消除反应原理
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第二节 多卤代物的消除反应

多卤代物主要指邻二卤代物、偕二卤代物,1,3-二卤代物。当然,还有三卤代物、四卤代物等。它们的结构不同,化学性质也各不相同。

邻二卤代烷脱卤素,主要有两种产物,一是生成烯,二是生成炔类化合物。邻二卤代烃消除卤化氢可以生成烯,1,3-二卤化物可以脱卤素生成环丙烷衍生物。偕二卤代物根据具体的分子结构不同,可以发生消除反应生成炔、卤代烯烃或累积二烯等。这些化合物在有机合成、药物及其中间体的合成中占有重要的地位。

一、邻二卤代烷脱卤素生成烯

邻二卤代烷在金属锌、镁、锌-铜及少量碘化钾存在下,在乙醇溶液中可脱去卤素原子,生成烯烃,这时不发生异构化和重排副反应。90%~95%的乙醇可以很好地溶解二卤代烷,但不容易溶解烯烃。由于烯烃的沸点较低,可直接从反应体系中蒸出,因此用此法可得到较高收率的烯烃。

邻二卤代物在锌等存在下脱卤素,也是反式共同面消除。例如1,2-二溴环己烷只有反式的容易脱溴,顺式的两个溴原子不能处于反式共平面的位置,因而脱溴困难。

例如医药、农药及有机合成等中间体1-己烯的合成。

1-己烯(1-Hexene,Hexylene),C6H12,84.16。无色液体。bp 63.5℃。nD1.3837, 0.6731。溶于醇、醚、苯、石油醚、氯仿,不溶于水。

制法 段行信.实用精细有机合成手册.北京:化学工业出版社,2000:39.

于安有搅拌器、温度计、滴液漏斗和蒸馏装置的1 L反应瓶中,加入90%的乙醇100 mL,锌粉130 g,加热至沸。移去热源,慢慢滴加1,2-二溴己烷(2)408 g(1.68 mol),反应放热,不断蒸出生成的1-己烯。加完后继续蒸馏10min。馏出物水洗,无水硫酸钠干燥,分馏,收集61~63℃的馏分,得1-己烯(1),收率60%。

使用锌粉时,甲醇、乙醇、乙酸都是常用的溶剂。

文献报道,还原电位在-800 mV左右的金属都具有脱卤能力。可供选择的金属元素很多,如锌、镁、锡、铜、铁、锰。铝等。这些金属稳定性较好,脱卤素反应条件要求也较低。若在不含水的介质中,金属钠、钾、钙也可以使用,但这些金属稳定性差,反应条件苛刻。最常用的还是锌、镁。

金属通常以固体形式存在,而邻二卤化物则通常为液体或气体,因而脱卤反应为液-固相或气-固相反应。鉴于此,金属常常制成很细的粉末,为了使反应完全,往往金属过量很多倍。为了提高金属的反应活性,金属表面常常需要活化,一般的方法是用酸处理,或用高反应活性的卤化物激活金属表面,也可以加入其他活化剂。也有加入助脱卤剂的报道。有报道称,在CF2BrCFClCH=CH2用锌粉脱除Br、Cl时,加入少量ZnCl2,产品收率达88%,与不加ZnCl2相比,收率明显提高。

又如含氟单体1,1-二氯-2,2-二氟乙烯的合成(林原斌,刘展鹏,陈红飚.有机中间体的制备与合成.北京:科学出版社,2006:55)。

在如下反应中加入CuCl2,收率达85%~95%。

值得指出的是,并非加入助脱卤剂对所有反应都有效。在如下反应中,用锌粉脱氯,ZnCl2、HCl、草酸、丙酸等并不能提高脱氯效率,而锌的粒度、用量和温度才是决定因素。

邻二卤代烷最方便的合成方法通常是烯烃与卤素的加成,因此,单纯用此法制备烯烃并无太大实际意义。但它却提供了一种保护双键的方法。当需要在分子的其他部位进行反应而不影响碳碳双键时,可将双键转化为邻二卤代物,而后在锌存在下再脱去卤素原子恢复双键,该方法的特征是双键位置很明确,这在有机合成中是很有意义的。例如4-胆甾烯-3-酮(9)的合成(黄宪,王彦广,陈振初.新编有机合成化学.北京:化学工业出版社,2002:46)。反应中若直接将羟基氧化为羰基,则双键会受影响,故采用了先使双键溴化加成、再氧化羟基成羰基,而后再脱溴成烯的方法。

也可以使用其他脱卤试剂。如高氯酸铬(Ⅱ)与乙二胺的复合物、TiCl4/LiAlH4、VCl3/LiAlH4、Na/NH3(液)、t-BuLi/THF、(CH32CuLI/Et2O等。

二价铬盐在DMF水溶液中与乙二胺配合,室温下与1,2-二卤化物反应,几乎定量地生成烯烃。例如:

二价钛和二价钒可以分别由四氯化钛和三氯化钒用氢化铝锂还原生成,用其进行1,2-二卤化物的脱卤素,可以高收率的得到烯烃。例如有机合成中间体1-辛烯的合成,1-辛烯为无色液体,常用作聚乙烯(PE)共聚单体及生产增塑剂、表面活性剂和合成润滑油的原料。

又如1,2-二苯乙烯的合成:

烃基锂、二烷基铜锂使1,2-二卤化物脱卤成烯的反应实例如下。

于液氨中用金属钠可以脱卤素生成烯。例如[Allred E L,Beck B R,Voorhees K J.J Org Chem,1974,39(10):1425]:

苯肼、CrCl2、DMF中的Na2S和LiAlH4也可以将1,2-卤化物脱除卤素生成烯。电化学诱导还原法也有报道。1,2-二卤代烷与In或Sm金属在甲醇中反应,与Grignard试剂和Ni(dppe)Cl2、与镍化合物与Bu3SnH,或与SmI2反应,都能生成烯烃。

该方法的另一用途是合成累积二烯。例如由X—C—CX2—C—X或X—C—CXC—体系合成丙二烯。丙二烯用其他方法难以合成。例如(H N Cripps and E F Kiefer.Organic Syntheses,Coll Vol 5:22):

该类反应的试剂很多,对于不同的试剂,已经提出了各种不同的机理,包括碳正离子、碳负离子、自由基机理、还有协同反应机理等。

对于试剂锌而言,有时是反式立体专一的,有时却又不是。

二、邻二卤代烃、偕二卤代物消除卤化氢生成烯(芳烃)

邻二卤代烃在碱性条件下发生消除反应,可以脱去卤化氢生成烯烃。根据卤代烃的结构不同,反应机理也可能不同。例如非去极化型神经肌肉阻断药潘库溴胺(Pancuronium bromide)、哌库溴胺(Pipecuronium bromide)等的中间体2-溴丙烯的合成。

2-溴丙烯(2-Bromopropene),C3H5Br,120.98。无色液体。bp 48~49℃/99.5 kPa。溶于乙醇、乙醚、氯仿、二氯甲烷等,不溶于水。

制法 孙昌俊,曹晓冉,王秀菊.药物合成反应——理论与实践.北京:化学工业出版社,2007:361.

于安有搅拌器、回流冷凝器、温度计的反应瓶中,加入500 mL 95%的乙醇,氢氧化钠40 g(1 mol),水浴加热搅拌至基本全溶。冷却后加入1,2-二溴丙烷(2)202 g(1 mol),水浴加热,保持回流状态。当反应液沸腾温度下降了3~4℃,维持1 h 不变,或反应液pH值降至6~7时,即为反应终点(约1.5 h)。蒸出沸点70℃以下的馏分,然后将馏出液分馏,收集40~50℃的馏分,得2-溴丙烯(1)65 g,收率54%。

又如抗炎药双氯芬酸钠(Diclofenac sodium)中间体N-苯基-2,6-二氯苯胺的合成。

N-苯基-2,6-二氯苯胺N-Phenyl-2,6-dichloroaniline),C12H9Cl2N,238.10。黄色结晶性粉末。mp 49.5~50.7℃。

制法 ①孙昌俊,曹晓冉,王秀菊.药物合成反应——理论与实践.北京:化学工业出版社,2007:355.②田俊波,周文辉.石家庄化工,2000,3:11.

N-苯基-2,2,6,6-四氯环己亚胺(3):于安有搅拌器、温度计的反应瓶中,加入2,2,6,6-四氯环己酮(2)100 g(0.424 mol),苯胺71 g(0.763 mol),冰醋酸200 mL,于45~50℃搅拌反应6 h。冷至室温后,慢慢倒入300 mL冰水中,分出油层。水层用甲苯提取(50 mL×3),合并油层与甲苯层,依次用饱和碳酸氢钠、饱和食盐水、水洗涤,无水硫酸钠干燥。减压回收溶剂,得褐色油状物,冷后固化。用甲醇重结晶,活性炭脱色,冷后析出黄色结晶。抽滤,干燥,得化合物(3)123 g,收率93.5%,mp 70~73℃。

N-苯基-2,6-二氯苯胺(1):于安有搅拌器、温度计的反应瓶中,加入上述化合物(3)100 g(0.322 mol),DMF 10 mL,于135~137℃搅拌反应0.5 h。冷至室温,加入甲苯300 mL,水150 mL,室温搅拌30 min。分出有机层,水层用甲苯提取,合并有机层,水洗至中性,无水硫酸钠干燥。减压蒸出溶剂,剩余物冷却后固化。用甲醇重结晶,活性炭脱色,冷后析出固体。过滤,干燥,得黄色结晶性粉末(1)74 g,收率96.5%,mp.51.5~53℃,文献值49.5~50.7℃。

又如有机合成、药物合成中间体2,3-二溴丙烯(10)的合成,(10)为重要的有机合成中间体。

1,2-二溴环己烷在异丙醇钠作用下很容易生成共轭二烯1,3-环己二烯(林原斌,刘展鹏,陈红飚.有机中间体的制备与合成.北京:科学出版社,2006:94.)。1,3-环己二烯为Diels-Alder反应中很有用的中间体。

如下偕二卤化物脱去卤化氢生成累积二烯类化合物(Skatteb L,Solomon S.Org Synth,1973,Coll Vol 5:306)。

上述反应提供了一种合成增加一个碳原子的环状二烯的方法。当然,由于累积二烯是直线型结构,所以,该方法更适合于大环化合物的合成。

三、邻二卤代物或偕二卤代物脱卤化氢生成炔

邻二卤代烷或偕二卤代烷在一定的条件下先脱去一分子卤化氢生成乙烯型卤代烃,后者必须在更强烈条件下(强碱、高温)才能再脱去另一分子卤化氢,生成炔。

邻二卤代物,偕二卤代物和卤乙烯衍生物脱卤化氢是制备炔烃的方法之一。卤化物的消除仍是反式消除较容易。所用的碱常是氢氧化钾的醇溶液或氨基钠。

第一步脱卤化氢较容易,但生成的乙烯基卤,由于卤原子与烯键形成p-π共轭体系,活性降低,所以第二步脱卤化氢应使用更强的碱,或更高的反应温度。使用氨基钠时,有利于生成端基炔。10-十一炔酸的合成如下(Furniss B S,Hannaford A J,Rogers V,et al.Vogel’s Textbook of Practical Chemistry. Longman London and New York.Fourth edition,1978:346):

氯代反丁烯二酸脱卤化氢生成丁炔二酸的速率比顺式异构体快48倍,表明反式消除比顺式消除容易得多。

丁炔二酸是医药中间体,为用于生产解毒药二巯基丁二酸钠(Sodium Dimercaptosucinate)的中间体。也可以用如下方法来合成。

丁炔二酸(But-2-ynedioic acid),C4H2O4,114.06。无色结晶,有强酸性。mp175~177℃。

制法 樊能廷.有机合成事典.北京:北京理工大学出版社,1992:572.

于安有搅拌器、回流冷凝器的2 L反应瓶中,加入氢氧化钾122 g(2.2 mol),95%的甲醇700 mL,搅拌使之溶解。慢慢加入αβ-二溴丁二酸(2)100 g(0.36 mol),加热回流1.5 h。冷却抽滤。滤饼用甲醇充分洗涤,干燥后得144~150 g混合盐。将混合盐溶于270 mL水中,加入由30 mL水和8 mL浓硫酸配成的稀酸,丁炔二酸单钾盐析出,放置过夜。抽滤,将酸式盐溶于60 mL浓硫酸与240 mL水配成的稀酸中,用乙醚提取(100 mL×5)。合并乙醚提取液,蒸去乙醚,得丁炔二酸水合物。于盛有浓硫酸的干燥器中真空干燥,得丁炔二酸(1)30~36 g,收率73%~88%,mp175~177℃。

重要的有机合成中间体苯乙炔的合成如下。

苯乙炔(Phenylacetylene),C8H6,102.14。无色液体。mp -44.8℃,bp 142.4℃,75℃/12 kPa,39℃/2 kPa。 0.9300, 1.5489.。与乙醇、乙醚等混溶,不溶于水。

制法

方法1 Furniss B S,Hannaford A J,Rogers V,et al.Vogel’s Textbook of Practical Chemistry.Longman London and New York.Fourth edition,1978:348.

αβ-二溴苯乙烷(3):于安有搅拌器、滴液漏斗的反应瓶中,加入新蒸馏的苯乙烯(2)208 g(2.0 mol),干燥的氯仿200 mL,冰水浴冷却。慢慢滴加320 g(103 mL,2.0 mol)干燥的溴溶于200 mL氯仿配成的溶液,滴加速度控制在滴进溴后由红色变为黄色。加完后继续搅拌反应20 min。水浴加热蒸出氯仿,得粗品αβ-二溴苯乙烷(3)510 g,收率97%。不必提纯直接用于下步反应。

苯乙炔(1):于安有搅拌器的5 L Dewar瓶中,加入液氨3 L,加入1.5 g硝酸铁,5 g除去表面氧化物的金属钠。2 min后,于30 min左右分批加入160 g金属钠(切成小块)。加完后放置,直至深蓝色的反应混合物变成浅灰色(约20 min)。慢慢滴加(2)510 g溶于1.5 L无水乙醚配成的溶液,约2 h加完。加完后放置4 h。加入180 g粉状的氯化铵以分解碱性物质,再加入500 mL乙醚,继续搅拌数分钟。将反应物倒出,使氨挥发。再加入乙醚。过滤,滤出的无机盐用乙醚洗涤,保存滤液。将滤出的无机盐溶于水,用乙醚提取。合并滤液与乙醚提取液,以稀硫酸洗涤,直至对刚果红试纸呈酸性,而后水洗,无水硫酸镁干燥。蒸出乙醚,分馏,收集142~143℃的馏分,得苯乙炔(1)156 g,收率79%。

方法2 孙昌俊,曹晓冉,王秀菊.药物合成反应——理论与实践.北京:化学工业出版社,2007:350.

β-溴代苯乙烯(4):于安有搅拌器的500 mL反应瓶中,加入肉桂酸(2)74 g(0.5 mol),氯仿300 mL,加热溶解。搅拌下冰水浴冷却,很快结晶析出。将80 g溴溶于50 mL氯仿的溶液分三次加入反应瓶中,剧烈搅拌并冷却。加完后于冰水浴中放置30 min。抽滤,得到2,3-二溴-3-苯基丙酸(3),mp 204℃(分解)。化合物(3)与750 mL 10%的碳酸钠水溶液一起加热回流。冷后分出有机层,水层用乙醚提取(100 mL×2),合并有机层与乙醚提取液,无水氯化钙干燥,蒸出乙醚,得β-溴代苯乙烯(4)约68 g。

苯乙炔(1):于安有蒸馏装置。滴液漏斗的500 mL反应瓶中,加入固体氢氧化钾100 g,加入约2 mL水。油浴加热至200℃,使碱熔融。滴加上面得到的β-溴代苯乙烯(4)到熔融的碱中,滴加速度约每秒1滴。苯乙炔蒸出,慢慢将浴温升至220℃,并保持在220℃左右滴加完毕。而后升温至230℃,直至无产物蒸出。分出上层馏出液,固体氢氧化钾干燥,并重新蒸馏,收集142~144℃的馏分,得苯乙炔(1)25 g,收率49%。

间氨基苯乙炔(11)是新型抗肿瘤药物盐酸厄洛替尼(Erlotinib hydrochloride)的关键中间体,其一条合成路线如下[张俊,李星,孙丽文,朱锦桃.中国医药工业杂志,2012,43(10):812]:

上述反应中,脱溴、脱羧反应生成(Z)-型异构体,反应的大致过程如下。

反应条件取决于二卤化物的结构。若卤原子和β-H都较活泼,可在较温和的条件下发生消除反应,相反,若卤原子和β-H的活性较差,则应在强碱存在下采用较高的反应温度进行消除反应。例如中枢兴奋药洛贝林(Lobeline)中间体(12)的合成,反应只需在氢氧化钾存在下于乙醇中回流即可得到相应的产物。

抗真菌药特比萘芬(Terbinafine)等的中间体叔丁基乙炔的合成如下。

叔丁基乙炔tert-Butylacetylene,3,3-Dimethyl-1-butyne),C6H10,82.15。无色液体,bp 37℃, 1.3751。溶于乙醇、乙醚、氯仿、乙酸乙酯,不溶于水。

制法 孙昌俊,曹晓冉,王秀菊.药物合成反应——理论与实践.北京:化学工业出版社,2007:352.

于安有搅拌器、滴液漏斗、冷凝器的反应瓶中(冷凝管中通入50℃的温水,上端安装蒸馏装置)加入氢氧化钾115 g(2 mol),DMSO 200 mL,油浴加热至140℃,搅拌下滴加1,1-二氯-3,3-二甲基丁烷(2)77.5 g(0.5 mol),约2 h加完,随时蒸出生成的产物。加完后再在140~170℃搅拌反应10 h,得粗产品32 g,蒸馏后得叔丁基乙炔(1)26 g,收率63.4%,bp 37℃, 1.3751。

品那酮用PCl5处理生成偕二氯化物,后者脱氯化氢也可以生成叔丁基乙炔。

酮与五氯化磷反应可以转化为偕二卤化物,后者在碱存在下可以生成炔,从而提供了由酮合成炔的一种方法。

新药开发中间体对氯苯乙炔(13)的合成方法如下:

又如抗艾滋病药物依法韦仑(Efavirenz)中间体环丙基乙炔的合成。

环丙基乙炔 (Cyclopropyl acetylene),C5H6,66.10。无色液体。bp 52~53℃。

制法 Winfrid Schoberth,Michael Hanack.Synthesis,1972:703.

1,1-二氯-1-环丙基乙烷(3):于反应瓶中加入甲基环丙基酮(2)37.2 g(0.443 mol),四氯化碳 350 mL,冷至5℃,加入五氯化磷104.1 g(0.5 mol),反应结束后,按照通常方法处理,减压蒸馏,收集52~53℃/6.30 kPa的馏分,得化合物(3)39.4 g,收率64%。

环丙基乙炔(1):于反应瓶中加入化合物(3)30.0 g(0.215 mol),二甲亚砜150 mL,于-80℃用叔丁醇钾49.5 g(0.555 mol)处理,得化合物(1),4.8 g,收率34%。

实验中发现,在高温下氢氧化钾会使链端的三键向中间转移:

因此,用氢氧化钾脱卤化氢的应用范围,一般限于制备非端基炔或不可能发生异构化的情况,而碱性更强的氨基钠,却使三键从链的中间移向链端。

因此,氨基钠是由相应的二卤代烷制备端基炔的常用试剂。

炔烃的异构化可能是经过累积二烯而进行的:

邻二卤代物可由相应的烯与卤素反应来得到。例如心脏病治疗药普尼拉明(Prenvlamine)、香料中间体苯丙炔酸的合成。

苯丙炔酸(Phenylpropiolic acid),C9H6O2,146.15。结晶性固体,mp 135~136℃。溶于乙醇,不溶于水。

制法 孙昌俊,曹晓冉,王秀菊.药物合成反应——理论与实践.北京:化学工业出版社,2007:352.

于安有搅拌器、回流冷凝器的反应瓶中,加入95%的乙醇1.2 L,氢氧化钾252 g(4.5 mol),搅拌溶解。冷至40~50℃,加入αβ-二溴-β-苯基丙酸乙酯(2)336 g(1 mol),反应平稳后,加热回流5 h。冷却,滤出沉淀(保留),滤液用浓盐酸调至中性,再滤出沉淀(保留),常压蒸馏回收乙醇。将剩余物与上面滤出的沉淀(3)合并,溶于800 mL水中,再加碎冰至约1.8 L。冰水浴中用20%的硫酸调至强酸性,析出淡棕色固体,抽滤,用2%的稀硫酸洗涤。将滤出的固体溶于1.5 L 5%的碳酸钠中,活性炭脱色,抽滤,冷后加碎冰200 g。用20%的硫酸调至强酸性,析出固体,抽滤,依次用2%的硫酸、水洗涤,真空干燥器中干燥,得苯丙炔酸(1)115 g,收率79%。用四氯化碳重结晶,得纯品70 g,mp.135~136℃。

又如苹婆酸、一些保健品、减肥药的中间体硬脂炔酸 [9-十八(碳)炔酸](14)的合成(Khan N A,Deatherage F E and Brown J B,Org Synth,1963,Coll Vol 4:851):

而对于αβ-不饱和羧酸来说,生成的αβ-二溴羧酸处于β-位的溴很容易脱去,同时失去二氧化碳,生成乙烯型溴化物,后者在氢氧化钾作用下再脱去溴化氢生成炔类化合物。

在氨基钠-液氨中,由苯乙烯制备的二溴苯乙烷脱溴化氢,可制备苯乙炔。

炔丙醛缩二乙醇是重要的有机合成中间体,在天然产物甾族化合物、杂环化合物的合成中有重要的用途。可以用如下方法来合成。该方法采用了相转移催化剂,避免了二溴化物消除成烯的副反应,而且相转移催化剂可以回收再利用。

炔丙醛缩二乙醇(Propiolaldehyole diethylacetal,3,3-Diethoxy-1-propyne),C7H12O,128.17。无色液体。bp 138~139℃,95~96℃/22.61 kPa。溶于乙醇、氯仿、丙酮、苯,不溶于水。

制法 Coq A L,Gorgues A.Org Synth,1988,Coll Vol 6:954.

2,3-二溴丙醛缩二乙醇(3):于安有搅拌器、温度计、滴液漏斗的反应瓶中,加入新蒸馏的丙烯醛(2)28 g(0.5 mol),冰盐浴冷至0℃,滴加溴80 g(0.5 mol),控制内温在0~5℃,约1 h加完。而后滴加新蒸馏的原甲酸三乙酯80 g(0.54 mol)与65 mL无水乙醇的混合液,约15 min加完。加完后于45℃反应3 h。减压浓缩,剩余物减压分馏,收集113~115℃/1.46 kPa 的馏分,得淡黄色液体2,3-二溴丙醛缩二乙醇(3)107~112 g,收率74%~77%。

炔丙醛缩二乙醇(1):于安有搅拌器、温度计、滴液漏斗的反应瓶中,加入四丁基硫酸氢铵100 g(0.3 mol),水20 mL,搅拌下加入上述二溴化物(3)29 g(0.1 mol)与75 mL戊烷的溶液,冷至10~15℃,滴加冷的60 g(1.5 mol)氢氧化钠溶于65 mL水的溶液,约10 min加完。加完后继续搅拌回流反应10~20 min.而后室温反应2 h。冷至5℃,搅拌下滴加120 mL冷至5℃以下的25%的硫酸。加完后停止搅拌,静置30 min。分出有机层,水层过滤除去硫酸钠后用戊烷提取3次。水层可回收催化剂(减压浓缩至干,再用乙酸乙酯重结晶)。合并有机层,无水硫酸钠干燥,浓缩,减压蒸馏,收集95~96℃/22.61 kPa的馏分,得炔丙醛缩二乙醇(1)7.8~8.6 g,收率61%~67%。

丙炔腈是急性白血病治疗药物阿糖胞苷(Cytarabine)、盐酸环胞苷(Cyclocytidine hydrochloride)等中间体,可以由丙烯腈的溴化、脱溴化氢来制备。由于分子中含有氰基,不能用碱进行消除,而是采用高温裂解的方法消除溴化氢。

丙炔腈(Cyanoacetylene,Propynonitrile),C3HN,51.05。无色液体。mp 5℃,bp 42.5℃。 0.8167,1.3868。与乙醇、乙醚等混溶,难溶于水。暴露于空气及遇光时易分解。

制法 孙昌俊,曹晓冉,王秀菊.药物合成反应——理论与实践.北京:化学工业出版社,2007:362.

αβ-二溴丙腈(3):于安有搅拌器、温度计、滴液漏斗的反应中,加入丙烯腈(2)100 g(1.89 mol),搅拌下冷却至15℃,用200W灯泡照射反应瓶,慢慢滴加溴素302 g。控制滴加速度使内温不超过30℃.加完后继续搅拌反应直至溴的颜色褪去为止。减压蒸馏,收集105~112℃/2.66 kPa的馏分,得αβ-二溴丙腈(3),收率85%。

丙炔腈(1):将硅碳管加热并调整至570℃,系统压力为2.67 kPa,接受器用干冰冷却至-50℃,慢慢滴加化合物(3)。经裂解生成溴化氢气体和丙炔腈。生成的丙炔腈在接受器中固化。将固化物于冷水浴融化后,减压蒸馏,收集42~45℃/2.67 kPa的馏分,得丙炔腈(1),收率50%。

丙炔腈也可通过丙炔醇氧化、肟化、脱水来制备,反应式如下。

乙烯型卤化物在氨基钠等强碱作用下,脱去卤化氢可生成炔烃:

1,1-二卤-1-烯烃可以由多种方法制得,与丁基锂反应,继而水解,可生成末端炔;若与氨基锂反应则得到1-卤-1-炔烃(E J Corey and P L Fuchs.Tetrahedron Lett,1972,36:3772)。

又如如下反应(Wang Z,Yin J G,Fortunak J M,et al.U S 6288297.2001):

1,1-二氯-1-烯烃用二乙基氨基锂处理,可以生成1-氯-1-炔。

如下反应则使用苄基三甲基氢氧化铵作碱性试剂,高收率地生成1-溴-1-炔。

若1,1-二卤-1-烯与2 mol的丁基锂反应,而后再与CO2反应,则可以生成2-炔酸。例如:

四、1,3-二卤化物脱卤素生成环丙烷衍生物

早在1882年,Freud用金属钠处理1,3-二溴丙烷,就得到了环丙烷。后来Gustavson使用锌并提高Freud法的反应温度,不仅收率提高,而且合成了带有取代基的环丙烷衍生物。该反应只适合于伯或仲卤代烷,不适于叔卤代烷。因为叔卤代烷容易发生消除反应。

后来,Bartleson发现,在低温条件下可以使用叔卤代烷,实现了锌存在下叔卤代烷合成有取代基的环丙烷衍生物。

Hass研究发现,在Gustavson法中,使用1,3-二溴化物与锌反应时,加入碘化钠,环丙烷的收率有很大提高。

金属镁也可用于该类反应。

1,3-二卤代物在Zn、Mg存在下脱去氯素生成环丙烷。例如:

例如有机合成中间体环丙基苯的合成。

环丙基苯(Cyclopropylbenzene,Phenylcyclopropane),C9H10,118.18。无色液体。bp 171~173℃, 1.5306。溶于苯、氯仿、乙酸乙酯,不溶于水。

制法 Thomas F C,Roger C H,et al.Org Synth,1973,Coll Vol 5:328.

αγ-二溴丙基苯(3):于安有搅拌器、回流冷凝器的5 L反应瓶中,加入1-溴-3-苯基丙烷(2)199 g(1.0 mol),NBS 187 g(1.05 mol),过氧化苯甲酰3 g,四氯化碳1.2 L。搅拌下加热回流,直至反应引发。注意反应引发后会剧烈反应,应事先准备好冰水浴,随时准备进行冷却,以防反应过于剧烈而冲料。剧烈反应过后,若仍有NBS存在,可继续回流反应直至无溴化氢逸出为止。冷却,抽滤,滤渣用四氯化碳充分洗涤。合并滤液和洗涤液。减压蒸出溶剂,得橙黄色液体αγ-二溴丙基苯(3),收率几乎100%。

环丙基苯(1):于安有搅拌器、温度计、回流冷凝器、滴液漏斗的反应瓶中,加入新蒸馏的DMF 500 mL,锌-铜齐131 g(2.0 mol),冰水浴冷至7℃,搅拌下滴加上述化合物(3),控制滴加速度,以保持反应液温度在7~9℃为宜。加完后继续反应30 min。将反应液倒入1 L水中,进行水蒸气蒸馏,直至无油状物为止,约收集馏出液1 L。将馏出液冷却,分出有机层。水层用乙醚提取三次。合并有机相,无水碳酸钠干燥,蒸出乙醚后,继续蒸馏,收集170~175℃的馏分,得环丙基苯(1)88~100 g,收率75%~85%。

环丙基溴(15)是合成喹诺酮类抗菌药环丙沙星(Ciprofloxacin)等的中间体,其一条合成路线就是采用这种方法,不过使用的碱是甲基锂。

1,1,2-三甲基环丙烷的合成如下。

采用类似的方法可以实现如下反应。

五、其他卤化物的消除反应

β-卤代醇在一些金属或金属盐的催化下可以消除次卤酸生成烯烃。其中β-碘代醇的收率较高。该反应的特点是反式消除(详见本书第三章第四节)。

与1,2-二卤代物与锌粉反应生成烯类化合物一样,1,1,2,2-四卤代二芳基乙烷在锌粉存在下加热,可以生成二芳基乙炔类化合物。

如下1,2-二氯代烯类化合物与锌粉反应也可以生成炔类化合物。

乙氧基乙炔是维生素A的重要中间体,可以用如下方法来合成。

乙氧基乙炔(Ethoxyacetylene),C4H6O,70.09。无色液体。bp 49~51℃/99.62 kPa。

制法 林原斌,刘展鹏,陈红飚.有机中间体的制备与合成.北京:科学出版社,2006:106.

于反应瓶中加入液氨500 mL,水合硝酸铁0.5 g,而后加入新切成小块的金属钠38 g(1.65 mol)。待金属钠反应完后,滴加氯乙醛缩二乙醇(2)76.5 g(0.502 mol),约20 min加完。氮气气氛下将氨挥发。冷至-70℃,剧烈搅拌下,一次加入冷至-20℃的饱和氯化铵溶液325 mL。蒸馏,接受瓶用干冰冷却。接受液用饱和磷酸二氢钠中和,水层用干冰浴冷冻成冰,倒出有机层,无水氯化钙干燥。过滤,蒸馏,收集49~51℃/99.62 kPa的馏分,得化合物(1)20~21.2 g,收率56%~61%。

卤代亚烃基丙二酸发生脱羧脱卤消除反应,可以生成αβ-炔酸。例如治疗艾滋病药物依法韦仑(Efavirenz)的中间体环丙基丙炔酸(16)的合成。

三氯氧磷也可以将酮羰基转化为乙烯基氯化物,后者脱氯化氢生成炔。例如降血脂药匹伐他汀钙(Pitavastatin calcium)的重要中间体环丙基炔丙酸乙酯的合成。

环丙基丙炔酸乙酯(Ethyl cyclopropylpropiolate),C8H10O2,138.16。无色液体。bp 87~95℃/1.33 kPa。

制法 ①Osmo H.Org Synth,1993,Coll Vol 8:247.②林原斌,刘展鹏,陈红飙.有机中间体的制备与合成.北京:科学出版社,2006:111.

2-氯-2-环丙基乙烯-1,1-二甲酸二乙酯(3):于安有搅拌器、回流冷凝器、滴液漏斗的反应瓶中,加入环丙酰基丙二酸二乙酯(2)166 g(0.76 mol),三氯氧磷500 g,水浴冷却,慢慢滴加三丁胺135 g(0.73 mol),注意反应放热。加完后加热至110℃搅拌反应5~6 h。减压蒸出三氯氧磷。剩余物冷后加入无水乙醚300 mL,再加入己烷直至出现两相。于分液漏斗中剧烈摇动,分出上层清液,下层用乙醚提取三次。合并乙醚层,依次用冷的10%的盐酸300 mL、5%的氢氧化钠溶液200 mL洗涤,蒸出乙醚,得化合物(3)136~156 g,收率70%~87%。直接用于下一反应。

2-氯-2-环丙基乙烯-1,1-二甲酸单乙酯(4):于安有磁力搅拌的反应瓶中,加入上述化合物(3)及95%的乙醇100 mL,搅拌下滴加由29.4 g(0.52 mol)氢氧化钾与350 mL 95%的乙醇配成的溶液。加完后继续搅拌反应3 h,直至pH7~8。减压浓缩。加入360 mL水溶解,乙醚提取(乙醚层弃去)。水层加入碎冰200 g,盐酸酸化。乙醚提取3次,每次用乙醚约300 mL。合并乙醚层,无水硫酸钠干燥,蒸出乙醚,得粗品(4)72~74 g,收率70%~80%。不必提纯直接用于下一步反应。

环丙基炔丙酸乙酯(1):于安有磁力搅拌的反应瓶中,加入上述化合物(4)90 g,三乙胺63 mL,甲苯200 mL,油浴加热搅拌反应至90℃,约需24 h,直至无二氧化碳放出为止。冷至室温,依次用10%的盐酸300 mL、5%的碳酸钠溶液300 mL洗涤,无水硫酸钠干燥。减压浓缩后,减压分馏,收集87~95℃/1.33 kPa的馏分,得环丙基炔丙酸乙酯(1)30~46 g,收率66%~78%。总收率33%~54%。

β-氯代醚特别是2-氯甲基四氢呋喃和2-氯甲基四氢吡喃是很容易得到的原料,它们用强碱处理可以得到用其他方法难以得到的炔醇类化合物。详见本书第四章第二节。