具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

一、实验试剂及仪器：实验仪器见表1，试剂见表2。

表1：实验仪器

表2：实验试剂

二、吲哚衍生物的合成

1、实验方法：

负载型催化剂的制备：先将酸载体性Al₂O₃置于马弗炉中在500℃焙烧4 h，自然冷却至室温。称取1 g的载体浸渍于30 mL的质量浓度为3%的氯铂酸H₂PtCl₆·6H₂O水溶液中，常温下搅拌24h，反应液充分混合均匀后过滤，固体滤饼120℃烘干12 h，然后将上述固体研磨后置于马弗炉中于500℃下焙烧4 h，自然冷却后即为Pt负载量为3 wt%的Pt/Al₂O₃催化剂。反应条件：苯胺类化合物用量为1 mmol，乙二醇为54 mmol，催化剂用量为0.015 mmol，反应时间为24 h，反应温度为190℃。

分离条件：反应结束后，先加水搅拌均匀，然后再用二氯甲烷进行萃取，有机相经旋蒸浓缩除去溶剂后以石油醚、乙酸乙酯为洗脱剂，经柱层析分离得到目标产物。反应总方程式如图1所示。

2、实验结果：

选取烷基、甲氧基、甲酸甲酯基、硝基、氟取代的苯胺以及萘胺，进行底物拓展性研究，反应条件为：0.015mmol催化剂，3ml乙二醇、1mmol苯胺下反应，控制温度为190℃，反应24h，催化剂负载量为3wt%。所得吲哚衍生物的结构和收率如表3所示。

表3：吲哚衍生物的合成实验结果

所得产物的核磁分析结果如下：

1、7-甲基吲哚：¹H NMR (400 MHz, CDCl₃) δ 7.96 (s, 1H), 7.50(d, J = 7.7 Hz, 1H), 7.14 (t, J = 4.0 Hz, 1H), 7.07 – 6.97 (m, 2H), 6.55 (dd,J = 3.1, 2.1 Hz, 1H), 2.46 (s, 3H). ¹³C NMR (100 MHz, CDCl₃) δ 135.3, 127.3,123.8, 122.4, 120.2, 120.0, 118.4, 103.0, 16.6。

2、7-甲氧基吲哚：¹H NMR (400 MHz, CDCl₃) δ 8.28 (s, 1H), 7.16(d, J = 7.9 Hz, 1H), 7.06 (t, J = 2.7 Hz, 1H), 6.94 (td, J = 7.9, 1.2 Hz,1H), 6.54 (d, J = 7.7 Hz, 1H), 6.43 (dd, J = 3.2, 1.8 Hz, 1H), 3.86 (s, 3H).¹³C NMR (100 MHz, CDCl₃) δ 146.1, 129.1, 126.4, 123.6, 120.1, 113.4, 102.8,101.7, 55.3。

3、4-甲氧基吲哚：¹H NMR (400 MHz, CDCl₃) δ 7.88 (s, 1H), 7.45 –7.35 (m, 1H), 6.93 (s, 1H), 6.70 (s, 2H), 6.36 (s, 1H), 3.71 (d, J = 1.7 Hz,3H).¹³C NMR (100MHz, CDCl₃) δ 156.3, 136.5, 123.0, 122.1, 121.2, 109.8, 102.3,94.5, 55.6。

4、6-甲氧基吲哚：¹H NMR (400 MHz, CDCl₃) δ 8.08 (s, 1H),7.07 (t, J = 7.6 Hz, 1H), 7.03 (t, J = 2.8 Hz, 1H), 6.94 (d, J = 8.2, Hz,1H), 6.59 (ddd, J = 3.2, 2.2, 0.9 Hz, 1H), 6.46 (d, J = 8.0, Hz , 1H), 3.89(s, 3H).¹³C NMR (100 MHz, CDCl₃) δ 153.3, 137.2, 122.7, 122.6, 118.5, 104.4,99.8, 99.49, 55.3。

5、吲哚-6-甲酸甲酯：¹H NMR (400 MHz, CDCl₃) δ 8.47 – 8.41(m, 1H), 8.39 (s, 1H), 7.91 (dd, J = 8.6, 1.6 Hz, 1H), 7.44 – 7.37 (m, 1H),7.28 (dd, J = 3.3, 2.4 Hz, 1H), 6.65 (ddd, J = 3.2, 2.0, 0.9 Hz, 1H), 3.93(s, 3H). ¹³C NMR (100 MHz, CDCl₃) δ 168.2, 138.3, 127.4, 125.4, 123.8, 123.4,122.0, 110.7, 104.1, 51.9。

6、吲哚-5-甲酸甲酯：¹H NMR (400 MHz, CDCl₃) δ 8.47 (s,1H), 8.17 (s, 1H), 7.82 (dd, J = 8.3, 1.5 Hz, 1H), 7.66 (d, J = 8.3 Hz, 1H),7.38 (t, J = 2.8 Hz, 1H), 6.61 (ddd, J = 3.2, 2.0, 1.0 Hz, 1H), 3.94 (s, 3H). ¹³C NMR (100 MHz, CDCl₃) δ 168.17, 135.1, 131.5, 127.5, 123.7, 120.9, 120.3,113.4, 103.0, 52.0。

7、4,5-苯并吲哚：¹H NMR (400 MHz, CDCl₃) δ 8.51 (s, 1H), 8.25(dd, J = 8.2, 1.1 Hz, 1H), 7.90 (dt, J = 8.2, 0.9 Hz, 1H), 7.63 – 7.52 (m,3H), 7.42 (m, 1H), 7.29 (t, J = 2.8 Hz, 1H), 7.10 (ddd, J = 3.1, 2.1, 0.9 Hz,1H). ¹³C NMR (100 MHz, CDCl₃) δ 128.5, 125.7, 123.3, 123.0, 122.1, 112.7,101.9, 31.9, 29.7, 29.4, 22.7, 14.1。

8、6-氨基-6,7-苯并吲哚：¹H NMR (400 MHz, CDCl₃) δ 8.86 (s,1H), 7.71 (d, J = 8.8 Hz, 1H), 7.48 (dd, J = 15.3, 8.5 Hz, 1H), 7.39 – 7.31(m, 1H), 7.29 – 7.25 (m, 2H), 6.82 – 6.74 (m, 1H), 6.72 – 6.66 (m, 1H), 4.19(s, 2H).¹³C NMR (100 MHz, CDCl₃) δ 143.2, 126.1, 125.3, 122.4, 119.6, 113.3,111.6, 110.2, 109.9, 108.7, 104.1, 29.7。

9、N-甲基-6,7-苯并吲哚：¹H NMR (400 MHz, CDCl₃) δ 8.50 (d, J =8.4 Hz, 1H), 7.98 (d, J = 8.0 Hz, 1H), 7.74 (d, J = 8.5 Hz, 1H), 7.60 – 7.51(m, 2H), 7.43-7.50 (m, 1H), 7.08 (d, J = 3.0 Hz, 1H), 6.64 (d, J = 2.9 Hz,1H), 4.30 (s, 3H). ¹³C NMR (100 MHz, CDCl₃) δ 131.4, 130.0, 129.2, 129.1,125.9, 125.2, 123.5, 123.3, 121.1, 121.0, 120.6, 102.1, 38.5。

由上述结果可以看出此反应体系的底物普适性较好，多种苯胺衍生物可以在此催化体系下与乙二醇反应生成对应的吲哚衍生物。但反应的收率相差较大，氨基邻位存在甲酸甲酯基团的苯胺衍生物可能由于空间位阻影响，反应不能顺利进行或者反应收率不佳。苯胺上有强吸电子基团硝基与氰基取代时，反应几乎不能发生，但供电子基团取代的苯胺，反应收率较高，2-萘胺的反应收率可达到95%，其转化率接近100%。推测此现象是由于苯胺的氨基氢与乙二醇羟基脱水过程中，当苯环上电子云密度更高时时，此过程进行得更快。而1-萘胺与2-萘胺相比，2-萘胺空间位阻相对更小，1-位的反应活性相对更高，因此反应产率更高。

2-萘胺与乙二醇的反应收率优秀，生成的4,5-苯并吲哚化合物具有多种光热特性，可以应用于有机电致发光器件、有机太阳能电池、钙钛矿电池、有机薄膜晶体管或有机光感受器领域。本反应路线为有光热应用的4,5-苯并吲哚分子以后的化学转化提供了可能性。

3、对反应机理的推测：

选择反应收率最高的2-萘胺作为研究对象：采用气相色谱-质谱联用（GC-MS）对2-萘胺与乙二醇的反应液进行了分析，结合文献分析所获得的原始数据，解析出了几种可能的中间体以及副产物的结构。中间体的质谱峰面积占比随时间变化如表4所示。

反应以及取样方法：2-萘胺用量为1 mmol，乙二醇为54 mmol，催化剂用量为0.015mmol，反应温度为190℃，反应经过一定时间（1 h、2 h、3 h、4 h、8 h、12 h、16 h、20 h、24h）后冷却至室温，分别从上清液取0.2 mL留样备用检测，取样后继续加热反应。

采用配有AOS-5000 plus自动进样器的日本岛津GC MS-QP 2010 ultra 气相色谱-质谱联用仪（GC-MS）联用仪对反应体系进行了跟踪分析，所用分析条件为：RestekRxi-5ms色谱柱（30 m×0.25 mm×0.25 μm），初始温度60℃，以6℃/min升至250℃（后保持10min，进样温度为300℃，载气线速度为36.9 cm/s，柱前为压55.5 kPa，分流比为70:1，载气为高纯氮气，流量为1.00 mL/min；MS离子源为EI源，温度为230℃，质谱与色谱接口温度280℃，质量扫描范围（m/z）29~250 amu。

表4：2-萘胺与乙二醇反应生成4,5-苯并吲哚的GC-MS分析结果

根据质谱结果，并对照标准谱图，推测N-乙基-2-萘胺可能为反应关键中间体，质谱与结构式如图2所示；可能产生的副产物结构如图3所示。

上述中间体、副产物和产物的峰面积随时间的变化趋势表示如图4所示，可以看出反应产物4,5-苯并吲哚在4 h以后呈持续减少趋势，说明此反应的反应时间仍需优化，在4h以前已经反应到达峰值，4 h之后反应的副产物也逐渐增多，且副产物均以反应产物4,5-苯并吲哚为原料发生的，几种副产物多是与吡咯环上的N-H发生了取代反应。

由此推测在反应初期，氨基更容易与乙二醇进行脱水缩合：乙二醇在酸性氧化铝的诱导下自身消除一分子水，转化为乙烯醇，经过质子转移转化为乙醛，乙醛与萘上的氨基脱除一分子水，完成醛胺缩合，缩合后的亚胺容易转化为烯胺，随后在铂的作用下同萘的1号位C-H作用，脱除一分子氢气，最终生成产物4,5-苯并吲哚。

反应机理推测如图5所示。根据上述可能的反应过程，图2中的化合物N-乙基-2-萘胺也是一种副产物，是亚胺或烯胺在吸附了H的铂作用下被还原为乙基而生成；图3中化合物（3）与化合物（4）是产物4,5-苯并吲哚，经过与萘胺反应过程相似的转化而得到。

4、催化剂Pt/Al₂O₃的活化与重复利用

Pt/Al₂O₃催化剂的负载物铂的价格较高，对此负载型催化剂参与反应之后的再活化，以及重复利用效果进行探究。

负载型催化剂的活性降低可能存在多种原因，例如反应混合物中的配位性物质会使催化剂中毒失去活性；或者高温反应之后催化剂的晶粒变大，比表面积减小，活性降低；或是反应之后活性物质表面出现碳沉积，导致活性组分不能充分接触反应物，其他还包括流失和破碎等原因。在此反应中，催化剂经历较高温度，可能发生积碳、烧结、流失等状况。将反应过后回收的催化剂在高温下重新焙烧，可基本排除由于中毒与碳沉积等因素导致催化剂失活。

A、实验方法：基于底物拓展中收率最高的2-萘胺和乙二醇在Pt/Al₂O₃催化剂催化下合成4,5-苯并吲哚的反应，对催化剂的活性降低过程进行研究。反应方程式如图6所示。

反应结束后反应液静置降温至室温，反应液离心后取上层清液，以石油醚(PE)：乙酸乙酯(EtOAc)= 90:10(体积比) 进行柱层析分离，计算收率。固体催化剂用水洗涤、抽滤后于500℃焙烧5 h，冷却后称量得到回收率，并进行循环使用。

B、实验结果

图7为催化剂经过四次循环使用后的质量及收率变化。反应收率由最初的95.1%逐步降低，第二次产率为89.5 %，第三次产率为83.1 %，最后一次反应收率为72.8%；催化剂回收效率也由91.7 %降低至70.0 %。由此可知，经过反应的Pt/Al₂O₃催化剂发生了一定的变化，使得催化效果越来越差，反应收率逐次递减。推测是催化剂中活性组分Pt颗粒流失、烧结，晶粒分散型变差，直径增大所致。

为了验证猜想，用美国FEI公司Tiecnai G2 F20 S-Twin透射电子显微镜对原始Pt/Al₂O₃负载型催化剂，以及经过1次、3次、5次反应之后回收处理的Pt/Al₂O₃催化剂进行了微观形貌分析，结果如图8至图11。

根据未经反应催化和经反应1次、3次、5次的Pt/Al₂O₃催化剂的TEM图，可以明显看出随着反应次数的增加，催化剂中的铂颗粒明显分散性变差，颗粒大小变得越来越不均匀。通过TEM照片还能获得晶粒的形状、大小以及数目等信息，参照文献通过软件测量计算可以求得其平均粒径及分布[ PYRZ W D , BUTTREY D J . Particle Size DeterminationUsing TEM: A discussion of image acquisition and analysis for the novicemicroscopist[J]. Langmuir, 2008, 24(20) :11350-11360.]，选取电镜图中相对较均匀部分，测量得出铂颗粒的均粒径分别为：原催化剂平均粒径为5.0 nm，经一次反应的催化剂铂平均粒径为5.4 nm，经三次反应的铂颗粒平均粒径为5.3 nm，经五次反应后铂颗粒粒径为6.1 nm。同时计算得到粒径的方差以比较颗粒大小之间的差距，结果见图12。

图12是Pt/Al₂O₃催化剂参与四次反应前后的铂颗粒平均粒径、铂粒径方差与催化剂参与反应次数的关系。经500℃焙烧后，催化剂的积碳基本除去，TEM图中的黑色颗粒即为氧化铝上负载的铂颗粒，催化剂活性降低的主要原因是高温下经过反应的铂晶粒的变化。由图可见新制备的Pt/Al₂O₃催化剂上负载的铂颗粒平均粒径为5.0 nm，颗粒的分散性良好，分布均匀；经1次反应并回收的Pt/Al₂O₃催化剂的平均粒径为5.4 nm，铂颗粒的分散性普遍较好，但边缘有少量结团，粒径较原催化剂大；经3次反应并回收的Pt/Al₂O₃催化剂的平均粒径进一步增大，为6.5 nm，载体上的铂颗粒有部分位置有较大结团，分散性差；经5次反应并回收的Pt/Al₂O₃催化剂的铂颗粒粒径更宽且分散性差。颗粒粒径的方差增大同样说明铂颗粒在载体上的分散效果变差。

对乙二醇苯胺反应中催化效果较好的Pt/Al₂O₃负载催化剂的催化体系进行了广谱性研究，主要拓展了取代苯胺的底物范围。结果显示，苯胺上存在供电子基团时，反应收率较高；当苯胺上取代基为强吸电子基团时或氨基邻位有较大基团时，反应产率低。在试验一些萘胺底物时发现，2-萘胺的反应收率最高，达到了95%。对2-萘胺与乙二醇一步合成吲哚的反应过程进行了气相质谱连用检测分析，推测出了几种可能的反应中间体与副产物，并推测了可能的反应机理：首先乙二醇在氧化铝作用下脱水，并转化为乙醛，乙醛与氨基经醛胺缩合脱去水，最后，在金属铂的作用下，脱氢环合，形成吡咯环，完成反应历程。

为了增大催化剂中的贵金属铂的利用效率，对催化剂进行了几步回收重复利用。结果显示，在前4次反应中，催化剂的催化效果减弱较小，当反应次数达到5次时，反应的收率降低较大，说明催化剂的稳定性相对较好，可以重复利用4次，累计参与反应时间96 h而催化效果降低不大。对原催化剂与分别经历1、3、5次反应的回收催化剂进行了电镜微观形貌表征，结果显示原催化剂中载体上的铂颗粒分布较均匀，随着反应次数的增加，分布与粒径都变得混乱。由此得出结论：铂颗粒参与反应过程会发生流失，在高温条件下，铂颗粒会熔融结合成更大的颗粒使催化剂有效接触面积减少，这是催化效率降低的主要原因。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。