伊頓試劑一步法芳環(huán)偶聯(lián)合成聯(lián)咔唑

＊袁杰 李澤才 曹培 陳潤鋒*

（1.南京工業(yè)職業(yè)技術(shù)大學 江蘇 210023 2.南京郵電大學 江蘇 210023）

在有機光電材料的制備過程中，芳環(huán)分子的二聚化是提高材料熱物理和光化學性能的重要策略[1-2]，例如通過C-C[3]、C-N[4]或N-N[5]化學鍵直接連接咔唑可以形成咔唑二聚體，即聯(lián)咔唑。聯(lián)咔唑由于優(yōu)異的熱穩(wěn)定性、高三線態(tài)能級以及良好的空穴傳輸性能，已經(jīng)被廣泛應用在發(fā)光材料、空穴傳輸材料和主體材料中[6]。

目前有兩種合成方法可以構(gòu)建這種芳基-芳基C(sp2)-C(sp2)鍵，一種是金屬催化的芳香鹵化物與有機硼、芳基鎂鹵化物或有機錫烷之間通過Suzuki[7]、Kumada[8]或Stille[9]交叉偶聯(lián)反應實現(xiàn)。另一種是雙C-H鍵脫氫偶聯(lián)，包括路易斯酸活化的肖爾偶聯(lián)反應和氧化劑催化的芳環(huán)氧化偶聯(lián)反應[10-11]。其中，第一種方法在聯(lián)芳基制備中應用廣泛，但該反應通常需要兩種不同的前體以及金屬配合物催化劑，原材料成本較高。另一種方法看似具有很高的經(jīng)濟價值，但該反應通常需要在高溫下使用FeCl3、MoCl5和K3[Fe(CN)6]等氧化劑或腐蝕性的AlCl3，反應危險性大，后處理比較困難[12]。

Eaton試劑（伊頓試劑）是一種包含7.7wt%五氧化二磷（P2O5）的甲磺酸溶液，可以用來代替多聚磷酸用于酰基化反應，如關環(huán)反應等[13]。該試劑是一種無色液體，具有價格低廉、易于獲取，反應后處理簡單無殘留等優(yōu)點。我們偶然發(fā)現(xiàn)，在伊頓試劑輔助作用下，N-苯基咔唑可以通過雙C-H鍵脫氫偶聯(lián)反應生成9,9'-二苯基-9H,9'H-3,3'-聯(lián)咔唑，而無需使用反應溶劑和催化劑。通過對反應條件和反應機理仔細研究發(fā)現(xiàn)，新發(fā)現(xiàn)的芳香C(sp2)-C(sp2)偶聯(lián)反應是一種由伊頓試劑觸發(fā)的芳基正離子型肖爾反應。此外，我們還探討了不同反應條件對產(chǎn)率的影響，為制備新型多環(huán)芳烴有機光電材料提供依據(jù)。

1.實驗部分

(1)儀器試劑

Ultrashield? 400 PLUS型核磁共振儀（CDCl3為溶劑，TMS為內(nèi)標）；LCT Premier XE型高分辨質(zhì)譜；Elementar Vario MICRO型元素分析儀；Agilent 6230型高效液相色譜質(zhì)譜聯(lián)用儀；Bruker D8 Quest型單晶測試儀。

伊頓試劑，N-苯基咔唑（97%），兩者皆為市售分析純，未額外提純。

(2)9,9'-二苯基-9H,9'H-3,3'-聯(lián)咔唑的合成

為防止伊頓試劑吸水失活，反應在氮氣保護下進行。在常溫常壓下，將1.5g N-苯基咔唑放置在50mL的圓底燒瓶中，110℃加熱攪拌直至原料完全熔化。在5min內(nèi)將0.78mL伊頓試劑逐滴緩慢加入，反應液由無色逐漸變成深褐色。反應12h后加入10mL甲醇或水，繼續(xù)攪拌2h以猝滅反應。反應物用二氯甲烷萃取后加入適量硫酸鎂干燥，液相色譜檢測9,9'-二苯基-9H,9'H-3,3'-聯(lián)咔唑產(chǎn)率為46%。未反應原料經(jīng)回收重復利用，多次反應綜合產(chǎn)率可達70%。在反應物中加入硅膠粉后進行減壓蒸餾，用體積比20:1的石油醚和二氯甲烷混合溶劑作為洗脫劑進行柱層析，得白色產(chǎn)物。產(chǎn)物經(jīng)過三次重結(jié)晶后得到無色透明晶體（溶劑為體積比1:1的石油醚和二氯甲烷，其分子結(jié)構(gòu)如圖1所示）。

圖1 9,9'-二苯基-9H,9'H-3,3'-聯(lián)咔唑的晶體結(jié)構(gòu)圖

9,9'-二苯基-9H,9'H-3,3'-聯(lián)咔唑的表征：1H NMR (400MHz,CDCl3):δ=8.47(s,2H),8.26-8.24(d,2H),7.80-7.77(d,2H),7.67-7.59(m,8H),7.53-7.42(m,8H),7.36-7.26(m,2H).13C NMR(100MHz,CDCl3):δ=141.37,140.05,137.80,134.38,129.93,127.46,127.10,126.06,125.85,123.99,123.58,120.44,120.00,118.91,110.03,109.91.HRMS([M+1]+,FAB):calcd.for C36H24N2,484.1939;found,484.1931.Anal.calcd.for C36H21N2:C 89.23,H 4.99,N 5.78;found:C 89.02,H 4.94,N 5.66。

2.結(jié)果與討論

(1)不同反應條件對9,9'-二苯基-9H,9'H-3,3'-聯(lián)咔唑產(chǎn)率的影響

①伊頓試劑用量（以P2O5量計算）對9,9'-二苯基-9H，9'H-3,3'-聯(lián)咔唑產(chǎn)率的影響a)

分別用不同伊頓試劑量對N-苯基咔唑進行偶聯(lián)反應，其結(jié)果見圖2。

圖2 伊頓試劑用量對目標產(chǎn)物產(chǎn)率的影響

結(jié)果表明，不同用量的伊頓試劑均能使N-苯基咔唑發(fā)生偶聯(lián)反應并生成目標產(chǎn)物。從伊頓試劑用量角度看，當伊頓試劑用量較少時，不能使N-苯基咔唑有效轉(zhuǎn)化，因而產(chǎn)率較低；而催化劑用量過大時，則會因為產(chǎn)生副產(chǎn)物降低產(chǎn)率。當伊頓試劑與N-苯基咔唑的當量比為1:10時最佳。

②反應溫度對9,9'-二苯基-9H,9'H-3,3'-聯(lián)咔唑產(chǎn)率的影響

研究了反應溫度對N-苯基咔唑偶聯(lián)反應的影響，數(shù)據(jù)如圖3所示。

圖3 反應溫度對目標產(chǎn)物產(chǎn)率的影響

由圖3可見，當溫度低于100℃時，N-苯基咔唑未熔化，反應無法進行；當溫度為100℃時，可能因為反應溫度較低，伊頓試劑反應活性不夠；而當溫度高于120℃時，由于N-苯基咔唑汽化導致反應產(chǎn)率降低。因此，110℃是較為理想的反應溫度，同時該方法對反應溫度變化的耐受性較好，在100℃至120℃范圍內(nèi)產(chǎn)率基本恒定。

③反應時間對9,9'-二苯基-9H,9'H-3,3'-聯(lián)咔唑產(chǎn)率的影響

考察了反應時間對9,9'-二苯基-9H,9'H-3,3'-聯(lián)咔唑產(chǎn)率的影響，實驗結(jié)果見圖4。

圖4 反應時間對目標產(chǎn)物產(chǎn)率的影響

結(jié)果顯示，9,9'-二苯基-9H,9'H-3,3'-聯(lián)咔唑的產(chǎn)率會隨著反應時間的延長先增加后降低。當反應時間低于12h，N-苯基咔唑轉(zhuǎn)化不完全，而超過12h，則可能發(fā)生兩種情況：一種是偶聯(lián)反應的逆向反應導致的；另一種是生成的9,9'-二苯基-9H,9'H-3,3'-聯(lián)咔唑進一步轉(zhuǎn)化為高聚物導致產(chǎn)率降低。

④其他因素對9,9'-二苯基-9H,9'H-3,3'-聯(lián)咔唑產(chǎn)率的影響

除此之外，也考察了純P2O5或甲磺酸、二氯甲烷溶劑、氣體氛圍對反應的影響，結(jié)果如表1所示。

表1 其他因素對目標產(chǎn)物產(chǎn)率的影響

反應溫度為110℃，n(P2O5):n（N-苯基咔唑）=1:10，反應時間為12h。

結(jié)果表明，該反應在純P2O5或甲磺酸存在的條件下并未生成9,9'-二苯基-9H,9'H-3,3'-聯(lián)咔唑，這也從側(cè)面證明伊頓試劑對該反應的重要作用。當反應體系加入二氯甲烷溶劑后，反應未發(fā)生，可能是由于溶劑稀釋后，芳基正離子間距增加，反應不易發(fā)生。當氣體氛圍由氮氣變?yōu)榭諝夂?，反應產(chǎn)率出現(xiàn)較大降低，原因可能是空氣中的水汽會影響伊頓試劑的活性。

(2)伊頓試劑輔助芳環(huán)偶聯(lián)反應的反應機理

為了揭示這種芳環(huán)C(sp2)-C(sp2)偶聯(lián)機理，我們研究了不同條件下的反應情況（見表1）。當反應中僅使用P2O5時，未檢測到9,9'-二苯基-9H,9'H-3,3'-聯(lián)咔唑，表明該反應不屬于氧化偶聯(lián)反應范疇，因為P2O5是伊頓試劑中唯一的氧化劑；當反應中僅使用另一個成分甲磺酸或加入有機溶劑時，同樣未檢測到9,9'-二苯基-9H,9'H-3,3'-聯(lián)咔唑。此外，該反應可以在空氣氛圍中以較低的產(chǎn)率進行。因此，我們提出該芳香C-C偶聯(lián)反應是一種伊頓試劑觸發(fā)的芳基正離子型肖爾反應，如圖5所示。

圖5 伊頓試劑輔助的芳環(huán)偶聯(lián)反應機理

在反應過程中，遠離N-苯基咔唑分子中心且具有最高反應活性的3-C(sp2)原子先結(jié)合伊頓試劑中甲磺酸電離出來的質(zhì)子形成碳正離子，隨后該碳正離子攻擊另一個N-苯基咔唑的3-C(sp2)位置并實現(xiàn)C-C偶聯(lián)。偶聯(lián)后，發(fā)生脫氫芳構(gòu)化以形成穩(wěn)定的聯(lián)芳基結(jié)構(gòu)。因為C(sp2)-C(sp2)鍵合在反應過程中是最慢的，且在反應過程中未生成其他中間體和副產(chǎn)物，如圖6所示，進一步證實了該反應屬于芳基正離子型反應機制。

圖6 化合物（a）N-苯基咔唑、（b）9,9'-二苯基-9H,9'H-3,3'-聯(lián)咔唑以及（c）反應液的液相色譜質(zhì)譜圖

3.結(jié)論

發(fā)展了伊頓試劑輔助的C(sp2)-C(sp2)偶聯(lián)反應新方法，實現(xiàn)了9,9'-二苯基-9H,9'H-3,3'-聯(lián)咔唑的一步法合成。與經(jīng)典的金屬催化交叉偶聯(lián)和其他脫氫偶聯(lián)反應相比，新方法克服了偶聯(lián)反應普遍存在的步驟長、過程復雜、試劑價格昂貴等缺點。此外，該方法后處理簡單無殘留，非常有利于進一步推廣及應用。