苯肼作为引发剂的碱促进均裂芳环取代反应研究

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(安徽工程大学 生物与化学工程学院，安徽 芜湖 241000)

联苯结构存在于众多有生物活性的自然产物中，这些结构可以作为潜在的功能材料或者药物的重要成分来研究[1-5]．过渡金属催化的偶联反应是前些年研究的重点，但是这类反应却有着无法逃避的缺点，比如，毒性和大量的金属废弃物[1-3]．虽然目前对过渡金属催化偶联反应的研究还是很多，但也出现了更为有价值的碱催化均裂芳环取代反应(Base Promoted Homolytic Aromatic Substitution,BHAS)的方法来研究得到相应的目标产物.两种催化方法的对比如图1所示.这类反应一般有单电子转移(Single Electron Transfer,SET)的过程，经历了自由基反应的历程．这种反应类型的发现为联苯化合物的合成提供了新的方法，也体现了绿色化学发展的趋势[4-10]．

图1 两种催化方法的对比图

1 材料及方法

1.1 材料

试剂、药品均为直接购买并且没有进一步除杂提纯．

1.2 方法

利用气相色谱(Agilent 7890A)及气质联用(Trace DSQ)的方法来跟踪反应，分离出来的产物用核磁共振氢谱碳谱结合质谱来定性产物．

2 结果与讨论

2.1 反应机理的分析

由于最近双胺配体结合叔丁醇钾的高效催化组合的出现，BHAS反应受到了极大关注．以下是BHAS反应的机理图示，其中芳基自由基加到苯肼衍生物上形成相应的六元环状自由基，在碱的作用下进一步得到联苯衍生物自由基阴离子；再通过电荷转移和起始原料作用，得到最终产品和卤代芳烃自由基负离子，由此生成的卤代芳烃自由基负离子随后又参与了催化循化,反应机理如图2所示．

图2 反应机理分析

2.2 模板反应

反应以对苯与甲基碘苯的反应来考察不同的反应条件．反应在温度为100 ℃，碱为叔丁醇钾的情况下，考察了催化剂为PhNHNH2的反应用量，发现产率随催化剂的用量的减少而降低，但10 mol%为较经济的用量；也考察了模板反应用不同碱的情况，发现叔丁醇钾是较理想的用碱；变换反应温度，当温度为85 ℃时，反应得到的产物产率明显下降；也考察了不同的催化剂对模板反应的影响，发现苯肼是较为理想的催化剂．据此，确定了反应的最佳反应条件：叔丁醇钾为碱，10 mol%的苯肼为催化剂和100 ℃的反应温度．模板反应的最佳条件选择如表1所示.

表1模板反应最佳条件选择a

编号碱催化剂/mol%温度/℃反应产率b/%1KOt-BuPhNHNH2(40)100852KOt-BuPhNHNH2(20)100833KOt-BuPhNHNH2(10)10084(73)4KOt-BuPhNHNH2(5)100815KOt-BuPhNHNH2(3)100316KOt-BuPhNHNH2(10)85627NaOt-BuPhNHNH2(10)100Trace8LiOt-BuPhNHNH2(10)100Trace9KOHPhNHNH2(10)100Trace10K2CO3PhNHNH2(10)100Trace11KOt-BuPhN(Me)NH2(10)100Trace12KOt-BuPhNHNMe2(10)100Trace13KOt-BuPhNHNHPh(10)10070

注：a对甲基碘苯0.5 mmol，碱2 mmol，苯5 mL，bGC产率(内标法)

2.3 催化体系的底物拓展以及机理讨论

更多的卤代芳烃反应底物被纳入考察(表2，1-15)，不同的反应底物在较优反应条件下，反应均可以顺利进行．卤素取代位置不同的邻、间、对碘代芳烃也纳入了考察，反应也都能得到较高的产率，这体现出了反应的通适性．反应对溴苯和氯苯也进行了考察，但催化效果并不理想，反应还能得到三联苯产物，并且反应原料为4-Cl-Ph-I，4-Br-Ph-I和4-I-Ph-I时反应都能得到相应三联苯产物，并且产率差别不大(表2，10-12)．

为了更加深入地探究反应机理，自由基捕获试验如图3所示，将两种常用的自由基捕获剂1,1'-二苯基乙烯(diyldibenzene)与2,2,6,6-四甲基哌啶-氮-氧化物(Tempo)加入到模板反应中，加入后反应不能顺利地检测出产物的存在，说明模板反应应该存在着自由反应的历程．反应可以以自由基正常的链反应归类，有引发阶段、增长阶段和终止阶段，并且反应的副产物可以由GC-MS断定，为引发剂苯肼得到的苯自由基和产物的结合．反应可能的机理及副产物推测如图4所示.

表2苯肼作为引发剂促进芳基卤化物与苯直接C-H芳基化的底物拓展a

编号底物反应产率b/%1Ph-I812Ph-Br293Ph-Cl1044-MeO-Ph-I8654-Me-Ph-I8463-Me-Ph-I7372-Me-Ph-I3282-MeO-Ph-I59

编号底物反应产率b/%94-I-Ph-I66104-Br-Ph-I63114-Cl-Ph-I73124-F-Ph-I69134-NC-Ph-I65143-pyridyl-I72153-thienyl-I73

注：a1(0.5 mmol)，PhNHNH2(1.5 mmol)，叔丁醇钾(2 mmol)，苯(5 mL)，100 ℃，bGC产率(内标法)

图3 自由基捕获实验

图4 反应可能的机理及副产物推测

3 结论

以苯肼作为引发剂可以促进无过渡金属参与的偶联反应，可高效地得到相应的偶联反应产物．苯肼经济易得具有现实的合成意义．同时，提出了反应碱促进的均裂芳环取代这一反应机理，并做了相应的机理研究．此研究为以后无过渡金属自由基催化提供了研究思路和实验资料．

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