無金屬參與的氧原子鄰位C( sp3)—S鍵的構(gòu)筑

鄢東，童孟良

(湖南化工職業(yè)技術(shù)學(xué)院，株洲412004)

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無金屬參與的氧原子鄰位C( sp3)—S鍵的構(gòu)筑

鄢東，童孟良

(湖南化工職業(yè)技術(shù)學(xué)院，株洲412004)

摘要以二叔丁基過氧化物( DTBP)為氧化劑，苯硫酚為硫化試劑，在無金屬參與的條件下，于120℃下采用一步法合成了硫代芐醚.這種構(gòu)筑C( sp3)—S鍵的方法具有高原子經(jīng)濟(jì)性和高選擇性的優(yōu)點(diǎn)，并以較高的收率獲得了一系列目標(biāo)化合物.

關(guān)鍵詞無金屬參與;碳?xì)浠罨?硫化;硫代芐醚

近年來，交叉脫氫偶聯(lián)反應(yīng)備受關(guān)注［1～3］.交叉脫氫偶聯(lián)反應(yīng)作為碳?xì)涔倌軋F(tuán)化反應(yīng)的一種重要途徑，通過氧化斷裂C—H鍵，可直接引入各種官能團(tuán)構(gòu)建C—C，C—O和C—N鍵等，不需要使用官能團(tuán)化的原料底物.交叉脫氫偶聯(lián)反應(yīng)不僅具有理想的原子及步驟經(jīng)濟(jì)性，而且環(huán)境友好.交叉脫氫偶聯(lián)反應(yīng)按機(jī)理可分為金屬參與的、無金屬參與的及光催化的偶聯(lián)等.金屬離子特別是重金屬離子對(duì)土壤和水源都會(huì)造成污染，因此發(fā)展高效的無金屬試劑參與的交叉脫氫偶聯(lián)反應(yīng)具有重要意義.近年來，對(duì)無金屬參與的交叉脫氫偶聯(lián)反應(yīng)的研究主要集中在以四氫異喹啉和酰胺類化合物為代表的氮原子鄰位C( sp3)—H鍵的官能團(tuán)化方面［4～7］，而氧原子鄰位的C( sp3)—H鍵的官能團(tuán)化反應(yīng)研究相對(duì)較少.Wang等［8］以叔丁基過氧化氫( TBHP)作為氧化劑，實(shí)現(xiàn)了苯并噁唑和苯并噻唑的C2與醇或醚α-C( sp3)—H鍵的偶聯(lián)反應(yīng)，構(gòu)建了C—C鍵.Wan等［9］以TBHP氧化醚的α-C( sp3)—H鍵使其乙?；?Shi等［10］以過硫酸鉀氧化醚的α-C( sp3)—H鍵，實(shí)現(xiàn)了其與吡啶的偶聯(lián)反應(yīng).

在芐醚類化合物的sp3雜化C—H鍵的官能團(tuán)化反應(yīng)中，異色滿是一種具有代表性的底物.異色滿的C1位置通過sp3雜化C—H活化歷程來構(gòu)筑新的碳雜原子鍵的方法集中于過渡金屬催化或者非金屬催化反應(yīng)［11～14］，這些催化方法存在需要比較苛刻的反應(yīng)條件或包含復(fù)雜的反應(yīng)歷程等缺點(diǎn).交叉脫氫偶聯(lián)反應(yīng)具有條件溫和及操作簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，目前使用交叉脫氫偶聯(lián)反應(yīng)構(gòu)筑C—S鍵的報(bào)道較少［15，16］.C—S鍵廣泛存在于多種重要的天然產(chǎn)物及藥物分子中［17，18］.因此，發(fā)展新型、高效且環(huán)境友好的構(gòu)筑C—S鍵的方法十分緊迫.傳統(tǒng)的構(gòu)筑方法通常需要預(yù)活化反應(yīng)物，增加了反應(yīng)的步驟，反應(yīng)的原子經(jīng)濟(jì)性不高，同時(shí)反應(yīng)底物具有較大的局限性［19，20］.近來，Xiang等［21］報(bào)道了一種以二叔丁基過氧化物( DTBP)作為氧化劑，在無過渡金屬參與下，通過交叉脫氫偶聯(lián)反應(yīng)制備具有潛在生物活性的含硫化合物的新方法.基于此，本文構(gòu)建了在無過渡金屬參與的條件下，直接從苯硫酚出發(fā)，在芐醚的芐甲基位置構(gòu)筑新的C—S鍵的方法體系，為含C( sp3)—S鍵化合物的制備提供了直接且便利的路徑.

1　實(shí)驗(yàn)部分

1.1試劑與儀器

芐醚、芳基硫酚、二叔丁基過氧化物( DTBP)、二氯二氰基苯醌( DDQ)、過硫酸鉀( K2S2O8)、叔丁基過氧化氫( TBHP，70%水溶液，質(zhì)量分?jǐn)?shù))、過氧化苯甲酰( BPO)和其它試劑均為進(jìn)口或國(guó)產(chǎn)分析純，未經(jīng)純化直接使用;薄層層析硅膠和柱層析用硅膠(青島海洋化工廠).

Brucker ARX 400型核磁共振波譜儀( NMR，瑞士Brucker Biospin公司) ; FD-5DX型紅外光譜儀( IR，日本島津儀器公司) ; LCQ-Advantage型質(zhì)譜儀( MS，美國(guó)Thermo-Finnigan公司) ; X-5型顯微熔點(diǎn)儀(河南予華儀器有限公司).

1.2實(shí)驗(yàn)過程

目標(biāo)化合物3a～3m的合成路線如Scheme 1所示.

Scheme 1　Thioetherification of Isochromans

1.2.1芐醚1的合成參照文獻(xiàn)［18，19］方法合成芐基異丙基醚、芐基苯基醚以及苯甲酸芐基酯.

1.2.2反應(yīng)條件的優(yōu)化在14支10 mL反應(yīng)瓶中，分別依次加入芐基甲基醚( 1 mmol)、苯硫酚( 1. 5 mmol)、不同的氧化劑(氧化劑分別為DTBP，DDQ，K2S2O8，TBHP和BPO)及3 mL溶劑，攪拌下反應(yīng)，用薄層色譜層析( TLC)監(jiān)測(cè)反應(yīng)進(jìn)程.反應(yīng)結(jié)束后冷卻至室溫，減壓除去溶劑，殘余物用淋洗液［V(正己烷)∶V(乙酸乙酯) = 8∶1］通過柱層析色譜進(jìn)行分離.

1.2.3反應(yīng)底物的適用性考察在10 mL反應(yīng)瓶中，依次加入1 mmol芐醚、1. 5 mmol芳硫酚、1. 5 mmol( 219. 2 mg) DTBP及3 mL 1，4-二氧六環(huán)，于120℃攪拌反應(yīng)，用TLC監(jiān)測(cè)反應(yīng)進(jìn)程.反應(yīng)結(jié)束后減壓旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)除去溶劑，殘余物用淋洗液［V(正己烷)∶V(乙酸乙酯) = 8∶1］通過柱層析色譜進(jìn)行分離，得到純產(chǎn)物3a～3m.化合物3a～3m的理化數(shù)據(jù)及波譜數(shù)據(jù)如表1和表2所示.

Table 1　Appearance，melting points，HR-MS and IR data of compounds 3a—3m

Table 21H NMR，13C NMR data of compounds 3a—3m

Continued

Compd.　1H NMR( 400 MHz，CDCl3)，δ13C NMR( 100 MHz，CDCl3)，δ 3f　7. 48( d，J=7. 8 Hz，2H)，7. 40—7. 30( m，1H)，7. 26—7. 00( m，5H)，6. 45( s，1H)，4. 55—4. 52( m，1H)，3. 98( dd，J = 11. 4，6. 3 Hz，1H)，3. 25—3. 05( m，1H)，2. 65—2. 63( m，1H)，2. 28( s，3H) 137. 4，134. 0，133. 9，132. 2，132. 1，129. 8，128. 9，127. 7，127. 2，126. 1，86. 4，77. 4，77. 1，76. 9，58. 2，27. 9，21. 2 3g　7. 31—7. 25( m，7H)，6. 84( d，J=8. 2 Hz，2H)，5. 68( s，1H)，3. 82( s，3H)，3. 42( s，3H) 141. 3，139. 0，134. 3，133. 2，129. 4，128. 2，127. 6，125. 2，90. 2，58. 2，56. 8 3h　7. 30—7. 29( d，J=8. 3 Hz，4H)，7. 25—7. 22( m，5H)，5. 80( s，1H)，3. 82( s，3H)，3. 38( s，3H) 138. 3，136. 0，133. 5，132. 8，132. 0，129. 3，128. 2，127. 6，126. 9，89. 2，55. 9 3i　7. 31—7. 22( m，7H)，7. 08( d，J=8. 2 Hz，2H)，5. 68( s，1H)，3. 51( m，2H)，1. 27( s，3H)，1. 26( s，6H) 139. 6，138.9，133.3，131.2，130.8，129.1，128.7，126.4，87.9，78.2，23.7，21.2 3j　7. 32—7. 28( m，6H)，7. 24( t，J = 7. 5 Hz，1H)，6. 98( d，J = 8. 2 Hz，2H)，5. 68( s，1H)，3. 68( s，1H)，3. 47( m，1H)，1. 24( s，3H)，1. 22 ( s，6H) 142. 8，138. 9，133. 3，131. 2，130. 8，128. 7，126. 4，115. 6，87. 9，75. 2，56. 0，22. 7，21. 2 3k　7. 32—7. 28( m，6H)，7. 28—7. 21( m，3H)，5. 68( s，1H)，3. 47( m，1H)，1. 24( s，3H)，1. 22( s，6H) 138. 9，135. 5，133. 6，132. 2，129. 9，128. 9，128. 2，126. 4，87. 9，75. 2，21. 2 3l　7. 43—7. 31( m，5H)，7. 24—7. 19( m，4H)，6. 49( s，1H)，4. 55—4. 53 ( m，2H)，3. 20—3. 09( m，1H)，2. 72( dd，J=16. 5，2. 4 Hz，1H) 136. 6，132. 9，132. 5，132. 3，132. 2，128. 1，127. 9，126. 9，126. 1，125. 2，85. 1，57. 4，25. 9 3m　7. 62( d，J=7. 8 Hz，2H)，7. 41—7. 32( m，1H)，7. 26—7. 00( m，5H)，6. 45( s，1H)，4. 55( m，1H)，3. 98( dd，J=11. 4，6. 3 Hz，1H)，3. 25—3. 05( m，1H)，2. 65( dd，J=16. 5，2. 9 Hz，1H)，2. 28( s，3H) 138. 4，136. 0，133. 5，132. 7，132. 0，129. 3，128. 2，127. 6，126. 9，126. 1，125. 2，85. 1，57. 5，25. 8

2　結(jié)果與討論

2.1反應(yīng)條件的優(yōu)化

為了獲得最佳的反應(yīng)條件，以芐甲醚( 1a)和苯硫酚( 2a)為模板底物進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn).首先對(duì)氧化劑進(jìn)行了篩選:在120℃下，在反應(yīng)體系中分別加入4 mmol的DTBP，DDQ，K2S2O8，TBHP和BPO(表3，Entries 1～5).當(dāng)以K2S2O8與BPO作為氧化劑時(shí)，反應(yīng)基本未進(jìn)行，而添加DTBP的實(shí)驗(yàn)得到了較高產(chǎn)率.因此選擇DTBP作為本反應(yīng)的氧化劑，并對(duì)其用量進(jìn)行了考察(表3，Entries 6～9).實(shí)驗(yàn)嘗試降低氧化劑的用量，當(dāng)DTBP的添加量從4 mmol逐漸降低到1. 5 mmol時(shí)，反應(yīng)產(chǎn)率達(dá)到最高，而進(jìn)一步降低為1. 0 mmol時(shí)，產(chǎn)率下降.其次考察了反應(yīng)溫度對(duì)產(chǎn)率的影響，結(jié)果表明，反應(yīng)溫度的提高或者降低均降低了產(chǎn)率，100和140℃所得收率分別為58%和67%(表3，Entries 10和11).最后，對(duì)反應(yīng)溶劑進(jìn)行了篩選(表3，Entries 12～14)，結(jié)果表明，1，4-二氧六環(huán)作為溶劑時(shí)，反應(yīng)產(chǎn)率優(yōu)于氯

Table 3　Optimization of the reactions between thiophenol and benzyl ethera

苯和苯.綜上，確定了最佳反應(yīng)條件:以過氧叔丁醚( DTBP，1. 5 mmol)作為氧化劑，1，4-二氧六環(huán)作為反應(yīng)溶劑，反應(yīng)溫度為120℃，反應(yīng)時(shí)間為12 h.

2.2反應(yīng)底物的適用性

根據(jù)最佳反應(yīng)條件，對(duì)反應(yīng)底物的適用范圍進(jìn)行了考察(表4).使用不同取代基的芐醚，如芐乙醚、芐異丙醚以及芐基苯基醚等代替苯甲醚進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，均可與苯硫酚順利反應(yīng)(表4，Entries 1～4)，且異丙基、苯基等體積較大的基團(tuán)并未降低反應(yīng)收率.而以苯甲酸芐基酯作為反應(yīng)底物時(shí)，反應(yīng)可以順利進(jìn)行并獲得74%的收率，擴(kuò)大了底物的適用性(表4，Entry 5).以不同取代基的苯硫酚進(jìn)行實(shí)驗(yàn)(表4，Entries 6～11)，在苯硫酚的對(duì)位引入供電子取代基(甲基、甲氧基)或吸電子取代基(氯原子)，反應(yīng)均獲得較好的收率，說明反應(yīng)的適用性較好.此外，還使用異色滿作為反應(yīng)底物，由于異色滿的雜環(huán)上同時(shí)存在普通的sp3雜化的C—H鍵以及芐基上的sp3雜化的C—H鍵，因此其分子上C( sp3)—H鍵的選擇性具有挑戰(zhàn)性，而在本文實(shí)驗(yàn)條件下，反應(yīng)能獲得唯一的芐基C( sp3)—H鍵反應(yīng)產(chǎn)物，且產(chǎn)率良好(表4，Entries 12和13).

Table 4　Scope of the reactiona

2.3反應(yīng)機(jī)理

Scheme 2　Proposed reaction mechanism

為了考察反應(yīng)歷程，在反應(yīng)體系中加入自由基淬滅劑四甲基哌啶氮氧化物( TEMPO，1. 5 mmol)，反應(yīng)12 h后收率降至8%.由此推斷反應(yīng)按照自由基機(jī)理進(jìn)行.基于文獻(xiàn)［10，21］報(bào)道及對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果，推測(cè)該反應(yīng)的機(jī)理如Scheme 2所示.首先，芐醚與DTBP反應(yīng)得到自由基中間體A，中間體A與硫酚進(jìn)一步反應(yīng)得到產(chǎn)物3.

3　結(jié)　論

利用交叉脫氫偶聯(lián)反應(yīng)策略，以過氧叔丁醚為氧化劑，苯硫酚為硫化試劑，一步合成了硫代芐醚.與已有方法相比，本反應(yīng)無金屬參與、操作簡(jiǎn)單，具有高原子經(jīng)濟(jì)性和高選擇性、更符合綠色化學(xué)的要求，因此具有更好的應(yīng)用價(jià)值.

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Metal-free Thiolation of C( sp3)—S Bond Adjacent to an Oxygen Atom?

YAN Dong，TONG Mengliang*
( Hunan Chemical Vocational Technology College，Zhuzhou 412004，China)

Abstract The formation of C—S bonds is one of the most important transformations in organic chemistry due to the high prevalence of sulfur-containing molecules of biological and pharmaceutical relevance.Crossdehydrogenative coupling( CDC) is more atom economical and environmentally friendly than traditional crosscoupling reactions.A facile and transition metal-free methodology for construction of C( sp3)—S bond was herein reported.With ditertbutyl peroxide( DTBP) as oxidant and thiophenol as thioetherification regent under 120℃，the high atom-efficiency and selective system offered the thiobenzylethers as products in acceptable to good yields.These new compounds were characterized via infrared( IR)，nuclear magnetic resonance( NMR)，and mass spectrometry( MS).The possible mechanism for the reaction was suggested as followed: benzyl ethers was oxidized by DTBP to generate intermediates A，which further reacted with thiophenol to form desired products.This direct thiolation method is a new protocol for the construction of C—S bonds，which might be very valuable and attractive in sulfur chemistry and radical chemistry.

Keywords Metal free; C—H activation; Thiolation; Thiobenzylether( Ed.: P，H，W，K)

?Supported by the Scientific Research Fund of Hunan Provincial Education Department，China( Nos.13C236，15C0464).

基金項(xiàng)目:湖南省教育廳科學(xué)研究項(xiàng)目(批準(zhǔn)號(hào): 13C236，15C0464)資助.

收稿日期:2015-06-12.網(wǎng)絡(luò)出版日期: 2016-01-14.

doi:10.7503/cjcu20150465

中圖分類號(hào)O621.3

文獻(xiàn)標(biāo)志碼A

聯(lián)系人簡(jiǎn)介:童孟良，男，教授，高級(jí)工程師，主要從事金屬催化反應(yīng)研究.E-mail: 13973327103@ 163. com