有效的咔唑衍生物合成方法与流程

本发明涉及一种作为有机发光二极管(organiclightemittingdiode)中所使用的咔唑衍生物的基本中间体的二取代-9h-咔唑的合成方法。

背景技术：

将有机电子材料用于电子工业的领域包括用于有机发光二极管(oled)的领域、用于有机太阳能电池(有机光伏电池)的领域和作为开关器件(有机晶体管)用于有机fet和有机tft的领域。

其中，在有机发光二极管(oled)领域利用在有机化合物通过电流被激发时材料发光的特性。有机发光二极管作为在制造现有平板显示单元时的阴极射线管和液晶显示器的替代物引起关注，并且，包括有机发光二极管的器件尺寸小且功耗低，因此可以用于如手机、笔记本电脑、数码相机、mp3播放器等移动设备和照明灯具等。在有机发光二极管领域中，作为咔唑衍生物，使用具有空穴传输性能和具有高耐热性结构的咔唑衍生物，以用作电子照相感光体的电荷输送材料或有机el(电致发光)器件的材料等。

另一方面，在现有的咔唑衍生物制备方法中，使用9h-咔唑作为起始材料，通过使用溴化反应和n-buli来合成3,6-二甲基咔唑的反应是常见的(现有技术文献2)，但是，由于其为使用nbuli和tbuli的咔唑合成方法，所使用的材料价格较贵、危险，因此是一种不经济且低效的合成方法。并且，现有技术文献1所公开的咔唑合成方法是使用3,6-二溴-9h-咔唑用作起始材料并使用镍的咔唑合成方法，但收率低，不经济。现有技术文献3公开了使用三苯基膦的咔唑合成法。然而，在r与3位和6位连接，而不是与现有的2号和7号连接时，无法进行位置选择性反应，因此存在产生副产物的缺点。现有技术文献4所公开的方法也整体收率低，低效，所使用的材料价格较贵，因此是不经济的合成方法。

如上所述，现有咔唑合成方法无法进行位置选择性反应，因此产生副产物，存在效率差的缺点。

另一方面，众所周知，铃木偶联反应是一种利用卤代芳基化合物和芳基硼酸化合物来以单一步骤合成不对称二芳基化合物的偶联反应。通常，在上述铃木偶联反应中主要使用了膦类钯催化剂，但最近使用如钯纳米颗粒、水溶性膦配体、亲核卡宾配体等各种催化剂，或对于利用微波技术等来提高催化剂的效率的方法进行了各种研究。然而，即使在这种情况下，也存在反应条件苛刻的问题，例如，必须加入作为单价高的季铵盐的tbab等，且必须在非常高的温度下进行反应等，并且，还存在由于无法实现位置选择性反应而产生大量的副产物的问题。

因此，本发明人开发了一种适用于有机发光二极管的新颖的咔唑衍生物合成方法，其使用与现有咔唑衍生物合成方法的起始材料不同的材料。

(专利文献1)1.wo2014021569a1

(非专利文献1)2.inorg.chem.，2003，42(11)，第3454-3465页，britovsek，g.j.p.等

(非专利文献2)3.j.org.chem.，2005，70(13)，第5014-5019页，adamw.freeman等

(非专利文献3)4.j.org.chem.，2013，78(13)，第6688-6701页，benitoalcaide等。

技术实现要素：

技术问题

本发明的目的在于提供一种咔唑衍生物的合成方法。

解决问题的方案

为了达到所述目的，本发明提供一种咔唑衍生物的合成方法，其特征在于，包括：步骤1)，通过使由下述化学式1表示的化合物经过乙酰化反应或氧化来以酰胺基或硝基取代氨基；步骤2)，将包括所述酰胺基或所述硝基的化合物经过乌尔曼偶联反应，合成联苯化合物；以及步骤3)，对所述联苯化合物添加磷酸以合成咔唑衍生物。

[化学式1]

(在化学式1中，r1至r4各自独立地表示氢原子、氘原子、取代或未取代的c1～c25烷基、取代或未取代的c2～c25烯基、取代或未取代的c1～c25烷氧基、取代或未取代的c6～c30芳基、取代或未取代的c5～c25杂芳基、氯甲基、二氯甲基、氟甲基、二氟甲基或三氟甲基，x为卤素原子。)

本发明的整个制备方法并不限于此，且可以由下述反应式1或反应式2表示。虽然在下述反应式1或反应式2中示出一个r基团以代表r1至r4，但这仅用于例示本发明，而本发明并不限于此。

[反应式1]

[反应式2]

在本发明的一个具体实施例中，所述咔唑衍生物的合成方法可以包括：步骤1)，通过使由下述化学式1表示的化合物经过乙酰化反应来以酰胺基取代氨基；步骤2)，将包括所述酰胺基的化合物经过乌尔曼偶联反应，合成联苯化合物；以及步骤3)，对所述联苯化合物添加磷酸以合成咔唑衍生物。

[化学式1]

(在化学式1中，r1至r4各自独立地表示氢原子、氘原子、取代或未取代的c1～c25烷基、取代或未取代的c2～c25烯基、取代或未取代的c1～c25烷氧基、取代或未取代的c6～c30芳基、取代或未取代的c5～c25杂芳基、氯甲基、二氯甲基、氟甲基、二氟甲基或三氟甲基，x为卤素原子。)

在所述具体实施例中，所述由化学式1表示的化合物可以为由下述化学式1a表示的化合物。

[化学式1a]

(在化学式1a中，r为氢原子、氘原子、取代或未取代的c1～c25烷基、取代或未取代的c2～c25烯基、取代或未取代的c1～c25烷氧基、取代或未取代的c6～c30芳基、取代或未取代的c5～c25杂芳基、氯甲基、二氯甲基、氟甲基、二氟甲基或三氟甲基，x为卤素原子。)

在所述具体实施例中，例如，所述由化学式1表示的化合物可以为3-溴-4-甲基苯胺，但并不限于此。

本发明的“乙酰化(acetylation)反应”是有机化合物中的羟基(-oh)或氨基(-nh2)等氢原子被乙酰基(ch3co^-)取代的反应的总称。

在所述步骤1)中的乙酰化反应可以根据通常的乙酰化反应条件使用乙酰氯、乙酸酐、乙酸、烯酮、溴化乙酰等来进行。并且，所述乙酰化反应步骤可以在如有机溶剂等溶剂中进行。具体而言，所述乙酰化反应可以使用乙酰氯(acetylchloride)和三乙胺(triethylamine)来进行。

更具体而言，所述乙酰化反应可以通过对所述由化学式1表示的化合物添加二氯甲烷、三乙胺和乙酰氯并搅拌来进行。作为所述乙酰化反应的结果，氨基被酰胺基取代，从而，可以获得乙酰胺化合物，优选地，可以获得由所述化学式2a表示的乙酰胺化合物。

本发明的“乌尔曼偶联”是指卤化芳基化合物之间的偶联反应，即，在高温度下定量使用铜催化剂等来形成对称的二芳基化合物的方法。

在所述步骤2)中的乌尔曼偶联反应可以根据通常的乌尔曼偶联反应条件在甲醇钠、乙醇钠或甲醇钾等碱的存在下进行。并且，所述偶联反应步骤可以在水或包括水的水溶剂中进行。优选地，所述乌尔曼偶联反应可以在铜催化剂的存在下、在100～200℃、150～200℃或160～180℃下进行。

在本发明的具体实施例中，优选地，所述乌尔曼偶联反应可以通过对dmf添加少量的铜和碘并搅拌、还添加由所述化学式2a表示的材料并搅拌来进行。作为所述乌尔曼偶联反应的结果，可以获得联苯化合物，具体地，可以获得联苯二乙酰基胺化合物，优选地，可以获得由所述化学式3a表示的联苯二乙酰基胺化合物。

所述步骤3)是对联苯化合物，具体而言，对联苯二乙酰基胺化合物添加磷酸来合成咔唑衍生物的步骤，优选地，所述合成可以通过陶贝尔咔唑合成(taubercarbazolesynthesis)法进行。其中，可以使用二甘醇用作溶剂，但本发明不限于此。具体而言，作为最终产物的咔唑衍生物可以为二取代的咔唑衍生物，更具体而言，可以为1，8-二取代-9h-咔唑衍生物、2,7-二取代-9h-咔唑衍生物、3,6-二取代-9h-咔唑衍生物或4,5-二取代-9h-咔唑衍生物，优选地，可以为由所述化学式4表示的3,6-二取代-9h-咔唑衍生物，但并不限于此，根据r1至r4的类型可以为具有各种取代基的咔唑衍生物。在本咔唑衍生物合成步骤中，在所述联苯化合物的与氨基连接的碳位上形成五角形形状的咔唑环，因此，可以位置选择性地合成咔唑衍生物。

在本发明的另一具体实施例中，所述咔唑衍生物的合成方法可以包括：步骤1)，通过使由下述化学式1表示的化合物经过氧化来以硝基取代氨基；步骤2)，将包括所述硝基的化合物经过乌尔曼偶联反应，合成联苯化合物；以及步骤3)，对所述联苯化合物添加磷酸以合成咔唑衍生物。

[化学式1]

(在化学式1中，r1至r4各自独立地表示氢原子、氘原子、取代或未取代的c1～c25烷基、取代或未取代的c2～c25烯基、取代或未取代的c1～c25烷氧基、取代或未取代的c6～c30芳基、取代或未取代的c5～c25杂芳基、氯甲基、二氯甲基、氟甲基、二氟甲基或三氟甲基，x为卤素原子。)

在所述具体实施例中，所述由化学式1表示的化合物可以为由下述化学式1a表示的化合物。

[化学式1a]

(在化学式1a中，r为氢原子、氘原子、取代或未取代的c1～c25烷基、取代或未取代的c2～c25烯基、取代或未取代的c1～c25烷氧基、取代或未取代的c6～c30芳基、取代或未取代的c5～c25杂芳基、氯甲基、二氯甲基、氟甲基、二氟甲基或三氟甲基，x为卤素原子。)

在所述具体实施例中，例如，所述由化学式1表示的化合物可以为3-碘-4-甲基苯胺，但并不限于此。

本发明的“氧化(oxidation)反应”是指分子、原子或离子失去电子，以其氧化数(oxidationnumber)上升。在本方法中，氧化反应是指将氨基氧化成硝基的反应。

所述步骤1)的氧化反应可以根据通常的氧化反应条件使用已知的氧化剂来进行。并且，所述氧化反应步骤可以在如有机溶剂等溶剂中进行。具体而言，所述步骤1)的氧化可以使用3-氯过氧苯甲酸(meta-chloroperoxybenzoicacid；m-cpba)来进行。

更具体而言，所述氧化反应可以通过对所述由化学式1表示的化合物添加m-cpba和甲苯并搅拌来进行。作为所述氧化反应的结果，氨基被硝基取代，从而，可以获得含硝基的化合物，优选地，可以获得由所述化学式2b表示的含硝基的化合物。

所述步骤2)的乌尔曼偶联反应可以根据通常的乌尔曼偶联反应条件在甲醇钠、乙醇钠或甲醇钾等碱的存在下进行。并且，所述偶联反应步骤可以在水或包括水的水溶剂中进行。优选地，所述乌尔曼偶联反应可以在铜催化剂的存在下、在100～200℃、100～150℃或110～130℃下进行。

在本发明的具体实施例中，优选地，所述乌尔曼偶联反应可以通过对dmf添加少量的铜和碘并搅拌、还添加由所述化学式2b表示的材料并搅拌来进行。作为所述乌尔曼偶联反应的结果，可以获得联苯化合物，具体地，可以获得二硝基联苯化合物，优选地，可以获得由所述化学式3b-1表示的二硝基联苯化合物。

在所述步骤2)之后，还可包括步骤2’)，即，还原联苯化合物，以氨基取代硝基的步骤。优选地，所述还原可以使用甲酸铵和pd/c催化剂来实现。具体而言，起始材料：甲酸铵：pd/c(10wt％)的最佳摩尔比可以为1:19～20:0.01～0.2，更具体而言，可以为1:19～20:0.1。其中，作为溶剂，可以使用将水和异丙醇以1～20:1的体积比混合而成的混合物，但本发明不限于此，具体而言，水和异丙醇的体积比可以为5～15:1，更具体而言，可以为10:1。通过所述反应，二硝基联苯化合物的硝基被氨基取代，从而可以制备二氨基联苯化合物，优选地，可以制备由所述化学式3b-2表示的二氨基联苯化合物。

所述步骤3)是对联苯化合物，具体而言，对二氨基联苯化合物添加磷酸来合成咔唑衍生物的步骤，优选地，所述合成可以通过陶贝尔咔唑合成法进行。其中，可以使用二甘醇用作溶剂，但本发明不限于此。具体而言，作为最终产物的咔唑衍生物可以为二取代的咔唑衍生物，更具体而言，可以为1,8-二取代-9h-咔唑衍生物、2,7-二取代-9h-咔唑衍生物、3,6-二取代-9h-咔唑衍生物或4,5-二取代-9h-咔唑衍生物，优选地，可以为由所述化学式4表示的3,6-二取代-9h-咔唑衍生物，但并不限于此，根据r1至r4的类型可以为具有各种取代基的咔唑衍生物。在本咔唑衍生物合成步骤中，在所述联苯化合物的与氨基连接的碳位上形成五角形形状的咔唑环，因此，可以位置选择性地合成咔唑衍生物。

在本发明的具体实施例中，合成了作为有机发光二极管中所使用的咔唑衍生物的基本中间体的3,6-二取代-9h-咔唑。使用2-溴-4-甲基苯胺或2-碘-4-甲基苯胺用作起始材料，通过乙酰化反应(或氧化反应)、乌尔曼偶联反应(还原反应)、陶贝尔咔唑合成法来合成了最终3,6-二取代-9h-咔唑。本发明的上述方法是通过使用与现有咔唑合成起始材料不同的材料来开发出的新合成法，由于实现位置选择性反应，而产品收率高。并且，由于作为起始材料的苯胺化合物价格便宜且在本领域容易获得，具有成本效益，因此，预计可以批量生产。

除非另有定义，本文使用的所有技术和科学术语的含义与本发明所属领域的技术人员的通常理解相同。一般情况下，本文使用的命名法是本领域公知的并且通常采用的。

发明的效果

本发明的合成方法通过位置选择性反应实现有效的咔唑合成，产品收率高，具有有效性和经济性。并且，作为本发明的最终产物的二取代-9h-咔唑可以用作在制备有机发光二极管时的基本中间体。不仅于此，起始材料容易获得，价格便宜，因此预计可以批量生产二取代-9h-咔唑。

附图说明

图1为3-碘-4-硝基甲苯的¹h-nmr光谱图。

图2为5,5’-二甲基-2,2-二硝基-1,1’-联苯的¹h-nmr光谱图。

图3为5,5’-二甲基-2,2-二硝基-1,1’-联苯的¹³c-nmr光谱图。

图4为5,5’-二甲基-[1,1’-联苯]-2,2’-二胺的¹h-nmr光谱图。

图5为5,5’-二甲基-[1,1’-联苯]-2,2’-二胺的¹³c-nmr光谱图。

图6为3,6-二甲基-9h-咔唑的¹h-nmr光谱图。

图7为3,6-二甲基-9h-咔唑的¹³c-nmr光谱图。

图8为n-(2-溴-4-甲基苯基)乙酰胺的¹h-nmr光谱图。

图9为n,n’-(5,5’-二甲基-[1,1’-联苯]-2,2’-二基)-二乙酰基胺的¹h-nmr光谱图。

图10为n,n’-(5,5’-二甲基-[1,1’-联苯]-2,2’-二基)-二乙酰基胺的¹³c-nmr光谱图。

图11为3,6-二甲基-9h-咔唑的¹h-nmr光谱图。

图12为3,6-二甲基-9h-咔唑的¹³c-nmr光谱图。

具体实施方式

以下，通过实施例更加详细说明本发明。这些实施例只用于例示本发明，不解释为本发明的发明要求保护范围局限于这些实施例，这对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说是显而易见的。

实施例1:制备3,6-二甲基-9h-咔唑(1)

实施例1-1:制备3-碘-4-硝基甲苯

在100ml的甲苯中溶解2ml的由化学式1表示的化合物(2-碘-4-甲基苯胺)和13.9g的3-氯过氧苯甲酸以获得混合液，将该混合液加入到250ml圆底烧瓶中，在回流温度(120℃)下搅拌6小时。在用冰浴冷却后，用乙醚冲洗并对所得的固体进行过滤。滤液用氢氧化钠(10％)中和至ph7。将中和的滤液转移到分液漏斗中，然后用盐水溶液萃取。对于所分离的有机层，用mgso4除去残余水，然后用硅藻土进行过滤。从滤液在减压下除去溶剂，使用柱色谱分离产物(己烷(hexane):ea＝9:1)。在真空干燥后，得到3.42g的3-碘-4-硝基甲苯(收率：75％)(图1)。

通过分析根据本实施例在每个步骤中作为目标材料获得的化合物的核磁共振(nmr)数据获得的结果示于图1至12中。其中，核磁共振(nmr)的测定条件如下。

1.装置：核磁共振谱分析(装置：布鲁克(bruker)400mhz)

2.测定范围：-0.5～10.5ppm(¹h)；0～200ppm(¹³c)

3.扫描次数：16(¹h)；50(¹³c)

该反应的示意性反应式如下反应式3所示。

[反应式3]

实施例1-2:制备5,5’-二甲基-2,2-二硝基-1,1’-联苯

在设置回流冷凝器后，在惰性条件下，对50ml的二甲基甲酰胺(dimethylformamide，dmf)添加3.87g的cu和少量i2，搅拌5分钟。对所述混合物添加2.1g的所述实施例1-2中所制备的3-碘-4-硝基甲苯，然后在120℃下搅拌1小时。在反应结束后，冷却混合物，然后在冰浴中对混合物缓慢加入溶解在20ml水中的1g碳酸氢钠。将混合物在减压下过滤以除去沉淀物，将滤液转移到分液漏斗中，然后添加15ml的二氯甲烷和15ml的盐水溶液并摇匀，以分离成水层和二氯甲烷层。进行萃取(15ml×3次)，直到水层中没有产物残留。之后，分离二氯甲烷层，用mgso4去除水，然后进行减压过滤，随后，蒸发二氯甲烷。然后，通过柱色谱法分离产物(hexane:ea＝10:1)。最后，在真空干燥后，获得1.8g的作为目标化合物的黄色固体的5,5’-二甲基-2,2-二硝基-1,1’-联苯(5,5’-dimethyl-2,2-dinitro-1,1’-biphenyl)(收率：85％)(图2、3)。

该反应的示意性反应式如下反应式4所示。

[反应式4]

实施例1-3:制备5,5’-二甲基-[1,1’-联苯]-2,2’-二胺

对10ml异丙醇添加0.03g的pd/c(10重量％的钯/活性炭)。在2ml的水中溶解0.38g的甲酸铵，将其添加到所述混合物中并搅拌2分钟。在10ml异丙醇中溶解0.08g的所述实施例1中所制备的5,5’-二甲基-2,2-二硝基-1,1’-联苯之后，将其缓慢添加到第二次混合物中，搅拌15分钟所得的混合物。在反应结束后，用硅藻土对混合物进行减压过滤。在蒸发所有滤液后，添加10ml的二氯甲烷和10ml的盐水溶液并摇匀，以分离二氯甲烷层。然后，进行萃取(10ml×2次)，直到水层中没有产物残留。之后，分离二氯甲烷层，用mgso4去除水，然后进行减压过滤，随后，蒸发二氯甲烷。然后，通过柱色谱法分离产物(hexane:ea＝4:1)。最后，在真空干燥后，获得0.06g的浅黄色粘稠物即作为目标化合物的5,5’-二甲基-[1,1’-联苯]-2,2’-二胺(5,5’-dimethyl-[1,1’-biphenyl]-2,2’-diamine)(收率：96％)(图4、5)。类似地，通过改变甲酸铵、异丙醇和pd/c的摩尔比来还进行实验两次(表1)。

【表1】

使用甲酸铵的no2的还原反应

该还原反应的示意性反应式如下。

[反应式5]

实施例1-4:制备3,6-二甲基-9h-咔唑

对8ml的二甘醇添加0.13g的所述实施例1-3中所制备的5,5’-二甲基-[1,1’-联苯]-2,2’-二胺和1ml的磷酸。在设置回流冷凝器后，在200℃下搅拌24小时，在反应结束后，在常温下冷却混合物。在冰浴中对混合物缓慢加入将0.5g碳酸氢钠溶解在10ml水中而成的溶液，然后用10ml的二氯甲烷进行萃取(10ml×2次)。对于所分离的二氯甲烷层，用mgso4去除水，进行减压过滤，然后蒸发二氯甲烷。之后，通过柱色谱法分离产物(hexane:ea＝5:10)。最后，在真空干燥后，获得0.103g的作为目标化合物的金色固体的3，6-二甲基-9h-咔唑(收率：85％)(图6、7)。

该还原反应的示意性反应式如下。.

[反应式6]

实施例2:制备3,6-二甲基-9h-咔唑(2)

实施例2-1:制备n-(2-溴-4-甲基苯基)乙酰胺

将由化学式1表示的化合物(2-溴-4-甲基苯胺)加入到50ml圆底烧瓶中，还添加20ml的二氯甲烷和0.9ml的三乙胺。在冰浴中，缓慢添加0.46ml的乙酰氯，然后去除冰浴并在常温下搅拌10分钟。在反应结束后，用1m氢氧化钠溶液将混合物的ph调节至7至8。将混合液转移到分液漏斗中，然后添加20ml的盐水溶液并摇匀，以分成水层和二氯甲烷层，进行萃取，直到水层中没有产物残留。之后，从二氯甲烷层用mgso4去除水，进行减压过滤，然后通过蒸发器蒸发二氯甲烷。之后，通过硅胶柱色谱法分离产物(hexane:ea＝8:1(v/v))。最后，在真空干燥后，获得1.2g的作为目标化合物的百色固体的n-(2-溴-4-甲基苯基)乙酰胺(n-(2-bromo-4-methylphenyl)acetamide)(收率：100％)(图8)。

该反应的示意性反应式如下反应式7所示。

[反应式7]

实施例2-2:制备n，n’-(5,5’-二甲基-[-1,1’-联苯]-2,2’-二基)-二乙酰基胺

在设置回流冷凝器后，在惰性条件下，对7ml的二甲基甲酰胺添加0.27g的cu和少量i2，搅拌5分钟。对所述混合物添加0.47g的所述实施例2-1中所制备的n-(2-溴-4-甲基苯基)乙酰胺，然后在170℃下搅拌30分钟。在反应结束后，冷却混合物，然后在冰浴中对混合物缓慢加入将碳酸氢钠溶解在10ml水中而成的溶液。将混合物在减压下过滤以除去沉淀物，将滤液转移到分液漏斗中，然后添加15ml的二氯甲烷和15ml的盐水溶液并摇匀，以分离成水层和二氯甲烷层。进行萃取，直到水层中没有产物残留。之后，分离二氯甲烷层，用mgso4去除水，然后进行减压过滤，蒸发二氯甲烷。之后，通过柱色谱法分离产物(hexane:ea＝1:1)。最后，在真空干燥后，获得0.23g的作为目标化合物的百色固体的n，n’-(5,5’-二甲基-[1,1’-联苯]-2,2’-二基)-二乙酰基胺(n，n’-(5,5’-dimethyl-[1,1’-biphenyl]-2,2’-diyl)-diacetamide)(收率：78％)(图9、10)。

该反应的示意性反应式如下反应式8所示。

[反应式8]

实施例2-3:制备3,6-二甲基-9h-咔唑

对8ml的二甘醇添加0.13g的所述实施例2-2中所制备的n,n’-(5,5’-二甲基-[1,1’-联苯]-2,2’-二基)-二乙酰基胺和0.39ml的浓磷酸。在设置回流冷凝器后，在200℃下搅拌24小时，在反应结束后，在常温下冷却混合物。在冰浴中对混合物缓慢加入将0.5g碳酸氢钠溶解在10ml水中而成的溶液，然后用10ml的二氯甲烷进行萃取(10ml×2次)。对于所分离的二氯甲烷层，用mgso4去除水，进行减压过滤，然后蒸发二氯甲烷。之后，通过柱色谱法分离产物(hexane:ea＝8:10)。最后，在真空干燥后，获得0.05g的作为目标化合物的金色固体的3,6-二甲基-9h-咔唑(收率：78％)(图11、12)。

该还原反应的示意性反应式如下。

[反应式9]