硫酸亚铈催化的芳香化合物与苄基醇、烯丙醇类化合物以及苄基氯的傅-克烷基化反应研究

硫酸亚铈催化的芳香化合物与苄基醇、烯丙醇类化合物以及苄基氯的傅-克烷基化反应研究 硫酸亚铈催化的芳香化合物与苄基醇、烯丙醇类化合物以及苄基氯的傅-克烷基化反应 研究 2005年第25卷 第9期.1045~1048 有机化学 ChineseJournalofOrganicChemistry Vo1.25.2005 No.9.1045,1048 ? 研究? 硫酸亚铈催化的芳香化合物与苄基醇,烯丙醇类化合物以及苄基氯的 傅一克烷基化反应研究 李金恒木刘文杰梁云谢叶香 (湖南师范大学化学化工学院化学生物学与中药重点实验室长沙410081) 摘要硫酸亚铈作为一种便宜的和有效的催化剂催化芳香化合物与苄基醇,烯丙醇类化合物和苄基氯的傅一克烷基化 反应.在l,l0mo1%的硫酸亚铈存在下,芳香化合物分别与苄基醇,烯丙醇类化合物和苄基氯能够顺利有效地进行傅一 克烷基化反应.此外,催化剂能回收,再次使用三次也没有明显地失去催化活性. 关键词硫酸亚铈;芳香化合物:苄基醇;烯丙醇类化合物:苄基氯;傅一克烷基化反应 Ce2(S04)3--catalyzedFriedel--CraftsAlkylationofAromaticCom-- poundswithBenzylAlcohols,AllylAlcoholsandBenzylChlorides U,Jin—HengLIU,Wen—JieLIANG,YunXIE,Ye—Xiang (KeyLaboratoryofChemicalBiology&TraditionalChineseMedicineResearch,Colle geofChemistryandChemical Engineering,HunanNormalUniversity,Changsha410081) AbstractCe2(SO4)3wasusedasaninexpensiveandeffectivecatalystfortheFriedel— Craftsalkylationof aromaticcompoundswithbenzylalcohols,allylalcoholsandbenzylchlorides.Inthepresenc eof1,10 mo1%ofCe2(SO4)3,Friedel— Craftsalkylationreactionsofaromaticcompoundswithbenzylalcohols,allyl alcoholsandbenzylchlorideswerecarriedoutsmoothlyandefficiently.Moreover,thecataly stcouldbere— coveredandreusedthreetimeswithoutsignificantlossofactivity, KeywordsCe2(SO4)3;aromaticcompound;benzylalcohol;allylalcohol;benzylchloride;F riedel—Crafts alkylation 路易斯酸催化的傅一克烷基化反应【l~4】包括芳香化 合物与醇【3】的烷基化反应是在芳香环上引入烷基,构建 C—C键的重要方法之一.一般地,傅一克烷基化反应, 例如芳香化合物与醇的烷基化反应,通常需要大量的路 易斯酸和质子酸,如氯化铝,氯化锌,三氟化硼和氟化 氢等【3】.而路易斯酸和质子酸催化的烷基化反应不但要 求在严格的无水的条件下进行,而且产生大量的对环境 有毒的废物,更为重要的是催化剂很难回收重复利用. 近年来,由于环境等压力,人们把更多的注意投向发展 反应条件温和,高效,对水不敏感和对环境友好的路易 E-mail:jhli@hunnu.exlu.cn ReceivedJuly9.2004;revisedFebruary2,2005;acceptedMarch11.2005 国家自然科学基金(No.2O2O2OO2)资助项目. 斯酸来催化傅一克烷基化反应,如稀土盐【~4】.但是这方 面的研究主要集中在RE(OTf)催化的芳香化合物与醇 的傅,克烷基化反应.所有的RE(OTf)盐都能通过商业 途径上得到,但是其价格昂贵,因此,我们考虑使用价 格便宜,易于得到且对环境友好的普通稀土盐,例如 REC13和RE2(SO4)3等来代替RE(OTf)3催化傅一克烷基化 反应.据我们所知,只有Fujiwara和他的合作者研究过 利用ScC13和YbCl3作为催化剂催化烷基化反应,可是 没有成功[4】.通过一系列的实验,我们发现芳香化合物 与苄基醇,烯丙醇类化合物和苄基氯的傅一克烷基化反 1046有机化学Vo1.25,2005 应能够在催化量的Ce2(so4)3的条件下有效地进行 1结果与讨论 1.1硫酸亚铈催化的芳香化合物与苄基醇的傅一克烷 基化反应 在催化量的硫酸亚铈存在下,芳香化合物ladle 与苄基醇2a~2c能够顺利地发生傅一克烷基化反应并得 到较好产率的相应产物3a~3i,结果如反应式(1)和表1 所示. 首先,我们以苯(1a)与苯甲醇(2a)的傅一克烷基化反 应作为模板来检测硫酸亚铈的催化活性f表1中Entries 1--4).反应结果显示在硫酸亚铈催化的傅一克烷基化反 应中,反应温度起着关键的作用.在10mo1%的硫酸亚 铈存在下,常温下反应一整晚也没有产物生成:然而在 回流的温度下反应产物3a的产率为30%,当反应温度 升到125?时产物3a的产率显着地增加到85%(表1中 Entries1,3).有趣的是,硫酸亚铈回收重复使用三次 仍然保持着较好催化活性,在三次的使用中产物3a的 产率分别为84%,81%和82%.当硫酸亚铈的量降到1 mo1%时,尽管需要延长反应时间,但la和2a仍能够顺 利地反应得到较好产率(表1中Entry4).在125?和10 mo1%的硫酸亚铈条件下,反应整晚芳香化合物lb--le 分别和苯甲醇(2a)的烷基化反应得到相应产物3b--3e 的产率依次为93%,56%,84%和87%.在同样的条件下 我们还研究芳香化合物la和1d分别与对甲基苯甲醇 (2b)和1.苯基乙醇(2c)的烷基化反应,它们的相应产物 3g~3i的产率分别为81%,61%和50%(表1中Entries 10,12).但是,带吸电子基团的芳香族化合物在该条 件下不发生傅一克烷基化反应,例如苯甲酸甲酯(1f)与苯 甲醇(2a)(表1中Entry91. R11 1aR1=H lbR1=Me 1cR1=CI R3 I 表1硫酸亚铈催化的芳香化合物与苄基醇的傅一克烷基化反 应. Table1Ce2(504)3?catalyzedFriedel?Craftsalkylationofal'o? maticswithbenzylalcohols Reactionconditions:1(5mL),2(1mmo1),Ce2(S04)3(iotoo1%,hydrate)in asealedtubeat125?overnight.Isolatedyield.Ratiosofp/o—isomers giveninparenthesesweredeterminedbyHNMR.Atroomtemperature. Reflux.Ce2(SO4)3(1mo1%)for72h. 1.2硫酸亚铈催化的芳香化合物与烯丙醇类化合物的 傅一克烷基化反应 我们研究了芳香化合物与烯丙醇类化合物的傅一克 烷基化反应,反应结果如反应式(2)所示.在10mo1%的 硫酸亚铈存在下,芳香化合物la和1b分别与2.丁烯醇 (4a)在125?的温度下反应整晚能够Jl~lJ地发生傅一克 烷基化反应,得到其相应的产物3j和3k的产率分别为 81%和99%.然而,在10too1%的硫酸亚铈存在下苯(1a) 与烯丙醇(4b)反应不干净,所得产物复杂. + 洲Ce2(SO4)3 R2 2aR=R:H 2bR2=4- Me.R3=H 2cR=H.R3=Me ldR1:1 , 4-Me2 leR1=1 , 3-Me2 1fR1=COOCH3 3 3aR'=R=R0=H 3bR0=Me.Rz=R:H 3cR.=C1.R=R=H 3dR'=1 , 4-Me2,R2=R0=H 3eR.:1.3一Me2.R==H 3fR.=COOCH,.:R=H 3gR.=H. R=4一Me.R3=H 3hR.=R=HR=Me 31R.=1,4一Me2,R2=H. R=Me No.9李金恒等:硫酸亚铈催化的芳香化合物与苄基醇,烯丙醇类化合物以及苄基 氯……1047 +/OH0e2(SO4)3(10mo1%) 125.C.overnight 1(5mL)4a(1mmo1) 1aR1=H lbR1=1, 4一Me2 3 aiR'=H(81%) 3kR'=1 ,4一Me2(99%) 1.3硫酸亚铈催化的芳香化合物与苄基氯的傅一克烷 基化反应 在10mo1%的硫酸亚铈存在下,我们还研究了芳香 化合物ladle分别与苄基氯(5a和Sb)傅一克烷基化反 应.实验结果表明,芳香化合物ladle与苄基氯也能够 顺利地反应得到中等产率的相应产物3a~3e,但是苄 基氯的活性弱于醇(苄基醇和2.丁烯醇),实验结果如表 2所示.例如苯(1a)分别与苄基氯5a和对甲基苄基氯5b 反应,所得产物3a和3b的产率分别为54%和51%(表2 中Entries1和6). 表2硫酸亚铈催化的芳香化合物与苄基氯的傅一克烷基化反 应 Table2Ce2(504)3一catalyzedFriedel—Craftsalkylationofaro— maticcompoundswithbenzylchlorides R … 15 R囝/\ 3 Reactionconditions:1(5mL),5(1mmo1),Ce2(SO4)3(10mo1%,hydrate)in asealedtubeat125?overnight.Ratiosofp/o—isomersgiveninparenthe— sesweredeterminedbyIHNMR. 总之.我们发展了一种高效廉价的硫酸亚铈催化剂 催化芳香化合物与苄基醇,烯醇和苄基氯的傅一克烷基 化反应.该催化剂不但高效廉价,而且适用底物广:在 1,10mo1%的硫酸亚铈存在下,芳香化合物分别与苄 基醇,烯醇和苄基氯能够顺利有效地进行傅一克烷基化 反应.更为重要的是该硫酸亚铈催化剂可以回收重复使 用. 2实验部分 2.1仪器与试剂 产物组成分析用INOVA.400(VARIAN)型核磁共 振仪,内标为TMS,溶剂为CDC13.所有试剂均为分析 纯. 2.2硫酸亚铈催化傅一克烷基化反应的典型实验操作 将1(5mL),2(1mmo1)和硫酸亚铈(10mo1%)~JI]入 于一封管中,在125?温度下搅拌一整晚,经过常规的 处理后,粗产品经硅胶柱层析纯化得到3(洗脱液为正己 烷或正己烷/乙酸乙酯). 2.3产物结构分析 二苯基甲烷(3a)【:无色油状物;HNMR(400 MHz):7_28,7.24(m,4H),7.19,6.94(m,6H),3.96(s, 2H);"CNMR(100MHz):141.1,128.9,128.4,126.0, 41.9;MS(70eV)m/z(%):167(M一1,100),149(7O). (对甲基苄基)苯和(邻甲基苄基)苯(3b):无色油状 物:P-3b:o-3b=1.5:1:HNMR(400MHz):7.26, 7.24(m,IH),7.19,7.01(m,8H),3.98(s,0.6×2H),3.93 (s,O.4×2H),2.30(s,0.6×3H),2.23(s,0.4×3H);"C NMR(100MHz):141.3,140.3,138.9,138.0,136.6, 135.5,130.2,129.9,125.9,41.8,41.4,39.4,21.0,19.6;MS (70eV)m/z(%):182(M,100),167(65). (对氯苄基)苯和(邻氯基苄基)苯(3c)t:无色油状物; p-3c:D一3c=1.5:1:HNMR(400MHz):7.38,7.10 (m,9H),4.11(s,0.4×2H),3.94(s,0.6×2H);"CNMR (100MHz):140.5,139.5,139.4,138.6,131.8,131.0, 130.2,129.5,128.9,1288,128.5,128.4,127.6,126.2,41.2, 39.1;MS(70eV)m/z(%):170(M,100),135(35). (1,5.二甲基苄基)苯(3d)t:浅黄色油状物;HNMR (400MHz):7.26(d'J=7.2Hz,2H),7.17(t,I厂=8.8Hz, 1H),7.11(d,J=7.2Hz,2H),7.04(d,I,=8.4Hz,1H),6.95 (d'J=7.2Hz,1H),6.92(s,1H),3.94(s,2H),2.28(s,3H), 2.17(s,3H);"CNMR(100MHz):140.8,138.9,135.6, 133.7,131.0,130.5,129.0,128.6,127.4,126.1,39.7,21.3, 19.5;MS(70eV)m/z(%):196(M,100),181(7O). (1,4.二甲基苄基)苯和(1,6.二甲基苄基)苯(3e)t:浅 黄色油状物;1,4.3e:1,6.3e=3.6:1:HNMR(400 MHz):7.3O,6.95(m,8H),4.06(s,0.23×2H),3.94(s, O.77×2H),2.30(s,3H),2.24(s,2H),2.20(s,lH);3C NMIR(100MHz):140.6,139.7.137.1.136.8.136.4, 135.8,131.0,129.8,128.8,128.6.128.3,128.1.128.0, 1048有机化学V.o1.25.20o5 126.7,126.6,126.3,125.8,125.7,39.O,35.O,2O.9,2O.2, 19.6;MS(70eV)m/z(%):196(M,100),181(59). [(甲基苯基)苄基】苯(3g)陋]:无色油状物;HMR (400MHz):7.29,7.22(m,2H),7.2O,7.17(m,2H), 7.1O,7.05(m,4H),6.99,6.70(m,1H),3.94(s,2H), 2.31(s,3H);CNMR(100MHz):141.4,138.O,135.5, 129.1,129.0,128.8,128.4,125.9,41.5,21.O;MS(70eV) m/z(%):182(M,1oo),167(65). 1,1一二苯基乙烷(3h)[9】.无色油状物;HMR(400 MHz):7-35,7.26(m,10H),3.64,3.61(m,1H),1.46 (d,J=7.2Hz,3H);CNMR(100MHz):135.1,128.4, 127-3,126.1,42.5,21.2;MS(70eV)m/z(%):182(M, 1oo1.177(551. 1一(2,5一二甲基苯基)一1.苯基乙烷(3i)【l0]:无色油状 物;HNMR(400MHz):7_3O,6.94(m,8H),4.27(m, 1H),2.31(s,3H),2.28(s,3H),1.59(d,J=7.2Hz,3H); "CNMR(100MHz):146.3,143.7,135.3,130.3,128.5, 126.3,127-4,126.8,126.2,125.8,40.9,22.2,21.3,19.4; MS(70eV)m/z(%):210(M,1oo),195(36). 1一苯基.2一丁烯(3j):无色油状物;HMR(400 MHz):7-29,7.10(m,5H),5.57,5.46(m,2H),3.33(d, .,=6.4Hz,2H),1.68(d,.,=6.0Hz,3H);CNMR(100 MHz):141.0,130.0,128.4,128.3,126.3,125.8,39.0, 17.9;MS(70eV)m/z(%):132(M,25),117(100). 1-(1,5一二甲基苯基).2一丁烯(3k)口:无色油状物;H NMR(400MHz):7.O3,6.91(m,3H),5.58,5.34(m, 2H),3.25(d,.,=6.4Hz,2H),2.25(s,3H),2.24(s,3H), 1.67(d,.,:6.4Hz,3H);"CNMR(1ooMHz):136.8, 135.3,133.0,129.9,129.2,1289,126.7,126.0,36.5,20.9, 18.8,17.9;MS(70eV)m/z(%):160(M,29),145(100). 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