本发明涉及有机化学合成领域，具体涉及一种4-溴咔唑的制备方法。
背景技术：
咔唑类衍生物是一大类具有广泛用途的中间体。其具有良好的光电性能，以咔唑为原料制备的其他衍生物广泛运用于oled光电材料、医药、染料和农药等领域。
咔唑上不同取代基位置的卤代物通过不同的方法制备获得。目前3-溴咔唑、2-溴咔唑、1-溴咔唑等咔唑类衍生物已经被广泛的报道。其衍生物被广泛运用于oled光电材料、医药、染料和农药等领域。其合成方法大都是经过直接溴代、卡多根关环或者费歇尔吲哚法合成得到。
4-溴咔唑及其衍生物的制备方法报道较少，大都是经过邻硝基苯硼酸和邻溴碘苯进行suzuki偶联后，再在亚磷酸三乙酯或者三苯基膦高温作用下环化得到。原料价格昂贵，其中亚磷酸三乙酯气味较大、用三苯基膦进行环化制备时过程中会产生大量的三苯基氧磷等副产物，且由于产品在高温进行，最终产品颜色较深、纯化较为困难。
此外，中国申请cn103936656a公开了一种合成4-溴咔唑的方法，该方法以领溴苯硼酸为原料，经过suzuki反应得2-溴-2’-硝基联苯；然后2-溴-2’-硝基联苯以亚磷酸三苯酯为还原剂合成产物4-溴咔唑。其同样存在关环过程中产生大量三苯基膦副产物和纯化困难的问题。目前需对4-溴咔唑的生产工艺进行改进，以期满足日益增长的产品需求。
技术实现要素：
为解决上述问题，本发明提供一种反应条件温和、后处理纯化简单、收率高、成本低的4-溴咔唑的制备新方法。
本发明所述4-溴咔唑的制备方法，其合成路线如下：
所述方法包括如下步骤：
(1)1,3-环己二酮和苯胺进行缩合反应制得3-苯胺-环己烯-2-酮；
(2)所述3-苯胺-环己烯-2-酮经环化反应制得1,2,3,9-四氢咔唑-4-酮；
(3)所述1,2,3,9-四氢咔唑-4-酮经还原制得4-羟基-1,2,3,9-四氢咔唑；
(4)所述4-羟基-1,2,3,9-四氢咔唑经溴代反应制得4-溴-1,2,3,9-四氢咔唑；
(5)所述4-溴-1,2,3,9-四氢咔唑经脱氢反应制得所述4-溴咔唑。
本发明所述的制备方法，各步骤的反应条件(如反应温度，溶剂的选择，产物的分离等)可采用本领域的常规可用手段，满足能够实现上述反应历程制得4-溴咔唑即可。
仅为了进一步提高制备路线的质量，更好地实现发明目的，本发明对所述制备方法的具体条件进行了如下优化：
本发明所述的方法，步骤(1)中，所述1,3-环己二酮和所述苯胺的理想摩尔投料比为1:0.9-1.05，优选为1:1。在该投料比下，两种原料均能够充分反应，具有转化率高，无其他多余杂质的优点。
本发明所述的方法，步骤(1)中所述缩合反应使用的催化剂为金属氧化物；优选所述金属氧化物为氧化铝、氧化镁或氧化钙中的一种；更优选为氧化铝。
其中，所述催化剂的理想摩尔用量为苯胺：催化剂＝1:0.1-0.2。
本发明所述的方法，步骤(1)中所述缩合反应在溶剂中进行；所述溶剂优选为甲苯，所述溶剂的理想用量为苯胺:溶剂＝1g:5-15ml。
本发明所述的方法，步骤(1)中所述缩合反应的反应温度为100-120℃；优选为108-110℃。
优选地，步骤(1)中还包括中间产物的分离，具体为：将所述缩合反应得到的有机层经水洗至中性，然后干燥、浓缩，得所述3-苯胺-环己烯-2-酮；该分离步骤能够去除机械杂质及催化剂，有利于下一步反应的充分进行。
本发明所述的方法，步骤(2)中所述环化反应在钯催化剂及无机碱的存在下进行；
其中，所述钯催化剂为醋酸钯、1,1'-双二苯基膦二茂铁二氯化钯或三(二亚苄基丙酮)二钯中的一种；优选为醋酸钯；
所述无机碱为碳酸钾、碳酸钠或碳酸铯中的一种；优选为碳酸钾。
优选地，所述钯催化剂的理想摩尔用量为3-苯胺-环己烯-2-酮：钯催化剂(摩尔比)＝1:0.01-1，更优选1:0.02。
和/或，所述无机碱的理想用量为3-苯胺-环己烯-2-酮:无机碱(摩尔比)＝1:2-3，优选为1:2。
本发明所述的方法，步骤(2)中所述环化反应在溶剂中进行，所述溶剂为dmf、n,n-二甲基乙酰胺或nmp；优选为dmf。其中，所述溶剂的理想用量为3-苯胺-环己烯-2-酮:溶剂＝1g:5-15ml。
本发明所述的方法，步骤(2)中所述环化反应的理想反应温度为80-140℃；优选为80-100℃。
优选地，步骤(2)中还包括中间产物的分离，具体为：将所述环化反应制得的产物过硅胶柱，然后将有机相水洗、干燥，得所述1,2,3,9-四氢咔唑-4-酮；该纯化步骤能够去除机械杂质和催化剂，有利于下步反应的进行。
本发明所述的方法，步骤(3)中，所述1,2,3,9-四氢咔唑-4-酮与硼氢化钠进行还原反应；所述硼氢化钠的摩尔用量为1,2,3,9-四氢咔唑-4-酮：硼氢化钠(摩尔比)＝1:1-3，优选为1:2。
本发明所述的方法，步骤(3)中，所述还原反应在溶剂中进行，优选溶剂的用量为1,2,3,9-四氢咔唑-4-酮:溶剂＝1g:5-20ml；
更优选所述溶剂为四氢呋喃。
本发明所述的方法，步骤(3)中所述还原反应的理想反应温度为0-50℃；优选为10-25℃。
优选地，步骤(3)中还包括中间产物的分离，具体为：加水将所述还原反应淬灭，将所得产物用二氯甲烷提取，水洗、干燥，得所述4-羟基-1,2,3,9-四氢咔唑。
本发明所述的方法，步骤(4)中所述溴代反应采用的溴化试剂为氢溴酸或三溴氧磷；优选为氢溴酸；所述溴化试剂的用量为4-羟基-1,2,3,9-四氢咔唑:溴化试剂＝1:1-1.1。
更理想地，当所述溴化试剂为氢溴酸时，其以溶液形式存在，氢溴酸溶液的合适浓度为30％-60％，优选为48％。
本发明所述的方法，步骤(4)中所述溴代反应在催化剂的催化下进行，优选所述催化剂为溴化铁。
最优选地，所述催化剂的用量为1,2,3,9-四氢咔唑-4-酮：溴化铁(摩尔比)＝1:0.1-0.5。
本发明所述的方法，步骤(4)中所述溴代反应的反应温度为-20-50℃；优选为10～20℃。
优选地，步骤(4)中还包括中间产物的分离，具体为：水洗所述溴代反应得到的有机相，干燥、浓缩，得所述4-溴-1,2,3,9-四氢咔唑。
本发明所述的制备方法，步骤(5)中，所述4-溴-1,2,3,9-四氢咔唑在四氯苯醌的存在下进行脱氢反应；优选所述4-溴-1,2,3,9-四氢咔唑和四氯苯醌的摩尔比为＝1:2-4；
其中，四氯苯醌的用途为脱氢剂，该四氯苯醌价格低廉具有良好的溶解性，使得该反应具有高转化率、后处理简单易行。
本发明所述的制备方法，步骤(5)中所述脱氢反应在溶剂中进行，优选所述溶剂的用量为4-溴-1,2,3,9-四氢咔唑:溶剂＝1g:5-20ml；更优选所述溶剂为甲苯。该溶剂下反应转化率较高、后处理简单，溶剂便于回收套用。
本发明所述的制备方法，步骤(5)中所述脱氢反应的反应温度为90-130℃；优选为100-110℃。
优选地，步骤(5)中还包括产物的分离步骤，具体为：水洗所述脱氢反应得到的有机相，干燥后，过硅胶柱，然后重结晶，即得所述4-溴咔唑。
优选地，上述步骤(1)-(5)均在惰性气体保护下进行；所述惰性气体优选为氮气。
优选地，本发明所述4-溴咔唑的制备方法包括在惰性气体保护下的如下步骤：
(1)1,3-环己二酮和苯胺在金属氧化物的存在下在甲苯中进行缩合反应，制得3-苯胺-环己烯-2-酮；
(2)所述3-苯胺-环己烯-2-酮在钯催化剂及无机碱的存在下进行环化反应，制得1,2,3,9-四氢咔唑-4-酮；
所述钯催化剂为醋酸钯、1,1'-双二苯基膦二茂铁二氯化钯或三(二亚苄基丙酮)二钯中的一种；所述钯催化剂的摩尔用量为3-苯胺-环己烯-2-酮：钯催化剂＝1:0.01-1；
和/或，所述无机碱为碳酸钾、碳酸钠或碳酸铯中的一种；所述无机碱的摩尔用量为3-苯胺-环己烯-2-酮：无机碱＝1:2－3；
(3)所述1,2,3,9-四氢咔唑-4-酮与硼氢化钠在四氢呋喃中进行还原反应，制得4-羟基-1,2,3,9-四氢咔唑；
所述硼氢化钠的用量为1,2,3,9-四氢咔唑-4-酮：硼氢化钠＝1:1-3；
(4)所述4-羟基-1,2,3,9-四氢咔唑在溴化试剂和催化剂的存在下进行溴代反应，制得4-溴-1,2,3,9-四氢咔唑；
所述溴化试剂为氢溴酸或三溴氧磷，所述溴化试剂的用量为4-羟基-1,2,3,9-四氢咔唑：溴化试剂＝1:1-1.1；
所述催化剂为溴化铁；
(5)所述4-溴-1,2,3,9-四氢咔唑在四氯苯醌的存在下在甲苯中进行脱氢反应，即得所述4-溴咔唑；所述4-溴-1,2,3,9-四氢咔唑和四氯苯醌的摩尔比为＝1:2-4。
本发明采用价格低廉的1,3-环己二酮和苯胺等常规原料，替代了邻硝基苯硼酸和邻溴碘苯等价格昂贵的原料，所得中间体可在不纯化的情况下，直接简单处理后直接投下一步反应。后处理简单、收率较高，总收率可达80％以上，气相色谱含量能达99％。
本发明采用环化后还原、溴代、脱氢等较为温和的过程替代了亚磷酸三乙酯、三苯基膦等高温反应，温和的实现了4-溴咔唑的制备。降低了工业化生产对设备等条件的要求，节省能源的同时，有利于实现工业化生产。
具体实施方式
以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。本发明中所使用的基本原材料均为常规市售产品。
实施例1
本实施例提供一种4-溴咔唑的制备方法，具体地，所述方法包括如下步骤：
(1)在氮气保护下，将苯胺18.6g(分子量93.13，0.2mol)、1,3-环己二酮22.4g(分子量112.13，0.2mol)、氧化铝2.0g(分子量101.96，0.02mol)、甲苯224ml加入到带有机械搅拌、回流冷凝管、温度计和油浴加热装置的反应瓶中。升温至110℃，反应4小时后结束反应，将所得有机相水洗至中性，并用20g硫酸钠干燥1小时，然后浓缩有机相至干，得类白色固体3-苯胺-环己烯-2-酮37.3g(分子量187.24，0.2mol)；ms(fab)：m/z187(m+)；
(2)在氮气保护下，将步骤(1)制得的3-苯胺-环己烯-2-酮、醋酸钯0.9g(分子量224.29，0.004mol)以及碳酸钾55.2g(分子量138，0.4mol)加入至dmf373ml中，升温至100℃反应8小时后结束反应，将所得产物过18g硅胶柱，过柱液倒入3740ml水中，抽滤，烘干得棕黄色中间体1,2,3,9-四氢咔唑-4-酮36.4g；ms(fab)：m/z185(m+)；
(3)将步骤(2)制得的中间体1,2,3,9-四氢咔唑-4-酮用364ml四氢呋喃溶解，于15℃下分3批加入硼氢化钠15.1g(分子量37.83，0.4mol)中，在此温度下反应2小时后，加入36.4ml水淬灭反应，将所得产物用364ml二氯甲烷萃取，水洗后，用20g硫酸钠干燥，得4-羟基-1,2,3,9-四氢咔唑；
(4)将步骤(3)所得的有机相降温至20℃，向其中加入hbr溶液(48％浓度)33.7g(分子量81，0.2mol)和溴化铁5.9g(分子量295.5，0.02mol)。在20℃反应4小时后结束反应，水洗有机相至中性，用20g硫酸钠干燥后，浓缩至干，得中间体4-溴-1,2,3,9-四氢咔唑49g；ms(fab)：m/z250(m+)；
(5)将步骤(4)所得的中间体4-溴-1,2,3,9-四氢咔唑、甲苯490ml、四氯苯醌(分子量245.88，0.44mol)加入到反应瓶中，在110℃下反应4小时后结束反应。将所得有机相水洗至中性，用20g硫酸钠干燥，然后过18g硅胶柱除色，过柱液浓缩至剩余49ml后，向其中加入100ml乙醇，在15℃下结晶，抽滤、烘干，得白色粉末4-溴咔唑38.8g。
本实施例所述方法制得的4-溴咔唑的总收率为78.6％，纯度为99.36％。
产物熔点：104.8℃-105.6℃。ms(fab)：m/z246(m+)。元素分析c12h8brn：理论值c:58.51％；h：3.25％；br：32.51％；n：5.68％。实测值c:58.53％；h：3.26％；br：32.5％；n：5.67％。
实施例2
本实施例提供一种4-溴咔唑的制备方法，具体地，所述方法包括如下步骤：
(1)在氮气保护下，将苯胺18.6g(分子量93.13，0.2mol)、1,3-环己二酮22.4g(分子量112.13，0.2mol)、氧化镁0.8g(分子量40.30，0.02mol)、甲苯224ml加入到带有机械搅拌、回流冷凝管、温度计和油浴加热装置的反应瓶中。升温至110℃，反应4小时后结束反应，将所得有机相水洗至中性，并用20g硫酸钠干燥1小时，然后浓缩有机相至干，得类白色固体3-苯胺-环己烯-2-酮37.4g(分子量187.24，0.2mol)；
(2)在氮气保护下，将步骤(1)制得的3-苯胺-环己烯-2-酮、1,1'-双二苯基膦二茂铁二氯化钯2.92g(分子量731.71，0.004mol)以及碳酸铯130.3g(分子量325.82，0.4mol)加入至n,n-二甲基乙酰胺374ml中，升温至80℃反应8小时后结束反应，将所得产物过18g硅胶柱，过柱液倒入3740ml水中，抽滤，烘干得棕黄色中间体1,2,3,9-四氢咔唑-4-酮36.4g；
(3)将步骤(2)制得的中间体1,2,3,9-四氢咔唑-4-酮用364ml四氢呋喃溶解，于20℃下分3批加入硼氢化钠15.1g(分子量37.83，0.4mol)，在此温度下反应2小时后，加入36.4ml水淬灭反应，将所得产物用364ml二氯甲烷萃取，水洗后，用20g硫酸钠干燥，得4-羟基-1,2,3,9-四氢咔唑；
(4)将步骤(3)所得的有机相降温至15℃，向其中加入hbr溶液(48％浓度)33.7g(分子量81，0.2mol)和溴化铁5.9g(分子量295.5，0.02mol)。在15℃下反应4小时后结束反应，水洗有机相至中性，用20g硫酸钠干燥后，浓缩至干，得中间体4-溴-1,2,3,9-四氢咔唑48.9g；
(5)将步骤(4)所得的中间体4-溴-1,2,3,9-四氢咔唑、二乙苯489ml、四氯苯醌(分子量245.88，0.44mol)加入到反应瓶中，在110℃下反应4小时后结束。将所得有机相水洗至中性，用20g硫酸钠干燥，过18g硅胶柱除色，过柱液浓缩至剩余45ml后，向其中加入150ml乙醇，在10℃下结晶，抽滤、烘干，得白色粉末4-溴咔唑40.2g。
本实施例所述方法制得的4-溴咔唑的总收率为81.6％，纯度为99.1％。
实施例3
本实施例提供一种4-溴咔唑的制备方法，具体地，所述方法包括如下步骤：
(1)在氮气保护下，将苯胺18.6g(分子量93.13，0.2mol)、1,3-环己二酮22.4g(分子量112.13，0.2mol)、氧化铝2.0g(分子量101.96，0.02mol)、甲苯224ml加入到带有机械搅拌、回流冷凝管、温度计和油浴加热装置的反应瓶中。升温至110℃，反应4小时后结束反应，将所得有机相水洗至中性，并用20g硫酸钠干燥1小时，然后浓缩有机相至干，得类白色固体3-苯胺-环己烯-2-酮37.4g(分子量187.24，0.2mol)；
(2)在氮气保护下，将步骤(1)制得的3-苯胺-环己烯-2-酮、三(二亚苄基丙酮)二钯3.66g(分子量915.72，0.004mol)和碳酸钾55.2g(分子量138，0.4mol)加入至nmp374ml中，升温至80℃反应8小时后结束反应，将所得产物过18g硅胶柱，过柱液倒入3740ml水中，抽滤，烘干得棕黄色中间体1,2,3,9-四氢咔唑-4-酮36.4g；
(3)将步骤(2)制得的中间体1,2,3,9-四氢咔唑-4-酮用364ml四氢呋喃溶解，于15℃下分3批加入硼氢化钠7.6g(分子量37.83，0.2mol)，在此温度下反应2小时后，加入36.4ml水淬灭反应，将所得产物用364ml二氯甲烷萃取，水洗后，用20g硫酸钠干燥，得4-羟基-1,2,3,9-四氢咔唑；
(4)将步骤(3)所得的有机相降温到15℃，向其中加入三溴氧磷57.3g(分子量286.69，0.2mol)。在15℃下反应4小时后结束反应，水洗有机相至中性，用20g硫酸钠干燥后，浓缩至干，得中间体4-溴-1,2,3,9-四氢咔唑49g；
(5)将步骤(4)所得的中间体4-溴-1,2,3,9-四氢咔唑、二甲苯490ml、二氯二氰基苯醌149.8(分子量227，0.66mol)加入到反应瓶中，在110℃下反应4小时后结束。将所得有机相水洗至中性，用20g硫酸钠干燥，过18g硅胶柱除色，过柱液浓缩至剩余50ml后，向其中加入200ml乙醇，10℃结晶，抽滤，烘干，得白色粉末4-溴咔唑39.2g。
本实施例所述方法制得的4-溴咔唑的总收率为79.6％，纯度为99.22％。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。