两个新型含膦五元杂环类化合物的合成实验

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摘要

  有机膦小分子催化的合成方法学是现代有机合成化学中形成碳 - 碳键和碳 - 杂键的有效途径之一。其代表性的反应类型主要包括:炔烃的异构化反应、Rauhut - Currier 反应、Morita - Baylis -Hillman(MBH)反应、缺电子联烯的环化反应以及炔烃的亲核加成反应等等[1 -3].此类反应具有反应条件温和、产率高、选择性好以及反应的原子经济性高等优点,符合绿色化学的基本要求。由于众多化学家的出色工作,特别是上海有机所陆熙炎教授和斯坦福大学 Trost 教授的开创性工作[4 - 5],这个领域的研究目前已经得到了世界范围内的广泛关注。其中,有机膦小分子催化的环化反应已经被发展成为高效合成复杂碳环和杂环化合物的重要方法[2],并在天然产物合成[6 -9]、药物合成以及化学生物学[10 - 12]等方面展现出较为诱人的应用前景。

  本文针对有机膦催化剂结构相对比较单一的现状,参照有机小分子催化领域中的“明星”分子脯氨酸及其衍生物的结构特征[13],设计并合成了两个新型的含膦五元杂环类化合物。即以1-苯基磷杂环戊烷硼烷络合物(1) 为初始原料,对Kobayashi 等[14]合成方法进行优化制得以顺式构型为主的 1-苯基磷杂环戊烷-2-甲酸甲酯硼烷络合物(4); cis-4 通过格氏反应制得顺式-二[3,5-二-(三氟甲基苯基)](1-苯基磷杂环戊烷-2)-甲醇硼烷络合物(cis-5); cis-5 经三甲基硅基化反应[15]合成了顺式-二[3,5-二-(三氟甲基苯基)](1-苯基磷杂环戊烷-2)-三甲基硅氧甲烷硼烷络合物(cis-6,Scheme 1)。其中 cis-5 和 cis-6 为新化合物,其结构经1H NMR,13C NMR,31P NMR和 HR-EI-MS 表征。

  1 实验部分

  1. 1 仪器与试剂

  ZF-7 型紫外分析仪;Bruker ARX-300 MHz 型核磁共振仪(CDCl3为溶剂,TMS 为内标)。

  1[14]和 1,2-二哌啶基乙烷(2)[16]按文献方法合成;其余所用试剂和溶剂均为分析纯,其中THF、甲醇、甲苯和三乙胺用前用金属钠或 CaH2回流除水。

  1. 2 合成
  
  (1)1-苯基磷杂环戊烷-2-甲酸硼烷络合物(3)的合成氮气保护,在反应器中依次加入 2 0. 59 g(3mmol),THF 2 mL,1. 3 mol·L- 1s-BuLi 正己烷溶液 4 mL 和 1 1. 78 g(1 mmol),搅拌下于 - 40 ℃反应 8 h.通入 CO2至反应终点(TLC 检测)。用10% 盐酸调至 pH 1. 0,用乙酸乙酯(3 × 10 mL)萃取,合并萃取液,用无水硫酸钠干燥,旋蒸除溶后经硅胶柱层析[梯度洗脱剂:A = V(石油醚) ∶ V(乙酸乙酯) = 6 ∶ 1,V(5% 冰醋酸) ∶ V(石油醚) ∶ V(乙酸乙酯) = 0. 05 ∶ 2. 00 ∶ 1. 00]纯化得白色固体 3(cis/trans =5/1),收率 79%.

  (2) 1-苯基磷杂环戊烷-2-甲酸甲酯硼烷络合物(4)的合成氮气保护,在反应器中依次加入 cis/trans-30. 22 g(1 mmol),苯 10 mL,甲醇 2 mL 及 2. 0 mol·L- 1三甲基硅重氮甲烷 0. 75 mL(1. 5 mmol),搅拌下于 0 ℃反应 10 h.加入甲醇 10 mL,反应至终点(TLC 检测)。蒸除溶剂后经硅胶柱层析(洗脱剂:A =5 ∶ 1)纯化得白色固体 cis-4(收率77%)和trans-4(收率 15%)(cis/trans =5/1)。cis-4:1H NMR δ:0. 95(br,3H),2. 07 ~2. 44(m,6H),3. 11 ( s,3H),3. 32 ~ 3. 40 ( m,1H),7. 43 ~ 7. 56(m,3H),7. 68 ~ 7. 71(m,2H);13C NMR δ:25. 6,26. 1,30. 2,46. 1,51. 6,126. 7,128. 5,132. 0,132. 6,170. 2;31P NMR δ:36. 7(d,J = 60. 1 Hz);HR-EI-MS m / z: Calcd for C12H18O2PB[M+]236.113 7,found 236.113 9.trans-4:1H NMR δ:0. 77(q,3H),1. 90 ~2. 02(m,1H),2. 14 ~ 2. 39(m,5H),3. 26 ~3. 33(m,1H),3. 74 ( s,3H),7. 46 ~ 7. 55 ( m,3H),7. 74 ~ 7. 79(m,2H);13C NMR δ: 26. 24,26. 38,29. 96,46. 45,129. 13,129. 82,131. 38,131. 73,175. 39;31P NMR δ:39. 3(d,J =59. 5 Hz);HR-EI-MS:Calcd for C12H18O2PB[M+]236. 113 7,found 236. 113 9.

  (3)cis-5 的合成氮气保护,在反应瓶中依次加入 3,5-二(三氟甲基)溴苯 0. 52 mL(3 mmol),THF 2 mL,2. 0mol·L- 1异丙基氯化镁 1. 5 mL(3 mmol)和 cis-40. 22 g(1 mmol),搅拌下于 0 ℃反应至终点(TLC检测)。用氯化铵淬灭反应,乙酸乙酯(3 × 10mL)萃取,合并萃取液,用无水硫酸钠干燥,旋蒸除溶后经硅胶柱层析(洗脱剂:A = 6 ∶ 1)纯化得淡黄色固体 cis-5,收率 70%;1H NMR δ: 0. 71(br,3H),1. 77 ~ 1. 91(m,1H),1. 99 ~ 2. 13(m,3H),2. 29 ~ 2. 54(m,3H),3. 58 ~ 3. 65(m,1H),7. 27 ~ 7. 38(m,4H),7. 49 ~ 7. 54(m,1H),7. 72(s,1H),7. 77 ~7. 79(m,3H),7. 84(s,2H);13C NMR δ:24.1,25.2,25.7,30.1,50. 7,115. 8,117. 5,121. 1,122. 3,124. 8,125. 2,125. 7,129. 5,132. 0,132. 4,132. 9,146. 5,147. 0;31P NMR δ: 29. 1; HR-EI-MS m/z: Calcd for C27H22OPBF12[M+]632.131 0,found 632.130 9.

  (4) cis-6 的合成氮气保护,在反应瓶中依次加入 cis-5 0. 62 g(1 mmol),三乙胺 3 mL,二氯甲烷 10 mL 及三氟甲磺酸三甲基硅脂(TMSOTf)0. 55 mL(3 mmol),搅拌下于 0 ℃反应 1 h;于室温反应至终点(TLC检测)。加水 10 mL,搅拌均匀后用乙酸乙酯(3 ×10 mL)萃取,合并萃取液,用无水硫酸钠干燥,旋蒸除溶后经硅胶柱层析(洗脱剂:A = 5 ∶ 1)纯化得淡黄色固体 cis-6,收率 62%;1H NMR δ: 0. 05(s,9H),0. 71(br,3H),2. 23 ~2. 55(m,6H),3. 65 ~ 3. 70 ( m,1H),7. 29 ~ 7. 39 ( m,4H),7. 49 ~ 7. 57(m,5H),7. 84(d,J = 9. 6 Hz,2H);13C NMR δ: 1. 8,24. 4,27. 0,27. 6,32. 0,52. 0,81. 6,121.0,122.2,122.3,124.6,126.6,127.1,127. 8,128. 1,131. 3,131. 7,133. 5,145. 9,146. 3;31P NMR δ: 29. 7; HR-EI-MS m/z:Calcd for C30H30OPBF12Si[M+]704. 170 5,found704. 170 0.

  2 结果与讨论

  2. 1 合成 3 的反应条件优化

  考察了反应条件对合成 3 的影响,结果见表1.由表 1 可见,在其它反应条件相同的情况下,- 40 ℃ 和 - 78 ℃ 反应都能够顺利完成;就溶剂而言,乙醚比 THF 沸点低,挥发性较高,操作较THF 复杂,虽然收率稍低,但顺反比不一致( No. 1和 No. 2);加大碱的量可以适当提高反应收率(No. 3 和 No. 4);而延长反应时间对反应影响很小(No. 4 和 No. 5)。与文献[14]方法不同的是,本实验得到的 cis-3/trans-3 = 5. 0/1. 0,这个高比例可以将 cis-3/trans-3 直接转化成 cis-4.与文献[14]方法的结果(No. 1)相比,发现:虽然以 THF 为溶剂时 3 的收率有所降低,但是羧基化反应的选择性却有明显的提高,并且主产物由原来的 trans-构型变成了 cis-构型。

  

  2. 2 4 的合成

  在4 的合成中,由于 3 结构上的特殊性,用常见的甲醇做反应物与羧基反应不能得到 4,只有用三甲基硅重氮甲烷作为甲酯化试剂才能得到 4,且cis-4 和 trans-4 在层析板上能清析的判断出来。在cis-4 合成 cis-5 的过程中,格氏试剂是对水很敏感的试剂。实验结果表明,当反应所用溶剂未干燥时反应产率明显降低,所以反应所用的溶剂必须进行无水处理。同样,在 cis-6 的合成中,由于硅试剂很容易与水发生反应生成硅酸盐,实验结果表明,硅试剂的量应该比反应物的量多 3 ~5 倍,这样才可以避免由于副反应的发生而影响产率,同时溶剂三乙胺与二氯甲烷也需进行严格的无水处理。

  3 结论
  
  报道了一类新型含磷五元杂环类化合物的合成方法。在现有文献的基础上,通过反应条件优化,获得了以顺式构型为主的3 和4.合成3 的最佳反应条件为:以 THF 为溶剂,1 1 mmol,n(s-Bu-Li) ∶ n(2) ∶ n(1) =3. 0 ∶ 3. 0 ∶ 1. 0,于 -40 ℃反应5. 5 h,收率 79%,cis/trans =5. 0/1. 0.与有机膦催化剂相比,5 和 6 在结构上有一定的特殊性,因此将会在有机膦小分子催化方面有一定的应用前景。

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