B-[9,9-雙(4-甲基苯基)-9H-芴-2-基]硼酸的合成工藝優化

鄧 浩, 劉 彤 , 廖萬鵬, 吳 鳳

(貴州大學 化學與化工學院，貴州 貴陽 550025)

硼酸類化合物是一類重要的有機合成中間體，具有穩定性高、無毒無害、活性較好等特點，在生物學，藥物以及活性天然產物中應用廣泛[1-4]。隨著有機電致發光(OLED)材料的興起，芴類硼酸因其獨特的電學和光學性質，逐漸成為重要的OLED材料中間體[5-9]。目前，硼酸的經典合成方法主要涉及格式試劑、鋰試劑與硼酸酯反應。黃賀隆等[10]通過正丁基鋰和異丙醇頻哪醇硼酸酯反應，得到了相應硼酸酯，收率達75%。但此反應的條件較苛刻，操作繁瑣，不利于工業化。因此，化學工作者更傾向于采用過渡金屬催化硼基化反應生成硼酸酯，此方法具有反應溫和，選擇性單一，良好的官能團耐受性等優點[11-13]。但過渡金屬催化劑價格比較昂貴。

Scheme 1

為降低成本，提高收率。本文以2-溴-9-芴酮為原料，經4步反應得到B-[9,9-雙(4-甲基苯基)-9H-芴-2-基]硼酸(Scheme 1)。其中反應步驟3～4為關鍵步驟，采用響應面分析法[14-17]對這兩步反應的條件進行了優化，確定最佳的工藝條件。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

AV-400 MHz型核磁共振儀(DMSO-d6為溶劑，TMS為內標)。

乙酸鉀，天津市光復精細化工研究所；1，4-二氧六環，嘉興市艾森化工有限公司；聯硼酸頻哪醇酯，蘇州沃爾森生物科技有限公司；[1,1′-雙(二苯基膦基)二茂鐵]二氯化鈀[PdCl2(dppf)]，北京格林凱默科技有限公司;其余所用試劑均為分析純。

1.2 合成

將化合物35 g(11.7 mmol)、聯硼酸頻那醇酯3.3 g(12.9 mmol)溶于1.4-二氧六環中，攪拌下加入乙酸鉀3.46 g(35.3 mmol)，氮氣保護，加入PdCl2(dppf)0.26 g(0.35 mmol)，回流反應至終點。冷卻至室溫，抽濾，濾餅用石油醚(3×50 mL)洗滌，濾液用石油醚萃取，合并濾液與洗液，蒸發溶劑得白色固體4;1H NMR(400 MHz, DMSO-d6)δ: 7.97(d,J=7.4 Hz，2H), 7.74(d,J=7.4 Hz，1H), 7.59(s，1H), 7.42(d,J=4.0 Hz， 2H), 7.36(d,J=7.2 Hz， 1H), 7.09(d,J=7.7 Hz， 4H), 6.98(d,J=7.7 Hz， 4H), 2.26(s， 6H), 1.30(s， 12H)。

2 結果與討論

2.1 單因素實驗

以化合物4的收率為考察指標，對步驟3～4的反應時間(h)，反應溫度(℃)和催化劑用量(eq.)進行單因素實驗考察。由圖可知(圖略)，初始階段反應較快，隨之趨于平衡。表明反應時間，反應溫度是影響反應速率以及收率的主要條件。化合物4收率呈現出先增加后降低的趨勢。這是因為生成的化合物4與化合物3發生了Suzuki反應，使收率降低。

2.2 響應面實驗

依據單因素實驗結果，以目標化合物4收率為響應值，以反應時間(A)、反應溫度(B)、催化劑用量(C)為自變量，采用響應面法 Box-Behnken 中心組合設計原理，設計三因素三水平實驗方案，共有17個試驗點。實驗水平與因素安排，如表1所示。響應面實驗設計及結果如表2所示。

表1 因素與水平Table 1 Factors and levels

表2 響應面實驗設計及結果Table 2 Response surface experiment design and results

2.3 回歸模型分析

采用Design-Expert 8.0.6軟件對上述17個實驗點的響應值進行回歸分析，結合表3可知，回歸模型極顯著(P值<0.0001)，失擬項不顯著(P=0.0661>0.05)，說明模型受其他因素的影響較小，擬合效果好，預測結果可信度較高，可以用該模型描述收率與實驗指標的關系。回歸模型的顯著性檢驗結果標明：A、 B、 C對響應值影響程度由大到小分別為：C>B>A。

2.4 響應面分析

根據化合物4收率受自變量A、 B、 C交互作用的影響(圖略)，發現催化劑量的曲線最陡峭，隨著數值的增加收率變化最明顯，反應時間則相對平滑。表明收率受催化劑量影響最明顯，反應時間影響較小。催化劑用量與反應溫度的交互作用最強，形狀接近橢圓形，交互作用最弱的是反應溫度與反應時間，形狀接近圓形。以上分析與方差分析基本相符。

2.5 最佳工藝

通過模型優化分析得到的最佳合成條件為反應時間5.38 h，催化劑用量為0.4 eq.，反應溫度為107.64 ℃，在此模型下預測的最佳收率為92.66%。調整最佳合成條件為反應時間5.4 h，催化劑用量為0.4 eq.，反應溫度為108 ℃，以更符合實際操作條件。在此實驗條件下進行了3次實驗驗證，收率分別為91.86%， 92.13%和92.48%，平均值為92.15%，與模型預測值相近，較文獻收率提高了17.15%。

表3 模型方差分析與顯著性檢驗結果Table 3 Model variance analysis and significance test results

以2-溴-9-芴酮為原料，經4步反應合成了B-[9,9-雙(4-甲基苯基)-9H-芴-2-基]硼酸。采用響應面法優化了合成條件，收率92.15%，較文獻值提高17.15%。