强碱体系下以碳化钙为炔源合成N-乙烯基吲哚

贾祥贵

(西北师范大学 化学化工学院，甘肃 兰州 730070)

碳化钙，俗称电石，是一种灰黑色的固体，属于无机物。近年来，将其作为炔源直接用于有机合成的研究多有报道。在这些报道中，有一部分是合成环状化合物[1-3]，有一部分是碳化钙以两个碳原子的形式引入到产物中，从而在产物中构建出三键或双键[4-13]。

然而在产物中构建出双键的报道并不是很多。如图1，2013年，Yu[11]等利用碳化钙在碘化亚铜的催化下，与醛和胺三组分反应获得了胺基烯酮，在产物中构筑出了双键。2016年， Rodygin[12]等利用碳化钙为炔源，实现了对苯硫酚的S-乙烯基化，成功制备出了乙烯基硫醚。同年，Matake[13]等同样以碳化钙为炔源，实现了苯甲醇的O-乙烯基化，合成出了乙烯基醚。

与聚N-乙烯基咔唑相比，聚N-乙烯基吲哚具有较低的电离电位和较低的玻璃化温度，所以具有更大的感光材料价值[14]。因此我们探索以碳化钙为炔源实现N-乙烯基化，以制备出N-乙烯基吲哚。

图1 双键的制备

Fig.1 Available preparation routes to access vinyl compounds

1 结果与讨论

我们以吲哚(1mmol)和碳化钙的反应作为典型实验优化了反应条件,结果见表1。发现在溶剂DMF中反应所得产率较低(Table 1, 20% entry1)，但在溶剂DMSO中所得产率较好(Table 1, 60% entry2)。我们也评估了反应时间、催化剂和物料比对反应的影响。最佳的反应时间是6h(entries 2-4; Table 1)，最佳的反应温度是120℃(entries 2,5,6; Table 1)。另外我们发现，在溶剂DMSO中，有机碱会导致吲哚分解，所以我们重点探索了无机碱KOH、 Cs2CO3和 NaOH(entries 2, 7 and 8; Table 1)对反应的影响，发现KOH是最佳催化剂。值得我们注意的是当我们提高反应物碳化钙的物质的量时，产率是随之升高的(entries 2, 9-12; Table 1)。最后我们发现最佳的催化剂(KOH)量是40%(entries 11, 13-15; Table 1)。综上所述，我们最终得出的最佳反应条件为：吲哚(1mmol)，CaC2(5mmol)，H2O(10mmol),KOH(40mol%)，溶剂DMSO，温度120℃，反应时间6h。

表1 反应条件的优化aTable 1 Optimization of reaction conditions in the synthesis of 1-Vinylindolea

注：a. 反应条件： 吲哚(1mmol),N2保护；b.分离产率。

我们在最优反应条件，探索了取代基对产率的影响。结果表明，对于吲哚类化合物，不同的取代基对反应的影响不同。供电子基团对产率的影响不大(Table2，entries2-4)。供电子基团会使产率增加(Table2，entry 2)。卤素原子既具有吸电子作用，又具有供电子作用，但是吸电子作用大于供电子作用，所以卤素取代的吲哚的产率有所下降(Table2，entries3,4)。吸电子基团对产率的影响比较大(Table2，entries5-10)。特别是随着吸电子基团的增多，产率急剧下降，甚至不反应(Table2，entries7-10)。对于苯并环上的N原子，吸电子作用大于供电子作用，表现为吸电子基团的性质。所以随着N杂环上的C原子逐步被N原子取代掉，产率急剧下降，甚至不反应(Table2，entries1， 9，10)。另外，我们发现苯环在此可以被认为是供电子基团，因为我们发现具有两个苯环的咔唑可以得到较高的产率(95%)。综上，我们得出结论：凡是能够使N原子上电子云密度增加的情况都会使产率增加，凡是使N原子上电子云密度降低的情况都会使产率降低。

表2 官能团对产率的影响Table 2 .Substrate scope of the N-vinylation reaction involving calcium carbide

表2(续)

表2(续)

注：a. 反应条件：CaC2(5mmol),H2O(10mmol),KOH(40mol%),DMSO(7mL),120℃,6h,N2保护；b.分离产率。

结合文献报道[12-13]，我们对反应的机理进行了推测。如图2所示，首先，微量的水活化了CaC2，使CaC2变为乙炔气体，从而活性增强。同时KOH活化了R2N-H键，使得N原子上的电子云充分裸露，从而有利于N原子进行亲核进攻。随后，N原子亲核进攻乙炔气体分子形成中间体，中间体进一步转化为目标产物。

图2 可能的反应机理Fig.2 Possible reaction mechanism

2 结论

发展了一种在氮气氛、强碱体系(KOH-DMSO)下，直接以碳化钙为炔源实现N-乙烯基化的方法。相对于乙炔炔源，碳化钙炔源操作简单、易于控制，不需要耐高压耐高温的设备。所用催化剂为非金属催化剂且廉价易得，对环境友好，底物适用范围良好，部分产物的产率高达98%，在有机合成方法学上具有一定的意义。

3 实验部分

3.1 仪器与试剂

熔点测定仪使用北京泰克仪器有限公司XT-4型双目显微熔点仪，温度计未校正(所测得的熔点仅供参考)；核磁共振谱用Varian Mercury-400 plus或Varian Mercury-600 plus核磁共振仪测定，CDCl3或DMSO-d6为溶剂，Me4Si为内标。所用试剂均为商业市场所购得，溶剂使用前做干燥除水处理。

3.2 实验方法

以吲哚为例。将碳化钙(5mmol)，吲哚(1mmol)，KOH(5mmol)至于10mL反应管(带有磁子)中并使用橡胶塞封口，充入氮气3次以置换出反应管内的空气。使用10mL注射器将溶剂DMSO(7mL)和水(10 mmol)的混合物注入反应管并用胶带封住针孔，将反应管移置于120℃油浴锅中搅拌反应6h。冷却至室温后，抽滤除去体系中的固体物质并向体系中加入乙酸乙酯(30mL)后转移至分液漏斗中，用饱和食盐水洗涤(15mL×3)，水相再用乙酸乙酯(15mL×2)萃取和饱和食盐水洗涤(10mL×2)，合并有机相并用无水硫酸钠干燥，减压蒸馏除去过量溶剂，柱层析或薄层色谱获得目标产物。

3.3 产物表征数据

1-乙烯基吲哚：淡黄色液体。1H NMR (600 MHz, CDCl3) δ 7.61 (d, J = 7.8 Hz,1H),7.46(d,J=8.4 Hz, 1H),7.42(d,J=3.0 Hz,1H),7.25(t,J=7.2 Hz,1H),7.22(dd,J=15.6,9.0Hz,1H),7.15(t,J=7.2 Hz,1H),6.62(d,J=3.6 Hz,1H),5.18(d,J=15.6 Hz,1H),4.76(d,J=9.0 Hz, 1H)。

5-甲氧基-1-乙烯基吲哚:棕色固体.m.p. 40～42℃。1H NMR (600 MHz, DMSO-d6) δ 7.75 (d,J=3.0 Hz 1H),7.60(d,J=9.0 Hz,1H),7.43(dd,J=15.6,9.0Hz 1H),7.09 (d, J = 2.4 Hz,1H),6.85(dd,J=9.0,2.4 Hz,1H),6.56(d,J=3.0 Hz,1H),5.32(dd,J=15.6,1.2 Hz,1H),4.71(dd,J=9.0,1.2 Hz,1H),3.77(s,3H)。13C NMR (150 MHz, DMSO-d6) δ 154.31,130.18,130.16,129.18,124.51,112.07,110.76,104.43,102.68,95.85,55.29。

5-溴-1-乙烯基吲哚:白色固体.m.p. 68～69℃。1H NMR(600 MHz,CDCl3) δ 7.70(d,J=1.8 Hz,1H),7.37(d,J=3.6 Hz,1H),7.30(d,J=9.0Hz,1H),7.27(s,1H),7.09(dd,J=16.2,9.0 Hz,1H),6.51(d,J=3.0 Hz,1H),5.16(dd,J=15.6,1.8 Hz,1H),4.77(dd,J=9.0,1.8 Hz,1H)。13C NMR(150 MHz,CDCl3) δ134.04,130.68,129.30,125.42,124.50,123.59,113.87,110.87,104.23,97.46.

5-氯-1-乙烯基吲哚:棕色固体. m.p. 62～63℃。1H NMR (400 MHz,CDCl3) δ 7.52(d,J=2.0 Hz,1H),7.35(d,J=3.6 Hz,1H),7.24(s,1H),7.14(d,J=8.8Hz,1H),7.04(dd,J = 15.6,8.8 Hz, H),6.48(d,J=3.6Hz,1H),5.12(dd,J=15.6,1.6 Hz,1H),4.72(dd,J=8.8,1.6 Hz,1H)。13C NMR (100 MHz,CDCl3) δ 133.69,130.00,129.24,126.22,124.59,122.78,120.45,110.40,104.27,97.30。

5-硝基-1-乙烯基吲哚:淡黄色固体. m.p.116～118℃。1H NMR (400 MHz,CDCl3) δ 8.56(d,J=2.0 Hz,1H),8.15(dd,J=9.2,2.4 Hz,1H),7.57(d,J=3.2 Hz,1H),7.47(d,J=9.2 Hz,1H),7.22(dd,J=15.6,8.8 Hz,1H),6.79(d,J=3.6 Hz,1H),5.33(dd,J=15.6,1.6 Hz,1H),4.98(dd,J=8.8,1.6 Hz,1H)。13C NMR (100 MHz,CDCl3) δ 142.37,137.94,128.91,128.33,126.52,118.19,118.07,109.37,106.67,100.03。

1-乙烯基吲哚-3-甲腈:淡黄色固体. m.p. 155～157℃。1H NMR(400 MHz CDCl3,)δ 7.88(s, 1H),7.76(d,J=7.2Hz,1H),7.52(d,J=8.4 Hz,1H),7.39(t,J=7.2 Hz,1H),7.33 (t,J=7.6 Hz,2H),7.19(dd,J=15.6,8.8 Hz,1H),5.41(dd,J=15.6,1.6 Hz,1H),5.07(dd,J=8.8,2.0 Hz,1H)。13C NMR(150MHz,CDCl3) δ 134.69,130.48,128.77,127.74,124.81,123.08,120.08,115.13,110.54,102.29,89.23。

1-乙烯基吲哚-2-酮:淡红色液体. (400 MHz, CDCl3) δ7.32～7.27(m,2H),7.17(d,J=8.0 Hz,1H),7.09(t,J=7.2 Hz,1H)，6.83(dd,J=16.0, 9.6 Hz,1H),5.70(d,J=16.4 Hz,1H),5.06(d,J=10.0 Hz,1H),3.59(s,2H)。13C NMR(100 MHz,CDCl3) δ 174.14,143.07,127.91,126.69,124.66,124.28,123.07,109.73,103.55, 35.68。

N-乙烯基苯并咪唑:淡黄色液体。1H NMR(400 MHz,CDCl3) δ 8.13(s,1H),7.83～7.80(m,1H),7.53～7.50(m,1H),7.34～7.30(m,2H),7.09(dd,J=15.6,8.8 Hz,1H),5.50 (dd,J=16.0,1.6Hz,1H),5.05(dd,J=9.2,2.0 Hz,1H)。13C NMR(100 MHz,CDCl3) δ 143.92,140.60,132.43,128.06,123.87,123.04,120.57,110.34,102.57。

N-乙烯基咔唑:白色固体. m.p. 63～65℃1H NMR(600 MHz,DMSO-d6)δ 8.20(d,J=7.8 Hz,2H),7.86(d,J=8.4 Hz,2H),7.61(dd,J=16.8,10.2Hz,1H),7.51(t,J=7.2 Hz,2H),7.32(t,J=7.2 Hz,2H),5.62(d,J=16.2 Hz,1H),5.14(d,J=9.6 Hz,1H)。13C NMR(150 MHz,DMSO-d6) δ138.58,129.70,126.43,123.20,120.65,120.26,110.85,101.01。

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