基于紫外光譜的甲基菲羅啉NBS溴代反應(yīng)研究*

李　森， 李　朋， 韓國志

(南京工業(yè)大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院，江蘇　南京　210009)

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科學(xué)實驗

基于紫外光譜的甲基菲羅啉NBS溴代反應(yīng)研究*

李森， 李朋， 韓國志

(南京工業(yè)大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院，江蘇南京210009)

自由基鹵代是有機合成中一類重要的反應(yīng)。其中，溴代反應(yīng)由于條件溫和以及實現(xiàn)途徑的多樣化，研究最為深入。在目前的溴代試劑中，N-溴代丁二酰亞胺(NBS)具有成本低、操作性強等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于a-氫的取代。但對于具有活潑氫的芳雜環(huán)而言，基于NBS的溴代容易受到雜原子的干擾，受反應(yīng)條件的影響較大。該文以2,9-二甲基鄰菲羅啉為原料，NBS為溴代試劑，合成了溴甲基鄰菲羅啉。并創(chuàng)新性地采用紫外光譜研究了其溴代歷程，對反應(yīng)進(jìn)行了優(yōu)化，具有較高的學(xué)術(shù)與應(yīng)用價值。

溴代；鄰菲羅啉；NBS；紫外

鹵代反應(yīng)是有機合成中的一類重要的取代反應(yīng)[1]。在構(gòu)建新型化合物中，往往作為一個橋梁引入新的基團(tuán)。每種鹵代反應(yīng)都有對應(yīng)的不同實現(xiàn)方法[2-3]。其中，溴代反應(yīng)由于條件溫和及實現(xiàn)途徑的多樣化，應(yīng)用最為廣泛。 傳統(tǒng)的溴代試劑主要有單質(zhì)溴，溴化物以及N-溴代丁二酰亞胺[4-6]。單質(zhì)液溴具有較強的腐蝕性[7]、成本也較高,同時也會造成較大污染。溴化物與氧化劑的間接溴代在一定程度上彌補了液溴的缺點,但是有些氧化劑價格昂貴且安全性、穩(wěn)定性較低，同時增加了后處理的難度。在目前的溴代試劑中，N-溴代丁二酰亞胺(NBS)具有成本低、操作性強等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于a-活潑氫的取代[8-11]。其溴代機理研究也最為成熟。其被廣泛認(rèn)可的溴代機理如圖1所示[12]。

但本課題組研究發(fā)現(xiàn)，對于芳雜環(huán)，尤其氮雜環(huán)而言，基于NBS的a-活潑氫的溴代反應(yīng)表現(xiàn)出一些異于常規(guī)的特征，芳環(huán)中的雜原子對溴代反應(yīng)具有很大的影響。

圖1　NBS溴代機理

目前，關(guān)于芳雜環(huán)a-氫的NBS溴代反應(yīng)及相關(guān)研究鮮有報道，而芳雜環(huán)活潑氫的鹵代對于很多有機中間體而言，是非常重要的一步反應(yīng)，能極大地減少反應(yīng)步驟，提高收率，降低成本。本文以2,9-二甲基鄰菲羅啉為原料，NBS為溴代試劑，合成了高效新型熒光分子2,9-雙[N,N-二(羧甲基)-氨甲基]-1,10-鄰菲羅啉(BBCAP)的中間體二溴甲基鄰菲羅啉，極大的簡化了BBCAP的合成步驟。并創(chuàng)新性地采用紫外光譜研究了其溴代歷程，合成路線如圖2所示。

圖2　二溴甲基鄰菲羅啉合成路線

1　實驗部分

1.1實驗試劑與儀器

Bruker Avance 300型核磁共振儀,德國Bruker公司(以四甲基硅為內(nèi)標(biāo))；Shimadzu 3150-PC型紫外分光光度計,日本島津公司；HH-2型恒溫水浴鍋,國華電器有限公司。2,9-二甲基-1,10-鄰菲羅啉、N-溴代丁二酰亞胺(NBS)、過氧化苯甲酰(BPO),購自阿拉丁試劑公司，所有試劑均為分析純。

1.2實驗方法

1.2.12,9-二溴甲基-1,10-鄰菲羅啉的合成

在150 mL的三口燒瓶中，加入2,9-二甲基-1,10-鄰菲羅啉1 g(4.8mmol)、NBS 1.8 g(10.08 mmol)、以及適量溶劑，光照引發(fā)，在氮氣保護(hù)下快速攪拌。體系顏色逐漸變黃，TLC監(jiān)控反應(yīng)終點。旋蒸除去溶劑，粗產(chǎn)物水洗，得橙黃色固體1.68 g。硅膠過柱純化 (梯度洗脫，石油醚:乙酸乙酯=15:1，8:1， 3:1)得淡黃色固體0.33 g，收率19%。1HNMR(400 MHz，CDCl3)δ：4.74(s,4H)，7.95(m,2H)，8.13(d,J=8.0,2H)，8.57(d,J=7.5,2H)。

1.2.2基于紫外光譜的二甲基鄰菲羅啉溴代反應(yīng)的優(yōu)化

在上述合成基礎(chǔ)上，本文通過紫外光譜對反應(yīng)溫度以及溶劑極性進(jìn)行了優(yōu)化。即在反應(yīng)的不同條件下取樣，測量其紫外光譜，分析體系組成的特征與變化。

2　結(jié)果與討論

2.1紫外監(jiān)控原理

實驗測得原料2,9-二甲基-1,10-鄰菲羅啉的紫外最大特征峰在270 nm左右。當(dāng)其a-氫被溴取代之后，通過理論分析計算，二溴甲基鄰菲羅啉的最大吸收峰應(yīng)該在279 nm左右。一溴代在274 nm左右。與實際實驗檢測相一致。因此，我們可以通過體系紫外光譜的變化，分析反應(yīng)體系組成的變化。

2.2溫度的影響

本文首先研究了溫度對鄰菲羅啉溴代反應(yīng)的影響，圖3是在相同時間節(jié)點，不同溫度下，反應(yīng)體系的紫外光譜。

由圖3可以看出，溫度對反應(yīng)有較大的影響。反應(yīng)溫度為25 ℃，反應(yīng)終點時，紫外最大吸收峰發(fā)生較大紅移，從 270 nm 移動到301 nm左右，與理論值相差太大，根據(jù)實驗現(xiàn)象，本文推測是雜環(huán)中氮質(zhì)子化成鹽。通過核磁確證了結(jié)果。1HNMR(400 MHz，CDCl3)δ：3.54(s,6H)，8.05(m,2H)，8.23(d,J=8.0,2H)，8.87(d,J=7.5,2H)。當(dāng)體系溫度為80 ℃時，紫外最大吸收峰發(fā)生微弱的紅移，從270 nm 移動到279 nm，與溴代產(chǎn)物相符。根據(jù)以上結(jié)果，本文研究分析認(rèn)為，低溫條件下，芳雜環(huán)中的氮原子對溴代歷程產(chǎn)生了淬滅作用，推測的機理如圖4所示。

圖3　溫度對反應(yīng)體系紫外光譜的影響

圖4　溫度對2,9-二甲基鄰菲羅啉溴代的影響機理

2.3溶劑的影響

本文還研究了溶劑對鄰菲羅啉溴代反應(yīng)的影響。圖5是分別用四氫呋喃、四氯化碳、乙腈作溶劑,在相同的時間節(jié)點(4 h)、相同的溫度(80 ℃)下反應(yīng)體系的紫外光譜。

圖5　溶劑對反應(yīng)體系紫外光譜的影響

由圖5可以看出，在相同的溫度下，溶劑的極性對反應(yīng)也有著重要的影響。用四氫呋喃(THF)作溶劑，4 h之后，體系紫外光譜的最大吸收峰幾乎沒有變化，用四氯化碳(CCl4)作溶劑，紫外光譜最大吸收峰紅移到274 nm，主要產(chǎn)物可能是一溴代產(chǎn)物。而以乙腈作溶劑，4 h之后，紫外光譜最大吸收峰紅移到280 nm。本文分析認(rèn)為，溶劑的性質(zhì)對于溴代過程中，自由基轉(zhuǎn)移的第二步有著重要的影響。對于THF而言，在第二步自由基轉(zhuǎn)移的過程中，會與溴化氫發(fā)生質(zhì)子化的過程，影響溴分子的產(chǎn)生速率。而對于四氯化碳與乙腈而言，極性較大的乙腈更有利于NBS中的N-Br鍵發(fā)生異裂，促進(jìn)溴分子的生成，從而加速溴代反應(yīng)的速率。

3　結(jié)　論

通過紫外光譜研究了2,9-二甲基鄰菲羅啉的NBS溴代反應(yīng)。研究結(jié)果表明，芳雜環(huán)中雜原子對芳環(huán)a-氫的溴代具有重要的影響。當(dāng)體系處于低溫條件下，芳雜環(huán)中的氮原子對溴代反應(yīng)產(chǎn)生了淬滅作用，不利于溴代產(chǎn)物的生成。此外，溶劑極性的增加有利于溴代產(chǎn)物的轉(zhuǎn)化。

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Research of NBS Bromination Reaction of Methyl Phenanthroline Based on UV Spectra*

LISen,LIPeng,HANGuo-zhi

(College of Chemistry and Molecular Engineering, Nanjing Tech University, Jiangsu Nanjing 210009, China)

Halogen free radical substitution is a kind of important reactions in organic synthesis. Among them, due to the mild conditions and diversification of realization ways, bromination reaction has been studied mostly in-depth.. In the present bromination reagent, N-Bromosuccinimide (NBS) is widely used in replacing of α-H because of the advantages of low cost and convenient operability. But for active hydrogen in aromatic heterocyclic, bromination reaction by NBS was easily disturbed by heteroatom, and largely influenced by reaction conditions. Using 2,9-dimethyl-1,10-phenanthroline as raw material and NBS as bromination reagent, dibromomethyl phenanthroline was synthesized. On the basis, the bromination mechanism was innovatively studied by UV spectra and the reaction was optimized. The research will have high academic and application value.

bromine generation; phenanthroline; N-bromosuccinimide; UV

中國博士后基金(No.20100481084)資助。

李森，碩士研究生，研究方向：芳香雜環(huán)化合物的合成。

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A

1001-9677(2016)02-0036-03