一种间接电催化合成2-芳基吡咯类化合物的方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及有机化学和电化学合成两方面领域，尤其涉及到一种以有机小分子 PDI作为媒介，通过间接电还原反应，实现吡咯及其衍生物的直接的C-2位芳基化的方法。 技术背景
[0002] 功能化的吡咯衍生物广泛地存在于诸多具有活性的天然产物和合成药物中，并且 还可作为合成中间体应用到有机合成以及高分子材料制备中（Kern，J· C · ; Terefenko，E ·; Trybulski,E.；Berrodin,T.J.；Cohen,J.；ffinneker,R.C.；Yudt,M.R.；Zhang,Z.；Zhu,Y.； Zhang，P.Bioorg.Med.Chem.Lett. 2010,20，4816.) D因此，如何高效、快捷的合成功能化的 吡咯衍生物引起了科研工作者的广泛关注。
[0003] 近年来，已有大量的文献报道了通过吡咯C-2位的C-H活化的直接芳基化反应来合 成功能化的吡咯及其衍生物合成方法。但是，已有方法通常都需要在过渡金属催化剂的催 化下实现。常用的催化剂主要包括钯（（a)Cho，B.S. ;Bae，H.J. ;Chung，Y.K.J Org Chem 2015，80，5302·(b)Bernhammer，J.C·;Huynh，Η·V.Organometallies 2014，33，1266·(c) Zhao，L.;Bruneau，C.;Doucet，H.ChemCatChem 2013，5，255·(d)Xu，Y.;Zhao，L·;Li，Y·; Doucet,H.Adv.Synth.Catal.2013,355,1423.(e)Islam,S.；Larrosa,I.Chem Eur J 2013, 19，15093.(f)Roy，D·;Mom，S.;Royer，S.;Lucas，D.;Hierso，J._C.;Doucet，H·ACS Catal·2012，2，1033·(g)Ghosh，D·;Lee，Η·Μ·Org. Lett·2012，14，5534·(h)Bensaid，S·; Doucet，H.ChemSusChem 2012，5，1559.(i)Sezen，B.;Sames，D.J.Am.Chem.Soc.2003，125， 5274.)，铑（（a)Ueda，K. ;Amaike，K. ;Mace iczyk,R.M.；Itami,K.；Yamaguchi, J.J.Am.Chem.Soc.2014,136,13226.(b)Ackermann,L.；Lygin,A.V.Org Lett.2011,13, 3332·)，铜（Honraedt, A·;Raux,M·-A·;Le Grognec,E.；Jacquemin,D.；Felpin,F.-X.Chem.Commun.2014,50,5236.)和钴（Punji，B. ;Song，W. ;Shevchenko，G.A. ;Ackermann, L. Chem. -Eur · J· 2013，19，10605 ·)。仅有少数文献报道了不需要金属催化剂，以强碱为媒介 的合成方法（（a)Vakuliuk，0. ;Koszarna，B. ;Gryko，D.T.Adv.Synth.Catal .2011,353,925. (b)Vakuliuk,0.；Koszarna,B·;Gryko,D.T. Synthesis 2011,2833.(c)Vakuliuk,0.； Gryko，D · T · Eur · J · Org · Chem· 2011，2854 ·)。然而，已报道的合成方法中大多需要在高温 (120°C~150°C)或强碱条件下进行，且反应时间长。因此，发展一种高效且反应条件温和， 过程安全且环境友好的吡咯及其衍生物的直接芳基化方法具有重要的理论意义和潜在的 应用前景。
[0004] 3,4,9,10-茈四羧酸酰亚胺(PDI，结构如下式所示）是一类常用的荧光染料。近期 有文献报道了此类化合物可以作为光催化剂用于可见光催化的芳香卤代物的脱卤反应及 芳香卤代物与吡略的C-C偶联反应(Ghosh, I · ;Ghosh，T. ;Bardagi，J. I · ;Konig，B. Science 2014,346,725.)。此外，对于^)1类化合物的电化学行为的研究显示，该类型化合物通常具 有两对可逆的氧化-还原电对，且还原电势较低，易于被还原。而目前尚未见将roi类化合物 应用于电催化有机合成反应的研究报道。因此，基于间接电催化有机合成方法的高选择性 和温和的反应条件的优势，再结合roi类化合物的电化学性质，我们考虑将roi用作间接电 催化有机合成反应的媒介，发明了以芳香卤代物和吡咯及其衍生物为原料，通过间接电催 化还原反应合成2-芳基化吡咯衍生物的合成方法。
[0005]
[0006] PDI类化合物的结构式
[0007]本发明是在国家自然科学基金(21272282)资助下进行的研究。
【发明内容】
[0008] 本发明的目的在于克服现有吡咯及其衍生物的直接C-2位芳基化方法所存在的缺 点，提供一种反应条件温和、反应速度快、选择性高、环境友好的间接电催化合成2-芳基吡 咯类化合物的方法。以芳香卤代物和吡咯及其衍生物为原料，以有机小分子roi为媒介，以 电子为清洁的还原剂，无需使用金属催化剂和添加碱。
[0009] 本发明是一种高效的吡咯及其衍生物c-2位直接芳基化的方法，以芳基卤代物和 吡咯及其衍生物为反应原料，以咪唑类离子液体为电解质，以非质子型极性溶剂为反应溶 剂，在室温条件下，以具有3,4,9，10_茈四羧酸酰亚胺结构单元的roi类化合物为媒介，通过 恒电流或恒电势电解的方法合成c-2位芳基化的吡咯及其衍生物。
[0010] 本发明中所涉及到的反应可以采用以下通式来表示：
[0011]
[0012] 其中X选自氯、溴或碘;芳香卤代物的芳香环为苯环，可以是2-取代或4-取代;心为 吸电子取代基;R2选自H、甲基或者苯基取代基。
[0013] 本发明的具体过程是:使用H-型分割电解池进行反应时，将芳香卤代物、反应媒介 roi、支持电解质、溶剂以及吡咯及其衍生物依次加入到电解池阴极室中，将Lieu支持电解 质、溶剂以及吡咯及其衍生物依次加入阳极室中，分别插入阴极和阳极(对于恒电势反应， 阴极室还需插入Ag/AgN〇3(CH 3CN溶液)参比电极），室温搅拌条件下进行恒电流或恒电势电 解反应至消耗电量lF/m〇l-10F/m 〇l;使用未分割的单池电解池进行反应时，将芳香卤代物、 反应媒介roi、支持电解质、溶剂以及吡咯及其衍生物依次加入到电解池中，插入阴极和阳 极(对于恒电势反应，还需插入Ag/AgN0 3(CH3CN溶液)参比电极），室温搅拌条件下进行恒电 流或恒电势电解反应至消耗电量lF/m 〇l-10F/m〇l。电解结束后，分离反应混合液并纯化，得 到C-2芳基化的吡咯类化合物。
[0014] 下面对本发明方法进行进一步的详细说明
[0015] 1)本发明所述的芳香卤代物，可以是芳基碘代物，芳基溴代物或芳香氯代物;芳香 环取代基可以是乙酰基，酯基，氰基等吸电子取代基，但不仅仅局限于这些取代基。
[0016] 2)本发明所述的吡咯及其衍生物，可以是N-位取代的也可以是非取代的，取代基 可以是甲基或者苯基;其与芳香卤代物的摩尔比为5:1至50:1，优选为20:1-50:1。需要注意 的是，实际反应时，仅有加入阴极室的吡咯参与目标反应，吡咯和芳基卤代物的比值范围是 指加入阴极室的部分。阳极室中加入吡咯是为了促使阳极室有电氧化反应发生，只有这样 阴极室的电还原反应才能顺利进行，而阳极室加入吡咯的量没有准确要求。
[0017] 3)本发明所用的溶剂是非质子型极性溶剂，可以是N，N-二甲基甲酰胺，N，N-二甲 基乙酰胺，二甲基亚砜，乙腈。
[0018] 4)本发明所用的离子液体是二取代或三取代咪唑型离子液体，可以是1，3_二烷基 取代或1，2，3-三烷基取代的咪唑双三氟甲磺酰亚胺盐，或者1，3-二烷基取代或1，2，3-三 烷基取代的咪唑四氟硼酸盐。
[0019] 5)本发明所述的方法，反应在室温下进行，采用间接电催化的方法，可以是恒电流 电解的方法也可以是恒电势电解的方法;恒电流电解法的电流优选为lmA-20mA;恒电势电 解法以Ag/AgN0 3 (CH3CN溶液)为参比电极，电极电势优选为-1V至-9 V;反应需消耗电量1F/ mol至10F/mol。
[0020] 6)本发明所述的方法，其特征在于所使用的电解池可以是未分割的单池电解池也 可以是H-型分割电解池；H-型分割电解池以G4砂芯板分割。H-型分割电解池可参考文献 (J.Am.Chem.Soc.2015，137,9816-9819)烧制。
[0021] 7)本发明所述的方法，在未分割的单池电解池中进行电解反应时，所用到的阴极 (工作电极)为玻碳电极或者铂片电极，阳极(对电极)为石墨棒电极，锌片电极或者铁片电 极;在H-型分割电解池中进行反应时，所用到的阴极(工作电极)为玻碳电极或者铂片电极， 阳极(对电极)为石墨棒电极。
[0022] 8)本发明所用的间接电催化的媒介为3,4,9,10-茈四羧酸酰亚胺(PDI)类化合物， 其结构如下式所示：
[0023]
[0024] 其中R可以是非取代的也可以是取代的苯基，取代基选自单取代的甲基或者甲氧 基;R'选自直链或支链烷基、环己基或取代或非取代的苯基，取代基可以是单取代或多取 代的甲基、异丙基或者甲氧基;PDI与底物芳基卤代物的摩尔比为1:40至1:4,优选为1:10-1:4〇
[0025]