阅读说明：本技术 一种3-硝基-2-吲哚酮类化合物的制备方法 (Preparation method of 3-nitro-2-indolone compound ) 是由 吴燕 陈锦杨 刘嘉陵 钟春涛 于 2019-10-14 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种3-硝基-2-吲哚酮类化合物的制备方法。该方法是在溶剂中以2-吲哚酮类化合物和硝酸铜为原料,然后在氧化剂的作用下进行硝化反应,至原料反应完全,再过滤除去固体残余物旋干直接得到3-硝基-2-吲哚酮类化合物。本发明以硝酸铜作为硝化试剂,硝化反应过程中无亚硝基自由基产生,不仅减少了副反应,还提高了反应选择性,大幅度提高了硝化反应收率,且缩短了反应时间,反应完成后,无需柱层析过柱,过滤除去固体残余物旋干直接得到目标产物。该方法具有操作简便、原料廉价易得、反应条件温和、高效稳定的优点,特别适合于工业化生产,具有良好的应用前景,同时也为自由基硝化反应提供了一种新思路。(The invention relates to a preparation method of a 3-nitro-2-indolone compound. The method comprises the steps of taking 2-indolone compounds and copper nitrate as raw materials in a solvent, then carrying out nitration reaction under the action of an oxidant until the raw materials react completely, filtering to remove solid residues, and spin-drying to directly obtain the 3-nitro-2-indolone compounds. The method takes the copper nitrate as the nitration reagent, no nitroso free radical is generated in the nitration reaction process, side reaction is reduced, reaction selectivity is improved, the nitration reaction yield is greatly improved, the reaction time is shortened, column chromatography and column chromatography are not needed after the reaction is finished, solid residues are removed by filtration, and the target product is directly obtained by spin drying. The method has the advantages of simple operation, cheap and easily obtained raw materials, mild reaction conditions, high efficiency and stability, is particularly suitable for industrial production, has good application prospect, and provides a new idea for the free radical nitration reaction.)

一种3-硝基-2-吲哚酮类化合物的制备方法

技术领域

本发明属于有机合成技术领域，具体涉及一种硝酸铜参与的2-吲哚酮类化合物在温和条件下简洁高效的硝化反应制备3-硝基-2-吲哚酮类化合物的方法。

背景技术

3-硝基-2-吲哚酮类化合物是一类具有广泛生物活性及药效活性的化合物。故而，该类化合物的合成制备一直受到有机化学家的高度重视。

早在1982年，Takeshi Ohnuma等人(“THE OXIDATION REACTION OF INDOLES WITHTHALLIUM(II1)TRINITRATE”，《HETEROCYCLES》第17卷，第377-380页)以3-甲基吲哚为原料，在硝酸铊的参与下，以27％的收率得到3-甲基-3-硝基-2-吲哚酮化合物，但是该方法在得到3-甲基-3-硝基-2-吲哚酮化合物的同时还会有3-甲基-3-氧硝基-2-吲哚酮生成，其产率低，选择性差，并不具有产业上可行的利用价值，而且硝酸铊属于剧毒的管制物品；2017年，Wei等人(“Metal-Free Nitration of the C(sp³)-H Bonds of 2-Oxindoles throughRadical Coupling Reaction at Room Temperature”，《Adv.Synth.Catal.》第359卷，第3551-3554页)报道了一种无金属催化体系中室温下2-吲哚酮衍生物通过与亚硝酸叔丁酯的硝化反应制备3-硝基-2-吲哚酮衍生物的方法。同时Wei等人的中国发明专利(ZL2017105897515)也公开了以2-吲哚酮衍生物为原料、1，4-二氧六环为反应溶剂，与亚硝酸叔丁酯在室温及空气条件下反应以高收率获得3-硝基-2-吲哚酮衍生物。但是，该方法使用不稳定的亚硝酸叔丁酯作为硝化试剂，反应中具有潜在的危险性，且反应过程会产生亚硝基自由基，不仅降低了硝化试剂的利用效率，而且极易发生副反应。此外，反应完成后必须经柱层析方法提纯分离目标产物，不仅费时费力，而且带来大量有机洗脱机的消耗及目标产物的损失，不利于进一步工业化生产利用。因此，急需发展出更简洁、更高效、更绿色的3-硝基-2-吲哚酮类化合物制备的新方法。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的在于提供了一种3-硝基-2-吲哚酮类化合物的制备方法，解决现有硝化反应存在硝化试剂不稳定、反应选择性低、反应体系不可控、反应效率低、反应时间长及反应后处理复杂的问题。

为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：一种3-硝基-2-吲哚酮类化合物的制备方法，包括如下步骤：

在溶剂中以2-吲哚酮类化合物和硝酸铜为原料，然后在氧化剂的作用下进行硝化反应，至原料反应完全，再经后处理得到所述3-硝基-2-吲哚酮类化合物，反应式如下所示：

上式中，1表示2-吲哚酮类化合物及I表示3-硝基-2-吲哚酮类化合物，R¹为C₁-C₆烷基、苯基或C₅-C₁₄芳基；R²为氢、C₁-C₆烷基、C₁-C₆酯基或C₅-C₁₄芳基；R³为其所连接的苯环上1个或多个取代基，各个R³彼此独立地选自氢、C₁-C₆烷基、C₁-C₆烷氧基或卤素。

进一步，所述氧化剂选自过硫酸钾、醋酸碘苯、碳酸银、过硫酸氢钾复合盐和二叔丁基过氧化物中的任意一种或几种的混合物；优选为过硫酸钾。

进一步，所述溶剂选自乙酸乙酯、四氢呋喃、1,4-二氧六环、1,2-二氯乙烷、N,N-二甲基甲酰胺中的任意一种或几种的混合物；优选为乙酸乙酯。

进一步，所述2-吲哚酮类化合物、硝酸铜与氧化剂的摩尔比为1:1～2:1.2～2。

进一步，所述硝化反应的温度为25～40℃。

进一步，所述硝化反应的气氛为空气。

进一步，所述后处理的具体操作如下：反应完成后，向反应液中加入乙酸乙酯，过滤除去固体残余物并减压浓缩除去溶剂，即可得到3-硝基-2-吲哚酮类化合物。

相比现有技术，本发明具有如下有益效果：

1、本发明提供了一种3-硝基-2-吲哚酮类化合物新型的制备方法，该方法以商业化可购买且稳定的硝酸铜作为硝化试剂，其在氧化剂的作用下只产生单一的硝基自由基，避免了亚硝酸叔丁酯作为硝化试剂时同时会产生亚硝基自由基这一过程，大幅度提高了反应选择性；再者，由于副反应少且反应转化充分，反应完成后，无需柱层析过柱，只需过滤除去固体残余物旋干直接得到3-硝基-2-吲哚酮类化合物。本发明的反应收率可以达到96％，反应时间为2h，大幅度提高了反应效率，从而实现了在温和的氧化体系下高选择性的以较高产率制备获得3-硝基-2-吲哚酮类化合物，解决了现有2-吲哚酮硝化反应存在硝化试剂不稳定、反应选择性低、反应体系不可控、反应效率低和反应时间长及反应后处理复杂的问题。

2、本发明的制备方法是以2-吲哚酮类化合物与硝酸铜为反应原料，在氧化剂的促进下，经自由基过程高选择性硝化反应得到一系列的目标产物，在发生硝化反应的同时不会引入其它官能团，反应的选择性高，能够满足化学合成稳定性和高效性的需求，扩大了其应用范围。该方法具有操作简便、原料廉价易得、成本低，反应底物适应范围广泛、反应条件温和、高效稳定的优点，特别适合于工业化生产，具有良好的应用前景，同时也为硝化反应提供了一种新思路。

具体实施方式

以下结合具体实施例，对本发明进行进一步详细的描述，但本发明并不局限于此。

下述实施例中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法；所述试剂和原料，如无特殊说明，均可以从商业途径获得和/或根据已知的方法制备获得。

实施例1-13为反应条件优化实验。

实施例1

向Schlenk瓶中加入式1a所示的2-吲哚酮化合物(29.4mg,0.2mmol)、式2a所示的硝酸铜(56.1mg,0.3mmol)、过硫酸钾(K₂S₂O₈,81.0mg,0.3mmol)和乙酸乙酯(2mL)，然后将反应器在空气气氛、25℃条件下搅拌反应，经TLC监测反应进程至原料消失(反应时间为2h)，反应完成后，向反应液中继续加入乙酸乙酯，过滤除去固体残余物并减压浓缩除去溶剂，即可得到目标产物I-1(90％yield)；¹H NMR(400MHz,CDCl₃)δ:8.66(s,1H),7.42-7.37(m,2H),7.14(t,J＝7.6Hz,1H),7.01(d,J＝8.0Hz,1H),2.05(s,3H)；¹³C NMR(100MHz,DMSO-d6)δ:170.7,143.1,132.0,127.2,124.3,123.2,111.3,90.1,19.7；HRMS m/z(ESI)calcd forC₉H₈N₂O₃Na([M+Na]⁺)215.0427,found 215.0429。

实施例2

不加氧化剂过硫酸钾，其余条件同实施例1，得到目标产物I-1的收率为0％。

实施例3

氧化剂用醋酸碘苯(PhI(OAc)₂,96.6mg,0.3mmol)代替过硫酸钾，其余条件同实施例1，得到目标产物I-1的收率为32％。

实施例4

氧化剂用碳酸银(Ag₂CO₃,82.2mg,0.3mmol)代替过硫酸钾，其余条件同实施例1，得到目标产物I-1的收率为42％。

实施例5

氧化剂用过硫酸氢钾复合盐(Oxone,184.3mg,0.3mmol)代替过硫酸钾，其余条件同实施例1，得到目标产物I-1的收率为71％。

实施例6

氧化剂用二叔丁基过氧化物(DTBP,43.8mg,0.3mmol)代替过硫酸钾，其余条件同实施例1，得到目标产物I-1的收率为31％。

实施例7

氧化剂过硫酸钾用量为1.2当量(K₂S₂O₈,64.8mg,0.24mmol)，其余条件同实施例1，得到目标产物I-1的收率为73％。

实施例8

氧化剂过硫酸钾用量为2当量(K₂S₂O₈,108.0mg,0.4mmol)，其余条件同实施例1，得到目标产物I-1的收率为91％。

实施例9

溶剂用四氢呋喃(THF,2mL)代替乙酸乙酯，其余条件同实施例1，得到目标产物I-1的收率为70％。

实施例10

溶剂用1,4-二氧六环(1,4-dioxane,2mL)代替乙酸乙酯，其余条件同实施例1，得到目标产物I-1的收率为67％。

实施例11

溶剂用1,2-二氯乙烷(DCE,2mL)代替乙酸乙酯，其余条件同实施例1，得到目标产物I-1的收率为71％。

实施例12

溶剂用N,N-二甲基甲酰胺(DMF,2mL)代替乙酸乙酯，其余条件同实施例1，得到目标产物I-1的收率为42％。

实施例13

反应温度升高至40℃，其余条件同实施例1，得到目标产物I-1的收率为87％。

由上述实施例1-13可以看出，最佳的反应条件为实施例1的反应条件，即氧化剂选择过硫酸钾(K₂S₂O₈,1.5当量)、溶剂选择乙酸乙酯(2mL)，反应温度为25℃。在获得最佳反应条件的基础上，发明人进一步在该最佳反应条件下，选择不同取代基的2-吲哚酮类化合物为原料以发展高效、简洁的自由基硝化反应方法。

实施例14

向Schlenk瓶中加入式1b所示的2-吲哚酮化合物(32.2mg,0.2mmol)、式2a所示的硝酸铜(56.1mg,0.3mmol)、过硫酸钾(K₂S₂O₈,81.0mg,0.3mmol)和乙酸乙酯(2mL)，然后将反应器在空气气氛、25℃条件下搅拌反应，经TLC监测反应进程至原料消失(反应时间为2h)，反应完成后，向反应液中继续加入乙酸乙酯，过滤除去固体残余物并减压浓缩除去溶剂，即可得到目标产物I-2(90％yield)；¹H NMR(400MHz,CDCl₃)δ:9.04(s,1H),7.40-7.35(m,2H),7.12(t,J＝8.4Hz,1H),7.00(d,J＝7.2Hz,1H),2.62-2.56(m,2H),0.84(t,J＝7.6Hz,3H)；¹³C NMR(100MHz,CDCl₃)δ:170.8,141.8,131.8,124.7,124.3,123.8,111.2,93.5,27.8,7.8；HRMS m/z(ESI)calcd for C₁₀H₁₀N₂O₃Na([M+Na]⁺)229.0584,found229.0586。

实施例15

向Schlenk瓶中加入式1c所示的2-吲哚酮化合物(35.0mg,0.2mmol)、式2a所示的硝酸铜(56.1mg,0.3mmol)、过硫酸钾(K₂S₂O₈,81.0mg,0.3mmol)和乙酸乙酯(2mL)，然后将反应器在空气气氛、25℃条件下搅拌反应，经TLC监测反应进程至原料消失(反应时间为2h)，反应完成后，在反应液中继续加入乙酸乙酯，过滤除去固体残余物并减压浓缩除去溶剂，即可得到目标产物I-3(88％yield)；¹H NMR(400MHz,CDCl₃)δ:9.13(s,1H),7.40-7.36(m,2H),7.14(t,J＝8.0Hz,1H),7.01(d,J＝7.2Hz,1H),2.54(t,J＝8.0Hz,2H),1.30-1.21(m,1H),1.16-1.06(m,1H),0.92(t,J＝7.2Hz,3H)；¹³C NMR(100MHz,CDCl₃)δ:170.8,141.5,131.5,125.0,124.1,123.5,111.0,92.8,36.1,16.6,13.7；HRMS m/z(ESI)calcd for C₁₁H₁₂N₂O₃Na([M+Na]⁺)243.0740,found 243.0738。

实施例16

向Schlenk瓶中加入式1d所示的2-吲哚酮化合物(41.8mg,0.2mmol)、式2a所示的硝酸铜(56.1mg,0.3mmol)、过硫酸钾(K₂S₂O₈,81.0mg,0.3mmol)和乙酸乙酯(2mL)，然后将反应器在空气气氛、25℃条件下搅拌反应，经TLC监测反应进程至原料消失(反应时间为2h)，反应完成后，在反应液中继续加入乙酸乙酯，过滤除去固体残余物并减压浓缩除去溶剂，即可得到目标产物I-4(96％yield)；¹H NMR(400MHz,CDCl₃)δ:8.56(s,1H),7.56(d,J＝7.6Hz,1H),7.45-7.35(m,6H),7.22(t,J＝7.2Hz,1H),7.02(d,J＝8.0Hz,1H),¹³C NMR(100MHz,CDCl₃)δ:169.8,141.7,132.3,131.8,130.4,128.9,128.2,126.6,124.1,123.7,111.3,94.6；HRMS m/z(ESI)calcd for C₁₄H₁₀N₂O₃Na([M+Na]⁺)277.0584,found277.0580。

实施例17

向Schlenk瓶中加入式1e所示的2-吲哚酮化合物(47.4mg,0.2mmol)、式2a所示的硝酸铜(56.1mg,0.3mmol)、过硫酸钾(K₂S₂O₈,81.0mg,0.3mmol)和乙酸乙酯(2mL)，然后将反应器在空气气氛、25℃条件下搅拌反应，经TLC监测反应进程至原料消失(反应时间为2h)，反应完成后，在反应液中继续加入乙酸乙酯，过滤除去固体残余物并减压浓缩除去溶剂，即可得到目标产物I-5(95％yield)；¹H NMR(400MHz,CDCl₃)δ:8.91(s,1H),7.42(t,J＝8.0Hz,2H),7.20-7.13(m,3H),6.97(d,J＝8.0Hz,1H),6.67(s,1H),2.40(s,3H),2.21(s,3H)；¹³CNMR(100MHz,CDCl₃)δ:169.7,141.3,135.6(2),133.0,132.0,130.8,130.7,129.1,126.5,125.3,123.7,111.0,96.2,20.8,20.0；HRMS m/z(ESI)calcd for C₁₆H₁₄N₂O₃Na([M+Na]⁺)305.0897,found 305.0898。

实施例18

向Schlenk瓶中加入式1f所示的2-吲哚酮化合物(61.8mg,0.2mmol)、式2a所示的硝酸铜(56.1mg,0.3mmol)、过硫酸钾(K₂S₂O₈,81.0mg,0.3mmol)和乙酸乙酯(2mL)，然后将反应器在空气气氛、25℃条件下搅拌反应，经TLC监测反应进程至原料消失(反应时间为2h)，反应完成后，在反应液中继续加入乙酸乙酯，过滤除去固体残余物并减压浓缩除去溶剂，即可得到目标产物I-6(82％yield)；¹H NMR(400MHz,CDCl₃)δ:8.07-7.94(m,1H),7.61-7.56(m,1H),7.49-7.46(m,1H),7.44-7.42(m,2H),7.36-7.32(m,4H),1.64(s,9H)；¹³C NMR(100MHz,CDCl₃)δ:175.8,165.6,141.0,132.3,131.6,130.4,128.8,128.5,126.0,125.4,125.2,116.1,94.7,85.6,28.0；HRMS m/z(ESI)calcd for C₁₉H₁₈N₂O₅Na([M+Na]⁺)377.1108,found 377.1104。

实施例19

向Schlenk瓶中加入式1g所示的2-吲哚酮化合物(57.0mg,0.2mmol)、式2a所示的硝酸铜(56.1mg,0.3mmol)、过硫酸钾(K₂S₂O₈,81.0mg,0.3mmol)和乙酸乙酯(2mL)，然后将反应器在空气气氛、25℃条件下搅拌反应，经TLC监测反应进程至原料消失(反应时间为2h)，反应完成后，在反应液中继续加入乙酸乙酯，过滤除去固体残余物并减压浓缩除去溶剂，即可得到目标产物I-7(87％yield)；¹H NMR(400MHz,CDCl₃)δ:7.66(d,J＝8.4Hz,1H),7.59-7.56(m,2H),7.55-7.52(m,2H),7.49-7.43(m,7H),7.28-7.24(m,1H),6.94(d,J＝8.0Hz,1H)；¹³C NMR(100MHz,CDCl₃)δ:167.3,144.7,133.3,132.0,131.6,130.3,129.7,128.9(2),128.5,126.5(2),124.0,123.3,110.6,94.4；HRMS m/z(ESI)calcd for C₂₀H₁₄N₂O₃Na([M+Na]⁺)353.0897,found 353.0895。

实施例20

向Schlenk瓶中加入式1h所示的2-吲哚酮化合物(47.8mg,0.2mmol)、式2a所示的硝酸铜(56.1mg,0.3mmol)、过硫酸钾(K₂S₂O₈,81.0mg,0.3mmol)和乙酸乙酯(2mL)，然后将反应器在空气气氛、25℃条件下搅拌反应，经TLC监测反应进程至原料消失(反应时间为2h)，反应完成后，在反应液中继续加入乙酸乙酯，过滤除去固体残余物并减压浓缩除去溶剂，即可得到目标产物I-8(94％yield)；¹H NMR(400MHz,CDCl₃)δ:8.98(s,1H),7.46-7.42(m,5H),7.11(s,1H),6.98-6.92(m,2H),3.80(s,3H)；¹³C NMR(100MHz,CDCl₃)δ:170.1,156.3,134.8,131.7,130.2,128.8,128.1,125.0,117.3,112.6,112.1,95.1,56.0；HRMS m/z(ESI)calcd for C₁₅H₁₂N₂O₄Na([M+Na]⁺)307.0689,found 307.0685。

实施例21

向Schlenk瓶中加入式1i所示的2-吲哚酮化合物(57.4mg,0.2mmol)、式2a所示的硝酸铜(56.1mg,0.3mmol)、过硫酸钾(K₂S₂O₈,81.0mg,0.3mmol)和乙酸乙酯(2mL)，然后将反应器在空气气氛、25℃条件下搅拌反应，经TLC监测反应进程至原料消失(反应时间为2h)，反应完成后，在反应液中继续加入乙酸乙酯，过滤除去固体残余物并减压浓缩除去溶剂，即可得到目标产物I-9(95％yield)；¹H NMR(400MHz,DMSO-d6)δ:11.53(s,1H),7.86(s,1H),7.71-7.68(m,1H),7.55-7.51(m,5H),7.04(d,J＝8.0Hz,1H)；¹³C NMR(100MHz,DMSO-d6)δ:168.8,142.7,135.5,131.8,130.8,129.6,129.3,128.7,126.9,115.1,113.9,95.2；HRMSm/z(ESI)calcd for C₁₄H₉BrN₂O₃Na([M+Na]⁺)354.9689,found 354.9685。

实施例22反应机理控制实验

向实施例1的反应中加入2.0当量的2,6-二叔丁基-4-甲基苯酚(BHT)或四甲基哌啶氮氧化物(TEMPO)作为自由基清除剂，该反应的目标产物收率几乎为0％，表明该反应经历自由基反应过程。

由此可知，本发明的可能的反应机理可以推导如下式所示：

由上述反应可知：首先，商业化可廉价购买且在常温下能稳定的硝酸铜在氧化剂的作用下高选择性产生单一的硝基自由基。同时，过硫酸根(氧化剂)产生羟基自由基与硫酸根负离子自由基。随后，羟基自由基高选择性攫取2-吲哚酮3号位上的氢原子得到烷基自由基中间体A。最后，烷基自由基中间体A与硝基自由基通过自由基偶联反应产生最终产物。整个反应过程无亚硝基自由基产生，抑制了副反应的发生，因而反应收率可以达到96％，而且反应时间可以缩短到2小时。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不以本发明为限制，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。