苯炔前體的合成及其應(yīng)用進(jìn)展

陳　靜

(黔南民族師范學(xué)院化學(xué)與化工系，貴州都勻 558000)

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苯炔前體的合成及其應(yīng)用進(jìn)展

陳靜

(黔南民族師范學(xué)院化學(xué)與化工系，貴州都勻 558000)

摘要：苯炔是重要的反應(yīng)活性中間體，在天然產(chǎn)物合成、新型材料開發(fā)等方面被廣泛應(yīng)用。主要介紹了近年來(lái)比較常用的幾種苯炔前體的合成方法以及苯炔參與的親核、親電試劑的加成、各種環(huán)加成、過(guò)渡金屬催化這三方面的相關(guān)反應(yīng)，并對(duì)今后的應(yīng)用前景進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：苯炔前體，合成方法，加成反應(yīng)

芳炔是苯或者萘等芳香族化合物失去兩個(gè)氫原子后所形成的具有特殊結(jié)構(gòu)的重要反應(yīng)活性中間體，廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代有機(jī)合成的各個(gè)方面[1-2]。其中苯炔有1，2-、1，3-、1，4-二脫氫苯這三種不同的結(jié)構(gòu)，目前有機(jī)合成當(dāng)中運(yùn)用的比較普遍的是鄰位苯炔。苯炔參與的反應(yīng)包括與親核及親電試劑的加成、各種類型的環(huán)加成、過(guò)渡金屬催化反應(yīng)等，主要是通過(guò)對(duì)特殊的碳碳叁鍵的加成從而合成各種多取代芳基衍生物。由于苯炔具有極高的反應(yīng)活性不容易作為單獨(dú)物質(zhì)分離，目前主要的制備方法是利用各種前體化合物在反應(yīng)過(guò)程當(dāng)中生成苯炔，然后直接進(jìn)行下一步的合成。

苯炔前體的合成方法種類繁多，例如鄰鹵芳基類化合物可使用正丁基鋰或二異丙基氨基鋰等堿性試劑在低溫下的鄰位消除反應(yīng)生成苯炔[3]；鄰氨基苯甲酸可通過(guò)重氮化反應(yīng)得到重氮鹽，之后加熱分解生成苯炔[4]；1-氨基苯并三唑在四醋酸鉛等氧化劑的作用下也可生成苯炔[5]。上述合成方法對(duì)反應(yīng)條件的要求較高，反應(yīng)過(guò)程中有副產(chǎn)物生成，而且生成的苯炔不夠穩(wěn)定。因此，如何利用價(jià)廉易得的原料合成苯炔前體并在相對(duì)溫和中性的反應(yīng)條件下將前體化合物高效、迅速地轉(zhuǎn)化為苯炔是當(dāng)前苯炔化學(xué)研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。

目前來(lái)說(shuō)，有機(jī)合成當(dāng)中使用比較普遍的苯炔前體有以下幾種合成方法。

1　苯炔前體的合成

1.1苯炔前體2-(三甲基硅基)三氟甲磺酸苯酯的合成

在氟化銫或氟化鉀等氟化物的作用下，2-(三甲基硅基)三氟甲磺酸苯酯可以在相對(duì)溫和的中性反應(yīng)條件下轉(zhuǎn)化為苯炔。這是一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，相對(duì)容易制備的苯炔前體，近年來(lái)在合成當(dāng)中被廣泛使用。Kobayashi等研究人員[6]在上世紀(jì)八十年代中期利用2-氯苯酚與三甲基氯硅烷反應(yīng)制備該前體化合物。這種合成方法首先利用三甲基氯硅烷對(duì)酚羥基進(jìn)行保護(hù)，然后取代苯環(huán)上的氯得到中間產(chǎn)物，接著使用正丁基鋰來(lái)脫去保護(hù)，加入三氟甲磺酸酐后經(jīng)后續(xù)處理得到2-(三甲基硅基)三氟甲磺酸苯酯(Scheme 1)。該方法在反應(yīng)當(dāng)中有副產(chǎn)物氯化氫氣體產(chǎn)生，而且反應(yīng)時(shí)間比較長(zhǎng)。

圖1

近年來(lái)，我國(guó)研究人員[7]對(duì)該化合物的合成方法加以改進(jìn)。他們以2-溴苯酚為原料，通過(guò)與正丁基鋰反應(yīng)拔除苯環(huán)上的溴生成有機(jī)鋰化合物，然后加入三甲基氯硅烷通過(guò)硅基化反應(yīng)得到鄰三甲基硅基苯酚，最后加入三氟甲磺酸酐制備苯炔前體(Scheme 2)。這種合成路線較Scheme1的反應(yīng)要相對(duì)簡(jiǎn)便，中間產(chǎn)物少，而且最終產(chǎn)物2-(三甲基硅基)三氟甲磺酸苯酯的產(chǎn)率高效穩(wěn)定。

圖2

苯炔前體2-(三甲基硅基)三氟甲磺酸苯酯在氟離子的作用下于室溫或零度左右能夠高效地轉(zhuǎn)化為苯炔參與多種反應(yīng)，而且通過(guò)控制反應(yīng)條件可以改變苯炔的產(chǎn)生速度，適用于多種類型的有機(jī)合成反應(yīng)。

1.2苯炔前體2-(三甲基硅基)苯基三氟甲磺酰氧基碘化苯的合成

2-(三甲基硅基)苯基三氟甲磺酰氧基碘化苯[8]是一種近年來(lái)合成的新型苯炔前體化合物。這種前體化合物由1，2-二氯苯與三甲基氯硅烷反應(yīng)制取1，2-二(三甲基硅基)苯，之后在二乙酸碘苯及三氟甲磺酸的作用下即可生成(Scheme 3)。

圖3

該前體化合物的化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，在二氯甲烷或乙腈等極性溶劑當(dāng)中的溶解性能良好。另外，由3，4-二(三甲基硅基)甲苯及2，3-二(三甲基硅基)甲苯在相同的反應(yīng)條件下也可合成[4-甲基-2-(三甲基硅基)苯基]三氟甲磺酰氧基碘化苯、[3-甲基-2-(三甲基硅基)苯基]三氟甲磺酰氧基碘化苯等苯炔前體(Scheme 4)。

圖4

這一系列苯炔前體化合物在四丁基氟化胺等氟化物的作用下能夠迅速高效地轉(zhuǎn)化為苯炔參與各種加成反應(yīng)。而且在相同的條件下，2-(三甲基硅基)苯基三氟甲磺酰氧基碘化苯較2-(三甲基硅基)三氟甲磺酸苯酯的反應(yīng)活性強(qiáng)，最終得到的加成產(chǎn)物的產(chǎn)率較高。

1.3其他前體化合物的合成

除了以上二種在有機(jī)合成當(dāng)中被廣泛使用的苯炔前體化合物之外，近年來(lái)不斷有新的前體物質(zhì)的合成及其應(yīng)用被報(bào)道，使得苯炔化學(xué)得到進(jìn)一步的發(fā)展。

例如研究人員[9]發(fā)現(xiàn)可由3-甲氧基苯酚經(jīng)三步反應(yīng)生成3-甲氧基-2-(三甲基硅基)三氟甲磺酸苯酯(Scheme 5)。這是一種新型的苯炔前體物質(zhì)，在反應(yīng)過(guò)程中具有區(qū)域選擇性，一般得到兩種加成產(chǎn)物，其中在甲氧基的間位生成主要的加成產(chǎn)物。

圖5

其次，由2-溴-4，5-二氟苯酚與硅基化試劑六甲基二硅胺烷(HMDS)反應(yīng)對(duì)酚羥基進(jìn)行保護(hù)，形成硅醚。接著使用正丁基鋰脫去苯環(huán)上的溴得到有機(jī)鋰中間體然后與三甲基氯硅烷發(fā)生硅基化反應(yīng)，最終再次加入正丁基鋰及三氟甲磺酸酐后經(jīng)后續(xù)處理得到最終產(chǎn)物4，5-二氟-2-(三甲基硅基)三氟甲磺酸苯酯(Scheme 6)。這些含有吸電子基的苯炔前體化合物對(duì)于具有特殊性能的芳基化合物的定向合成有非常重要的意義。

圖6

近年來(lái)，研究人員[10]以2-溴苯酚為原料首先對(duì)酚羥基進(jìn)行保護(hù)，然后將合成的中間產(chǎn)物與正丁基鋰及N，N-硫酰二咪唑反應(yīng)得到一系列的新型咪唑基磺酸酯類苯炔前體(Scheme 7)。這種合成方法得到的苯炔前體在氟化銫及加熱的條件下可生成苯炔，但是原料價(jià)格較高，主要用于實(shí)驗(yàn)室的少量合成。

圖7

另外，以1-溴-2-萘酚為起始原料通過(guò)硅基化與酯化這二步反應(yīng)可合成三氟甲磺酸-1-(三甲基硅基)-2-萘酯(Scheme 8)。這是一種目前應(yīng)用比較普遍的萘炔前體[11]，在氟化銫等氟化試劑的作用下可高效地產(chǎn)生萘炔參與相關(guān)的有機(jī)合成反應(yīng)。

圖8

由9-菲酚與溴化劑N-溴代丁二酰亞胺(NBS)反應(yīng)可在羥基的鄰位引入溴，然后通過(guò)硅基化與酯化反應(yīng)可生成相應(yīng)的菲炔前體化合物(Scheme 9)。這是一種比較常用的前體化合物，除此之外根據(jù)特殊三鍵位置的不同還有其他兩種菲炔異構(gòu)體。

圖9

2　苯炔參與的反應(yīng)

苯炔前體在氟化銫等氟離子的作用下脫去保護(hù)基團(tuán)三甲基硅基于中性條件下能夠高效地轉(zhuǎn)化為苯炔中間體參與多種反應(yīng)，因此在有機(jī)合成當(dāng)中被廣泛地使用。苯炔參與的反應(yīng)主要有與親電及親核試劑的加成、各種類型的環(huán)加成、過(guò)渡金屬催化反應(yīng)等，通過(guò)對(duì)特殊的碳碳三鍵的加成，生成各種多取代芳基衍生物。

2.1與親核、親電試劑的加成反應(yīng)

苯炔可以與各種類型的親核及親電試劑反應(yīng)，從而合成具有特殊結(jié)構(gòu)的目標(biāo)產(chǎn)物。例如苯炔前體2-(三甲基硅基)三氟甲磺酸苯酯與苯胺在室溫下反應(yīng)可制取二苯胺(Scheme 10)。這種合成方法[12]適用各種多取代的芳胺衍生物的合成，而且產(chǎn)物的產(chǎn)率較高。在相同的反應(yīng)條件下加入四丁基氟化胺也可以得到相同的產(chǎn)物，反應(yīng)時(shí)間較氟化銫要短，但是所得產(chǎn)物的產(chǎn)率較低。

圖10

在相同的反應(yīng)條件下，使用3-甲氧基-2-(三甲基硅基)三氟甲磺酸苯酯可生成3-甲氧基苯炔，這種類型的活性中間體與親核試劑的反應(yīng)具有區(qū)域選擇性，可以得到兩種同分異構(gòu)體。由于3-甲氧基苯炔中甲氧基的立體電子效應(yīng)，主要在位阻小的一側(cè)形成新的加成產(chǎn)物B。例如3-甲氧基-2-(三甲基硅基)三氟甲磺酸苯酯與苯胺的反應(yīng)主要生成3-甲氧基二苯胺(Scheme 11)。另外，4-甲氧基苯炔的區(qū)域選擇性較差，在相同的條件下通常生成兩種比例相同的同分異構(gòu)體。

圖11

萘炔前體三氟甲磺酸-1-(三甲基硅基)-2-萘酯在氟化銫的作用下與1-烯丙基派啶反應(yīng)，可生成相應(yīng)的氮雜克萊森重排產(chǎn)物(Scheme 12)。該方法[13]需要在甲苯中長(zhǎng)時(shí)間的加熱回流，反應(yīng)條件比較嚴(yán)苛，但所得產(chǎn)物的產(chǎn)率較高，有一定的合成價(jià)值。

圖12

另外，苯炔也可以與各種親電試劑反應(yīng)，生成相應(yīng)的鄰位加成產(chǎn)物。

2.2各種環(huán)加成反應(yīng)

苯炔與環(huán)狀雙烯體的Diels-Alder反應(yīng)可以生成各種相應(yīng)的環(huán)加成產(chǎn)物。 例如2-(三甲基硅基)三氟甲磺酸苯酯[6]或者2-(三甲基硅基)苯基三氟甲磺酰氧基碘化苯[8]在四丁基氟化胺的作用下生成苯炔，與呋喃反應(yīng)可得到1，4-環(huán)氧-1，4-二氫萘(Scheme 13)。在相同的條件下，2-(三甲基硅基)苯基三氟甲磺酰氧基碘化苯比2-(三甲基硅基)三氟甲磺酸苯酯的反應(yīng)活性強(qiáng)，反應(yīng)時(shí)間短，最終加成產(chǎn)物的產(chǎn)率接近100%。另外，使用氟化鉀與18-冠醚-6也可使2-(三甲基硅基)苯基三氟甲磺酰氧基碘化苯生成苯炔，與呋喃反應(yīng)后產(chǎn)物的產(chǎn)率為88%，這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明使用不同的氟化劑對(duì)苯炔的產(chǎn)生以及最終的實(shí)驗(yàn)結(jié)果有一定的影響。

圖13

其他苯炔前體2-碘-3-甲氧基苯基三氟甲磺酸酯在正丁基鋰的作用下可快速生成3-甲氧基苯炔，與2-甲氧基呋喃的環(huán)加成反應(yīng)經(jīng)過(guò)如下的中間過(guò)渡態(tài)，最終生成萘酚衍生物(Scheme 14)[14]。

圖14

苯炔也可參與[2+2]等[15-16]其他的環(huán)加成反應(yīng)，合成各種不同分子結(jié)構(gòu)的加成產(chǎn)物。

2.3過(guò)渡金屬催化反應(yīng)

各種苯炔前體在過(guò)渡金屬催化的作用下也可發(fā)生加成反應(yīng)，用于簡(jiǎn)便合成一般方法比較難以制取的芳香族化合物。例如2-(三甲基硅基)三氟甲磺酸苯酯與苯乙炔在氯化亞銅的催化作用下可生成聯(lián)二苯衍生物(Scheme 15)[17]。

圖15

3-甲氧基-2-(三甲基硅基)三氟甲磺酸苯酯在氟化銫及四(三苯基膦)鈀的作用下發(fā)生聚合反應(yīng)，可生成1，5，12-三甲氧基三亞苯與1，5，9-三甲氧基三亞苯這兩種區(qū)域選擇性產(chǎn)物(Scheme 16)[9]。

圖16

萘炔及菲炔前體[18]在三(二亞芐基丙酮)二鈀的作用下與丁炔二酸二甲酯的反應(yīng)可以高產(chǎn)率地合成四取代的菲類和三亞苯類化合物(Scheme 17)。

圖17

3　結(jié)論與展望

通過(guò)對(duì)近年來(lái)比較常用的幾種苯炔前體的合成方法以及苯炔參與的各種加成反應(yīng)的介紹，可以認(rèn)識(shí)到具有高度反應(yīng)活性的苯炔是有機(jī)合成的重要中間體，在結(jié)構(gòu)復(fù)雜的天然產(chǎn)物合成以及新型材料開發(fā)等方面有良好的應(yīng)用前景。

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通訊作者：陳靜，博士，研究方向?yàn)榻饘儆袡C(jī)合成與化學(xué)教學(xué)；E-mail：cm09j520@163.com；Tel：13477576488

中圖分類號(hào)：O 625.1

Research Progress on Synthesis and Applications of Aryne Precursors

CHEN Jing

(Dept. of Chemistry and Chemical Engineering，Qiannan Normal College for Nationalities，Duyun 558000，Guizhou，China)

Abstract：Arynes are important reactive intermediates and have been used in synthesis of natural products and functional materials. Synthetic methods were desired for several aryne percursors to generate arynes with high efficiency and mild reaction conditions. The applicability of aryne percusors were introduced in different types of nucleophilic or electrophilic reactions，cycloaddition reactions and transition-metal-catalyzed reactions.

Key words：aryne precursors，synthesis，addition reaction