【CEM微波合成应用】苯并菲啶的合成——利用微波辐射提高反应收率

微波辐射（MWI）在有机合成中得到了广泛的应用。它最显著的特点是能够加速化学反应并提高产物收率。当微波辐射在与传统加热方法相同的条件下（相同的温度、时间和压力）实现这些增益时，这尤其引人注目。微波加热与传统加热方法的不同之处在于，它从内部向外加热，而不是像热方法那样从外部向内加热。因此，微波辐射能够直接激活前体分子，因为微波的介电能量能够比传统加热方法更快地传递给任何极性或离子物种。这种快速的能量交换导致反应速率更快，通常可以获得更高的收率和更纯的产品。

CEM公司的Discover?微波合成仪（如图1所示）被北卡罗来纳州立大学的Alexander Deiters教授及其团队用于通过二炔和炔烃之间的[2+2+2]环三聚反应合成苯并菲啶衍生物。苯并菲啶结构存在于许多生物活性分子中，并且作为抗癌和抗菌剂或商业核酸染色剂具有应用价值。选择Discover用于此应用是因为它能够进行开放式（常压）和密封式反应。开放式选项允许进行放大实验，使用标准圆底烧瓶（最高可达125毫升），并且在反应过程中可以直接接触样品。

图1 CEM Discover微波合成仪开放式结构

利用这种方法合成苯并菲啶的一般合成路线如图2所示。环三聚反应在热条件下进行；然而，微波辐射显著提高了这一步的收率。在不同的反应条件下和不同的浓度下，对Rh、Ni、Co和Ru有机金属催化剂进行了筛选，直到找到最佳条件。环三聚反应后用硝酸铈铵氧化得到了相应的苯并菲啶结构。

末端二炔（R1、R2 = H）与表1中所示的单取代和双取代炔烃发生反应。催化剂筛选结果显示，威尔金森催化剂（10 mol%）获得了最高收率。反应在Discover微波或油浴中进行，内部温度为130°C。反应7-9在开放式容器（通常称为回流微波反应）中进行，温度为110°C。在微波辐射下，与单取代炔烃的苯并菲啶衍生物合成进行得很顺利，如实验1和3所示。在10分钟内获得了91%和87%的收率，而传统加热在10分钟内仅获得了34%的收率。为了确保传统反应的内部温度为130°C，与微波反应一致，油浴温度保持在150°C。

对称的双取代炔烃导致收率降低，因为这些炔烃的反应性较低，导致形成了二炔二聚体和三聚体，而不是期望的产品。Deiters教授及其团队通过在开放式容器中进行反应解决了这个问题。在110°C时，通过注射泵将炔烃缓慢加入到二炔-甲苯-催化剂混合物中。与密封容器反应（实验4-6）相比，结果收率几乎翻了一番（实验7-9）。

通过切换到体积更大的催化剂并增加R2和R3取代基的立体效应来实现区域控制，如表2所示。增加R2的体积显著提高了区域选择性，但降低了收率（比较实验1-5和实验4-7），即使在更高的反应温度下也是如此。增加R3的体积只会降低收率；它不影响区域选择性。

例如，将R3的体积从Bu增加到t-BuOTBS，收率从91%降至78%，同时保持相同的区域控制4:1。当使用传统加热时，收率显著降低，如实验2和6所示。在实验6中，传统加热方法下反应甚至没有发生。

图2. 苯并菲啶结构的一般合成

表1. 末端二炔与单取代和双取代炔烃合成苯并菲啶

图3. 使用威尔金森催化剂合成苯并菲啶衍生物

表2. 功能化苯并菲啶的区域控制合成

1. Kappe, C. O.; Stadler, A. Microwaves in Organic and Medicinal Chemistry. Wiley-VCH, Weinheim, 2005.

2. Appukkuttan, P.; Van der Eycken, E. Eur. J. Org. Chem. 2008, 1133 – 1155.

3. Kappe, C. O. Chem. Soc. Rev. 2008, 37, 1127 – 1139.

4. Hull, K. L.; Anani W. Q.; Sanford, M. S. J. Am. Chem. Soc. 2006, 128, 7134 – 7135.

5. Wunderlich, S.; Knochel, P. Org. Lett. 2008, 10, 4075 – 4077.

6. Thanh, G. V.; Loupy, A. Tetrahedron Lett. 2003, 44, 9091 – 9094.

7. Sripada, L.; Teske, J. A.; Deiters, A. Org. Biomol. Chem. 2008, 6, 263 – 265. DOI: 10.1039/b716519f.