4-溴咔唑的应用与合成

发布日期:2023/11/30 8:51:11

介绍

4-溴咔唑，分子式为C12H8BrN。熔点为104-105℃，外观为白色结晶粉末。它用作有机、材料(OLED)的中间体。亲电的N原子通过诱导效应吸引π共轭体系的电子，由于P‑π共轭效应N原子的孤对电子又供给π共轭体系，使π共轭体系富电子，因此4-溴咔唑具有很强的空穴传输能力。

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图一 4-溴咔唑

应用

有机电致发光薄膜是一种把施加的电能转化为光能的电能转化膜。有机电致发光薄膜具有以下突出的优点，功耗低、易弯曲、响应速度快、视角广、可大面积显示、发光色彩齐全等，是一类现有的多种标准、技术兼容制成成本低的发光器件，因而在实现彩色平板显示方面显示出强大的生命力。咔唑及其衍生物属于富电子体系，不仅具有较大的π共轭体系，同时还具有较强的分子内电子转移特性。结构上来看，咔唑亲电的N原子通过诱导效应吸引π共轭体系的电子，由于P‑π共轭效应N原子的孤对电子又供给π共轭体系，使π共轭体系富电子，因此咔唑类化合物具有很强的空穴传输能力。咔唑环上取代基位置不同，其电子效应完全不同，进而其空穴传输能力也大不相同。

咔唑及其衍生物是一类杂环芳香化合物，有较大的π电子共轭体系和较强的分子内电子转移特性，从结构来看，咔唑亲电的氮原子通过诱导效应吸收双键上的电子；另一方面，由于p‑π共轭效应氮原子的未共用电子又供给双键，使双键富电子，因此，咔唑环具有很强的空穴传输能力，咔唑聚合物或小分子化合物可在有机电致发光器件中作为空穴传输层，其降低了小分子材料的结晶，提高了器件寿命，同时，增加了电子空穴复合的机会，提高了器件的发光效率，咔唑上取代基位置不同会影响其电子效应，进而影响其空穴传输能力[1]。

合成

以往合成方法的缺点

传统的4‑溴咔唑的合成路线，主要有以下几种。

路线一：中国专利申请号为201410142897.1，专利申请文件公开了一种4‑溴咔唑的制备方法。该专利以邻溴苯硼酸、邻氯硝基苯为原料，在钯催化剂的作用下经Suzuki偶联反应得到中间体2‑溴‑2’‑硝基联苯，2‑溴‑2’‑硝基联苯在亚磷酸三苯酯的作用下成环得到4‑溴咔唑，收率83.1％。反应方程式为：

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图二 4-溴咔唑的合成路线1

路线二：中国专利申请号为201811594888.0，专利申请文件公开了制备4‑溴咔唑及其衍生物的方法。该专利以2,3‑二溴氟苯、苯胺为原料，在碱的作用下经缩合反应制备中间体2,3‑二溴‑N‑苯基苯胺，2,3‑二溴‑N‑苯基苯胺在钯催化剂作用下经C‑C偶联反应成环制备4‑溴咔唑，收率88％。

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图三 4-溴咔唑的合成路线2

上述合成路线中，路线一一方面在关环过程中使用了亚磷酸三苯酯，气味较大且反应后产生大量的三苯基氧磷等副产物，环保问题突出；且由于反应需在160‑200℃高温下进行，最终产品颜色较深，纯化难度大；另一方面，路线一种使用了邻溴苯硼酸作为反应原料，而邻溴苯硼酸的制备需要使用丁基锂试剂在超低温下进行反应，合成方法工业化困难，也导致其价格昂贵，使得4溴咔唑无法量化生产。

李奎、杨振强、陈辉、张银龙和杨瑞娜等人公开了一篇名为“4溴咔唑的合成与表征”的文章，该研究采用以邻溴硝基苯为起始原料，依次与双(频哪醇合)二硼和邻溴碘苯经过Miyaura Suzuki“一锅两步”反应，再经过亚磷酸三苯酯还原反应合成了4溴咔唑。合成路线如下：

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图四 4-溴咔唑的合成路线3

该方法虽然避免使用邻溴苯硼酸，但是该方法在最后一步关环过程中使用了4倍当量以上亚磷酸三苯酯，气味较大且反应后产生大量的三苯基氧磷等副产物，环保问题突出；反应中使用大量的亚磷酸三苯酯且无法回收造成生产成本偏高。路线二反应条件温和，收率高，产品质量好，但是使用了2,3‑二溴氟苯作原料，该原料不易得，价格昂贵，极大限制其在实际工业大生产中应用。

路线三经过4步得到目标产物，步骤冗长，第一步反应必须在200℃以上高温进行，能耗大，第二步成环过程中使用使用了过量的亚磷酸三乙酯，气味较大且反应后产生大量的三乙氧基氧磷等副产物，环保问题突出；第三步还原采用锌粉还原，产生大量三废；整个工艺过程存在突出的安全、环保问题，步骤多造成生产成本高，设备投资大，不适合工业化生产。

新合成方法

针对现有合成4‑溴咔唑的方法成本高、环保问题突出、不利于工业化大批量生产的问题，朱叶峰[2]等人提供一种4‑溴咔唑制备方法，通过优化合成路线，得到一种反应条件温和、高效、经济性好的4‑溴咔唑合成新方法。

具体步骤为：氮气保护下，在500mL反应瓶内加入357.6g间二溴苯(99％，1.5mol)，26.1g邻溴苯胺(99％，0.15mol)，0.084g乙酸钯(99％，0.375mmol)，0.18g 2‑二环己基膦‑2,4,6‑三异丙基联苯(99％，0.375mmol)，58.2g叔丁醇钠(99％，0.6mol)，投料毕，升温至130℃，搅拌转速600rpm，保温反应24hr，反应结束后，减压蒸馏回收未反应的间二溴苯，残留物中加入水及乙酸乙酯萃取，有机层脱溶得到粗品以乙醇结晶得到34.3g 4‑溴咔唑，含量99.6％，收率92.5％。

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图五 4-溴咔唑的合成路线4

该方法存在的优点如下：

(1)本制备方法使用廉价易得的邻溴苯胺、间二溴苯作原料，经过一锅法串联反应一步得到产品4‑溴咔唑，与现有技术相比，避免了硝基还原成环步骤，即缩短了反应步骤，具有生产成本低，环境友好等优势；

(2)本制备方法在低温(90℃～150℃)下即可发生反应，条件温和，后处理纯化简单、收率高、生产成本低、产品质量好等优势，有利于实施大规模工业化生产；

(3)本制备方法中间二溴苯大大过量，反应过程中间二溴苯既作反应物又作反应溶剂，反应结束后，由于间二溴苯沸点为219.5℃，产物4‑溴咔唑的沸点约427℃，通过减压蒸馏的方式即可回收间二溴苯，操作简单；若反应过程中不使用大大过量的间二溴苯，而使用常用的有机溶剂(如N‑甲基吡咯烷酮、二甲苯等)，反应基本无法进行；

(4)该方法结构简单，设计合理，易于制造。