2-溴咔唑的合成研究進(jìn)展

王艷慧，姜輝，臧娜，王海洋，王靜，金丹，劉思彤

（中鋼集團(tuán)鞍山熱能研究院有限公司，遼寧 鞍山 114044）

咔唑衍生物在人們生活中廣泛應(yīng)用，因?yàn)檫沁虻慕Y(jié)構(gòu)是許多自然產(chǎn)物、醫(yī)藥、光電材料的基本單元，其較大的共軛結(jié)構(gòu)和空穴傳輸能力使其在光電材料領(lǐng)域中無處不在。2-溴咔唑相比于其他咔唑衍生物具有更大的共軛體系，是少數(shù)能夠發(fā)出藍(lán)光的光電材料之一，在光電材料合成中占有重要地位，也是光電材料合成的重要原料。

本文對(duì)咔唑的不同合成方法進(jìn)行了綜述，常見的合成方式大概有3 種，第一種是咔唑直接進(jìn)行溴化，第二種是通過高碘鹽直接進(jìn)行2-溴咔唑的合成，第三種是通過聯(lián)苯基骨架的關(guān)環(huán)反應(yīng)合成咔唑骨架來合成2-溴咔唑。

1 咔唑溴化合成2-溴咔唑

咔唑可以直接溴化成2-溴咔唑，是2-溴咔唑合成中最理想的方式，其減少反應(yīng)步驟的同時(shí)還能最大限度地提高原子利用率。1992年SMITH[1]等就曾以液態(tài)的溴單質(zhì)為咔唑溴化試劑，以氯仿為溶劑，室溫下進(jìn)行溴化反應(yīng)，得到了2-溴咔唑，如圖1 所示。但是同時(shí)也得到了許多其他單取代和多取代的各種溴代副產(chǎn)物，產(chǎn)率很低，而且提純是有機(jī)反應(yīng)的一個(gè)重要步驟，這種合成方式無疑加大了提純的工作量，而且溴單質(zhì)腐蝕性很強(qiáng)并具有揮發(fā)性，反應(yīng)過程又劇烈，對(duì)于實(shí)驗(yàn)人員和器皿操作都是非常危險(xiǎn)的，產(chǎn)物也不好控制，所以這種方式就沒有得到應(yīng)用。

圖1 咔唑溴化合成2-溴咔唑

2 高碘鹽氮化合成2-溴咔唑

2-溴咔唑的傳統(tǒng)方法主要是通過二芳基胺的氧化偶聯(lián)制備得到。這種方式需要在早期就引入氮元素，引入氮元素后在反應(yīng)中會(huì)與金屬催化劑絡(luò)合，又與氧化劑不兼容。同時(shí)，含氮化合物要進(jìn)行相應(yīng)的保護(hù)和去保護(hù)，不利于簡(jiǎn)化反應(yīng)步驟。所以穩(wěn)定又易制備的高碘鹽，就被廣泛地用作芳基化試劑。傳統(tǒng)高碘鹽只利用其中的一個(gè)芳基基團(tuán)，原子利用率差，由于綠色化學(xué)概念的提出，高效的原子利用率成為了發(fā)展趨勢(shì)。2018年WANG[2]等首次在氮?dú)獗Ｗo(hù)下，將含有三氟甲磺酰基的高碘鹽作為原料，以疊氮化鈉、三苯基膦、碳酸氫鈉、噻吩-2-甲酸亞銅為催化劑，二甲基乙酰胺為溶劑，在100 ℃下得到產(chǎn)率為63%的2-溴咔唑，如圖2 所示。這種方法通過后期直接引入氮原子，避免了含氮化合物在后期的影響，原料成本低且容易得到，產(chǎn)率較高，底物普適性廣。但是原料疊氮化鈉毒性大，儲(chǔ)藏條件嚴(yán)格，且反應(yīng)對(duì)反應(yīng)器具要求較高，所以工業(yè)應(yīng)用上受到很大的限制。

圖2 高碘鹽合成2-溴咔唑

3 聯(lián)苯基骨架合成2-溴咔唑

在成環(huán)后進(jìn)行取代合成2-溴咔唑?qū)に囈蠛芨?，所以并沒有得到很好的發(fā)展，現(xiàn)在合成2-溴咔唑的方法應(yīng)用較多的是先構(gòu)建聯(lián)苯基骨架然后進(jìn)行關(guān)環(huán)反應(yīng)來合成。

3.1 疊氮化物合成2-溴咔唑

在進(jìn)行化學(xué)合成時(shí)無論是哪種催化劑用來進(jìn)行化學(xué)合成，其污染是必定的，且原子利用率一般都達(dá)不到理想要求，最好的方法是由原料直接合成產(chǎn)物，作為催化劑可選用光、微波等能量介質(zhì)，2017年SHAWN[3]等通過疊氮化物溶液在紫外流反應(yīng)器中紫外線照射下反應(yīng)生成2-溴咔唑，如圖3 所示。不同的溶劑對(duì)其產(chǎn)率能夠產(chǎn)生很大的影響，如表1所示。這是目前合成2-溴咔唑的方法中理想狀態(tài)下原子利用率最高的一種合成方法。

圖3 疊氮化物合成2-溴咔唑

表1 不同的波長(zhǎng)對(duì)其產(chǎn)率的影響

這種合成方式，避免了浪費(fèi)，符合綠色化學(xué)發(fā)展觀念，是一種非常理想的合成方式，但是反應(yīng)因?yàn)榀B氮化合物的存在對(duì)反應(yīng)儀器要求較高，且價(jià)格昂貴，所以應(yīng)用很少，但是隨著科技發(fā)展，相信這種理想的合成方法能夠得到進(jìn)一步改進(jìn)從而能大范圍應(yīng)用。

3.2 2-氨基-4’-溴聯(lián)苯合成2-溴咔唑

2015年CHIHARU[4]等首次通過2-氨基-4’-溴聯(lián)苯為原料，在二聚體、醋酸銅和新戊酸的催化下，以N,N-二甲基吡咯烷酮為溶劑，120 ℃下空氣中反應(yīng)3 h，得到產(chǎn)率為33%的2-溴咔唑，如圖4 所示。此方法與上述方法比較，對(duì)氣體環(huán)境要求不大，條件比較溫和，副產(chǎn)物也很少，但是催化劑比較昂貴，產(chǎn)率也比較低，且芳香胺長(zhǎng)期低濃度接觸能引起慢性中毒，屬于三類致癌物清單中物質(zhì)，應(yīng)慎重使用。

圖4 2-氨基-4’-溴聯(lián)苯合成2-溴咔唑

3.3 2-硝基-4-溴聯(lián)苯合成2-溴咔唑

胺類原料的毒性使其在操作中復(fù)雜了很多，所以以硝基代替胺基的2-硝基-4-溴聯(lián)苯和2-硝基-4溴聯(lián)苯作為原料合成2 溴咔唑的方法被應(yīng)用得相對(duì)比較多，如圖5 所示。

圖5 2-硝基-4-溴聯(lián)苯合成2-溴咔唑

2014年LI[5]等以三苯基膦為催化劑，鄰二氯苯為溶劑，150～160 ℃下反應(yīng)30 h，得到了產(chǎn)率為52%的2-溴咔唑。ELMABRUK[6]等在170 ℃下回流12 h，得到了89%的2-溴咔唑。所以適當(dāng)升溫加快了2-溴咔唑的合成產(chǎn)率。但是三苯基膦價(jià)格比較昂貴，而且后處理比較復(fù)雜，所以以亞磷酸三乙酯取代三苯基膦的催化關(guān)環(huán)反應(yīng)更為實(shí)用。

2014年KIM[7]等將2-硝基-4 溴聯(lián)苯加入1,2-二氯苯溶劑中。亞磷酸三乙酯催化得到產(chǎn)率為48%的2-溴咔唑。TSAL[8]等以2-硝基-4 溴聯(lián)苯為原料在亞磷酸三乙酯和6N 鹽酸催化下得到產(chǎn)率為65%的2-溴咔唑。2018年JASON[9]等在合成一系列以2-溴咔唑?yàn)樵系墓怆姴牧蠒r(shí)也使用了同樣的合成方法。蔡星偉[10]等加入亞磷酸三乙酯催化，高溫回流4～5 h，得到產(chǎn)率為75%的2-溴咔唑。在合成2-溴咔唑的過程中用亞磷酸三乙酯雖然成本下降了，但是相比于三苯基膦作為成環(huán)反應(yīng)的偶聯(lián)劑，產(chǎn)率普遍偏低。

3.4 2-硝基-4’-溴聯(lián)苯

2-硝基-4-溴-1,1’-聯(lián)苯合成2-溴咔唑如圖6 所示。OH[11-12]等以1,2-二氯苯為溶劑在三苯基膦的催化下得到產(chǎn)率為63%的2-溴咔唑。KAWAMURA 和張貫京[13-14]等在氬氣氣流下，三苯基膦、鄰二氯苯180 ℃下反應(yīng)得到收率68%的2-溴咔唑。KIM[15]等在氬氣氣流下,依次添加三苯基膦、鄰二氯苯以200 ℃加熱8 h 得到收率71%的2-溴咔唑。PARK等曾用2-硝基-4’-溴聯(lián)苯以1,2-二氯苯為溶劑在三苯基膦的催化下200 ℃回流得到產(chǎn)率為74%的2-溴咔唑[16-21]。相比于2-硝基-4-溴合成2-溴咔唑，此類方法需要更高的反應(yīng)溫度，所以對(duì)實(shí)驗(yàn)操作和工藝要求相對(duì)更高。

圖6 2-硝基-4-溴-1,1’-聯(lián)苯合成2-溴咔唑

4 結(jié)束語

2-溴咔唑在有機(jī)光電材料領(lǐng)域具有重要地位，其具有光譜吸收范圍寬、光穩(wěn)定性好以及光電轉(zhuǎn)換效率高等優(yōu)點(diǎn)，受到了研究工作者的極大關(guān)注，是當(dāng)前重點(diǎn)研究開發(fā)的有機(jī)光電材料之一。但是其合成方式成本相對(duì)較高，條件也不溫和，還有待改進(jìn)。2-溴咔唑能夠低成本的合成是其廣泛使用的前提，希望不久之后能夠有一種操作簡(jiǎn)單、成本低的2-溴咔唑的合成方式出現(xiàn)。