一种基于连续流反应器的联芳基化合物的制备方法与流程

1.本发明涉及有机化学技术领域，具体而言，涉及一种基于连续流反应器的联芳基化合物的制备方法。


背景技术：

2.联芳基化合物是一类重要的化学结构单元，广泛应用于化工、医药以及功能材料等领域。传统的合成方法，如kumada偶联反应、ullmann偶联反应、stille偶联反应等，往往存在官能团兼容性差、原料对空气敏感、试剂毒性大等问题，导致经济与环保效益差，严重限制了其应用范围。而suzuki偶联反应因其原料廉价、低毒，官能团兼容性优异，反应体系活性可调控等多种优势，获得了人们的极大关注并被用于联芳基化合物的合成中，但依旧存在成本高、催化剂制备与回收过程复杂、活性降低、金属残留较高等诸多问题。


技术实现要素：

3.本发明解决的问题是现有技术中联芳基化合物的制备成本高、官能团兼容性差、难以连续生产且金属残留较高等问题中的至少一个方面。
4.为解决上述问题，本发明提供一种基于连续流反应器的联芳基化合物的制备方法，包括如下步骤：
5.步骤s1，将芳基硼试剂、芳基卤代烃以及反应碱溶解于溶剂中，形成反应溶液；
6.步骤s2，将所述反应溶液泵入连续流反应器中进行反应，且所述连续流反应器中填充有聚苯胺负载贵金属催化剂；
7.步骤s3，反应完成后经后处理得到联芳基化合物，
8.其中，所述聚苯胺负载贵金属催化剂通过将苯胺或苯胺衍生物和聚乙烯醇溶解在氢溴酸中，并加入贵金属盐的氢溴酸溶液和双氧水进行反应后制得。
9.较佳地，步骤s2中所述将所述反应溶液泵入连续流反应器中进行反应的条件包括：在温度40-160℃、压力0-10bar条件下进行反应，且停留时间范围为1-100min。
10.较佳地，所述芳基硼试剂包括含有如式一中任意一种官能团的化合物，所述式一为：
[0011][0012]
较佳地，所述反应碱包括氢氧化钠、氢氧化钾、碳酸钠、碳酸钾、三甲基硅醇钾、叔丁醇钾、碳酸氢钠、碳酸氢钾、氢氧化铯或醋酸钠中的一种。
[0013]
较佳地，所述溶剂包括水、乙酸乙酯、甲醇、乙醇、正丙醇、异丙醇、正丁醇、异丁醇、
叔丁醇、乙二醇或甲基乙二醇中的一种或几种。
[0014]
较佳地，所述溶剂包括水和乙醇，且所述水和乙醇的体积比为1：3。
[0015]
较佳地，所述贵金属催化剂与所述芳基硼试剂在单位时间内的摩尔比为1:10-1:100000。
[0016]
较佳地，步骤s2中，在将所述反应溶液泵入连续流反应器中进行反应之前，还包括：将所述聚苯胺负载贵金属催化剂活化。
[0017]
较佳地，步骤s3中所述联芳基化合物包括联芳香烃类化合物或联芳杂环化合物。
[0018]
较佳地，所述连续流反应器中还填充有铁助催化剂，所述贵金属催化剂与所述铁助催化剂的摩尔比为1:1-1:10。
[0019]
本发明所述的基于连续流反应器的联芳基化合物的制备方法相对于现有技术的优势在于：本发明中聚苯胺负载贵金属催化剂制备过程中使用氢溴酸和聚乙烯醇，由于溴离子半径远大于氯离子和氟离子，因此相比于盐酸和氢氟酸更易发生溶剂化作用，在催化剂转金属化过程中基元反应速率更快，因而总体反应速率更快，使得催化活性更高，而聚乙烯醇一方面可以充当催化剂制备过程中的“软模板”，加速聚苯胺载体的生长；另一方面，催化剂中残留的少量聚乙烯醇还可以对芳基硼酸产生活化作用，增加活性中间体含量，从而提高反应活性，使得反应时间短，同时，还可以制备含有羟基、氨基、羰基、硝基等敏感官能团的联芳基化合物。另外，本发明将聚苯胺负载贵金属催化剂填充至连续流反应器中，流体流过催化剂床层后即可得到产物，无需额外分离步骤、金属残留极低，且反应后物料立即脱离反应器，物料无返混，避免反应物和原料继续接触，有利于实现高选择性、高官能团兼容性。
附图说明
[0020]
图1为本发明实施例中基于连续流反应器的联芳基化合物的制备方法的流程图；
[0021]
图2本发明实施例中4-醛基联苯的核磁共振氢谱图；
[0022]
图3本发明实施例中4-醛基联苯的核磁共振碳谱图；
[0023]
图4本发明实施例中4-氯联苯的核磁共振氢谱图；
[0024]
图5本发明实施例中4-氯联苯的核磁共振碳谱图；
[0025]
图6本发明实施例中3-硝基联苯的核磁共振氢谱图；
[0026]
图7本发明实施例中3-硝基联苯的核磁共振碳谱图；
[0027]
图8本发明实施例中5-苯基-2-呋喃甲醛的核磁共振氢谱图；
[0028]
图9本发明实施例中5-苯基-2-呋喃甲醛的核磁共振碳谱图；
[0029]
图10本发明实施例中2-苯基噻吩的核磁共振氢谱图；
[0030]
图11本发明实施例中2-苯基噻吩的核磁共振碳谱图；
[0031]
图12本发明实施例中2-氯-3-苯基吡啶的核磁共振氢谱图；
[0032]
图13本发明实施例中2-氯-3-苯基吡啶的核磁共振碳谱图。
具体实施方式
[0033]
下面将结合附图对本技术实施例中的技术方案进行清楚、详尽地描述。
[0034]
在本技术实施例的描述中，术语“一些实施例”的描述意指结合该实施例或示例描
述的具体特征、结构、材料或特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施或实例。而且，描述的具体特征、结构、材料或特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
[0035]
如图1所示，本发明实施例提供一种基于连续流反应器的联芳基化合物的制备方法，包括如下步骤：
[0036]
步骤s1，将芳基硼试剂、芳基卤代烃以及反应碱溶解于溶剂中，形成反应溶液；
[0037]
步骤s2，将反应溶液泵入连续流反应器中进行反应，且连续流反应器中填充有聚苯胺负载贵金属催化剂；
[0038]
步骤s3，反应完成后经后处理得到联芳基化合物，
[0039]
其中，聚苯胺负载贵金属催化剂通过将苯胺或苯胺衍生物和聚乙烯醇溶解在氢溴酸中，并加入贵金属盐的氢溴酸溶液和双氧水进行反应后制得。
[0040]
需要说明的是，本实施例中苯胺衍生物包括邻苯二胺、间苯二胺、对苯二胺、对甲氧基苯胺、对三氟甲基苯胺、1-萘胺等芳香胺或其任意组合。
[0041]
在一些优选的实施例中，聚乙烯醇平均分子量的范围为1000～1000000，醇解度范围为40-98％，相对于苯胺的使用当量范围为2-2000ppm，由此，聚乙烯醇与苯胺配合，提高催化剂的活性。
[0042]
本实施例中，贵金属盐优选钯盐，在一些优选的实施例中，钯盐包括氯化钯、醋酸钯、双(乙酰丙酮)钯等商业化钯盐。在一些具体的实施例中，钯盐为氯化钯。价格低、毒性小且催化性能好。
[0043]
本实施例中，双氧水的浓度小于6％，在一些优选的实施例中选用3％的医用双氧水，与现有技术中采用30％双氧水(易爆剂)相比，材料更容易获得。
[0044]
在一些优选的实施例中，步骤s2中将反应溶液泵入连续流反应器中进行反应的条件包括：在温度40-160℃、压力0-10bar条件下进行反应，且停留时间范围为1-100min。
[0045]
由此，在该温度范围内副反应速率增加不显著，反应可在更短的时间内完成，即停留时间可缩短。若温度接近/超过溶剂沸点而不背压，溶剂会大量蒸发，溶质显著析出造成管道堵塞，制备过程无法继续进行。另外，在反应温度显著低于溶剂沸点的情况下，体系压力(压强)变化对反应收率无显著影响。
[0046]
而反应溶液的停留时间直接反映了催化剂的装填量，催化剂装填量不高，原料转化不完全，产率低；催化剂装填量过高，反应收率一定程度下降，且成本增加。因此，在一些优选的实施例中，停留时间为40min，在低成本的条件下，保证了产率。
[0047]
在一些实施例中，步骤s2中，在将反应溶液泵入连续流反应器中进行反应之前，还包括：将聚苯胺负载贵金属催化剂8活化。活化方式包括：将反应溶液以0.01-1ml/min的流量在活化温度为40-75℃下活化2-12小时。溶剂包括水、乙醇、正丙醇、异丙醇中和甲氧基乙醇中的一种或几种。
[0048]
在一些实施例中，反应溶剂的流量优选0.1ml/min，活化温度优选50℃，活化时间优选8小时。由此，使得活化效果越好，催化剂的反应活性越高。
[0049]
在一些实施例中，反应碱包括氢氧化钠、氢氧化钾、碳酸钠、碳酸钾、三甲基硅醇钾、叔丁醇钾、碳酸氢钠、碳酸氢钾、氢氧化铯或醋酸钠中的一种，材料易得。
[0050]
在一些实施例中，溶剂包括水、乙酸乙酯、甲醇、乙醇、正丙醇、异丙醇、正丁醇、异
丁醇、叔丁醇、乙二醇或甲基乙二醇中的一种或几种、材料易得，且溶解性好。
[0051]
在一些优选的实施例中，溶剂包括水和乙醇，且水和乙醇的体积比为1：3。溶剂绿色环保、廉价易得、可溶解碳酸钾，防止连续流体系堵塞，且能够适用于有一定极性的底物。
[0052]
在一些实施例中，贵金属催化剂与芳基硼试剂在单位时间内的摩尔比为1:10-1:100000。由此，能够严格控制停留时间，避免反应物和原料继续接触，有利于实现高选择性、高官能团兼容性。
[0053]
在一些实施例中，后处理包括萃取、常压蒸馏、减压蒸馏、重结晶、升华、柱层析或薄层层析中的一种或几种。由此，能够获得更纯的产物。
[0054]
在一些优选的实施例中，后处理选用柱层析或薄层层析，层析使用的展开剂为石油醚-乙酸乙酯体系或二氯甲烷-甲醇体系，优选石油醚-乙酸乙酯体系。根据底物性质可选乙酸或三乙胺作为添加剂，添加剂与展开剂比例在1：500-1:50，优选1:100。层析效果更好。
[0055]
本实施例中，步骤s3中联芳基化合物包括联芳香烃类化合物或联芳杂环化合物。
[0056]
在一些优选的实施例中，芳基硼试剂包括含有如式一中任意一种官能团的化合物，所述式一为：
[0057][0058]
在一些具体的实施例中，当联芳基化合物为联芳香烃类化合物时，联芳香烃类化合物的制备过程如式二，式二为：
[0059][0060]
其中，ar表代表芳香烃基，包括但不限于下述芳香烃基官能团：
[0061][0062]
其中，x代表氯、溴、碘等卤素，r1、r2选自下述官能团中任意一种或任意组合，且r1、r2可在芳环上除碳-硼键以外的任意位置，具体包括：
[0063][0064]
其中，芳基硼试剂为如式三中的任意一种，式三为：
[0065][0066]
在一些具体的实施例中，当联芳基化合物为联芳杂环化合物时，联芳杂环化合物的制备过程如式四-式七，
[0067]
式四为：
[0068][0069]
式五为：
[0070][0071]
式六为：
[0072][0073]
式七为：
[0074][0075]
其中，w和z所示官能团如下表：
[0076][0077]
其中，式四-式七中，w和z包括上述官能团在芳环上的任意组合，且式四中不存在w和z同为碳原子的情况。且本实施例中，w和z在芳环上可能不止一个，且可存在芳环上除反应位点外的任意位置。
[0078]
需要说明的是，本实施例中反应位点即芳杂环上碳-卤键中的碳原子和碳-硼键中的碳原子。芳环上除上述两种碳原子的位置即“反应位点外的任意位置”。
[0079]
其中，a表示氯、溴、碘、oso2cf3(三氟甲磺酸基)等离去基团；r3、r4选自下图所示官能团中任意一种或任意组合：
[0080][0081]
在一些优选的实施例中，连续流反应器中还填充有铁助催化剂，贵金属催化剂与铁助催化剂的摩尔比为1:1-1:10。由此，铁助催化剂能够和杂原子配位，有效降低芳环上杂原子对钯催化剂的配位(毒化)作用。
[0082]
因此，本发明实施例中基于连续流反应器的联芳基化合物的制备方法在聚苯胺负载贵金属催化剂制备过程中使用氢溴酸和聚乙烯醇，由于溴离子半径远大于氯离子和氟离子，因此相比于盐酸和氢氟酸更易发生溶剂化作用，在催化剂转金属化过程中基元反应速率更快，因而总体反应速率更快，使得催化活性更高，而聚乙烯醇一方面可以充当催化剂制备过程中的“软模板”，加速聚苯胺载体的生长；另一方面，催化剂中残留的少量聚乙烯醇还可以对芳基硼酸产生活化作用，增加活性中间体含量，从而提高反应活性，使得反应时间短，同时，还可以制备含有羟基、氨基、羰基、硝基等敏感官能团的联芳基化合物。另外，本发明将聚苯胺负载贵金属催化剂填充至连续流反应器中，流体流过催化剂床层后即可得到产物，无需额外分离步骤、金属残留极低，且反应后物料立即脱离反应器，物料无返混，避免反应物和原料继续接触，有利于实现高选择性、高官能团兼容性。
[0083]
实施例1
[0084]
本实施例提供了一种基于连续流反应器的4-醛基联苯的制备方法，包括：取10mmol 4-醛基碘苯、10mmol苯硼酸新戊烷乙二醇酯、10mmol碳酸钾溶解在80ml乙醇/水(3:1)中作为物料溶液。然后通过柱塞泵将物料注入填连续流反应器，控制反应器温度75℃，压力控制在2bar，停留时间为20min。产物收集后，旋转蒸发浓缩反应液，用饱和食盐水40ml和乙酸乙酯40ml稀释，分离有机相，水相用乙酸乙酯萃取(40ml*3)，合并有机相。将有机相用饱和食盐水洗涤(40ml*3)，无水硫酸钠干燥，旋蒸去除溶剂后，柱层析分离得到4-醛基联苯1.6946g，产率93％。表征数据如下，原始谱图如图2和图3所示。
[0085]1h nmr(400mhz,cdcl3)δ:10.054(s,1h),7.948(d,j＝8.4hz,2h),7.746(d,j＝8.4hz,2h),7.637(d,j＝6.8hz,2h),7.528-7.387(m,3h)ppm。
[0086]
13
c nmr(101mhz,cdcl3)δ:191.75,147.05,139.60,135.13,130.15,128.92,128.38,127.56,127.26ppm。
[0087]
实施例2
[0088]
本实施例提供了一种基于连续流反应器的4-氯联苯的制备方法，包括：取10mmol 4-氯碘苯、10mmol苯硼酸频那醇酯、10mmol碳酸钾溶解在80ml80ml乙醇/水(3:1)中作为物料溶液。然后通过柱塞泵将物料注入连续流反应器，控制反应器温度70℃，无需背压，停留时间为25min。产物收集后，旋转蒸发去除溶剂，用饱和食盐水40ml和乙酸乙酯40ml溶解后，分离有机相，水相用乙酸乙酯萃取(40ml*3)，合并有机相。将有机相用饱和食盐水洗涤(40ml*3)，无水硫酸钠干燥，旋蒸去除溶剂后，柱层析分离得到4-氯联苯1.7922g,产率95％。表征数据如下，原始谱图如图4和图5所示。
[0089]1h nmr(400mhz,cdcl3)δ:7.601-7.509(m,4h),7.499-7.348(m,5h)ppm。
[0090]
13
c nmr(101mhz,cdcl3)δ:139.95,139.63,133.35,128.88,128.85,128.36,127.56,126.95ppm。
[0091]
实施例3
[0092]
本实施例提供了一种基于连续流反应器的3-硝基联苯的制备方法，包括：取10mmol 3-硝基碘苯、10mmol苯硼酸、10mmol碳酸钾溶解在80ml80 ml乙醇/水(3:1)中作为物料溶液。然后通过柱塞泵将物料注入连续流反应器，控制反应器温度70℃，无需背压，停留时间数据为25min。产物收集后，旋转蒸发去除溶剂，用饱和食盐水40ml和乙酸乙酯40ml溶解后，分离有机相，水相用乙酸乙酯萃取(40ml*3)，合并有机相。将有机相用饱和食盐水
洗涤(40ml*3)，无水硫酸钠干燥，旋蒸去除溶剂后，柱层析分离得到3-硝基联苯1.7922g,产率87％。表征数据如下，原始谱图如图6和图7所示。
[0093]1h nmr(400mhz,cdcl3)δ:8.453(s,1h),8.202(d,j＝8.4hz,1h),7.918(d,j＝8.0hz,1h),7.650-7.587(m,3h),7.526-7.414(m,3h)ppm。
[0094]
13
c nmr(101mhz,cdcl3)δ:148.68,142.82,138.61,132.99,129.66,129.12,128.50,127.11,121.98,121.89ppm。
[0095]
实施例4
[0096]
本实施例提供了一种基于连续流反应器的5-苯基-2-呋喃甲醛的制备方法，包括：取10mmol 5-碘-2-呋喃甲醛、10mmol苯硼酸、10mmol碳酸钾溶解在80ml乙醇/水(3:1v/v)中作为物料溶液。然后通过柱塞泵将物料注入连续流反应器，控制反应器温度70℃，不背压，停留时间数据为40min。产物收集后通过柱层析分离得到5-苯基-2-呋喃甲醛1.62g,产率94％，原子吸收光谱仪检测产物中钯含量低于1ppm。表征数据如下，原始谱图如图8和图9所示。
[0097]1h nmr(400mhz,cdcl3)δ:9.633(s,1h),7.850-7.770(m,2h),7.470-7.350(m,3h),7.309(d,j＝3.6hz,1h),6.831(d,j＝3.6hz,1h)ppm。
[0098]
13
c nmr(101mhz,cdcl3)δ:177.16,159.35,151.96,129.61,128.88,125.22,123.48,107.62ppm。
[0099]
实施例5
[0100]
本实施例提供了一种基于连续流反应器的2-苯基噻吩的制备方法，包括：取10mmol 2-碘噻吩、10mmol苯硼酸、10mmol碳酸钾溶解在80ml乙醇/水(3:1)混合溶液中作为物料溶液。然后通过柱塞泵将物料注入连续流反应器，控制反应器温度75℃，不背压，停留时间数据为50min。产物收集后通过柱层析分离得到2-苯基噻吩1.31g,产率82％，原子吸收光谱仪检测产物中钯含量低于1ppm。表征数据如下，原始谱图如图10和图11所示。
[0101]1h nmr(400mhz,cdcl3)δ:7.652(d,j＝7.6hz,2h),7.454-7.276(m,5h),7.140-7.071(m,1h)ppm。
[0102]
13
c nmr(101mhz,cdcl3)δ:144.40,134.37,128.85,127.96,127.42,125.92,124.77,123.04ppm。
[0103]
实施例6
[0104]
本实施例提供了一种基于连续流反应器的2-氯-3-苯基吡啶的制备方法，包括：取10mmol 2-氯-3-碘吡啶、10mmol苯硼酸、10mmol碳酸钾溶解在80ml乙醇/水(3:1)混合溶液中作为物料溶液。然后通过柱塞泵将物料注入连续流反应器，控制反应器温度80℃，体系压力控制在2bar，停留时间数据为40min。产物收集后通过柱层析分离得到2-氯-3-苯基吡啶1.88g,产率99％，原子吸收光谱仪检测产物中钯含量低于1ppm。表征数据如下，原始谱图如图12和图13所示。
[0105]1h nmr(400mhz,cdcl3)δ:8.390(dd,j＝4.8,2.0hz,1h),7.667(dd,j＝7.6,2.0hz,1h),7.485-7.395(m,5h),7.305(dd,j＝7.6,4.8hz,1h)ppm。
[0106]
13
c nmr(101mhz,cdcl3)δ:149.60,148.28,139.58,137.36,136.89,129.18,128.25,122.46ppm。
[0107]
实施例7
[0108]
本实施例提供了一种聚苯胺负载钯催化剂的制备方法：将10mmol苯胺和0.0023mmol聚乙烯醇溶解在100ml氢溴酸(1mol/l)中，加入160μl氯化钯溶液(0.1mol/l，溶解于1mol/l氢溴酸中)，在1小时内加入20.8ml双氧水。室温搅拌24小时后，使用浓度为1mol/l的氢氧化钠溶液中和至ph＝7。离心分离后，使用真空干燥箱在60℃干燥12小时，得到聚苯胺负载钯催化剂。
[0109]
本实施例中通过下述方法检验聚苯胺负载钯催化剂的活性，具体包括：
[0110]
称取对甲基苯硼酸(67.98mg，0.5mmol)、碳酸钾(69.11mg，0.5mmol)、聚苯胺负载钯催化剂(1.5mg)，转移至15ml干净、干燥的耐压封管中，抽真空、换氮气三次。量取碘苯(102mg，56μl)，溶剂(etoh/h2o＝1:1，2.0ml)打入耐压封管中，常温搅拌10min后，加热至100℃。12h后，停止反应并冷却至室温，加入正十二烷60μl，使用mtbe(3ml)-柠檬酸(0.5m,3ml)体系进行淬灭，得到气相产率达99％。
[0111]
虽然本公开披露如上，但本公开的保护范围并非仅限于此。本领域技术人员在不脱离本公开的精神和范围的前提下，可进行各种变更与修改，这些变更与修改均将落入本发明的保护范围。