通過在摻硼金剛石陽極上使未活化或去活化的芳族體系直接電化學胺化以製備1,5‑二氨基萘和1‑氨基‑5‑硝基萘的方法與流程
2023-08-07 20:03:16 2
1，5-二氨基萘(2)特別是用於製備1，5-萘二異氰酸酯(1)的重要中間體(圖1)。此芳族二異氰酸酯是用於高強度聚氨酯的重要的基礎結構單元。
1，5-萘二異氰酸酯的工業合成起始自轉化為1，5-萘二磺酸(4)的萘(3)。1，5-萘二磺酸在鹼熔體中轉化為1，5-二羥基萘(5)，其接著在布赫爾反應中轉化為二胺2。隨後進行光氣化以得到1，5-萘二異氰酸酯(1)。1，5-萘二異氰酸酯的此經典合成示於圖示1中。
這裡描述的工藝的嚴重缺點是在萘的磺化時形成異構體混合物。除了所希望的1，5-化合物之外，還得到另外的二磺酸和三磺酸。這伴隨著基於使用的萘計的高收率損失。在形成二羥基化合物的反應中嚴苛且腐蝕性的條件代表了所述經典工藝的另外的缺陷。所述多個合成步驟伴隨著耗時的中間體後處理。此外，由於多個工藝階段而產生高的能源成本。日漸緊缺的原料和環境保護的上升的重要性因此要求用於製備1，5-二氨基萘(2)的新的合成策略。
本發明的目的是提供環保且同時廉價地得到在1，5位二取代的萘衍生物，特別是1，5-二氨基萘的途徑。高強度聚氨酯的重要前體，即1，5-二氨基萘的競爭性合成製備可導致這些堅固且耐用的聚合物更廣泛的使用。
本發明提供一種使用摻硼金剛石陽極使未活化或去活化的芳族體系進行氧化性電化學胺化的方法。
去活化的芳族體系被理解為是指其環中的電子密度由於取代基的誘導效應和/或中介效應而降低的取代的芳族化合物。未活化的芳族體系被理解為是指未取代的芳族化合物。如果取代的芳族化合物既具有由於誘導效應和/或中介效應降低環中的電子密度的取代基也具有由於誘導效應和/或中介效應增加環中的電子密度的取代基，當環中的電子密度整體降低時，該類芳族化合物屬於根據本發明定義的去活化芳族體系。
在本發明的方法中，使用萘、在1位取代的萘衍生物以及多環的稠合芳族化合物(≥3環)和二環或多環的且在環中具有至少一個氮原子或氧原子的稠合雜芳族化合物作為去活化或貧電子芳族體系。在1位取代的萘衍生物包括，例如，1-硝基萘、1-氰基萘和1-烷氧基羰基萘或芳氧基羰基萘。稠合芳族化合物的實例是蒽、菲、、芘、苝和蔻。雜芳族化合物的實例是喹啉、異喹啉、酞嗪、喹唑啉、萘啶、吖啶、吩嗪、菲啶和菲咯啉，例如1，7-或1，10-菲咯啉。
優選萘和在1位取代的萘衍生物，特別優選萘和1-硝基萘。
本發明提供一種在摻硼金剛石陽極上使
a)1-硝基萘、1-氰基萘、1-烷氧基羰基萘或1-芳氧基羰基萘在5位，或
b)萘在1和5位
進行氧化性電化學胺化的方法。
優選1-硝基萘在5位或萘在1和5位的胺化。
可考慮的胺化試劑尤其是吡啶及其取代和稠合的衍生物如甲基吡啶(2-、3-和4-甲基吡啶)、二甲基吡啶(2，3-、2，4-、2，5-、2，6-、3，4-和3，5-二甲基吡啶)和三甲基吡啶(2，3，4-、2，3，5-、2，3，6-、2，4，5-、2，4，6-和3，4，5-三甲基吡啶)、具有混合的烷基取代基的吡啶，例如5-乙基二甲基吡啶及其異構體，以及喹啉和異喹啉。
本發明提供一種使用摻硼金剛石陽極使用吡啶、一種或多種甲基吡啶異構體、一種或多種二甲基吡啶異構體、一種或多種三甲基吡啶異構體、喹啉、異喹啉或這些化合物的混合物作為胺化試劑使未活化或去活化的芳族體系進行氧化性電化學胺化的方法。
本發明同樣提供一種使用摻硼金剛石陽極使用吡啶、一種或多種甲基吡啶異構體、一種或多種二甲基吡啶異構體、一種或多種三甲基吡啶異構體、一種或多種具有混合的烷基取代基的吡啶異構體、喹啉、異喹啉或這些化合物的混合物，優選5-乙基二甲基吡啶和/或一種或多種其異構體作為胺化試劑使未活化或去活化的芳族體系進行氧化性電化學胺化的方法。
本發明提供一種在硼摻雜的陽極上使用吡啶、一種或多種甲基吡啶異構體、一種或多種二甲基吡啶異構體、一種或多種三甲基吡啶異構體、喹啉、異喹啉或這些化合物的混合物作為胺化試劑使
a)1-硝基萘、1-氰基萘、1-烷氧基羰基萘或1-芳氧基羰基萘在5位，或
b)萘在1和5位
進行電化學胺化的方法。
優選的胺化試劑是吡啶。
一系列帶有質子的親核試劑對於隨後的使(一個或多個)伯氨基團游離(Freisetzung)的反應是原則上合適的，可以提及的是水、氫氧化物、氫過氧化物、氨、醯胺、肼、醯肼、羥胺、式NH2R1和NHR1R2的伯胺或仲胺，其中R1和R2為具有1-10個碳原子且任選地含有選自氧、硫、氮的雜原子的線性或支化的、飽和或不飽和的、脂族、芳脂族、環脂族或芳族基團，或者在NHR1R2的情況下共同形成具有1-6個碳原子且任選地含有選自氧、硫和氮的雜原子的飽和或不飽和的環。
優選氫氧化物、氨、肼、羥胺和哌啶，特別優選哌啶。
本發明還提供一種使用摻硼金剛石陽極使未活化或去活化的芳族體系進行氧化性電化學胺化並隨後由伯胺化產物使胺游離的方法。
本發明還提供一種通過在摻硼金剛石陽極上使1-硝基萘、1-氰基萘、1-烷氧基羰基萘或1-芳氧基羰基萘在5位進行氧化性電化學胺化並隨後由伯胺化產物使胺游離以製備1-氨基-5-硝基萘、1-氨基-5-氰基萘、1-氨基-5-烷氧基羰基萘或1-氨基-5-芳氧基羰基萘的方法。
優選通過此方法由1-硝基萘製備1-氨基-5-硝基萘，以及通過此路線製備的1-氨基-5-硝基萘本身。
本發明還提供一種通過在摻硼金剛石陽極上使萘在1和5位進行氧化性電化學胺化並隨後由伯胺化產物使胺游離以製備1，5-二氨基萘的方法。
本發明同樣提供所描述的最後兩種的方法，其中使用吡啶用於電化學胺化並使用哌啶用於由伯胺化產物使胺游離。
形成二胺2的經典的多階段合成法通過1-硝基萘在5位的直接電化學胺化和萘在1，5位的雙胺化大大縮短。另外，可以避免經典方法中在萘的1，5-官能化時由於缺乏區域選擇性和/或形成三取代和更高取代的中間產物而發生的收率損失。
富電子芳族體系使用石墨氈作為電極材料的電化學胺化已經被Morofuji等在2013年發表(T.Morofuji，A.Shimizu，J.-I.Yoshida，J.Am.Chem.Soc.2013，135，5000-5003)。與此相反，在本發明中，貧電子，即未活化或甚至去活化的芳族化合物的電化學胺化發生在由摻硼金剛石(BDD)製成的陽極上。貧電子起始物質在其它陽極材料(石墨、玻璃碳、鉑)上的反應是不可能的。
此外，文獻中描述了使用Ti(IV)/Ti(III)作為氧化還原介體和羥胺作為氮源使茴香醚在硫酸/乙腈中進行電化學胺化(Y.A.Lisitsin，L.V.Grigor』eva，Russ.J.Gen.Chem.2008，78，1009-1010，Y.A.Lisitsyn，L.V.Grigor』eva，Russ.J.Electrochem.2009，45，132-138，Y.A.Lisitsyn，A.V.Sukhov，Russ.J.Electrochem.2011，47，1180-1185，Y.A.Lisitsyn，A.V.Sukhov，Russ.J.Phys.Chem.2012，86，1033-1034，Y.A.Lisitsyn，A.V.Sukhov，Russ.J.Electrochem.2013，49，91-95，Y.A.Lisitsyn，A.V.Sukhov，Russ.J.Gen.Chem.2013，83，1457-1458)。
在所述文獻中同樣已知由相應的芳族硝基化合物進行硝基苯胺的電化學合成。這裡，在氧化之前的反應步驟中發生合適的氮親核試劑向貧電子的硝基芳族化合物的親核攻擊。作為中間體形成的邁森海默配合物的氧化最終得到取代的芳族硝基化合物。1-硝基萘通過此方法在2位胺化，1，3-二硝基萘在4位胺化。因此，僅僅環A的官能化是可能的(H.Cruz，I.Gallardo，G.Guirado，Green Chem.2011，13，2531-2542，I.Gallardo，G.Guirado，J.Marquet，Eur.J.Org.Chem.2002，2002，251-259)。
根據本發明的1-硝基萘6的電化學胺化通過在BDD陽極上作為中間體形成自由基陽離子來進行，其被作為親核試劑的吡啶或其上面提及的衍生物捕獲(在圖示2中，以吡啶為例示出)。作為溶劑，可以使用例如乙腈。由於1-硝基萘的A環比B環更強烈地去活化，吡啶的攻擊優選在5位發生(圖示2)。在此位置上，取代基也位於彼此的最大距離。由伯萘基吡啶鎓體系7使胺游離最終得到1-氨基-5-硝基萘8(圖示2)，其可以催化氫化形成所需要的二胺2。
另外，在萘的1，5位選擇性引入兩個氨基官能的問題通過萘的雙電化學胺化得以解決。在BBD陽極上作為中間體形成的自由基陽離子被作為親核試劑的吡啶或其上面提及的衍生物捕獲(在圖示3中，以吡啶為例示出)。作為溶劑，可以使用例如乙腈。因為最初形成的簡單的1-萘基吡啶鎓中間體在1位已存在正電荷，第二個吡啶分子或其上面提及的衍生物由於靜電原因在5位攻擊(在圖示3中，以吡啶為例示出)。1，5-萘基二吡啶鎓化合物7通過哌啶的氨解得到所需要的二胺2(圖示3)。
通過此直接的胺化方法，開啟對現存的多階段合成途徑的廉價且環保的替代方案。
實施例
圖1：1，5-萘二異氰酸酯(1)和1，5-二-氨基萘(2)。
圖2：在屏蔽塊中分隔的特氟隆電池(左側)，帶有BDD電極和磁力攪拌棒的分隔的H電池(右側)；電極尺寸：分別為10×70mm；陽極空間與陰極空間的分離分別通過由孔隙率為4的燒結玻璃製成且直徑為10mm的多孔隔膜實現；溶劑體積：分別為6ml；電極間距：250mm(特氟隆電池)，350mm(H電池)。
圖3：1-氨基-5-硝基萘(8)的晶體結構。
色譜法：
通過「快速色譜法」的製備型液體色譜分離使用1.6bar的最大壓力在公司Macherey-Nagel GmbH&Co，D üren的矽膠60M(0.040-0.063mm)上進行。不加壓的分離在公司Merck KGaA，Darmstadt的矽膠Geduran Si 60(0.063-0.200mm)上進行。用作洗脫劑的溶劑(乙酸乙酯(工業級)、環己烷(工業級))預先通過在旋轉蒸發器上蒸餾進行純化。
對於薄層色譜法(DC)使用公司Merck KGaA，Darmstadt的PSC即用板矽膠60F254進行。根據使用的洗脫劑混合物給出Rf值(滯留因數)。為了使DC板著色，使用鈰-鉬磷酸溶液作為漫漬試劑。鈰-鉬磷酸試劑：在200ml水中5.6g鉬磷酸、2.2g四水合硫酸鈰(IV)和13.3g濃硫酸。
氣相色譜法(GC/GCMS)：
通過公司Shimadzu，日本的氣相色譜儀GC-2010對產物混合物和純物質進行氣相色譜檢測(GC)。在公司Agilent Technologies，USA的石英毛細管柱HP-5(長度：30m；內徑：0.25mm；共價結合的固定相的膜厚度：0.25μm；載氣：氫氣；注射器溫度：250℃；檢測器溫度：310℃；程序：「硬(hart)」法：50℃初始溫度1分鐘，加熱速率：15℃/分鐘，290℃最終溫度8分鐘)上進行測量。通過氣相色譜儀GC-2010與公司Shimadzu，日本的質量檢測器GCMS-QP2010的聯合記錄產物混合物與純物質的氣相色譜質譜(GCMS)。在公司Agilent Technologies，USA的石英毛細管柱HP-1(長度：30m；內徑：0.25mm；共價結合的固定相的膜厚度：0.25μm；載氣：氫氣；注射器溫度：250℃；檢測器溫度：310℃；程序：「硬」法：50℃初始溫度1分鐘，加熱速率：15℃/min，290℃最終溫度8分鐘；GCMS：離子源的溫度：200℃)上進行測量。
質譜法：
所有的電噴霧電離測量(ESI+)都在公司Waters Micromasses，Milford，Massachusetts的QTof Ultima 3上進行。
NMR波譜法：
NMR-波譜檢測在公司Bruker，Analytische Messtechnik，Karlsruhe的AC 300或AV II 400型多核共振波譜儀上進行。使用d6-DMSO作為溶劑。1H和13C譜按照公司Cambridge Isotopes Laboratories，USA的NMR Solvent Data Chart根據未氘代溶劑的殘餘含量進行校準。1H和13C信號的賦值藉助於H，H-COSY(相關譜)、H，C-HSQC(異核單量子相干譜)和H，C-HMBC譜(異核多鍵相關譜)進行。化學位移以ppm為單位的δ值示出。對於NMR信號的多重性使用下面的縮寫：s(單峰)，bs(寬的單峰)，d(雙重峰)，t(三重峰)，q(四重峰)，m(多重峰)，dd(雙重峰的雙重峰)，dt(三重峰的雙重峰)，tq(四重峰的三重峰)。所有的耦合常數J都用包括的鍵數以赫茲(Hz)示出。信號賦值時所示的編號對應於公式圖示中給出的編號，其不必與IUPAC命名法一致。
單晶結構分析：
單晶結構分析在Mainz的Johannes Gutenberg大學的有機化學學院在公司STOE&Cie GmbH，Darmstadt的IPDS 2T型儀器上進行。
電化學胺化的通用操作規程：
電化學反應在分隔的特氟隆電池或H電池中進行(圖2)。使用摻硼金剛石作為陽極材料。使用鉑作為陰極材料。將由各種芳族化合物(0.1mol×1-1)和吡啶(2.4mol×1-1，乾燥)在0.2摩爾濃度Bu4NBF4/乙腈混合物(5ml，乾燥)中構成的溶液加入陽極空間中。將三氟甲磺酸(0.4ml)在0.2摩爾濃度Bu4NBF4/乙腈混合物(5ml，乾燥)中的溶液加入陰極空間中。電解在60℃下通過恆定電流進行。
在已經達到各自的電荷量之後，將反應溶液轉移進100ml圓底燒瓶中並在減壓下除去乙腈。隨後添加10ml乙腈與1ml哌啶，並將該溶液在80℃下在回流下加熱12小時。通過GC、DC和GC/MS對反應混合物檢測胺化產物。
圖示2顯示了在摻硼金剛石陽極上1-硝基萘直接電化學胺化為1-氨基-5-硝基萘。例如選擇下面的量、材料和工藝參數：0.5mmol 1-硝基萘；12mmol吡啶；0.2M Bu4NBF4/乙腈；溶劑：乙腈；陽極：BDD(1.5cm2)；陰極：鉑(1.5cm2)；溫度：60℃；電荷量：144C；電流密度：j＝10mA cm-2。胺的游離：哌啶；溶劑：乙腈。
圖示3顯示了在摻硼金剛石陽極上萘直接電化學胺化為1，5-二-氨基萘。例如選擇下面的量、材料和工藝參數：0.5mmol 1-硝基萘；12mmol吡啶；0.2M Bu4NBF4/乙腈；溶劑：乙腈；陽極：BDD(1.5cm2)；陰極：鉑(1.5cm2)；溫度：60℃；電荷量：288C；電流密度：j＝10mA cm-2。胺的游離：哌啶；溶劑：乙腈；溫度：80℃；反應時間：12小時。
實施例1(根據本發明)：1-氨基-5-硝基萘(8)的製備
根據上面的操作規程，將0.09g(0.53mmol，0.04當量)1-硝基萘、0.30g(0.91mmol，0.07當量)四氟硼酸四丁基銨、1ml(0.98g，12.41mmol，1.0當量)吡啶溶解在5ml乾燥乙腈中並加入陽極空間中。將0.3g(0.91mmol)四氟硼酸四丁基銨與0.4ml三氟甲烷磺酸在5ml乾燥乙腈中的溶液加入陰極空間中。電解在分隔的特氟隆電池中進行。
陽極：BDD；電極面積：1.5cm2。
陰極：鉑；電極面積：1.5cm2。
電荷量：144C。
電流密度：j＝10mA cm-2。
溫度：60℃。
電解時間已經過去之後，在減壓下除去溶劑。隨後添加10ml乙腈和1ml(0.86g，10.00mmol，0.8當量)哌啶。反應溶液在80℃下在回流下加熱12小時。減壓除去溶劑並使用公司B üchi-LabortechnikGmbH的分離系統通過柱色譜在矽膠上純化殘餘物。使用長度為150mm且直徑為40mm的分離柱，並在10bar的最大壓力和50ml×min-1的流動速度下操作。這裡使用下面的溶劑梯度：首先是環己烷/乙酸乙酯95∶5，所述溶劑梯度隨後在第一個40分鐘內提高到環己烷/乙酸乙酯3∶1(RF＝0.16)。得到19.6mg(0.1mmol，21％)淡紅色的固體。
1H-NMR(400MHz，DMSO)：δ(ppm)＝6.18(s，2H，NH2)，6.83(dd，3J＝7.2Hz，4J＝1.3Hz，1H，H-2)，7.35-7.56(m，3H，H-3，4，7)，8.14(d，3J＝7.5Hz，1H，H-8)，8.49(d，3J＝8.5Hz，1H，H-6)。
13C-NMR(101MHz，DMSO)：δ(ppm)＝108.4(C-4)，108.8(C-2)，121.8，123.37(C-8)，125.4(C-4a)，128.2(C-6)，130.6，146.0(C-1)，146.6(C-5)。
GC(硬法，HP-5)：tR＝12.78min(滯留時間)。
對C10H9N2O2計算的HRMS(高分辨質譜法)：189.0664；測得：189.0662。
晶體結構分析(晶體結構：圖3)：
通過從正庚烷/甲醇使20mg的8結晶得到單晶。
所述化合物的結構數據以SHE1332的命名存放在Mainz大學有機學院(Dr.D.Schollmeyer，X-射線結構分析，Duesbergweg 10-14，55128Mainz)。
實施例2(根據本發明)：1，5-二氨基萘(2)的製備
根據通用的操作規程，將0.064g(0.50mmol，0.04當量)萘、0.30g(0.91mmol，0.07當量)四氟硼酸四丁基銨、1ml(0.98g，12.41mmol，1.0當量)吡啶溶解在5ml乾燥乙腈中並加入陽極空間中。將0.3g(0.91mmol)四氟硼酸四丁基銨與0.4ml三氟甲磺酸在5ml乾燥乙腈中的溶液加入陰極空間中。電解在分隔的H電池中進行。
陽極：BDD；電極面積：1.5cm2。
陰極：鉑；電極面積：1.5cm2。
電荷量：288C。
電流密度：j＝10mA cm-2。
溫度：60℃。
電解時間已經過去之後，在減壓下除去溶劑。隨後添加10ml乙腈和1ml(0.86g，10.00mmol，0.8當量)哌啶。反應溶液在80℃下在回流下加熱12小時。反應時間結束之後減壓除去溶劑，並通過柱色譜在矽膠上純化殘餘物(環己烷/乙酸乙酯2∶1，RF＝0.39)。得到0.01g(0.06mmol，10％)棕色的固體。
1H-NMR(400MHz，DMSO)：δ(ppm)＝5.41(s，4H，NH2)，6.60(dd，3J＝7.2Hz，4J＝1.1Hz，2H，H-2)，7.05(dd，3J＝8.4Hz，7.2Hz，2H，H-3)7.17-7.24(m，2H，H-4)。
13C-NMR(101MHz，DMSO)：δ(ppm)＝107.4(C-2)，110.0(C-4)，123.8(C-4a)，124.3(C-3)，144.5(C-1)。
GC(硬法，HP-5)：tR＝11.89min。
對於C10H11N2計算的HRMS：159.0922；測得：159.0920。
MS(EI，70eV)：m/z(％)：158(100)[M]·+。