強(qiáng)堿體系下以碳化鈣為炔源合成N-乙烯基吲哚

賈祥貴

(西北師范大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

碳化鈣，俗稱電石，是一種灰黑色的固體，屬于無機(jī)物。近年來，將其作為炔源直接用于有機(jī)合成的研究多有報道。在這些報道中，有一部分是合成環(huán)狀化合物[1-3]，有一部分是碳化鈣以兩個碳原子的形式引入到產(chǎn)物中，從而在產(chǎn)物中構(gòu)建出三鍵或雙鍵[4-13]。

然而在產(chǎn)物中構(gòu)建出雙鍵的報道并不是很多。如圖1，2013年，Yu[11]等利用碳化鈣在碘化亞銅的催化下，與醛和胺三組分反應(yīng)獲得了胺基烯酮，在產(chǎn)物中構(gòu)筑出了雙鍵。2016年， Rodygin[12]等利用碳化鈣為炔源，實現(xiàn)了對苯硫酚的S-乙烯基化，成功制備出了乙烯基硫醚。同年，Matake[13]等同樣以碳化鈣為炔源，實現(xiàn)了苯甲醇的O-乙烯基化，合成出了乙烯基醚。

與聚N-乙烯基咔唑相比，聚N-乙烯基吲哚具有較低的電離電位和較低的玻璃化溫度，所以具有更大的感光材料價值[14]。因此我們探索以碳化鈣為炔源實現(xiàn)N-乙烯基化，以制備出N-乙烯基吲哚。

圖1 雙鍵的制備

Fig.1 Available preparation routes to access vinyl compounds

1 結(jié)果與討論

我們以吲哚(1mmol)和碳化鈣的反應(yīng)作為典型實驗優(yōu)化了反應(yīng)條件,結(jié)果見表1。發(fā)現(xiàn)在溶劑DMF中反應(yīng)所得產(chǎn)率較低(Table 1, 20% entry1)，但在溶劑DMSO中所得產(chǎn)率較好(Table 1, 60% entry2)。我們也評估了反應(yīng)時間、催化劑和物料比對反應(yīng)的影響。最佳的反應(yīng)時間是6h(entries 2-4; Table 1)，最佳的反應(yīng)溫度是120℃(entries 2,5,6; Table 1)。另外我們發(fā)現(xiàn)，在溶劑DMSO中，有機(jī)堿會導(dǎo)致吲哚分解，所以我們重點探索了無機(jī)堿KOH、 Cs2CO3和 NaOH(entries 2, 7 and 8; Table 1)對反應(yīng)的影響，發(fā)現(xiàn)KOH是最佳催化劑。值得我們注意的是當(dāng)我們提高反應(yīng)物碳化鈣的物質(zhì)的量時，產(chǎn)率是隨之升高的(entries 2, 9-12; Table 1)。最后我們發(fā)現(xiàn)最佳的催化劑(KOH)量是40%(entries 11, 13-15; Table 1)。綜上所述，我們最終得出的最佳反應(yīng)條件為：吲哚(1mmol)，CaC2(5mmol)，H2O(10mmol),KOH(40mol%)，溶劑DMSO，溫度120℃，反應(yīng)時間6h。

表1 反應(yīng)條件的優(yōu)化aTable 1 Optimization of reaction conditions in the synthesis of 1-Vinylindolea

注：a. 反應(yīng)條件： 吲哚(1mmol),N2保護(hù)；b.分離產(chǎn)率。

我們在最優(yōu)反應(yīng)條件，探索了取代基對產(chǎn)率的影響。結(jié)果表明，對于吲哚類化合物，不同的取代基對反應(yīng)的影響不同。供電子基團(tuán)對產(chǎn)率的影響不大(Table2，entries2-4)。供電子基團(tuán)會使產(chǎn)率增加(Table2，entry 2)。鹵素原子既具有吸電子作用，又具有供電子作用，但是吸電子作用大于供電子作用，所以鹵素取代的吲哚的產(chǎn)率有所下降(Table2，entries3,4)。吸電子基團(tuán)對產(chǎn)率的影響比較大(Table2，entries5-10)。特別是隨著吸電子基團(tuán)的增多，產(chǎn)率急劇下降，甚至不反應(yīng)(Table2，entries7-10)。對于苯并環(huán)上的N原子，吸電子作用大于供電子作用，表現(xiàn)為吸電子基團(tuán)的性質(zhì)。所以隨著N雜環(huán)上的C原子逐步被N原子取代掉，產(chǎn)率急劇下降，甚至不反應(yīng)(Table2，entries1， 9，10)。另外，我們發(fā)現(xiàn)苯環(huán)在此可以被認(rèn)為是供電子基團(tuán)，因為我們發(fā)現(xiàn)具有兩個苯環(huán)的咔唑可以得到較高的產(chǎn)率(95%)。綜上，我們得出結(jié)論：凡是能夠使N原子上電子云密度增加的情況都會使產(chǎn)率增加，凡是使N原子上電子云密度降低的情況都會使產(chǎn)率降低。

表2 官能團(tuán)對產(chǎn)率的影響Table 2 .Substrate scope of the N-vinylation reaction involving calcium carbide

表2(續(xù))

表2(續(xù))

注：a. 反應(yīng)條件：CaC2(5mmol),H2O(10mmol),KOH(40mol%),DMSO(7mL),120℃,6h,N2保護(hù)；b.分離產(chǎn)率。

結(jié)合文獻(xiàn)報道[12-13]，我們對反應(yīng)的機(jī)理進(jìn)行了推測。如圖2所示，首先，微量的水活化了CaC2，使CaC2變?yōu)橐胰矚怏w，從而活性增強(qiáng)。同時KOH活化了R2N-H鍵，使得N原子上的電子云充分裸露，從而有利于N原子進(jìn)行親核進(jìn)攻。隨后，N原子親核進(jìn)攻乙炔氣體分子形成中間體，中間體進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為目標(biāo)產(chǎn)物。

圖2 可能的反應(yīng)機(jī)理Fig.2 Possible reaction mechanism

2 結(jié)論

發(fā)展了一種在氮氣氛、強(qiáng)堿體系(KOH-DMSO)下，直接以碳化鈣為炔源實現(xiàn)N-乙烯基化的方法。相對于乙炔炔源，碳化鈣炔源操作簡單、易于控制，不需要耐高壓耐高溫的設(shè)備。所用催化劑為非金屬催化劑且廉價易得，對環(huán)境友好，底物適用范圍良好，部分產(chǎn)物的產(chǎn)率高達(dá)98%，在有機(jī)合成方法學(xué)上具有一定的意義。

3 實驗部分

3.1 儀器與試劑

熔點測定儀使用北京泰克儀器有限公司XT-4型雙目顯微熔點儀，溫度計未校正(所測得的熔點僅供參考)；核磁共振譜用Varian Mercury-400 plus或Varian Mercury-600 plus核磁共振儀測定，CDCl3或DMSO-d6為溶劑，Me4Si為內(nèi)標(biāo)。所用試劑均為商業(yè)市場所購得，溶劑使用前做干燥除水處理。

3.2 實驗方法

以吲哚為例。將碳化鈣(5mmol)，吲哚(1mmol)，KOH(5mmol)至于10mL反應(yīng)管(帶有磁子)中并使用橡膠塞封口，充入氮氣3次以置換出反應(yīng)管內(nèi)的空氣。使用10mL注射器將溶劑DMSO(7mL)和水(10 mmol)的混合物注入反應(yīng)管并用膠帶封住針孔，將反應(yīng)管移置于120℃油浴鍋中攪拌反應(yīng)6h。冷卻至室溫后，抽濾除去體系中的固體物質(zhì)并向體系中加入乙酸乙酯(30mL)后轉(zhuǎn)移至分液漏斗中，用飽和食鹽水洗滌(15mL×3)，水相再用乙酸乙酯(15mL×2)萃取和飽和食鹽水洗滌(10mL×2)，合并有機(jī)相并用無水硫酸鈉干燥，減壓蒸餾除去過量溶劑，柱層析或薄層色譜獲得目標(biāo)產(chǎn)物。

3.3 產(chǎn)物表征數(shù)據(jù)

1-乙烯基吲哚：淡黃色液體。1H NMR (600 MHz, CDCl3) δ 7.61 (d, J = 7.8 Hz,1H),7.46(d,J=8.4 Hz, 1H),7.42(d,J=3.0 Hz,1H),7.25(t,J=7.2 Hz,1H),7.22(dd,J=15.6,9.0Hz,1H),7.15(t,J=7.2 Hz,1H),6.62(d,J=3.6 Hz,1H),5.18(d,J=15.6 Hz,1H),4.76(d,J=9.0 Hz, 1H)。

5-甲氧基-1-乙烯基吲哚:棕色固體.m.p. 40～42℃。1H NMR (600 MHz, DMSO-d6) δ 7.75 (d,J=3.0 Hz 1H),7.60(d,J=9.0 Hz,1H),7.43(dd,J=15.6,9.0Hz 1H),7.09 (d, J = 2.4 Hz,1H),6.85(dd,J=9.0,2.4 Hz,1H),6.56(d,J=3.0 Hz,1H),5.32(dd,J=15.6,1.2 Hz,1H),4.71(dd,J=9.0,1.2 Hz,1H),3.77(s,3H)。13C NMR (150 MHz, DMSO-d6) δ 154.31,130.18,130.16,129.18,124.51,112.07,110.76,104.43,102.68,95.85,55.29。

5-溴-1-乙烯基吲哚:白色固體.m.p. 68～69℃。1H NMR(600 MHz,CDCl3) δ 7.70(d,J=1.8 Hz,1H),7.37(d,J=3.6 Hz,1H),7.30(d,J=9.0Hz,1H),7.27(s,1H),7.09(dd,J=16.2,9.0 Hz,1H),6.51(d,J=3.0 Hz,1H),5.16(dd,J=15.6,1.8 Hz,1H),4.77(dd,J=9.0,1.8 Hz,1H)。13C NMR(150 MHz,CDCl3) δ134.04,130.68,129.30,125.42,124.50,123.59,113.87,110.87,104.23,97.46.

5-氯-1-乙烯基吲哚:棕色固體. m.p. 62～63℃。1H NMR (400 MHz,CDCl3) δ 7.52(d,J=2.0 Hz,1H),7.35(d,J=3.6 Hz,1H),7.24(s,1H),7.14(d,J=8.8Hz,1H),7.04(dd,J = 15.6,8.8 Hz, H),6.48(d,J=3.6Hz,1H),5.12(dd,J=15.6,1.6 Hz,1H),4.72(dd,J=8.8,1.6 Hz,1H)。13C NMR (100 MHz,CDCl3) δ 133.69,130.00,129.24,126.22,124.59,122.78,120.45,110.40,104.27,97.30。

5-硝基-1-乙烯基吲哚:淡黃色固體. m.p.116～118℃。1H NMR (400 MHz,CDCl3) δ 8.56(d,J=2.0 Hz,1H),8.15(dd,J=9.2,2.4 Hz,1H),7.57(d,J=3.2 Hz,1H),7.47(d,J=9.2 Hz,1H),7.22(dd,J=15.6,8.8 Hz,1H),6.79(d,J=3.6 Hz,1H),5.33(dd,J=15.6,1.6 Hz,1H),4.98(dd,J=8.8,1.6 Hz,1H)。13C NMR (100 MHz,CDCl3) δ 142.37,137.94,128.91,128.33,126.52,118.19,118.07,109.37,106.67,100.03。

1-乙烯基吲哚-3-甲腈:淡黃色固體. m.p. 155～157℃。1H NMR(400 MHz CDCl3,)δ 7.88(s, 1H),7.76(d,J=7.2Hz,1H),7.52(d,J=8.4 Hz,1H),7.39(t,J=7.2 Hz,1H),7.33 (t,J=7.6 Hz,2H),7.19(dd,J=15.6,8.8 Hz,1H),5.41(dd,J=15.6,1.6 Hz,1H),5.07(dd,J=8.8,2.0 Hz,1H)。13C NMR(150MHz,CDCl3) δ 134.69,130.48,128.77,127.74,124.81,123.08,120.08,115.13,110.54,102.29,89.23。

1-乙烯基吲哚-2-酮:淡紅色液體. (400 MHz, CDCl3) δ7.32～7.27(m,2H),7.17(d,J=8.0 Hz,1H),7.09(t,J=7.2 Hz,1H)，6.83(dd,J=16.0, 9.6 Hz,1H),5.70(d,J=16.4 Hz,1H),5.06(d,J=10.0 Hz,1H),3.59(s,2H)。13C NMR(100 MHz,CDCl3) δ 174.14,143.07,127.91,126.69,124.66,124.28,123.07,109.73,103.55, 35.68。

N-乙烯基苯并咪唑:淡黃色液體。1H NMR(400 MHz,CDCl3) δ 8.13(s,1H),7.83～7.80(m,1H),7.53～7.50(m,1H),7.34～7.30(m,2H),7.09(dd,J=15.6,8.8 Hz,1H),5.50 (dd,J=16.0,1.6Hz,1H),5.05(dd,J=9.2,2.0 Hz,1H)。13C NMR(100 MHz,CDCl3) δ 143.92,140.60,132.43,128.06,123.87,123.04,120.57,110.34,102.57。

N-乙烯基咔唑:白色固體. m.p. 63～65℃1H NMR(600 MHz,DMSO-d6)δ 8.20(d,J=7.8 Hz,2H),7.86(d,J=8.4 Hz,2H),7.61(dd,J=16.8,10.2Hz,1H),7.51(t,J=7.2 Hz,2H),7.32(t,J=7.2 Hz,2H),5.62(d,J=16.2 Hz,1H),5.14(d,J=9.6 Hz,1H)。13C NMR(150 MHz,DMSO-d6) δ138.58,129.70,126.43,123.20,120.65,120.26,110.85,101.01。

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