本发明涉及一种制备4-苯基二苯并[b，d]噻吩的新颖方法。
背景
化合物4-苯基二苯并[b，d]噻吩用作有机发光二极管(oled)中的主体组分是非常需要的。迄今为止，根据涉及二苯并[b，d]噻吩与正丁基锂的金属化的方法合成了该化合物。将所得4-锂二苯并[b，d]噻吩与硼酸三甲酯反应，随后用酸水解，得到4-二苯并[b，d]噻吩硼酸。然后在钯催化的suzuki条件下使硼酸与溴苯反应，得到4-苯基二苯并[b，d]噻吩。上述合成策略不是方便的“一锅法(onepot)”合成方案：通常在几个分开的步骤中制备，伴随与每个步骤相关的产物转移和纯化，每个步骤显著降低产率。此外，合成使用二苯并[b，d]噻吩作为前体。二苯并[b，d]噻吩是昂贵的，因为它是多环杂环，其合成成本比其它结构复杂性较低的原料更高。因此迄今为止使用的合成在经济上是低效的，因为相对于在第一合成步骤中使用的昂贵反应物二苯并[b，d]噻吩，合成产率相对较低。
发明概述
申请人已经发现了以下一般结构的联三噻吩的合成：
在本发明的一个方面，合成得到其中所有r取代基都是氢的产物，并且该产物是4-苯基二苯并[b，d]噻吩：
该方法包括使二卤代苯与苯基锂反应得到三联苯锂(terphenyllithium)的步骤：
三联苯锂产物与硫反应得到硫醇锂(thiollithium)：
通过用酸处理硫醇锂形成硫醇。硫醇在氧化剂(氧化剂在一些实施方案中为硫)存在下进一步反应，得到4-苯基二苯并[b，d]噻吩：
为了这些化学式的目的，r、r1、r2、r3、r4、r5和r6各自独立地选自由氢、苯基、烷基取代基(-cn)和醚取代基(-cm1-o-cm2)组成的组，其中n、m1和m2各自为整数，其中n和(m1+m2+1)中的每一个在0至16的范围内；并且x1和x2各自独立地选自由氯、碘和溴组成的组。
制备4-苯基二苯并[b，d]噻吩的上述方法通常使用四种合成组分(二卤代苯、苯基锂、硫和氧化剂)进行。在使用硫作为氧化剂的情况下，仅需要三种不同的、相对便宜的、容易获得的合成组分。上述合成可以基本上作为“一锅法”合成来进行，该合成使负面影响产率的纯化、溶剂变化和转移降至最低。在本发明的一个方面中，苯基锂作为上述合成方法的预处理步骤进行制备，其可以用于与所述合成连续的“一锅法”。基于通过本文公开的方法合成4-苯基二苯并[b，d]噻吩所必需的反应物和试剂的目前市场价格以及其它附带项目(如热能)的成本，预期目标化合物可以不到现有市场价格的约四分之一进行生产。
本发明的这些和其它实施方案和特征将从随后的说明书和所附权利要求书中进一步明确。
发明进一步详述
该合成包括在溶剂存在下和足以产生三联苯锂的条件下使苯基锂和二卤代苯接触的步骤。苯基锂可以通过本领域已知的方法制备，诸如例如锂金属和溴苯在溶剂(如醚)中的反应。苯基锂可以被取代，但与锂取代的碳相邻的至少一个环位置应是未被取代的。对应于r3、r4、r5和r6的取代基各自独立地选自由氢、苯基、烷基取代基(-cn)或醚取代基(-cm1-o-cm2)组成的组，其中n、m1和m2是整数，其中n和(m1+m2+1)在1至约16的范围内，或者在其它方面在约1至约6的范围内。优选在惰性气氛下(诸如例如氦、氩、氮等)形成苯基锂。在一些方面，溶剂是一种或多种醚，诸如例如二乙醚、二丁醚等。
通常，由锂和溴苯形成苯基锂可能是耗时反应。一种反应方法包括向含有溶剂的反应容器中加入锂金属，然后在长时间内(例如约2至约6小时范围内)测量加入溴苯。在约20至约35℃范围内的温度下，可以预期在约2至约4小时范围内的反应时间。通常，如果需要一锅法合成，则溶剂优选对与需要溶剂(苯基锂形成、三联苯形成、硫醇锂形成、硫醇形成)的合成剩余步骤的反应物和产物反应并且能够溶剂化的溶剂是惰性的。例如，合适的溶剂包括在三联苯硫醇形成步骤期间不容易转化为二硫化物或苯硫酚的溶剂。因此，合适的溶剂通常包括例如醚和烷烃。优选的溶剂包括二乙醚、二丁醚、戊烷、己烷、庚烷等。如果需要，可以在反应期间搅拌反应混合物。通常，由于锂与反应物二氯苯反应的倾向，所以强烈地优选在三联苯形成反应之前苯基锂的形成进行到基本完成。
该合成还包括使苯基锂与二卤代苯接触。在间位取代排列(即，间-二卤代苯)中二卤代苯包含两个卤素取代基(x1和x2)，在未取代的苯碳的每一侧各有一个卤素。在本发明的一些方面，卤素原子使得x1和x2各自独立地选自由氯、碘和溴组成的组。在更优选的方面，x1和x2各自是氯；x1是氯且x2是碘；x1是氯且x2是溴；或x1和x2各自是溴。
二卤代苯可以在三个剩余环位置的一处或多处被取代。对应于r、r1和r2的取代基各自独立地选自由苯基、氢、烷基取代基(-cn)或醚取代基(-cm1-o-cm2)组成的组，其中n和(m1+m2+1)在1至约16的范围内，或者在另一个实施方案中在约0至约6的范围内。
在本发明的一个方面，苯基锂与二卤代苯的反应在相同烧瓶、容器或罐中以及在其中形成苯基锂的相同溶剂或反应混合物中相继发生(“一锅法”)。在另外的方面，这些步骤相继发生在相同溶剂中。在苯基锂与二卤代苯反应期间，强烈地优选保持惰性气氛。
三联苯形成反应温度不是关键的，通常反应可以在一个或多个宽范围的温度下进行。因为反应是放热的，所以采用冷却装置(诸如例如冷却套管)是有用的。在一些方面，借助于冷却装置(如果需要)，在约0℃至约100℃范围内的一个或多个温度下维持温度。在其它较窄的方面，温度保持在约15℃至约30℃之间的一个或多个温度。
通常，三苯基形成反应通过使苯基锂和二卤代苯在溶剂中接触形成。在本发明的一个方面，反应是通过向包含苯基锂和溶剂的反应容器中加入二卤代苯来进行的。添加可以一次全部进行，或者逐渐地诸如通过逐滴加入进行。如果滴加，则可以在一段时间内(例如在约1至约3小时的范围内)进行添加。如果在0℃至约100℃范围内的温度下立即完全进行接触，则三联苯锂的形成在约1至约2小时的时间内发生，并且优选在至少一些形成时间内进行搅拌。如果在更长的时间内逐渐进行接触(例如滴加)，则反应时间可以通过所加入组分的添加速率来给出。
通常，该方法的机理需要每个二卤代苯为三个苯基锂分子以得到三联苯锂。三个苯基中的两个的苯基成为三联苯分子的一部分。第三个所需的苯基锂产生芳基副产物，在未取代的苯基锂的情况下是苯。为了进行完全反应，苯基锂与所加入二卤代苯的摩尔比应至少为3。在本发明的一个方面，上述比率在约3至约5的范围内。为了完全转化所有二氯苯，需要三当量或更大量的苯基锂。然而，为了最大化转化，通常使用化学计量过量的苯基锂。
通过使三联苯锂与硫反应形成硫醇锂。反应是放热的。通常，优选冷却反应混合物以除去反应产生的一些热。该反应可以在与三联苯形成步骤相同的反应容器中进行。如果是这样，则优选在加入硫之前将反应混合物冷却至约0至约5℃范围内的温度。硫可以一次全部或逐渐地添加，例如随时间推移(诸如在约1至约2小时的时间范围内)逐份添加。在一个方面，在添加硫期间将温度保持在约0至约15℃的范围内。在另一个方面，在添加硫期间将温度保持在约0至约15℃的范围内。反应物料优选在加硫期间剧烈搅拌。
优选随时间推移以使未反应硫的浓度保持足够低以使杂质的形成最小化的速率加入硫。在本发明的一个方面，在加入硫期间的任何时间，过量(未反应的)硫与硫醇锂的摩尔比在约0至约3的范围内。在另一个方面，未反应的硫与硫醇锂的摩尔比在约0至约1的范围内。加硫后，可以在硫醇形成反应之前将反应搅拌一段时间，但是硫加入结束时硫醇锂的形成通常是完全的。
随后的硫醇形成优选在保持在约10至约45℃之间的温度下发生，并且在更窄的方面，在约10至约30℃之间发生。一方面，一旦添加完成，将反应物料升温至约10至约30℃之间的温度。
通过加入酸形成硫醇。将酸作为水溶液加入，并且在不加搅拌的情况下，形成含水的含酸层，其与反应混合物的其余部分分离。反应是非均相的，因此优选在加入酸期间搅拌反应物料。酸可以一次全部添加，或者一段时间内滴加。在本发明的某些方面，在约1至约3小时的时间范围内逐滴加入酸。在本发明的一些方面，酸在约5至约50℃范围内的一个或多个温度下加入，或在其它方面在约10至约30℃的范围内加入。尽管可以使用一系列不同的质子酸，但优选盐酸、氢溴酸、硫酸和乙酸中的一种或多种。
理论上，为了基本上完全使硫醇质子化，必须加入足够的酸，使得相对于硫醇提供至少等量的质子。然而，加入到反应混合物中的酸的量可以取决于残留在反应混合物中的苯基锂的量。如上所述，化学计量地，三联苯锂的形成理论上需要每当量二卤代苯使用三当量苯基锂。两当量的苯基锂注定成为三联苯主链的一部分，而一当量成为苯(或取代的苯)副产物。已经发现每当量二卤代苯近似地为约3.5至7，更优选为4.5至5.5当量的苯基锂将提高三联苯锂的产率。在这种情况下，相对于将二卤代苯完全转化成三联苯锂所需的量，三联苯锂可以以化学计量过量存在。应加入足够的酸以使过量的三联苯锂质子化，以及使硫醇锂质子化以产生硫醇。
通常，酸溶液的摩尔浓度在每升水约2至约3摩尔的范围内。优选添加酸，使得加入的酸的摩尔量在硫醇锂的摩尔量与过量苯基锂的摩尔量组合的摩尔过量的约3％至约5％的范围内。
硫醇形成后，将酸从反应物料中分离，优选通过除去含有酸的水层。在本发明的一个方面，该层可以从反应物料中排出。
一方面，上述合成步骤在一锅中进行。无需更换或除去溶剂。然后将硫醇从也包含溶剂的反应混合物中分离出。通常，反应混合物将含有苯硫酚化合物和可能通过硫化残余的先前步骤反应物形成的其它含硫芳族化合物，包括诸如例如二苯二硫的硫化物，以及在硫醇形成反应中形成的任何苯硫酚。分离通常可以通过蒸馏来完成。为了进一步减少苯硫酚和二硫化物杂质的量，可以通过精细的机械分离手段过滤固体产物，所述手段诸如例如硅藻土过滤助剂，例如以商品名celitetm制造的那些。过滤材料可以用新鲜的溶剂部分洗涤。固体产物可以从过滤材料用溶剂洗涤到烧瓶中并再次进行蒸馏。通常，蒸馏在约30至约180℃的范围内的一个或多个温度下进行，并且在约300至约2托范围内的压力下进行。更优选的是，蒸馏温度在约30至约130℃的范围内，并且压力在约100至约8托的范围内。因此优选使用在上述温度和压力范围内具有沸点的一种或多种溶剂。
可用于进一步蒸馏的溶剂包括二乙醚、二丁醚、戊烷、己烷、庚烷。一方面，用以进一步蒸馏硫醇的溶剂是与制备硫醇相同的溶剂。在另一方面，用以硫醇合成和硫醇纯化的溶剂是二乙醚或二丁醚。
通过使硫醇与氧化剂接触以形成包括硫醇基团和横向放置的苯环之一的二苯并噻吩环，由硫醇制备二苯并噻吩。该反应方便地在惰性气氛下进行，尽管不是必需的，但它提供了对氧化条件的有效控制。惰性气氛的实例包括氮气或氩气。在本发明的优选方面，氧化剂包含硫原子，并且在其它方面，氧化剂是元素硫、硫酰氯、氯和溴等中的一种或多种。在本发明的一个优选方面中，氧化剂是元素硫。氧化剂和硫醇之间的反应可以单纯地进行(即，在没有溶剂的情况下)。然而，在硫酰氯的情况下，优选使用溶剂，诸如例如异己烷、庚烷和其它烷烃。可以使用对硫酰氯惰性的其它溶剂。
已经发现痕量的胺(诸如例如三乙胺)可以用作催化剂或引发剂。基于硫醇的重量，这种引发剂的含量可以在约0.001至约0.1摩尔当量wt％范围内，更优选在约0.0014至约0.002摩尔当量wt％范围内。已经发现确切的数量并不重要。氧化剂可以与反应容器中的硫醇组合。任何挥发物，诸如例如用于转移硫醇或氧化剂的任何液体，都可被蒸馏掉或以其它方式除去。加热硫醇和氧化剂。在本发明的一些方面，将反应容器的内容物加热至约180至约250℃范围内的一个或多个温度。在另外的方面，温度在约230至约235℃的范围内。优选温度在约1至约4小时的范围内升高一段时间。在优选的方面，氧化剂包含元素硫和硫酰氯中的一种或多种，并将反应容器加热至约230至约235℃范围内的一个或多个温度，伴随着加热至在约1至约2小时时间范围内发生的上述温度。
当使用硫酰氯作为氧化剂时，优点在于反应可以在较低的温度下运行。然而，硫酰氯基本上产生必须进一步进行闭环反应的氯化硫基团。傅克(friedel-crafts)闭环可以通过进一步使用氯化铝来实现。
本发明的方法提供了制备各种取代的4-苯基二苯并[b，d]噻吩的合成。通过本方法获得基于二氯苯的产物产率在约60至约80％的范围内是并不少见。虽然本文上述方法(4-二苯并[b，d]噻吩硼酸与溴苯反应)不使用与本发明的方法相同的前体，但其基于二苯并[b，d]噻吩前体的产率大致在约75％至约90％的范围内。鉴于4-二苯并[b，d]噻吩硼酸的价格(在摩尔基础上)基本上比本发明的主要合成前体(二氯苯和溴苯)显著更高的事实，本发明的方法是成本低廉的替代方法。
给出以下实施例是为了说明的目的，并不旨在对本发明的范围施加限制。
实施例1
制备苯基锂-在氩气氛下将锂金属(35.4g团块，5.10mol)和醚(0.5l)装入三升烧瓶中。在约2小时的时间内，将在醚(1.0l)中的溴苯(400g，2.55mol)从滴液漏斗加入到反应器中。在加入过程中醚回流。反应完成后再搅拌反应器一小时。
间三联苯的制备-逐滴加入1，3-二氯苯(74.9g，0.51mol)。反应是放热的。反应在回流醚中进行，反应器的冷凝器设定在-1℃。将反应混合物搅拌约19小时。
间三联苯基邻硫醇锂-(三联苯基-2′-硫醇锂、2，6-二苯基硫醇锂)的制备-将反应冷却至约1c，并在1小时内分批加入硫(64g，2.0mol)。最高温度为14.5c。将反应物搅拌2小时，同时升温至室温。
间三联苯基邻硫醇-(2，6-二苯基苯硫酚)的制备-逐滴加入在水(705ml)中的浓盐酸(145ml)。
蒸馏除去溶剂以及苯硫酚和二硫化物副产物-将酸性水层从反应中排出。将短程蒸馏头连接到反应器，并从反应器中蒸馏出醚。反应物料在惰性气氛下通过硅藻土过滤，并用醚洗涤硅藻土。将剩余的醚从反应物料中蒸馏出来，然后将其放在真空下蒸馏出挥发物，直到罐温度达到155℃，且真空度达到4.9托。然后进行kugelrohr蒸馏。馏出物收集在冰冷却的球状物中，直到罐温度达到134℃，且真空度达到0.5托。蒸馏的目的是去除大部分苯硫酚和相应的二硫化物产物。
形成噻吩环，得到4-苯基二苯并[b，d]噻吩-残余物是借助二氯甲烷转移到配备有搅拌棒的烧瓶中的玻璃状固体。将硫(16.4g，0.511mol)装入烧瓶中。连接短程蒸馏头，并在大气压下蒸馏除去二氯甲烷。经3.5小时将反应混合物从66℃加热至226℃。转化然后gc，转化为4-苯基二苯并[b，d]噻吩的转化率达到约64％。反应物料在234℃下进一步加热3小时后实现完全转化。
将重量为157.4g的粗产物溶于甲苯中，并用50g硅胶搅拌。然后将硅胶过滤掉。粗产物现在重140.5g。将产物装入具有1.5英寸内置维格勒柱的短程蒸馏头。产物在约180c(0.7托)下蒸馏。收集具有gc杂质的三种级分，为70.2％(级分1，5.84g)、92.5％(级分2，98.5g)和56％(级分3，16.1g)。上述百分比是gc面积％，采用fid检测器。级分1(在较小程度上级分2)含有最有可能是硫的固体。将级分1和2溶于氯仿中，在冷冻器中冷却，然后过滤除去固体。基于间二氯苯的摩尔数，基于级分2及其gc纯度的产率为67.6％。
实施例2
间三联苯的制备-将商业化的在二丁醚中的苯基锂(660.3g，19.9％，1.56mol)装入到配备有机械搅拌器、加料漏斗和热电偶的带夹套的2l反应器中。逐滴加入1，3-二氯苯(46g，0.31mol)。反应器的温度达到71℃，并将设定点为25℃的冷却单元施加到反应器的夹套上。将反应器在环境温度下搅拌约20小时，然后冷却至2℃。
间三联苯基邻硫醇锂的制备-分批加入硫(39.6g，1.23mol)，保持温度低于10℃。将反应物在约2小时内升温至环境温度。逐滴加入在水中的浓盐酸，同时保持温度在约25℃。将酸性水层从反应器中排出，并将短程蒸馏头连接到反应器。将挥发物从反应器中蒸馏出，直到釜温达到69.5℃，且真空度达到45.8托。将反应物料转移到配备有10英寸填充柱和分馏头的烧瓶中。将挥发物蒸馏出，直到釜温达到108℃，且真空度达到3.4托。将反应物料转移到kugelrohr蒸馏装置中，并蒸馏出挥发物直到釜温达到131℃，且真空度达到0.6托。残余物的重量为84g。残留物具有黑色硬质玻璃样的外观。将硫(10.2g，0.32mol)装入烧瓶中。将残余物和硫在235℃下加热3小时。冷却后，将残余物溶于氯仿中，并通过硅藻土过滤。使用旋转蒸发器在减压下除去溶剂，并将产物装入具有1.5英寸内置维格勒柱的短程蒸馏头。产物在约180℃(0.5托)下蒸馏。收集具有gc杂质的三种级分，为81.3％(级分1，15.3g)、93.9％(级分2，55.97g)和58.7％(级分3，5.8g)。上述百分比是采用fid检测器的gc面积％。在级分一溶于氯仿、冷却并过滤以除去其中的一些硫含量之后测量级分一的重量和gc。基于间二氯苯的摩尔数，基于级分1和2及其gc纯度的产率为79.9％。
由于一些硫污染，产值可能有些变化，这将增加表观产率。对产率的影响不大。
实施例3
将商业化的在二丁醚中的苯基锂(682.4g，20.6％，1.67mol)装入到配备有机械搅拌器和热电偶的带夹套的2l反应器中。通过注射泵在两个小时内加入1，3-二氯苯(38.2ml，0.334mol)，反应器套管设定在25℃。然后将反应在25℃下搅拌约14小时。将反应冷却至小于2℃，并保持温度低于10℃分批加入硫(34.8g)。升温至环境温度后，逐滴加入在水(550ml)中的浓盐酸(117ml)，将反应器夹套温度设定为20℃。排出酸性水层。蒸馏除去溶剂和苯硫酚，直至达到8托的真空度和129℃的釜温(塔顶42℃)。将硫(8g，0.25mol)装入到残余物中，并将混合物在氮气下在235℃下加热6小时。装入额外的硫(1g，0.031mol)，并将样品再加热3小时。将产物装入具有1.5英寸内置维格勒柱的短程蒸馏头。主馏分在181-185℃蒸馏(0.6托，釜215℃)，称重70.1g(gc纯度93.34％)。上述百分比是采用fid检测器的gc面积％。基于间二氯苯的摩尔数，产率为75％。
实施例4
在氩气氛下将无水醚(500ml)和锂线(28.7g，4.13mol)装入到配备有底部出口、冷凝器和加料漏斗的带夹套的3l烧瓶中。在3小时内将在无水醚(1000ml)中的溴苯(324.6g，2.07mol)逐滴加入到反应器中。反应是放热的，并且在加入期间醚回流。加入溴苯结束三十分钟后，从加料漏斗向反应器中滴加间二氯苯(60.7g，0.413mol)。反应是放热的，并且醚回流。在环境温度下搅拌约16小时后，在1小时内分批加入硫(52.5g，1.64mol)。反应再次放热。逐滴加入在水(765ml)中的浓盐酸(118ml)。将酸性水层从反应器中排出。蒸馏出大部分溶剂，然后将反应物料在惰性气氛下过滤并转移至kugelrohr蒸馏釜。从反应物料中蒸馏出副产物二苯二硫和苯硫酚。在0.38托下釜的最终温度为134℃。将反应物料在惰性气氛下溶于氯苯(100ml)中。将异己烷(100ml)和三乙胺(0.4ml，0.003mol)装入到烧瓶中。将反应物料在冰浴中冷却，并从滴液漏斗将硫酰氯(27.2ml，0.336mol)装入到冷却的反应物料中。在环境温度下搅拌16小时后，蒸馏出过量的硫酰氯和一部分溶剂。在8.9托下釜的最终温度为23℃。将反应物料溶于更多氯苯(200密耳)中并冷却至-9℃。将氯化铝(0.5g，0.0037mol)装入到反应器中。将反应在16小时内升温至室温，然后倒入碳酸氢钠水溶液中。用二氯甲烷萃取，且有机层经硫酸镁干燥。在减压下蒸馏除去溶剂。将粗制苯基二苯并噻吩在184℃至210℃(0.95托)下通过短程蒸馏。基于间二氯苯的摩尔数，最高纯度分数为80％(基于气相色谱分析)，并且总产率仅为约35％。
然而，通过gc检查kugelrohr馏出物表明，大量的二苯基苯酚与二苯硫蒸馏出来并在该过程中损失。
在本说明书或其权利要求书中任何地方以化学名称或化学式提及的组分(无论是提及单数还是复数)均被认定为它们在与通过化学名称或化学类型提及的另一种物质(例如，另一种组分、溶剂等)发生接触之前就存在。在所得混合物或溶液中发生什么样的化学变化、转变和/或反应(如果有的话)并不重要，因为这种变化、转变和/或反应是在根据本公开所要求的条件下将指定的组分合在一起所产生的自然结果。因此，所述组分被认定为就进行所需操作或形成所需组合物而要合在一起的成分。此外，即使下文的权利要求书可以现在时态(“包含”、“是”等)来提及物质、组分和/或成分，该提及也是指该物质、组分或成分在它第一次即将与一种或多种其它物质、组分和/或成分根据本公开接触、掺合或混合之前时存在的形式。因此，物质、组分或成分可能在接触、掺合或混合操作过程(如果根据本公开和化学普通技术人员进行)期间已通过化学反应或转变而失去其原有特性的事实是无关紧要的。
本发明可以包括本文陈述的材料和/或程序、由本文陈述的材料和/或程序构成或基本上由本文陈述的材料和/或程序构成。
如本文所用，修饰本发明组合物中的成分或本发明的方法中使用的量的术语“约”是指例如在以下状况中可能发生的数值量的变化：在现实世界中用于制备浓缩物或使用溶液的典型测量和液体处理程序；在这些程序中因疏忽而造成的误差；在用以制备组合物或实施方法的成分的制造、来源或纯度方面的差异等等。术语约还涵盖由于用于组合物的由特定初始混合物引起的不同平衡条件而不同的量。不论是否由术语“约”修饰，权利要求书均包括所述量的等同量。
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