一种通过铜盐催化c-n偶联反应合成偶氮苯的方法
阅读说明：本技术 一种通过铜盐催化c-n偶联反应合成偶氮苯的方法 (Method for synthesizing azobenzene by catalyzing C-N coupling reaction through copper salt ) 是由 李世清 王玉洲 谢荣荣 于 2021-08-05 设计创作，主要内容包括：本发明为一种通过铜盐催化C-N偶联反应合成偶氮苯衍生物的方法。本发明涉及一种合成对称以及不对称偶氮苯染料分子的方法,属于有机化学合成领域。本发明中以N-芳基邻苯二甲酰肼类衍生物和芳基硼酸为底物,以0.1当量的廉价金属铜盐为催化剂,在100℃下反应10小时即可得到产物偶氮苯及其衍生物。本发明所涉及试剂无需进行除水处理,反应也无需惰性气体保护,步骤简洁、操作简便、成本低廉、产物易分离纯化、转化率高,具有显著的经济效应和环保效应。本发明克服了传统方法合成不对称偶氮苯类化合物时效率低、选择性差、普适性窄等缺点。(The invention relates to a method for synthesizing azobenzene derivatives by catalyzing C-N coupling reaction with copper salt. The invention relates to a method for synthesizing symmetrical and asymmetrical azobenzene dye molecules, belonging to the field of organic chemical synthesis. In the invention, N-aryl phthalhydrazide derivatives and aryl boric acid are used as substrates, 0.1 equivalent of cheap metal copper salt is used as a catalyst, and the reaction is carried out at 100 ℃ for 10 hours to obtain the product azobenzene and the derivatives thereof. The reagent does not need to be subjected to water removal treatment, the reaction does not need to be protected by inert gas, the method has the advantages of simple steps, simplicity and convenience in operation, low cost, easiness in separation and purification of the product, high conversion rate and obvious economic effect and environmental protection effect. The invention overcomes the defects of low efficiency, poor selectivity, narrow universality and the like when the asymmetric azobenzene compound is synthesized by the traditional method.)
技术领域
本发明属于有机化学合成领域，具体涉及一种铜盐催化C-N偶联反应合成对称以及不对称的偶氮苯类化合物的方法。
背景技术
偶氮苯是一种重要的染料分子，在有机染料和食品添加剂方面有广泛的应用[参见：(a)马瑛，郭林，邢颖.[J]染料与颜料，2019,56(2),27–53；(b)E Merino,Chem.Soc.Rev.,2011,40,3835–3853；(c)R.J.Chudgar and J.Oakes,Wiley,New York,1992；(d)S.H.Lee,E.Moroz,B.Castagner and J.-C.Leroux,J.Am.Chem.Soc.,2014,136,12868–12871]。偶氮苯在光照下可以发生顺反结构互变，从而在光控开关方面也有十分重要的应用[参见：R.G.Anderson and G.Nickless,Analyst,1967,92,207–238]。目前合成偶氮苯的方法主要有传统的苯胺氧化法、硝基苯还原法。但是这两类方法需要使用当量的氧化剂和还原剂，对环境不友好，且不利于合成不对称的偶氮苯。目前合成不对称的偶氮苯的方法主要是Mills反应和重氮偶联反应。Mills反应对于缺电的芳胺兼容性或带有较大位阻的芳胺兼容性较差，效率较低。而重氮偶联反应只兼容富电的芳胺，底物普适性较差。后来科学家们又发展了过渡金属催化的芳胺或硝基苯的二聚反应，但这些方法合成不对称偶氮苯时选择性不好，容易生成难以分离的副产物。因此，开发一种简洁、高效、绿色、普适性好的合成对称以及不对称偶氮苯的方法是十分必要且意义重大。
发明内容
本发明的目的在于提供一种合成对称尤其是不对称偶氮苯的合成方法，所述偶氮苯的合成方法涉及N-芳基邻苯二甲酰肼与芳基硼酸的C-N偶联反应，所述反应是由廉价金属铜盐催化，以无机碱作为添加剂，无需无水无氧操作，无需惰性气体保护，也无需要额外的脱保护操作，产率为50％～92％。
本发明的思路：如图1所示，以N-芳基邻苯二甲酰肼衍生物为底物1，以芳基硼酸为底物2，将催化剂、添加剂和溶剂加入到反应器，启动反应，反应结束后通过柱层析，可得到产物3。
所述的合成方法具体步骤如下：
(1)向圆底烧瓶中加入邻苯二甲酸酐和芳基肼，两者摩尔比为1：1，然后加入质量分数为10％的稀盐酸溶液，在100℃下反应9小时，冷却至室温有大量固体析出，过滤，干燥后得到的固体即为纯净的底物1；
(2)向装有搅拌子的反应管中加入N-芳基邻苯二甲酰肼衍生物(底物1)、芳基硼酸(底物2)、催化剂、添加剂和溶剂，该反应管置于温度为0℃～200℃油浴锅中反应0.1～48小时，反应完成后冷却至室温，将反应液进行柱层析分离，使用石油醚为洗脱剂洗脱，得到上述所述化合物3即为纯净的偶氮苯衍生物。
进一步地，步骤(1)和(2)所述的芳基的取代基R和R′为氢、羟基、氨基、烷氧基、烷基、芳基、酯基，R与R′可以相同，也可以不同。
进一步地，步骤(2)所述的催化剂为铜盐，优选Cu(MeCN)4BF4。
进一步地，上述所述的催化剂用量为0.1～2当量(相对于底物1)，优选0.1当量。
进一步地，步骤(2)所述的添加剂可以选择钠、钾等无机碱或胺类等有机碱类，优选无机碱磷酸钾。
进一步地，上述所述的添加剂用量可以为0.1～10当量(相对于底物1)，优选2当量。
进一步地，步骤(2)所述的反应温度为100℃。
进一步地，步骤(2)所述的反应时间为10小时。
进一步地，步骤(2)所述的柱层析使用100～200目的硅胶粉为填料。
本发明与现有技术相比，其优点底物廉价易得，无需使用当量的氧化剂、还原剂或金属催化剂，方法简便、成本低廉。原有的方法合成不对称偶氮苯时要么底物范围较窄、效率较低，要么选择性差、易生成自偶联副产物，难以分离。本发明通过直接C-N偶联反应，完全可以避免自偶联的产生，可以高效获得不对称的偶氮苯衍生物。本发明将所有反应原料直接加入反应器，在100℃反应10小时即可。因此，本发明不需要对溶剂进行除水除氧操作，也无需惰性气体保护，降低了能耗；无副反应发生，转化率高，分离纯化简单，所得目标产物的产率为50％～92％；且本发明的设备简单、成本低廉，具有较好的经济效益。
附图说明
图1为本发明偶氮苯衍生物的合成反应式。
图2为本发明制备产物偶氮苯(3a)的核磁共振氢谱。
具体实施方式
下面通过具有的实施例对本发明的技术方案进行详细地说明。
实施例1：偶氮苯(3a)的合成方法：
(1)向100mL圆底烧瓶中加入邻苯二甲酸酐(1.62克)和苯肼(1.08克)，两者摩尔比为1：1，然后加入质量分数为10％的稀盐酸溶液(50mL)，在100℃下反应9小时，冷却至室温，过滤，干燥后得到的固体即为纯净的N-苯基邻苯二甲酰肼；
(2)在25mL的反应管中称量N-苯基邻苯二甲酰肼(0.2毫摩尔，47.6毫克)、苯硼酸(0.3毫摩尔，36.6毫克)，投料比为1:1.5，Cu(MeCN)4BF4(6.4毫克，相对于N-芳基邻苯二甲酰肼用量为0.1当量)作为催化剂，磷酸钾(85毫克，相对于N-芳基邻苯二甲酰肼用量为2当量)作为碱，加入N,N-二甲基甲酰胺(1毫升)作为反应溶剂，在空气氛围中100℃条件下反应10小时。反应完成后冷却至室温，将反应液进行柱层析，用石油醚进行洗脱，得到黄色固体干燥即为纯产品偶氮苯(3a)，收率92％。核磁共振氢谱如图2所示：1H NMR(500Mz,CDCl3,BRUERAscend-500型核磁共振仪):δ＝7.96(d,J＝7.0 Hz,2H),7.68(d,J＝8.0Hz,1H),7.74(t,J＝7.8Hz,2H),7.49(t,J＝7.3Hz,1H),7.41-7.36(m,2H),7.32-7.28(m,1H)ppm。高分辨质谱(布鲁克solanX 70 FT-MS检测仪)HRMS(ESI)计算值：C12H11N2(M+H)183.0922,实测值183.0925。
实施例2：(E)-1-苯基-2-(邻甲苯基)(3b)的合成方法：
本实施例的步骤(1)采用与实施例1中的步骤(1)相同的步骤；
步骤(2)：实施方法同实施例1的步骤(2)，将底物苯硼酸替换为2-甲基芳基硼酸，得到黄色固体干燥即为纯产品(E)-1-苯基-2-(邻甲苯基)(3b)，收率51％。1H NMR(500Mz,CDCl3)：δ＝8.09(d,J＝8.4Hz,2H),7.78(d,J＝8.8Hz,2H),7.63(t,J＝7.4Hz,2H),7.54(t,J＝7.6Hz,2H),7.44-7.34(m,14H),7.20-7.13(m,6H)ppm。HRMS(ESI)计算值：C13H13N2(M+H)197.1079,实测值197.1078。
实施例3：(E)-1-(3-甲氧基苯基)-2-苯基二氮烯(3c)的合成方法：
本实施例的步骤(1)采用与实施例1中的步骤(1)相同的步骤；
步骤(2)：实施方法同实施例1的步骤(2)，将底物苯硼酸替换为3-甲氧基芳基硼酸，得到黄色固体干燥即为纯产品(E)-1-(3-甲氧基苯基)-2-苯基二氮烯(3c)，收率57％。1H NMR(500Mz,CDCl3)：δ＝7.96(d,J＝7.0Hz,2H),7.68(d,J＝8.0Hz,1H),7.74(t,J＝7.8Hz,2H),7.49(t，J＝7.3Hz,1H),7.41-7.36(m,2H),7.32-7.28(m,1H)ppm。HRMS(ESI)计算值：C13H13N2O(M+H)213.1028,实测值213.1029。
实施例4：(E)-1-(3-溴苯基)-2-苯基二氮烯(3d)的合成方法：
本实施例的步骤(1)采用与实施例1中的步骤(1)相同的步骤；
步骤(2)：实施方法同实施例1的步骤(2)，将底物苯硼酸替换为3-溴芳基硼酸，得到黄色固体干燥即为纯产品(E)-1-(3-溴苯基)-2-苯基二氮烯(3d)，收率54％。1H NMR(500Mz,CDCl3)：δ＝8.06(t,J＝2.0Hz,1H),7.93-7.91(m,2H),7.90-7.87(m,1H),7.61-7.59(m,1H),7.55-7.50(m,3H)，7.41(t，J＝8.0Hz，1H)ppm。HRMS(ESI)计算值：C12H10BrN2(M+H)261.0027,实测值261.0025。
实施例5：(E)-1-苯基-2-(对甲苯基)二氮烯(3e)的合成方法：
本实施例的步骤(1)采用与实施例1中的步骤(1)相同的步骤；
步骤(2)：实施方法同实施例1的步骤(2)，将底物苯硼酸替换为4-甲基芳基硼酸，得到黄色固体干燥即为纯产品(E)-1-苯基-2-(对甲苯基)二氮烯(3e)，收率82％。1H NMR(500Mz,CDCl3)：δ＝7.91(d,J＝8.0Hz,2H),7.85(d,J＝8.0Hz,2H),7.52(t,J＝7.5Hz，2H),7.47(t，J＝7.3Hz,1H),7.33(d,J＝8.0Hz,2H),2.45(s,3H)ppm。HRMS(ESI)计算值：C13H13N2(M+H)197.1079，实测值197.1077。
实施例6：(E)-1-([1,1'-联苯]-4-基)-2-苯基二氮烯(3f)的合成方法：
本实施例的步骤(1)采用与实施例1中的步骤(1)相同的步骤；
步骤(2)：实施方法同实施例1的步骤(2)，将底物苯硼酸替换4-联芳基硼酸，得到黄色固体干燥即为纯产品(E)-1-([1,1'-联苯]-4-基)-2-苯基二氮烯(3f)，收率85％。1HNMR(500Mz,CDCl3)：δ＝8.03(d,J＝8.5Hz,2H)，7.97(d，J＝8.0Hz,2H),7.77(d，J＝8.5Hz,2H)，7.69(d,J＝8.0Hz,2H),7.55(t,J＝7.8Hz,2H),7.50(t,J＝7.8Hz，3H)，7.41(t,J＝7.3Hz,1H)ppm。HRMS(ESI)计算值：C13H13N2(M+H)197.1079,实测值197.1078。
实施例7：(E)-1-(4-甲氧基苯基)-2-苯基二氮烯(3g)的合成方法：
本实施例的步骤(1)采用与实施例1中的步骤(1)相同的步骤；
步骤(2)：实施方法同实施例1的步骤(2)，将底物苯硼酸替换为4-甲氧基芳基硼酸，得到白色固体干燥即为纯产品(E)-1-(4-甲氧基苯基)-2-苯基二氮烯(3g)，收率62％。1H NMR(500Mz,CDCl3)：δ＝7.96-7.94(m，2H)，7.92-7.89(m,2H),7.52(t,J＝7.8Hz,2H)，7.45(t，J＝7.8Hz,1H),7.04-7.02(m,2H),3.89(s，3H)ppm。HRMS(ESI)计算值：C13H13N2O(M+H)213.1028,实测值213.1027。
实施例8：(E)-1-(4-氯苯基)-2-苯基二氮烯(3h)的合成方法：
本实施例的步骤(1)采用与实施例1中的步骤(1)相同的步骤；
步骤(2)：实施方法同实施例1的步骤(2)，将底物苯硼酸替换为4-氯芳基硼酸，得到黄色固体干燥即为纯产品(E)-1-(4-氯苯基)-2-苯基二氮烯(3h)，收率77％。1H NMR(500Mz,CDCl3)：δ＝7.92(d,J＝7.5Hz,2H),7.88(d,J＝9.0Hz,2H),7.55-7.48(m,5H)ppm。HRMS(ESI)计算值：C12H10ClN2(M+H)217.0533,实测值217.0535。
实施例9：(E)-1-苯基-2-(4-(三氟甲基)苯基)二氮烯(3i)的合成方法：
本实施例的步骤(1)采用与实施例1中的步骤(1)相同的步骤；
步骤(2)：实施方法同实施例1的步骤(2)，将底物苯硼酸替换为4-三氟甲基芳基硼酸，得到黄色固体干燥即为纯产品(E)-1-苯基-2-(4-(三氟甲基)苯基)二氮烯(3i)，收率62％。1H NMR(500Mz，CDCl3)：δ＝8.01(d,J＝8.0Hz,2H),7.96(d,J＝8.0Hz，2H),7.79(d,J＝8.5Hz，2H)，7.57-7.52(m，3H)ppm。HRMS(ESI)计算值：C13H10F3N2(M+H)251.0796,实测值251.0798。
实施例10：(E)-1-(4-硝基苯基)-2-苯基二氮烯(3j)的合成方法：
本实施例的步骤(1)采用与实施例1中的步骤(1)相同的步骤；
步骤(2)：实施方法同实施例1的步骤(2)，将底物苯硼酸替换为4-硝基芳基硼酸，得到黄色固体干燥即为纯产品(E)-1-(4-硝基苯基)-2-苯基二氮烯(3j)，收率78％。1H NMR(500Mz,CDCl3)：δ＝8.39(d,J＝9.0Hz,2H),8.04(d,J＝9.0Hz,2H),7.99-7.97(m,2H),7.57-7.55(m,3H)ppm。HRMS(ESI)计算值：C12H10N3O2(M+H)228.0773,实测值228.0775。
实施例11：(E)-N，N-二苯基-4-(苯基二氮酰基)苯胺(3k)的合成方法：
本实施例的步骤(1)采用与实施例1中的步骤(1)相同的步骤；
步骤(2)：实施方法同实施例1的步骤(2)，将底物苯硼酸替换为4-(N.N二氨基)联苯-4-硼酸，得到黄色固体干燥即为纯产品(E)-N，N-二苯基-4-(苯基二氮酰基)苯胺(3k)，收率68％。1H NMR(500Mz,CDCl3)：δ＝7.88(d,J＝7.5Hz,2H),7.83(d,J＝8.5Hz,2H),7.50(t,J＝7.3Hz,2H),7.43(t,J＝7.3Hz,1H),7.32(t,J＝7.5Hz,4H),7.18(d,J＝8.0Hz,4H),7.12(d,J＝8.0Hz,4H)ppm。HRMS(ESI)计算值：C24H20N3(M+H)350.1657,实测值350.1659。
实施例12：(E)-1-(4-(9H-芴-9-基)苯基)-2-苯基二氮烯(3l)的合成方法：
本实施例的步骤(1)采用与实施例1中的步骤(1)相同的步骤；
步骤(2)：实施方法同实施例1的步骤(2)，将底物苯硼酸替换为4-(9-咔唑基)芳基硼酸，得到黄色固体干燥即为纯产品(E)-1-(4-(9H-芴-9-基)苯基)-2-苯基二氮烯(3l)，收率52％。1H NMR(500Mz,CDCl3)：δ＝8.19-8.16(m,4H),7.99(d，J＝7.5Hz,2H),7.76(d,J＝8.5Hz,2H),7.57(t,J＝7.5Hz,2H),7.52(d,J＝8.5Hz,3H),7.46-7.43(m,2H),7.33(t,J＝7.5Hz,2H)ppm。HRMS(ESI)计算值：C24H18N3(M+H)348.1501，实测值348.1506。
实施例13：(E)-4-((4-乙基苯基)二氮基)苯甲酸甲酯(3m)的合成方法：
步骤(1)：实施方法同实施例1的步骤(1)，将苯肼替换为4-乙基苯肼，得到的固体为底物2-(4-乙基苯基)-2,3-二氢邻苯二甲酸嗪-1，4-二酮；
步骤(2)：实施方法同实施例1的步骤(2)，将底物N-苯基邻苯二甲酰肼替换为2-(4-乙基苯基)-2,3-二氢邻苯二甲酸嗪-1,4-二酮，苯基硼酸替换为4-脂基芳基硼酸，得到黄色固体干燥即为纯产品(E)-4-((4-乙基苯基)二氮基)苯甲酸甲酯(3m)，收率71％。1HNMR(500Mz,CDCl3)：δ＝8.18(d,J＝8.5Hz,2H),7.93(d,J＝9.0Hz,2H),7.88(d,J＝8.5Hz,2H),7.36(d,J＝8.5Hz,2H),3.96(s,3H),2.95(q,J＝7.5Hz,2H),1.30(t,J＝7.5Hz,3H)ppm。HRMS(ESI)计算值：C16H17N2O2(M+H)269.1290,实测值269.1295。
实施例14：(E)-4-((4-乙基苯基)二氮基)吡啶(3n)的合成方法：
步骤(1)：实施方法同实施例1的步骤(1)，将苯肼替换为4-乙基苯肼，得到的固体为底物2-(4-乙基苯基)-2,3-二氢邻苯二甲酸嗪-1,4-二酮；
步骤(2)：实施方法同实施例1的步骤(2)，将底物N-苯基邻苯二甲酰肼替换为2-(4-乙基苯基)-2,3-二氢邻苯二甲酸嗪-1,4-二酮，苯硼酸替换为4-吡啶硼酸，得到黄色固体干燥即为纯产品(E)-4-((4-乙基苯基)二氮基)吡啶(3n)，收率90％。1H NMR(500Mz,CDCl3)：δ＝8.79(d,J＝4.5Hz,2H),7.90(d,J＝8.0Hz,2H),7.70(d,J＝5.0Hz,2H),7.37(d,J＝8.0Hz,2H),2.75(q,J＝7.5Hz,2H),1.30(t,J＝7.5Hz,3H)ppm。HRMS(ESI)计算值：C13H14N3(M+H)212.1188，实测值212.1188。
实施例15：(E)-1-(4-丙基苯基)-2-(对甲苯基)二氮烯(3o)的合成方法：
步骤(1)：实施方法同实施例1的步骤(1)，将苯肼替换为4-甲基苯肼，得到的固体为底物2-(对甲苯基)-2,3-二氢邻苯二甲嗪-1,4-二酮；
步骤(2)：实施方法同实施例1的步骤(2)，将底物N-苯基邻苯二甲酰肼替换为2-(对甲苯基)-2，3-二氢邻苯二甲嗪-1，4-二酮，苯硼酸替换为4-丙基芳基硼酸，得到黄色固体干燥即为纯产品(E)-1-(4-丙基苯基)-2-(对甲苯基)二氮烯(3o)，收率70％。1H NMR(500Mz,CDCl3)：δ＝7.83(t,J＝7.8,4H),7.31(dd,J＝8.3Hz,1.8Hz,4H)，2.67(t,J＝7.5Hz,2H),2.44(s,3H),1.74-1.66(m,2H),0.97(t,J＝7.3Hz,3H)ppm。HRMS(ESI)计算值：C16H19N2(M+H)239.1548，实测值239.1545。
实施例16：(E)-1-(4-溴苯基)-2-(4-氯苯基)二氮烯(3p)的合成方法：
步骤(1)：实施方法同实施例1的步骤(1)，将苯肼替换为4-溴苯肼，得到的固体为底物2-(4-溴苯基)-2，3-二氢邻苯二甲嗪-1，4-二酮；
步骤(2)：实施方法同实施例1的步骤(2)，将底物N-苯基邻苯二甲酰肼替换为2-(4-溴苯基)-2,3-二氢邻苯二甲嗪-1,4-二酮，苯硼酸替换为4-氯芳基硼酸，得到黄色固体干燥即为纯产品(E)-1-(4-溴苯基)-2-(4-氯苯基)二氮烯(3p)，收率58％。1H NMR(500Mz，CDCl3)：δ＝7.87(d,J＝8.5Hz,2H),7.79(d,J＝8.5Hz,2H),7.65(d,J＝9.0Hz，2H),7.49(d,J＝9.0Hz,2H)ppm。HRMS(ESI)计算值：C12H9BrClN2(M+H)294.9638，实测值294.9636。
实施例17：(E)-1-(间甲苯基)-2-(对甲苯基)二氮烯(3q)的合成方法：
步骤(1)：实施方法同实施例1的步骤(1)，将苯肼替换为3-甲基苯肼，得到的固体为底物2-(间甲苯基)-2，3-二氢邻苯二甲嗪-1，4-二酮；
步骤(2)：实施方法同实施例1的步骤(2)，将底物N-苯基邻苯二甲酰肼替换为2-(间甲苯基)-2，3-二氢邻苯二甲嗪-1，4-二酮，苯硼酸替换为4-甲基芳基硼酸，得到黄色固体干燥即为纯产品(E)-1-(间甲苯基)-2-(对甲苯基)二氮烯(3q)，收率67％。1H NMR(500Mz,CDCl3)：δ＝7.83(d,J＝8.5Hz,2H),7.71(br,2H),7.40(t,J＝7.8Hz,1H),7.32(d，J＝8.0Hz,2H),7.28(d,J＝7.5Hz,1H),2.46(s,3H),2.44(s,3H)ppm。HRMS(ESI)计算值：C14H15N2(M+H)211.1235,实测值211.1237。
实施例18：(E)-1，2-二对甲苯基二氮烯(3r)的合成方法：
步骤(1)：实施方法同实施例1的步骤(1)，将苯肼替换为4-甲基苯肼，得到的固体为底物2-(对甲苯基)-2,3-二氢邻苯二甲嗪-1,4-二酮；
步骤(2)：实施方法同实施例1的步骤(2)，将底物N-苯基邻苯二甲酰肼替换为2-(对甲苯基)-2，3-二氢邻苯二甲嗪-1，4-二酮，苯硼酸替换为4-甲基芳基硼酸，得到黄色固体干燥即为纯产品(E)-1,2-二对甲苯基二氮烯(3r)，收率83％。1H NMR(500Mz,CDCl3)：δ＝7.82(d，J＝8.5Hz,4H),7.31(d,J＝8.0Hz,4H),2.44(s,6H)ppm。HRMS(ESI)计算值：C14H15N2(M+H)211.1235,实测值211.1238。
- 上一篇：一种医用注射器针头装配设备
- 下一篇：一种合成肟醚的方法