基于紫外光譜的甲基菲羅啉NBS溴代反應研究*

李　森， 李　朋， 韓國志

(南京工業大學化學與分子工程學院，江蘇　南京　210009)

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科學實驗

基于紫外光譜的甲基菲羅啉NBS溴代反應研究*

李森， 李朋， 韓國志

(南京工業大學化學與分子工程學院，江蘇南京210009)

自由基鹵代是有機合成中一類重要的反應。其中，溴代反應由于條件溫和以及實現途徑的多樣化，研究最為深入。在目前的溴代試劑中，N-溴代丁二酰亞胺(NBS)具有成本低、操作性強等優點，廣泛應用于a-氫的取代。但對于具有活潑氫的芳雜環而言，基于NBS的溴代容易受到雜原子的干擾，受反應條件的影響較大。該文以2,9-二甲基鄰菲羅啉為原料，NBS為溴代試劑，合成了溴甲基鄰菲羅啉。并創新性地采用紫外光譜研究了其溴代歷程，對反應進行了優化，具有較高的學術與應用價值。

溴代；鄰菲羅啉；NBS；紫外

鹵代反應是有機合成中的一類重要的取代反應[1]。在構建新型化合物中，往往作為一個橋梁引入新的基團。每種鹵代反應都有對應的不同實現方法[2-3]。其中，溴代反應由于條件溫和及實現途徑的多樣化，應用最為廣泛。 傳統的溴代試劑主要有單質溴，溴化物以及N-溴代丁二酰亞胺[4-6]。單質液溴具有較強的腐蝕性[7]、成本也較高,同時也會造成較大污染。溴化物與氧化劑的間接溴代在一定程度上彌補了液溴的缺點,但是有些氧化劑價格昂貴且安全性、穩定性較低，同時增加了后處理的難度。在目前的溴代試劑中，N-溴代丁二酰亞胺(NBS)具有成本低、操作性強等優點，廣泛應用于a-活潑氫的取代[8-11]。其溴代機理研究也最為成熟。其被廣泛認可的溴代機理如圖1所示[12]。

但本課題組研究發現，對于芳雜環，尤其氮雜環而言，基于NBS的a-活潑氫的溴代反應表現出一些異于常規的特征，芳環中的雜原子對溴代反應具有很大的影響。

圖1　NBS溴代機理

目前，關于芳雜環a-氫的NBS溴代反應及相關研究鮮有報道，而芳雜環活潑氫的鹵代對于很多有機中間體而言，是非常重要的一步反應，能極大地減少反應步驟，提高收率，降低成本。本文以2,9-二甲基鄰菲羅啉為原料，NBS為溴代試劑，合成了高效新型熒光分子2,9-雙[N,N-二(羧甲基)-氨甲基]-1,10-鄰菲羅啉(BBCAP)的中間體二溴甲基鄰菲羅啉，極大的簡化了BBCAP的合成步驟。并創新性地采用紫外光譜研究了其溴代歷程，合成路線如圖2所示。

圖2　二溴甲基鄰菲羅啉合成路線

1　實驗部分

1.1實驗試劑與儀器

Bruker Avance 300型核磁共振儀,德國Bruker公司(以四甲基硅為內標)；Shimadzu 3150-PC型紫外分光光度計,日本島津公司；HH-2型恒溫水浴鍋,國華電器有限公司。2,9-二甲基-1,10-鄰菲羅啉、N-溴代丁二酰亞胺(NBS)、過氧化苯甲酰(BPO),購自阿拉丁試劑公司，所有試劑均為分析純。

1.2實驗方法

1.2.12,9-二溴甲基-1,10-鄰菲羅啉的合成

在150 mL的三口燒瓶中，加入2,9-二甲基-1,10-鄰菲羅啉1 g(4.8mmol)、NBS 1.8 g(10.08 mmol)、以及適量溶劑，光照引發，在氮氣保護下快速攪拌。體系顏色逐漸變黃，TLC監控反應終點。旋蒸除去溶劑，粗產物水洗，得橙黃色固體1.68 g。硅膠過柱純化 (梯度洗脫，石油醚:乙酸乙酯=15:1，8:1， 3:1)得淡黃色固體0.33 g，收率19%。1HNMR(400 MHz，CDCl3)δ：4.74(s,4H)，7.95(m,2H)，8.13(d,J=8.0,2H)，8.57(d,J=7.5,2H)。

1.2.2基于紫外光譜的二甲基鄰菲羅啉溴代反應的優化

在上述合成基礎上，本文通過紫外光譜對反應溫度以及溶劑極性進行了優化。即在反應的不同條件下取樣，測量其紫外光譜，分析體系組成的特征與變化。

2　結果與討論

2.1紫外監控原理

實驗測得原料2,9-二甲基-1,10-鄰菲羅啉的紫外最大特征峰在270 nm左右。當其a-氫被溴取代之后，通過理論分析計算，二溴甲基鄰菲羅啉的最大吸收峰應該在279 nm左右。一溴代在274 nm左右。與實際實驗檢測相一致。因此，我們可以通過體系紫外光譜的變化，分析反應體系組成的變化。

2.2溫度的影響

本文首先研究了溫度對鄰菲羅啉溴代反應的影響，圖3是在相同時間節點，不同溫度下，反應體系的紫外光譜。

由圖3可以看出，溫度對反應有較大的影響。反應溫度為25 ℃，反應終點時，紫外最大吸收峰發生較大紅移，從 270 nm 移動到301 nm左右，與理論值相差太大，根據實驗現象，本文推測是雜環中氮質子化成鹽。通過核磁確證了結果。1HNMR(400 MHz，CDCl3)δ：3.54(s,6H)，8.05(m,2H)，8.23(d,J=8.0,2H)，8.87(d,J=7.5,2H)。當體系溫度為80 ℃時，紫外最大吸收峰發生微弱的紅移，從270 nm 移動到279 nm，與溴代產物相符。根據以上結果，本文研究分析認為，低溫條件下，芳雜環中的氮原子對溴代歷程產生了淬滅作用，推測的機理如圖4所示。

圖3　溫度對反應體系紫外光譜的影響

圖4　溫度對2,9-二甲基鄰菲羅啉溴代的影響機理

2.3溶劑的影響

本文還研究了溶劑對鄰菲羅啉溴代反應的影響。圖5是分別用四氫呋喃、四氯化碳、乙腈作溶劑,在相同的時間節點(4 h)、相同的溫度(80 ℃)下反應體系的紫外光譜。

圖5　溶劑對反應體系紫外光譜的影響

由圖5可以看出，在相同的溫度下，溶劑的極性對反應也有著重要的影響。用四氫呋喃(THF)作溶劑，4 h之后，體系紫外光譜的最大吸收峰幾乎沒有變化，用四氯化碳(CCl4)作溶劑，紫外光譜最大吸收峰紅移到274 nm，主要產物可能是一溴代產物。而以乙腈作溶劑，4 h之后，紫外光譜最大吸收峰紅移到280 nm。本文分析認為，溶劑的性質對于溴代過程中，自由基轉移的第二步有著重要的影響。對于THF而言，在第二步自由基轉移的過程中，會與溴化氫發生質子化的過程，影響溴分子的產生速率。而對于四氯化碳與乙腈而言，極性較大的乙腈更有利于NBS中的N-Br鍵發生異裂，促進溴分子的生成，從而加速溴代反應的速率。

3　結　論

通過紫外光譜研究了2,9-二甲基鄰菲羅啉的NBS溴代反應。研究結果表明，芳雜環中雜原子對芳環a-氫的溴代具有重要的影響。當體系處于低溫條件下，芳雜環中的氮原子對溴代反應產生了淬滅作用，不利于溴代產物的生成。此外，溶劑極性的增加有利于溴代產物的轉化。

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Research of NBS Bromination Reaction of Methyl Phenanthroline Based on UV Spectra*

LISen,LIPeng,HANGuo-zhi

(College of Chemistry and Molecular Engineering, Nanjing Tech University, Jiangsu Nanjing 210009, China)

Halogen free radical substitution is a kind of important reactions in organic synthesis. Among them, due to the mild conditions and diversification of realization ways, bromination reaction has been studied mostly in-depth.. In the present bromination reagent, N-Bromosuccinimide (NBS) is widely used in replacing of α-H because of the advantages of low cost and convenient operability. But for active hydrogen in aromatic heterocyclic, bromination reaction by NBS was easily disturbed by heteroatom, and largely influenced by reaction conditions. Using 2,9-dimethyl-1,10-phenanthroline as raw material and NBS as bromination reagent, dibromomethyl phenanthroline was synthesized. On the basis, the bromination mechanism was innovatively studied by UV spectra and the reaction was optimized. The research will have high academic and application value.

bromine generation; phenanthroline; N-bromosuccinimide; UV

中國博士后基金(No.20100481084)資助。

李森，碩士研究生，研究方向：芳香雜環化合物的合成。

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1001-9677(2016)02-0036-03