一种Cadogan反应合成咔唑母体的方法
阅读说明：本技术 一种Cadogan反应合成咔唑母体的方法 (Method for synthesizing carbazole parent body through Cadogan reaction ) 是由 吴忠凯 朱叶峰 杨修光 张玲 裴晓东 骆艳华 申保金 于 2021-07-20 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种Cadogan反应合成咔唑母体方法,属于电化学技术领域。它包括S1：投料：向反应容器内加入2-硝基联苯类化合物、还原剂、添加剂和溶剂；S2：通电：插入两根电极,室温条件下,通上电源后,调节电流大小,反应一段时间；S3：收集：回收溶剂后加入水及乙酸乙酯萃取,浓缩有机相、硅胶柱层析得到咔唑类化合物。本发明以2-硝基联苯类化合物为基础反应原料,羟胺为还原剂,用电化学的单电子转移催化手段制备咔唑类化合物,反应条件温和,原料简单易得,绿色环保,反应收率高。(The invention discloses a method for synthesizing a carbazole parent body by a Cadogan reaction, belonging to the technical field of electrochemistry. It includes S1: feeding: adding a 2-nitrobiphenyl compound, a reducing agent, an additive and a solvent into a reaction container; s2: electrifying: inserting two electrodes, and regulating the current after a power supply is switched on at room temperature to react for a period of time; s3: collecting: recovering solvent, adding water and ethyl acetate, extracting, concentrating organic phase, and performing silica gel column chromatography to obtain carbazole compounds. The invention takes the 2-nitrobiphenyl compound as a basic reaction raw material and the hydroxylamine as a reducing agent, prepares the carbazole compound by an electrochemical single electron transfer catalysis method, and has the advantages of mild reaction conditions, simple and easily obtained raw materials, environmental protection and high reaction yield.)
技术领域
本发明属于电化学技术领域，更具体地说，涉及一种Cadogan反应合成咔唑母体方法。
背景技术
Cadogan反应是构建C-N键的重要合成方法之一，通过原位还原硝基环化合成五元含氮杂环(吡咯)。咔唑是一类重要的吡咯衍生物。由于其特殊的理化性质，因而广泛应用于医药，材料，农药及光电材料。而通过Cadogan反应可以快速构建复杂多样的咔唑切片，为筛选性能优异的有机材料提供有力的手段。Cadogan反应通过含膦化合物(亚磷酸酯、三芳基膦、三烷基膦)还原，历经亚硝基、氮烯过程，随后关环环化质子化得到吡咯母体。
例如，Evelyn课题组[Creencia E C,Kosaka M,Muramatsu T,et al.Journal ofHeterocyclic Chemistry,2009,46(6):1309-1317.]为了节省加料时间，开发了合成吲唑的一步法和两步法反应。对于一锅一步反应，将2-硝基苯甲醛和芳基胺在试管中混合在一起并加入亚磷酸三乙酯，然后将该混合物在200W下照射数分钟。
但是基于需要还原硝基的双氧，因而需要至少2当量的膦化合物。而含膦化合物味道大，含磷废水也很难处理(亚磷酸酯作为膦源)，高温长时间回流，后期提纯难度大(芳/烷基膦作为膦源)，不利于工业化生产。
因而需要发展一类绿色经济，条件温和，无膦参与合成咔唑母体的方法，来满足日益增长的产品需求。
为解决上述问题，经检索，徐海超课题组[Xiong,P.；Xu,H.-H.；Xu,H.-C.J.Am.Chem.Soc.2017,139,2956.]利用电化学氧化作为绿色合成手段，实现了具挑战性三取代或四取代烯烃的分子内氧化胺化反应。该反应以RVC电极为阳极，Pt电极为阴极，Et4NPF6为电解质，DMA和AcOH的混合液为溶剂，氩气氛围下，在单室电解池中110℃下以恒电流模式电解，含酰胺基团的烯烃可以发生分子内氧化胺化反应，生成一系列烯基取代的含氮杂环。对于反应历程，作者认为底物酰胺基N-H键的阳极活化生成N-自由基中间体，该中间体随后对烯基的加成实现基于C-N键形成的分子内环化，并产生C-自由基。C-自由基经历进一步的阳极氧化形成碳正离子中间体，最后的β-H消除得到烯基取代的含氮杂环化合物。
发明内容
1.要解决的问题
针对现有Cadogan反应合成咔唑母体使用含膦化合物污染大、提纯难的问题，本发明提供一种反应条件温和、经济、环境友好的咔唑母体合成新方法。本发明的方法以2-硝基联苯类化合物为基础反应原料，羟胺为还原剂，用电化学的单电子转移催化手段制备咔唑类化合物，反应条件温和，原料简单易得，绿色环保，反应收率高。
2.技术方案
为了解决上述问题，本发明所采用的技术方案如下：
一种Cadogan反应合成咔唑母体的方法，反应体系包括2-硝基联苯类化合物和还原剂，所述咔唑母体在通电条件下，通过单电子转移催化手段制得。
本发明的反应式如下：
其中，Ar1分别选自苯基、苯基取代的芳基，Ar2分别选自苯基、卤素取代的芳基、苯基取代的芳基、含苯并呋喃结构的苯基、含吲哚结构的苯基及烷基取代的苯基。
本发明中，2-硝基联苯类化合物可以是含有1个硝基的2-硝基联苯类化合物，例如2-硝基联苯、1-(2-硝基苯基)萘、2-硝基联萘、4-(2’-硝苯基)二苯并呋喃；也可以是含有2个或以上硝基的2-硝基联苯类化合物，例如2’,3’-二硝基-1,1’:4’,1”三联苯，其中苯环的数量可以为2个或以上。
更进一步地，2-硝基联苯类化合物中硝基和还原剂的摩尔比为1:(1.6-2)。
更进一步地，所述还原剂选自羟胺，还可以是苯硅烷或苯胺，能实现给电子的作用即可。
本发明的一种Cadogan反应合成咔唑母体的方法，包括以下步骤：
S1：投料：向反应容器内加入2-硝基联苯类化合物、还原剂和溶剂A；
S2：通电：插入两根电极，室温条件下，通上电源后，调节电流大小，反应一段时间；
S3：收集：回收溶剂A后加入溶剂B萃取，浓缩有机相、硅胶柱层析得到咔唑类化合物。
更进一步地，S2中电流大小为5～10mA，反应时间为6～10h。
更进一步地，所述电极选自C(-)|C(+)、Pb(-)|Pt(+)及Ni(-)|C(+)。
更进一步地，所述溶剂A选自聚乙二醇-400(PEG-400)和水的混合溶剂，还可以为N，N-二甲基甲酰胺或N-甲基吡咯烷酮，能实现反应物和产物的溶解即可，所述聚乙二醇-400(PEG-400)和水的体积比为1：3。
更进一步地，所述溶剂B为水和乙酸乙酯、水和二氯甲烷或水和氯仿的混合溶剂，所述溶剂B的加入量为水：有机溶剂＝2:3，优选的，所述溶剂B的加入量为水：有机溶剂＝200mL:300mL。
更进一步地，所述2-硝基类联苯经Suzuki偶联制备得到，制备条件如下：氮气氛围下，邻硝基溴芳基化合物(10mmol)与芳基苯硼酸(1.05equiv)，用100mL二甲苯溶解，加入碳酸钾(2equiv)，Pd(PPh3)4(0.01mmol)，EtOH(50mL)，去离子水(50mL)，加热升温至回流，反应6h后TLC监测，随后过柱纯化，得到2-硝基类联苯化合物。
其中，本发明的反应式和反应机理如图1和图2所示，阴极：硝基在电催化作用下得电子及酸性条件下得到A，再经过上一步过程得到B，B脱水得到亚硝基产物C，随后富电的苯环对亚硝进行亲核进攻，在酸性条件下得到N-OH芳构化的产物D，随后得电子及酸性条件下去水得到含氮自由基E，然后发生氢原子转移(HAT)过程得到产物。而在阳极羟胺失去电子，得到羟胺阳离子自由基，再失去电子最终转化为氮气。其中，羟胺作为还原剂和电子转移载体。
3.有益效果
相比于现有技术，本发明的有益效果为：
(1)本发明的方法以2-硝基联苯类化合物为基础反应原料，羟胺为还原剂，用电化学的单电子转移催化手段制备咔唑类化合物，反应条件温和，原料简单易得，绿色环保，反应收率高；
(2)本发明的方法与已报道方法相比，该方法无需使用大量的膦化合物，原料可通过简单的Suzuki偶联得到，无需长时间高温反应，在此还原条件下，也可有效的避免溴、氯、氟原子的还原离去，以羟胺替换膦化合物作为还原剂，更加绿色环保，有效的降低了三废的排放；
(3)该方法操作简单，无需添加当量的添加剂(电子转移载体)，成本低廉，绿色环保，为咔唑类衍生物合成提供一种新的高效方法；
(4)本发明的咔唑母体的制备方法，在室温条件下，通过简单的Suzuki偶联工艺制备得到的2-硝基联苯类中间体，在电流作用下，可高收率、高纯度得到各种官能团化的咔唑单体；该方法条件温和，操作简单，收益高，绿色环保，有易于企业工业化生产。
附图说明
以下将结合附图和实施例来对本发明的技术方案作进一步的详细描述，但是应当知道，这些附图仅是为解释目的而设计的，因此不作为本发明范围的限定。
图1为本发明的反应式；
图2为本发明的反应机理图；
图3为本发明实施例1的咔唑核磁；
图4为本发明实施例2的3-氟咔唑的核磁；
图5为本发明实施例3的2-溴咔唑的核磁；
图6为本发明实施例4的1-溴咔唑的核磁；
图7为本发明实施例5的3-甲基咔唑的核磁；
图8为本发明实施例6的3-氯咔唑的核磁；
图9为本发明实施例7的7H-苯并[C]咔唑的核磁；
图10为本发明实施例8的7H-二苯并咔唑的核磁；
图11为本发明实施例9的5H-苯并呋喃并[3,2-C]咔唑的核磁；
图12为本发明实施例10的吲哚并[2,3-A]咔唑的核磁。
具体实施方式
下文对本发明的示例性实施例的详细描述为本发明可实施的示例性实施例。尽管这些示例性实施例被充分详细地描述以使得本领域技术人员能够实施本发明，但应当理解可实现其他实施例且可在不脱离本发明的精神和范围的情况下对本发明作各种改变。下文对本发明的实施例的更详细的描述并不用于限制所要求的本发明的范围，而仅仅为了进行举例说明且不限制对本发明的特点和特征的描述，以提出执行本发明的最佳方式，并足以使得本领域技术人员能够实施本发明。因此，本发明的范围仅由所附权利要求来限定。
芳香硝基化合物被亚磷酸三乙酯和相关试剂还原或脱氧的反应为Cadogan反应，反应条件一般为高温、氮气氛围下回流几个小时，该反应已被广泛应用于含氮杂环的合成，自1962年Cadogan报道利用亚磷酸三乙酯和相关试剂还原芳香族硝基化合物以来，该反应已被用于合成多种含氮杂环化合物，包括咔唑、吲哚、吲唑和其他相关化合物，但多采用含膦化合物(亚磷酸酯、三芳基膦、三烷基膦)为还原剂，而含膦化合物味道大，以亚磷酸酯为膦源时，含磷废水很难处理，以芳/烷基膦为膦源，反应需高温长时间回流，且后期提纯难度大。因此，本发明以2-硝基联苯类化合物为基础反应原料，羟胺为还原剂，用电化学的单电子转移催化手段制备咔唑类化合物，该反应无含膦化合物的加入，且以2-硝基联苯类中间体为原料，原料获取容易，且绿色环保。反应经得电子-脱水-芳构化-得电子-去水-氢原子转移(HAT)过程，得到产物。
其中，表1为本发明各实施例实验参数
表1为本发明各实施例实验参数
实施例1(咔唑制备)
室温条件下，在100mL三口烧瓶内加入19.90g 2-硝基联苯(Mr＝199.06，99％，0.1mol)，5.28g羟胺(Mr＝33.03，99％，0.16mol)，将碳布分别固定在电极夹上，然后装在三口瓶上。三口瓶密封好，用氮气置换其中的空气。在氮气保护条件下，用注射器打入15mL水及5mL PEG-400。反应在室温条件下搅拌，调整电流5mA，反应6h，薄层色谱分析(TLC)监测，反应结束后，过滤加入水(200mL)及乙酸乙酯(300mL)萃取，浓缩有机相、硅胶柱层析得到咔唑(94.7％，15.83g)。
利用核磁共振氢谱对制得的产品进行表征，结果如图3所示：1H NMR(400MHz,DMSO)δ＝11.27(brs,1H),8.11(d,J＝8.0,2H),7.48(d,J＝8.0,2H),7.38(t,J＝7.6,2H),7.15(t,J＝7.6,2H)。
实施例2(3-氟咔唑制备)
室温条件下，在100mL三口烧瓶内加入27.70g 5-氟-2-硝基联苯(Mr＝217.05，99％，0.1mol)，5.28g羟胺(Mr＝33.03，99％，0.16mol)，将碳布分别固定在电极夹上，然后装在三口瓶上。三口瓶密封好，用氮气置换其中的空气。在氮气保护条件下，用注射器打入15mL水及5mL PEG-400。反应在室温条件下搅拌，调整电流10mA，反应8h，薄层色谱分析(TLC)监测，反应结束后，过滤加入水(200mL)及乙酸乙酯(300mL)萃取，浓缩有机相、硅胶柱层析得到3-氟咔唑(79.8％，14.78g)。
利用核磁共振氢谱对制得的产品进行表征，结果如图4所示：1H NMR(CDCl3,400MHz,ppm):δ8.03-8.01(m,2H),7.73(d,J＝7.6Hz,1H),7.43(s,2H),7.36-7.33(m,1H),7.26-7.23(m,1H),7.18-7.14(m,1H)
实施例3(2-溴咔唑制备)
室温条件下，在100mL三口烧瓶内加入27.70g 4-溴-2-硝基联苯(Mr＝276.97，99％，0.1mol)，5.28g羟胺(Mr＝33.03，99％，0.16mol)，将碳布分别固定在两个电极夹上，然后装在三口瓶上。三口瓶密封好，用氮气置换其中的空气。在氮气保护条件下，用注射器打入15mL水及5mL PEG-400。反应在室温条件下搅拌，调整电流7.5mA，反应8h，薄层色谱分析(TLC)监测，反应结束后，过滤加入水(200mL)及乙酸乙酯(300mL)萃取，浓缩有机相、硅胶柱层析得到2-溴咔唑(83.2％，21.14g)。
利用核磁共振氢谱对制得的产品进行表征，结果如图5所示：1H NMR(300MHz,CDCl3):8.01-7.91(m,2H),7.85(d,J＝8.0Hz,1H),7.51(d,J＝2.0Hz,1H),7.40-7.32(m,2H),7.27(dd,J＝8.0,2.0Hz,1H),7.22-7.13(m,2H).
实施例4(1-溴咔唑制备)
室温条件下，在100mL三口烧瓶内加入27.70g 3-溴-2-硝基联苯(Mr＝276.97，99％，0.1mol)，5.28g羟胺(Mr＝33.03，99％，0.16mol)，将碳布分别固定在两个电极夹上，然后装在三口瓶上。三口瓶密封好，用氮气置换其中的空气。在氮气保护条件下，用注射器打入15mL水及5mL PEG-400。反应在室温条件下搅拌，调整电流7.5mA，反应8h，薄层色谱分析(TLC)监测，反应结束后，过滤加入水(200mL)及乙酸乙酯(300mL)萃取，浓缩有机相、硅胶柱层析得到1-溴咔唑(83.2％，21.14g)。
利用核磁共振氢谱对制得的产品进行表征，结果如图6所示：1H NMR(CDCl3,300MHz):8.18(br s,1H,N-H),7.99(q,J＝8.0Hz,2H),7.53(d,J＝8.0Hz,1H),7.40-7.46(m,2H),7.19-7.28(m,1H),7.09(t,J＝8.0Hz,1H)。
实施例5(3-甲基咔唑制备)
室温条件下，在100mL三口烧瓶内加入21.31g 5-甲基-2-硝基联苯(Mr＝213.08，99％，0.1mol)，5.95g羟胺(Mr＝33.03，99％，0.18mol)，将碳布分别固定在两个电极夹上，然后装在三口瓶上。三口瓶密封好，用氮气置换其中的空气。在氮气保护条件下，用注射器打入15mL水及5mL PEG-400。反应在室温条件下搅拌，调整电流7.5mA，反应8h，薄层色谱分析(TLC)监测，反应结束后，过滤加入水(200mL)及乙酸乙酯(300mL)萃取，浓缩有机相、硅胶柱层析得到3-甲基咔唑(79.8％，14.46g)。
利用核磁共振氢谱对制得的产品进行表征，结果如图7所示：1H NMR(600MHz,CDCl3)δ8.04(d,J＝7.8Hz,1H),7.90(bs,1H),7.86(s,1H),7.42–7.36(m,2H),7.29(d,J＝7.8,1H),7.22(d,J＝7.8Hz,1H),7.21(d,J＝7.2Hz,1H),2.53(s,3H)。
实施例6(3-氯咔唑制备)
室温条件下，在100mL三口烧瓶内加入23.30g 5-氯-2-硝基联苯(Mr＝233.02，99％，0.1mol)，5.28g羟胺(Mr＝33.03，99％，0.16mol)，将碳布分别固定在两个电极夹上，然后装在三口瓶上。三口瓶密封好，用氮气置换其中的空气。在氮气保护条件下，用注射器打入15mL水及5mL PEG-400。反应在室温条件下搅拌，调整电流7.5mA，反应8h，薄层色谱分析(TLC)监测，反应结束后，过滤加入水(200mL)及乙酸乙酯(300mL)萃取，浓缩有机相、硅胶柱层析得到3-氯咔唑(85.6％，17.26g)。
利用核磁共振氢谱对制得的产品进行表征，结果如图8所示：1H NMR(CDCl3,400MHz,ppm):δ8.07-8.02(m,3H),7.44(s,2H),7.38-7.33(m,2H)，7.26(s，1H)。
实施例7(7H-苯并[C]咔唑制备)
室温条件下，在100mL三口烧瓶内加入24.91g 1-(2-硝基苯基)萘(Mr＝249.08，99％，0.1mol)，5.28g羟胺(Mr＝33.03，99％，0.16mol)，将碳布分别固定在两个电极夹上，然后装在三口瓶上。三口瓶密封好，用氮气置换其中的空气。在氮气保护条件下，用注射器打入15mL水及5mL PEG-400。反应在室温条件下搅拌，调整电流7.5mA，反应8h，薄层色谱分析(TLC)监测，反应结束后，过滤加入水(200mL)及乙酸乙酯(300mL)萃取，浓缩有机相、硅胶柱层析得到7H-苯并[C]咔唑(87.6％，19.03g)。
利用核磁共振氢谱对制得的产品进行表征，结果如图9所示：1H NMR(600MHz,CDCl3)δ8.79(d,J＝8.4Hz,1H),8.57(d,J＝7.8Hz,1H),8.42(bs,1H),8.01(d,J＝8.4Hz,1H),7.87(d,J＝8.4Hz,1H),7.72(dd,J＝8.4,7.8Hz,1H),7.63(d,J＝8.4Hz,1H),7.58(d,J＝8.4Hz,1H),7.48(dd,J＝8.4,7.8Hz,1H),7.46(dd,J＝8.4,7.8Hz,1H),7.39(dd,J＝8.4,7.8Hz,1H)。
实施例8(7H-二苯并咔唑制备)
室温条件下，在100mL三口烧瓶内加入24.91g 2-硝基联萘(Mr＝299.09，99％，0.1mol)，5.28g羟胺(Mr＝33.03，99％，0.16mol)，将碳布分别固定在两个电极夹上，然后装在三口瓶上。三口瓶密封好，用氮气置换其中的空气。在氮气保护条件下，用注射器打入15mL水及5mL PEG-400。反应在室温条件下搅拌，调整电流7.5mA，反应8h，薄层色谱分析(TLC)监测，反应结束后，过滤加入水(200mL)及乙酸乙酯(300mL)萃取，浓缩有机相、硅胶柱层析得到7H-二苯并咔唑(84.1％，22.48g)。
利用核磁共振氢谱对制得的产品进行表征，结果如图10所示：1H NMR(600MHz,CDCl3)δ9.22(d,J＝8.4Hz,2H),8.78(bs,1H),8.04(d,J＝7.8Hz,2H),7.87(d,J＝8.4Hz,2H),7.70(dd,J＝8.4,6.6Hz,2H),7.67(d,J＝8.4Hz,2H),7.53(dd,J＝7.8,6.6Hz,2H)。
实施例9(5H-苯并呋喃并[3,2-C]咔唑制备)
室温条件下，在100mL三口烧瓶内加入28.91g 4-(2’-硝苯基)二苯并呋喃(Mr＝289.07，99％，0.1mol)，6.61g羟胺(Mr＝33.03，99％，0.2mol)，将碳布分别固定在两个电极夹上，然后装在三口瓶上。三口瓶密封好，用氮气置换其中的空气。在氮气保护条件下，用注射器打入15mL水及5mL PEG-400。反应在室温条件下搅拌，调整电流7.5mA，反应8h，薄层色谱分析(TLC)监测，反应结束后，过滤加入水(200mL)及乙酸乙酯(300mL)萃取，浓缩有机相、硅胶柱层析得到5H-苯并呋喃并[3,2-C]咔唑(87.6％，21.56g)。
利用核磁共振氢谱对制得的产品进行表征，结果如图11所示：1H NMR(400MHz,d6-DMSO):δ11.79(br s,1H),8.33(d,J＝7.6Hz,1H),8.10(d,J＝S22 8.4Hz,2H),7.81(d,J＝8.0Hz,1H),7.62(d,J＝8.4Hz,1H),7.56(d,J＝8.8Hz,1H),7.51-7.36(m,3H),7.31(t,J＝7.2Hz,1H)。
实施例10(吲哚并[2,3-A]咔唑制备)
室温条件下，在100mL三口烧瓶内加入32.08g 2’,3’-二硝基-1,1’:4’,1”三联苯(Mr＝320.08，99％，0.1mol)，10.56g羟胺(Mr＝33.03，99％，0.32mol)，将碳布分别固定在两个电极夹上，然后装在三口瓶上。三口瓶密封好，用氮气置换其中的空气。在氮气保护条件下，用注射器打入15mL水及5mL PEG-400。反应在室温条件下搅拌，调整电流15mA，反应10h，薄层色谱分析(TLC)监测，反应结束后，过滤加入水(200mL)及乙酸乙酯(300mL)萃取，浓缩有机相、硅胶柱层析得到吲哚并[2,3-A]咔唑(83.7％，21.45g)。
利用核磁共振氢谱对制得的产品进行表征，结果如图12所示：1H NMR(400MHz,DMSO-d6):δ11.07(s,2H),8.16(d,J＝7.6Hz,2H),7.91-7.88(m,2H),7.72(d,J＝8.0Hz,2H),7.41-7.38(m,2H),7.23-7.19(m,2H)。
对比例1(咔唑制备)
室温条件下，在100mL三口烧瓶内加入19.90g 2-硝基联苯(Mr＝199.06，99％，0.1mol)，16.76g苯胺(Mr＝93.13，99％，0.18mol)，将碳布分别固定在电极夹上，然后装在三口瓶上。三口瓶密封好，用氮气置换其中的空气。在氮气保护条件下，用注射器打入15mL水及5mL PEG-400。反应在室温条件下搅拌，调整电流5mA，反应8h，薄层色谱分析(TLC)监测，反应结束后，过滤加入水(200mL)及乙酸乙酯(300mL)萃取，浓缩有机相、硅胶柱层析得到咔唑(64.3％，10.74g)。
对比例2(咔唑制备)
室温条件下，在100mL三口烧瓶内加入19.90g 2-硝基联苯(Mr＝199.06，99％，0.1mol)，21.64g苯硅烷(Mr＝108.21，99％，0.2mol)，将碳布分别固定在电极夹上，然后装在三口瓶上。三口瓶密封好，用氮气置换其中的空气。在氮气保护条件下，用注射器打入15mL水及5mL PEG-400。反应在室温条件下搅拌，调整电流5mA，反应8h，薄层色谱分析(TLC)监测，反应结束后，过滤加入水(200mL)及乙酸乙酯(300mL)萃取，浓缩有机相、硅胶柱层析得到咔唑(52.9％，8.84g)。
本发明所述内容并不仅限于本发明所述实施例内容。
本文中应用了具体个例对本发明的实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
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