本發(fā)明涉及化學(xué)合成，具體涉及一種芳環(huán)氫氘交換反應(yīng)催化體系、氘代芳烴的制備方法。

背景技術(shù)：

1、氘是一種廉價、非放射性的氫同位素，在有機分子中，碳-氘鍵比相應(yīng)的碳-氫鍵鍵能更強，更難斷裂?；谶@一原理，利用碳-氘鍵替代相應(yīng)的碳-氫鍵，可以顯著提高相應(yīng)的有機分子的物理、化學(xué)及代謝穩(wěn)定性，因而在藥物及材料開發(fā)中有著廣泛的應(yīng)用。氘代化合物的制備方法，是當前的一個熱點研究領(lǐng)域。

2、氘代芳烴是一類重要的氘代有機分子，在醫(yī)藥及材料領(lǐng)域有很多應(yīng)用。目前制備氘代芳烴的最重要方法是芳烴的氫同位素交換反應(yīng)(hie反應(yīng))，其主要過程是在一個氘代溶劑中使芳烴中的芳環(huán)c-h鍵與氘代溶劑中的氘源在催化劑作用下發(fā)生氫氘交換反應(yīng)，實現(xiàn)芳烴的氘代。按照所采用的催化劑種類，可分為質(zhì)子酸催化劑，超親電試劑催化劑、堿催化劑，和過渡金屬催化劑。所采用的氘代溶劑包括酸性氘代溶劑，如氘代硫酸、氘代三氟乙酸等，和中性氘代溶劑，如氘水、氘代甲醇、氘代苯等。盡管已經(jīng)有了很大的進展，但當前采用芳環(huán)的氫同位素交換反應(yīng)制備氘代芳烴仍存在很多的困難：

3、1)當采用質(zhì)子酸催化條件時，催化效率較低，通常需要較高當量的催化劑，并且對吸電子取代的芳烴如鹵代芳烴的氘代效果不佳；

4、2)當采用超親電試劑及過渡金屬作為催化劑時，存在催化劑合成困難，成本較高的問題；

5、3)堿催化條件下，芳環(huán)位阻較大的位點例如甲基取代基的鄰位芳環(huán)c-h鍵難以被氘代，因而對包含烷基取代的芳烴底物不能制備芳環(huán)上全氘代的芳烴。

6、綜上所述，本領(lǐng)域迫切需要開發(fā)一種能夠高效實現(xiàn)對位阻芳烴和鹵代芳烴進行芳環(huán)全氘代的具有新活化機理的hie催化體系。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、為了克服當前采用芳環(huán)的氫同位素交換反應(yīng)制備氘代芳烴中的困難中的至少一種，本發(fā)明提供一種芳環(huán)氫氘交換反應(yīng)催化體系、氘代芳烴的制備方法。

2、發(fā)明人通過對反應(yīng)機理進行詳細的研究，首次發(fā)現(xiàn)弱配陰離子(高氯酸根)配位的三價鐵離子在弱配位的氘代三氟乙酸溶劑中可以對芳烴的芳環(huán)c-h鍵進行高效活化，得到芳基鐵中間體，隨后c-fe鍵發(fā)生質(zhì)解，得到芳烴氘代產(chǎn)物。這是首次觀察到三價鐵離子對芳環(huán)的直接親電取代。

3、在本發(fā)明之前前人所做的研究中，雖然也有在氘代三氟乙酸中添加近乎當量的金屬鹽進行芳烴氘代的報道，但前人的認知是反應(yīng)是一個金屬離子作為路易斯酸誘導(dǎo)產(chǎn)生質(zhì)子，隨后質(zhì)子促進的芳烴的氫氘交換過程，這一機理本質(zhì)上還是一個傳統(tǒng)的質(zhì)子酸促進的芳環(huán)hie反應(yīng)，與本發(fā)明所涉及的活化機理完全不同。按照本發(fā)明的原理，并結(jié)合發(fā)明人的大量實驗結(jié)果，最佳催化劑是弱配陰離子配位的高氯酸鐵水合物，這一催化體系在之前的芳環(huán)氫氘交換反應(yīng)中并未被報道。

4、本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)：

5、本發(fā)明目的之一在于一種芳環(huán)氫氘交換反應(yīng)催化體系，包括：

6、芳烴；

7、氘代三氟乙酸；以及

8、高氯酸鐵水合物，結(jié)構(gòu)式為fe(clo4)3·xh2o，其中x＝1-9；

9、其中，高氯酸根配位的三價鐵離子在弱配位的氘代三氟乙酸中對芳烴的芳環(huán)c-h鍵進行高效活化，得到芳基鐵中間體，隨后c-fe鍵發(fā)生質(zhì)解，得到芳烴氘代產(chǎn)物。

10、進一步地，所述芳烴選自甲苯、乙基苯、丙基苯、異丁基苯、鄰二甲苯、間二甲苯、對二甲苯、1-乙基-2甲基苯、1-乙基-4甲基苯、1,3-二乙基苯、1,4-二乙基苯、均三甲苯、1,2,4-三甲基苯、1,2,3,4-四甲基苯、1,2,4,5-四甲基苯、1,2,3,4,5-五甲基苯、1-氟-3,5-二甲基苯、1-氯-3,5-二甲基苯、1-溴-3,5-二甲基苯、2-氟-1,3-二甲基苯、2-氯-1,3-二甲基苯、2-溴-1,3-二甲基苯、2-氟-1,4-二甲基苯、2-氯-1,4-二甲基苯、2-溴-1,4-二甲基苯、4-氟-1,2-二甲基苯、1-氯-2,3-二甲基苯、4-溴-1,2-二甲基苯、1-氯-2,3-二甲基苯、1-溴-2,3-二甲基苯、1-氯-2,4-二甲基苯、1-溴-2,4-二甲基苯、2-氟-1,3,5-三甲基苯、2-氯-1,3,5-三甲基苯、2-溴-1,3,5-三甲基苯、1-溴-2,4,5-三甲基苯、2-溴-1,3-二異丙基苯、2-溴-1,3,5-三異丙基苯、3,3',5,5'-四甲基聯(lián)苯、3,3',4,4'-四甲基聯(lián)苯、2,2',5,5'-六甲基聯(lián)苯、2,2',4,4',6,6'-六甲基聯(lián)苯、1,2-二苯基乙烷、1,2-對二甲苯基乙烷、2,2-二苯基丙烷和2,2-雙(3,4-二甲苯基)六氟丙烷中的任意一種。

11、將上述所述芳烴化合物依次以a1-a46進行編號，結(jié)構(gòu)式如下所示：

12、

13、進一步地，所述高氯酸鐵水合物用量相對于所述芳烴為0.10-0.50當量。

14、更進一步地，所述高氯酸鐵水合物用量相對于所述芳烴優(yōu)選為0.1-0.2當量。

15、進一步地，所述氘代三氟乙酸與所述芳烴底物的摩爾比為(20:1)-(200:1)。

16、更進一步地，所述氘代三氟乙酸與所述芳烴底物的摩爾比優(yōu)選為(50:1)-(100:1)。

17、本發(fā)明目的之二在于一種氘代芳烴的制備方法，該制備方法基于如上所述的催化體系，該制備方法包括如下步驟：向芳烴與氘代三氟乙酸的混合體系中加入高氯酸鐵水合物，反應(yīng)后分離，得到氘代芳烴。

18、進一步地，所述反應(yīng)的反應(yīng)溫度為0℃-80℃，反應(yīng)時間為0.5h-48h。

19、更進一步地，所述反應(yīng)的反應(yīng)溫度優(yōu)選為70℃。

20、進一步地，所述分離步驟具體為：反應(yīng)結(jié)束后用二氯甲烷萃取反應(yīng)液，將有機相旋干，進行硅膠柱層析，使用正戊烷和二氯甲烷梯度淋洗，分離得到氘代芳烴。

21、本發(fā)明具有以下有益效果：

22、(1)本發(fā)明采用廉價易得的三價鐵催化劑通過一個全新的活化機理實現(xiàn)了芳烴的芳環(huán)全氘代，反應(yīng)操作簡便，催化劑廉價易得，氘代效率高。本發(fā)明突破了傳統(tǒng)的質(zhì)子酸催化的芳烴氫氘交換反應(yīng)中難以適用于吸電子鹵代芳烴的局限，傳統(tǒng)堿催化反應(yīng)中烷基取代芳烴難以全氘代的局限，以及超親電試劑及過渡金屬配合物催化的芳烴氘代方法中催化劑合成困難、制備成本高的局限，可以以相對低廉的成本高效率制備一系列傳統(tǒng)方法難以制備的芳環(huán)全氘代的烷基取代及鹵代芳烴。

23、(2)基于本發(fā)明的制備方法所制備的多種氘代芳烴在有機化學(xué)研究、醫(yī)藥及材料開發(fā)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用價值。

技術(shù)特征：

1.一種芳環(huán)氫氘交換反應(yīng)催化體系，其特征在于，包括：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種芳環(huán)氫氘交換反應(yīng)催化體系,其特征在于，所述芳烴選自甲苯、乙基苯、丙基苯、異丁基苯、鄰二甲苯、間二甲苯、對二甲苯、1-乙基-2甲基苯、1-乙基-4甲基苯、1,3-二乙基苯、1,4-二乙基苯、均三甲苯、1,2,4-三甲基苯、1,2,3,4-四甲基苯、1,2,4,5-四甲基苯、1,2,3,4,5-五甲基苯、1-氟-3,5-二甲基苯、1-氯-3,5-二甲基苯、1-溴-3,5-二甲基苯、2-氟-1,3-二甲基苯、2-氯-1,3-二甲基苯、2-溴-1,3-二甲基苯、2-氟-1,4-二甲基苯、2-氯-1,4-二甲基苯、2-溴-1,4-二甲基苯、4-氟-1,2-二甲基苯、1-氯-2,3-二甲基苯、4-溴-1,2-二甲基苯、1-氯-2,3-二甲基苯、1-溴-2,3-二甲基苯、1-氯-2,4-二甲基苯、1-溴-2,4-二甲基苯、2-氟-1,3,5-三甲基苯、2-氯-1,3,5-三甲基苯、2-溴-1,3,5-三甲基苯、1-溴-2,4,5-三甲基苯、2-溴-1,3-二異丙基苯、2-溴-1,3,5-三異丙基苯、3,3',5,5'-四甲基聯(lián)苯、3,3',4,4'-四甲基聯(lián)苯、2,2',5,5'-六甲基聯(lián)苯、2,2',4,4',6,6'-六甲基聯(lián)苯、1,2-二苯基乙烷、1,2-對二甲苯基乙烷、2,2-二苯基丙烷和2,2-雙(3,4-二甲苯基)六氟丙烷中的任意一種。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種芳環(huán)氫氘交換反應(yīng)催化體系，其特征在于，所述高氯酸鐵水合物用量相對于所述芳烴為0.10-0.50當量。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種芳環(huán)氫氘交換反應(yīng)催化體系，其特征在于，所述高氯酸鐵水合物用量相對于所述芳烴為0.1-0.2當量。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種芳環(huán)氫氘交換反應(yīng)催化體系，其特征在于，所述氘代三氟乙酸與所述芳烴底物的摩爾比為(20:1)-(200:1)。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種芳環(huán)氫氘交換反應(yīng)催化體系，其特征在于，所述氘代三氟乙酸與所述芳烴底物的摩爾比為(50:1)-(100:1)。

7.一種氘代芳烴的制備方法，其特征在于，該制備方法基于如權(quán)利要求1-6任一項所述的催化體系；

8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種氘代芳烴的制備方法，其特征在于，所述反應(yīng)的反應(yīng)溫度為0℃-80℃，反應(yīng)時間為0.5h-48h。

9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種氘代芳烴的制備方法，其特征在于，所述反應(yīng)的反應(yīng)溫度為70℃。

10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種氘代芳烴的制備方法，其特征在于，所述分離步驟具體為：反應(yīng)結(jié)束后用二氯甲烷萃取反應(yīng)液，將有機相旋干，進行硅膠柱層析，使用正戊烷和二氯甲烷梯度淋洗，分離得到氘代芳烴。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明涉及一種芳環(huán)氫氘交換反應(yīng)催化體系、氘代芳烴的制備方法，屬于化學(xué)合成技術(shù)領(lǐng)域，該芳環(huán)氫氘交換反應(yīng)催化體系包括芳烴、氘代三氟乙酸和高氯酸鐵水合物，所述高氯酸鐵水合物的結(jié)構(gòu)式為Fe(ClO4)3·xH2O，其中x＝1?9；高氯酸根配位的三價鐵離子在弱配位的氘代三氟乙酸中對芳烴的芳環(huán)C?H鍵進行活化，得到芳基鐵中間體，隨后C?Fe鍵發(fā)生質(zhì)解，得到芳烴氘代產(chǎn)物。本發(fā)明采用廉價易得的三價鐵催化劑通過一個全新的活化機理實現(xiàn)芳烴的芳環(huán)全氘代，反應(yīng)操作簡便，催化劑廉價易得，氘代效率高，可以相對低廉的成本高效率制備一系列傳統(tǒng)方法難以制備的芳環(huán)全氘代的烷基取代及鹵代芳烴；其所制備的多種氘代芳烴在有機化學(xué)研究、醫(yī)藥及材料開發(fā)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用價值。

技術(shù)研發(fā)人員：唐宇,俞飚,鄭昌
受保護的技術(shù)使用者：國科大杭州高等研究院
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/2