苯乙烯的同步硒化和烯基化反應(yīng)

王利敏，胡博，張萬軒

(湖北大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，湖北 武漢 430062)

0 引言

硒醚在溫和條件下，可以被氧化脫去硒基生成碳碳雙鍵[1]，這一重要反應(yīng)的發(fā)現(xiàn)促進(jìn)了有機(jī)硒化合物在有機(jī)合成中的應(yīng)用. 有機(jī)硒化合物不僅作為中間體廣泛應(yīng)用于天然產(chǎn)物、生物活性物質(zhì)的合成中[2-5]，而且能夠用作催化劑催化許多獨(dú)特的轉(zhuǎn)化反應(yīng)[6-8]，表現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景. 因此，研究向有機(jī)分子中引入硒的途徑，發(fā)展新的有機(jī)硒化合物的合成方法具有重要意義. 碳碳雙鍵與親電性硒化物(RSeX)的加成反應(yīng)是制備有機(jī)硒化合物的重要方法之一，在此類反應(yīng)中，親電性硒化物(RSeX)與碳碳雙鍵反應(yīng)生成硒鎓離子或碳正離子中間體(A)，然后與親核試劑(Nu-)結(jié)合，得到加成反應(yīng)產(chǎn)物(如圖1).

圖1 親電性硒化物與烯的加成反應(yīng)

烯烴與各種親電性硒化物(RSeX)及親核試劑的加成反應(yīng)已有許多報(bào)道[ 2-5, 9-13 ]，此方法可以制得鄰位含有多種官能團(tuán)(如鹵素、羥基、烷氧基、疊氮基等)的硒醚，但是以烯烴作為親核試劑進(jìn)攻中間體A，發(fā)生分子間反應(yīng)的很少.文獻(xiàn)[14]報(bào)道利用溴氧化二硒醚，AgOTf作為添加劑，實(shí)現(xiàn)了苯乙烯的同步硒化和烯基化，但只有提供了一個(gè)反應(yīng)實(shí)例；用碘作為氧化劑氧化二硒醚再與苯乙烯類物質(zhì)反應(yīng)[15]，也可以實(shí)現(xiàn)苯乙烯的硒化和烯基化反應(yīng),但苯環(huán)聯(lián)有鈍化基團(tuán)的乙烯類物質(zhì)反應(yīng)較差.

如圖2所示，我們利用Selectfluor試劑 [1-氯甲基-4-氟-1, 4-二氮雜雙環(huán)[2.2.2]辛烷二(四氟硼酸鹽)] 氧化二苯二硒醚，然后與苯乙烯類物質(zhì)反應(yīng)，得到苯乙烯同時(shí)硒化和烯基化的產(chǎn)物，且加入三甲基氰基硅作為添加劑使產(chǎn)率得到提高. 該方法操作簡便，反應(yīng)時(shí)間短，為實(shí)現(xiàn)此類反應(yīng)提供了新途徑[16].

圖2 二苯基二硒醚/ Selectfluor與苯乙烯類物質(zhì)的反應(yīng)

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器試劑：4-乙基苯乙烯，2-乙基苯乙烯，4-氯苯乙烯，4-溴苯乙烯，2-氯苯乙烯根據(jù)文獻(xiàn)方法制備[17]，其他試劑為市售分析純試劑. 1, 4-二氧六環(huán)，THF，乙腈，DMF在使用前經(jīng)過去水干燥. 儀器： WIPM 400 MHz核磁共振儀(中科開物公司)，Varian Unity INOVA 600 MHz (美國Varian 公司)；安捷倫 1260-6224 LC-MS TOF ESI (EI) 液質(zhì)聯(lián)用質(zhì)譜儀.

1.2 實(shí)驗(yàn)步驟

1.2.1 反應(yīng)條件研究 在惰性氣體條件保護(hù)下，將苯乙烯1a(104 mg，1.0 mmol)，二苯二硒醚(87 mg，0.28 mmol)，Selectfluor(195 mg，0.55 mmol)，三甲基氰基硅烷(50 mg，0.5 mmol)加入到1 mL無水溶劑中，在設(shè)定溫度下反應(yīng), 利用薄層色譜檢測反應(yīng)，待苯乙烯反應(yīng)消耗完畢后，先加水(10 mL)攪拌幾分鐘，再用二氯甲烷(3×10 mL)萃取，有機(jī)相用無水硫酸鈉干燥，過濾，減壓下蒸去溶劑，最后通過硅膠柱色譜分離提純得到產(chǎn)物. 具體反應(yīng)見表1.

1.2.2 多種烯烴的硒化反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)步驟 在無水無氧條件下，將烯1(1.0 mmol)，二苯二硒醚(0.28 mmol)，Selectfluor(0.55 mmol), 三甲基氰基硅烷(0.5 mmol)加入到裝有乙腈(1 mL)的反應(yīng)管中，在80 ℃下反應(yīng)6 h，反應(yīng)結(jié)束后加入10 mL水，再用二氯甲烷(3×10 mL)萃取. 萃取所得有機(jī)相用無水硫酸鈉干燥，過濾，減壓蒸干溶劑，最后通過硅膠柱色譜分離提純，得到最終硒化產(chǎn)物.

2 結(jié)果與討論

2.1 反應(yīng)條件的優(yōu)化以苯乙烯(1a)，二苯基二硒醚為原料，討論了添加劑用量，過渡金屬離子，溶劑，反應(yīng)溫度等因素對反應(yīng)的影響. 首先用乙腈作溶劑，探討了添加劑對反應(yīng)的影響，從反應(yīng)1, 5, 6可知，加入添加劑三甲基氰基硅烷后，產(chǎn)率有較大提升，而加入三甲基疊氮基硅烷后，產(chǎn)率無太大變化；從反應(yīng)1, 4可知，當(dāng)三甲基氰基硅烷的用量再增加一倍時(shí)，產(chǎn)率只增加了1%，所以進(jìn)一步增加三甲基氰基硅烷的用量是不必要的. 因?yàn)樵赟electfluor參與的反應(yīng)中，一些金屬離子常常具有催化作用，所以分別討論了加入AgOTf和CuCl后的反應(yīng)情況，對比反應(yīng)1, 2, 3的產(chǎn)率，未加入過渡金屬離子時(shí)，硒化反應(yīng)產(chǎn)物的產(chǎn)率為55%，而加入了AgOTf和CuCl后，硒化反應(yīng)的產(chǎn)率分別為53%和54%，與未加入過渡金屬離子時(shí)的反應(yīng)的產(chǎn)率沒有明顯差別. 反應(yīng)1, 10, 11討論了溫度對反應(yīng)的影響，從反應(yīng)10可知，在0 ℃時(shí)，該反應(yīng)不能進(jìn)行，在室溫下反應(yīng)12 h后，得到產(chǎn)物的產(chǎn)率僅為21%. 從反應(yīng)1，7，8，9可以看出，反應(yīng)在PhMe、 DMF、 二氧六環(huán)中進(jìn)行時(shí)，產(chǎn)率均不超過22%.因此,當(dāng)1.0 mmol苯乙烯反應(yīng)時(shí)，加入0.28 mmol二苯二硒醚，0.5 mmol三甲基氰基硅烷，乙腈(1 mL)作溶劑，惰性氣體保護(hù)下在80 ℃反應(yīng)6 h為適宜的反應(yīng)條件.

表1 二苯基二硒醚/Selectfluor與苯乙烯反應(yīng)條件的優(yōu)化a

2.2 多種烯烴與二苯二硒醚/Selectfluor的反應(yīng)在優(yōu)化的反應(yīng)條件下，對連有不同取代基的烯烴1與二苯二硒醚/Selectfluor的反應(yīng)進(jìn)行研究，結(jié)果見表2. 發(fā)現(xiàn)芳基烯1a-1l與二苯二硒醚在Selectfluor存在下反應(yīng)，都可以得到同時(shí)被苯硒化和烯基化的產(chǎn)物2a-2k, 產(chǎn)率為37%～58%, 但烷基烯不能發(fā)生此反應(yīng)(反應(yīng)13，14). 芳基烯烴中苯環(huán)上的取代基對硒化反應(yīng)的結(jié)果都有著不同程度的影響. 取代基的電子效應(yīng)對產(chǎn)率的影響規(guī)律不明顯，但取代基的位置對反應(yīng)影響有明顯規(guī)律，在取代基相同的情況下，對位取代的芳烯，硒化反應(yīng)的產(chǎn)率較高(反應(yīng)2，6和7；4和5；8和9；10和12).

表2 多種烯的硒化反應(yīng)結(jié)果

2.3 化合物的結(jié)構(gòu)表征

2a：黃色油狀液體[15];1H NMR (400 MHz, CDCl3):δ=7.48～7.46 (m, 2H), 7.32～7.28 (m, 4H), 7.27～7.17 (m, 9H), 6.44～6.33 (m, 2H), 3.76 (dd,J=14.4, 7.4 Hz, 1H), 3.36～3.33 (m, 2H).13C NMR (100 MHz, CDCl3)δ=143.23, 137.12, 132.81, 132.22, 130.87, 130.75, 129.13, 128.75, 128.55, 127.65, 127.43, 126.95, 126.91, 126.38, 49.41, 34.13.

2b: 黃色油狀液體[15];1H NMR (400 MHz, CDCl3):δ=7.48～7.46 (m, 2H), 7.25～7.17 (m, 5H), 7.14～7.00 (m, 6H), 6.41～6.27 (m, 2H), 3.77～3.68 (m, 1H), 3.33 (d,J=7.6 Hz, 2H), 2.32 (s, 3H), 2.31 (s, 3H).13C NMR (100 MHz, CDCl3)δ=140.20, 137.09, 136.50, 134.38, 132.75, 131.40, 130.80, 130.57, 129.42, 129.23, 129.10, 127.50, 126.83, 126.26, 48.95, 34.13, 21.24, 21.15.

2c：白色固體[15]；1H NMR (400 MHz, CDCl3):δ=7.43～7.44 (m, 2H), 7.33～7.26 (m, 6H), 7.22～7.19 (m, 3H), 7.19～7.15 (m, 2H), 6.44～6.29 (m, 2H), 3.79～3.70 (m, 1H), 3.34 (d,J=7.6 Hz, 2H), 1.30 (s, 9H), 1.29 (s, 9H).13C NMR (100 MHz, CDCl3)δ=150.43, 149.62, 140.35, 134.52, 132.68, 131.54, 130.96, 130.42, 129.06, 127.18, 126.77, 126.06, 125.55, 125.43, 48.93, 34.57, 34.48, 34.28, 31.42, 31.35.

2d：無色油狀液體[15]；1H NMR (400 MHz, CDCl3):δ=7.46～7.41 (m, 2H), 7.26～7.20 (m, 5H), 7.18～7.13 (m, 2H), 7.01～6.91 (m, 4H), 6.34～6.19 (m, 2H), 3.76～3.67 (m, 1H), 3.33～3.23 (m, 2H).13C NMR (100 MHz, CDCl3)δ=163.24 (JF-C=50.7 Hz), 160.80 (JF-C=49.3 Hz), 138.71 (JF-C=3.3 Hz), 133.10 (JF-C=3.3 Hz), 132.87, 131.76, 130.45, 129.75, 129.14 (JF-C=3.3 Hz), 129.04, 127.83 (JF-C=7.9 Hz), 127.03, 115.59 (JF-C=8.2 Hz), 115.38 (JF-C=8.5 Hz), 44.61, 34.10.

2e：無色油狀液體;1H NMR (400 MHz, CDCl3):δ=7.49～7.46 (m, 2H), 7.39～7.23 (m, 5H), 7.06 (d,J=7.8 Hz, 1H), 7.01 (d,J=7.9 Hz, 2H), 6.94～6.87 (m, 3H), 6.39～6.29 (m, 2H), 3.79～3.70 (m, 1H), 3.35～3.27 (m, 2H).13C NMR (100 MHz, CDCl3)δ=164.27 (JF-C=7.0 Hz), 161.82 (JF-C=8.0 Hz), 145.39 (JF-C=6.7 Hz), 139.19 (JF-C=7.7 Hz), 132.93 (JF-C=11.9 Hz), 130.21, 129.98 (JF-C=8.4 Hz), 129.18, 127.14, 123.26 (JF-C=2.9 Hz), 122.28 (JF-C=2.5 Hz), 114.64, 114.44 (JF-C=3.0 Hz), 114.24, 114.03, 113.82, 112.88, 112.66, 49.11, 33.58; HRMS (ES+):m/z[M+H]+calculated for C22H19F2Se: 401.0615; found: 401.065 8.

2f：黃色油狀液體[15];1H NMR (400 MHz, CDCl3):δ=7.50～7.48 (m, 2H), 7.36～7.34 (m, 1H), 7.24～7.22 (m, 5H), 7.14～7.11 (m, 5H), 6.59 (d,J=15.6 Hz, 1H), 6.17 (dd,J=15.7, 7.7 Hz, 1H), 4.05～3.96 (m, 1H), 3.33 (d,J=7.6 Hz, 2H), 2.29 (s, 3H), 2.27 (s, 3H).13C NMR (100 MHz, CDCl3)δ=141.39, 136.43, 135.86, 135.30, 133.25, 132.97, 130.68, 130.19, 129.11, 128.90, 127.29, 126.97, 126.63, 126.42, 126.05, 125.75, 45.00, 33.59, 19.87, 19.56.

2g：黃色油狀液體[15]；1H NMR (400 MHz, CDCl3):δ=7.48～7.46 (m, 2H), 7.23～7.11 (m, 7H), 7.05～7.00 (m, 4H), 6.41～6.30 (m, 2H), 3.76～3.68 (m, 1H), 3.34 (d,J=8.0 Hz, 2H), 2.33 (s, 3H), 2.31 (s, 3H).13C NMR (100 MHz, CDCl3)δ=143.24, 138.05, 137.09, 132.76, 132.10, 130.80, 129.10, 128.60, 128.44, 128.35, 128.18, 127.69, 127.03, 126.84, 124.63, 123.58, 49.44, 34.13, 21.58, 21.44.

2h：無色油狀液體;1H NMR (400 MHz, CDCl3):δ=7.49～7.42 (m, 2H), 7.27～7.20 (m, 5H), 7.17～7.10 (m, 6H), 6.42～6.28 (m, 2H), 3.78～3.69 (m, 1H), 3.33 (d,J=8 Hz, 2H), 2.67～2.56 (m, 4H), 1.24 ～1.16 (m, 6H).13C NMR (100 MHz, CDCl3)δ=143.56, 142.78, 140.57, 134.67, 132.70, 131.44, 130.91, 130.51, 129.07, 128.16, 128.03, 127.52, 126.78, 126.33, 49.00, 34.31, 28.64, 28.51, 15.65, 15.56; HRMS (ES+):m/z[M+H]+calculated for C26H29Se: 421.142 9; found: 421.152 4.

2i：無色油狀液體;1H NMR (400 MHz, CDCl3):δ=7.52～7.47 (m, 2H), 7.39 (d,J=7.3 Hz, 1H), 7.31～7.22 (m, 5H), 7.21～7.13 (m, 5H), 6.64 (d,J=15.6 Hz, 1H), 6.25 (dd,J=15.6, 7.6 Hz, 1H), 4.10～4.02 (m, 1H), 3.33 (d,J=6.4 Hz, 2H), 2.68～2.56 (m, 4H), 1.19～1.12 (m, 6H).13C NMR (100 MHz, CDCl3)δ=141.78, 141.44, 140.91, 135.75, 133.88, 133.01, 130.65, 129.11, 129.03, 128.62, 126.58, 127.50, 126.99, 126.81, 126.75, 126.34, 126.06, 126.03,44.18, 34.28, 26.50, 25.87, 15.69, 15.36; HRMS (ES+):m/z[M+H]+calculated for C26H29Se: 421.142 9; found: 421.141 3.

2j：無色油狀液體[15];1H NMR (400 MHz, CDCl3):δ=7.48～7.42 (m, 2H), 7.30～7.20 (m, 9H), 7.14 (d,J=8.4 Hz, 2H), 6.37～6.23 (m, 2H), 3.72 (dd,J=13.9, 7.4 Hz, 1H), 3.36～3.22 (m, 2H).13C NMR (100 MHz, CDCl3)δ=141.30, 135.37, 133.15, 132.96, 132.73, 132.40, 130.28, 129.93, 129.18, 129.00, 128.87, 128.71, 127.55, 127.07, 48.79, 33.75.

2k：無色油狀液體;1H NMR (400 MHz, CDCl3):δ=7.52～7.50 (m, 2H), 7.46～7.43 (m, 1H), 7.37～7.29 (m, 3H), 7.25～7.22 (m, 4H), 7.19～7.14 (m, 3H), 6.85 (d,J=15.8 Hz, 1H), 6.33 (dd,J=15.8, 7.8 Hz, 1H), 4.37 (dd,J=15.1, 7.5 Hz, 1H), 3.42～3.29 (m, 2H).13C NMR (100 MHz, CDCl3)δ=140.27, 135.19, 133.82, 133.34, 133.27, 133.02, 130.16, 129.97, 129.66, 129.09, 128.54, 128.51, 128.08, 128.01, 127.13, 127.12, 126.91, 126.78, 45.39, 32.65; HRMS (ES+):m/z[M+H]+calculated for C22H19Cl2Se: 433.002 4; found: 433.000 4.

2l：無色油狀液體[15];1H NMR (400 MHz, CDCl3):δ=7.48～7.36 (m, 6H), 7.25～7.22 (m, 3H), 7.15 (d,J=8.4 Hz, 2H), 7.09 (d,J=8.4 Hz, 2H), 6.30 (d,J=2.8 Hz, 2H), 3.73～3.68 (m, 1H), 3.34～3.24 (m, 2H).13C NMR (100 MHz, CDCl3)δ=141.76, 135.79, 132.97, 132.44, 131.81, 131.64, 130.23, 130.01, 129.38, 129.16, 127.87, 127.11, 121.30, 120.82, 48.87, 33.63.

3 反應(yīng)機(jī)理的討論

根據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道[15]，該反應(yīng)的機(jī)理可能是Selectfluor先氧化二苯二硒醚生成親電的中間體B, 烯烴1與B發(fā)生親電加成反應(yīng)，生成碳正離子C和苯基氟化硒(PhSeF)[圖3反應(yīng)(1)]；由于Si-F鍵很穩(wěn)定，易生成，所以三甲基氰基硅烷可以奪去PhSeF中氟負(fù)離子，使生成苯硒正離子(PhSe+)的速度更快，從而促進(jìn)碳正離子C[圖3反應(yīng)(2)]的生成，有利于提高產(chǎn)率. 由于芳基Ar的共軛作用可以穩(wěn)定碳正離子，所以正電荷更易處于芐位碳上. 碳正離子C與另一分子烯烴1發(fā)生親電加成反應(yīng)，得到中間體D, 該碳正離子脫去鄰位H+，生成產(chǎn)物2[圖3反應(yīng)(3)]. 烷基烯生成類似C的碳正離子中間體不夠穩(wěn)定，難以發(fā)生此類反應(yīng).

圖3 反應(yīng)機(jī)理推測

4 結(jié)論

利用含氟氧化劑Selectfluor氧化二苯二硒醚，并與芳基乙烯反應(yīng)，在引入苯硒基的同時(shí)，伴隨著與芳基乙烯分子的偶聯(lián)反應(yīng)，得到苯硒化和烯基化產(chǎn)物.加入三甲基氰基硅烷，使產(chǎn)率明顯提高；在取代基相同的情況下，對位取代的芳基乙烯比鄰、間位取代的芳基乙烯反應(yīng)產(chǎn)率高. 此反應(yīng)所用原料穩(wěn)定，操作方便，為芳基乙烯的硒化提供了新方法.