3-溴-9-苯基咔唑的合成

李 猛，呂宏飛，李淑輝，王艷華，楊 杰

（黑龍江省科學(xué)院石油化學(xué)研究院，黑龍江哈爾濱150040）

有機(jī)電致發(fā)光二極管（OLED）是近年來(lái)熱門(mén)的領(lǐng)域。相對(duì)于液晶顯示器（LCD）相比，OLED具有更高的亮度，更快速的應(yīng)答時(shí)間，更高的色彩純度、視角和對(duì)比度以及更低的電壓和功耗。1990年，英國(guó)劍橋大學(xué)J.Burroughes等人開(kāi)發(fā)出高分子型發(fā)光二級(jí)管（PLED）對(duì)OLED的發(fā)展起了重要的作用[1]，使OLED可以制備更大的顯示器。目前，小分子型OLED剛剛商業(yè)化，正在應(yīng)用于手機(jī)、MP3、PDA、數(shù)碼相機(jī)、數(shù)碼攝像機(jī)等小型顯示器中。對(duì)于大型的顯示器，應(yīng)用于筆記本電腦，電視中的高分子型發(fā)光二級(jí)管在技術(shù)上已有突破，正在逐漸開(kāi)發(fā)研制中。而彎曲式有機(jī)電致發(fā)光二極管（FOLED）也是現(xiàn)在歐美、日本、韓國(guó)等國(guó)家研究的熱點(diǎn)。今后，OLED將替代LED，成為新的顯示材料，應(yīng)用在各種顯示器中，同時(shí)，科研人員正在開(kāi)發(fā)研制出應(yīng)用于照明的OLED材料，所以，OLED應(yīng)用前景異常廣闊。

OLED利用電子與空穴復(fù)合所產(chǎn)生的激子擴(kuò)散到發(fā)光層而發(fā)光，磷光發(fā)光體材料可以作為主發(fā)光材料，其化學(xué)結(jié)構(gòu)幾乎都含有具有空穴傳輸?shù)倪沁蚧鶊F(tuán)[2,3]，最常用的就是含有苯基咔唑基團(tuán)，這方面文獻(xiàn)很多[4]。而3-溴-N-苯基咔唑就是合成這一中間體的重要底物，從它可以合成的N-苯基咔唑-3-硼酸，進(jìn)而合成苯基咔唑基團(tuán)。由于3-溴-N-苯基咔唑在OLED中用量很大，目前正是OLED蓬勃興起的階段，所以3-溴-N-苯基咔唑在OLED方面將會(huì)有很大的市場(chǎng)前景。

3-溴-N-苯基咔唑也成為3-溴-9-苯基咔唑。目前，其合成方法是N-苯基咔唑在溶劑下與溴化試劑反應(yīng)得到。

1 3-溴-N-苯基咔唑的合成路線

3-溴-N-苯基咔唑的合成方法是在溶劑中，加入溴化試劑對(duì)N-苯基咔唑進(jìn)行溴化。溴化試劑通常使用NBS，也有文獻(xiàn)報(bào)道使用溴素或KBr-KBrO3，后者價(jià)格低一些，但反應(yīng)收率也差一些。日本半導(dǎo)體能源實(shí)驗(yàn)室有限公司（Semiconductor Energy Laboratory Co.LTD）發(fā)表了多篇專(zhuān)利和文章，由于專(zhuān)利合成方法相似或相同，這里不一一列舉。反應(yīng)在不同溶劑、不同溫度、不同時(shí)間下收率不同，為了便于比較，現(xiàn)分類(lèi)列表如下。反應(yīng)方程式如下：

從文獻(xiàn)上看，溴化試劑通常使用NBS，使用KBr和KBrO3也可以作為溴化試劑，但反應(yīng)收率最低，而是用液溴作為溴化試劑，丙酮重結(jié)晶后收率只有57%。反應(yīng)溫度基本上都是室溫或0℃，證明反應(yīng)和容易進(jìn)行。這樣，就要求溴化試劑與N-苯基咔唑的摩爾比要控制在1∶1，溴化試劑過(guò)量會(huì)產(chǎn)生二溴代化合物。使用冰醋酸作為溶劑的反應(yīng)收率低于二氯甲烷作為溶劑，而最常用的是使用DMF，而收率最高的是使用甲苯-乙酸乙酯混合溶劑。

表1 N-苯基咔唑的溴化反應(yīng)Table 1 Bromation of N-benylcarbazole

2 N-苯基咔唑的合成

N-苯基咔唑是3-溴代N-苯基咔唑的原料，它的合成方法很多，下面按照原料的不同分述如下。

2.1 N-苯基咔唑的芳基化

N-苯基咔唑的芳基化是指N-苯基咔唑在過(guò)渡金屬催化劑下，與鹵代芳烴反應(yīng)，脫去鹵化氫，使芳烴連接在N-苯基咔唑的N上。這個(gè)方法是著名的人名反應(yīng)——Ullmann C-N偶聯(lián)反應(yīng)[18]。反應(yīng)通常是在堿性條件下進(jìn)行，催化劑是含貴金屬Pt2+，Pd2+等化合物及其配合物，也可以是Ni2+，Cu2+等化合物，甚至是Cu粉；反應(yīng)一般在惰性氣體保護(hù)下進(jìn)行；鹵代烴主要是鹵代芳烴，如碘代芳烴，溴代芳烴。在反應(yīng)體系中，為了從經(jīng)濟(jì)角度考慮，使用Cu2+作為催化劑，采用溴代芳烴作為反應(yīng)底物是經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的。N-苯基咔唑的芳基化反應(yīng)方程式如下：

其中 X=1，Br,CI

表2 以碘苯為原料N-苯基咔唑的芳基化反應(yīng)Table 2 Arylation of N-benylcarbazole from iodobenzene

使用溴苯代替碘苯，可以降低原料的消耗定額。以溴苯為原料咔唑芳基化的反應(yīng)與碘苯為原料的反應(yīng)相類(lèi)似見(jiàn)表3。

表3 以溴苯為原料N-苯基咔唑的芳基化反應(yīng)Table 3 Arylation of N-benyl-carbazole from bromobenzene

在銅催化下，溴苯與咔唑鉀鹽在180-220℃下反應(yīng)，可以得到N-苯基咔唑[40]。

氯苯活性較低，目前文獻(xiàn)中只有一條路線。以二甲苯為溶劑，在叔丁基醇鈉作用下，加入cBRIDP配體和 bis(η3-allyl-μ-chloropalladium(II))的 Pd催化劑作用下，120℃反應(yīng)3h，收率94%[33]。

從上述反應(yīng)路線可以看出，以溴苯為底物，加入一定量的堿，使用CuI催化的Ullmann反應(yīng)是較為合理的，反應(yīng)過(guò)程中加入表面活性劑，以加快反應(yīng)速度。避免了昂貴的Pd催化劑，以及復(fù)雜的配體。

2.2 以N-苯基甲胺與鄰鹵代苯合成路線

其中，X=Br，Cl

使用醋酸鈀和三己基磷的配合物為Pd催化劑，以甲苯為溶劑，N-苯基甲胺與鄰鹵代苯在高溫下反應(yīng)，可以得到N-苯基咔唑。在105℃下，使用鄰二溴苯、1-氯-2-溴苯，鄰二氯苯為底物，得到N-苯基咔唑的收率分別為96%，88%，85%[41]。

2.3 以2,2’-二取代-1,1’-聯(lián)苯與苯胺為原料

當(dāng)聯(lián)苯的2和2’位取代有鹵素，如氯、溴、碘，或是磺酸基時(shí)，2,2’-二取代聯(lián)苯與苯胺在過(guò)渡金屬鈀的催化劑作用下，與苯胺反應(yīng)，生成N-苯基咔唑[42]。

以三(二亞芐基茚丙酮)二鈀(0)催化劑，甲苯為溶劑，2,8-二溴聯(lián)苯與苯胺為原料，在叔丁醇鈉鹽作用下，加入不同的配合物，加熱反應(yīng)，能夠得到N-苯基咔唑。

表4 苯胺與2,2’-二溴代-1,1’-聯(lián)苯合成路線Table 4 Synthesis route of aniline and 2,2’-bromo-1,1’-biphenyl

類(lèi)似地，2,2’-二氯聯(lián)苯也可以作為原料生成N-苯基咔唑。以三(二亞芐基茚丙酮)二鈀(0)催化劑，甲苯為溶劑，2,8-二氯聯(lián)苯與苯胺為原料，在叔丁醇鈉鹽作用下，100℃反應(yīng)24h，能夠得到N-苯基咔唑。再加入非離子超強(qiáng)堿，可以提高收率，達(dá)到95%[42]。

以鄰氯碘苯為原料，乙酸鈀為催化劑，三環(huán)己基膦為配體，叔丁醇鈉作用下，惰性氣體保護(hù)下，105℃下反應(yīng)18h，可以得到N-苯基咔唑，收率84%[41]。

當(dāng)聯(lián)苯的取代基一個(gè)為氯，一個(gè)為氟代烷基磺酸基時(shí)，與苯胺反應(yīng)，在三(二亞芐基茚丙酮)二鈀(0)催化下，加入配體，堿，在甲苯中100℃反應(yīng)，也會(huì)產(chǎn)生N-苯基咔唑。不同的配體催化性能不同，使用4,5-雙二苯基膦-9,9-二甲基氧雜蒽(Xantphos)時(shí)，只能得到痕量的N-苯基咔唑，使用聯(lián)苯基膦(biphenylphosphine)時(shí)，收率提高，丁醇鈉作為堿時(shí)，收率可達(dá)76%，使用磷酸鉀時(shí)，收率可達(dá)86%[45]。

當(dāng)2和2’位基團(tuán)同為氟代磺酸基時(shí)，也能夠合成N-苯基咔唑。

在以三氟乙酸銅為催化劑，二氯甲烷為溶劑，聯(lián)苯二酚三氟甲磺酸酯與苯胺在室溫下反應(yīng)50h，收率84%[46]。在以三(二亞芐基丙酮)二鈀氯仿配合物為催化劑，在磷酸鉀作用下，加入2-(dicyclohexylphosphino)-2'-methylbiphenyl配體，以甲苯作為溶劑，聯(lián)苯二酚三氟甲磺酸酯與苯胺在100℃反應(yīng)18h，收率 88%[47]。

2.4 三苯胺脫氫

在水中，Pd/C為催化劑，在250℃下反應(yīng)12h，三苯胺脫氫得到N-苯基咔唑，收率76%[48]。

在以乙酸為溶劑，乙酸鈀為催化劑，加熱反應(yīng)3h，三苯胺脫氫得到N-苯基咔唑，收率45%。

在乙腈溶劑中，光照、通氧條件下，三苯胺定量地轉(zhuǎn)化為N-苯基咔唑[49]。

在甲醇溶劑中，光照條件下，能夠使三苯胺定量地轉(zhuǎn)化為N-苯基咔唑，文獻(xiàn)中還測(cè)定了反應(yīng)動(dòng)力學(xué)以及熱力學(xué)數(shù)據(jù)[50]。

3 總結(jié)

3-溴-N-苯基咔唑的制備方法比較簡(jiǎn)單，就是N-苯基咔唑溴化的方法。其溴化試劑通常選用NBS，在室溫或0℃下進(jìn)行，收率很高。用于合成3-溴-N-苯基咔唑的底物N-苯基咔唑的合成方法較多，比較簡(jiǎn)單的是使用咔唑與鹵代苯進(jìn)行Ullmann的C-N偶聯(lián)反應(yīng)得到，其它方法都存在著底物合成困難，反應(yīng)條件復(fù)雜的情況。在合成中，選用由咔唑與鹵代苯反應(yīng)生成N-苯基咔唑，再溴化合成3-溴-N-苯基咔唑的路線是合理的。

[1]J H BURROUGHES,D D C BRADLEY,A.BROWN,et al.Light-emitting diodes based on conjugated polymers [J］.Nature,1990,348(6301)∶539～541.

[2]D M PAI,J F YANUS,M STOLKA,et al.Trap-Controlled Hopping Transport[J］.Journal of Physical Chemistry.1984,88(20)∶4714～4717.

[3]X GONG,M R ROBINSON,J C OSTROWSKI,et al.High-Efficiency Polymer-Based Electrophosphorescent Devices[J］.Advanced Materials,2002,14(8),∶581 ～ 585.

[4]卡姆.W.勞努斯蕾拉.朱布蘭 茲比格紐.托卡斯基具有新型電荷轉(zhuǎn)移化合物的用于電子照相的有機(jī)光受體CN,02148210.1[P］.2003-04-06.

[5］KAORI OGITA,SACHIKO KAWAKAMI,TSUNENORI SUZUKI,et al.,Anthracene derivative and light-emitting devices,electronic devices,and lighting device using the anthracene derivative US,7960566[P］.2011-06-14.

[6]FENG GUO-LIANG,JI SHUN-JUN,LAI WEN-YONG,et al.Synthesis and Optical Properties of Starburst Carbazoles Based on 9-Phenylcarbazole Core[J］.Synlett 2006,2006(17)∶2841-2845

[7]LIU YU,WANG HAI-YING,CHEN GANG,et al.Synthesis and Properties of Novel'Ethyne-linked'Compounds Containing Carbazole and 1,8-naphthalimide Groups[J］.Australian Journal of Chemistry,2009,62(8)∶934～940.

[8]NAKASHIMA HARUE,KUMAKI DAISUKE,KOJIMA KUMi.Carbazole derivative,and light-emitting element and light-emitting device using the carbazole derivative.WO,2006070912[P］.2006-

[9］SEO SATOSHI,NOMURA RYOJI,KAWAKAMI SACHIKO.Stilbene derivatives,light-emitting element and light-emitting device.US,7476745[P］.2009-01-13.

[10]LEE DAE-WOONG,HONG SUNG-KIL,PARK TAE-YOON,et al.novel compound and organic electronic device using same.EP,2343277[P］.2011-09-12.

[11]ROBERTO GRISORIO,ANTONIO DELL'AQUILA,GIUSEPPE ROMANAZZI,et al.Novel bifluorene based conjugated systems∶synthesis and properties[J］.Tetrahedron,2006,62(4)∶627～634.

[12]KIRILL TCHABANENKO,MARCUS G O TAYLOR,ROBERT M ADLINGTON,et al.Synthesis of substituted pyrano[3,2-c］pyridines via Diels-Alder reaction of 3-methylenepyridin-4-one[J］.Tetrahedron Letters,2006,47(1),∶39～41.

[13]WAI-YEUNG WONG,CHEUK-LAM HO,ZHI-QIANG GAO,et al..Multifunctional Iridium Complexes Based on Carbazole Modulesas Highly Efficient Elect rophos phors [J］.Angewandte Chemie,International Edition.2006,45(46)∶7800～7803.

[14]張玉祥,胡靈峰,張春林.取代咔唑聯(lián)嘧啶類(lèi)三價(jià)銥金屬有機(jī)配合物及其有機(jī)電致發(fā)光器件.CN,200910218998[P］.2009-01-16.

[15]FENG GUO-LIANG,JI SHUN-JUN;GENG LI-JUN;et al.Synthesis and optical properties of novel compounds containing carbazole and 1,8-naphthalimide groups[J].ournal of Chemical Research,Synopses,2008,3∶137～140.

[16]CHEUK-LAM HO,WAI-YEUNG WONG,BING YAO,et al.Synthesis,characterization,photophysics and electrophos-phorescent applications of phosphorescent platinum cyclometalated complexes with 9-arylcarbazole moieties[J］.Journal of Organometallic Chemistry,2009,694(17)∶2735～2749.

[17]MARiA B PONCE,FRANCOM CABRERIZO,SERGIO M.BONESI,et al..Synthesis and Electronic Spectroscopy of Bromocarbazoles.Direct Bromination of N-and C-Substituted Carbazoles by N-Bromosuccinimide or a N-Bromosuccinimide/Silica GelSystem [J］.Helvetica Chimica Acta,2006,89(6)∶1123～1139.

[18]梁云,李金恒.鈀催化鹵代芳烴Ullmann偶合反應(yīng)[J］.有機(jī)化學(xué),2005,25(2)∶147～151.

[19]JAE KWAN KWON,JOONG HYUN CHO,YOUNG-SIL RYU,et al.N-Arylation of carbazole by microwave-assisted ligand-free catalytic CuI reaction [J］. Tetrahedron, 2011, 67(26)∶4820～4825.

[20]XI ZHENXING,LIU FENGHUI,ZHOU YONGBO,et al..CuI/L(L=pyridine-functionalized 1,3-diketones)catalyzed C N coupling reactions of aryl halides with NH-containing heterocycles[J］.Tetrahedron,2008,64(19)∶4254-4259.

[21]LEE DAE-WOONG,HONG SUNG-KIL,PARK TAE-YOON,et al...novel compound and organic electronic device using same.EP,2343277[P］,2011-09-12.

[22]YOUNG-KOOK KIM,SEOK-HWAN HWANG,YOON-HYUN KWAK.Carbazole-based compound and organic light-emitting device including organic layer including the carbazole-based compound.US,20080174237[P］.2008-07-24.

[23]RAHMAN HOSSEINZADEH,MAHMOOD TAJBAKHSH,MOHAMMAD ALIKARAMI,et al..N-Arylation of N-H heterocycles with aryl bromides and aryl iodides using cui and kf/Al2O3[J］.Journal of Heterocyclic Chemistry,2008,45(6)∶1815～1818.

[24]D V DAVYDOV,I P BELETSKAYA.Palladium-and copper-catalyzed synthesis of triarylamines in an aqueous-organic emulsion[J］.Russian Chemical Bulletin,1995,44(6)∶1141.

[25]RUI ZHU,LIXIN XING,XINYAN WANG,et al.Highly Practical“Ligand-Free-Like”Copper-Catalyzed N-Arylation of A-zoles in Lower Nitrile Solvents [J］.Advanced Synthesis and Catalysis,2008,350(9)∶1253～1257.

[26]ZHONG-LIN XU,HONG-XI LI,ZHI-GANG REN,et al.Cu(OAc)2·H2O-catalyzed N-arylation of nitrogen-containing heterocycles[J］.Tetrahedron,2011,67(29)∶5282～5288.

[27]CARMEN AVENDA?O,MODESTA ESPADA,BLANCA OCA?A,et al..The problem of the existence of C(Ar)-H N intramolecular hydrogen bonds in a family of 9-azaphenyl-9H-carbazoles[J］.Journal of the Chemical Society,Perkin Transactions 2∶Physical Organic Chemistry,1993,(8)∶1547～1555.

[28]PER-FREDRIK LARSSON,ARKAITZCORREA,MONICA CARRIL, et al. Copper-Catalyzed Cross-Couplings with Part-per-Million Catalyst Loadings[J］.Angewandte Chemie,International Edition,2009,48(31)∶,5691～5693.

[29]DOUGLAS B.GROTJAHN,DEREK B.BROWN,JESSICA K.Martin,Evolution of Iridium-Based Molecular Catalysts during Water Oxidation with Ceric Ammonium Nitrate[J］.Journal of the American Chemical Society,2009,131(6)∶2244～2251.

[30]Yabunouchi Nobuhiro,Kawamura Masahiro.Aromatic amine derivative and organic electroluminescent device using the same.EP,2177516[P］.,2011-05-09.

[31]FATMA BAYCAN KOYUNCU,SERMET KOYUNCU,EYUP OZDEMIR.A novel donor-acceptor polymeric electrochromic material containing carbazole and 1,8-naphtalimide as subunit[J］.Electrochimica Acta,2010,55(17)∶4935 ～ 4941.

[32]MIYAZAKI,TAKANORI,NISHIYAMA,MASAKAZU,MATSUMOTO,NAOKI.Catalyst for producing arylamine and process for producing arylamine by means thereof.US,20070282111[P］.2007-12-06.

[33]KEN SUZUKI,YOJI HORI,TOHRU KOBAYASHI.A New Hybrid PhosphineLigand for Palladium-Catalyzed Amination ofArylHalides[J］.AdvancedSynthesisandCatalysis,2008,350(5)∶652～656.

[34]KUBO SHINJI.Method for producing arylamine.US，6043370，[P］.2000-03-28.

[35]KUBO SHINJI,SHINTOU TAICHI,AOKI HIDENORI.Process for producing arylamine.US,2006069287[P］.2006-06-29.

[36]NIRANJAN PANDA,ASHIS KUMAR JENA,SASMITA MOHAPATRA,et al.Copper ferrite nanoparticle-mediated N-arylation of heterocycles∶a ligand-free reaction [J］.Tetrahedron Letters,2011,52(16)∶1924～1927.

[37]MAKOTO WATANABE,MASAKAZU NISHIYAMA,TOSHIHIDE YAMAMOTO,et al.Palladium/P(t-Bu)3-catalyzed synthesis of N-aryl azoles and application to the synthesis of 4,4’,4’’-tris(N-azolyl)triphenylamines[J］,Tetrahedron Letters,2000,41(4)∶481～484.

[38]KAI-JU WEI,JIA NI,JIAN GAO,et al..Self-Assembly of Silver(I)Coordination Polymers from AgX (X=BF4-,ClO4-,CF3COO-,and SO3CF3-)and a Rigid Bent 3,6-Dicyano-9-phenylcarbazole Ligand∶The Templating Effect of Anions[J］.European Journal of Inorganic Chemistry,2007,24∶3868～3880.

[39]YABIN SONG,CHONG-AN DI,ZHONGMING WEI1.Synthesis,Characterization,and Field-Effect Transistor Properties of Carbazolenevinylene Oligomers∶From Linear to Cyclic Architectures[J］.Chemistry-A European Journal,2008,14(15)∶4731～4740.

[40]LEOPOLD CASSELLA&CO.Verfahren zur Darstellung indophenolartiger Produkte aus N-alkyl-und N-aryl-carbazolen.DE,224951[P］.1974-04-18.

[41]LUTZ ACKERMANN,ANDREAS ALTHAMMER,PETER MAYER.Palladium-Catalyzed Direct Arylation-Based Domino Synthesis of Annulated N-Heterocycles Using Alkenyl or(Hetero)Aryl 1,2-Dihalides[J］.Synthesis,2009,20∶3493～3503.

[42]T.KITAWAKI,Y.HAYASHI,A.UENO,et al.One-step construc-tion of carbazoles by way of the palladium-catalyzed double N-arylation reaction and its application to the total synthesis of murrastifoline-A[J].Tetrahedron,2006,62(29)∶6792～6801.

[43]YIBO ZHOU,JOHN G.VERKADE.Highly Efficient Ligands for the Palladium-Assisted Double N-Arylation of Primary Amines for One-Sep Construction of Carbazoles[J］.Advanced Synthesis and Catalysis,2010,352(4)∶616～620.

[44]KYOKO NOZAKI,KEITA TAKAHASHI,KOJI NAKANO,et al.The Double N-Arylation of Primary Amines∶Toward Multisubstituted Carbazoles with Unique Optical Properties[J］.Angewandte Chemie,International Edition,2003,42(18)∶2051～2053.

[45]KEIKO KAWAGUCHI,KOJI NAKANO,KYOKO NOZAKI.Synthesis of ladder-type π-conjugated heteroacenes via palladium-catalyzed double N-arylation and intra-molecular O-arylation[J］.Journal of Organic Chemistry,2007,72(14)∶5119～5128.

[46]DEREK H.R BARTONA,JEAN-PIERRE FINETA,JAMAL KHAMSIA.Copper catalysed phenylation of indoles by triphenylbismuthBIS-trifluoroacetate[J］.Tetrahedron Letters,1988,29(10)∶1115～1118.

[47]Atsushi Kuwahara,Koji Nakano,Kyoko Nozaki.Double N-Arylation of Primary Amines∶Carbazole Synthesis from 2,2‘-Biphenyldiols[J］.Journal of Organic Chemistry,2005,70(2),413～419.

[48]MITSURU YAMAMOTO,SEIJIRO MATSUBARA.Carbazole Synthesis by Platinum-catalyzed C-H Functionalizing Reaction Using Water as Reoxidizing Reagent[J］.Chemistry Letters,2007,36(1)∶172～173.

[49］MARYE ANNE FOX,MARIA T.DULAY,KEVIN KROSLEY.Comparison ofOxidative and Excited-State Cyclizations of N-Benzyldiphenylamines to N-Benzylcarbazoles[J］.Journal of the American Chemical Society,1994,116(24)∶10992～10999.

[50]NITIN CHATTOPADHYAY,CARLOS SERPA,LUIS G.ARNAUT,et al.Energetics of photocyclization of polyphenylamines and assignment of the intermediate∶A time-resolved photoacoustic calorimetric study [J］.Physical Chemistry Chemical Physics,2001,3(17)∶3690～3695.