CN109020855A - 一种超声波辅助合成z-2-卤代-1-硫氰酸酯基乙烯化合物的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超声波辅助合成Z‑2‑卤代‑1‑硫氰酸酯基乙烯化合物的方法。在超声波与机械搅拌协同作用下，磺酸离子液体催化1‑卤代炔烃、硫氰酸钾和水发生三组份选择性加成反应，无溶剂条件下高效合成Z‑2‑卤代‑1‑硫氰酸酯基乙烯化合物。该方法原料易得，反应条件简便、温和、绿色节能，反应选择性及产率高，底物官能团兼容性优异，具有较高的应用价值。
Description
技术领域
本发明属于有机化合物合成领域，具体涉及一种卤代炔烃、硫氰酸钾和水加成合成Z-2-卤代-1-硫氰酸酯基乙烯化合物的方法。
背景技术
Z-2-卤代-1-硫氰酸酯基乙烯化合物是一种非常重要的多官能团化合物，具有非常重要的生理活性。但是，由于该化合物的活性官能团多，合成方法非常有限。目前文献报道的Z-2-卤代-1-硫氰酸酯基乙烯化合物的直接合成方法仅有华南理工大学江焕峰教授在2017年申请的发明专利(申请号CN201610579617.2)及其发表的论文(Adv.Synth.Catal.2017，359，1208)。该方法为：100℃高温条件下，醋酸银催化剂催化1-卤代炔烃与2倍化学摩尔量的硫氰酸钾在醋酸溶液中反应3小时，生成Z-2-卤代-1-硫氰酸酯基乙烯化合物目标产物。
但是该方法存在以下不足之处
1)在合成Z-2-氯代-1-硫氰酸酯基乙烯化合物和Z-2-碘代-1-硫氰酸酯基乙烯化合物时产率很低；
2)过渡金属催化剂的使用，导致潜在的过渡金属在最终产品中残留问题；
3)高温条件下，酸性溶剂不仅会对反应设备造成一定的腐蚀，还对炔烃底物官能团耐受性产生一定的不利作用。
发明内容
为了克服传统技术中存在的不足，本发明的目的是旨在提供一种不仅可以提高反应效率，降低生产成本，还可以减少反应三废排放的环境友好的Z-2-卤代-1-硫氰酸酯基乙烯化合物的制备方法。
为了实现上述技术目的，本发明提供了一种超声波辅助合成Z-2-卤代-1-硫氰酸酯基乙烯化合物的方法，将具有式1结构式的1-卤代炔烃、硫氰酸盐、水和磺酸离子液体在超声与搅拌条件下进行加成反应，制得式2所述结构式的Z-2-卤代-1-硫氰酸酯基乙烯化合物；
R为C1～C30的烃基或者取代烃基；X为Cl、Br或I。
本发明所述的制备方法，以1-卤代炔烃、硫氰酸盐、水为反应底物，磺酸离子液体为催化剂，超声波与搅拌协同条件下进行三组份反应，得到Z-2-卤代-1-硫氰酸酯基乙烯化合物。本发明人创新性地发现，在所述的离子液体的催化下，配合所述的超声波与机械搅拌的双重机制下，可以明显提升产物的收率以及产物的构型选择性，不仅如此，还可明显缩短制备时间。此外，通过萃取产物后，磺酸离子液体催化剂可以循环使用至少5次，催化性能不变。本发明制备方法，整个制备过程实现了无溶剂化，且反应条件温和，底物官能团兼容性优异，具有较高的应用价值。
R为烷烃基、五元～七元的环烷基、部分不饱和的五元～七元的环烃基、苯、五元～六元杂环芳基、或者由苯环、五元杂环、六元杂环中的至少两个芳香环并合形成的稠环基团。
优选地，R为C1～C30的烷烃基；C5～C30的五元的环烷基；C6～C30的六元的环烷基；C7～C30的七元的环烷基；C5～C30的部分不饱和的五元的环烃基、C6～C30的部分不饱和的六元的环烃基或C7～C30的部分不饱和的七元的环烃基；苯；C5～C30的五元杂环芳基；C6～C30的六元杂环芳基；或者由所述的苯环、五元杂环、六元杂环中的至少两个芳香环并合形成的稠环基团。
所述的烷烃基、环烷基、环烃基苯、杂环芳基、稠环基团的环结构上允许含有取代基；所述的取代基优选为H、C1～C6的烷基、C1～C6的烷氧基、羟基、巯基、甲硫基、三氟甲硫基、氰基、酰基、C2～C30的酯基、三氟甲基、卤素或氰基。
优选的方案，所述1-卤代炔烃包括1-卤代芳基乙炔、1-卤代杂芳基乙炔和1-卤代烷基乙炔。
所述的1-卤代炔烃具有式1-A、式1-B或式1-C的结构式的化合物中的至少一种；
R1～R7独自为H、C1～C10的烃基、C1～C10的烃基氧基、C6～C20的芳基、C5～C20的杂环芳基、羟基、巯基、甲硫基、三氟甲硫基、氰基、酰基、C2～C30的酯基、三氟甲基、卤素或氰基；
或者R1～R5中，相邻的基团一起构成5～10元的部分或全部不饱和的环状结构；所述的环状结构上还允许含有杂原子以及取代基；
Y为O、S、CH2或NH。
进一步优选，R1～R7独自为H、C1～C10的烷基、C1～C10的烷基氧基、羟基、巯基、甲硫基、三氟甲硫基、氰基、酰基、C2～C30的酯基、三氟甲基、卤素或氰基。
优选地，所述的硫氰酸盐为硫氰酸根的碱金属盐或者铵盐；进一步优选为硫氰酸钠、硫氰酸钾、硫氰酸铵中的至少一种。
最优选，所述的硫氰酸盐为硫氰酸钾。研究发现，硫氰酸钾的顺式产物的收率更高。
作为优选，硫氰酸盐的投加量不低于反应的理论摩尔量，优选地，硫氰酸盐、1-卤代炔烃的摩尔比不低于1，优选为1～2∶1；进一步优选为1.1～1.2∶1。优选的投加比例下，顺式构型产物的收率进一步提升。
作为优选：水的投加量不低于反应的理论摩尔量，优选地，水、1-卤代炔烃的摩尔比不低于1，优选为1～2∶1；进一步优选为1∶1。
所述的磺酸离子液体为以三氟甲磺酰亚胺(NTf-)为阴离子部分，阳离子部分带有磺酸基的离子液体。
作为优选，所述的磺酸离子液体为具有式3所述结构的化合物中的至少一种；
R8为C1～C3的烷基；n为1～4的整数。
优选地，所述的R8为甲基；n为3～4。优选的磺酸离子液体，其结构式为式3-A：
作为优选，1-卤代炔烃、磺酸离子液体的摩尔比为1∶0.1-0.3；优选为1∶0.1。
超声的功率不低于为20W，优选为25～60W，最优选为30W。
超声频率不低于15KHz；优选为17KHz～80KHz；进一步优选为17KHz～60KHz，更进一步优选为17KHz。
在优选的超声功率以及频率下，顺式产物的收率更高。
本发明还创新的发现，在所述的超声辅助下，配合机械搅拌，可以在缩短反应时间的前提下，还可意外提升转化率。
本发明创新地发现，三组份反应过程中，对反应体系进行超声以及机械搅拌，具有明显协同效果，可以明显缩短反应时间，提升产物的收率。
作为优选，所述的搅拌转速优选为300～750r/min。
加成反应无需额外加热，在所述的室温条件下进行即可，优选地，加成反应的温度为25～50℃。
作为优选，加成反应时间为15～35分钟。
以1-卤代苯乙炔为例，反应路线(见方程式1)如下：
相对现有技术，本发明的技术方案带来的有益技术效果：
1)磺酸离子液体催化剂易循环使用，价格低廉；
2)无溶剂反应，后处理简单，反应成本低；
3)反应条件温和，官能团兼容性好；
4)溴代、氯代或碘代的炔烃，采用本发明的加成方法，均能获得高选择性和高收率；
5)使用超声波和机械搅拌相结合，在缩短反应时间的同时，提高反应产率；
6)反应效率高，无其他有机副产物生成，萃取后真空干燥即可得到纯品。
具体实施方式
以下具体实施例旨在进一步说明本发明内容，而不是限制本发明权利要求的保护范围。
实施例1
Z-2-溴代-1-硫氰酸酯基苯乙烯的制备：
在10mL圆底烧瓶中，依次加入苯基溴乙炔(181mg)，硫氰酸钾(116mg)，水(18mg)，磺酸离子液体3-A(18.3mg)，所得混合液在30W/17KHz的超声搅拌(500转/分)反应装置中反应15分钟。乙酸乙酯萃取反应物，真空干燥的Z-2-溴代-1-硫氰酸酯基苯乙烯224mg，产率96％。
实施例2：
以50W/40KHz的超声搅拌替换30W/17KHz的超声搅拌：
在10mL圆底烧瓶中，依次加入苯基溴乙炔(181mg)，硫氰酸钾(116mg)，水(18mg)磺酸离子液体3-A(18.3mg)，所得混合液在50W/40KHz的超声搅拌(500转/分)反应装置中反应15分钟。乙酸乙酯萃取反应物，液相色谱分析Z-2-溴代-1-硫氰酸酯基苯乙烯产率为87％。
实施例3：
以20W/17KHz的超声搅拌替换35W/17KHz的超声搅拌：
在10mL圆底烧瓶中，依次加入苯基溴乙炔(181mg)，硫氰酸钾(116mg)，水(18mg)，磺酸离子液体3-A(18.3mg)，所得混合液在20W/17KHz的超声搅拌(500转/分)反应装置中反应30分钟。乙酸乙酯萃取反应物，液相色谱分析Z-2-溴代-1-硫氰酸酯基苯乙烯产率为78％。
实施例4：
以30W/40KHz的超声搅拌替换30W/17KHz的超声搅拌：
在10mL圆底烧瓶中，依次加入苯基溴乙炔(181mg)，硫氰酸钾(116mg)，水(18mg)，磺酸离子液体3-A(18.3mg)，所得混合液在30W/40KHz的超声搅拌(500转/分)反应装置中反应15分钟。乙酸乙酯萃取反应物，液相色谱分析Z-溴代-1-硫氰酸酯基苯乙烯产率为75％。
实施例5：
以1.0摩尔量的硫氰酸钾代替1.2摩尔量的硫氰酸钾
在10mL圆底烧瓶中，依次加入苯基溴乙炔(181mg)，硫氰酸钾(97mg)，水(18mg)，磺酸离子液体3-A(18.3mg)，所得混合液在30W/17KHz的超声搅拌(500转/分)反应装置中反应15分钟。乙酸乙酯萃取反应物，液相色谱分析Z-2-溴代-1-硫氰酸酯基苯乙烯产率为80％。
实施例6
以硫氰酸钠代替硫氰酸钾
在10mL圆底烧瓶中，依次加入苯基溴乙炔(181mg)，硫氰酸钠(81mg)，水(18mg)，磺酸离子液体(式3-A)(18.3mg)，所得混合液在30W/17KHz的超声搅拌(500转/分)反应装置中反应15分钟。乙酸乙酯萃取反应物，液相色谱分析Z-2-溴代-1-硫氰酸酯基苯乙烯产率为84％。
实施例7
以硫氰酸铵代替硫氰酸钾
在10mL圆底烧瓶中，依次加入苯基溴乙炔(181mg)，硫氰酸铵(76mg)，水(18mg)，磺酸离子液体(式3-A)(18.3mg)，所得混合液在30W/17KHz的超声搅拌(500转/分)反应装置中反应15分钟。乙酸乙酯萃取反应物，液相色谱分析Z-2-溴代-1-硫氰酸酯基苯乙烯产率为77％。
实施例8
磺酸离子液体催化剂循环实验：
在10mL圆底烧瓶中，依次加入苯基溴乙炔(905mg)，硫氰酸钾(580mg)，水(90mg)，磺酸离子液体(式3-A)(91.5mg)，所得混合液在30W/17KHz的超声搅拌(500转/分)反应装置中反应20分钟。乙酸乙酯萃取反应物后，继续向磺酸离子液体中加入相同量的苯基溴乙炔，硫氰酸钾和水，所得混合液在相同条件下反应。循环进行4次。液相色谱分析Z-2-溴代-1-硫氰酸酯基苯乙烯产率依次为97％，96％，96％，94％，93％。
实施例9：
在10mL圆底烧瓶中，依次加入苯基溴乙炔(181mg)，硫氰酸钾(116mg)，水(18mg)，磺酸离子液体(式3中，R8为甲基、n为2)(17.5mg)，所得混合液在30W/17KHz的超声搅拌(500转/分)反应装置中反应15分钟。乙酸乙酯萃取反应物，液相色谱分析Z-2-溴代-1-硫氰酸酯基苯乙烯产率为44％。
对比例1：
以室温(30℃)搅拌反应替换超声波搅拌辅助反应(仅进行搅拌处理)：
在10mL圆底烧瓶中，依次加入苯基溴乙炔(181mg)，硫氰酸钾(116mg)，水(18mg)，磺酸离子液体(式3-A)(18.3mg)，所得混合液在室温下搅拌(500转/分)反应15分钟。乙酸乙酯萃取反应物，液相色谱分析Z-2-溴代-1-硫氰酸酯基苯乙烯产率为17％。
对比例2：
以60℃搅拌反应替换超声波搅拌辅助反应(仅进行搅拌处理)：
在10mL圆底烧瓶中，依次加入苯基溴乙炔(181mg)，硫氰酸钾(116mg)，水(18mg)，磺酸离子液体(式3-A)(18.3mg)，所得混合液在60℃搅拌反应15分钟。乙酸乙酯萃取反应物，液相色谱分析Z-2-溴代-1-硫氰酸酯基苯乙烯产率为24％。
对比例3：
以单一超声波反应条件替换超声波搅拌协同反应条件(仅进行超声处理)：
在10mL圆底烧瓶中，依次加入苯基溴乙炔(181mg)，硫氰酸钾(116mg)，水(18mg)，磺酸离子液体(式3-A)(18.3mg)，所得混合液在30W/17KHz的超声反应15分钟。乙酸乙酯萃取反应物，液相色谱分析Z-2-溴代-1-硫氰酸酯基苯乙烯产率为62％。
实施例10
Z-2-溴代-1-硫氰酸酯基-4-甲基苯乙烯，
(Z)-1-(2-bromo-l-thiocyanatovinyl)-4-methylbenzene的制备：
在10mL圆底烧瓶中，依次加入1-溴乙炔基-4-甲苯(195mg)，硫氰酸钾(116mg)，水(18mg)，磺酸离子液体(式3-A)(18.3mg)，所得混合液在30W/17KHz的超声搅拌(500转/分)反应装置中反应15分钟。乙酸乙酯萃取反应物，真空干燥得相应的Z-2-溴代-1-硫氰酸酯基苯乙烯238mg，产率94％。
实施例11
Z-2-溴代-1-硫氰酸酯基-4-氟苯乙烯，
(Z)-1-(2-bromo-1-thiocyanatovinyl)-4-fluorobenzene的制备
在10mL圆底烧瓶中，依次加入1-溴乙炔基-4-氟甲苯(199mg)，硫氰酸钾(116mg)，水(18mg)，磺酸离子液体(式3-A)(18.3mg)，所得混合液在30W/17KHz的超声搅拌(500转/分)反应装置中反应15分钟。乙酸乙酯萃取反应物，真空干燥得相应的Z-2-溴代-1-硫氰酸酯基苯乙烯239mg，产率93％。
实施例12
Z-3-(2-溴-1-硫氰酸酯基乙烯基)噻吩
(Z)-3-(2-bromo-1-thiocyanatovinyl)thiophenee的制备
在10mL圆底烧瓶中，依次加入2-溴乙炔基噻吩(187mg)，硫氰酸钾(116mg)，水(18mg)，磺酸离子液体(式3-A)(18.3mg)，所得混合液在30W/17KHz的超声搅拌(500转/分)反应装置中反应18分钟。乙酸乙酯萃取反应物，真空干燥得相应的Z-2-溴代-1-硫氰酸酯基苯乙烯228mg，产率93％。
实施例13
Z-1-2-溴-1-硫氰酸酯基辛烯，
(Z)-1-bromo-2-thiocyanatohept-1-ene的制备
在10mL圆底烧瓶中，依次加入1-溴辛炔(189mg)，硫氰酸钾(116mg)，水(18mg)，磺酸离子液体(式3-A)(18.3mg)，所得混合液在30W/17KHz的超声搅拌(500转/分)反应装置中反应20分钟。乙酸乙酯萃取反应物，真空干燥得相应的Z-2-溴代-1-硫氰酸酯基苯乙烯225mg，产率91％。
实施例14
Z-2-氯代-1-硫氰酸酯基苯乙烯，(Z)-(2-chloro-1-thiocyanatovinyl)benzene的制备：
在10mL圆底烧瓶中，依次加入苯基氯乙炔(136mg)，硫氰酸钾(116mg)，水(18mg)，磺酸离子液体(式3-A)(18.3mg)，所得混合液在30W/17KHz的超声搅拌(500转/分)反应装置中反应15分钟。乙酸乙酯萃取反应物，真空干燥的Z-2-溴代-1-硫氰酸酯基苯乙烯185mg，产率95％。
实施例15
Z-2-碘代-1-硫氰酸酯基苯乙烯，(Z)-(2-iodo-1-thiocyanatovinyl)benzene的制备：
在10mL圆底烧瓶中，依次加入苯基碘乙炔(228mg)，硫氰酸钾(116mg)，水(18mg)，磺酸离子液体(式3-A)(18.3mg)，所得混合液在30W/17KHz的超声搅拌(500转/分)反应装置中反应15分钟。乙酸乙酯萃取反应物，真空干燥的Z-2-溴代-1-硫氰酸酯基苯乙烯264mg，产率92％。
综上可知，在所述的离子液体的催化下，配合所述的超声波与机械搅拌的双重机制下，可以明显提升产物的收率以及产物的构型选择性，不仅如此，还可明显缩短制备时间。此外，通过萃取产物后，磺酸离子液体催化剂可以循环使用多次，催化性能不变。本发明制备方法，整个制备过程实现了无溶剂化，且反应条件温和，底物官能团兼容性优异，具有较高的应用价值。
Claims (10)
1.一种Z-2-卤代-1-硫氰酸酯基乙烯化合物的制备方法，其特征在于：将具有式1结构式的1-卤代炔烃、硫氰酸盐、水和磺酸离子液体在超声与搅拌条件下进行加成反应，制得式2所述结构式的Z-2-卤代-1-硫氰酸酯基乙烯化合物；
R为C1～C30的烃基或者取代烃基；X为Cl、Br或I。
2.如权利要求1所述的Z-2-卤代-1-硫氰酸酯基乙烯化合物的制备方法，其特征在于：
R为烷烃基、五元～七元的环烷基、部分不饱和的五元～七元的环烃基、苯、五元～六元杂环芳基、或者由苯环、五元杂环、六元杂环中的至少两个芳香环并合形成的稠环基团；
所述的烷烃基、环烷基、环烃基苯、杂环芳基、稠环基团的环结构上允许含有取代基；所述的取代基优选为H、C1～C6的烷基、C1～C6的烷氧基、羟基、巯基、甲硫基、三氟甲硫基、氰基、酰基、C2～C30的酯基、三氟甲基、卤素或氰基。
3.如权利要求2所述的Z-2-卤代-1-硫氰酸酯基乙烯化合物的制备方法，其特征在于：
所述的1-卤代炔烃具有式1-A、式1-B或式1-C的结构式的化合物中的至少一种；
R1～R7独自为H、C1～C10的烃基、C1～C10的烃基氧基、C6～C20的芳基、C5～C20的杂环芳基、羟基、巯基、甲硫基、三氟甲硫基、氰基、酰基、C2～C30的酯基、三氟甲基、卤素或氰基；
或者R1～R5中，相邻的基团一起构成5～10元的部分或全部不饱和的环状结构；所述的环状结构上还允许含有杂原子以及取代基；
Y为O、S、CH2或NH。
4.如权利要求1～3任一项所述的Z-2-卤代-1-硫氰酸酯基乙烯化合物的制备方法，其特征在于：硫氰酸钾的投加量不低于反应的理论摩尔量，优选地，硫氰酸钾、1-卤代炔烃的摩尔比不低于1，优选为1～2∶1；进一步优选为1.1～1.2∶1。
5.如权利要求1～3任一项所述的Z-2-卤代-1-硫氰酸酯基乙烯化合物的制备方法，其特征在于：水的投加量不低于反应的理论摩尔量，优选为1～2∶1；进一步优选为1∶1。
6.如权利要求1所述的Z-2-卤代-1-硫氰酸酯基乙烯化合物的制备方法，其特征在于：所述的磺酸离子液体为具有式3所述结构的化合物中的至少一种；
R8为C1～C3的烷基；n为1～4的整数；
进一步优选地，所述的R8为甲基；n为3。
7.如权利要求1或6所述的Z-2-卤代-1-硫氰酸酯基乙烯化合物的制备方法，其特征在于：1-卤代炔烃、磺酸离子液体的摩尔比为1∶0.1-0.3；优选为1∶0.1。
8.如权利要求1所述的Z-2-卤代-1-硫氰酸酯基乙烯化合物的制备方法，其特征在于：超声的功率不低于为20W，优选为25～60W；
超声频率不低于15KHz；优选为17KHz～80KHz；
优选地，所述的搅拌转速优选为300～750r/min。
9.如权利要求1或8所述的Z-2-卤代-1-硫氰酸酯基乙烯化合物的制备方法，其特征在于：所述的硫氰酸盐为硫氰酸根的碱金属盐或者铵盐；进一步优选为硫氰酸钠、硫氰酸钾、硫氰酸铵中的至少一种。
10.如权利要求1所述的Z-2-卤代-1-硫氰酸酯基乙烯化合物的制备方法，其特征在于：加成反应时间为15～35分钟。
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