胡泉源,付方,張雄志,涂嬌嬌

(湖北大學化學化工學院,湖北 武漢 430062)

0 引言

在含氮雜環(huán)配體系列中,三聯(lián)吡啶及其衍生物具有獨特的σ給電子能力及π受電子能力,能夠與多種過渡金屬離子形成穩(wěn)定的配合物,其配位聚合物具有獨特的物理和化學性質,在材料及催化方面有較好的應用前景,從而使得三聯(lián)吡啶成為現(xiàn)代配位化學中應用廣泛的螯合配體之一[1-2].在眾多的功能化三聯(lián)吡啶中,對中心吡啶環(huán)的對位進行功能化,即在4′位置上接一個取代基,具有重要的潛在應用價值.4′-羥基-2,2′:6′,2″-三聯(lián)吡啶就是一種重要的功能化三聯(lián)吡啶,其羥基很容易進一步官能化,得到其它衍生物,因此也具有重要意義.

在過去幾十年里,三聯(lián)吡啶的合成方法基本有兩種:成環(huán)法與偶合法[3-9].4′-羥基-2,2′:6′,2″-三聯(lián)吡啶的合成一般是采用吡啶-2-甲酸乙酯與丙酮為主要原料[10-11],首先是在以氫化鈉為強堿合成中間體1,3,5-三酮,繼而在酸性條件下與乙酸銨發(fā)生關環(huán)反應.由于中間體三酮既溶于酸性水溶液,也溶于堿性水溶液,所以在實際操作中,處理步驟繁瑣,三酮收率不高.我們對該方法進行了改進,采用2-乙酰吡啶與碳酸二甲酯為主要原料,以乙醇鈉為堿,忽略中間體的分離提純步驟,一鍋法合成最終目標產(chǎn)物.在此基礎上,

本實驗還著重研究了不同溶劑、不同反應溫度、不同反應時間對產(chǎn)品收率的影響,探討該產(chǎn)物合成的最佳實驗條件.產(chǎn)品合成的反應過程如圖1所示.

1 實驗部分

圖1 4′-羥基-2,2′:6′,2″-三聯(lián)吡啶的合成

圖2 4′-羥基-2,2′:6′,2″-三聯(lián)吡啶分子共振式

1.1儀器與主要試劑核磁共振譜用INOVA(400 MHz)核磁共振儀測定,CDCl3為溶劑,TMS(0.05%)為內(nèi)標.碳酸二甲酯、乙酸銨、氨水均為分析純,直接使用.2-乙酰吡啶經(jīng)蒸餾后使用,四氫呋喃、乙醇、叔丁醇、乙二醇二甲醚、二氧六環(huán)按標準方法干燥除水后使用.

1.24′-羥基-2,2′:6′,2″-三聯(lián)吡啶的制備

100 mL無水乙醇和0.6 g金屬鈉室溫反應30 min,加入2-乙酰吡啶(10.0 g,82 mmol)和碳酸二甲酯(3.7 g,41 mmol),在氮氣保護下,35 ℃左右反應24 h.冷卻至室溫,緩慢滴加氨水15 mL(過量),反應2 h,然后升溫至40 ℃反應24 h.反應結束后,濃縮液體到一半的體積,冷卻,析出產(chǎn)品.抽濾,粗產(chǎn)品用無水乙醇重結晶,得白色固體5.12 g,產(chǎn)率50.0%.1H NMR(400 MHz,CDCl3),δ=6.44(s,2H,Ha),7.35(t,2H,J=4 Hz,Hd),7.81(m,2H,Hc),8.10(d,2H,J=4 Hz,Hb),8.63(d,2H,J=8 Hz,He),10.27(s,1H,Hf).

1.3核磁共振氫譜分析4′-羥基-2,2′:6′,2″-三聯(lián)吡啶分子共振式如圖2,其核磁共振氫譜(圖3)中吸收峰位置與文獻[12]報道的基本一致.

2 結果與討論

圖3 4′-羥基-2,2′:6′,2″-三聯(lián)吡啶的核磁共振氫譜

2.1反應溫度和反應時間對中間體生成的影響中間體1,3,5-三酮的合成是基于碳酸二甲酯的親核加成-取代反應,反應溫度低,反應速度較慢,反應不完全,主要得到單酯,三酮收率低.如反應溫度過高,生成的中間體單酯和三酮的亞甲基反應活性增加,容易得到大量白色高分子副產(chǎn)物.為了減少各種副反應的發(fā)生,反應溫度和時間的選擇至關重要.實驗結果顯示,在35 ℃充分攪拌反應24 h,最有利于后續(xù)關環(huán)反應產(chǎn)品收率的提高(見表1).

表1反應條件對4′-羥基-2,2′:6′,2″-三聯(lián)吡啶收率的影響

實驗序號反應條件(第十步)投料比(摩爾比)收率/%1234567891011121314150 ℃,24 h20 ℃,24 h35 ℃,24 h60 ℃,24 h78 ℃,24 h2.0∶12.2∶12.5∶12.0∶12.2∶12.5∶12.0∶12.2∶12.5∶12.0∶12.2∶12.5∶12.0∶12.2∶12.5∶1000.814.920.125.026.034.450.024.533.441.415.820.328.0

2.2溶劑和堿性條件對中間體生成的影響分別用氫化鈉、乙醇鈉和叔丁醇鉀做堿性物質,探索了無溶劑法和溶劑法合成方式.前者由于在研磨過程中堿極易吸潮,效果不佳.后者依次使用了四氫呋喃、乙二醇二甲醚、二氧六環(huán)、無水乙醇等溶劑,實驗發(fā)現(xiàn),使用無水乙醇-乙醇鈉體系操作方便,副產(chǎn)物少.使用其它體系時,反應容易生成黑色油狀物,后續(xù)純化過程復雜,產(chǎn)品收率較低.

2.3投料比對中間體生成的影響由于2-乙酰吡啶在堿性條件下發(fā)生自身或與單酯、三酮縮合等副反應不可避免,實驗中2-乙酰吡啶與碳酸二甲酯的投料比按(2.0～2.5)∶1進行了比較研究,結果顯示,在同等條件下,按2.5∶1投料反應,可達到最高收率.

2.4關環(huán)反應根據(jù)文獻[10-11]方法,1,3,5-三酮與乙酸銨在酸性介質(如丙酸)中回流可發(fā)生關環(huán)反應,經(jīng)過濃縮、中和等過程處理可得到粗產(chǎn)品.實驗證明1,3,5-三酮不經(jīng)分離,直接與濃氨水反應,可以達到相同或更高的收率.理論上中間體的三個酮基均易與氨反應生成羥基胺,溫度較高時脫水成亞胺,不利于關環(huán),故用氨水作為關環(huán)試劑時,一定要在溫度較低的情況下滴加,經(jīng)充分反應,可直接關環(huán)或經(jīng)過脫氨關環(huán).

3 結論

以2-乙酰吡啶、碳酸二甲酯與濃氨水為主要原料,一鍋法合成了4′-羥基-2,2′:6′,2″-三聯(lián)吡啶,收率50%.此方法未見報道.與文獻相比,該方法反應條件溫和,中間體不需分離提純,步驟簡單,產(chǎn)品易于純化,收率較高,對其它三聯(lián)吡啶類物質的合成具有參考價值.

[1] Cargill T. The synthesis of 2,2′:6′,2″-terpyridine ligands-verstail building blocks for supramolecular chemistry[J]. Coord Chem Rev,1997,160:1-52.

[2] Thummel R P. Terpyridine, oligopyridine and polypyridine ligands[M]. Mc Cleverty J A, Meyer T A. Comprehensive Coordination Chemistry Ⅱ. Volume 1, Amsterdam: Elsevier,2004:41-53.

[3] Schubert U S, Hofmeier H, Newkome G R. Modern terpyridine chemistry[M]. Weinbeim: WILEY-VCH Verlag Gmbh & Co. KGaA,2006.

[4] Kr?hnke F. The specific synthesis of pyridines and oligopyridines[J]. Synthesis,1976(1):1-24.

[5] Potts K T, Usifer A, Guadalupe H D, et al. 4-Vinyl-,6-vinyl-,and 4′-vinyl-2,2′:6′,2″-terpyridinyl ligands:their synthesis and the electrochemistry of their transition-metal coordination complexes[J]. J Am Chem Soc,1987,109:3961-3966.

[6] Constable E C, Lewis J. The preparation and coordination chemistry of 2,2′:6′,2″-terpyridine macrocycles-1[J]. Polyhedron,1982,1:303-304.

[7] Newkome G R, Hager D C, Kiefer G E. Chemistry of heterocyclic compounds. Part 119. Synthesis of halogenated terpyridines and incorporation of the terpyridine nucleus into a polyetheral macrocycle[J]. J Org Chem,1986,51:850-853.

[8] Owsley D C, Nelke J M, Bloomfield J J. Synthesis of 1,4 and 1,5 diketones from N,N,N′,N′-tetramethyl diamides and organolithium reagents[J]. J Org Chem,1973,38:901-903.

[9] Jameson D L, Guise L E. An improved, two-step synthesis of 2,2′:6′,2″-terpyridine[J]. Tetrahedron Lett,1991,32:1999-2002.

[10] Constable E C, Ward M D. Synthesis and Coordination Behaviour of 6′,6″-bis(2-pyridyl)-2,2′:4,4″:2″,2?-quaterpyridine; “Back-to-back” 2,2′:6′,2″-Terpyridine[J]. J Chem Soc Dalton Trans,1990(2):1405-1409.

[11] Potts K T, Dilip Konwar. Synthesis of 4′-vinyl-2,2′:6′,2″-terpyridine[J]. J Org Chem,1991,56:4815-4816.

[12] Elisa Murguly, Norsten T B, Neil Branda. Tautomerism of 4-hydroxyterpyridine in the solid, solution and gas phases: an X-ray, FT-IR and NMR study[J]. J Chem Soc Perkin Trans,1999(2):2789-2794.