4,7-非對稱二取代苯并噻二唑的合成*

桑言奎， 單益凡， 趙麗華， 湯 杰， 楊 帆

(華東師范大學(xué) 化學(xué)系，上海 200062)

2,1,3-苯并噻二唑衍生物作為重要的發(fā)色團被廣泛應(yīng)用于光電材料分子的設(shè)計與性質(zhì)研究[1～4]。例如，以2,1,3-苯并噻二唑為重要單元的聚合物、富勒烯-2,1,3-苯并噻二唑[5，6]、噻吩-2,1,3-苯并噻二唑[7，8]、咔唑-2,1,3-苯并噻二唑[9]等顯示了特有的電荷傳輸和電致發(fā)光性能。一些以2,1,3-苯并噻二唑為基本單元的系列小分子是潛在的紅光發(fā)光材料[2，10]和雙光子吸收材料[11，12]。

目前關(guān)于2,1,3-苯并噻二唑類衍生物的研究報道雖然較多，但大多集中在4,7-位對稱結(jié)構(gòu)的合成與性質(zhì)研究，且合成方法也較單一(即通過4,7-位雙溴化，再偶聯(lián)得到相應(yīng)的化合物)。Marappan Velusamy等[13]報道了4,7-位非對稱的二取代苯并噻二唑D-π-A型染料分子具有很好的光電轉(zhuǎn)換效率[13]，但對于4,7-位非對稱二取代苯并噻二唑衍生物的合成方法卻報道較少。

本文以以鄰甲苯胺為起始原料，經(jīng)3步反應(yīng)制得4-甲基-2,1,3-苯并噻二唑(1)； 1經(jīng)α-溴代水解制得4-羥甲基-2,1,3-苯并噻二唑(3)； 3再經(jīng)IBX(2-碘酰基苯甲酸)選擇性氧化合成了4-甲?；?2,1,3-苯并噻二唑(4)。1經(jīng)環(huán)上溴代和α-溴代制得4-溴-7-溴甲基-2,1,3-苯并噻二唑(6)； 6經(jīng)水解和IBX選擇性氧化制得4-甲酰基-7-溴-2,1,3-苯并噻二唑(8)。 8與給電子基團通過縮合或偶聯(lián)反應(yīng)合成了具有4,7-位非對稱苯并噻二唑D-π-A型分子結(jié)構(gòu)的新化合物4-甲?；?7-N,N-二甲氨基-2,1,3-苯并噻二唑(9)和4-甲?；?7-[4-(N,N-二甲氨基)]苯基-2,1,3-苯并噻二唑(10)(Scheme 1)，其結(jié)構(gòu)經(jīng)NMR和HR-MS表征。該路線為合成系列4,7-位非對稱官能化的二取代苯并噻二唑砌塊提供了一條有效的途徑。9和10的光電性質(zhì)測試正在進行中。

Scheme1

1 實驗部分

1．1 儀器與試劑

Bruker-500型核磁共振儀(CDCl3為溶劑，TMS為內(nèi)標(biāo)); Bruker micrOTOF Ⅱ型高分辨飛行時間質(zhì)譜儀。

所用試劑為分析純，使用前經(jīng)純化或干燥處理。

1.2 合成

(1) 1的合成

在三頸瓶中加入乙酸酐65 mL，攪拌下于室溫滴加鄰甲苯胺10.7 mL(<40 ℃)，滴畢，反應(yīng)30 min。冷卻至10 ℃～12 ℃得粉紅色漿狀物,緩慢滴加65%濃硝酸12.6 mL，滴畢,反應(yīng)1 h。倒入冰水(300 mL)中，抽濾,濾餅用冰水(3×100 mL)洗滌后轉(zhuǎn)移至燒瓶中，加入濃鹽酸30 mL，回流反應(yīng)2 h。冷卻至室溫，攪拌下加入H2O(150 mL)，析出橙黃色沉淀，攪拌30 min；抽濾，濾餅用水(3×7 mL)洗滌，干燥得粗品；用乙醇重結(jié)晶得橙黃色針狀晶體2-甲基-6-硝基苯胺(Ⅰ)7.3 g， m.p.94 ℃～96 ℃，與文獻值一致。

將Ⅰ 1.52 g(10 mmol)溶于EtOH(40 mL)中，攪拌下加入10%Pd/C 0.30 g，通入氫氣，于室溫反應(yīng)2 h。用硅藻土過濾，濾餅用EtOH洗滌，合并濾液和洗液，濃縮得3-甲基-1,2-苯二胺(Ⅱ)，收率98%。

將Ⅱ 3.7 g(30 mmol)溶于二氯甲烷(60 mL)中，攪拌下加入三乙胺16 mL，滴加二氯亞砜7 mL,滴畢，回流反應(yīng)6 h。冷卻至室溫，滴加水30 mL，用1 mol·L-1NaOH溶液中和后用二氯甲烷(3×30 mL)萃取，合并萃取液，用飽和食鹽水洗滌,無水Na2SO4干燥，濃縮，殘余物經(jīng)硅膠柱層析[洗脫劑：A=V(石油醚) ∶V(乙酸乙酯)=20 ∶1]純化得淡黃色油狀物1 3.1 g，收率69%。

(2)3的合成

在反應(yīng)瓶中加入1 1.05 g(7 mmol)， BPO(過氧化苯甲酰)60 mg和CCl415 mL，攪拌使其溶解；于50 ℃加入NBS(N-溴代丁二酰亞胺)1.25 g(7 mmol)，回流反應(yīng)30 min。冷卻，抽濾，濾餅用CCl4洗滌，合并濾液和洗液，濃縮得淡黃色針狀固體4-溴甲基-2，1，3-苯并噻二唑(2)1.7 g。

2用二氧六環(huán)(20 mL)和飽和Na2CO3溶液(40 mL)溶解后回流反應(yīng)30 min。冷卻，分層，水層用乙酸乙酯萃取，合并有機層，用飽和食鹽水(2×10 mL)洗滌，無水Na2SO4干燥，濃縮，殘余物經(jīng)硅膠柱層析(洗脫劑：A=20 ∶1)純化得米黃色固體31.0 g，收率86%；1H NMRδ: 2.75(t,J=8.0 Hz, 1H, OH), 5.17(d,J=8.0 Hz, 2H, CH2), 7.56～7.61(m, 2H, ArH), 7.93(d,J=8.0 Hz, 1H, ArH)。

(3)4的合成

在反應(yīng)瓶中加入30.27 g(1.5 mmol)和DMSO 10 mL，攪拌使其溶解；加入IBX 0.84 g(3 mmol)，于40 ℃～50 ℃反應(yīng)2 h。冷卻，加水30 mL，析出白色固體，抽濾，濾餅用乙酸乙酯淋洗;合并濾液與洗液,分層,水層用乙酸乙酯萃取，合并有機層，分別用飽和NaHCO3溶液和飽和食鹽水(2×15 mL)洗滌，無水Na2SO4干燥，濃縮得淺黃色固體40.22 g，收率89%；1H NMRδ: 7.80(m, 1H, ArH), 8.22(d,J=8.0 Hz, 1H, ArH), 8.31(d,J=8.0 Hz, 1H, ArH), 10.87(s, 1H, CHO)。

(4) 4-甲基-7-溴-2,1,3-苯并噻二唑(5)的合成

在反應(yīng)瓶中加入11.5 g(10 mmol)和氫溴酸10 mL,攪拌使其溶解;加入Br20.6 mL(12 mmol)，回流反應(yīng)12 h。冷卻，倒入40 mL冰水中，用二氯甲烷(3×10 mL)萃取，合并有機相，分別用飽和亞硫酸氫鈉溶液飽和食鹽水洗滌，無水Na2SO4干燥，濃縮，殘余物經(jīng)硅膠柱層析(洗脫劑：A=10 ∶1)分離得淺黃色固體5 1.9 g，收率83%。

(5)6的合成

用合成2[1．2(2)]的方法由5制得淡黃色針狀固體6 1.5 g；1H NMRδ: 4.94(s, 2H, CH2), 7.54(d,J=4.0 Hz, 1H, ArH), 7.82(d,J=4.0 Hz, 1H, ArH)。

(6) 4-甲?；?7-溴-2,1,3-苯并噻二唑(8)的合成

用合成3[1．2(2)]的方法由6制得4-溴7-羥甲基-2，1，3-苯并噻二唑(7)。用合成4[1．2(3)]的方法由7制得白色固體80.38 g，總收率82%(以6計算)。

(7) 9的合成

在反應(yīng)瓶中加入8 0.37 g(1.5 mmol)和二甲胺水溶液15 mL,攪拌下回流反應(yīng)2 h。抽濾，濾餅用水洗滌后用二氯甲烷(10 mL)溶解，用飽和食鹽水洗滌，干燥,濃縮得紅色固體9 0.21 g，收率68%;1H NMRδ: 3.60(s, 6H, NCH3), 6.46(d,J=8.0 Hz, 1H, ArH), 8.04(d,J=8.0 Hz, 1H, ArH), 10.31(s, 1H, CHO)； HR-MS(ESI)m/z: Calcd for C9H10N3OS 208.054 0, found 208.054 5{[M+1]+}。

(8) 10的合成

在單頸瓶中依次加入4-(N,N-二甲氨基)苯硼酸0.25 g(1.5 mmol)， 8 0.37 g(1.5 mmol), K3PO4·3H3O 1.2 g(4.5 mmol), 1×10-4mmol·mL-1CPC(N,N-二甲基-3-氯芐胺環(huán)鈀)1.5 mL,二氧六環(huán)12 mL和水7 mL， N2保護，攪拌下于120 ℃反應(yīng)6 h。冷卻、濃縮，加水(50 mL)和乙酸乙酯 (40 mL)，分層，水層用乙酸乙酯(2×30 mL)萃取，合并有機相，用無水Na2SO4干燥，減壓濃縮，殘余物經(jīng)硅膠柱層析(洗脫劑：A=5 ∶1)分離得紅色固體10 0.38 g，收率90%;1H NMRδ： 3.09(s, 6H, NCH3), 6.87(d,J=8.0 Hz, 2H, ArH), 7.81(d,J=8.0 Hz, 1H, ArH), 8.03(d,J=8.0 Hz, 2H, ArH), 8.25(d,J=8.0 Hz, 1H, ArH), 10.71(s, 1H, CHO);13C NMRδ: 188.9, 162.6, 151.3, 143.0, 133.5, 130.8, 124.8, 124.4, 123.8, 112.0, 100.5, 40.2； HR-MS(ESI)m/z: Calcd for C15H14N3OS 284.085 8, found 284.085 2{[M+1]+}。

2 結(jié)果與討論

在由Ⅱ環(huán)合合成1的過程中，通常采用吡啶作堿，由于吡啶在后處理時難以徹底除去，并且氣味較大，所以本文嘗試用三乙胺代替吡啶，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)物易于處理，收率也較好。

在2水解合成3時，用飽和碳酸鈉溶液替代文獻[14]方法中的高氯酸銀水溶液進行水解，不僅試劑價格低廉、方便易得，而且產(chǎn)率也較高，溴代和水解兩步總收率達(dá)86%(63%[14])。

3和7可經(jīng)選擇性氧化制備4和8。IBX作為一種溫和、高選擇性和環(huán)境友好的氧化劑，可高效地將伯醇氧化為醛。經(jīng)實驗探索，在IBX/DMSO體系中，本文分別以89%和82%的收率得到了4和8。

在10的合成中，本實驗室采用新型催化劑CPC高效催化8與4-(N,N-二甲氨基)苯硼酸的Suzuki偶聯(lián)，以90%的收率得到了偶聯(lián)產(chǎn)物10。

[1] Neto B A D, Lopes A S, Ebeling G,etal. Photophysical and electrochemical properties ofπ-extended molecular 2,1,3-benzothiadiazoles[J].Tetrahedron,2005,61:10975-10982.

[2] Justin K R, Lin J T, Velusamy M,etal. Color tuning in benzo[1,2,5]thiadiazole-based small molecules by amino conjugation/deconjugation:Bright red-light-emitting diodes[J].Adv Funct Mater，2004,14:83-90.

[3] Zhang X, Gorohmaru H, Kadowaki M,etal. Benzo-2,1,3-thiadiazole-based,highly dichroic fluorescent dyes for fluorescent host-guest liquid crystal displays[J].J Mater Chem，2004,14:1901-1904.

[4] Kraft A, Grimsdale A C, Holmes A B. Electroluminescent conjugated polymers-seeing polymers in a new light[J].Angew Chem Int Ed Engl，1998,37:402-428.

[5] Herguth P, Jiang X, Liu M S,etal. Highly efficient fluorene- and benzothiadiazole-based conjugated copolymers for polymer light-emitting diodes[J].Macromolecules，2002,35:6094-6100

[6] Hou Q, Xu Y, Yang W,etal. Novel red-emitting fluorene-based copolymers[J].J Mater Chem，2002,12:2887-2892.

[7] Jayakannan M, Van Hal P A, Janssen R A J. Synthesis and structure-property relationship of new donor-acceptor-type conjugated monomers and polymers on the basis of thiophene and benzothiadiazole[J].J Polym Sci:Part A:Polym Chem，2002,40:251-261．

[8] Karikomi M, Kitamura C, Tanaka S,etal. New narrow-bandgap polymer composed of benzobis(1,2,5-thiadiazole) and thiophenes[J].J Am Chem Soc，1995,117:6791-6792.

[9 Huang J, Niu Y, Yang W,etal. Novel electroluminescent polymers derived from carbazole and benzothiadiazole[J].Macromolecules，2002,35:6080-6082.

[10] Yang Z D, Feng J K, Ren A M. Theoretical study of one-photon and two-photon absorptionproperties for 2,1,3-benzothiadiazole-based red-fluorescent dyes[J].Journal of Molecular Structure:Theochem，2008,848:24-33.

[11] Sonar P, Singh S P, Sudhakar S,etal. High-mobility organic thin film transistors based on benzothiadiazole-sandwiched dihexylquaterthiophenes[J].Chem Mater，2008,20:3184-3190．

[12] Zhou Y, He Q, Yang Y,etal. Binaphthyl-containing green- and red-emitting molecules for solution-processable organic light-emitting diodes[J].Adv Funct Mater，2008,18：3299-3306.

[13] Marappan V, Justin T K R, Lin J T,etal. Organic dyes incorporating low-band-gap chromophores for dye-sensitized solar cells[J].Org Lett，2005,7(10):1899-1902.

[14] Chan M K, Kwok W H, Zhang H,etal. Cyclic bis-benzimidazole ligands and metal complexes thereof[P].US 6 376 664,2002.