3-吡啶硼酸的合成研究

刘国权，梁九娣，郭晓芝，王海英,韩建荣

(1.河北科技大学理学院，河北石家庄 050018；2.石家庄市环境监测中心，河北石家庄 050022)

有机硼酸化合物是一类重要的化学中间体，在有机合成中有广泛的应用[1-5]。有机硼酸是Suzuki交叉偶联反应的重要原料[6]，可以与含有α，β不饱和键的羧基化合物进行共轭加成反应[7-8]。目前芳基硼酸的制备研究较多，而吡啶硼酸等杂环类硼酸的合成报道较少[9-10]。在很多的医药、农药、离子液体等分子中含有吡啶结构[11-16]，以吡啶硼酸为原料，通过Suzuki偶联反应，可以将吡啶环引入到分子中，反应条件温和、收率高且环境友好。吡啶硼酸属于杂环类硼酸，与芳基硼酸相比，合成条件较苛刻，且后处理方法也有所不同。本文以3-溴吡啶为起始物，通过与硼酸三丁酯和烷基锂反应，制备了3-吡啶硼酸，并对反应条件进行了优化，探索出一条易于工业化生产的合成路线，降低了生产成本，具有较高的实际应用价值。

1 实验部分

1.1 实验仪器与试剂

主要仪器：四口瓶(250 mL)，JJ-1增力电动搅拌器，RE-2000旋转蒸发器，SHZ-Ⅲ循环水式多用真空泵，T-200型电子天平，FA1604A电子天平，高效液相色谱仪(兰博公司，Model2000),傅里叶变换红外光谱仪(岛津公司，IRPrestige 21),核磁共振波谱仪(瑞士Bruker，Avance500 MHz)。

主要试剂：3-溴吡啶，正丁基锂(2.5 mol/L)，硼酸三丁酯(AR)，四氢呋喃(AR)，丙酮(AR)，盐酸(AR)，干冰，高纯氮气。

1.2 实验步骤

在氮气保护下，向四口瓶中加入0.031 6 mol的3-溴吡啶原料、一定配比的硼酸三丁酯和四氢呋喃，降温至-68～-70 ℃。向四口瓶中滴加正丁基锂至溶液呈黄色。滴加完后保温1 h。然后立即滴加稀HCl水解。溶液先产生沉淀，随着沉淀逐渐消失，调体系pH值为1。向溶液中滴加质量分数为25%的NaOH溶液，至pH值为13，搅拌1 h。分液，有机相用15 mL的质量分数为10%的NaOH萃取，将水相合并，用15 mL的THF分别萃取碱液2次。将得到的碱液用稀HCl调pH值，开始有浑浊产生，慢慢出现絮状物，调pH值为5.0。以70 mLTHF萃取水相，有机相旋干、提纯得到4.11 g产品，收率为82.20%。采用HPLC对产品进行测定(流动相为V(甲醇)∶V(水)∶V(三氟乙酸)=50∶50∶3，波长为260 nm)，纯度为99.63%；IR测定结果：3 425 cm-1为O—H键伸缩振动频率νO—H，1 421 cm-1，1 362 cm-1，1 313 cm-1为环骨架伸缩振动频率νC=C；1H NMR：8.288(t，1H)，7.755(t，1H)，7.031(t，1H)，6.449(t，1H)。合成步骤见图1。

图1 3-吡啶硼酸的合成反应步骤Fig.1 Synthesis steps of 3-pyridyl boric acid

2 结果与讨论

2.1 不同反应时间对合成3-吡啶硼酸产率的影响

在其他反应条件不变的情况下，考察低温反应时间对收率的影响。反应时间分别设定为2.5，2.0，1.5，1.0，0.5 h；相应得到3-吡啶硼酸的不同产率。计算公式：3-吡啶硼酸的产率=旋转蒸干提纯的产物的物质的量/3-吡啶硼酸的理论物质的量，结果如表1所示。

表1 反应时间对产率的影响Tab.1 Influence of reaction time on the yield

由表1可以看出，反应时间对3-吡啶硼酸产率的影响非常显著。当反应时间为0.5 h时其产率只有67.62%，反应时间为1.0 h时产率达到了82.20%，当反应超过1.0 h后，生成3-吡啶硼酸的产率基本保持不变。不同的反应时间有不同的产率的原因在于，当反应时间小于1.0 h时由于反应还没有充分，不断会有新的3-吡啶硼酸的生成，3-吡啶硼酸产率会随反应的进行而增加；当反应大于1.0 h时，反应已经基本充分，随反应时间的延长，3-吡啶硼酸的产率基本不变。

2.2 合成反应温度对3-吡啶硼酸产率的影响

在其他反应条件不变的情况下，考察低温反应温度对收率的影响。分别选取-45，-50，-55，-60，-65，-70 ℃，3-吡啶硼酸的收率如表2所示。

表2 反应温度对产率的影响Tab.2 Influence of reaction temperature on the yield

由表2的数据可知，合成反应的温度对3-吡啶硼酸产率的影响比较显著，3-吡啶硼酸产率随反应温度的变化规律是：随着反应温度的降低，产率逐渐提高，其产率随温度降低到一定高度后基本上保持平稳变化，在平稳变化中会出现一个最高产率，以后就基本保持不变。

2.3 正丁基锂的用量对产率的影响

在调整反应条件并只改变与3-溴吡啶反应的正丁基锂的用量，实验分别采用正丁基锂的用量为0.025，0.030，0.035，0.040，0.045，0.050 mol得到3-吡啶硼酸不同的产率如表3所示。

表3 正丁基锂的用量对产率的影响Tab.3 Influence of n-butyl lithium on the yield

由表3可知，当正丁基锂达到0.040 mol以上时其对3-吡啶硼酸的产率基本没有影响。这是因为当加入正丁基锂的用量充分时它就会与3-溴吡啶充分反应，生成的硼酸二酯就越充分，得到的3-吡啶硼酸的产率就越高。当正丁基锂的用量逐渐减少时，在3-溴吡啶的用量不变的前提下，正丁基锂就逐渐不能与3-溴吡啶充分反应生成硼酸二酯，这样就会导致3-吡啶硼酸的产率降低。

2.4 硼酸三丁酯的用量对产率的影响

在其他反应条件不变的情况下，只改变合成3-吡啶硼酸时硼酸三丁酯的用量，实验采用硼酸三丁酯的量为0.030，0.035，0.040，0.043，0.048 mol时，分别得到了3-吡啶硼酸不同的产率如表4所示：

表4 硼酸三丁酯的用量对产率的影响Tab.4 Influence of tributylborate on the yield

由表4可知，当硼酸三丁酯的用量达到0.040 mol以上的时候，其对3-吡啶硼酸的产率基本没有影响。当加入足够量的硼酸三丁酯时，它会和3-溴吡啶与正丁基锂生成的3-吡啶锂充分反应，此时的产率基本保持不变且会在某一量达到最高；随着硼酸三丁酯加入量的减少，不能将3-吡啶锂充分反应完全，3-吡啶硼酸的产率也会跟着逐渐降低。

2.5 pH值对3-吡啶硼酸产率的影响

在其他反应条件不变的情况下，改变合成反应完成后的3-吡啶硼酸钠混合液经稀盐酸反应后溶液的pH值，实验采取了在pH值分别为4.0，5.0，6.0，7.0时依次作了4次实验，分别得到了3-吡啶硼酸不同的产率如表5所示。

表5 pH值对产率的影响Tab.5 Influence of pH value on the yield

由表5可知，pH值对产率的影响非常显著。当pH值调的太高时3-吡啶硼酸的产率就会很低，由于稀盐酸的用量过少以致不能提供足够的H+去与3-吡啶硼酸钠发生反应，这样就会有未反应的3-吡啶硼酸钠，产率就会降低。实验证明3-吡啶硼酸溶于盐酸，所以当加入较多的稀盐酸后，此时溶液的pH值较低，3-吡啶硼酸就会部分溶解到溶液中，得到的3-吡啶硼酸的产率又会明显降低。

3 结 语

以3-溴吡啶为起始物，利用锂试剂和硼酸酯合成了3-吡啶硼酸。结果表明，该合成工艺具有产率较高、易于工业化生产、生产成本较低的优点。通过实验，得到合成3-吡啶硼酸的优化条件：反应温度为-60 ℃，反应时间为1.0 h，物料配比为n(C5H4NBr)∶n(n-BuLi)∶n(B(OC4H9)3)=1.00∶1.20∶1.20，水解pH值为5.0，3-吡啶硼酸的产率为82.20%，纯度可达99.50%以上。

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