基于紫外光谱的甲基菲罗啉NBS溴代反应研究*

李　森， 李　朋， 韩国志

(南京工业大学化学与分子工程学院，江苏　南京　210009)



科学实验

基于紫外光谱的甲基菲罗啉NBS溴代反应研究*

李森， 李朋， 韩国志

(南京工业大学化学与分子工程学院，江苏南京210009)

自由基卤代是有机合成中一类重要的反应。其中，溴代反应由于条件温和以及实现途径的多样化，研究最为深入。在目前的溴代试剂中，N-溴代丁二酰亚胺(NBS)具有成本低、操作性强等优点，广泛应用于a-氢的取代。但对于具有活泼氢的芳杂环而言，基于NBS的溴代容易受到杂原子的干扰，受反应条件的影响较大。该文以2,9-二甲基邻菲罗啉为原料，NBS为溴代试剂，合成了溴甲基邻菲罗啉。并创新性地采用紫外光谱研究了其溴代历程，对反应进行了优化，具有较高的学术与应用价值。

溴代；邻菲罗啉；NBS；紫外

卤代反应是有机合成中的一类重要的取代反应[1]。在构建新型化合物中，往往作为一个桥梁引入新的基团。每种卤代反应都有对应的不同实现方法[2-3]。其中，溴代反应由于条件温和及实现途径的多样化，应用最为广泛。 传统的溴代试剂主要有单质溴，溴化物以及N-溴代丁二酰亚胺[4-6]。单质液溴具有较强的腐蚀性[7]、成本也较高,同时也会造成较大污染。溴化物与氧化剂的间接溴代在一定程度上弥补了液溴的缺点,但是有些氧化剂价格昂贵且安全性、稳定性较低，同时增加了后处理的难度。在目前的溴代试剂中，N-溴代丁二酰亚胺(NBS)具有成本低、操作性强等优点，广泛应用于a-活泼氢的取代[8-11]。其溴代机理研究也最为成熟。其被广泛认可的溴代机理如图1所示[12]。

但本课题组研究发现，对于芳杂环，尤其氮杂环而言，基于NBS的a-活泼氢的溴代反应表现出一些异于常规的特征，芳环中的杂原子对溴代反应具有很大的影响。

图1　NBS溴代机理

目前，关于芳杂环a-氢的NBS溴代反应及相关研究鲜有报道，而芳杂环活泼氢的卤代对于很多有机中间体而言，是非常重要的一步反应，能极大地减少反应步骤，提高收率，降低成本。本文以2,9-二甲基邻菲罗啉为原料，NBS为溴代试剂，合成了高效新型荧光分子2,9-双[N,N-二(羧甲基)-氨甲基]-1,10-邻菲罗啉(BBCAP)的中间体二溴甲基邻菲罗啉，极大的简化了BBCAP的合成步骤。并创新性地采用紫外光谱研究了其溴代历程，合成路线如图2所示。

图2　二溴甲基邻菲罗啉合成路线

1　实验部分

1.1实验试剂与仪器

Bruker Avance 300型核磁共振仪,德国Bruker公司(以四甲基硅为内标)；Shimadzu 3150-PC型紫外分光光度计,日本岛津公司；HH-2型恒温水浴锅,国华电器有限公司。2,9-二甲基-1,10-邻菲罗啉、N-溴代丁二酰亚胺(NBS)、过氧化苯甲酰(BPO),购自阿拉丁试剂公司，所有试剂均为分析纯。

1.2实验方法

1.2.12,9-二溴甲基-1,10-邻菲罗啉的合成

在150 mL的三口烧瓶中，加入2,9-二甲基-1,10-邻菲罗啉1 g(4.8mmol)、NBS 1.8 g(10.08 mmol)、以及适量溶剂，光照引发，在氮气保护下快速搅拌。体系颜色逐渐变黄，TLC监控反应终点。旋蒸除去溶剂，粗产物水洗，得橙黄色固体1.68 g。硅胶过柱纯化 (梯度洗脱，石油醚:乙酸乙酯=15:1，8:1， 3:1)得淡黄色固体0.33 g，收率19%。1HNMR(400 MHz，CDCl3)δ：4.74(s,4H)，7.95(m,2H)，8.13(d,J=8.0,2H)，8.57(d,J=7.5,2H)。

1.2.2基于紫外光谱的二甲基邻菲罗啉溴代反应的优化

在上述合成基础上，本文通过紫外光谱对反应温度以及溶剂极性进行了优化。即在反应的不同条件下取样，测量其紫外光谱，分析体系组成的特征与变化。

2　结果与讨论

2.1紫外监控原理

实验测得原料2,9-二甲基-1,10-邻菲罗啉的紫外最大特征峰在270 nm左右。当其a-氢被溴取代之后，通过理论分析计算，二溴甲基邻菲罗啉的最大吸收峰应该在279 nm左右。一溴代在274 nm左右。与实际实验检测相一致。因此，我们可以通过体系紫外光谱的变化，分析反应体系组成的变化。

2.2温度的影响

本文首先研究了温度对邻菲罗啉溴代反应的影响，图3是在相同时间节点，不同温度下，反应体系的紫外光谱。

由图3可以看出，温度对反应有较大的影响。反应温度为25 ℃，反应终点时，紫外最大吸收峰发生较大红移，从 270 nm 移动到301 nm左右，与理论值相差太大，根据实验现象，本文推测是杂环中氮质子化成盐。通过核磁确证了结果。1HNMR(400 MHz，CDCl3)δ：3.54(s,6H)，8.05(m,2H)，8.23(d,J=8.0,2H)，8.87(d,J=7.5,2H)。当体系温度为80 ℃时，紫外最大吸收峰发生微弱的红移，从270 nm 移动到279 nm，与溴代产物相符。根据以上结果，本文研究分析认为，低温条件下，芳杂环中的氮原子对溴代历程产生了淬灭作用，推测的机理如图4所示。

图3　温度对反应体系紫外光谱的影响

图4　温度对2,9-二甲基邻菲罗啉溴代的影响机理

2.3溶剂的影响

本文还研究了溶剂对邻菲罗啉溴代反应的影响。图5是分别用四氢呋喃、四氯化碳、乙腈作溶剂,在相同的时间节点(4 h)、相同的温度(80 ℃)下反应体系的紫外光谱。

图5　溶剂对反应体系紫外光谱的影响

由图5可以看出，在相同的温度下，溶剂的极性对反应也有着重要的影响。用四氢呋喃(THF)作溶剂，4 h之后，体系紫外光谱的最大吸收峰几乎没有变化，用四氯化碳(CCl4)作溶剂，紫外光谱最大吸收峰红移到274 nm，主要产物可能是一溴代产物。而以乙腈作溶剂，4 h之后，紫外光谱最大吸收峰红移到280 nm。本文分析认为，溶剂的性质对于溴代过程中，自由基转移的第二步有着重要的影响。对于THF而言，在第二步自由基转移的过程中，会与溴化氢发生质子化的过程，影响溴分子的产生速率。而对于四氯化碳与乙腈而言，极性较大的乙腈更有利于NBS中的N-Br键发生异裂，促进溴分子的生成，从而加速溴代反应的速率。

3　结　论

通过紫外光谱研究了2,9-二甲基邻菲罗啉的NBS溴代反应。研究结果表明，芳杂环中杂原子对芳环a-氢的溴代具有重要的影响。当体系处于低温条件下，芳杂环中的氮原子对溴代反应产生了淬灭作用，不利于溴代产物的生成。此外，溶剂极性的增加有利于溴代产物的转化。

[1]阮宁宁,王亮,陈志敏,等.1,10-邻菲咯啉-5,6-二酮制备反应中副产物的形成与控制[J].化学通报, 2012,75(2):155-159.

[2]Shu L, Mayor M. Shape-persistent macrocycle with a selfcomplementary recognition pattern based on diacetylene linked alternating hexylbenzene and perfluorobenzene rings[J]. Chem. Commun, 2006(39): 4134-4136.

[3]Borikar S P, Daniel T, Paul V. An efficient, rapid, and regioselective bromination of anilines and phenols with 1-butyl-3-methylpyridinium tribromide as a new reagent/solvent under mild conditions [J]. Tetrahedron Letters,2009, 50(9): 1007-1009.

[4]Heravi M M, Abdolhosseini N, Oskooie H A. Regioselective and high-yielding bromination of aromatic compounds using hexamethylenetetramine-bromine [J]. Tetrahedron letters, 2005, 46(51): 8959-8963.

[5]Yang D，Yan Y L，Lui B． Mild α-Halogenation Reactions of 1,3-Dicarbonyl Compounds Catalyzed by Lewis Acids [J]．J Org Chem.，2002，67: 7429-7431．

[6]王积涛．高等有机化学[M].北京:人民教育出版社,1980:149-151.

[7]刘佳兴,陈亚萍.姜黄素α-H 取代衍生物的合成研究[J].山东化工,2013,42(7):37-43.

[8]阮礼波,刘烽,欧文华,等.H3PO4/Zr(OH)4高效促进 NBS 对取代烷基苯的亲电溴代[J].化学学报.2010(7):713-716.

[9]刘海洪,王一飞,彭丽亚,等.4-二乙(甲)胺基苯甲醛溴代反应研究[J].浙江化工,2014,45(2):27-32.

[10]黄培强,赵刚,刘国生,等.有机化学进展(2011-2012)[J].化学通报,2014,77(7):586-615.

[11]王俊伟,李赢,张小娟,等.N-溴代丁二酰亚胺-曙红抑制化学发光法测定阿莫西林[J].中国医药工业杂志,2014,45(3):269-272.

[12]于世钧,赵洪霞,吕丹,等.NBS自由基取代反应的几种历程[J].大学化学,2003,18(2):61-64.

Research of NBS Bromination Reaction of Methyl Phenanthroline Based on UV Spectra*

LISen,LIPeng,HANGuo-zhi

(College of Chemistry and Molecular Engineering, Nanjing Tech University, Jiangsu Nanjing 210009, China)

Halogen free radical substitution is a kind of important reactions in organic synthesis. Among them, due to the mild conditions and diversification of realization ways, bromination reaction has been studied mostly in-depth.. In the present bromination reagent, N-Bromosuccinimide (NBS) is widely used in replacing of α-H because of the advantages of low cost and convenient operability. But for active hydrogen in aromatic heterocyclic, bromination reaction by NBS was easily disturbed by heteroatom, and largely influenced by reaction conditions. Using 2,9-dimethyl-1,10-phenanthroline as raw material and NBS as bromination reagent, dibromomethyl phenanthroline was synthesized. On the basis, the bromination mechanism was innovatively studied by UV spectra and the reaction was optimized. The research will have high academic and application value.

bromine generation; phenanthroline; N-bromosuccinimide; UV

中国博士后基金(No.20100481084)资助。

李森，硕士研究生，研究方向：芳香杂环化合物的合成。

0626

A

1001-9677(2016)02-0036-03