新型對二苯醌衍生物的合成與晶體結構

韓笑梅， 王建輝

(天津大學 理學院 化學系，天津 300072)

新型對二苯醌衍生物的合成與晶體結構

韓笑梅， 王建輝

(天津大學 理學院 化學系，天津 300072)

主要報道了三苯基硼引發的2-烷基取代苯酚雙鋰鹽的自由基偶聯反應，生成了硼取代的對二苯醌化合物。有機硼化合物被認為參加自由基反應，以有機硼化合物作為自由基引發劑，并應用于芳烴化合物。我們發現當三苯基硼與2-烷基取代苯酚的雙鋰鹽反應時，促進2-烷基取代苯酚的自由基偶聯，生成了一種新型的對二苯醌衍生物，是一種收率較高的對二苯醌衍生物新型制備方法。產物的結構經元素分析、紅外光譜和X-射線單晶衍射確定。

自由基歷程；對二苯醌衍生物；自由基偶聯；晶體結構

前 言

對有機硼烷參與自由基反應的研究始于1967年，硼烷的這一反應特點是由Davies和Roberts發現的，隨后又被Brown和Suzuki應用于合成[1]。隨著自由基反應在有機合成應用中的飛速發展[2～5]，有機硼化合物被廣泛用于各種新穎有應用價值的反應中[6～7]。有機硼化合物可以參與很多的自由基反應，比如自動氧化生成烷基硼酸酯[8]，對α,β-不飽和羰基化合物的1，4加成反應[9]，硫基化合物自由基反應[10]，以及烯丙基碘或芳基碘在過量有機硼化合物作用下的偶聯反應等[11]。

對二苯醌化合物通常是由2,6-二取代的苯酚經活化的MnO2,CrO3或者其它過渡金屬氧化劑氧化制備[12～14]。苯醌衍生物具有廣泛的用途，艾地苯醌是新型抗老年性癡呆特效藥和腦功能代謝及精神癥狀改善劑，具有多重藥理作用[15]。苯醌化合物在醫學研究中也有重要意義，例如應用苯醌處理白血病細胞，探索苯誘導的細胞病變機制。此外，萘醌等同體或衍生物通過結構修飾,賦予合成色素(染料)更優異的染色性能和防紫外性能[16]。

本文以有機硼烷作為自由基引發劑，并將其應用于芳基化合物，發現三苯基硼在與2-溴-6-烷基苯酚的雙鋰鹽反應時，可作為芳烴化合物的自由基引發劑，使2-溴-6-烷基苯酚雙鋰鹽發生原位偶聯反應，生成了一種新型的對二苯醌化合物(見下面3a,3b)。本文為硼取代的對二苯醌化合物提供了一種新型的合成方法[17]，對產物進行了元素分析，紅外光譜表征，X-射線單晶衍射測定。實驗所需的2-溴-6-烷基苯酚1由溴代二甲胺與2-烴基苯酚制得。溴代二甲胺可由二甲胺和溴反應生成。1在正丁基鋰作用下生成苯酚的雙鋰鹽2，然后將三苯基硼的乙醚溶液加入到2中，生成最終的對二苯醌化合物3，a代表叔丁基，b代表甲基。

合成路線如下：

1 實驗部分

1.1 實驗原料及儀器

無水乙醚預處理：在氮氣保護下加入金屬鈉，二苯甲酮加熱回流至溶液變成深藍色，然后蒸餾而得；鄰叔丁基苯酚，鄰甲基苯酚，甲苯，溴素，33%二甲胺水溶液，氫氧化鈉，石油醚，無水硫酸鎂，均為分析純試劑，天津江天化工有限公司。

采用Perkin-Elemer 240元素分析儀進行元素分析;Nicolet-170 SXFT-IR型紅外光譜儀進行紅外光譜表征,掃描范圍400～4000 cm-1,KBr壓片;采用BRUKER SMART 1000 CCD X射線衍射儀對晶體結構進行測定。

1.2 對二苯醌化合物的合成

1.2.1 2-溴-6-烷基苯酚（1a）的合成[18]

向裝有恒壓滴液漏斗，磁力攪拌子的500 mL單口反應瓶中加入13 mL二甲胺33%水溶液和NaOH水溶液(17mL，10 mol/L)。在攪拌條件下，通過冰鹽浴將反應液冷卻至-15℃。將溴素慢慢滴加到混合液中，滴加完畢后，再反應1 h后用甲苯萃取，分離有機層并用無水硫酸鎂干燥得到溴代二甲胺的甲苯溶液。將此甲苯溶液滴加到含有4.02 g鄰叔丁基苯酚的40 mL甲苯溶液中，控制溫度在-15℃，反應8 h后，緩慢升至室溫再反應2 h，濃縮除去溶劑甲苯，過柱提純，展開劑為石油醚，最后得產品4.41 g2-溴-6-叔丁基苯酚(1a)，收率72%。

1.2.2 2-溴-6-烷基苯酚（1b）的合成

合成方法同上，最后得產品4.33 g2-溴-6-甲基苯酚(1b)，收率67%。

1.2.3 對二苯醌化合物(3a)的合成

將50 mL的Schlenk瓶連接在真空線上，抽空，用酒精燈加熱除去水蒸氣，冷卻后充入N2氣，并在N2保護下，用注射器加入溶于3 mL絕對乙醚的0.58 g2-溴-6-叔丁基苯酚，攪拌，用冰鹽浴將反應液冷卻至-15℃，用注射器緩慢滴加n-BuLi的己烷溶液（N＝1.85，2.7 mL），在 -15℃攪拌 2 h后，緩慢升至室溫，并在室溫下攪拌3 h，得到黃色溶液(2a)。

在N2氣保護下稱取0.61 g三苯基硼，加入20 mL絕對乙醚使三苯基硼完全溶解。在室溫下，用注射器將此三苯基硼的乙醚溶液緩慢滴加到上述黃色的雙鋰鹽溶液中，并在室溫下攪拌過夜。開始時是黃色溶液，最后變成紅色的溶液，減壓濃縮，放置一個星期，有紅色晶體3a析出，稱重，1.67 g,收率70%。測其晶體結構。IR(KBr)(ν/cm-1)：3060,2971,2885,1611,1555(-C=O),1483,1455,1427,1361,1262,1185,1092,1066,1032,916,888,848,737,708。元素分析：化學式C64H72B2Li2O4，相對分子質量：940.72，計算值(質量分數%，下同)C 81.71，H 7.71；其試驗測定值：C81.87，H 7.56。

1.2.4 對二苯醌化合物(3b)的合成

將50 mL的Schlenk瓶連接在真空線上，抽空，用酒精燈加熱除去水蒸氣，冷卻后充入N2氣，并在N2保護下，用注射器加入溶于3 mL絕對乙醚的0.42 g2-溴-6-甲基苯酚，攪拌，通過冰鹽浴將反應液冷卻至-15℃，用注射器緩慢滴加n-BuLi的己烷溶液(N＝2.2475，2.0 mL)，在 -15℃攪拌 2 h 后，緩慢升至室溫，并在室溫下攪拌3 h，得到黃色溶液(2b)。

在N2氣保護下稱取0.54 g三苯基硼，加入20 mL絕對乙醚使三苯基硼完全溶解。在室溫下，用注射器將此三苯基硼的乙醚溶液緩慢滴加到上述黃色的雙鋰鹽溶液中，在室溫下攪拌過夜。開始時是黃色溶液，最后變成紅色的溶液，減壓濃縮，放置一個星期，有紅色晶體3b析出，稱重，1.22 g,收率64%。測其晶體結構。(KBr)(ν/cm-1)：3058,2975,2887,1712,1602,1551(-C=O),1480,1427,1340,1245,1160,1102,1065,1036,919,840,706,587,521,490.元素分析：化學式C58H60B2Li2O4，相對分子質量：856.58。計算值(質量分數%，下同)C 81.32，H 7.06；其試驗測定值：C81.27，H 6.95。

1.3 對二苯醌化合物3a與3b晶體結構的測定

在顯微鏡下選取0.16 mm×0.14 mm×0.12mm大小的單晶在低溫下進行X-射線衍射試驗。在Bruker Smart 1000 CCD面探衍射儀上,用經石墨單色器單色化的Mo-Kα射線 (λ=01071073 nm)收集衍射點,結構的衍射數據使用SADABS程序進行吸收校正。晶體結構由TREF法結合差值Fourier合成解出。全部計算用SHELXL-97程序完成。其晶體學參數見表1，表2。

θ角范圍/°限制指數衍射點獨立衍射點最適性系數殘差因子權重殘差因子2.20≤θ≤27.84-12≤h≤12,-34≤k≤26,-14≤l≤14107665985[R(int)=0.0430]1.0110.06450.1693

表1 對二苯醌化合物3a的晶體學數據參數Table1 Crystal data and structure refinement of diphenoquinone 3a

表2 對二苯醌化合物2的晶體學數據參數Table2 Crystal data and structure refinement for diphenoquinone 3b

2 結果與討論

2.1 晶體結構探討

對二苯醌化合物3a(C64H72B2Li2O4)及對二苯醌化合物3b(C58H60B2Li2O4)的晶體結構見下圖1。

圖1 對二苯醌化合物3a和3b的晶體結構Fig.1 Molecular structure of 3 a and 3b(For clarity,the atoms on the other half of the molecular 3b was not labeled).

從圖1中可以清楚地看到對二苯醌化合物3a和3b是具有完全對稱結構的化合物單晶，圖1清楚地表示出了苯酚對位兩個碳原子的偶聯。3a和3b晶體結構十分相似，它們都是以C4-C4A鍵中心點作為對稱中心，另一半結構可由該中心對稱轉化得到。B與四個苯環相連，單晶分子結構中存在兩分子的乙醚溶劑分別與單晶結構中的兩個Li絡合，Li原子周圍有四個配位基團，Li原子分別和對二苯醌羰基的氧原子，乙醚分子中的氧原子絡合，還與兩個鄰近的苯環的π鍵配位形成兩個金屬π鍵，共四個配位鍵。

表3 對二苯醌化合物3a和3b部分鍵長(nm)Table 3 Selected bond lengths（nm）of diphenoquinone 3a and 3b

從表3中鍵長數據可以看出，C(4)-C(4A)在3a中鍵長為0.1396(3)nm與3b中0.1396(4)nm相同，鍵長表明了兩個碳原子形成的是雙鍵。在3a和3b中，C(1)-C(2),C(3)-C(4),C(4)-C(5),和 C(1)-C(6)的鍵長近乎單鍵鍵長；C(2)-C(3),和C(5)-C(6)為雙鍵。在3a和3b中，C(1)-O(1)鍵長近乎相等，鍵長數據表明了羰基的存在。在3a中C(1)-C(6)-C(5)-C(4)扭轉角是3.7(2)o，在3b中 C(1)-C(6)-C(5)-C(4)扭轉角是-172.73(19)o,說明在化合物3a和3b中，兩個醌環幾乎是共平面的。通過對晶體結構分析可知，對二苯醌化合物3a和3b是具有高度對稱結構的化合物。

2.2 反應機理

我們探索了反應的機理。向苯酚雙鋰鹽2中加入一化學當量的4-甲氧基-2,2,6,6-四甲基哌啶氧自由基（TEMPO），一種很好的自由基抑制劑，我們發現雙鋰鹽黃色溶液逐漸變黑，沒有偶聯產物3生成。

該反應與所選取的溶劑密切相關，當使用THF作為反應溶劑時，沒有偶聯產物生成，這是因為在四氫呋喃溶液中，Li原子與THF中氧原子的絡合能力大于與乙醚中氧原子的絡合能力，在四氫呋喃中，Li以游離態形式存在，從而使苯環上電子云密度增加，不利于自由基4的生成，也就不能發生偶聯反應。

由上述實驗可知這個反應是三苯基硼促進的芳烴的自由基的偶聯反應。當三苯基硼滴加到2-取代苯酚的雙鋰鹽的黃色溶液時，生成了一個苯酚二鋰鹽的自由基4，在這個自由基中B與氧原子絡合，這個苯酚雙鋰鹽的自由基很不穩定，很快二聚成5，然后5通過1，3-σ氫遷移形成更穩定的結構式6，LiH分子從6中脫掉生成雙自由基中間體7，7的共振體8是對二苯醌結構，然后在8中由于B是缺電子的，B與富電子的苯環作用，生成最后的對二苯醌化合物3。

3 結論

合成了硼取代的對二苯醌化合物，該化合物在空氣中十分穩定。在該化合物中，B的周圍有四個苯環，由于四配位的硼化合物可作為優質的電子傳導和接受體，該化合物具有一定的工業生產應用價值。此外，該合成方法可用于硼取代的對二苯醌化合物的設計合成及相關研究領域。

［1］BROWN H C,MIDLAND M M.Organic syntheses via free-radical displacement reactions of organoboranes［J］.Angew Chem Int Ed Engl,1972,11：692～700.

［2］GIESE B.Radicals in Organic Synthesis：Formation of Carbon-Carbon Bonds［M］.Pergamon：Oxford,1986.

［3］MOTHERWELL W B,CRICH D.Free Radical Chain Reactions in Organic Synthesis［M］.London ：Academic Press,1992.

［4］FOSSEY J,LEFORT D,SORBA J.Free Radicals in Organic Synthesis［M］.Wiley：Chichester，1995.

［5］RENAUD P,SIBI M P.Radicals in Organic Synthesis［M］.Weinheim,Germany：Wiley-VCH,2001.

［6］YORIMITSU H,OSHIMA K.In Radicals in Organic Synthesis［M］.Weinheim,Germany ：Wiley-VCH,2001.

［7］OLLIVIER C,RENAUD P.Organoboranes as a Source of Radicals［J］.Chem Rev,2001,101：3415～3434.

［8］BROWN H C,MIDLAND M M.Organoboranes for synthesis.A convenient,general synthesis of alkylhydroperoxides via autoxidation of organoboranes［J］.Tetrahedron,1987,43：4059～4070.

［9］BROWN H C,KABALKA G W.Oxygen-induced reactions of organoboranes with the inert .alpha.,.beta.-unsaturated carbonyl derivatives.convenient new aldehyde and ketone synthesis via hydroboration［J］.J Am Chem Soc,1970,92(3)：714～716.

［10］MCPHEE D J,CAMPERDON M,LESAGE M,et al.Reactions of the tert-butylthiyl radical with organometallic compounds and alkenes［J］.J Am Chem Soc,1989,111：7563～7567.

［11］SUZUKI A,NOZAWA S,HARADA M,et al.Oxygen-induced reaction of trialkylboranes with alkyl iodides.Facile coupling of benzylic and allylic iodides via triethyl borane［J］.J Am Chem Soc,1971,93：1508～1509.

［12］TAKAAKI S,HISATOMO Y,CHYONGJIN P.Catalytic activities of CuSO4/Al2O3in dehydrogenation of arenes by dioxygen［J］.J Org Chem,1997,62：3194～3199.

［13］OMURA K.Electron transfer between protonated and unprotonated phenoxyl radicals［J］.J Org Chem,2008,73 (3)：858～867.

［14］MUSIE G T,WEI M,SUBRAMANIAM B,et al.autoxidation of substituted phenols catalyzed by cobalt schiff base complexes in supercritical carbon dioxide［J］.Inorg Chem,2001,40：3336～3341.

［15］南開大學.艾地苯醌琥珀酸單酯及其制備方法：CN,102153471A［P］.2011-08-17.

［16］賈麗霞.萘醌類天然色素等同體的合成、修飾與應用性能研究［D］.上海：東華大學，2011.

［17］OMURA K.Mechanistic approach to the reaction of 2,6-di-tertbutylphenol with an iodinating agent in methanol：electrophilically assisted solvolysis of intermediary 4-iodocyclohexa-2,5-dienones［J］.J Org Chem,1996,61：2006～2012.

［18］GRUZA M M,CHAMBRON J C,ESPINOSA E,et al.Synthesis and stereochemical properties of“extended”biphenols bridged by ortho-,meta-,and para-phenylene spacers［J］.Eur J Org Chem,2009：6318～6327.

Synthesis and Crystal Structure of Novel Diphenoquinones

HAN Xiao-mei,WANG Jian-hui*
（Department of Chemistry,College of Science,Tianjin University,Tianjin 300072,China）

This paper mainly reported the radical coupling reaction of 2-alkyl-phenolate initiated by triphenylborane to form boron substituted diphenoquinones crystals.Organoboranes were recognized to participate in free-radical processes.Herein,the concept of using organoboranes as a radical initiator has been extended to aromatic compounds.Organoboranes promoted radical coupling reaction of 2-alkyl-phenolate was observed during its reaction with dilithium phenolate,generating novel diphenoquinones,and leading to a new syntheticmethod for the preparation of diphenoquinone derivatives with good yields.The products were characterized by IR,elemental analysis and X-ray diffraction.

Free-radical processes；diphenoquinone derivatives；radical coupling reaction；crystal structure

TQ244.6

A

1001-0017（2012）04-0031-05

2012-03-04

韓笑梅（1986-），女，河北邢臺人，碩士研究生，研究方向：有機合成及過渡金屬催化的碳氫活化。Email：hanxiaomei12@126.com