1-氮杂-5-锗碳双环3.3.3十一烷笼状化合物及其制备方法和用途

摘要

本发明涉及具有下式(I)所示结构的1‑氮杂‑5‑锗碳双环[3.3.3]十一烷笼状化合物及其制备方法和用途，其中M如本文中所定义。本发明笼状化合物性质稳定，可以在空气中稳定地存在；同时，本发明的笼状化合物的制备方法填补了氮杂全碳笼状锗硼烷和氮杂全碳笼状锗硅烷制备方面的空白，并且本发明的笼状化合物能够用于不饱和有机分子体系中添加或掺入锗硅烷或锗硼烷化合物等，从而能够获得具有更大应用价值的新型有机金属化合物。

说明书

技术领域

本发明属于有机金属-金属化合物的制备领域，更具体地涉及1-氮杂-5-锗碳双环[3.3.3]十一烷笼状化合物及其制备方法和用途。

背景技术

1960年，Ryschkewitsch课题组报道了第一个含有硅硼键的化合物及其制备方法(参见：Ryschkewitsch G.E，J.Am.Chem.Soc.1960，82，501)。

由于硅硼烷的制备效果不理想，直到21世纪初才对它们的反应性进行了探索。2000年，Ito课题组揭示了新的制备二醇基硅硼烷的方法，使用易于获得的硼前体与硅锂试剂反应，并且该方法已成功地应用于相关开链锗硼烷的合成(参见：Michinori Suginome，Takanori Matsud a，Yoshihiko Ito，Organometallics.2000，19，4647-4649)。硅硼烷的合成及应用已经非常成熟，例如不饱和体系中加入硅硼烷选择性的引入硅或硼基(参见：Martin Oestreich，Eduard Hartmann，and Marius Mewal d.Chem.Rev.2013，113，402-441)，而开链锗硼烷化合物相比较硅硼烷可能由于活性较低并没有相关应用。

此外，近年来随着有机锗试剂的不断发展，笼状锗试剂也随之不断发展，由于氮原子对锗的配位作用，使得锗笼离去之后可以成为稳定的碳正离子，增加了有机锗试剂的活性，比如含氧笼状锗试剂发展及应用(参见：Hai-Jie Song，Wei-Tao Jiang，Qiao-LanZhou，Meng-Yu Xu，and Bin Xiao.ACS Catal.2018，8，9287-9291)。而后发展的氮杂全碳笼状锗比含氧碳杂笼状锗活性高，因此具有更高的合成和利用价值，更重要的是氮杂全碳笼状锗已经证明在交叉偶联中有很高的反应活性(参见Meng-Yu Xu，Wei-Tao Jiang，YingLi，Qing-Hao Xu，Qiao-Lan Zhou，Shuo Yang，and Bin Xiao J.Am.Chem.Soc.2019，141，7582-7588及Wei-Tao Jiang，Meng-Yu Xu，Shuo Yang，Xiu-Ying Xie，and Bin XiaoAngew.Chem.Int.Ed.2020，59，1-6)。

所以不饱和有机分子中添加锗硅烷、锗硼烷，导致含锗的新型有机金属化合物，是有机笼状锗试剂合成的重要方法，因此，本领域对于能够在不饱和有机分子体系中添加或掺入锗硅烷或锗硼烷化合物的新型中间体化合物及其制备方法存在需要。

发明内容

本发明的目的是提供新型的氮杂锗杂全碳二环笼状化合物，其能够发挥氮杂全碳链笼状结构的优点。

更具体地，本发明的目的是提供新型的1-氮杂-5-锗碳双环[3.3.3]十一烷笼状化合物，此类化合物能够在不饱和有机分子体系中添加或掺入锗硅烷或锗硼烷化合物。例如，将此类笼状化合物添加到不饱和有机分子中，引入锗基、硼基或硅基从而得到新型有机金属化合物。本发明还提供锗硼烷化合物的通用制备方法，同时发挥氮杂全碳链笼状结构的优点。

为此，在一个方面，本发明提供了一种式(I)的1-氮杂-5-锗碳双环[3.3.3]十一烷笼状化合物，

其中M是

在优选的实施方案中，所述笼状化合物是5-(4’，4’，5’，5’-四甲基-1’，3’，2’-二氧杂环戊硼烷-2’-基)-1-氮杂-5-锗碳双环[3.3.3]十一烷或5-(苯基二甲基硅基)-1-氮杂-5-锗碳双环[3.3.3]十一烷。

在另一个方面，本发明提供了一种用于制备前述笼状化合物的方法，所述方法包括：

在惰性气氛下，使联硼酸酯与金属试剂在溶剂中于-10～5℃下反应10～60分钟；然后再加入1-氮杂-5-锗杂-5-卤代二环[3.3.3]十一烷并在氯化亚铜的存在下于室温下反应10-15小时，其中所述金属试剂是甲基锂试剂、正丁基锂试剂或甲基氯化镁试剂；或者

在惰性气氛下，使用苯基二甲基氯硅烷与金属锂在溶剂中于室温下反应10-15小时，然后加入1-氮杂-5-锗杂-5-卤代二环[3.3.3]十一烷于室温反应0.5-5小时，接着于50-80℃反应0.5-5小时。

在优选的实施方案中，所述方法包括：

在惰性气氛下，使联硼酸频那醇酯与金属试剂在溶剂中于0℃下反应0.5-1小时，然后再加入1-氮杂-5-锗杂-5-溴二环[3.3.3]十一烷并在氯化亚铜的存在下于室温下反应12-14小时，由此得到5-(4’，4’，5’，5’-四甲基-1’，3’，2’-二氧杂环戊硼烷-2’-基)-1-氮杂-5-锗碳双环[3.3.3]十一烷；或者

在惰性气氛下，使用苯基二甲基氯硅烷与金属锂在溶剂中于室温下反应12-14小时，然后加入1-氮杂-5-锗杂-5-溴二环[3.3.3]十一烷于室温反应1-2小时，接着于60-80℃反应1-2小时，由此得到5-(苯基二甲基硅基)-1-氮杂-5-锗碳双环[3.3.3]十一烷。

在优选的实施方案中，使用的金属试剂与联硼酸酯的摩尔比为1～2∶1。

在优选的实施方案中，使用的联硼酸酯与1-氮杂-5-锗杂-5-卤代二环[3.3.3]十一烷的摩尔比为1.5～2.5∶1。

在优选的实施方案中，使用的氯化亚铜与1-氮杂-5-锗杂-5-卤代二环[3.3.3]十一烷的摩尔比为0.2～0.5∶1。

在优选的实施方案中，使用的苯基二甲基氯硅烷与1-氮杂-5-锗杂-5-卤代二环[3.3.3]十一烷的摩尔比为2～5∶1。

在优选的实施方案中，使用的金属锂与1-氮杂-5-锗杂-5-卤代二环[3.3.3]十一烷的摩尔比为2～5∶1，并且使用的金属锂与苯基二甲基氯硅烷的摩尔比为1～2∶1。

在另一个方面，本发明提供了上述笼状化合物作为中间体用于在不饱和有机分子体系中添加锗硅烷或锗硼烷化合物的用途。

本发明笼状化合物性质稳定，可以在空气中稳定地存在。本发明的笼状化合物的制备方法填补了氮杂全碳笼状锗硼烷和氮杂全碳笼状锗硅烷制备方面的空白，并且本发明的笼状化合物能够用于在不饱和有机分子体系中添加或掺入锗硅烷或锗硼烷化合物等，从而得到具有更多应用价值的新型有机金属化合物。由于碳杂笼状锗重要性不断提升，所以制备含笼状锗的各类化合物存在需要，尤其是手性锗化合物的合成，所以此类化合物为有机笼状锗的合成提供重要的中间体。

附图说明

图1为根据本发明制备的5-(4’，4’，5’，5’-四甲基-1’，3’，2’-二氧杂环戊硼烷-2’-基)-1-氮杂-5-锗碳双环[3.3.3]十一烷化合物的氢核磁共振谱图；

图2为根据本发明制备的5-(4’，4’，5’，5’-四甲基-1’，3’，2’-二氧杂环戊硼烷-2’-基)-1-氮杂-5-锗碳双环[3.3.3]十一烷化合物的硼核磁共振谱图；

图3为根据本发明制备的5-(4’，4’，5’，5’-四甲基-1’，3’，2’-二氧杂环戊硼烷-2’-基)-1-氮杂-5-锗碳双环[3.3.3]十一烷化合物的碳核磁共振谱图；

图4为根据本发明制备的5-(苯基二甲基硅基)-1-氮杂-5-锗碳双环[3.3.3]十一烷化合物的氢核磁共振谱图；

图5为根据本发明制备的5-(苯基二甲基硅基)-1-氮杂-5-锗碳双环[3.3.3]十一烷化合物的碳核磁共振谱图。

具体实施方式

为了获得能够在不饱和有机分子体系中添加或掺入锗硅烷或锗硼烷化合物的新型中间体化合物，本发明人经过深入探索，获得了制备锗硼烷的通用笼状化合物及其制备方法，并且结合氮杂全碳笼状结构的优点，重点设计并合成了以下1-氮杂-5-锗碳双环[3.3.3]十一烷笼状化合物，其实例是5-(4’，4’，5’，5’-四甲基-1’，3’，2’-二氧杂环戊硼烷-2’-基)-1-氮杂-5-锗碳双环[3.3.3]十一烷化合物和5-(苯基二甲基硅基)-1-氮杂-5-锗碳双环[3.3.3]十一烷化合物。

本发明提供的1-氮杂-5-锗碳双环[3.3.3]十一烷笼状化合物具有下式(I)的结构：

其中M是

本发明的笼状化合物能够通过以下方法制备，所述方法包括：

当式(I)中的M是

当式(I)中的M是-SiMe

优选地，当式(I)中的M是

优选地，当式(I)中的M是-SiMe

优选地，在本发明的方法中，使用的金属试剂与联硼酸酯或联硼酸频那醇酯的摩尔比为1～2∶1。本发明的发明人已发现，当该摩尔比处于上述范围内时，能够使得联硼酸频那醇酯与金属试剂良好完全反应，并且该摩尔比最优选为1∶1。相反，如果金属试剂过多，会导致试剂浪费和成本升高，而如果联硼酸频那醇酯过量，则会导致反应结束后的后续处理繁琐复杂。

优选地，在本发明的方法中，使用的联硼酸酯或联硼酸频那醇酯与1-氮杂-5-锗杂-5-卤代二环[3.3.3]十一烷的摩尔比为1.5～2.5∶1。本发明的发明人已发现，当该摩尔比处于上述范围内时，能够以较高的收率获得所需的产物；反之，则所需产物的收率会降低。

优选地，在本发明的方法中，使用的氯化亚铜与1-氮杂-5-锗杂-5-卤代二环[3.3.3]十一烷的摩尔比为0.2～0.5∶1。本发明的发明人已发现，当该摩尔比处于上述范围内时，能够以较高的收率获得所需的产物；反之，则所需产物的收率会降低。

优选地，在本发明的方法中，使用的金属锂与苯基二甲基氯硅烷的摩尔比为1～2∶1。本发明的发明人已发现，当该摩尔比处于上述范围内时，能够使得金属锂与苯基二甲基氯硅烷良好完全反应，并且该摩尔比最优选为1∶1。相反，如果该摩尔比不在上述范围内，则会导致诸如反应试剂浪费、成本升高、后续处理繁琐等问题。

优选地，在本发明的方法中，使用的苯基二甲基氯硅烷与1-氮杂-5-锗杂-5-卤代二环[3.3.3]十一烷的摩尔比为2～5∶1。本发明的发明人已发现，当该摩尔比处于上述范围内时，能够以较高的收率获得所需的产物；反之，则所需产物的收率会降低。

优选地，在本发明的方法中，使用的金属锂与1-氮杂-5-锗杂-5-卤代二环[3.3.3]十一烷的摩尔比为2～5∶1。本发明的发明人已发现，当该摩尔比处于上述范围内时，能够以较高的收率获得所需的产物；反之，则所需产物的收率会降低。

优选地，在本发明方法中，使用的溶剂可以为选自四氢呋喃、二氯甲烷和正己烷中的一种或多种。更优选地，在本发明的方法，使用的溶剂为无水四氢呋喃。

优选地，在本发明方法中，联硼酸酯原料经过石油醚进行重结晶纯化。

优选地，在本发明方法中，氯化亚铜使用盐酸纯化。更具体地，在锥形瓶中加入5g氯化亚铜固体，倒入50ml的浓盐酸后，在磁力搅拌下搅拌约1分钟，然后倒入100ml水后，析出白色固体，过滤，并用乙醇和乙醚洗涤，最后干燥，即可得到经盐酸纯化后的氯化亚铜。

优选地，本发明的方法在Schlenk瓶中进行，以方便地控制反应中所需的惰性气氛。

优选地，在本发明方法中，使用的惰性气氛可以是氮气氛、氩气氛等等。

通过本发明上述方法制备的1-氮杂-5-锗碳双环[3.3.3]十一烷笼状化合物易分离，并且对空气稳定或者在空气中能够稳定地存在。

通过利用本发明的1-氮杂-5-锗碳双环[3.3.3]十一烷笼状化合物，其可以作为中间体用于在不饱和有机分子体系中添加锗硅烷或锗硼烷化合物。

下面结合具体的实施例对本发明进行具体描述，但是这些实施例不是用于限制本发明的保护范围。

实施例1：5-(4’，4’，5’，5’-四甲基-1’，3’，2’-二氧杂环戊硼烷-2’-基)-1-氮杂-5-锗碳双环[3.3.3]十一烷的制备

在氩气气氛下，向带有磁力搅拌装置的Schlenk瓶中称取联硼酸频那醇酯(得自毕得医药)1.5g，抽换氩气三次，然后在氩气气氛下，加入无水四氢呋喃15ml。于0℃下，滴加甲基锂试剂(1.6M/L四氢呋喃溶液)(得自百灵威科技有限公司)3.8ml，于此温度下反应30分钟。

在氩气气氛下，向另一个Schlenk瓶中称取1-氮杂-5-锗杂-5-溴二环[3.3.3]十一烷0.876g(根据文献J.Am.Chem.Soc.2019，141，7582-7588在实验室自制)以及用盐酸纯化后的氯化亚铜(得自国药试剂)119mg，抽换氩气三次，加入无水四氢呋喃15ml。

然后，在氩气气氛下，将1-氮杂-5-锗杂-5-溴二环[3.3.3]十一烷及氯化亚铜的混合溶液加入联硼酸频那醇酯与甲基锂的反应液中，室温，反应12小时。

使用10ml的饱和氯化铵水溶液(得自国药试剂)淬灭反应，使用旋转蒸发仪除掉溶剂四氢呋喃，用石油醚(20ml x3)萃取三次，用无水硫酸钠(得自国药试剂)干燥，通过硅藻土过滤，旋干，最后连接油泵，将圆底烧瓶放在100℃下抽掉多余的联硼酸频那醇酯，得到标题化合物0.86g(纯度接近100％，收率为84％)，为白色固体。

采用Bruker核磁共振仪对本实施例所获得的5-(4’，4’，5’，5’-四甲基-1’，3’，2’-二氧杂环戊硼烷-2’-基)-1-氮杂-5-锗碳双环[3.3.3]十一烷进行氢、硼、碳核磁测试，其中使用的氘代试剂为氘代氯仿(CDCl

实施例2：5-(4’，4’，5’，5’-四甲基-1’，3’，2’-二氧杂环戊硼烷-2’-基)-1-氮杂-5-锗碳双环[3.3.3]十一烷的制备

以与实施例1完全相同的制备过程，只是其中使用正丁基锂代替甲基锂试剂作为金属试剂。结果与实施例1相同，其中以接近100％的纯度和约70％的收率获得了标题化合物。

实施例3：5-(4’，4’，5’，5’-四甲基-1’，3’，2’-二氧杂环戊硼烷-2’-基)-1-氮杂-5-锗碳双环[3.3.3]十一烷的制备

以与实施例1完全相同的制备过程，只是其中使用甲基氯化镁代替甲基锂试剂作为金属试剂。结果与实施例1相同，其中以接近100％的纯度和约89％的收率获得了标题化合物。

实施例4：5-(苯基二甲基硅基)-1-氮杂-5-锗碳双环[3.3.3]十一烷化合物的制备

在氩气气氛下，将带有磁力搅拌装置的Schlenk瓶抽换氩气三次，向Schlenk瓶加入金属锂碎屑(得自科路得)35mg。然后，在氩气气氛下，加入无水四氢呋喃5ml，再加入苯基二甲基氯硅烷(得自安耐吉)934μl，于室温下反应12小时，反应后溶液呈暗红色。

在氩气气氛下，向另一个Schlenk瓶中称取1-氮杂-5-锗杂-5-溴二环[3.3.3]十一烷0.292g，抽换氩气三次。然后，使用注射器，加入之前制备的金属锂与苯基二甲基氯硅烷的反应液，并在室温反应1.5小时。然后，水浴升温至60℃并再反应1.5小时。

用10ml的饱和氯化铵(得自国药试剂)水溶液淬灭反应，使用旋转蒸发仪除掉溶剂四氢呋喃，用石油醚(20mlx3)萃取三次，用无水硫酸钠干燥，然后以石油醚为展开剂(Rf＝0.8)进行柱层析分离，旋干，得到0.29g标题化合物(纯度为100％，收率83％)，为无色油状液体。

采用Bruker核磁共振仪对本实施例所获得的5-(苯基二甲基硅基)-1-氮杂-5-锗碳双环[3.3.3]十一烷的氢、碳核磁测试，其中使用的氘代试剂为氘苯(C

实施例5：5-(4’，4’，5’，5’-四苯基-1’，3’，2’-二氧杂环戊硼烷-2’-基)-1-氮杂-5-锗碳双环[3.3.3]十一烷的制备

在氩气气氛下，向带有磁力搅拌装置的Schlenk瓶中称取4，4，4’，4’，5，5，5’，5’-八苯基-2，2’-双(1，3，2-二氧杂环戊硼烷)4.5g，抽换氩气三次，然后在氩气气氛下，加入无水四氢呋喃15ml。于0℃下，滴加甲基锂试剂(1.6M/L四氢呋喃溶液)(百灵威科技有限公司)3.8ml，于此温度下反应30分钟。

在氩气气氛下，向另一个Schlenk瓶中称取1-氮杂-5-锗杂-5-溴二环[3.3.3]十一烷0.876g(根据文献J.Am.Chem.Soc.2019，141，7582-7588在实验室自制)以及用盐酸纯化后的氯化亚铜(得自国药试剂)119mg，抽换氩气三次，加入无水四氢呋喃15ml。

然后，在氩气气氛下，将1-氮杂-5-锗杂-5-溴二环[3.3.3]十一烷及氯化亚铜的混合溶液加入4，4，4’，4’，5，5，5’，5’-八苯基-2，2’-双(1，3，2-二氧杂环戊硼烷)与甲基锂的反应液中，室温，反应12小时。

使用10ml的饱和氯化铵水溶液(得自国药试剂)淬灭反应，使用旋转蒸发仪除掉溶剂四氢呋喃，用乙酸乙酯(20mlx3)萃取三次，用无水硫酸钠(得自国药试剂)干燥，通过硅藻土过滤，旋干，最后连接油泵，将圆底烧瓶放在100℃下抽掉多余的联硼酸酯，得到白色固体产物1.1g(纯度约90％，收率为约63％)，并且经上述的核磁共振检测，证实为标题化合物。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和修饰，这些改进和修饰也应视为在本发明的保护范围内。