伊頓試劑一步法芳環偶聯合成聯咔唑

＊袁杰 李澤才 曹培 陳潤鋒*

（1.南京工業職業技術大學 江蘇 210023 2.南京郵電大學 江蘇 210023）

在有機光電材料的制備過程中，芳環分子的二聚化是提高材料熱物理和光化學性能的重要策略[1-2]，例如通過C-C[3]、C-N[4]或N-N[5]化學鍵直接連接咔唑可以形成咔唑二聚體，即聯咔唑。聯咔唑由于優異的熱穩定性、高三線態能級以及良好的空穴傳輸性能，已經被廣泛應用在發光材料、空穴傳輸材料和主體材料中[6]。

目前有兩種合成方法可以構建這種芳基-芳基C(sp2)-C(sp2)鍵，一種是金屬催化的芳香鹵化物與有機硼、芳基鎂鹵化物或有機錫烷之間通過Suzuki[7]、Kumada[8]或Stille[9]交叉偶聯反應實現。另一種是雙C-H鍵脫氫偶聯，包括路易斯酸活化的肖爾偶聯反應和氧化劑催化的芳環氧化偶聯反應[10-11]。其中，第一種方法在聯芳基制備中應用廣泛，但該反應通常需要兩種不同的前體以及金屬配合物催化劑，原材料成本較高。另一種方法看似具有很高的經濟價值，但該反應通常需要在高溫下使用FeCl3、MoCl5和K3[Fe(CN)6]等氧化劑或腐蝕性的AlCl3，反應危險性大，后處理比較困難[12]。

Eaton試劑（伊頓試劑）是一種包含7.7wt%五氧化二磷（P2O5）的甲磺酸溶液，可以用來代替多聚磷酸用于酰基化反應，如關環反應等[13]。該試劑是一種無色液體，具有價格低廉、易于獲取，反應后處理簡單無殘留等優點。我們偶然發現，在伊頓試劑輔助作用下，N-苯基咔唑可以通過雙C-H鍵脫氫偶聯反應生成9,9'-二苯基-9H,9'H-3,3'-聯咔唑，而無需使用反應溶劑和催化劑。通過對反應條件和反應機理仔細研究發現，新發現的芳香C(sp2)-C(sp2)偶聯反應是一種由伊頓試劑觸發的芳基正離子型肖爾反應。此外，我們還探討了不同反應條件對產率的影響，為制備新型多環芳烴有機光電材料提供依據。

1.實驗部分

(1)儀器試劑

Ultrashield? 400 PLUS型核磁共振儀（CDCl3為溶劑，TMS為內標）；LCT Premier XE型高分辨質譜；Elementar Vario MICRO型元素分析儀；Agilent 6230型高效液相色譜質譜聯用儀；Bruker D8 Quest型單晶測試儀。

伊頓試劑，N-苯基咔唑（97%），兩者皆為市售分析純，未額外提純。

(2)9,9'-二苯基-9H,9'H-3,3'-聯咔唑的合成

為防止伊頓試劑吸水失活，反應在氮氣保護下進行。在常溫常壓下，將1.5g N-苯基咔唑放置在50mL的圓底燒瓶中，110℃加熱攪拌直至原料完全熔化。在5min內將0.78mL伊頓試劑逐滴緩慢加入，反應液由無色逐漸變成深褐色。反應12h后加入10mL甲醇或水，繼續攪拌2h以猝滅反應。反應物用二氯甲烷萃取后加入適量硫酸鎂干燥，液相色譜檢測9,9'-二苯基-9H,9'H-3,3'-聯咔唑產率為46%。未反應原料經回收重復利用，多次反應綜合產率可達70%。在反應物中加入硅膠粉后進行減壓蒸餾，用體積比20:1的石油醚和二氯甲烷混合溶劑作為洗脫劑進行柱層析，得白色產物。產物經過三次重結晶后得到無色透明晶體（溶劑為體積比1:1的石油醚和二氯甲烷，其分子結構如圖1所示）。

圖1 9,9'-二苯基-9H,9'H-3,3'-聯咔唑的晶體結構圖

9,9'-二苯基-9H,9'H-3,3'-聯咔唑的表征：1H NMR (400MHz,CDCl3):δ=8.47(s,2H),8.26-8.24(d,2H),7.80-7.77(d,2H),7.67-7.59(m,8H),7.53-7.42(m,8H),7.36-7.26(m,2H).13C NMR(100MHz,CDCl3):δ=141.37,140.05,137.80,134.38,129.93,127.46,127.10,126.06,125.85,123.99,123.58,120.44,120.00,118.91,110.03,109.91.HRMS([M+1]+,FAB):calcd.for C36H24N2,484.1939;found,484.1931.Anal.calcd.for C36H21N2:C 89.23,H 4.99,N 5.78;found:C 89.02,H 4.94,N 5.66。

2.結果與討論

(1)不同反應條件對9,9'-二苯基-9H,9'H-3,3'-聯咔唑產率的影響

①伊頓試劑用量（以P2O5量計算）對9,9'-二苯基-9H，9'H-3,3'-聯咔唑產率的影響a)

分別用不同伊頓試劑量對N-苯基咔唑進行偶聯反應，其結果見圖2。

圖2 伊頓試劑用量對目標產物產率的影響

結果表明，不同用量的伊頓試劑均能使N-苯基咔唑發生偶聯反應并生成目標產物。從伊頓試劑用量角度看，當伊頓試劑用量較少時，不能使N-苯基咔唑有效轉化，因而產率較低；而催化劑用量過大時，則會因為產生副產物降低產率。當伊頓試劑與N-苯基咔唑的當量比為1:10時最佳。

②反應溫度對9,9'-二苯基-9H,9'H-3,3'-聯咔唑產率的影響

研究了反應溫度對N-苯基咔唑偶聯反應的影響，數據如圖3所示。

圖3 反應溫度對目標產物產率的影響

由圖3可見，當溫度低于100℃時，N-苯基咔唑未熔化，反應無法進行；當溫度為100℃時，可能因為反應溫度較低，伊頓試劑反應活性不夠；而當溫度高于120℃時，由于N-苯基咔唑汽化導致反應產率降低。因此，110℃是較為理想的反應溫度，同時該方法對反應溫度變化的耐受性較好，在100℃至120℃范圍內產率基本恒定。

③反應時間對9,9'-二苯基-9H,9'H-3,3'-聯咔唑產率的影響

考察了反應時間對9,9'-二苯基-9H,9'H-3,3'-聯咔唑產率的影響，實驗結果見圖4。

圖4 反應時間對目標產物產率的影響

結果顯示，9,9'-二苯基-9H,9'H-3,3'-聯咔唑的產率會隨著反應時間的延長先增加后降低。當反應時間低于12h，N-苯基咔唑轉化不完全，而超過12h，則可能發生兩種情況：一種是偶聯反應的逆向反應導致的；另一種是生成的9,9'-二苯基-9H,9'H-3,3'-聯咔唑進一步轉化為高聚物導致產率降低。

④其他因素對9,9'-二苯基-9H,9'H-3,3'-聯咔唑產率的影響

除此之外，也考察了純P2O5或甲磺酸、二氯甲烷溶劑、氣體氛圍對反應的影響，結果如表1所示。

表1 其他因素對目標產物產率的影響

反應溫度為110℃，n(P2O5):n（N-苯基咔唑）=1:10，反應時間為12h。

結果表明，該反應在純P2O5或甲磺酸存在的條件下并未生成9,9'-二苯基-9H,9'H-3,3'-聯咔唑，這也從側面證明伊頓試劑對該反應的重要作用。當反應體系加入二氯甲烷溶劑后，反應未發生，可能是由于溶劑稀釋后，芳基正離子間距增加，反應不易發生。當氣體氛圍由氮氣變為空氣后，反應產率出現較大降低，原因可能是空氣中的水汽會影響伊頓試劑的活性。

(2)伊頓試劑輔助芳環偶聯反應的反應機理

為了揭示這種芳環C(sp2)-C(sp2)偶聯機理，我們研究了不同條件下的反應情況（見表1）。當反應中僅使用P2O5時，未檢測到9,9'-二苯基-9H,9'H-3,3'-聯咔唑，表明該反應不屬于氧化偶聯反應范疇，因為P2O5是伊頓試劑中唯一的氧化劑；當反應中僅使用另一個成分甲磺酸或加入有機溶劑時，同樣未檢測到9,9'-二苯基-9H,9'H-3,3'-聯咔唑。此外，該反應可以在空氣氛圍中以較低的產率進行。因此，我們提出該芳香C-C偶聯反應是一種伊頓試劑觸發的芳基正離子型肖爾反應，如圖5所示。

圖5 伊頓試劑輔助的芳環偶聯反應機理

在反應過程中，遠離N-苯基咔唑分子中心且具有最高反應活性的3-C(sp2)原子先結合伊頓試劑中甲磺酸電離出來的質子形成碳正離子，隨后該碳正離子攻擊另一個N-苯基咔唑的3-C(sp2)位置并實現C-C偶聯。偶聯后，發生脫氫芳構化以形成穩定的聯芳基結構。因為C(sp2)-C(sp2)鍵合在反應過程中是最慢的，且在反應過程中未生成其他中間體和副產物，如圖6所示，進一步證實了該反應屬于芳基正離子型反應機制。

圖6 化合物（a）N-苯基咔唑、（b）9,9'-二苯基-9H,9'H-3,3'-聯咔唑以及（c）反應液的液相色譜質譜圖

3.結論

發展了伊頓試劑輔助的C(sp2)-C(sp2)偶聯反應新方法，實現了9,9'-二苯基-9H,9'H-3,3'-聯咔唑的一步法合成。與經典的金屬催化交叉偶聯和其他脫氫偶聯反應相比，新方法克服了偶聯反應普遍存在的步驟長、過程復雜、試劑價格昂貴等缺點。此外，該方法后處理簡單無殘留，非常有利于進一步推廣及應用。