無(wú)水三氯化鋁代替質(zhì)子酸或酸酐作催化劑實(shí)現(xiàn)吲哚自身偶聯(lián)反應(yīng)的新方法
摘 要:提出了一種由無(wú)水三氯化鋁代替質(zhì)子酸或酸酐作催化劑實(shí)現(xiàn)吲哚自身偶聯(lián)反應(yīng)的新方法。該方法使用了 廉價(jià)的催化劑、操作簡(jiǎn)便、高收率(86%-90%)且反應(yīng)時(shí)間短(小于40min)。此反應(yīng)的原子利用率為100%,在有 機(jī)合成中具有一定的應(yīng)用。通過(guò)核磁共振氫譜、核磁共振碳譜對(duì)產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征。另外文中還提出了可能 的反應(yīng)機(jī)理。
引言
吲哚(2,3-苯并吡咯)是一種重要的含氮雜環(huán)化合物,它是有機(jī)合成的重要中間體,在醫(yī)藥、農(nóng)藥、香料、 食品、飼料添加劑和染料等方面具有廣泛的應(yīng)用。吲哚由于其獨(dú)特的生物活性和藥理作用,使它已成為 生物、醫(yī)藥和材料交叉領(lǐng)域的明星分子,多年來(lái)一直吸引著化學(xué)工作者對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行修飾和進(jìn)行仿生全合 成研究。自然界含吲哚環(huán)系的化合物分布很廣,自1983年以來(lái)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了3?。担埃岸喾N,其中許多都具有 重要的生物活性,與生命活動(dòng)密切相關(guān)。對(duì)吲哚自身而言,化學(xué)反應(yīng)也極其豐富,可通過(guò)各種方法進(jìn)行衍 生化。在吲哚分子結(jié)構(gòu)中,C-3位的反應(yīng)活性最強(qiáng),與其相關(guān)的反應(yīng)類型最多,因此在眾多的衍生物中 C-3位取代的吲哚最引人矚目。 相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道,吲哚在質(zhì)子酸或酸酐的催化作用下,會(huì)發(fā)生一種自身偶聯(lián)反應(yīng),這種反應(yīng)的原子利用率為100%,具有十分重要的研究?jī)r(jià)值。2011年,Norio?。樱瑁椋猓幔簦嵴n題組報(bào)道了吲哚在三氟乙酸酐的催化作用 下攪拌過(guò)夜可發(fā)生二聚生成吲哚偶聯(lián)產(chǎn)物;2013年,席真等人報(bào)道了吲哚在飽和氯化氫氣體的乙醚溶液 中攪拌18h后也可得到同樣的產(chǎn)物。雖然兩種方法都成功地實(shí)現(xiàn)了吲哚的自身偶聯(lián),但仍存在一定缺 陷:(1)反應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)(例如18h或過(guò)夜);(2)產(chǎn)物收率較低(例如63%);(3)準(zhǔn)備工作煩瑣(例如需制備飽和 氯化氫氣體的乙醚溶液)。因此,探尋一種適宜的反應(yīng)條件實(shí)現(xiàn)吲哚的自身偶聯(lián)仍是一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。 眾所周知,無(wú)水三氯化鋁是一種經(jīng)濟(jì)易得、便于操作、使用較為廣泛的路易斯酸催化劑。本文嘗試使 用無(wú)水三氯化鋁代替氯化氫氣體和三氟乙酸酐催化吲哚的自身偶聯(lián)反應(yīng)。實(shí)驗(yàn)表明,在無(wú)水三氯化鋁作催 化劑,0℃和二氯甲烷作溶劑的條件下,反應(yīng)在40min內(nèi)即可完成,本文最終實(shí)現(xiàn)了三種吲哚自身偶聯(lián)產(chǎn)物 的合成,收率可達(dá)86%-90%。 反應(yīng)方程式為:
1 實(shí)驗(yàn)部分
1.1 主要儀器與試劑
儀器:50mL圓底燒瓶,磁子,暗箱式紫外分析儀(ZF-20D),INOVA-400MHz核磁共振儀(美國(guó)Varian 公司),BL?。保玻埃行碗娮臃治鎏炱?,IKA (RH basic?。保?,SHZ-D(Ⅲ)型循環(huán)水式真空泵,RE-2000A型旋轉(zhuǎn)蒸 發(fā)儀。
試劑:實(shí)驗(yàn)中使用的試劑均為市售分析純。
1.2 合成步驟
在已放入磁子的50mL圓底燒瓶中,將10mmol反應(yīng)底物溶解于20mL二氯甲烷中,之后把圓底燒瓶 放入冰浴中冷卻至0℃;在通風(fēng)良好且磁子攪拌正常的條件下向圓底燒瓶中分批加入12mmol[13]無(wú)水三氯 化鋁,確保反應(yīng)繼續(xù)在0℃下進(jìn)行;用TLC薄層色譜分析監(jiān)測(cè)反應(yīng),當(dāng)?shù)孜锿耆磻?yīng)時(shí)(小于40min),向體 系中緩慢注入0℃的水并不斷攪拌,直至有機(jī)層和水層均變?yōu)槌吻逋噶粒挥梅忠郝┒穼⒂袡C(jī)層分離并用飽和 食鹽水洗滌三次,有機(jī)層用無(wú)水硫酸鈉干燥20min后過(guò)濾,濾液經(jīng)旋蒸濃縮得到粗產(chǎn)品;粗產(chǎn)品經(jīng)柱層析 (乙酸乙酯/石油醚=1/6)后得到相應(yīng)的白色固體產(chǎn)物。
1.3 產(chǎn)物結(jié)構(gòu)表征
氘代試劑為DMSO-d6,核磁共振氫譜選取δ=2.50ppm作為內(nèi)標(biāo);核磁共振碳譜選取δ=39.5ppm作為內(nèi)標(biāo)。
產(chǎn)物1b(3-(indolin-2-yl)- 1H-indole)1 H?。危停遥ǎ矗埃埃停龋?,DMSO-d6)δppm:10.93(s,1H),7.54(d,J =8.0Hz,1H),7.41(d,J=8.0Hz,1H),7.29(s,1H),7.13-7.06(m,2H),6.99-6.96(m,2H), 6.61-6.58(m,2H),5.98(s,1H),5.17(t,J=8.0Hz,1H),3.44-3.38(dd,J=8.0Hz,1H),3.07 -3.01(dd,J=8.0Hz,1H);13C?。危停?(100MHz,DMSO-d6)δppm:152.06,136.87,128.27,127.15, 125.71,124.22,122.10,121.13,119.32,118.36,118.24,116.90,111.59,108.12,55.85,37.42.
產(chǎn)物2b(5-methyl-3-(5-methylindolin-2-yl)- 1H-indole)1?。取。危停?(400 MHz,DMSO-d6)δppm:10.64 (s,1H),7.24(s,1H),7.16(d,J=8.0Hz,1H),7.10(s,1H),6.81(d,J=8.0Hz,1H),6.76(s, 1H),6.67(d,J=8.0Hz,1H),6.38(d,J=8.0Hz,1H),5.58(s,1H),4.98(t,J=8.0Hz,1H), 3.24-3.18(dd,J=8.0Hz,1H),2.90-2.84(dd,J=8.0Hz,1H),2.25(s,3H),2.09(s,3H);13C NMR(100MHz,DMSO-d6)δppm:149.86,135.21,128.68,127.26,126.61,126.02,125.30,124.97, 122.65,122.09,118.91,117.61,111.25,108.08,56.26,37.44,21.36,20.59.
產(chǎn)物3b(5-bromo-3-(5-bromoindolin-2-yl)- 1H-indole)1?。取。危停?(400 MHz,DMSO-d6)δppm:11.15 (s,1H),7.68(s,1H),7.36-7.34(m,2H),7.21-7.17(m,2H),7.09(d,J=8.0Hz,1H),6.49 (d,J=8.0Hz,1H),6.20(s,1H),5.14(t,J=8.0Hz,1H),3.41-3.36(dd,J=8.0Hz,1H),3.01 -2.95(dd,J=8.0Hz,1H);13C?。危停遥ǎ保埃埃停龋?,DMSO-d6)δppm:151.28,135.48,131.11,129.60, 127.38,126.92,123.86,123.63,121.52,117.59,113.62,111.12,109.52,107.27,55.77,37.04
2 分析與討論
2.1 核磁數(shù)據(jù)分析
首先由核磁數(shù)據(jù)可知三個(gè)產(chǎn)物的碳、氫原子個(gè)數(shù):產(chǎn)物1b含有14個(gè)氫原子和16個(gè)碳原子;產(chǎn)物2b含 有18?jìng)€(gè)氫原子和18?jìng)€(gè)碳原子;產(chǎn)物3b含有12個(gè)氫原子和16個(gè)碳原子。 其次可知三個(gè)產(chǎn)物的1?。取。危停倚盘?hào)是相似的,均有五種相似的特征峰。以產(chǎn)物1b為例說(shuō)明:
值得注意的是產(chǎn)物2b與1b、3b相比,1?。取。危停液停保常谩。危停以诟邎?chǎng)有兩個(gè)明顯的-Me信號(hào)。另外,產(chǎn)物 2b和3b由于-Me和-Br的特殊位置,使其1?。取。危停以诘蛨?chǎng)多了兩組單峰。 綜上所述,三個(gè)產(chǎn)物的1?。取。危停液停保常谩。危停揖c其結(jié)構(gòu)相符。
2.2 反應(yīng)機(jī)理討論 筆者結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)及實(shí)驗(yàn)結(jié)果,提出了可能的反應(yīng)機(jī)理:首先三氯化鋁活化吲哚的C-3位,生成亞胺 離子中間體,使吲哚的C-2位顯正電性;接下來(lái)另一分子吲哚C-3位的碳原子進(jìn)攻這個(gè)正電中心[17], 實(shí)現(xiàn)偶聯(lián);偶聯(lián)中間體發(fā)生質(zhì)子轉(zhuǎn)移[并失去三氯化鋁形成最終產(chǎn)物,離去的三氯化鋁繼續(xù)催化反應(yīng) (圖1)。
3 結(jié)論
綜上所述,本文采用路易斯酸無(wú)水三氯化鋁代替質(zhì)子酸或酸酐作催化劑實(shí)現(xiàn)了系列吲哚的自身偶聯(lián)反 應(yīng)。這種新方法與前人工作相比的優(yōu)勢(shì)有:(1)催化劑廉價(jià)易得且使用方便;(2)反應(yīng)時(shí)間短;(3)產(chǎn)物收率 高。文中提出的反應(yīng)機(jī)理為今后吲哚相關(guān)偶聯(lián)反應(yīng)的研究提供了依據(jù)。目前,有關(guān)此反應(yīng)的應(yīng)用仍在研究 當(dāng)中。
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