伊顿试剂一步法芳环偶联合成联咔唑

＊袁杰 李泽才 曹培 陈润锋*

（1.南京工业职业技术大学 江苏 210023 2.南京邮电大学 江苏 210023）

在有机光电材料的制备过程中，芳环分子的二聚化是提高材料热物理和光化学性能的重要策略[1-2]，例如通过C-C[3]、C-N[4]或N-N[5]化学键直接连接咔唑可以形成咔唑二聚体，即联咔唑。联咔唑由于优异的热稳定性、高三线态能级以及良好的空穴传输性能，已经被广泛应用在发光材料、空穴传输材料和主体材料中[6]。

目前有两种合成方法可以构建这种芳基-芳基C(sp2)-C(sp2)键，一种是金属催化的芳香卤化物与有机硼、芳基镁卤化物或有机锡烷之间通过Suzuki[7]、Kumada[8]或Stille[9]交叉偶联反应实现。另一种是双C-H键脱氢偶联，包括路易斯酸活化的肖尔偶联反应和氧化剂催化的芳环氧化偶联反应[10-11]。其中，第一种方法在联芳基制备中应用广泛，但该反应通常需要两种不同的前体以及金属配合物催化剂，原材料成本较高。另一种方法看似具有很高的经济价值，但该反应通常需要在高温下使用FeCl3、MoCl5和K3[Fe(CN)6]等氧化剂或腐蚀性的AlCl3，反应危险性大，后处理比较困难[12]。

Eaton试剂（伊顿试剂）是一种包含7.7wt%五氧化二磷（P2O5）的甲磺酸溶液，可以用来代替多聚磷酸用于酰基化反应，如关环反应等[13]。该试剂是一种无色液体，具有价格低廉、易于获取，反应后处理简单无残留等优点。我们偶然发现，在伊顿试剂辅助作用下，N-苯基咔唑可以通过双C-H键脱氢偶联反应生成9,9'-二苯基-9H,9'H-3,3'-联咔唑，而无需使用反应溶剂和催化剂。通过对反应条件和反应机理仔细研究发现，新发现的芳香C(sp2)-C(sp2)偶联反应是一种由伊顿试剂触发的芳基正离子型肖尔反应。此外，我们还探讨了不同反应条件对产率的影响，为制备新型多环芳烃有机光电材料提供依据。

1.实验部分

(1)仪器试剂

Ultrashield™ 400 PLUS型核磁共振仪（CDCl3为溶剂，TMS为内标）；LCT Premier XE型高分辨质谱；Elementar Vario MICRO型元素分析仪；Agilent 6230型高效液相色谱质谱联用仪；Bruker D8 Quest型单晶测试仪。

伊顿试剂，N-苯基咔唑（97%），两者皆为市售分析纯，未额外提纯。

(2)9,9'-二苯基-9H,9'H-3,3'-联咔唑的合成

为防止伊顿试剂吸水失活，反应在氮气保护下进行。在常温常压下，将1.5g N-苯基咔唑放置在50mL的圆底烧瓶中，110℃加热搅拌直至原料完全熔化。在5min内将0.78mL伊顿试剂逐滴缓慢加入，反应液由无色逐渐变成深褐色。反应12h后加入10mL甲醇或水，继续搅拌2h以猝灭反应。反应物用二氯甲烷萃取后加入适量硫酸镁干燥，液相色谱检测9,9'-二苯基-9H,9'H-3,3'-联咔唑产率为46%。未反应原料经回收重复利用，多次反应综合产率可达70%。在反应物中加入硅胶粉后进行减压蒸馏，用体积比20:1的石油醚和二氯甲烷混合溶剂作为洗脱剂进行柱层析，得白色产物。产物经过三次重结晶后得到无色透明晶体（溶剂为体积比1:1的石油醚和二氯甲烷，其分子结构如图1所示）。

图1 9,9'-二苯基-9H,9'H-3,3'-联咔唑的晶体结构图

9,9'-二苯基-9H,9'H-3,3'-联咔唑的表征：1H NMR (400MHz,CDCl3):δ=8.47(s,2H),8.26-8.24(d,2H),7.80-7.77(d,2H),7.67-7.59(m,8H),7.53-7.42(m,8H),7.36-7.26(m,2H).13C NMR(100MHz,CDCl3):δ=141.37,140.05,137.80,134.38,129.93,127.46,127.10,126.06,125.85,123.99,123.58,120.44,120.00,118.91,110.03,109.91.HRMS([M+1]+,FAB):calcd.for C36H24N2,484.1939;found,484.1931.Anal.calcd.for C36H21N2:C 89.23,H 4.99,N 5.78;found:C 89.02,H 4.94,N 5.66。

2.结果与讨论

(1)不同反应条件对9,9'-二苯基-9H,9'H-3,3'-联咔唑产率的影响

①伊顿试剂用量（以P2O5量计算）对9,9'-二苯基-9H，9'H-3,3'-联咔唑产率的影响a)

分别用不同伊顿试剂量对N-苯基咔唑进行偶联反应，其结果见图2。

图2 伊顿试剂用量对目标产物产率的影响

结果表明，不同用量的伊顿试剂均能使N-苯基咔唑发生偶联反应并生成目标产物。从伊顿试剂用量角度看，当伊顿试剂用量较少时，不能使N-苯基咔唑有效转化，因而产率较低；而催化剂用量过大时，则会因为产生副产物降低产率。当伊顿试剂与N-苯基咔唑的当量比为1:10时最佳。

②反应温度对9,9'-二苯基-9H,9'H-3,3'-联咔唑产率的影响

研究了反应温度对N-苯基咔唑偶联反应的影响，数据如图3所示。

图3 反应温度对目标产物产率的影响

由图3可见，当温度低于100℃时，N-苯基咔唑未熔化，反应无法进行；当温度为100℃时，可能因为反应温度较低，伊顿试剂反应活性不够；而当温度高于120℃时，由于N-苯基咔唑汽化导致反应产率降低。因此，110℃是较为理想的反应温度，同时该方法对反应温度变化的耐受性较好，在100℃至120℃范围内产率基本恒定。

③反应时间对9,9'-二苯基-9H,9'H-3,3'-联咔唑产率的影响

考察了反应时间对9,9'-二苯基-9H,9'H-3,3'-联咔唑产率的影响，实验结果见图4。

图4 反应时间对目标产物产率的影响

结果显示，9,9'-二苯基-9H,9'H-3,3'-联咔唑的产率会随着反应时间的延长先增加后降低。当反应时间低于12h，N-苯基咔唑转化不完全，而超过12h，则可能发生两种情况：一种是偶联反应的逆向反应导致的；另一种是生成的9,9'-二苯基-9H,9'H-3,3'-联咔唑进一步转化为高聚物导致产率降低。

④其他因素对9,9'-二苯基-9H,9'H-3,3'-联咔唑产率的影响

除此之外，也考察了纯P2O5或甲磺酸、二氯甲烷溶剂、气体氛围对反应的影响，结果如表1所示。

表1 其他因素对目标产物产率的影响

反应温度为110℃，n(P2O5):n（N-苯基咔唑）=1:10，反应时间为12h。

结果表明，该反应在纯P2O5或甲磺酸存在的条件下并未生成9,9'-二苯基-9H,9'H-3,3'-联咔唑，这也从侧面证明伊顿试剂对该反应的重要作用。当反应体系加入二氯甲烷溶剂后，反应未发生，可能是由于溶剂稀释后，芳基正离子间距增加，反应不易发生。当气体氛围由氮气变为空气后，反应产率出现较大降低，原因可能是空气中的水汽会影响伊顿试剂的活性。

(2)伊顿试剂辅助芳环偶联反应的反应机理

为了揭示这种芳环C(sp2)-C(sp2)偶联机理，我们研究了不同条件下的反应情况（见表1）。当反应中仅使用P2O5时，未检测到9,9'-二苯基-9H,9'H-3,3'-联咔唑，表明该反应不属于氧化偶联反应范畴，因为P2O5是伊顿试剂中唯一的氧化剂；当反应中仅使用另一个成分甲磺酸或加入有机溶剂时，同样未检测到9,9'-二苯基-9H,9'H-3,3'-联咔唑。此外，该反应可以在空气氛围中以较低的产率进行。因此，我们提出该芳香C-C偶联反应是一种伊顿试剂触发的芳基正离子型肖尔反应，如图5所示。

图5 伊顿试剂辅助的芳环偶联反应机理

在反应过程中，远离N-苯基咔唑分子中心且具有最高反应活性的3-C(sp2)原子先结合伊顿试剂中甲磺酸电离出来的质子形成碳正离子，随后该碳正离子攻击另一个N-苯基咔唑的3-C(sp2)位置并实现C-C偶联。偶联后，发生脱氢芳构化以形成稳定的联芳基结构。因为C(sp2)-C(sp2)键合在反应过程中是最慢的，且在反应过程中未生成其他中间体和副产物，如图6所示，进一步证实了该反应属于芳基正离子型反应机制。

图6 化合物（a）N-苯基咔唑、（b）9,9'-二苯基-9H,9'H-3,3'-联咔唑以及（c）反应液的液相色谱质谱图

3.结论

发展了伊顿试剂辅助的C(sp2)-C(sp2)偶联反应新方法，实现了9,9'-二苯基-9H,9'H-3,3'-联咔唑的一步法合成。与经典的金属催化交叉偶联和其他脱氢偶联反应相比，新方法克服了偶联反应普遍存在的步骤长、过程复杂、试剂价格昂贵等缺点。此外，该方法后处理简单无残留，非常有利于进一步推广及应用。