一种含四甲基异吲哚啉或其氧化物结构的芳香胺化合物及其制备方法与流程

本发明涉及有机合成领域，具体涉及一种含四甲基异吲哚啉或其氧化物结构的芳香胺化合物及其制备方法。

背景技术：

芳香胺化合物是合成亚胺键连接的有机多孔共价框架材料的重要前体。而对芳香胺化合物的功能化可以实现有机多孔共价框架材料的功能化。合成新的含有官能团的芳香胺化合物对拓展有机多孔共价框架材料的种类有着重要的意义。例如氮氧自由基是一类稳定的自由基，其在醇的催化氧化、有机自由基电池、分子磁体等方面都有重要的应用。本发明致力于提供一种新的功能化的例如含氮氧或氮氢自由基的芳香胺化合物。

技术实现要素：

为解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种含四甲基异吲哚啉或其氧化物结构的芳香胺化合物及其制备方法。

本发明所述含四甲基异吲哚啉或其氧化物结构的芳香胺化合物，其中，所述含四甲基异吲哚啉氧化物结构的芳香胺化合物为4,7-二(4-氨基苯基)-1,1,3,3-四甲基异吲哚啉氧化物，其结构式如化学式(Ⅲ)所示：

所述含四甲基异吲哚啉结构的芳香胺化合物为4,7-二(4-氨基苯基)-1,1,3,3-四甲基异吲哚啉，其结构式如化学式(Ⅳ)所示：

本发明还提供一种含四甲基异吲哚啉或其氧化物结构的芳香胺化合物的制备方法，其中，所述4,7-二(4-氨基苯基)-1,1,3,3-四甲基异吲哚啉氧化物以3,6-二溴邻苯二甲酸酐为起始物，经苄基化、甲基化、脱苄基、氧化、Suzuki偶联反应而制得；

所述4,7-二(4-氨基苯基)-1,1,3,3-四甲基异吲哚啉是以铁粉对所述4,7-二(4-氨基苯基)-1,1,3,3-四甲基异吲哚啉氧化物进行还原而制得。

其中，所述3,6-二溴邻苯二甲酸酐由下述方法制备：

a.在20-60℃下，将邻苯二甲酸酐加入70％的浓硫酸中溶解，分三次加入二溴海因，反应1-20h，所述邻苯二甲酸酐与二溴海因的摩尔比为1：0.2-4；

b.然后将反应混合物倒入冰水中，加入二氯甲烷，抽滤，滤液中加入饱和硫代硫酸钠水溶液至褐色褪去，分液，有机相干燥，蒸除溶剂，提纯，即得如化学式(Ⅰ)所示的3,6-二溴邻苯二甲酸酐；

此外，所述提纯是将反应后的物质用二氯甲烷萃取，无水硫酸钠干燥，减压旋蒸除去溶剂得粗产物，用乙酸乙酯重结晶得到纯净的化合物。

此外，在所述步骤a中，邻苯二甲酸酐与二溴海因的摩尔比为1：0.5，反应条件是在24℃下搅拌4h；在所述步骤b中，冰水、二氯甲烷与饱和硫代硫酸钠水溶液的体积比为1：2：0.5。

此外，所述Suzuki偶联反应包括下述步骤：

a.在60-110℃下，将4,7二溴-1,1,3,3-四甲基异吲哚啉氧化物、对氨基苯硼酸频哪醇酯、碳酸钾、四(三苯基膦)钯在二氧六环水溶液中反应，反应时间为12-48h，其中，4,7-二溴-1,1,3,3-四甲基异吲哚啉氧化物、对氨基苯硼酸频哪醇酯、碳酸钾与四(三苯基膦)钯的摩尔比为1：2-3：3-5：0.05-0.2，优选1：2：3：0.1；

b.然后加入水稀释，水相用二氯甲烷萃取，饱和食盐水洗涤，干燥后蒸除溶剂，提纯，即得4,7二(4-氨基苯基)-1,1,3,3-四甲基异吲哚啉氧化物。

此外，所述提纯是将反应后的物质用二氯甲烷萃取，无水硫酸钠干燥，减压旋蒸除去溶剂得粗产物，然后经过柱层析得到纯净的化合物。

此外，所述步骤a的二氧六环水溶液中二氧六环与水的体积比为20：1；所述步骤b中稀释加入的水与步骤a中二氧六环水溶液的体积比为2：1；在步骤a中，在80℃下搅拌24h。

此外，在以铁粉对所述4,7-二(4-氨基苯基)-1,1,3,3-四甲基异吲哚啉氧化物进行还原而制得4,7-二(4-氨基苯基)-1,1,3,3-四甲基异吲哚啉的过程中，包括下述步骤：

a.在30-60℃下，将4,7-二(4-氨基苯基)-1,1,3,3-四甲基异吲哚啉氧化物与还原铁粉在冰醋酸中反应，反应时间为6-24h，其中，4,7-二(4-氨基苯基)-1,1,3,3-四甲基异吲哚啉氧化物与还原铁粉的摩尔比为1：5-20，优选1:15；

b.然后加入水稀释，用固体碳酸钾调节酸性至中性，加入二氯甲烷，将得到的混合物过滤，滤液分层，有机相干燥后蒸除溶剂，提纯，即得4,7-二(4-氨基苯基)-1,1,3,3-四甲基异吲哚啉。

此外，所述提纯是将反应后的物质用二氯甲烷萃取，无水硫酸钠干燥，减压旋蒸除去溶剂得粗产物，然后经过柱层析得到纯净的化合物。

此外，在步骤a中，在40℃下搅拌反应16h；在步骤b中稀释加入的水与步骤a中冰醋酸的体积比为10:1。

在以3,6-二溴邻苯二甲酸酐为起始物，经苄基化、甲基化、脱苄基、氧化、Suzuki偶联反应而制得4,7-二(4-氨基苯基)-1,1,3,3-四甲基异吲哚啉氧化物的过程中，所述苄基化、甲基化、脱苄基、氧化分别如下所示。

所述苄基化反应包括下述步骤：在100-130℃下，将3,6-二溴邻苯二甲酸酐、苄胺在醋酸中反应，反应时间为12-48h，其中，3,6-二溴邻苯二甲酸酐、苄胺的摩尔比为1：1-2，优选1：1.2；3,6-二溴邻苯二甲酸酐和苄胺在醋酸中的浓度范围为0.5-2mol/L。反应冷却后将所得混合物抽滤，所得固体即为2-苄基-4,7-二溴异吲哚啉-1,3-二酮(苄基化产物)。

所述甲基化反应包括下述步骤：在100-140℃，氩气保护下，将2-苄基-4,7-二溴异吲哚啉-1,3-二酮、甲基溴化镁在甲苯中反应，反应时间为12-48h，其中，即得4,7-二溴异吲哚啉-1,3-二酮、甲基溴化镁的摩尔比为1：5-20，优选1：10；2-苄基-4,7-二溴异吲哚啉-1,3-二酮、甲基溴化镁在甲苯中的浓度范围为0.5-2mol/L。反应冷却后蒸除甲苯，向所得固体中加入正己烷，加入的正己烷和蒸除的甲苯的体积比为1:1-2。所得混合物抽滤，滤液蒸除溶剂即得粗产物，提纯，即得2-苄基-4,7-二溴-1,1,3,3-四甲基异吲哚啉(甲基化产物)。所述提纯是将反应后的物质蒸除甲苯，用正己烷稀释后过滤，滤液减压旋蒸除去溶剂得粗产物，然后经过柱层析得到纯净的化合物。

所述脱苄基反应包括下述步骤：a.在25℃下，将2-苄基-4,7-二溴-1,1,3,3-四甲基异吲哚啉、1mol/L溴的醋酸溶液在乙腈和水的混合溶液中反应，反应时间为0.5-3h，其中，2-苄基-4,7-二溴-1,1,3,3-四甲基异吲哚啉、溴摩尔比为1：1-10，优选1：2；乙腈和水的体积比为2：1；2-苄基-4,7-二溴-1,1,3,3-四甲基异吲哚啉、溴在乙腈和水中的浓度范围为0.5-2mol/L。反应完成后加入5mol/L的氢氧化钠水溶液，用二氯甲烷萃取，萃取液将溶剂蒸除后得黄色油状液体。乙腈和水的混合液、5mol/L的氢氧化钠水溶液、二氯甲烷的体积比为1：1：2。b.在0℃下，将步骤a中所得黄色油状液体、碳酸氢钠、30％过氧化氢在甲醇和二氯甲烷的混合溶液中反应0.5-3h，其中，黄色油状液体、碳酸氢钠、30％过氧化氢摩尔比为1：3：2，甲醇和二氯甲烷的体积比为2：1。反应完成后加入2mol/L的氢氧化钠水溶液，用乙醚萃取，萃取液用无水硫酸钠干燥。甲醇和二氯甲烷的混合溶液、2mol/L的氢氧化钠水溶液、乙醚的体积比为1：1：2。将溶剂蒸除后得粗产物，提纯，即得4,7-二溴-1,1,3,3-四甲基异吲哚啉(脱苄基产物)。所述提纯是将反应后的物质用乙醚萃取，无水硫酸钠干燥，减压旋蒸除去溶剂得粗产物，然后经过柱层析得到纯净的化合物。

所述氧化反应包括下述步骤：在25℃下，将4,7-二溴-1,1,3,3-四甲基异吲哚啉、间氯过氧苯甲酸(85％)在二氯甲烷溶液中反应，反应时间为2-8h，其中，4,7-二溴-1,1,3,3-四甲基异吲哚啉、间氯过氧苯甲酸(85％)摩尔比为1：1-2，优选1：1.5；4,7-二溴-1,1,3,3-四甲基异吲哚啉、间氯过氧苯甲酸(85％)在二氯甲烷中的浓度范围为0.5-2mol/L。然后加入饱和碳酸钠水溶液，二氯甲烷和饱和碳酸钠水溶液的体积比为1:1。分液，无水硫酸钠干燥干燥，将二氯甲烷蒸除得粗产物，提纯，得4,7-二溴-1,1,3,3-四甲基异吲哚啉氧化物(氧化产物)。所述提纯是将反应后的物质用饱和碳酸钠水溶液洗涤，无水硫酸钠干燥，减压旋蒸除去溶剂得粗产物，然后经过柱层析得到纯净的化合物。

本发明制得的含四甲基异吲哚啉或其氧化物结构的芳香胺化合物是合成有机多孔共价框架材料的重要前体。其中，含四甲基异吲哚啉氧化物结构的芳香胺化合物，可以用于醇的催化氧化、烯基芳烃的硝基化、有机自由基电极材料等方面。最重要的是，将四甲基异吲哚啉氧化物引入芳香胺化合物中，可以在构筑亚胺键机多孔共价框架材料时将稳定的氮氧自由基嵌入到材料中，从而赋予材料新的功能。而含四甲基异吲哚啉结构的芳香胺化合物，可以与含四甲基异吲哚啉氧化物结构的芳香胺化合物一起构筑亚胺键机多孔共价框架材料，实现氮氧自由基的可控性调节，从而实现不同应用对氮氧自由基浓度的需求。

另外，在本发明中用于制备含四甲基异吲哚啉或其氧化物结构的芳香胺化合物的起始物3,6-二溴邻苯二甲酸酐的合成方法，目前使用液溴和发烟硫酸给邻苯二甲酸酐的上溴，但这种方法需要在加热回流条件下反应24小时，液溴和发烟硫酸的存在使得反应非常危险。本发明中3,6-二溴邻苯二甲酸酐的合成，采用了二溴海因和浓硫酸上溴，避免了液溴和发烟硫酸的使用，同时避免了加热反应，使得反应更加安全温和。即本发明的3,6-二溴邻苯二甲酸酐的制备方法，无需在回流条件下长时间反应，并且避免了液溴和发烟硫酸的使用，较为温和，并可以大量的合成，适合于工业成产。

附图说明

图1是本发明实施例1制得的4,7-二(4-氨基苯基)-1,1,3,3-四甲基异吲哚啉氧化物的单晶结构图；

图2是本发明实施例1制得的4,7-二(4-氨基苯基)-1,1,3,3-四甲基异吲哚啉氧化物的二氯甲烷的电子顺磁共振谱图；

图3是本发明实施例1制得的4,7-二(4-氨基苯基)-1,1,3,3-四甲基异吲哚啉的¹H NMR谱图；

图4是本发明实施例1制得的4,7-二(4-氨基苯基)-1,1,3,3-四甲基异吲哚啉的¹³C NMR谱图。

具体实施方式

以下结合实施例和附图对本发明的优选条件给予进一步说明，应当理解，此处所描述的实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例所涉及的合成原料市面均有销售。

实施例1

(1)3,6-二溴邻苯二甲酸酐(Ⅰ)的合成：

在1L的浓硫酸(质量分数70％)中加入邻苯二甲酸酐592g，搅拌溶清，溶清后分三批添加572g二溴海因。水浴控制温度，机械搅拌4h后将反应体系倒入2.5L冰水中，添加5L二氯甲烷充分搅拌，抽滤。二氯甲烷洗涤滤饼，滤液中加入1.25L饱和硫代硫酸钠水溶液至褐色褪去，分液，有机相用无水硫酸钠干燥，浓缩，得到淡黄色固体。用乙酸乙酯加热回流溶解，自然降至室温后抽滤，乙酸乙酯洗涤，得到白色固体(Ⅰ)(3,6-二溴邻苯二甲酸酐)，收率15％。

(2)4,7-二(4-氨基苯基)-1,1,3,3-四甲基异吲哚啉氧化物的合成

其中，通过3,6-二溴邻苯二甲酸酐上苄基、甲基化、脱苄基、氧化、Suzuki偶联，得到4,7-二溴-1,1,3,3-四甲基异吲哚啉氧化物(Ⅱ)。

所述苄基化反应如下：

在1L醋酸中加入153g 3,6-二溴邻苯二甲酸酐，搅拌下加入65g苄胺，130℃搅拌反应20h。冷却后将得到的混合物抽滤，0.1L醋酸洗涤，得白色固体(2-苄基-4,7-二溴异吲哚啉-1,3-二酮)，收率96％。。

所述甲基化反应如下；

氩气保护下，将8g 2-苄基-4,7-二溴异吲哚啉-1,3-二酮溶于100mL甲苯中，然后加入50mL 3mol/L甲基溴化镁乙醚溶液，120℃搅拌反应15h。冷却后蒸除所得混合液中的溶剂，然后加入200mL正己烷，过滤，将滤液减压旋蒸得粗产物。粗产物经过柱层析(层析液为正己烷)得白色固体(2-苄基-4,7-二溴-1,1,3,3-四甲基异吲哚啉)，收率16％。

所述脱苄基反应如下：

a.将2.3g 2-苄基-4,7-二溴-1,1,3,3-四甲基异吲哚啉溶于100mL乙腈和50mL水的混合溶液中，25℃搅拌下滴加22mL 1mol/L溴的醋酸溶液，25℃下搅拌反应1h。加入150mL 5mol/L的氢氧化钠水溶液，用300mL二氯甲烷萃取，萃取液减压旋蒸后得黄色油状液体。

b.将步骤a中所得黄色油状液体和1.4g碳酸氢钠加入100mL甲醇和50mL二氯甲烷的混合溶液，在0℃搅拌下滴加1,1mL 30％过氧化氢，0℃下搅拌反应1h。加入150mL 2mol/L的氢氧化钠水溶液，用300mL乙醚萃取，萃取液用无水硫酸钠干燥，减压旋蒸后得粗产物。粗产物经过柱层析(层析液为二氯甲烷：甲醇＝20：1)得白色固体(4,7-二溴-1,1,3,3-四甲基异吲哚啉)，收率92％。

所述氧化反应如下：

将1.5g 4,7-二溴-1,1,3,3-四甲基异吲哚啉溶于100mL二氯甲烷中，25℃搅拌下分3批加入1.4g间氯过氧苯甲酸(85％)，25℃下搅拌反应3h。加入100mL饱和碳酸钠水溶液洗涤，分液，有机相用无水硫酸钠干燥干燥，减压旋蒸得粗产物。粗产物经过柱层析(层析液为二氯甲烷)得黄色固体(Ⅱ)，收率95％。

Suzuki偶联反应得4,7-二(4-氨基苯基)-1,1,3,3-四甲基异吲哚啉氧化物(Ⅲ)：

将2.04g化合物(Ⅱ)、2.94g对氨基苯硼酸频哪醇酯、2.48g碳酸钾、1.40g四(三苯基膦)钯加入100mL二氧六环和5mL水的混合液中。80℃下搅拌反应20h。反应完成后，加入200mL水，用300mL二氯甲烷萃取，有机相用饱和食盐水洗涤，无水硫酸钠干燥，减压旋蒸得粗产物。粗产物经过柱层析(层析液为石油醚：乙酸乙酯＝2：1)得淡黄色固体(Ⅲ)，收率82％。

所得化合物(Ⅲ)的单晶结构参见附图1。

所得化合物(Ⅲ)的二氯甲烷溶液的电子顺磁共振谱图参见附图2，其中：该电子顺磁共振谱图表现为三重峰，A＝14.52G，g＝2.0058，表明化合物(Ⅲ)中含有哌啶类的氮氧自由基。

(3)还原化合物(Ⅲ)得到4,7-二(4-氨基苯基)-1,1,3,3-四甲基异吲哚啉(Ⅳ)：

将1.41g化合物(Ⅲ)溶于30mL冰醋酸中，分批加入1.7g还原铁粉，40℃下搅拌反应16h。冷却后加入180mL水稀释，用碳酸钾固体调节pH值至碱性，计入200mL二氯甲烷，抽滤，滤饼用50mL二氯甲烷洗涤。将滤液分液，有机相用饱和食盐水洗涤，无水硫酸钠干燥，减压旋蒸得粗产物。粗产物经过柱层析(层析液为二氯甲烷：甲醇＝20：1)得灰色固体(Ⅳ)，收率58％。

所得化合物(Ⅳ)的¹H NMR谱图和¹³C NMR谱图参见附图3、4，其中：

¹H NMR(400MHz,CD3OD)δ＝7.11(s,2H),7.03-7.01(d,2H),6.79-6.77(d,2H),1.51(s,12H)；¹³C NMR(150MHz,CD3OD)δ＝148.9,141.7,139.5,132.9,131.4,129.9,115.6,67.8,29.5.

用含四甲基异吲哚啉/及其氧化物结构的芳香胺化合物合成有机多孔共价框架材料的实例：

将11.2mg化合物(Ⅲ)和10.7mg化合物(Ⅳ)以及8.7mg均苯三甲醛加入到耐压管中。然后加入0.5mL二氧六环，0.5mL均三甲苯和0.5mL乙醇，摇匀后加入0.15mL 9mol/L的醋酸溶液。将耐压管用橡胶塞密封后，用氩气置换三次，然后快速将橡胶塞取下，用聚四氟乙烯塞子将耐压管密封。将其置于烘箱中，于80℃反应五天。反应结束后，在耐压管底部有固体产生，将固体转移至离心管中，用丙酮，四氢呋喃分别离心洗涤3次。将固体于80℃下烘干，得到棕黄色固体粉末(有机多孔共价框架材料)15.7mg,收率60％。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。