'-(pyridin-2-yl)-[1,1'-biphenyl]-4-yl)carbazole-3,6-diyl)diboronic acid materials have been synthesized by Ullmann reaction, NBS electrophilic substitution, Suzuki cross-coupling reaction, Organic lithium reagent method using carbazole and 1,4-dibromobenzene as the starting materials. The conditions which influence the reaction result were investigated and discussed. The purity and structure of the products were characterized by1H NMR, Elementary analysis ,Mass spectrum.

Ullmann reaction; Suzuki cross-coupling; NBS electrophilic substitution

2017-03-28

广西中青年教师基础能力提升项目资助

黄海方 (1982—)，山东菏泽人，实验员，硕士研究生，研究方向：有机发光材料的合成与应用。

O627.31

A

1008-021X(2017)10-0004-03