一种氢硅烷化合物与氮杂环芳烃化合物交叉偶联的方法

1.本发明涉及催化合成技术领域。更具体地，涉及一种通过si
−
h键活化及其与c
−
h键交叉偶联构建c
−
si键的方法。


背景技术：

2.氮杂环芳基硅烷化合物是一类重要的有机硅化合物，广泛存在于医药、农药、功能材料及精细化学品等功能分子中（j. med. chem. 2013, 56, 388-405.；chem. soc. rev. 2011,40 (10), 4893-4901）。因此，发展氮杂环芳基硅烷化合物的合成方法，具有十分重要的意义。
3.通过氢硅烷的si
−
h键与氮杂环芳烃c(sp2)
−
h的脱氢交叉偶联反应合成氮杂环芳基硅烷化合物简单直接。与传统反应相比，该反应不需对底物进行预官能团化，直接实现si
−
h键和c
−
h键的偶联，具有优异的原子经济性和步骤经济性。由于氢硅烷的si
−
h键和氮杂环芳烃c(sp2)
−
h具有较高的键解离能，通常具有较高的热力学稳定性和较低的化学反应活性，直接实现si
−
h键和c
−
h的交叉偶联极具挑战。例如：2008年，来自德克萨斯大学西南医学中心john r. falck课题组利用金属铱化合物作为催化剂，降冰片烯作为氢受体，实现了吲哚与硅烷的脱氢偶联反应，构建了杂环芳基硅烷化合物（angew. chem. int. ed. 2008,47, 7508-7510.）；2014年，来自加利福尼亚大学的john f. hartwig课题组利用金属铑化合物作催化剂，环己烯作为氢受体，实现了杂环芳烃与硅烷的脱氢偶联反应（science 2014,343, 853-857）；2015年，来自加州理工学院的robert h. grubbs1课题组利用碱金属叔丁醇钾作催化剂，实现了杂环芳烃（如吲哚、噻吩、呋喃）c(sp2)
−
h与硅烷的si
−
h键的脱氢偶联反应，得到了一系列杂环芳基硅烷化合物（nature 2015,518, 80-84.）；2017年，来自兰州大学的柳忠全课题组利用氟化铜作催化剂，二叔丁基过氧化物（dtbp）为氧化剂，在130 o
c加热条件下实现了杂环芳烃c(sp2)
−
h硅烷化反应（org. lett. 2017,19, 5573-5576.）；2018年，来自日本京都大学的keiji maruoka课题组利用7.0当量的二叔丁基过氧化物（dtbp）和5.0当量的叔丁基硫醇作为催化剂，在110 o
c加热条件下实现了缺电子含氮杂环的自由基硅烷化反应（j. org. chem. 2018,7, 1085-1088）。同年，来自华东理工大学的张永强课题组利用多吡啶铱作为光催化剂，过硫酸钾、双（三甲基硅基）过氧化物或异丙基硅硫醇作为自由基引发剂，在可见光照射下实现了杂环芳烃c(sp2)
−
h键硅烷化反应（chem. sci. 2019,10,3817-3825）。
4.上述催化体系为氮杂环芳基硅烷化合物的合成提供了简便、高效的技术手段。然而，这类催化体系大都需要使用化学计量的有机/无机过氧化物、较高的反应温度和金属催化剂尤其是昂贵的金属光催化剂以及精心设计的配体，且需要加入化学计量的氢受体。金属参与的反应存在金属残留、环境污染、毒性较大和成本较高等潜在问题；化学计量的氧化剂加入往往使后处理繁琐，或者生成废弃物、或引发不必要的副反应，这在一定程度上限制了该催化反应的应用。因此，需要发展一种无需金属催化剂、光催化剂和过氧化物参与的条件下，利用光催化的si
−
h键和c
−
h键的交叉偶联反应，实现氮杂环芳基硅烷化合物的合成。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种通过光催化的氢硅烷的si
−
h键和氮杂环芳烃化合物c
−
h键的交叉偶联脱氢反应，构建氮杂环芳基硅烷化合物的方法。
6.为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：一种氢硅烷化合物与氮杂环芳烃化合物交叉偶联的方法，该方法包括以下步骤：1) 将氢硅烷化合物和氮杂环芳烃化合物加入到溶剂中得到混合溶液；2) 将催化剂和酸加入至所述混合溶液中，得到反应液；3) 在惰性气体保护下，用可见光照射所述反应液；4）除去反应溶剂，并分离得到氮杂环芳基硅烷化合物。
7.优选地，在上述步骤1）中，所述的氮杂环芳烃化合物结构式如下：式中，r1、r2、r3、r4、r5和r6中的一个或多个基团为h、och
3、
ch3ch
2、
(ch3)2ch、(ch3)3c、ch2oh、cooch3、cooch2ch3、cf3、f、cl、br、nh
2、
oh、cn、no2、och2ph或ph，其余的基团为h；r7、r8、r9、r
10
、r
11
和r
12
中的一个或多个基团为h、och
3、
ch3ch
2、
(ch3)2ch、(ch3)3c、ch2oh、cooch3、cooch2ch3、cf3、f、cl、br、nh
2、
oh、cn、no2、och2ph或ph，其余的基团为h；r
13
、r
14
、r
15
和r
16
中的一个或多个基团为h、och
3、
ch3ch
2、
(ch3)2ch、(ch3)3c、ch2oh、cooch3、cooch2ch3、cf3、f、cl、br、nh
2、
oh、cn、no2、och2ph或ph，其余的基团为h；r
17
、r
18
、r
19
、r
20
、r
21
、r
22
、r
23
和r
24
中的一个或多个基团为h、och
3、
ch3ch
2、
(ch3)2ch、(ch3)3c、ch2oh、cooch3、cooch2ch3、cf3、f、cl、br、nh
2、
oh、cn、no2、och2ph或ph，其余的基团为h；r
25
、r
26
、r
27
、r
28
、r
29
、r
30
、r
31
和r
32
中的一个或多个基团为h、och
3、
ch3ch
2、
(ch3)2ch、(ch3)3c、ch2oh、cooch3、cooch2ch3、cf3、f、cl、br、nh
2、
oh、cn、no2、och2ph或ph，其余的基团为h；优选地，步骤1）中，所述的氢硅烷化合物的结构式如下：式中，r1为(ch3)3c、r2和r3为ch3；或r1、r2和r3为(ch3)2ch；或
r1、r2和r3为och3；或r1为h、r2和r3为(ch3)3c；或r1为ph、r2和r3为ch3；或r1为(ch3)3c、r2和r3为ph；或r1为h、r2和r3为ph；或r1、r2和r3为ph。
8.优选地，步骤1）中，所述溶剂为有机溶剂或有机溶剂与水的混合液。
9.更优选地，所述有机溶剂选自下列物质中的一种或多种：乙腈、丙酮、n,n-二甲基甲酰胺、n,n-二甲基乙酰胺、二甲基亚砜、乙酸乙酯、二氯甲烷、1,2-二氯乙烷、甲醇、乙醇和异丙醇。
10.优选地，步骤1）中，所述氢硅烷化合物和氮杂环芳烃化合物在混合溶液中的浓度为0.001 mol/l-饱和浓度。
11.优选地，步骤2）中，所述催化剂为“n
−
f”试剂；更优选地，所述“n
−
f”试剂的结构式为：。
12.优选地，步骤2）中，所述酸选自甲酸、乙酸、盐酸、硫酸、硝酸、磷酸、三氟乙酸或苯甲酸。
13.优选地，步骤2）中，所述酸的浓度是0.0002
ꢀ‑
1 mol/l。
14.优选地，步骤3）中，所述惰性气体为氮气、氩气。
15.优选地，步骤3）中，所述可见光波长范围为300~800nm。
16.优选地，步骤3）中，所述可见光的光源是led、氙灯、汞灯或太阳光。
17.优选地，步骤3）中，所述可见光的光照时间为1-24小时。
18.优选地，步骤3）中，所述交叉偶联反应在室温下进行。
19.本发明的有益效果如下：1）本发明在无需过氧化物和金属催化剂的条件下，利用可见光催化活化了氢硅烷的si
−
h键。
20.2）本发明利用光催化方法实现了氢硅烷与氮杂环芳烃化合物交叉偶联反应，实现了重要的氮杂环芳基硅烷化合物的合成。整个合成反应无需金属催化剂和光催化剂参与，底物均无需预活化，条件温和，操作简单，步骤经济和原子经济。
附图说明
21.下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
22.图1为本发明实施例1中产物的氢谱图。
nm）照射反应液，所得产物的收率是78%。
36.实施例8同实施例1，区别在于步骤3）中采用led蓝光（= 405 nm）代替led蓝光（= 430 nm）照射反应液，所得产物的收率是38%。
37.实施例9同实施例1，区别在于步骤1）中加入3 ml ch3cn/h2o（4:1）代替乙腈作为反应溶剂，所得产物的收率是60%。
38.实施例10同实施例1，区别在于步骤1）中加入3 ml 二氯甲烷（dcm）代替乙腈作为反应溶剂，所得产物的收率是32%。
39.实施例11同实施例1，区别在于步骤1）中加入3 ml n,n-二甲基甲酰胺代替乙腈作为反应溶剂，所得产物的收率是28%。
40.实施例12同实施例1，区别在于步骤2）中不加入0.3 mmol三氟乙酸（tfa），所得产物的收率是60%。
41.实施例13同实施例1，区别在于步骤2）中加入0.3 mmol盐酸（hcl）代替0.3 mmol三氟乙酸（tfa），所得产物的收率是76%。
42.实施例14同实施例1，区别在于步骤2）中加入0.3 mmol甲酸（hcooh）代替0.3 mmol三氟乙酸（tfa），所得产物的收率是62%。
43.实施例15同实施例1，区别在于步骤2）中加入0.3 mmol乙酸（ch3cooh）代替0.3 mmol三氟乙酸（tfa），所得产物的收率是60%。
44.实施例16同实施例1，区别在于步骤2）中加入0.3 mmol苯甲酸代替0.3 mmol三氟乙酸（tfa），所得产物的收率是50%。
45.实施例17同实施例1，区别在于步骤3）中用氮气代替氩气，所得产物的收率是84%。
46.实施例18同实施例1，区别在于步骤1）中以0.1 mmol喹啉代替4-甲基喹啉，所得产物的收率是71%。
47.实施例19同实施例1，区别在于步骤1）中以0.1 mmol 3-甲基喹啉代替4-甲基喹啉，所得产物的收率是44%。
48.实施例20同实施例1，区别在于步骤1）中以0.1 mmol 5-甲基喹啉代替4-甲基喹啉，所得产物的收率是72%。
49.实施例21同实施例1，区别在于步骤1）中以0.1 mmol 6-甲基喹啉代替4-甲基喹啉，所得产物的收率是76%。
50.实施例22同实施例1，区别在于步骤1）中以0.1 mmol 7-甲基喹啉代替4-甲基喹啉，所得产物的收率是76%。
51.实施例23同实施例1，区别在于步骤1）中以0.1 mmol 6-氟喹啉代替4-甲基喹啉，所得产物的收率是70%。
52.实施例24同实施例1，区别在于步骤1）中以0.1 mmol 5-溴喹啉代替4-甲基喹啉，所得产物的收率是56%。
53.实施例25同实施例1，区别在于步骤1）中以0.1 mmol 4-氯喹啉代替4-甲基喹啉，所得产物的收率是76%。
54.实施例26同实施例1，区别在于步骤1）中以0.1 mmol 5-硝基喹啉代替4-甲基喹啉，所得产物的收率是38%。
55.实施例27同实施例1，区别在于步骤1）中以0.1 mmol 4-羟基喹啉代替4-甲基喹啉，所得产物的收率是58%。
56.实施例28同实施例1，区别在于步骤1）中以0.1 mmol 6-甲氧基喹啉代替4-甲基喹啉，所得产物的收率是40%。
57.实施例29同实施例1，区别在于步骤1）中以0.1 mmol 6-羟甲基喹啉代替4-甲基喹啉，所得产物的收率是30%。
58.实施例30同实施例1，区别在于步骤1）中以0.1 mmol苯并喹啉代替4-甲基喹啉，所得产物的收率是62%。
59.实施例31同实施例1，区别在于步骤1）中以0.1 mmol异喹啉代替4-甲基喹啉，所得产物的收率是71%。
60.实施例32同实施例1，区别在于步骤1）中以0.1 mmol 6-甲基异喹啉代替4-甲基喹啉，所得产物的收率是72%。
61.实施例33同实施例1，区别在于步骤1）中以0.1 mmol 3-甲基异喹啉代替4-甲基喹啉，所得产物的收率是40%。
62.实施例34同实施例1，区别在于步骤1）中以0.1 mmol 4-甲氧基异喹啉代替4-甲基喹啉，所得产物的收率是30%。
63.实施例35同实施例1，区别在于步骤1）中以0.1 mmol 5-羟基异喹啉代替4-甲基喹啉，所得产物的收率是31%。
64.实施例36同实施例1，区别在于步骤1）中以0.1 mmol 4-氟异喹啉代替4-甲基喹啉，所得产物的收率是87%。
65.实施例37同实施例1，区别在于步骤1）中以0.1 mmol 6-氯异喹啉代替4-甲基喹啉，所得产物的收率是63%。
66.实施例38同实施例1，区别在于步骤1）中以0.1 mmol 5-溴异喹啉代替4-甲基喹啉，所得产物的收率是51%。
67.实施例39同实施例1，区别在于步骤1）中以0.1 mmol 5-硝基异喹啉代替4-甲基喹啉，所得产物的收率是36%。
68.实施例40同实施例1，区别在于步骤1）中以0.1 mmol 4-苯基异喹啉代替4-甲基喹啉，所得产物的收率是62%。
69.实施例41同实施例1，区别在于步骤1）中以0.1 mmol 5-苄氧基异喹啉代替4-甲基喹啉，所得产物的收率是42%。
70.实施例42同实施例1，区别在于步骤1）中以0.1 mmol 3-甲酸甲酯异喹啉代替4-甲基喹啉，所得产物的收率是43%。
71.实施例43同实施例1，区别在于步骤1）中以0.1 mmol 4-三氟甲基吡啶代替4-甲基喹啉，所得产物的收率是63%。
72.实施例44同实施例1，区别在于步骤1）中以0.1 mmol 4-苯基吡啶代替4-甲基喹啉，所得产物的收率是73%。
73.实施例45同实施例1，区别在于步骤1）中以0.1 mmol 4-氰基吡啶代替4-甲基喹啉，所得产物的收率是76%。
74.实施例46同实施例1，区别在于步骤1）中以0.1 mmol 2-苯基吡啶代替4-甲基喹啉，所得产物的收率是40%。
75.实施例47同实施例1，区别在于步骤1）中以0.1 mmol 2,5-二甲基吡嗪代替4-甲基喹啉，所得产物的收率是30%。
76.实施例48同实施例1，区别在于步骤1）中以0.1 mmol烟酸甲酯代替4-甲基喹啉，所得产物的收率是48%。
77.实施例49同实施例1，区别在于步骤1）中以0.1 mmol烟酸乙酯代替4-甲基喹啉，所得产物的收率是52%。
78.实施例50同实施例1，区别在于步骤1）中以0.1 mmol啡啶代替4-甲基喹啉，所得产物的收率是65%。
79.显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。