一种合成4a,8a-硼氮杂萘及其衍生物的方法

摘要

本发明涉及一种4a，8a-硼氮杂萘及其衍生物的新型合成方法，其合成步骤包括：(1)二烯丙基胺在低温下与三氯化硼反应，生成二烯丙基氨基二氯化硼；(2)二烯丙基氨基二氯化硼在低温下与烯丙基格氏试剂反应，生成二烯丙基氨基二烯丙基硼烷；(3)二烯丙基氨基二烯丙基硼烷以Grubbs第一代催化剂引发烯烃复分解成环反应；(4)成环产物和二氯二氰基苯醌发生脱氢芳构化反应，生成4a，8a-硼氮杂萘；(5)4a，8a-硼氮杂萘与卤代丁二酰亚胺在路易斯酸催化下发生卤代反应，生成4/5位卤素取代的4a，8a-硼氮杂萘衍生物。本发明步骤简单，原料来源廉价易得，反应条件温和，副反应少，后处理过程简单高效。

说明书

技术领域

本发明涉及硼氮杂萘稠多环化合物的合成领域，尤其是涉及合成4a，8a-硼氮杂萘及其衍生物的方法。 

背景技术

在与自然的共处中，人们在不断探求新的领域，试图从中寻找到改变人类生存环境的途径。有机化合物是生命产生的物质基础，而这种物质基础的形成要归于碳原子与碳原子之间所能形成的强的共价键。硼和氮位列于元素周期表中碳的左侧和右侧，硼原子比碳少一个核外电子，同时电负性也较碳弱，氮原子比碳多一个核外电子，拥有比碳原子强的电负性。将两个碳原子的成键代替为硼与氮的键，那么这二者即互为等电子体。由于硼和氮电负性的不同，氮硼键存在一定的偶极，电子偏向于电负性强的氮原子。这种效应的差别将影响到分子的前线轨道，改变最高占据轨道和最低空轨道间的能级差，从而改变分子的晶格能和光学等性质。 

氮硼杂萘，由于氮硼原子电负性的差异，使得B-N键对电子的束缚强于C-C键，使得π电子的离域较小，因此有其独特的性质。有关4a，8a-硼氮杂萘的合成最早是由杜瓦和怀特分别报道的。限于当时的实验条件和合成手段，极大的限制了此类化合物的发展和应用。1964年，杜瓦发表了一篇关于合成4a，8a-硼氮杂萘的文章，首次提出了合成这种化合物方法，该方法通过三步反应得到目标产物但由于合成手段和实验条件的限制，使得产物的收率很低(0.02％)。 

首先，Dewar将1-氯-3-丁烯和液氨在100℃的高压反应釜中反应，得到二取代的3-丁烯胺和副产物即单取代的3-丁烯胺(副产物所占比例为60％)。将二取代的3-丁烯胺与三甲胺硼烷反应，得到八氢化-4a，8a-硼氮杂萘。将这种很容易在空气中氧化变质的八氢化-4a，8a-硼氮杂萘用钯碳脱氢，温度为300-350℃，得到4a，8a-硼氮杂萘。 

2006年，密西根大学安娜堡化学系的研究人员发表了一篇文章中给出了4a，8a-硼氮杂萘的改进方法，该方法是在氮硼杂茚的基础上进行扩环得到。这种方法不但降低了Dewar的合成方法中较为苛刻的反应条件，而且证实了这种具有芳香性的氮硼杂萘化合物可以通过扩环的方法得到。相比杜瓦的工作，该方法极大的提高了物料的利用率，但是由于采用的方法步骤繁琐，使反应的整体收率维持在较低的水平，并且不能有效大量制备目标产物，以便对此类化合物进行更进一步的研究，限制了对这种杂萘化合物性质的研究。 

萘分子作为结构最简单的稠环芳烃化合物，是低端向上设计合成稠多环芳香化合物的基础原料，而稠多环芳香化合物在有机不对称催化、有机感应器、有机半导体、有机光电材料、和有机超导材料等方面有着非常广泛地应用。相比较而言，因为合成方法的相对欠缺，和萘电子体互为等结构体和电子体的4a，8a-硼氮杂萘的物理化学性质仍属于未知领域。目前对于硼氮杂芳香化合物的研究正吸引了越来越多的关注，该领域的研究和开发具有巨大的科研价值和商业应用潜质。 

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种使得该类型化合物的克量级合成可以在较短时间内完成的合成4a，8a-硼氮杂萘及其衍生物的方法。 

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现： 

一种合成4a，8a-硼氮杂萘及其衍生物的方法，采用以下步骤： 

1)将schlenk瓶内处于无水无氧氮气氛围环境置于-35～-78℃的低温环境； 

2)在低温环境下将三氯化硼加入二氯甲烷溶剂中，然后加入二烯丙基胺，在室温条件下反应并过夜； 

3)反应获得的产物在-35～-78℃的低温下与格式试剂反应，然后在室温条件下过夜； 

4)反应获得的产物在-35～-78℃的低温下与格拉布催化剂反应，然后在室温条件下过夜； 

5)反应获得的产物与二氯二氰基苯醌脱氢芳构化，在60℃油温搅拌反应 一周； 

6)反应获得的产物与卤代丁二酰亚胺、三氯化铝避光反应，得4-卤代-4a，8a-硼氮杂萘产物和4，5-二卤代-4a，8a-硼氮杂萘，即为产品。 

步骤2)中所述的三氯化硼与二氯甲烷的体积比为1∶4～6，所述的二烯丙基胺与三氯化硼的摩尔比为2∶1～1.1。 

步骤2)制备得到的产物为二烯丙基氨基二氯化硼，减压0.133KPa，沸点25℃，产率55％，产物易发烟。 

步骤3)中所述的格氏试剂为烯丙基卤格式试剂，由烯丙基卤化物与镁屑的摩尔比为1∶2，引发剂为碘粒，溶剂为四氢呋喃，回流过夜，格式试剂浓度为0.75～1.2mol/L，所述的二烯丙基氨基二氯化硼与格氏试剂的摩尔比为1∶2～2.2。 

步骤3)制备得到的产物为二烯丙基氨基二烯丙基硼烷，减压0.133KPa，沸点50℃，产率70％。 

步骤4)中所述的格拉布催化剂用量为0.8～3mol％，制备得到的产物为四氢4a，8a-硼氮杂萘，减压0.133KPa，沸点20℃，产量80～90％。 

步骤5)中的反应产物与二氯二氰基苯醌的摩尔比为1∶2，采用己烷为溶剂。 

步骤5)反应结束后采用砂芯漏斗过滤所得混合物，再用己烷洗涤沉淀3次，将所得溶液集中浓缩过滤掉部分不溶物，抽干溶剂，得到白色类似萘味道的固体，产率17％，熔点：42.9-43.8℃。 

步骤6)中反应获得的产物与卤代丁二酰亚胺摩尔比为1∶1～1.2制备得到4-卤代-4a，8a-硼氮杂萘，与卤代丁二酰亚胺摩尔比为1∶2～2.2制备得到4，5-二卤代-4a，8a-硼氮杂萘。 

所述的4-卤代-4a，8a-硼氮杂萘产物分别为4-碘代-4a，8a-硼氮杂萘、4-溴代-4a，8a-硼氮杂萘或4-氯代-4a，8a-硼氮杂萘；所述的4，5-二卤代-4a，8a-硼氮杂萘产物为4，5-二氯代-4a，8a-硼氮杂萘、4，5-二溴代-4a，8a-硼氮杂萘、4，5-二碘代-4a，8a-硼氮杂萘、4-溴代-5-氯代-4a，8a-硼氮杂萘或4-碘代-5-氯代-4a，8a-硼氮杂萘。 

与现有技术相比，本发明具有以下优点： 

(1)本专利提供的新型合成方法，原料来源便宜易得，比如三氯化硼，二烯丙基胺，烯丙基氯，二氯二氰基苯醌都是极其便宜的工业原料；在所有的 反应中，均采用无水无氧的Schlenk技术，反应不直接接触环境，对环境友好；反应条件温和，不涉及高温高压等极端反应条件，本专利的所有反应的温度都在-35℃到60℃之间；步骤简单(三步反应)，副反应少，后处理过程简单高效。根据权利要求1所述的一种合成4a，8a-硼氮杂萘及其衍生物的方法，所有的后处理只需要简单地减压蒸馏，过滤，萃取最基本的操作。比如用二氯二氰基苯醌脱氢芳构化，60℃反应6天为最优反应条件，后处理只需要过滤，抽干溶剂即得到产物，因此后处理高效简单。 

(2)本专利所涉及的绝大多数化合物属于首次合成，并且现有的技术是无法合成这些化合物的，且在文献检索中未见报导。 

(3)本专利所涵盖的硼氮杂萘及其衍生物是合成硼氮杂萘稠多环化合物的重要中间体，具有极大的科研价值和商业应用前景。 

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。 

本专利提供的4a，8a-硼氮杂萘及其衍生物的结构式如下： 

反应如下： 

实施例1 

合成

取500mL Schlenk瓶，氮气氛围下，处于-35℃，二烯丙基胺(25.2g，520mmol)逐滴加入到三氯化硼(16.4g，140mmol)中二氯甲烷作溶剂共200mL，室温下搅拌过夜。常压蒸馏出二氯甲烷，戊烷萃取剩余物，常压蒸去戊烷，再减压蒸馏得到产物二烯丙基胺二氯化硼为(10.4g，45％)无色易发烟液体，沸点25℃(0.1Torr)。¹HNMR(400MHz，C₆D₆)：δ5.42-5.32(m，2H)，4.88(d，J＝7，6Hz，2H)，4.84(d，J＝17，6Hz，2H)，3.53(d，J＝4.7Hz，4H).¹³CNMR(100Hz，C₆D₆)：δ133.9，117.1，51.6.¹¹BNMR(128MHz，C₆D₆)：δ31.5. 

实施例2 

合成

取20g镁屑5mL烯丙基氯，几粒单质碘，60mL四氢呋喃做溶剂置于三口瓶中，引发后，剩余的烯丙基氯的四氢呋喃溶液约180mL，滴加的速度保持溶剂回流状态过夜，制得的烯丙基氯化镁的浓度为0.8～1.2mol/L的格式试剂。在手套箱取二烯丙氨基二氯化硼18g，四氢呋喃100ml做溶剂，低温下用注射针加入浓度为1.05mol/L的格氏试剂200mL，室温下搅拌过夜。先蒸馏出大部分THF，然后加入己烷多次萃取，弃去白色沉淀，萃取液转移至另一只烧瓶，先蒸馏出溶剂己烷，再减压蒸馏得到(13.8g，70％)无色液体，沸点38℃(0.133KPa)。¹HNMR(400MHz，C₆D₆)：δ6.02-5.92(m，2H)，5.59-5.50(m，2H)，5.02(dd，J＝21.3，17Hz，4H)，4.96(d，J＝15.6Hz，4H).3.50(d，J＝5.1Hz，4H)，1.90(d，J＝7.6Hz，4H).¹³CNMR(100Hz，C₆D₆)：δ137.0，136.4，115.3，114.0，51.1，26.5(bs).¹¹BNMR(128MHz，C₆D₆)：δ43.8. 

实施例3 

合成

从手套箱中取二烯丙基氨基二烯丙基硼烷(8.20g，43mmol)，加入80mL二氯甲烷，放入-35℃环境中。取(0.28g，0.34mmol，0.8％催化量)一代格拉布催化剂，加入40mL二氯甲烷溶解。将催化剂导入到反应瓶中，低温继续反应1小时，缓慢升至室温，搅拌过夜。常压蒸去二氯甲烷，减压蒸馏得到(5.13g， 90％)无色易结晶液体，沸点20℃(0.1Torr)。¹HNMR(400MHz，C₆D₆)：δ5.48，(d，J＝10Hz，2H)，3.15(m，4H)，1.42(d，J＝4.6Hz，4H).¹³CNMR(100Hz，C₆D₆)：δ126.1，124.5，50.2，16.6(bs).¹¹BNMR(128MHz，CDCl₃)：δ41.3.HRMS(ESI-TOF)m/z calcd.For C₈H₁₃BN[M+H]：134.1137，found：134.1163. 

实施例4 

合成

50mL Schlenk瓶中取(1.33g，10mmol)四氢硼氮杂萘，加入20mL己烷。再取一100mL Schlenk瓶，加入(5.00g，22mmol)DDQ，抽真空，充氮气，反复三次，加入40mL己烷。将未成环化合物加入到DDQ中，设置油浴温度为60℃，加热搅拌6天。用砂芯漏斗过滤所得混合物，再用己烷洗涤沉淀3次，将所得溶液集中浓缩。过滤掉部分不溶物，抽干溶剂，得到白色类似萘味道的固体(0.22g，17％)。熔点：42.9-43.8。¹HNMR(400MHz，CDCl₃)：δ7.83(d，J＝6.9Hz，2H)，7.75(dd，J＝11，6.5Hz，2H)，7.49(d，J＝11Hz，2H)，6.77(t，J＝6.5Hz，2H).13CNMR(100MHz，CDCl₃)：δ138.3，134.0，132.1(bs)，114.3. ¹¹BNMR(128MHz，CDCl₃)：δ28.5. 

实施例5 

合成

合成方法：取硼氮杂萘(200mg，1.55mmol)，加入10mL二氯甲烷溶解。取AlCl₃(206mg，1.55mmol)，和NIS(350mg，1.55mmol)混合，抽真空充氮气三次，加入20mL二氯甲烷，置于-35℃下半小时，将硼氮杂萘加入到其中，低温下搅拌反应2小时，然后缓慢升至室温，搅拌反应过夜。处理方法：抽干溶剂，用己烷萃取剩余物，用砂芯漏斗过滤掉不溶物，洗涤不溶物3次，然后将所得溶液浓缩，柱色谱分离得到碘代硼氮杂萘，浅黄色固体，(295mg，75％)。熔点74.4-75.1。溴代，氯代同上。¹HNMR(400MHz，C₆D₆)：δ7.99(d，J＝7.0Hz，1H)，7.72(d，J＝7.0Hz，1H)，7.46(m，1H)，6.80(d，J＝7.0Hz，1H)，6.24(t，J＝7.0Hz，1H)，5.81(t，J＝7.0Hz，1H).¹³CNMR(100MHz，C₆D₆)：δ146.1，140.1，135.3(bs)，134.2，133.6，115.2，114.9.¹¹BNMR(128MHz，CDCl₃)：δ29.0.EI-MS(m/z，relative intensity)：255(M⁺，100)，254(24)，129(7)，128(39)，127(20)， 102(10)，101(35)，100(9)，75(25)，61(12). 

实施例6 

合成

硼氮杂萘(38.7mg，0.3mmol)，加入5mL二氯甲烷。另外取NBS(117.5mg，0.66mmol)，AlBr₃(176.0mg，0.66mmol)，加入10mL二氯甲烷，低温下将硼氮杂萘加入到NBS和催化剂中。低温反应2小时，然后缓慢到室温过夜。处理方法：同碘代。得到(68.9mg，80％)，棕黄色固体，熔点138.3-139.4。双氯合成同上。¹HNMR(400MHz，C₆D₆)：δ8.05(d，J＝7.0Hz，2H)，7.78(d，J＝7.0Hz，2H)，6.59(t，J＝7.0Hz，2H).¹³CNMR(100MHz，CDCl₃)：δ143.2，134.4，114.3. ¹¹BNMR(128MHz，CDCl₃)：δ25.9..EI-MS(m/z，relative intensity)：289(47)，288(26)，287(M⁺，100)，286(31)，285(73)，284(14)，206(33)，143(20)，127(23)，73(12). 

实施例7 

合成

AlCl₃(300mg，1.12mmol)，NBS(200mg，1.12mmol)装入Schlenk瓶抽真空充氮气三次。室温下加入10ml二氯甲烷作溶剂搅拌，冷浴下加入用二氯甲烷做溶剂溶解的4a，8a-硼氮杂萘，室温反应过夜。得到产物抽溶剂，己烷萃取，过滤，抽干，过色谱柱得到65％的白色晶体状粉末，熔点135.9～136.7。碘氯取代过程如上。¹HNMR(400MHz，CDCl₃)：δ8.00(d，J＝7.0Hz，1H)，7.79-7.66(m，3H)，6.64(t，J＝7.0Hz，1H).6.57(t，J＝7.0Hz，1H).¹³CNMR(100MHz，CDCl₃)：δ143.9，139.3，134.1，133.6，114.3，113.4.¹¹BNMR(128MHz，CDCl₃)：δ25.8.EI-MS(m/z，relative intensity)：243(100)，207(10)，162(26)，135(35)，117(28)，91(50)。 

实施例8 

一种合成4a，8a-硼氮杂萘及其衍生物的方法，采用以下步骤： 

1)将schlenk瓶内处于无水无氧氮气氛围环境置于-35～-78℃的低温环境； 

2)在低温环境下将三氯化硼加入二氯甲烷溶剂中，然后加入二烯丙基胺，在室温条件下反应并过夜； 

3)反应获得的产物在-35～-78℃的低温下与格式试剂反应，然后在室温条件下过夜； 

4)反应获得的产物在-35～-78℃的低温下与格拉布催化剂反应，然后在室温条件下过夜； 

5)反应获得的产物与二氯二氰基苯醌脱氢芳构化，在60℃油温搅拌反应一周； 

6)反应获得的产物与卤代丁二酰亚胺、三氯化铝避光反应，得4-卤代-4a，8a-硼氮杂萘产物和4，5-二卤代-4a，8a-硼氮杂萘，即为产品。 

步骤2)中三氯化硼与二氯甲烷的体积比为1∶4，二烯丙基胺与三氯化硼的摩尔比为2∶1。 

步骤2)制备得到的产物为二烯丙基氨基二氯化硼，减压0.133KPa，沸点25℃，产率55％，产物易发烟。 

步骤3)中所述的格氏试剂为烯丙基卤格式试剂，由烯丙基卤化物与镁屑的摩尔比为1∶2，引发剂为碘粒，溶剂为四氢呋喃，回流过夜，格式试剂浓度为0.75mol/L，所述的二烯丙基氨基二氯化硼与格氏试剂的摩尔比为1∶2。 

步骤3)制备得到的产物为二烯丙基氨基二烯丙基硼烷，减压0.133KPa，沸点50℃，产率70％。 

步骤4)中所述的格拉布催化剂用量为0.8mol％，制备得到的产物为四氢4a，8a-硼氮杂萘，减压0.133KPa，沸点20℃，产量80～90％。 

步骤5)中的反应产物与二氯二氰基苯醌的摩尔比为1∶2，采用己烷为溶剂。步骤5)反应结束后采用砂芯漏斗过滤所得混合物，再用己烷洗涤沉淀3次，将所得溶液集中浓缩过滤掉部分不溶物，抽干溶剂，得到白色类似萘味道的固体，产率17％，熔点：42.9-43.8℃。 

步骤6)中反应获得的产物与卤代丁二酰亚胺摩尔比为1∶1制备得到4-卤代-4a，8a-硼氮杂萘，与卤代丁二酰亚胺摩尔比为1∶2制备得到4，5-二卤代-4a，8a-硼氮杂萘。 

4-卤代-4a，8a-硼氮杂萘产物可以是4-碘代-4a，8a-硼氮杂萘、4-溴代-4a，8a-硼氮杂萘或4-氯代-4a，8a-硼氮杂萘；4，5-二卤代-4a，8a-硼氮杂萘产物为4，5-二氯代-4a，8a-硼氮杂萘、4，5-二溴代-4a，8a-硼氮杂萘、4，5-二碘代-4a，8a-硼氮杂萘、4-溴代-5-氯代-4a，8a-硼氮杂萘或4-碘代-5-氯代-4a，8a-硼氮杂萘。 

实施例10 

一种合成4a，8a-硼氮杂萘及其衍生物的方法，采用以下步骤： 

1)将schlenk瓶内处于无水无氧氮气氛围环境置于-35～-78℃的低温环境； 

2)在低温环境下将三氯化硼加入二氯甲烷溶剂中，然后加入二烯丙基胺，在室温条件下反应并过夜； 

3)反应获得的产物在-35～-78℃的低温下与格式试剂反应，然后在室温条件下过夜； 

4)反应获得的产物在-35～-78℃的低温下与格拉布催化剂反应，然后在室温条件下过夜； 

5)反应获得的产物与二氯二氰基苯醌脱氢芳构化，在60℃油温搅拌反应一周； 

6)反应获得的产物与卤代丁二酰亚胺、三氯化铝避光反应，得4-卤代-4a，8a-硼氮杂萘产物和4，5-二卤代-4a，8a-硼氮杂萘，即为产品。 

步骤2)中所述的三氯化硼与二氯甲烷的体积比为1∶6，所述的二烯丙基胺与三氯化硼的摩尔比为2∶1.1。 

步骤2)制备得到的产物为二烯丙基氨基二氯化硼，减压0.133KPa，沸点25℃，产率55％，产物易发烟。 

步骤3)中所述的格氏试剂为烯丙基卤格式试剂，由烯丙基卤化物与镁屑的摩尔比为1∶2，引发剂为碘粒，溶剂为四氢呋喃，回流过夜，格式试剂浓度为1.2mol/L，所述的二烯丙基氨基二氯化硼与格氏试剂的摩尔比为1∶2.2。 

步骤3)制备得到的产物为二烯丙基氨基二烯丙基硼烷，减压0.133KPa，沸点50℃，产率70％。 

步骤4)中所述的格拉布催化剂用量为3mol％，制备得到的产物为四氢4a，8a-硼氮杂萘，减压0.133KPa，沸点20℃，产量80～90％。 

步骤5)中的反应产物与二氯二氰基苯醌的摩尔比为1∶2，采用己烷为溶剂。步骤5)反应结束后采用砂芯漏斗过滤所得混合物，再用己烷洗涤沉淀3次，将所得溶液集中浓缩过滤掉部分不溶物，抽干溶剂，得到白色类似萘味道的固体，产率17％，熔点：42.9-43.8℃。 

步骤6)中反应获得的产物与卤代丁二酰亚胺摩尔比为1∶1.2制备得到4-卤代-4a，8a-硼氮杂萘，与卤代丁二酰亚胺摩尔比为1∶2.2制备得到4，5-二卤代 -4a，8a-硼氮杂萘。 

4-卤代-4a，8a-硼氮杂萘产物分别为4-碘代-4a，8a-硼氮杂萘、4-溴代-4a，8a-硼氮杂萘或4-氯代-4a，8a-硼氮杂萘；4，5-二卤代-4a，8a-硼氮杂萘产物为4，5-二氯代-4a，8a-硼氮杂萘、4，5-二溴代-4a，8a-硼氮杂萘、4，5-二碘代-4a，8a-硼氮杂萘、4-溴代-5-氯代-4a，8a-硼氮杂萘或4-碘代-5-氯代-4a，8a-硼氮杂萘。 

综上所述，可以看出，本发明不仅反应方法新颖，步骤简单，原料来源廉价易得，反应条件温和，副反应少，后处理过程简单高效。应当理解，这些实施例的用途仅用于说明本发明而非意欲限制本发明的保护范围。此外，也应理解，在阅读了本发明的技术内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动、修改和/或变型，所有的这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的保护范围。