一种芳香胺的电化学合成方法
阅读说明：本技术 一种芳香胺的电化学合成方法 (Electrochemical synthesis method of aromatic amine ) 是由 郑学丽 陈华 陶绍坤 袁茂林 李瑞祥 付海燕 于 2021-09-10 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种芳香胺的电化学合成方法,合成方法是将环己酮类化合物、胺类化合物、电解质、弱酸和弱碱共溶于溶剂中,得混合溶液,然后将混合溶液置于电解装置中,于25～130℃下,以3～30mA的电流电解反应2～24h,即得。本发明通过电化学催化,实现了无外加金属催化剂和氧化剂即可制备芳香胺的目的,主要副产物为水和氢气,属于绿色化学合成。该反应条件温和,操作简单,原料容易得到,产物可转化为多种其他有用的分子,尤其是通过各种取代的环己酮方便制得在邻、间、对位官能化的芳胺。该方法容易进行放大量反应,具有很强的实用性。(The invention discloses an electrochemical synthesis method of aromatic amine, which comprises the steps of dissolving cyclohexanone compounds, amine compounds, electrolyte, weak acid and weak base in a solvent to obtain a mixed solution, placing the mixed solution in an electrolysis device, and carrying out electrolysis reaction for 2-24 hours at 25-130 ℃ by using current of 3-30 mA to obtain the aromatic amine. The invention realizes the purpose of preparing aromatic amine without additional metal catalyst and oxidant through electrochemical catalysis, and the main byproducts are water and hydrogen, belonging to green chemical synthesis. The reaction condition is mild, the operation is simple, the raw materials are easy to obtain, the product can be converted into a plurality of other useful molecules, and particularly, the arylamine functionalized in ortho, meta and para positions can be conveniently prepared by various substituted cyclohexanones. The method is easy to carry out amplification reaction and has strong practicability.)
技术领域
本发明属于有机合成技术领域，具体涉及一种芳香胺的电化学合成方法。
背景技术
芳香胺是当今生活中最重要的物质之一。除了广泛用作有机碱，染料，聚 合物，农用化学品和有机电致发光器件外，芳香胺还是许多生物活性药物重要 组成部分。传统的芳香胺合成方法有Buchwald-Hartwig法、Ullmann交叉偶联法 和Chan-Lam交叉偶联法，但是这些方法都需额外添加金属催化剂，对环境不友 好，且只能在芳环的邻对位或间位进行官能化，用单一的方法难以兼顾邻间对 位官能化，因此，发展一种对环境友好并能自定义胺化位置的的芳香胺合成方 法成为了当务之急。
发明内容
针对上述现有技术，本发明提供一种芳香胺的电化学合成方法，该方法在 电化学的驱动下，经过C-N缩合和氧化脱氢等步骤去合成芳香胺类物质，提供 了一种绿色简易合成芳香胺物质的全新方法。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：提供一种芳香胺的电化 学合成方法，芳香胺的结构式如式(I)所示，合成方法包括以下步骤：
将环己酮类化合物、胺类化合物、电解质、弱酸和弱碱共溶于溶剂中，得 混合溶液，然后将混合溶液置于电解装置中，于25～130℃下，以3～30mA的 电流电解反应2～24h，得芳香胺。
本发明采取上述技术方案的有益效果是：本发明反应体系中加入弱酸和弱 碱，其中弱酸与环己酮上的羰基氧结合，使羰基带上正电荷，更具有缺电性， 易于被胺进攻生成烯胺；弱碱在反应中将从环己酮上脱下的氢质子夺去，并运 送至电解装置的阴极。
本发明中电化学合成芳香胺的机理是：首先环己酮与胺在弱酸的催化下生 成烯胺，随后生成的烯胺在电解装置的阳极被夺去一个电子后变成阳离子自由 基，阳离子自由基被弱碱夺去一个质子后变成自由基，此自由基再次在阳极被 夺去一个电子后变成正离子，正离子又被弱碱夺去一个质子后，就生成一个双 键。再经过这样的一个过程，就完成了芳基化的过程。在此过程中被弱碱夺去 的质子被运送至阴极还原成氢气，弱碱在此过程中被循环利用。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
进一步，混合溶液中环己酮类化合物、胺类化合物、电解质、弱酸和弱碱 的摩尔之比为1:1～3:0.1～0.5:0.1～0.5:0.5～3。
进一步，环己酮类化合物为4-氧代环己烷甲腈、4-环己酮羧酸乙酯、4-环己 酮羧酸甲酯、4-三氟甲基环己酮、环己酮、3-甲基环己酮、2-环己酮羧酸乙酯或 4-哌啶酮；胺类化合物为N-甲基苄胺、二苯胺、1-(2-嘧啶基)哌嗪、吗啉、3-甲 基吗啉、3,4-二甲基吗啉或苯乙胺。
进一步，电解质为钠盐、锂盐、四丁基铵盐、四乙基铵盐或高氯酸盐。
进一步，电解质为高氯酸锂或nBu4NBF4。
进一步，弱酸为醋酸、苯甲酸或对甲苯磺酸。
进一步，弱碱为无机碱、吡啶类或叔胺类化合物。
进一步，弱碱为三甲基吡啶或三乙烯二胺。
进一步，溶剂为二氯甲烷、乙腈、N,N-二甲基甲酰胺或N,N-二甲基乙酰胺
进一步，电解装置的阳极为石墨、RVC、碳布或铂片，阴极为石墨、RVC、 碳布或铂片。
本发明的有益效果是：
本发明通过电化学催化，实现了不需要单独添加金属催化剂即可制备芳香 胺的目的，在反应过程中无金属流失，反应的主要副产物为水和氢气的绿色化 学合成。该反应条件温和，操作简单，原料容易得到，产物可转化为多种其他 有用的分子，并且该方法容易进行放大量反应，具有很强的实用性。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明的具体实施方式做详细的说明。实施例中未注明 具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明 生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
实施例1
本实施例中提供了电化学氧化脱氢反应制备如式I-a所示的化合物的方法。
其制备步骤如下：在空气中，向一个10mL的反应试管中加入磁子、高氯 酸锂(0.2M)、三甲基吡啶(1.0mmol)、4-氧代环己烷甲腈(0.5mmol)、吗啉(1.0 mmol)和HOAc(0.2mmol)，再加入乙腈(3mL)，然后塞上带电极的橡胶塞(阳极 和阴极均为石墨)，在40℃的金属浴中，电流为20mA下，加热搅拌反应24h。 反应完成后，将反应体系冷却至室温，用二氯甲烷和乙醇洗涤，合并滤液，减 压蒸出溶剂，加入10mL的蒸馏水，然后用30mL的二氯甲烷分3次萃取，萃 取液用无水硫酸镁干燥后，减压蒸出溶剂，选用石油醚/乙酸乙酯为流动相，采 用快速硅胶柱色谱纯化得到产物。本实施例产率为83％。式I-a所示的化合物的 结构表征如下：无色油状物，1H NMR(400MHz,CDCl3)δ7.57–7.51(m,2H), 6.91–6.86(m,2H),3.89–3.85(m,4H),3.32–3.28(m,4H)。
实施例2
本实施例中提供了电化学氧化脱氢反应制备如式I-b所示的化合物的方法。
其制备步骤如下：在空气中，向一个10mL的反应试管中加入磁子、 nBu4NBF4(0.2M)、三乙烯二胺(1.0mmol)、4-环己酮羧酸乙酯(0.5mmol)、吗啉 (1.0mmol)和HOAc(0.2mmol)，再加入N,N-二甲基乙酰胺(3mL)，然后塞上带 电极的橡胶塞(阳极和阴极均为碳布)，在130℃金属浴中，电流为20mA下， 加热搅拌反应6h。反应完成后，将反应体系冷却至室温，用二氯甲烷和乙醇洗 涤，合并滤液，减压蒸出溶剂，加入10mL的蒸馏水，然后用30mL的二氯甲 烷分3次萃取，萃取液用无水硫酸镁干燥后，减压蒸出溶剂，选用石油醚/乙酸 乙酯为流动相，采用快速硅胶柱色谱纯化得到产物，产率为76％。式I-b所示的 化合物的结构表征如下：无色油状物，1H NMR(400MHz,CDCl3)δ7.98–7.89(m, 2H),6.89–6.83(m,2H),4.33(q,J＝7.1Hz,2H),3.89–3.82(m,4H),3.31–3.23 (m,4H),1.37(t,J＝7.1Hz,3H)。
实施例3
本实施例中提供了电化学氧化脱氢反应制备如式I-c所示的化合物的方法。
其制备步骤如下：在空气中，向一个10mL的反应试管中加入磁子、 nBu4NBF4(0.2M)、三乙烯二胺(1.0mmol)、4-环己酮羧酸甲酯(0.5mmol)、吗啉 (1.0mmol)和HOAc(0.2mmol)，再加入N,N-二甲基乙酰胺(3mL)，然后塞上带 电极的橡胶塞(阳极和阴极均为铂片)，在130℃金属浴中，电流为20mA下， 加热搅拌反应6h。反应完成后，将反应体系冷却至室温，用二氯甲烷和乙醇洗 涤，合并滤液，减压蒸出溶剂，加入10mL的蒸馏水，然后用30mL的二氯甲 烷分3次萃取，萃取液用无水硫酸镁干燥后，减压蒸出溶剂，选用石油醚/乙酸 乙酯为流动相，采用快速硅胶柱色谱纯化得到产物，产率为70％。式I-c所示的 化合物的结构表征如下：无色油状物，1H NMR(400MHz,CDCl3)δ7.99–7.92(m, 2H),6.91–6.85(m,2H),3.90–3.85(m,7H),3.32–3.28(m,4H)。
实施例4
本实施例中提供了电化学氧化脱氢反应制备如式I-d所示的化合物的方法。
其制备步骤如下：在空气中，向一个10mL的反应试管中加入磁子、nBu4NBF4(0.2M)、三甲基吡啶(1.0mmol)、4-三氟甲基环己酮(0.5mmol)、吗啉 (1.0mmol)和苯甲酸(0.2mmol)，再加入乙腈(3mL)，然后塞上带电极的橡胶塞 (阳极和阴极均为RVC(网状玻璃态碳))，在40℃金属浴中，电流为20mA 下，加热搅拌反应24h。反应完成后，将反应体系冷却至室温，用二氯甲烷和 乙醇洗涤，合并滤液，减压蒸出溶剂，加入10mL的蒸馏水，然后用30mL的 二氯甲烷分3次萃取，萃取液用无水硫酸镁干燥后，减压蒸出溶剂，选用石油 醚/乙酸乙酯为流动相，采用快速硅胶柱色谱纯化得到产物，产率为80％。式I-d 所示的化合物的结构表征如下：无色油状物，1H NMR(400MHz,CDCl3)δ7.53(d, J＝8.7Hz,2H),6.94(d,J＝8.7Hz,2H),3.93–3.86(m,4H),3.30–3.22(m,4H)。
实施例5
本实施例中提供了电化学氧化脱氢反应制备如式I-e所示的化合物的方法。
其制备步骤如下：在空气中，向一个10mL的反应试管中加入磁子、 nBu4NBF4(0.2M)、三乙烯二胺(1.0mmol)、环己酮(0.5mmol)、吗啉(1.0mmol) 和HOAc(0.2mmol)，再加入乙腈(3mL)，然后塞上带电极的橡胶塞(阳极为石 墨，阴极为铂片)，在70℃金属浴中，电流为10mA下，加热搅拌反应24h。 反应完成后，将反应体系冷却至室温，用二氯甲烷和乙醇洗涤，合并滤液，减 压蒸出溶剂，加入10mL的蒸馏水，然后用30mL的二氯甲烷分3次萃取，萃取液用无水硫酸镁干燥后，减压蒸出溶剂，选用石油醚/乙酸乙酯为流动相，采 用快速硅胶柱色谱纯化得到产物，产率为56％。式I-e所示的化合物的结构表征 如下：白色固体，1HNMR(400MHz,CDCl3)δ7.33–7.26(m,2H),6.98–6.85(m, 3H),3.92–3.84(m,4H),3.21–3.12(m,4H)。
实施例6
本实施例中提供了电化学氧化脱氢反应制备如式I-f所示的化合物的方法。
其制备步骤如下：在空气中，向一个10mL的反应试管中加入磁子、 nBu4NBF4(0.2M)、三乙烯二胺(1.0mmol)、4-氧代环己烷甲腈(0.5mmol)、N-甲 基苄胺(1.0mmol)和对甲苯磺酸(0.5mmol)，再加入乙腈(3mL)，然后塞上带电极 的橡胶塞(阳极为铂片石墨，阴极为石墨)，在70℃金属浴中，电流为10mA 下，加热搅拌反应24h。反应完成后，将反应体系冷却至室温，用二氯甲烷和 乙醇洗涤，合并滤液，减压蒸出溶剂，加入10mL的蒸馏水，然后用30mL的 二氯甲烷分3次萃取，萃取液用无水硫酸镁干燥后，减压蒸出溶剂，选用石油 醚/乙酸乙酯为流动相，采用快速硅胶柱色谱纯化得到产物，产率为74％。式I-f 所示的化合物的结构表征如下：淡黄色油状物，1H NMR(400MHz,CDCl3)δ7.48 –7.41(m,2H),7.37–7.31(m,2H),7.30–7.26(m,1H),7.16(d,J＝7.2Hz,2H), 6.73–6.63(m,2H),4.62(s,2H),3.13(s,3H)。
实施例7
本实施例中提供了电化学氧化脱氢反应制备如式I-g所示的化合物的方法
其制备步骤如下：在空气中，向一个10mL的反应试管中加入磁子、 nBu4NBF4(0.2M)、三甲基吡啶(1.0mmol)、环己酮(0.5mmol)、二苯胺(1.0mmol) 和HOAc(0.2mmol)，再加入乙腈(3mL)，然后塞上带电极的橡胶塞(阳极为铂 片石墨，阴极为石墨)，在70℃金属浴中，电流为20mA下，加热搅拌反应6 h。反应完成后，将反应体系冷却至室温，用二氯甲烷和乙醇洗涤，合并滤液， 减压蒸出溶剂，加入10mL的蒸馏水，然后用30mL的二氯甲烷分3次萃取， 萃取液用无水硫酸镁干燥后，减压蒸出溶剂，选用石油醚/乙酸乙酯为流动相， 采用快速硅胶柱色谱纯化得到产物，产率为67％。式I-g所示的化合物的结构表 征如下：白色固体，1H NMR(400MHz,CDCl3)δ7.27(dd,J＝11.8,3.9Hz,6H), 7.15–7.09(m,6H),7.03(t,J＝7.3Hz,3H)。
实施例8
本实施例中提供了电化学氧化脱氢反应制备如式I-h所示的化合物的方法
其制备步骤如下：在空气中，向一个10mL的反应试管中加入磁子、 nBu4NBF4(0.2M)、三甲基吡啶(1.0mmol)、4-氧代环己烷甲腈(0.5mmol)、1-(2- 嘧啶基)哌嗪(1.0mmol)和HOAc(0.2mmol)，再加入乙腈(3mL)，然后塞上带电 极的橡胶塞(阳极和阴极均为石墨)，在70℃金属浴中，电流为20mA下， 加热搅拌反应12h。反应完成后，将反应体系冷却至室温，用二氯甲烷和乙醇 洗涤，合并滤液，减压蒸出溶剂，加入10mL的蒸馏水，然后用30mL的二氯 甲烷分3次萃取，萃取液用无水硫酸镁干燥后，减压蒸出溶剂，选用石油醚/乙酸乙酯为流动相，采用快速硅胶柱色谱纯化得到产物，产率为45％。式I-h所示 的化合物的结构表征如下：白色固体，1H NMR(400MHz,CDCl3)δ8.36(d,J＝ 4.7Hz,2H),7.61–7.48(m,2H),6.91(d,J＝9.0Hz,2H),6.57(t,J＝4.8Hz,1H), 4.04–3.97(m,4H),3.49–3.40(m,4H)。
实施例9
本实施例中提供了电化学氧化脱氢反应制备如式I-i所示的化合物的方法
其制备步骤如下：在空气中，向一个10mL的反应试管中加入磁子、高氯 酸锂(0.2M)、三甲基吡啶(1.0mmol)、4-氧代环己烷甲腈(0.5mmol)、3-甲基吗啉 (1.0mmol)和HOAc(0.2mmol)，再加入乙腈(3mL)，然后塞上带电极的橡胶塞(阳 极和阴极均为石墨)，在40℃金属浴中，电流为20mA下，加热搅拌反应24h。 反应完成后，将反应体系冷却至室温，用二氯甲烷和乙醇洗涤，合并滤液，减 压蒸出溶剂，加入10mL的蒸馏水，然后用30mL的二氯甲烷分3次萃取，萃 取液用无水硫酸镁干燥后，减压蒸出溶剂，选用石油醚/乙酸乙酯为流动相，采 用快速硅胶柱色谱纯化得到产物，产率为64％。式I-i所示的化合物的结构表征 如下：白色固体，1H NMR(400MHz,CDCl3)δ7.58–7.45(m,2H),6.92– 6.81(m,2H),4.04(ddd,J＝11.6,3.6,1.4Hz,1H),3.73(dddd,J＝12.6,8.9,7.6,2.8 Hz,2H),3.65–3.51(m,2H),2.95(td,J＝12.0,3.6Hz,1H),2.61(dd,J＝12.1, 10.4Hz,1H),1.28(d,J＝6.2Hz,3H)。
实施例10
本实施例中提供了电化学氧化脱氢反应制备如式I-j所示的化合物的方法
其制备步骤如下：在空气中，向一个10mL的反应试管中加入磁子、高氯 酸锂(0.2M)、三甲基吡啶(1.0mmol)、3-氧代环己烷甲腈(0.5mmol)、3,4-二甲基 吗啉(1.0mmol)和HOAc(0.2mmol)，再加入乙腈(3mL)，然后塞上带电极的橡胶 塞(阳极和阴极均为石墨)，在40℃金属浴中，电流为20mA下，加热搅拌 反应24h。反应完成后，将反应体系冷却至室温，用二氯甲烷和乙醇洗涤，合 并滤液，减压蒸出溶剂，加入10mL的蒸馏水，然后用30mL的二氯甲烷分3 次萃取，萃取液用无水硫酸镁干燥后，减压蒸出溶剂，选用石油醚/乙酸乙酯为 流动相，采用快速硅胶柱色谱纯化得到产物，产率为80％。式I-j所示的化合物 的结构表征如下：白色固体，1H NMR(400MHz,CDCl3)δ7.58–7.44(m,2H), 6.93–6.79(m,2H),3.83–3.69(m,2H),3.58(dd,J＝12.7,2.1Hz,2H),2.54(dd,J ＝12.3,10.7Hz,2H),1.28(d,J＝6.3Hz,6H)。
实施例11
本实施例中提供了电化学氧化脱氢反应制备如式I-k所示的化合物的方法
其制备步骤如下：在空气中，向一个10mL的反应试管中加入磁子、高氯 酸锂(0.2M)、三乙烯二胺(1.0mmol)、3-甲基环己酮(0.5mmol)、吗啉(1.0mmol) 和HOAc(0.2mmol)，再加入乙腈(3mL)，然后塞上带电极的橡胶塞(阳极和阴 极均为铂片)，在60℃金属浴中，电流为10mA下，加热搅拌反应24h。反 应完成后，将反应体系冷却至室温，用二氯甲烷和乙醇洗涤，合并滤液，减压 蒸出溶剂，加入10mL的蒸馏水，然后用30mL的二氯甲烷分3次萃取，萃取 液用无水硫酸镁干燥后，减压蒸出溶剂，选用石油醚/乙酸乙酯为流动相，采用 快速硅胶柱色谱纯化得到产物，产率为80％。式I-j所示的化合物的结构表征如 下：白色固体，1H NMR(400MHz,CDCl3)δ7.18(t,J＝7.7Hz,1H),6.88–6.61(m, 3H),3.94–3.79(m,4H),3.21–3.10(m,4H),2.33(s,3H)。
实施例12
本实施例中提供了电化学氧化脱氢反应制备如式I-l所示的化合物的方法
其制备步骤如下：在空气中，向一个10mL的反应试管中加入磁子、 nBu4NBF4(0.2M)、三乙烯二胺(1.0mmol)、2-环己酮羧酸乙酯(0.5mmol)、苯乙 胺(1.0mmol)和HOAc(0.2mmol)，再加入二氯甲烷(3mL)，然后塞上带电极的橡 胶塞(阳极和阴极均为铂片)，在30℃金属浴中，电流为5mA下，加热搅拌 反应16h。反应完成后，将反应体系冷却至室温，用二氯甲烷和乙醇洗涤，合 并滤液，减压蒸出溶剂，加入10mL的蒸馏水，然后用30mL的二氯甲烷分3 次萃取，萃取液用无水硫酸镁干燥后，减压蒸出溶剂，选用石油醚/乙酸乙酯为 流动相，采用快速硅胶柱色谱纯化得到产物，产率为80％。式I-j所示的化合物 的结构表征如下：白色固体，1H NMR(400MHz,CDCl3)δ7.93(dd,J＝8.0,1.7Hz, 1H),7.40–7.30(m,3H),7.29–7.21(m,3H),6.75(d,J＝8.5Hz,1H),6.65–6.59 (m,1H),4.31(q,J＝7.1Hz,2H),3.50–3.43(m,2H),3.03–2.96(m,2H),1.37(t,J ＝7.1Hz,3H)。
实施例13
本实施例中提供了电化学氧化脱氢反应制备如式I-m所示的化合物的方法
其制备步骤如下：在空气中，向一个10mL的反应试管中加入磁子、 nBu4NBF4(0.2M)、三乙烯二胺(1.0mmol)、4-哌啶酮(0.5mmol)、吗啉(1.0mmol) 和HOAc(0.2mmol)，再加入乙腈(3mL)，然后塞上带电极的橡胶塞(阳极和阴 极均为铂片)，在50℃金属浴中，电流为5mA下，加热搅拌反应16h。反应 完成后，将反应体系冷却至室温，用二氯甲烷和乙醇洗涤，合并滤液，减压蒸 出溶剂，加入10mL的蒸馏水，然后用30mL的二氯甲烷分3次萃取，萃取液 用无水硫酸镁干燥后，减压蒸出溶剂，选用石油醚/乙酸乙酯为流动相，采用快 速硅胶柱色谱纯化得到产物，产率为80％。式I-j所示的化合物的结构表征如下： 白色固体，1HNMR(400MHz,CDCl3)δ8.29(dd,J＝5.0,1.6Hz,2H),6.65(dd,J＝ 5.0,1.6Hz,2H),3.86–3.79(m,4H),3.30–3.23(m,4H)。
虽然结合实施例对本发明的具体实施方式进行了详细地描述，但不应理解 为对本专利的保护范围的限定。在权利要求书所描述的范围内，本领域技术人 员不经创造性劳动即可作出的各种修改和变形仍属本专利的保护范围。
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