一种四电子均相还原剂、还原剂的制备方法及其应用与流程

本发明涉及一种均相还原剂、还原剂的制备方法及其应用，具体涉及一种含螺环噻咯结构的四电子均相还原剂、还原剂的制备方法及其应用。

背景技术：

还原反应是合成化学领域一类重要的反应，在冶金、化工、材料以及生物医药中应用十分广泛。目前常用的还原剂主要是一些碱金属和碱土金属，如：金属锂(li)、钠(na)、钾(k)、镁(mg)等。但是上述类型还原剂都属于非均相还原剂，它们和反应体系无法互溶，这样使得反应进行的较慢、反应选择性较差、特别容易导致过度还原。使用均相还原剂可以避免上述问题，均相还原剂与还原体系能够互溶、定量地进行反应，反应较容易控制，所得的还原产物单一，产率高。

目前，常用的均相还原剂主要有萘锂、birch试剂以及二碘化钐(smi2)等。a.j.birch在1944年报道了金属锂、钠溶解在液氨溶剂中的均相体系单电子还原剂可以高效还原醛、酮，被命名为birch还原剂(参见birch,a,j.j.chem.soc.1944.430)，在合成化学中应用十分广泛(参见birch,a,j.j.chem.soc.1946.593；j.chem.soc.1947.102)。h.b.kagan在1980年报道了二碘化钐均相单电子还原剂(参见girard,p.；namy,j.l.；kagan,h.b.j.am.chem.soc.1980,102,2693)，被命名为kagan试剂，可以对亚胺、醛、酮等实现高效不对称还原，成为目前最常使用的均相单电子还原剂(参见krief,a.；laval,a.m.chem.rev.1999,99,745)。萘锂也是一种常用的均相还原剂，特别是在无机合成、元素有机化学和阴离子聚合领域，得到了十分广泛的应用(参见molander,g.a.chem.rev.1992,92,29)。

相比单电子均相还原剂，多电子还原剂在还原反应中能够同时释放出多个电子，能够加快还原反应的进行和提高还原反应的选择性，特别是在涉及一些复杂体系，如元素有机合成化学、冶金和制药领域，显示出明显的优势。

中国专利cn103274950a报道了一种均相双电子还原剂硫代硫酸铵，可以高效地还原硝基苯制备苯胺。具体是硝基苯在醇溶液中用硫代硫酸铵作为还原剂，在30-100℃下进行还原反应，反应完全后处理后得苯胺。

us5,831,097、ep0364752、us4,950,306中均公开了某些α-羟基羰基化合物在染料工业中是有效的还原剂，但条件是需要向反应介质加入足量的碱。

中国专利cn103315995a中意外发现某些α-羟基羰基化合物在低ph值下具有有效的还原能力，因此能够在温和环境(和/或在大量非水性(有机)溶剂的存在)下使用，以还原各种结构(包括多种有机化合物)。专利中报道了能够形成环二聚体的α-羟基羰基化合物作为均相双电子还原剂，可以还原活化一些药物前体，在药物研发领域得到了广泛地应用。所用α-羟基羰基化合物的实例为二羟基丙酮、乙醇醛、甘油醛、赤藓糖、木酮糖、赤藓酮糖、或3-羟基-2-丁酮。

2007年，cameronjones在science杂志上报道了世界上第一例一价镁化合物(如式a)，通过各种化学反应证明该化合物可以发生双电子转移反应，在氧化剂存在条件下可以转化为二价镁(参见science2007,318,1754)，并且在还原一些底物时，如有机锗和铝化合物，在选择性方面显示出优于传统非均相和均相单电子还原剂的性能(参见angew.chem.int.ed.2009,48,9701；nat.chem.2010,2,865.)。

噻咯化合物(硅杂环戊二烯类化合物)，由于其独特的化学和光电性能，在光学器械、化学传感、生物监测、细胞成像以及刺激纳米响应材料领域得到了广泛的应用，特别是其较低的lumo轨道能量使得其容易得到电子，可被碱金属还原进而生成噻咯负离子化合物，且这些噻咯负离子化合物在室温下十分活泼，很容易自身发生反应生成噻咯聚合物，限制了对其化学性质和用途的研究。

技术实现要素：

发明人通过深入研究发现，采用共轭能力强的取代基离域噻咯环上的负离子，再通过特定的含氧配位溶剂来稳定噻咯负离子化合物，可以分离得到具有高效还原性能的螺环噻咯结构的四电子均相还原剂。

因此，本发明的目的之一是提供一种四电子均相还原剂化合物，本发明的目的之二是公开该化合物的制备方法，本发明的目的之三是公开该化合物的应用。

本发明所述的四电子均相还原剂是2,3,4,5,2’,3’,4’,5’-八芳基螺环噻咯四负离子化合物，结构如式(i)所示：

式中，ar为c6～c10芳香基或取代的芳香基团。

所述的ar优选苯基、2，6-二甲基苯基或2，6-二异丙基苯基中的一种。

所述m为碱金属。

所述m选自金属锂、钠或钾中的一种，优选金属锂。

所述s为含氧溶剂并以配位键形式和噻咯化合物络合。

所述s选自四氢呋喃、乙醚或乙二醇二甲醚中的一种，更优选乙二醇二甲醚。

本发明同时公开至少一种所述式(i)结构四电子均相还原剂的制备方法。

所述四电子均相还原剂的制备方法，是以式(ii)结构的芳基螺环噻咯化合物为原料，将式(ii)化合物于-20℃～20℃下，在含氧溶剂中通过碱金属还原得到，芳基螺环噻咯化合物、碱金属与含氧溶剂的摩尔质量比为1:(2～4):(8～10)，反应时间为0.5～2h。

其中，所述式(ii)原料化合物的ar为c6～c10芳香基或取代的芳香基团，优选苯基、2，6-二甲基苯基或2，6-二异丙基苯基中的一种。

式(ii)芳基螺环噻咯原料化合物的制备可参见文献(junghyun,lee.；suningwang.2,5-functionalizedspiro-bisilolesashighlyefficientyellow-lightemittersinelectroluminescentdevices.adv.funct.mater.2006,16,681.)得到。

所述含氧有机溶剂选自四氢呋喃、乙醚或乙二醇二甲醚中的一种，优选乙二醇二甲醚。

所述碱金属为锂、钠或钾中的一种，优选金属锂。

本发明得到的芳基螺环噻咯四电子均相还原剂，可应用于一些标准的均相还原体系。

为了说明本发明的还原性能，发明人以螺环噻咯四锂盐为例，分别和二醌、双三苯基膦二氯化钯、碘甲烷以及氧气反应，通过核磁共振和x射线能谱表征技术，证明螺环噻咯四锂盐能够将以上氧化剂完全还原。

芳基螺环噻咯化合物的制备及还原过程如下式所示，式中的2代表八芳基螺环噻咯四负离子，1代表八芳基螺环噻咯。

反应中，八芳基螺环噻咯四负离子能够彻底将以上底物二醌、双三苯基膦二氯化钯、碘甲烷以及氧气还原为二酚锂盐、零价钯、甲基锂以及氧化锂，自身被氧化为八芳基螺环噻咯，并表现出高效的还原性能。

本发明的式(i)四电子均相还原剂具有如下特点和优点：

(1)热稳定性良好，200℃以上仍不会分解。

(2)解性良好，在非极性溶剂正己烷中都具有良好的溶解性。

(3)化学稳定性良好，可以避免与还原产物发生进一步反应，同时可以通过层析柱和重结晶的方法方便地将其回收重复使用。

(4)制备方法简单不需要任何催化剂，能在较短的时间内(小于2h)、较温和的温度下就可以进行(-20℃～20℃)，产率大于95％，便于放大生产。

(5)还原剂使用安全、无毒、无味，对环境友好。

以上优点赋予了芳基螺环噻咯化合物在均相还原剂上更广阔的应用前景，对于噻咯化学和均相还原剂化学也具有现实的意义。

附图说明

图1实施例1产物2,3,4,5,2’,3’,4’,5’-八苯基螺环噻咯四锂盐的核磁氢谱(¹hnmrc6d6)。

图2实施例1产物2,3,4,5,2’,3’,4’,5’-八苯基螺环噻咯四锂盐核磁硅谱(²⁹sinmrc6d6)。

图3实施例2中还原产物对苯二酚的核磁(¹hnmrcdcl3)氢谱。

图4实施例5螺环噻咯四锂盐与双三苯基膦二氯化钯的反应产物零价钯的x射线电子能谱(xps)。

具体实施方式

以下实施例是对本发明技术方案的进一步说明，但本发明的保护范围并不受实施例限制。

1、主要分析方法

实验所用的四氢呋喃、正己烷、以及无水乙醚等常用溶剂，使用前以二苯甲酮作为指示剂在氮气保护下用金属钠回流除水；实验所用c6d6和cdcl3购自美国剑桥同位素实验室。实验所用化学原料二苯乙炔、正丁基锂、醇及硅烷均为试剂纯产品，根据需要分别从阿拉丁和国内试剂公司订购。核磁谱图为室温下于brukerav400核磁仪测得。化合物通过¹hnmr，¹³cnmr，²⁹sinmr对其进行确定，对已知化合物与文献进行对比确认。所有化合物的¹hnmr、¹³cnmr、²⁹sinmr等核磁数据均在brukeav400m型核磁谱仪上测定，未经特别说明检测温度为室温(298k)，其化学位移以氘代溶剂为参考：δ¹h(c6d6)＝7.15ppm，δ¹³c(c6d6)＝128.00ppm。对于该实验中水氧不敏感的化合物样品，在空气中直接用未经处理的氘代试剂进行配制。

2、原料来源及规格

3、2,3,4,5,2’,3’,4’,5’-八苯基螺环噻咯原料化合物的制备

在氮气保护下，室温下将金属锂(0.28g，40.0mmol)加入溶于100ml无水乙醚的二苯乙炔(7.0g，40.0mmol)中反应2h，过滤掉剩余的金属锂；在-20℃下将四氯化硅(1.7g，10.0mmol)的100ml甲苯溶液缓慢滴加到上述体系中，维持室温反应1h，缓慢升至室温，继续加热到100℃反应2h；再降至室温，浓缩溶液至20ml，放置在-40℃的冰箱中结晶，可得到黄绿色固体2,3,4,5,2’,3’,4’,5’-八苯基螺环噻咯3.3g，产率90％，备用。

实施例12,3,4,5,2’,3’,4’,5’-八苯基螺环噻咯四锂盐的制备

在氮气保护下，室温下将金属锂(0.30g，44.0mmol)加入溶于50ml乙二醇二甲醚中的2,3,4,5,2’,3’,4’,5’-八苯基螺环噻咯(7.4g，10.0mmol)。反应2h，浓缩溶液至10ml，放置在-40℃的冰箱中结晶，可得到橙红色固体2,3,4,5,2’,3’,4’,5’-八苯基螺环噻咯四锂盐11.3g，产率95％。

将得到的产物做核磁氢谱(¹hnmrc6d6)如图1。从图中可见，δ＝6.87～7.47ppm为螺环噻咯八个苯基的出峰，δ＝2.98和δ＝3.07ppm是乙二醇二甲醚上的亚甲基和甲基的出峰，同游离的乙二醇二甲醚出峰(δ＝3.12和δ＝3.33ppm)相比发生了明显变化。说明了乙二醇二甲醚作为配位溶剂起到稳定螺环噻咯四锂盐的作用。

产物的核磁硅谱图(²⁹sinmrc6d6)如图2，图中δ＝-13.28ppm为典型的四配位硅的硅谱出峰范围，与目标产物一致。

对比例1

在氮气保护下，室温下，将金属锂(0.30g，44.0mmol)加入溶于50ml正己烷中的2,3,4,5,2’,3’,4’,5’-八苯基螺环噻咯(7.4g，10.0mmol)。反应2h，浓缩溶液至10ml，放置在-40℃的冰箱中结晶，通过核磁跟踪，未分离得到相应的螺环噻咯四锂盐。

说明在非极性溶剂正己烷中，生成的螺环噻咯四锂盐十分活泼，非极性溶剂正己烷无法配位稳定金属锂离子，导致分离不到最终的产物螺环噻咯四锂盐。

对比例1’

在氮气保护下，室温下将金属锂(0.30g，44.0mmol)加入溶于50ml甲苯的2,3,4,5,2’,3’,4’,5’-八苯基螺环噻咯(7.4g，10.0mmol)。反应2h，浓缩溶液至10ml，放置在-40℃的冰箱中结晶，提供核磁检测，未分离得到相应的螺环噻咯四锂盐。

说明在甲苯中，生成的螺环噻咯四锂盐十分活泼，无法有效分离得到。

实施例2螺环噻咯四锂盐与二醌的反应

2,3,4,5,2’,3’,4’,5’-八苯基螺环噻咯四锂盐的制备过程同实施例1。

室温下将溶于10ml四氢呋喃的二醌(0.027g，0.25mmol)溶液滴加到实施例1所得的八苯基螺环噻咯四锂盐(0.80g，0.50mmol)中，体系颜色逐渐变为无色。抽干做粗产物核磁表明(如图3)有对苯二酚负离子生成(在σ＝9.83ppm出峰)，螺环噻咯四锂盐完全转化为螺环噻咯化合物。

说明螺环噻咯四锂盐作为均相四电子还原剂可以有效地还原二醌，表现出均相还原剂的性质。

对比例2相同条件下金属锂与二醌的反应

室温下将金属锂(0.35g，0.50mmol)加入溶于10ml四氢呋喃的二醌(0.027g，0.25mmol)溶液中，反应2h后，体系颜色变化不明显，反应24h后，体系颜色逐渐变为无色，核磁监测二醌才被还原完全。

说明相比较常见的非均相还原剂金属锂，螺环噻咯四锂盐作为均相四电子还原剂可以高效地在较短的时间里还原二醌，表现出优于传统非均相还原剂的性质。

对比例2相同条件下萘锂与二醌的反应

室温下，将萘锂(0.75g，0.50mmol)加入溶于10ml四氢呋喃的二醌(0.027g，0.25mmol)溶液中，反应6h后，体系颜色逐渐变为无色，核磁监测二醌才被还原完全。

说明相比较常见的均相单电子还原剂萘锂，螺环噻咯四锂盐作为均相四电子还原剂可以高效地在较短的时间里还原二醌，表现出优于传统均相还原剂的性质。

实施例3螺环噻咯四锂盐与碘甲烷的反应

2,3,4,5,2’,3’,4’,5’-八苯基螺环噻咯四锂盐的制备过程同实施例1。

室温下，将溶于5ml四氢呋喃的碘甲烷(0.07g，0.5mmol)溶液滴加到实施例1所得到得螺环噻咯四锂盐(0.40g，0.25mmol，实施例1产物)中，体系颜色逐渐变为无色。抽干做粗产物核磁表明有还原产物甲基锂(meli)生成，而螺环噻咯四锂盐完全转化为螺环噻咯化合物。

说明螺环噻咯四锂盐作为均相四电子还原剂可以有效地还原碘甲烷，表现出均相还原剂的性质。

对比例3相同条件下萘锂与碘甲烷的反应

室温下，将萘锂(0.75g，0.50mmol)加入溶于5ml四氢呋喃的碘甲烷(0.07g，0.5mmol)溶液中，反应2h后，体系颜色逐渐变为无色，核磁监测没有分离得到甲基锂产物。

因为萘锂是常见的均相单电子还原剂，选择性差，很容易将碘甲烷过渡还原，生成许多副产物，使得最终的还原产物十分复杂，得不到单一的产物。

实施例4螺环噻咯四锂盐与氧气的反应

2,3,4,5,2’,3’,4’,5’-八苯基螺环噻咯四锂盐的制备过程同实施例1。

室温下，将螺环噻咯四锂盐(0.40g，0.25mmol)暴露在空气中2h，体系逐渐变为淡黄色，分离得到螺环噻咯化合物。

说明螺环噻咯四锂盐作为均相四电子还原剂可以有效地还原常见氧化剂氧气，表现出均相还原剂的性质。

实施例5螺环噻咯四锂盐与双三苯基膦二氯化钯的反应

2,3,4,5,2’,3’,4’,5’-八苯基螺环噻咯四锂盐的制备过程同实施例1。

室温下，将螺环噻咯四锂盐(0.40g，0.25mmol)和双三苯基膦二氯化钯(0.36g，0.50mmol)溶于10ml的四氢呋喃中，反应2h，体系完全变为淡黄色，并且在反应瓶底部生成了黑色沉淀。黑色沉淀经过x射线电子能谱(xps)表征如图4所示，

其中x射线能谱pdo3d的出峰(335.1ev和340.9ev)与零价钯的出峰完全吻合。说明了该螺环噻咯四锂盐作为四电子均相还原剂，可以高效还原无机金属化合物。

对比例5相同条件下金属锂与双三苯基膦二氯化钯的反应

室温下，将金属锂(0.7g，1.0mmol)和双三苯基膦二氯化钯(0.36g，0.50mmol)溶于10ml的四氢呋喃中，反应12h，体系才褪色，二价钯被还原为零价钯。

说明相比较非均相金属锂还原剂，螺环噻咯四锂盐作为均相四电子还原剂可以在较短的时间里有效地还原常见高价金属盐二价钯化合物。

当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明权利要求的保护范围。