α-羰基二硫缩烯酮的吲哚化反应

2017-04-14 10:27裴学海王文琛王金娟杨志翔黄克俊尹晓刚陈治明
合成化学 2017年4期
关键词:淡黄色硫基羰基

裴学海, 王文琛, 王金娟, 杨志翔, 黄克俊, 尹晓刚, 陈治明

(贵州师范大学 化学与材料科学学院 贵州省功能材料化学重点实验室,贵州 贵阳 550001)

·研究论文·

α-羰基二硫缩烯酮的吲哚化反应

裴学海, 王文琛, 王金娟, 杨志翔, 黄克俊, 尹晓刚, 陈治明*

(贵州师范大学 化学与材料科学学院 贵州省功能材料化学重点实验室,贵州 贵阳 550001)

研究了BINOL酸催化α-羰基二硫缩烯酮的吲哚化反应,合成了12个β-吲哚基-β-乙硫基缩烯酮类化合物(3a~3l),其中3a, 3d~3e, 3g~3k为新化合物,其结构经1H NMR,13C NMR, IR和HR-MS表征。对反应条件进行了优化。结果表明:20 mol%BINOL酸为催化剂,3,3-二乙硫基苯丙烯酮与吲哚于85 ℃反应2.5 h, 3-吲哚基-3-乙硫基苯丙烯酮收率85%。

有机小分子;α-羰基二硫缩烯酮; 3,3-二乙硫基苯丙烯酮; 2-二乙硫基亚甲基-3-羰基丁酸乙酯; BINOL酸; 催化; 吲哚衍生物; 亲核取代反应; 合成

2-吲哚基-2-乙硫基亚甲基-3-羰基丁酸乙酯和β-吲哚基-α,β-不饱和羰基化合物是吲哚的重要衍生物,具有良好的生物活性,是重要的有机合成中间体,部分该类化合物已被用作治疗疾病的临床药物。该类化合物的合成方法受到研究人员的广泛关注。合成β-吲哚基-α,β-不饱和羰基化合物的方法也有相关文献报道,通过吲哚衍生物和醛酮进行缩合反应,以及采用有机金属催化α,β-不饱和羰基化合物的吲哚化反应,而这些有机金属络合物催化剂大部分对空气和水都比较敏感,容易被分解或氧化,因而合成条件比较苛刻或催化剂较昂贵。

Scheme 1

因此,有机合成研究中,开发实用和有效合成一种结构单一、简单有效而新颖的β-吲哚基-α,β-不饱和羰基化合物的新方法具有重要意义。

α-羰基二硫缩烯酮类化合物是一种多官能团类化合物,由于烷硫基的电子和羰基的拉电子空间效应,使得C=C键发生高度极化,α-位容易发生亲核取代反应,赋予了该化合物化学反应的多样性,双键端位被烷硫基取代,在有机合成中被广泛关注,是一种易于制备、具有多反应中心的重要有机合成中间体[1-3],在构造芳环[4-6]、1,4-加成-环合反应、杂环化合物的合成[7-8]、α-亲电取代反应、多取代烯烃的合成[9-10]和用作无气味的代硫醇试剂[11-15]中有广泛的应用。于海丰等[16-17]在三氟乙酸催化作用下合成β-吲哚基-α,β-不饱和羰基化合物方面也做了相关的研究,有效合成了β-吲哚基-α,β-不饱和酮和β,β-二吲哚基-α,β-不饱和酮衍生物。以上合成方法尽管在合成上具有重大意义,但是该催化剂酸性很强且腐蚀性较大,对环境造成污染。BINOL酸催化剂廉价易得、无毒易操作、无重金属残留,避免了金属离子的存在,且反应条件温和、环境友好、被应用于有机合成中[18-20],符合原子经济和绿色化学的要求。因此,对该催化剂的研究越来越备受关注。

本文研究了BINOL酸催化下3,3-二乙硫基苯丙烯酮(1a)和2-二乙硫基亚甲基-3-羰基丁酸乙酯(1g)的吲哚化反应,合成了12个β-吲哚基-β-乙硫基缩烯酮类化合物(3a~3l),其中3a, 3d~3e, 3g~3k为新化合物(Scheme 1),其结构经1H NMR,13C NMR, IR和HR-MS表征。并对反应条件进行了优化。

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

X-6型数字显微熔点仪;JEOL ECX 400MHz型核磁共振仪(CDCl3为溶剂,TMS为内标);TENSOR27型傅里叶变换红外光谱仪(KBr压片);UHR TOF LC/MS maXis型超高分辨飞行时间质谱仪。

1, 取代吲哚(2a~2f)[21]和BINOL酸[22-23]参考文献方法合成;其余所用试剂均为分析纯。

1.2 3a~3l的合成(以3a为例)

在25 mL的圆底烧瓶中依次加入1a 63 mg(0.25 mmol),吲哚(2a) 30 mg(0.25 mmol), BINOL酸18.7 mg(0.05 mmol)和二甲亚砜2 mL,搅拌下回流反应2.5 h(TLC检测底物消失)。加入蒸馏水15 mL,用二氯甲烷(3×10 mL)萃取,有机相依次用饱和碳酸钠溶液(8 mL)洗涤,无水硫酸镁干燥,加入1 g硅胶,旋蒸除去溶剂,经硅胶柱层析[洗脱剂:V(石油醚) ∶V(乙酸乙酯)=5 ∶1]纯化得3a 65 mg。

用类似方法合成3b~3l。

3-吲哚基-3-乙硫基苯丙烯酮(3a): 淡黄色固体,收率85%, m.p.90~91 ℃;1H NMR(400 MHz)δ: 1.01(d,J=8.1 Hz, 2H), 1.32~1.37(m, 2H), 1.46(d,J=8.0 Hz, 1H), 3.97(m, 5H), 7.69~7.74(m, 5H), 7.95(s, 1H), 8.72(s, 1H), 10.72(s, 1H);13C NMR(100 MHz)δ: 19.1(1C), 52.8(2C), 114.2(1C), 117.0(1C), 124.0(2C), 124.7(2C), 127.2(1C), 127.5(2C), 127.8(2C), 129.5(2C), 137.2(1C), 164.1(1C), 170.8(1C); FT-IRν: 3 414.40, 2 963.13, 2 925.67, 1 676.17, 1 618.07, 1 457.49, 741.60 cm-1; HR-MSm/z: Cacld for C19H17NOS{[M+H]+} 308.103 1, found 308.103 5。

3-(2-甲基吲哚基)-3-乙硫基苯丙烯酮(3b): 淡黄色固体,收率89%, m.p.105~106 ℃;1H NMR(400 MHz)δ: 0.98(t,J=8.3 Hz, 4H), 1.09(s, 1H), 2.63(m, 5H), 7.35(t,J=8.0 Hz, 6H), 7.45(s, 1H), 7.94~7.96(m, 2H), 8.01(s, 1H);13C NMR(100 MHz)δ: 12.3(1C), 14.4(1C), 37.3(1C), 111.2(1C), 112.3(1C), 118.9(1C), 119.7(1C), 120.3(1C), 122.2(1C), 127.6(2C), 129.2(2C), 132.2(1C), 133.5(1C), 135.4(1C), 139.1(1C), 169.8(1C), 183.7(1C); FT-IRν: 3 309.73, 1 612.73, 1 508.08, 1 489.35, 1 255.26, 743.66 cm-1。

3-(2-苯基吲哚基)-3-乙硫基苯丙烯酮(3c): 淡黄色固体,收率86%, m.p. 65~66 ℃;1H NMR(400 MHz, CDCl3)δ: 0.97(d,J=8.0 Hz, 4H), 1.07(s, 1H), 1.53(s, 1H), 2.08~2.21(m, 2H), 7.21(t,J=7.1 Hz, 4H), 7.25~7.28(m, 5H), 7.51(d,J=8.1 Hz, 4H), 8.77(s, 1H);13C NMR (100 MHz)δ: 13.9(1C), 26.4(2C), 75.3(2C), 78.2(2C), 112.3(1C), 118.9(1C), 121.7(2C), 124.3(1C), 127.2(2C), 129.3(2C), 129.6(2C), 130.2(1C), 131.5(1C), 134.4(1C), 136.1(2C), 138.1(1C), 184.7(1C); FT-IRν: 3 362.68, 3 341.09, 1 612.22, 1 515.18, 1 244.06, 1 231.27, 747.30, 696.89 cm-1。

3-(1-甲基-2-苯基吲哚基)-3-乙硫基苯丙烯酮(3d): 淡黄色固体,收率79%, m.p.135~136 ℃;1H NMR(400 MHz)δ: 1.14(d,J=8.1 Hz, 2H), 1.26~1.43(m, 5H), 3.39(s, 2H), 3.73(s, 2H), 7.25(s, 1H), 7.18~7.29(m, 5H), 7.52(d,J=8.1 Hz, 6H), 7.87(s, 1H);13C NMR(100 MHz)δ: 13.8(1C), 27.1(2C), 31.1(1C), 76.8(2C), 77.6(2C), 110.2(2C), 119.6(2C), 121.3(1C), 122.6 (1C), 127.0(1C), 128.3(2C), 129.6(1C), 129.8(2C), 130.5(2C), 132.2(1C), 137.1(1C), 139.3(1C); FT-IRv: 3 366.47, 2 973.30, 1 625.09, 1 516.71, 1 226.09, 1 050.64, 752.60, 699.76 cm-1; HR-MSm/z: Cacld for C26H23NOS{[M+H]+} 398.150 0, found 398.150 3。

3-(1,2-二甲基吲哚基)-3-乙硫基苯丙烯酮(3e): 淡黄色黏稠液体,收率80%;1H NMR(400 MHz)δ: 1.02(t,J=8.3 Hz, 5H), 2.47~2.52(m, 6H), 3.85(d,J=7.3 Hz, 3H), 7.16~7.31(m, 5H), 7.53(s, 1H), 7.97(s, 2H);13C NMR(100 MHz)δ: 11.2(1C), 14.3(1C), 27.1(1C), 30.1(1C), 77.3(1C), 77.8(1C), 109.5(1C), 111.8(1C), 118.6 (1C), 119.3(1C), 120.3(1C), 122.1(1C), 126.3(1C), 128.2(2C), 132.1(1C), 135.7(1C), 136.4(1C), 139.4(1C), 158.8(1C), 188.7(1C); FT-IRν: 3 447.51, 1 628.97, 1 521.67, 1 472.13, 1 225.09, 742.26 cm-1; HR-MSm/z: Cacld for C21H21NOS{[M+H]+}336.133 4, found 336.133 6。

3-(1-甲基吲哚基)-3-乙硫基苯丙烯酮(3f): 淡黄色固体,收率89%, m.p.95~96 ℃;1H NMR(400 MHz, CDCl3)δ: 1.83(d,J=8.0 Hz, 3H), 1.95(s, 1H), 2.19(t,J=8.0 Hz, 3H), 2.37(s, 1H), 2.55~2.67(m, 3H), 3.73(d,J=7.2 Hz, 2H), 7.45~7.66(m, 5H), 7.54(d, 2H);13C NMR(100 MHz)δ: 13.8(1C), 14.1(1C), 15.3(1C), 19.6(1C), 26.7(1C), 28.0(1C), 33.1(1C), 34.4(1C), 60.7 (1C), 109.2(1C), 116.6(1C), 118.6(1C), 119.8(1C), 120.9(1C), 125.6(1C), 127.3(1C), 129.2(1C), 136.2(1C), 143.8(1C), 167.9(1C); FT-IRν: 3 413.04, 1 617.77, 1 400.27, 1 384.29, 741.61 cm-1。

2-(2-甲基吲哚基)-2-乙硫基亚甲基-3-羰基丁酸乙酯(3g): 淡黄色黏稠液体,收率85%;1H NMR(400 MHz)δ: 1.09~1.22(m, 5H), 1.35~1.42(m, 3H), 1.69(d,J=6.1 Hz, 2H), 2.52~2.66(m, 6H), 3.91(s, 1H), 4.23(s, 1H), 5.54(s, 1H), 7.16(d,J=7.3 Hz, 2H), 7.33~7.52(m, 2H);13C NMR(100 MHz)δ: 12.8(1C), 13.6(1C), 14.2(1C), 15.6(1C), 19.9(1C), 26.7(1C), 27.8(1C), 36.7(1C), 60.6(1C), 110.2(1C), 111.9(1C), 118.8(1C), 119.3(1C), 129.3(1C), 132.3(1C), 135.0(1C), 160.1(1C), 169.6(1C); FT-IRν: 3 447.70, 3 143.90, 1 636.80, 1 399.86, 1 384.37 cm-1。

2-吲哚基-2-乙硫基亚甲基-3-羰基丁酸乙酯(3h): 淡黄色黏稠液体,收率86%;1H NMR(400 MHz)δ: 1.27(d,J=8.1 Hz, 2H), 1.29~1.32(m, 6H), 1.35~1.38(m, 2H), 1.36(s, 2H), 1.39~1.43(m, 2H), 2.67(s, 1H), 2.85(q,J=7.1 Hz, 2H), 3.79(d,J=7.3 Hz, 1H), 4.33(s, 1H), 7.85(d,J=7.1 Hz, 2H);13C NMR(100 MHz)δ: 13.8(1C), 14.6(1C), 15.6(1C), 19.5(1C), 26.7(1C), 28.0(1C), 34.7(1C), 60.2(1C), 110.9 (1C), 117.8(1C), 119.3(1C), 121.2(1C), 127.3(1C), 130.0(1C), 135.7(1C), 141.8(1C), 168.2(1C); FT-IRν: 3 383.37, 3 158.47, 1 712.92, 1 399.51, 1 384.43, 740.73 cm-1; HR-MSm/z: Cacld for C17H19NO3S{[M+H]+} 318.108 6, found 318.108 9。

2-(2-苯基吲哚基)-2-乙硫基亚甲基-3-羰基丁酸乙酯(3i): 淡黄色黏稠液体,收率82%;1H NMR(400 MHz)δ: 0.83~0.99(m, 5H), 1.69(d,J=7.2 Hz, 6H), 2.84(d,J=8.0 Hz, 2H), 2.95~2.48(m, 2H), 4.21(s, 1H), 4.32(s, 1H), 7.34~7.41(m, 4H), 7.48(d,J=7.3 Hz, 3H), 8.19(s, 1H);13C NMR(100 MHz)δ: 12.2(1C), 14.9(2C), 111.2(1C), 112.6(1C), 118.1(1C), 119.3(2C), 120.3(2C), 121.5(2C), 129.1(2C), 129.5(2C), 132.4(1C), 132.7(2C), 134.6(1C), 138.7(1C), 158.2(1C), 189.4(1C); FT-IRν: 3 302.28, 1 654.12, 1 400.03, 1 384.39, 1 207.63, 1 180.24, 1 136.70 cm-1; HR-MSm/z: Cacld for C23H23NO3S{[M+H]+}394.139 9, found 394.140 2。

2-(1-甲基-2-苯基吲哚基)-2-乙硫基亚甲基-3-羰基丁酸乙酯(3j): 淡黄色黏稠液体,收率84%;1H NMR(400 MHz)δ: 0.93~1.29(m, 4H), 1.27~1.33(m, 5H), 1.69(d,J=8.1 Hz, 3H), 2.32~2.45(m, 4H), 2.72(d,J=7.1 Hz, 3H), 4.09(t,J=4.5 Hz, 3H), 5.44(s, 1H), 7.16~7.21(m, 4H);13C NMR(100 MHz)δ: 12.4(2C), 13.9(2C), 14.1(2C), 28.1(2C), 29.7(2C), 61.2(2C), 109.3(1C), 119.5(1C), 119.9(2C), 120.9(1C), 127.6(1C), 133.1(1C), 136.3(1C), 136.7(1C), 137.6(1C), 142.4(1C), 167.9(1C); FT-IRν: 3 413.69, 2 974.36, 1 636.55, 1 399.67, 1 384.41, 1 048.92

cm-1; HR-MSm/z: Cacld for C24H25NO3S{[M+H]+}408.155 5, found 408.155 9。

2-(1,2-甲基吲哚基)-2-乙硫基亚甲基-3-羰基丁酸乙酯(3k): 淡黄色固体,收率82%, m.p.84~85 ℃;1H NMR(400 MHz)δ: 1.03(d,J=8.1 Hz, 4H), 1.08~1.25(m, 4H), 1.35~2.05(m,J=7.1 Hz, 5H), 2.78(s, 1H), 3.71~3.78(m, 3H), 3.97(s, 1H), 4.25(s, 1H), 5.93(d,J=7.3 Hz, 1H), 7.24(d,J=8.1 Hz, 4H), 7.65(s, 1H);13C NMR(100 MHz)δ: 10.9(1C), 13.6(1C), 14.8(1C), 26.3(1C), 30.4(1C), 60.0(1C), 109.2(1C), 111.5(1C), 114.8(1C), 119.2(1C), 120.6(1C), 121.5(1C), 125.5(1C), 134.3(1C), 137.1(1C), 153.5(1C), 155.8(1C), 164.5(1C), 168.9(1C); FT-IRν: 3 474.38, 3 414.03, 1 696.54, 1 571.97, 1 409.15, 1 384.16, 1 163.56 cm-1; HR-MSm/z: Cacld for C19H23NO3S{[M+H]+}346.139 9, found 346.140 2。

2-(1-甲基吲哚基)-2-乙硫基亚甲基-3-羰基丁酸乙酯(3l): 淡黄色黏稠液体,收率86%;1H NMR(400 MHz)δ: 0.92(s, 1H), 1.27(d,J=7.1 Hz, 1H), 2.65~2.67(m, 3H), 3.25(t,J=8.1 Hz, 3H), 3.78(d,J=7.3 Hz, 4H), 4.62(s, 1H), 6.61~6.73(m, 2H), 7.13~7.32(m, 4H), 7.16~7.21(m, 3H), 7.69(s, 1H);13C NMR(100 MHz)δ: 32.7(2C), 34.1(1C), 38.2(1C), 64.9(1C), 109.2(2C), 119.2(2C), 120.8(2C), 121.6(2C), 124.2(2C), 125.6(1C), 127.7(1C), 137.1(1C); FT-IRν: 3 547.70, 3 475.02, 3 414.24, 1 617.56, 1 384.37 cm-1。

2 结果与讨论

2.1 反应条件优化

以1a和2a反应合成3a为例,对反应条件进行筛选,考察了反应温度、溶剂、反应时间及催化剂用量对收率的影响,结果见表1。从表1可以看出,反应温度、时间和催化剂用量对3a收率均有明显影响,当BINOL酸用量为25 mol%时,除了反应温度对反应时间有影响之外,几乎对生成3a收率无明显提高(Entry 2~3);在回流条件下,当BINOL酸用量由25 mol%降至20 mol%时,3a收率高达85%(Entry 5),但随着反应时间的延长,3a收率有所降低(Entry 6)。当BINOL酸用量降至15 mol%时,3a收率明显降低(Entry 7),因此控制催化剂用量和反应时间是该反应的关键。若选取p-TsOH或水杨酸为催化剂时,同样的反应条件下虽能进行,但3a收率下降(Entry 8~9)。以四氢呋喃为溶剂时,基于上述实验结果,即便延长反应时间、提高反应温度、增大催化剂用量,反应均无法进行(Entry 10)。

表1 反应条件优化a

aReaction conditions:1a 0.25 mmol, 2a 0.25 mmol, solvent 2 mL。

因此,从催化剂和反应温度、反应时间三方面综合考虑,1a和2a与BINOL酸反应生成3a的最佳反应条件为:在回流的条件下,反应时间为2.5 h, BINOL酸用量为20 mol%(Entry 5)。

2.2 底物适应性

在优化条件下,考察了不同吲哚对3a和3g收率的影响。结果表明2-甲基吲哚的收率最高(89%, 3b), 1-甲基-2-苯基吲哚的收率最低(79%, 3d),可见吲哚环上有取代基时空间位阻对收率有影响。3,3-二乙硫基丙烯酮(1a)通过质子化作用(H+)极化碳碳双键,形成比较稳定的碳正离子中间体,然后与吲哚作用下脱去乙硫醇后得3a。

2.3 反应机理

在酸性条件下,1a通过质子化作用极化碳碳双键,形成比较稳定的碳正离子中间体,然后与2a作用下脱去乙硫醇后得到3a,反应机理见Scheme 2[24-25]所示。

Scheme 2

研究了BINOL酸催化3,3-二乙硫基苯丙烯酮和2-二乙硫基亚甲基-3-羰基丁酸乙酯的吲哚化反应,合成了12个β-吲哚基-β-乙硫基缩烯酮类化合物,其中8个为新化合物。对反应条件进行了优化,对反应机理进行了探讨。该合成反应具有催化剂经济易得用量少、反应条件温和、环境友好和操作简单等优点。

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Indolylation ofα-Oxo Ketene Dithioacetals

PEI Xue-hai, WANG Wen-chen, WANG Jin-juan, YANG Zhi-xiang, HUANG Ke-jun, YIN Xiao-gang, CHEN Zhi-ming*

(Key Laboratory of Functional Materials Chemistry of Guizhou Province, School of Chemistry and Materials Science, Guizhou Normal University, Guiyang 550001, China)

The binaphthol acid controlled indolylation reaction ofα-oxo ketene dithioacetals was studied. Twelveβ-indolyl-β-ethylthio acetal compounds(3a~3l) were synthesized, among them 3a, 3d~3e, 3g~3k were novel compounds. The structures were characterized by1H NMR,13C NMR, IR and HR-MS. The reaction conditions were optimized. The results showed that the alkylation of 3,3-bis(ethylthio) acrylophenone with indole in the presence of BINOL acid(20 mol%) at 85 ℃ for 2.5 h, affording 3-(3-indolyl)-3-(ethylthio) acrylophenone in the yield of 85%.

small organic molecule;α-oxo ketene dithioacetal; 3,3-bis(ethylthio) acrylophenone; 2-[bis(ethylthio)methylene]-3-carbonylbutanoate; BINOL acid; catalysis; indole derivative; necleophilic substitution; synthesis

2016-08-29;

2017-02-15

国家自然科学基金资助项目(21362006); 贵州省自然科学基金资助项目(黔科合J字[2009]2021)

裴学海(1989-),男,汉族,甘肃张掖人,硕士研究生,主要从事有机合成研究。 E-mail: 546565457@qq.com

陈治明,教授,硕士生导师, E-mail: czm000219@163.com

O621.3; O626

A

10.15952/j.cnki.cjsc.1005-1511.2017.04.16219

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