一种含氮芳杂环二胺及其制备方法
阅读说明：本技术 一种含氮芳杂环二胺及其制备方法 (Nitrogen-containing aromatic heterocyclic diamine and preparation method thereof ) 是由 邱雪鹏 鲍峰 戚福玲 代学民 董志鑫 蔡艳春 姚海波 于 2020-12-24 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种含氮芳杂环二胺及其制备方法；所述含氮芳杂环二胺具有式(III)所示的结构；式(III)中,X、Y、Z独立的选自C或N,且X、Y、Z中至少有两个为C；R0选自NH-2或与现有技术相比,本发明提供的制备方法采用一步法制备得到上述特定结构的含氮芳杂环二胺,路线简洁、操作简便、反应高效(转化率高、选择性好)、后处理方便以及反应底物适用广谱,适用于工业化大量生产。(The invention provides a nitrogen-containing aromatic heterocyclic diamine and a preparation method thereof; the nitrogen-containing aromatic heterocyclic diamine has a structure shown in a formula (III); in the formula (III), X, Y, Z is independently selected from C or N, and at least two of X, Y, Z are C; r0 is selected from NH 2 Or Compared with the prior art, the preparation method provided by the invention adopts a one-step method to prepare the nitrogen-containing aromatic heterocyclic diamine with the specific structure, and has the advantages of simple route, simple and convenient operation, high reaction efficiency (high conversion rate and good selectivity), convenient post-treatment and broad reaction substrate application spectrum, and is suitable for industrial mass production.)
技术领域
本发明涉及高分子材料技术领域，更具体地说，是涉及一种含氮芳杂环二胺及其制备方法。
背景技术
芳香二胺是一类重要的有机合成中间体。其中，含氮芳杂环二胺作为芳香二胺的重要一类，具有更广泛的应用前景。一方面，含氮芳杂环二胺可应用于染料制备、金属离子检测及作为树脂添加剂等领域；另一方面，以含氮芳杂环二胺为聚合单体所制备的聚酰亚胺及聚酰胺材料通常呈现出更好地耐高低温性能、耐化学性、极佳地力学性能以及粘结性能，优于传统的聚酰胺、聚酰亚胺及其他高分子材料，并广泛应用于微电子制造、功能防护及航空航天等关键领域。因此，含氮芳杂环二胺作为重要的化学中间体，其合成研究受到广泛关注。
但是，现有技术中合成含氮芳杂环二胺的方法普遍存在合成路线冗长、操作复杂，底物适用范围受限的缺点，同时合成芳杂环类型有限且单一。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种含氮芳杂环二胺及其制备方法，本发明提供的制备方法路线简洁、操作简便、反应高效(转化率高、选择性好)、后处理方便以及反应底物适用广谱，适用于工业化大量生产。
本发明提供了一种含氮芳杂环二胺，具有式(III)所示的结构：
式(III)中，X、Y、Z独立的选自C或N，且X、Y、Z中至少有两个为C；R0选自NH2或
优选的，具体包括以下结构：
本发明还提供了一种上述技术方案所述的含氮芳杂环二胺的制备方法，包括以下步骤：
a)在惰性气氛下，将式(I)所示结构的化合物、式(II)所示结构的化合物、金属催化剂、碱金属化合物和溶剂混合，进行反应，得到含氮芳杂环二胺；
式(I)中，R1选自H、C1～C18的脂肪烃或C1～C18的芳香烃；
式(II)中，X、Y、Z独立的选自C或N，且X、Y、Z中至少有两个为C；R2选自Cl、Br、I、OH、OAc、OMs或OTf；R3选自Cl、Br、I、OH、OAc、OMs、OTf或NH2。
优选的，步骤a)中所述金属催化剂选自金属钌化合物、金属铑化合物和金属钯化合物中的一种或多种。
优选的，步骤a)中所述碱金属化合物选自Cs2CO3、K2CO3、Na2CO3、NaHCO3、Li2CO3、K3PO4和CsF中的一种或多种。
优选的，步骤a)中所述溶剂选自二甲基亚砜、N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺、乙醇、异丙醇、四氢呋喃、二氧六环、甲苯、苯和水中的一种或多种。
优选的，步骤a)中所述式(I)所示结构的化合物、式(II)所示结构的化合物、金属催化剂和碱金属化合物的摩尔比为(1～3)：1：(0.01～0.2)：(5～20)。
优选的，步骤a)中所述溶剂的加入量为式(II)所示结构的化合物质量的10倍～40倍。
优选的，步骤a)中所述反应的温度为50℃～150℃。
优选的，步骤a)中所述反应后，还包括：
对反应得到的产物进行纯化处理，得到含氮芳杂环二胺。
本发明提供了一种含氮芳杂环二胺及其制备方法；所述含氮芳杂环二胺具有下式所示的结构：其中，X、Y、Z独立的选自C或N，且X、Y、Z中至少有两个为C；R0选自NH2或与现有技术相比，本发明提供的制备方法采用一步法制备得到上述特定结构的含氮芳杂环二胺，路线简洁、操作简便、反应高效(转化率高、选择性好)、后处理方便以及反应底物适用广谱，适用于工业化大量生产。
另外，本发明提供的制备方法通过偶联反应合成出不同类型的含氮芳杂环二胺，极大地拓展了合成含氮杂环二胺的种类及方法。
附图说明
图1为本发明实施例1得到的含氮芳杂环二胺的1H NMR谱图；
图2为本发明实施例2得到的含氮芳杂环二胺的1HNMR谱图；
图3为本发明实施例4得到的含氮芳杂环二胺的红外光谱；
图4为本发明实施例6得到的含氮芳杂环二胺的红外光谱；
图5为本发明实施例1得到的含氮芳杂环二胺的DSC图谱。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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。
本发明提供了一种含氮芳杂环二胺，具有式(III)所示的结构：
式(III)中，X、Y、Z独立的选自C或N，且X、Y、Z中至少有两个为C；R0选自NH2或
在本发明中，所述含氮芳杂环二胺优选具体包括以下结构：
本发明采用一步法合成出不同上述多种类型的含氮芳杂环二胺，极大地拓展了合成含氮杂环二胺的种类。
本发明还提供了一种上述技术方案所述的含氮芳杂环二胺的制备方法，包括以下步骤：
a)在惰性气氛下，将式(I)所示结构的化合物、式(II)所示结构的化合物、金属催化剂、碱金属化合物和溶剂混合，进行反应，得到含氮芳杂环二胺；
式(I)中，R1选自H、C1～C18的脂肪烃或C1～C18的芳香烃；
式(II)中，X、Y、Z独立的选自C或N，且X、Y、Z中至少有两个为C；R2选自Cl、Br、I、OH、OAc、OMs或OTf；R3选自Cl、Br、I、OH、OAc、OMs、OTf或NH2。
在本发明中，所述惰性气氛优选为氮气气氛或氩气气氛。
在本发明中，所述式(I)所示结构的化合物为氨基取代苯硼酸(酯)，其中，R1选自H、C1～C18的脂肪烃或C1～C18的芳香烃；所述式(I)所示结构的化合物优选为氨基苯硼酸频哪醇酯或氨基苯硼酸及其盐酸盐；其中氨基可以处于苯硼酸(酯)的邻位、间位或者对位，优选的是对位或间位。
在本发明中，X、Y、Z独立的选自C或N，且X、Y、Z中至少有两个为C；即X、Y、Z可以全部为碳原子，或者X、Y、Z中有一种为氮原子，其他两种为碳原子；由此可知，所述式(II)所示结构的化合物即含氮芳杂烃取代物的母环结构包括吡啶、吡嗪、哒嗪、嘧啶等杂环结构。在本发明中，R2选自Cl、Br、I、OH、OAc、OMs或OTf，优选为Cl或Br。在本发明中，R3选自Cl、Br、I、OH、OAc、OMs、OTf或NH2，优选为Cl、Br或NH2。
本发明以式(I)所示结构的化合物和式(II)所示结构的化合物为反应原料；所述式(I)所示结构的化合物和式(II)所示结构的化合物的摩尔比为(1～3)：1。在本发明优选的实施例中，R3为NH2，所述式(I)所示结构的化合物和式(II)所示结构的化合物的摩尔比优选为(1～1.5)：1，更优选为(1.05～1.2)：1；在本发明优选的实施例中，R3不为NH2(如Cl、Br、I、OH、OAc、OMs、OTf)，所述式(I)所示结构的化合物和式(II)所示结构的化合物的摩尔比优选为(2～3)：1，更优选为(2.1～2.4)：1。
在本发明中，所述式(II)所示结构的化合物优选具体包括以下结构：
在本发明中，所述金属催化剂优选选自金属钌化合物、金属铑化合物和金属钯化合物中的一种或多种，更优选为Pd(PPh3)4、Pd(OAc)2、PdCl2、PdCl2(dppf)或PdCl2(PPh3)2，更更优选为Pd(PPh3)4或PdCl2(PPh3)2。本发明对所述金属催化剂的来源没有特殊限制，采用本领域技术人员熟知的市售商品即可。
在本发明中，所述式(II)所示结构的化合物和金属催化剂的摩尔比优选为1：(0.01～0.2)，更优选为1：(0.01～0.1)。
在本发明中，所述碱金属化合物优选选自Cs2CO3、K2CO3、Na2CO3、NaHCO3、Li2CO3、K3PO4和CsF中的一种或多种，更优选为K2CO3或K3PO4。本发明对所述碱金属化合物的来源没有特殊限制，采用本领域技术人员熟知的上述碱的市售商品即可。
在本发明中，所述式(II)所示结构的化合物和碱金属化合物的摩尔比优选为1：(5～20)，更优选为1：(10～15)。
在本发明中，所述溶剂优选选自二甲基亚砜(DMSO)、N,N-二甲基甲酰胺(DMF)、N,N-二甲基乙酰胺(DMAc)、乙醇、异丙醇、四氢呋喃、二氧六环、甲苯、苯和水中的一种或多种，更优选为二氧六环和水的混合溶剂，或甲苯和水的混合溶剂。在本发明优选的实施例中，所述溶剂为上述有机溶剂(如二氧六环或甲苯)和无机溶剂(水)的混合溶剂；所述有机溶剂和无机溶剂的体积比优选为1/5～5/1，更优选为1/2～2/1。本发明对所述溶剂的来源没有特殊限制，采用本领域技术人员熟知的市售商品即可。
在本发明中，所述溶剂的加入量优选为式(II)所示结构的化合物质量的10倍～40倍，更优选为15倍～25倍。
在本发明中，所述反应的温度优选为50℃～150℃，更优选为80℃～130℃。
在本发明中，所述反应优选通过TLC监测反应原料(如式(II)所示结构的化合物)消失，停止反应。
在本发明中，所述反应后，优选还包括：
对反应产物进行纯化处理，得到含氮芳杂环二胺；本发明对所述纯化处理的具体方式没有特殊限制，采用本领域技术人员熟知的冷却后过滤出固体产物洗涤、干燥、进一步提纯的技术方案即可。
本发明采用Suzuki偶联反应，将氨基取代的苯硼酸(酯)和含氮芳杂环取代物在一定条件下一步合成为含氮芳杂环二胺，路线简洁、操作简便、反应高效(转化率高、选择性好)、后处理方便以及反应底物适用广谱，适用于工业化大量生产；并且，采用本发明提供的制备方法能够成功制备出多种类型的含氮芳杂环二胺；优选具体为：
以化合物I与化合物II为反应原料，在特定的金属催化剂、碱、溶剂、温度及反应气氛下，制备含氮芳杂环二胺IIIa或者IIIb；具体反应式如下：
本发明提供的制备方法只需一步法由原料底物出发即可合成多种类型的含氮芳杂环二胺，具有设计路线简洁、后处理操作简便、底物适用范围广谱的特点。
本发明提供了一种含氮芳杂环二胺及其制备方法；所述含氮芳杂环二胺具有下式所示的结构：其中，X、Y、Z独立的选自C或N，且X、Y、Z中至少有两个为C；R0选自NH2或与现有技术相比，本发明提供的制备方法采用一步法制备得到上述特定结构的含氮芳杂环二胺，路线简洁、操作简便、反应高效(转化率高、选择性好)、后处理方便以及反应底物适用广谱，适用于工业化大量生产。
另外，本发明提供的制备方法通过偶联反应合成出不同类型的含氮芳杂环二胺，极大地拓展了合成含氮杂环二胺的种类及方法。
为了进一步说明本发明，下面通过以下实施例进行详细说明。本发明以下实施例中所用的原料均为市售商品。
实施例1
在氩气保护下，将4-氨基苯硼酸频哪醇酯(0.066mol，14.46g)、2,5-二溴吡啶(0.03mol，7.11g)、四(三苯基膦)钯(0.003mol，3.47g)、无水碳酸钾(0.3mol，41.46g)、50mL甲苯以及50mL去离子水依次加入到250mL圆底烧瓶中，反应体系在100℃下搅拌回流，TLC监测直至2,5-二溴吡啶彻底消失，停止反应，冷却至室温有大量固体析出，将固体过滤并依次用去离子水、甲苯及甲醇多次洗涤后，经真空干燥，得到粗产品；粗品经提纯后，最终得到黄色晶体6.58g，即2,5-双(4-氨基苯基)吡啶，收率84％。
1H NMR(400MHz,DMSO-d6)δ8.73(d,J＝2.4Hz,1H),7.88(dd,J＝8.4,2.4Hz,1H),7.81(d,J＝8.4Hz,2H),7.73(d,J＝8.8Hz,1H),7.43(d,J＝8.8Hz,2H),6.67(d,J＝8.6Hz,2H),6.64(d,J＝8.6Hz,2H),5.34(s,4H).(图1)
DSC图谱参见图5所示。
实施例1中含氮芳杂环二胺结构式如下：
实施例2
在氮气保护下，将4-氨基苯硼酸频哪醇酯(0.066mol，14.46g)、5-溴-2-氯嘧啶(0.03mol，5.80g)、双(三苯基膦)二氯化钯(0.003mol，2.10g)、无水碳酸钾(0.3mol，41.46g)、50mL甲苯以及50mL去离子水依次加入到250mL圆底烧瓶中，反应体系在120℃下搅拌回流，TLC监测直至5-溴-2-氯嘧啶彻底消失，停止反应，冷却至室温有大量固体析出，将固体过滤并依次用去离子水、甲苯及甲醇多次洗涤后，经真空干燥，得到粗产品；粗品经提纯后，最终得到黄色晶体6.67g，即2,5-双(4-氨基苯基)嘧啶，收率85％。
1H NMR(400MHz,DMSO-d6)δ8.93(s,2H),8.10(d,J＝8.4Hz,2H),7.49(d,J＝8.4Hz,2H),6.69(d,J＝8.4Hz,2H),6.64(d,J＝8.8Hz,2H),5.61(s,2H),5.39(s,2H).(图2)
实施例2中含氮芳杂环二胺结构式如下：
实施例3
在氩气保护下，将4-氨基苯硼酸盐酸盐(0.066mol，11.44g)、2,5-二溴嘧啶(0.03mol，7.14g)、双(三苯基膦)二氯化钯(0.003mol，2.10g)、无水碳酸钾(0.3mol，41.46g)、50mL甲苯以及50mL去离子水依次加入到250mL圆底烧瓶中，反应体系在110℃下搅拌回流，TLC监测直至2,5-二溴嘧啶彻底消失，停止反应，冷却至室温有大量固体析出，将固体过滤并依次用去离子水、甲苯及甲醇多次洗涤后，经真空干燥，得到粗产品；粗品经提纯后，最终得到黄色晶体6.50g，即2,5-双(4-氨基苯基)嘧啶，收率83％。
1H NMR(400MHz,DMSO-d6)δ8.93(s,2H),8.10(d,J＝8.4Hz,2H),7.49(d,J＝8.4Hz,2H),6.69(d,J＝8.4Hz,2H),6.64(d,J＝8.8Hz,2H),5.61(s,2H),5.39(s,2H).
实施例3中含氮芳杂环二胺结构式如下：
实施例4
在氮气保护下，将4-氨基苯硼酸频哪醇酯(0.456mol，100.00g)、3,6-二溴哒嗪(0.21mol，50.00g)、四(三苯基膦)钯(0.01mol，12.00g)、无水碳酸钾(1.81mol，250.00g)、350mL甲苯以及350mL去离子水依次加入到1000mL三口烧瓶中，而后反应在130℃下搅拌回流，TLC监测直至3,6-二溴哒嗪彻底消失，停止反应，冷却至室温，大量固体析出并过滤，后依次用去离子水、甲苯及甲醇多次洗涤后，经真空干燥，得到粗产品；经提纯后，最终得到黄色晶体47.93g，即3,6-双(4-氨基苯基)哒嗪，收率87％。
1H NMR(400MHz,DMSO-d6)δ7.94(s,2H),7.89(d,J＝8.4Hz,4H),6.69(d,J＝8.4Hz,4H),5.54(s,4H).
红外光谱参见图3。
实施例4中含氮芳杂环二胺结构式如下：
实施例5
在氮气保护下，将4-氨基苯硼酸频哪醇酯(0.066mol，14.46g)、3,6-二氯哒嗪(0.03mol，4.47g)、四(三苯基膦)钯(0.002mol，2.31g)、无水磷酸钾(0.3mol，63.68g)、50mL甲苯以及50mL去离子水依次加入到250mL Schlenk瓶中，而后反应在100℃下搅拌回流，TLC监测直至3,6-二溴哒嗪彻底消失，停止反应，冷却至室温，大量固体析出并过滤，后依次用去离子水、甲苯及甲醇多次洗涤后，经真空干燥，得到粗产品；经提纯后，最终得到黄色晶体6.95g，即3,6-双(4-氨基苯基)哒嗪，收率88％。
1H NMR(400MHz,DMSO-d6)δ7.94(s,2H),7.89(d,J＝8.4Hz,4H),6.69(d,J＝8.4Hz,4H),5.54(s,4H).
实施例5中含氮芳杂环二胺结构式如下：
实施例6
在氮气保护下，将4-氨基苯硼酸频哪醇酯(0.066mol，14.46g)、2,5-二溴吡嗪(0.03mol，5.80g)、四(三苯基膦)钯(0.001mol，1.16g)、无水碳酸钾(0.3mol，41.46g)、50mL甲苯以及50mL去离子水依次加入到250mL圆底烧瓶中，反应体系在120℃下搅拌回流，TLC监测直至2,5-二溴吡嗪彻底消失，停止反应，冷却至室温有大量固体析出，将固体过滤并依次用去离子水、甲苯及甲醇多次洗涤后，经真空干燥，得到粗产品；经提纯后，最终得到黄色晶体7.01g，即2,5-双(4-氨基苯基)吡嗪，收率89％。
1H NMR(400MHz,DMSO-d6)δ8.96(s,2H),7.84(d,J＝8.7Hz,4H),6.67(d,J＝8.7Hz,4H),5.52(s,4H).
红外光谱图参见图4。
实施例6中含氮芳杂环二胺结构式如下：
实施例7
在氩气保护下，将3-氨基苯硼酸(1.38mol，190.00g)、2,5-二溴吡嗪(0.63mol，150.00g)、四(三苯基膦)钯(0.02mol，23.11g)、无水碳酸钾(5.06mol，700.00g)、1000mL甲苯以及1000mL去离子水依次加入到3L三口烧瓶中，反应体系在110℃下搅拌回流，TLC监测直至2,5-二溴吡嗪彻底消失，停止反应，冷却至室温有大量固体析出，将固体过滤并依次用去离子水、甲苯及甲醇多次洗涤后，经真空干燥，得到粗产品；经提纯后，最终得到黄色晶体140.47g，即2,5-双(3-氨基苯基)吡嗪，收率85％。
1H NMR(400MHz,DMSO-d6)δ9.11(s,1H),7.41(t,J＝2.0Hz,1H),7.30(dt,J＝8.0,1.2Hz,1H),7.19(t,J＝8.0Hz,1H),6.70(ddd,J＝8.0,2.2,1.2Hz,1H),5.29(s,2H).
实施例7中含氮芳杂环二胺结构式如下：
实施例8
在氩气保护下，将2-氨基苯硼酸频哪醇酯(0.066mol，14.46g)、2,5-二溴吡嗪(7.14g，0.03mol)、四(三苯基膦)钯(0.003mol，3.47g)、无水碳酸钾(0.3mol，41.46g)、50mL甲苯以及50mL去离子水依次加入到250mL Schlenk瓶中，而后反应在120℃下搅拌回流，TLC监测直至2,5-二溴吡嗪彻底消失，停止反应，冷却至室温，大量固体析出并过滤，后依次用去离子水、甲苯及甲醇多次洗涤后，经真空干燥，得到粗产品；经提纯后，最终得到黄色晶体6.76g，即2,5-双(2-氨基苯基)吡嗪，收率86％。
1H NMR(400MHz,DMSO-d6)δ9.07(s,2H),7.71(dd,J＝8.0,1.6Hz,2H),7.16(td,J＝7.6,1.6Hz,2H),6.83(dd,J＝8.0,1.2Hz,2H),6.68(td,J＝7.8,1.2Hz,2H),6.54(s,4H).
实施例8中含氮芳杂环二胺结构式如下：
实施例9
在氩气保护下，将4-氨基苯硼酸频哪醇酯(0.066mol，14.46g)、2,6-二氯吡嗪(0.03mol，4.47g)、四(三苯基膦)钯(0.003mol，3.47g)、无水碳酸钾(0.3mol，41.46g)、50mL二氧六环以及50mL去离子水依次加入到250mL Schlenk瓶中，而后反应在80℃下搅拌回流，TLC监测直至2,6-二氯吡嗪彻底消失，停止反应，冷却至室温，大量固体析出并过滤，后依次用去离子水、二氧六环及甲醇多次洗涤后，经真空干燥，得到粗产品；经提纯后，最终得到黄色晶体6.56g，即2,6-双(4-氨基苯基)吡嗪，收率83％。
1H NMR(400MHz,DMSO-d6)δ8.80(s,2H),7.94(d,J＝8.8Hz,4H),6.69(d,J＝8.8Hz,4H),5.58(s,4H).
实施例9中含氮芳杂环二胺结构式如下：
实施例10
在氩气保护下，将4-氨基苯硼酸频哪醇酯(0.0462mol，10.12g)、2-氯-5-氨基吡啶(0.042mol，5.40g)、四(三苯基膦)钯(0.0042mol，4.85g)、无水碳酸钾(0.42mol，58.05g)、40mL甲苯以及50mL去离子水依次加入到250mL Schlenk瓶中，而后反应在90℃下搅拌回流，TLC监测直至2-氯-5-氨基吡啶彻底消失，停止反应，冷却至室温，大量固体析出并过滤，后依次用去离子水、甲苯及甲醇多次洗涤后，经真空干燥，得到粗产品；经提纯后，最终得到黄白色晶体6.09g，即2-(4-氨基苯基)-5-氨基吡啶，收率78％。
1H NMR(400MHz,DMSO-d6)δ7.93(d,J＝3.0Hz,1H),7.59(d,J＝8.4Hz,2H),7.41(d,J＝8.8Hz,1H),6.93(dd,J＝8.8,3.0Hz,1H),6.58(d,J＝8.4Hz,2H),5.15(s,4H).
实施例10中含氮芳杂环二胺结构式如下：
所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。