一种苯并噻吩的合成方法

1.本发明属于精细化学品制备技术领域，更具体地，涉及一种苯并噻吩的合成方法。


背景技术：

2.苯并噻吩由于具有特殊的共轭结构和独特的药理和生物活性，在农药、医药和材料等领域有着广泛应用，在工业上可作为染料、有机发光半导体等。现在工业上合成苯并噻吩主要包含以下三种方法：(1)在高温(475℃)下，以cro3为氧化剂、al2o3为催化剂催化2-乙基苯硫酚分子内环化合成；(2)以乙苯、硫化氢为原料，经气相高温反应制得；(3)硫酚和乙炔在高温下制备。
3.因为苯并噻吩具有较大市场规模，且目前合成方法大多具有能耗高、产物选择性差等不足，国内外针对苯并噻吩的合成研究从未停止。如greensfelde报道了一种以硫化铁与三氧化二铝为催化剂，于600℃条件下催化硫化氢与苯乙烯合成苯并噻吩的方法，苯乙烯转化率为60％，但该方法采用的反应条件苛刻(j.am.chem.soc.1947,69,2008
–
2009)。中国发明专利cn 111423409 a描述了一种以氯乙醛、硫酚为原料，经亲核取代、分子内脱水环化反应制备苯并噻吩的方法；但该方法需多步合成，且反应的后处理复杂。arasambattu等在氮气保护条件下，在均相体系中，以三氟甲烷磺酸为催化剂，以2,5-二甲氧基四氢呋喃和噻吩为原料，于二氯甲烷溶剂中,在冰浴条件下反应合成得到苯并噻吩，产率为82％(org.lett.2014,16,2720
–
2723)；该反应原料廉价易得，由于反应进行是在均相条件下，三氟甲烷磺酸催化剂溶于反应混合液中，反应过于剧烈，因此不得不使用冰浴降温。而且反应完毕后三氟甲烷磺酸催化剂不能回收。另外，三氟甲烷磺酸价格为4500元/公斤(chemical book)，远超产物价格。因此该方法在工业界应用尚不具备现实条件。
4.综上所述，目前工业界仍然需要一种操作简单、条件温和、适宜工业化生产的苯并噻吩合成方法。


技术实现要素：

5.针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明的目的在于提供一种苯并噻吩的合成方法，其中通过使用磺酸功能化离子液体作为催化剂，反应进行在离子液体-有机两相环境下，以噻吩和2,5-二甲氧基四氢呋喃为原料，经一步反应制备得到苯并噻吩，且离子液体催化剂能够重复使用。与传统的苯并噻吩制备方法相比，本发明合成方法具有操作简单、催化剂易于回收、可重复使用等优点。并且，本发明还通过对反应条件(如温度、催化剂比例、时间等)进行进一步的优选设置，能够进一步确保产率。
6.为实现上述目的，按照本发明，提供了一种苯并噻吩的合成方法，其特征在于，该方法是以离子液体作为催化剂，在保护气氛条件下，将离子液体、噻吩、2,5-二甲氧基四氢呋喃三者混合后进行搅拌反应，从而合成得到苯并噻吩；其中，所述噻吩与所述2,5-二甲氧基四氢呋喃的摩尔比为1～1.5：1；
7.并且，所述离子液体具有如式il i、式il ii或il iii所示的化学结构：
[0008][0009]
式il i、式il ii、式il iii中，n为1或2，y为三氟甲磺酸根、对甲苯磺酸根中的一种。
[0010]
作为本发明的进一步优选，所述离子液体具体为[prso3hmim]otf(1-(3-磺酸丙基)-3-甲基咪唑三氟甲烷磺酸盐)、[bso3hmim]otf(1-(4-磺酸丁基)-3-甲基咪唑三氟甲烷磺酸盐)、[bso3hpy]otf(n-(4-磺酸丁基)吡啶三氟甲烷磺酸盐)、[bso3hmim]ots(1-(4-磺酸丁基)-3-甲基咪唑对甲苯磺酸盐)、[p
4443
so3h]otf(1-(3-磺酸丙基)-三丁基膦三氟甲烷磺酸盐)、[p
4444
so3h]otf(1-(3-磺酸丁基)-三丁基膦三氟甲烷磺酸盐)的至少一种；它们的化学结构式分别如下所示：
[0011][0012]
作为本发明的进一步优选，在反应结束后，还向反应液体系中加入萃取剂萃取分离，分别收集上层有机相和下层液体；其中，所述萃取剂为正己烷或乙酸乙酯中的至少一种；
[0013]
所述下层液体干燥后即为回收后的离子液体，该回收后的离子液体能够作为催化剂循环用于合成苯并噻吩。
[0014]
作为本发明的进一步优选，所述上层有机相合并浓缩后，通过先常压蒸馏、再减压蒸馏分离即可得到目标产物苯并噻吩。
[0015]
作为本发明的进一步优选，所述离子液体与2,5-二甲氧基四氢呋喃的摩尔比为0.2：1～1：1。
[0016]
作为本发明的进一步优选，所述搅拌反应是在20℃到80℃的温度条件下进行的，反应时间为4
–
8小时。
[0017]
作为本发明的进一步优选，所述搅拌反应是在室温条件下进行的。
[0018]
作为本发明的进一步优选，所述保护气氛为氮气或惰性气体。
[0019]
通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，本发明在保护气氛的条件下，利用如式il i、il ii或il iii所示的离子液体催化噻吩、2,5-二甲氧基四氢呋喃进行反应，合成得到苯并噻吩；反应结束后，反应体系中的离子液体可通过简单的分离萃取进行回收，并用于下一次的合成反应。
[0020]
相较于现有技术中arasambattu报道的方法，本发明苯并噻吩的制备方法使用磺
酸功能化离子液体取代三氟甲烷磺酸作为催化剂。由于2,5-二甲氧基四氢呋喃与噻吩混合物与离子液体不混溶，反应进行在由离子液体与有机混合物构成的液-液两相条件下。受益于液-液两相条件下反应原料与酸性离子液体催化剂的有限接触，均相条件下过快的反应速率得以被抑制，因此无需使用冰浴，在20℃到80℃的温度条件下即可高选择性地生成目标产物苯并噻吩。该催化体系在提高苯并噻吩产率的同时，也确保离子液体催化剂可重复使用。
[0021]
与现有苯并噻吩的工业合成方法相比，本发明方法制备苯并噻吩无需使用大量的有机溶剂，反应进行在离子液体-有机两相环境中，具有反应过程操作简单、条件温和、产物苯并噻吩选择性高、分离纯化容易等优点。
[0022]
综上，本发明方法以磺酸功能化离子液体作为催化剂，与当前工业上普遍采用的乙基苯硫酚分子内环化或苯乙烯与硫化氢反应制备苯并噻吩的方法相比，本发明具有原料廉价易得、合成操作简单、催化剂可循环使用、产物分离容易等优点。
附图说明
[0023]
图1是本发明实施例中苯并噻吩制备的流程示意图。
具体实施方式
[0024]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0025]
实施例1：
[0026]
本发明实施例的制备方法：氮气保护条件下，取2,5-二甲氧基四氢呋喃1.33g(10.0mmol)，噻吩0.84g(10.0mmol),[prso3hmim]otf 3.54g(10.0mmol；购自中国科学院兰州化学物理研究所)混合后于室温(25℃)下搅拌反应4小时。反应完毕后，反应液以正己烷萃取，有机相合并浓缩，经常压、减压蒸馏(1.0mpa，85℃)得到苯并噻吩1.00g(总收率75％)。
[0027]
实施例2：
[0028]
本发明实施例的制备方法：氮气保护条件下，取2,5-二甲氧基四氢呋喃1.33g(10mmol)，噻吩0.84g(10mmol),[bso3hmim]otf 3.68g(10mmol；cas号：657414-80-7，购自中国科学院兰州化学物理研究所)混合后于室温(25℃)下搅拌反应4小时。反应完毕，静置反应液，正己烷萃取有机相浓缩，经常压、减压蒸馏(1.0mpa，85℃)得到苯并噻吩0.94g(总收率70％)。
[0029]
实施例3：
[0030]
本发明实施例的制备方法：氮气保护条件下，取2,5-二甲氧基四氢呋喃1.33g(10.0mmol)，噻吩0.84g(10.0mmol)，[bso3hpy]otf 3.64g(10.0mmol；cas号：855785-75-0，购自中国科学院兰州化学物理研究所)混合后于室温(25℃)下搅拌反应4小时。反应完毕后，反应液以乙酸乙酯萃取。有机相合并浓缩后经常压、减压蒸馏(1.0mpa，85℃)得到苯并噻吩0.74g(总收率55％)。
[0031]
实施例4：
[0032]
本发明实施例的制备方法：氮气保护条件下，取2,5-二甲氧基四氢呋喃1.33g(10.0mmol)，噻吩0.84g(10.0mmol),[bso3hmim]ots 3.91g(10.0mmol；cas号：410522-18-8，购自中国科学院兰州化学物理研究所)混合后于60℃下搅拌反应8小时。反应完毕后，以正己烷萃取。有机相合并浓缩后，经常压、减压蒸馏(1.0mpa，85℃)得苯并噻吩0.13g(总收率10％)。
[0033]
实施例5：
[0034]
本发明实施例的制备方法：氮气保护条件下，取2,5-二甲氧基四氢呋喃1.99g(15.0mmol)，噻吩0.84g(10.0mmol),[prso3hmim]otf 3.54g(10.0mmol；购自中国科学院兰州化学物理研究所)混合后，混合液于室温(25℃)下搅拌反应4小时。反应完毕后，以乙酸乙酯萃取。有机相合并后，经常压、减压蒸馏(1.0mpa，85℃)得苯并噻吩0.74g(总收率55％)。
[0035]
实施例6：
[0036]
本发明实施例的制备方法：氮气保护条件下，取2,5-二甲氧基四氢呋喃1.99g(10.0mmol)，噻吩1.26g(15.0mmol),[prso3hmim]otf 3.54g(10.0mmol；购自中国科学院兰州化学物理研究所)混合后，反应液于室温(25℃)下搅拌4小时。反应完毕后，以正己烷萃取。有机相合并后，经常压、减压蒸馏(1.0mpa，85℃)得苯并噻吩0.87g(总收率65％)。
[0037]
实施例7
–
9：
[0038]
与实施例1相似，实施例7
–
9是以离子液体[prso3hmim]otf(购自中国科学院兰州化学物理研究所)为催化剂，采用不同温度进行合成反应(除温度外的其它反应条件均与实施例1保持一致)，合成反应结果如表1所示。
[0039]
表1实施例7
–
9的反应条件和反应结果
[0040][0041]
实施例10
–
11：
[0042]
与实施例1相似，实施例10
–
11是以离子液体[prso3hmim]otf(购自中国科学院兰州化学物理研究所)为催化剂，采用不同催化剂添加比例进行合成反应(除催化剂添加比例外的其它反应条件均与实施例1保持一致)，合成反应结果如表2所示。
[0043]
表2实施例10
–
11的反应条件和反应结果
[0044][0045]
实施例12
–
13：
[0046]
与实施例1相似，实施例12
–
13是以离子液体[prso3hmim]otf(购自中国科学院兰州化学物理研究所)为催化剂，采用不同反应时间进行合成反应(除反应时间外的其它反应条件均与实施例1保持一致)，合成反应结果如表3所示。
[0047]
表3实施例12
–
14的反应条件和反应结果
[0048][0049]
实施例14
–
18
[0050]
实施例14
–
18是以实施例1中回收干燥的离子液体[prso3hmim]otf为催化剂(真空干燥2h)，将催化剂循环使用、进行合成反应(具体反应条件与实施例1相同)，从而探讨催化剂循环性能。结果如表4所示，从中可知，该离子液体催化剂可以重复使用至少5次且产物产率没有明显损失。
[0051]
表4实施例15
–
19的反应条件和反应结果
[0052][0053][0054]
实施例19
[0055]
本发明实施例的制备方法：氮气保护条件下，取2,5-二甲氧基四氢呋喃1.33g(10.0mmol)，噻吩0.84g(10.0mmol),[p
4443
so3h]otf 4.86g(10.0mmol；自制，自制方法参照：“control of phase separation behaviour of ionic liquid catalysts with reactants/products toward synthesis of long-chain wax esters at moderate temperatures”，chem.eng.2019,4,627-633)混合后于室温(25℃)下搅拌反应4小时。反应完毕后，反应液以正己烷萃取，有机相合并浓缩，经常压、减压蒸馏(1.0mpa，85℃)得到苯并噻吩0.60g(总收率45％)。
[0056]
实施例20
[0057]
本发明实施例的制备方法：氮气保护条件下，取2,5-二甲氧基四氢呋喃1.33g(10.0mmol)，噻吩0.84g(10.0mmol),[p
4444
so3h]otf 5.12g(10.0mmol；自制，自制方法参照：“control of phase separation behaviour of ionic liquid catalysts with reactants/products toward synthesis of long-chain wax esters at moderate temperatures”，chem.eng.2019,4,627-633)混合后于室温(25℃)下搅拌反应4小时。反应
完毕后，反应液以正己烷萃取，有机相合并浓缩，经常压、减压蒸馏(1.0mpa，85℃)得到苯并噻吩0.53g(总收率40％)。
[0058]
上述实施例仅为示例，例如，除了采用氮气作为保护气氛外，也可以采用其它惰性气体作为保护气体(如氩气)。
[0059]
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种苯并噻吩的合成方法，其特征在于，该方法是以离子液体作为催化剂，在保护气氛条件下，将离子液体、噻吩、2,5-二甲氧基四氢呋喃三者混合后进行搅拌反应，从而合成得到苯并噻吩；其中，所述噻吩与所述2,5-二甲氧基四氢呋喃的摩尔比为1～1.5：1；并且，所述离子液体具有如式il i、式il ii或il iii所示的化学结构：式il i、式il ii、式il iii中，n为1或2，y为三氟甲磺酸根、对甲苯磺酸根中的一种。2.如权利要求1所述苯并噻吩的合成方法，其特征在于，所述离子液体具体为[prso3hmim]otf(1-(3-磺酸丙基)-3-甲基咪唑三氟甲烷磺酸盐)、[bso3hmim]otf(1-(4-磺酸丁基)-3-甲基咪唑三氟甲烷磺酸盐)、[bso3hpy]otf(n-(4-磺酸丁基)吡啶三氟甲烷磺酸盐)、[bso3hmim]ots(1-(4-磺酸丁基)-3-甲基咪唑对甲苯磺酸盐)、[p
4443
so3h]otf(1-(3-磺酸丙基)-三丁基膦三氟甲烷磺酸盐)、[p
4444
so3h]otf(1-(3-磺酸丁基)-三丁基膦三氟甲烷磺酸盐)的至少一种；它们的化学结构式分别如下所示：3.如权利要求1所述苯并噻吩的合成方法，其特征在于，在反应结束后，还向反应液体系中加入萃取剂萃取分离，分别收集上层有机相和下层液体；其中，所述萃取剂为正己烷或乙酸乙酯中的至少一种；所述下层液体干燥后即为回收后的离子液体，该回收后的离子液体能够作为催化剂循环用于合成苯并噻吩。4.如权利要求3所述苯并噻吩的合成方法，其特征在于，所述上层有机相合并浓缩后，通过先常压蒸馏、再减压蒸馏分离即可得到目标产物苯并噻吩。5.如权利要求1所述苯并噻吩的合成方法，其特征在于，所述离子液体与2,5-二甲氧基四氢呋喃的摩尔比为0.2：1～1：1。6.如权利要求1所述苯并噻吩的合成方法，其特征在于，所述搅拌反应是在20℃到80℃的温度条件下进行的，反应时间为4
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8小时。7.如权利要求6所述苯并噻吩的合成方法，其特征在于，所述搅拌反应是在室温条件下进行的。8.如权利要求1所述苯并噻吩的合成方法，其特征在于，所述保护气氛为氮气或惰性气体。

技术总结
本发明属于精细化学品制备技术领域，公开了一种苯并噻吩的合成方法，该方法是以离子液体作为催化剂，在保护气氛条件下，将离子液体、噻吩、2,5-二甲氧基四氢呋喃三者混合后进行搅拌反应，从而合成得到苯并噻吩；其中，所述离子液体具有如式IL I、IL II或IL III所示的化学结构。本发明通过使用磺酸功能化离子液体作为催化剂，反应进行在离子液体-有机两相环境下，以噻吩和2,5-二甲氧基四氢呋喃为原料，经一步反应制备得到苯并噻吩，离子液体可重复使用。与传统的苯并噻吩制备方法相比，本发明合成方法具有操作简单、催化剂易于回收、可重复使用等优点。等优点。等优点。等优点。


技术研发人员：李明浩 徐彩霞 顾彦龙 白荣献
受保护的技术使用者：华中科技大学
技术研发日：2022.02.21
技术公布日：2022/5/25