Pd(OAc)2/TBAB催化鹵代芳烴與末端炔烴的Sonogashira交叉偶聯(lián)反應(yīng)研究

陶李明， 劉文奇， 周 蕓

(湘南學(xué)院 化學(xué)與生命科學(xué)系，湖南 郴州 423000)

芳炔和共軛烯炔是合成天然產(chǎn)物、生物活性分子和有機(jī)分子材料的重要前體，鈀催化sp2型碳鹵化物與末端炔烴之間的Sonogashira交聯(lián)偶聯(lián)反應(yīng)是合成芳炔和共軛烯炔常用的方法之一[1～6]。該反應(yīng)常需要加入膦配體穩(wěn)定鈀催化劑以及碘化亞銅促進(jìn)反應(yīng)的進(jìn)行，并在過(guò)量的胺中進(jìn)行反應(yīng)。但大多數(shù)膦配體對(duì)空氣和水敏感，碘化亞銅用作助催化劑的同時(shí)又促使末端炔烴自身Glaser偶聯(lián)反應(yīng)的發(fā)生，加大副反應(yīng)的程度導(dǎo)致成本提高。因此，研究無(wú)銅、無(wú)配體的催化劑對(duì)Sonogashira交聯(lián)偶聯(lián)反應(yīng)具有重要意義。

本文報(bào)道一種無(wú)銅[7～10]、無(wú)配體[11]、水系[12，13]下，可回收利用的催化體系[Pd(OAc)2/TBAB(四丁基溴化銨)]催化鹵代芳烴(1a～1d或2a～2d)與末端炔烴(3a～3c)的Sonogashira反應(yīng)方法，合成了一系列偶聯(lián)產(chǎn)物(4a～4h和5a～5c， Scheme 1)，其結(jié)構(gòu)經(jīng)1H NMR和13C NMR表征。研究了Pd(OAc)2/TBAB的重復(fù)回收使用情況。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1．1 儀器與試劑

Varian-400型或Bruker DPX-300型核磁共振儀(CDCl3為溶劑)。所用試劑均為分析純。

(or

Scheme1

1．2 合成

在25 mL的Schlenk反應(yīng)瓶中加入1(或2)0.50 mmol， 3 0.60 mmol， Pd(OAc)23 mol%， Cs2CO32 eq， TBAB 1.5 g和H2O 15 mg，氬氣氛中于120 ℃左右反應(yīng)(TLC跟蹤)。用乙醚(3×10 mL)萃取，合并有機(jī)相，減壓濃縮，粗品經(jīng)硅膠柱層析[洗脫劑：V(正己烷) ∶V(乙酸乙脂)=1 ∶4]純化得4。

苯基對(duì)甲氧基苯基乙炔(4a)： 白色固體；1H NMRδ: 7.52～7.51(m, 2H), 7.48(d,J=9.0 Hz, 2H), 7.34～7.32(m, 3H), 6.88(d,J=8.8 Hz, 2H), 3.83(s, 3H);13C NMRδ: 159.6, 133.0, 131.4, 128.3, 127.9, 123.6, 115.4, 114.0, 89.4, 88.1, 55.3。

苯基對(duì)硝基苯基乙炔(4b)： 黃色固體；1H NMRδ: 8.21(d,J=8.8 Hz, 2H), 7.65(d,J=8.8 Hz, 2H), 7.58～7.54(m, 2H), 7.40～7.38(m, 3H);13C NMRδ: 141.3, 132.6, 132.2, 130.6, 129.6, 128.8, 124.0, 122.5, 95.0, 87.9。

苯基對(duì)甲苯基乙炔(4c)： 白色固體；1H NMRδ: 7.54～7.50(m, 2H), 7.43(d,J=8.1 Hz, 2H), 7.35～7.31(m, 3H), 7.15(d,J=7.8 Hz, 2H), 2.36(s, 3H);13C NMRδ: 138.7, 132.9, 131.9, 129.6, 129.5, 128.8, 128.7, 128.4, 89.1, 83.4, 21.9。

二苯基乙炔(4d)： 白色固體；1H NMRδ: 7.60～7.51(m, 4H), 7.39～7.26(m, 6H);13C NMRδ: 132.0, 128.7, 128.6, 123.7, 89.7。

正辛基對(duì)甲氧基苯基乙炔(4e)： 白色固體；1H NMRδ: 7.33(d,J=8.8 Hz, 2H), 6.81(d,J=8.8 Hz, 2H), 3.80(s, 3H), 2.38(t,J=7.6 Hz, 2H), 1.61～1.57(m, 2H), 1.45～1.40(m, 2H), 1.31～1.24(m, 8H), 0.88(t,J=6.4 Hz, 3H);13C NMRδ:158.9, 132.8, 116.1, 113.7, 88.8, 80.1, 55.2, 31.8, 29.2, 29.1, 28.9, 28.8, 22.7, 19.4, 14.1。

正辛基對(duì)硝基苯基乙炔(4f)： 黃色固體；1H NMRδ: 8.15(d,J=8.8 Hz, 2H), 7.51(d,J=8.8 Hz, 2H), 2.44(t,J=7.2 Hz, 2H), 1.74～1.59(m, 2H), 1.47～1.43(m, 2H), 1.31～1.26(m, 8H), 0.89(t,J=7.2 Hz, 3H);13C NMRδ: 132.6, 131.6, 123.8, 118.5, 97.2, 79.6, 32.2, 29.5, 29.4, 29.3, 28.7, 23.0, 19.9, 14.4。

正辛基對(duì)甲苯基乙炔(4g)： 白色固體；1H NMRδ: 7.28(d,J=8.0 Hz, 2H), 7.08(d,J=8.0 Hz, 2H), 2.38(t,J=7.2 Hz, 2H), 2.32(s, 3H), 1.61～1.55(m, 2H), 1.46～1.42(m, 2H), 1.31～1.29(m, 8H), 0.89(t,J=7.2 Hz, 3H);13C NMRδ: 137.4, 131.4, 128.9, 121.0, 89.6, 80.6, 31.9, 29.2, 29.1, 28.9, 28.8, 23.7, 21.4, 18.4, 14.1。

3-對(duì)硝基苯基-2-丙炔-1-醇(4h)： 黃色固體；1H NMRδ: 8.19(d,J=8.8 Hz, 2H), 7.58(d,J=8.8 Hz, 2H), 4.54(s, 2H);13C NMRδ: 147.3, 132.4, 129.4, 123.6, 92.5, 83.8, 51.5。

2 結(jié)果與討論

2.1 Sonogashira交叉偶聯(lián)反應(yīng)條件選擇

以對(duì)甲氧基碘苯(1a)與苯乙炔(3a)反應(yīng)合成4a為模板，尋找Sonogashira交叉偶聯(lián)反應(yīng)的最佳反應(yīng)條件，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。由表1可見(jiàn)，1a與3a在Pd(OAc)2和Cs2CO3的催化作用下，反應(yīng)中不加水，只加TBAB，雖然可以發(fā)生Sonogashira交叉偶聯(lián)反應(yīng)，但產(chǎn)物3a的產(chǎn)率很低(Entry 1)；增加水的用量，產(chǎn)率相應(yīng)升高，當(dāng)水的用量增加到1wt%時(shí)，反應(yīng)5 h產(chǎn)率可提高到93%(Entry 3)；繼續(xù)增加水的用量，產(chǎn)率末見(jiàn)升高反而有略下降(Entry 4)，說(shuō)明水的用量對(duì)反應(yīng)有較大的影響。

表1 對(duì)甲氧基碘苯與苯乙炔的Sonogashira交叉偶聯(lián)反應(yīng)aTable 1 Sonogashira cross-couplings reaction of 1-iodo-4-methoxybenzene with 1-ethynylbenzene

a1a0.5 mmol, 3a0.6 mmol, Pd 3 mol%, base 2 eq, TBAB 1.5 g， H2O 5 mg, 1wt%， at 120 ℃ in Ar;bno water;cwater 0.5wt%;dwater 1.5wt%;eno TBAB;fTBAB 1 g;gTBAB 2 g;hPPh36 mol%;i115 ℃;j125 ℃

TBAB作為相轉(zhuǎn)移催化劑，促進(jìn)了有機(jī)反應(yīng)物之間的互溶，同時(shí)還起著穩(wěn)定和提高鈀催化活性的作用[14]，使反應(yīng)朝著預(yù)定的方向進(jìn)行。由表1還可見(jiàn)，反應(yīng)中如果沒(méi)有TBAB的參與，反應(yīng)不理想(Entry 5)，隨著TBAB用量的增加，反應(yīng)時(shí)間縮短，產(chǎn)率升高(Entry 6)，當(dāng)TBAB的用量為1.5 g時(shí)，反應(yīng)最佳(Entry 3)，繼續(xù)增加TBAB的用量，產(chǎn)率未見(jiàn)明顯變化(Entry 7)。

在TBAB/H2O中，分別以Pd(OAc)2， Pd/C， PdCl2， Pd(dba)2和PdCl2(PPh3)2等為催化劑，考察其催化活性，結(jié)果(表1)表明，Pd(OAc)2是最有效的催化劑，反應(yīng)只需5 h產(chǎn)率可達(dá)到93%(Entry 3， Entry 8～Entry 11)，其他催化劑的催化效果均不及Pd(OAc)2。堿對(duì)該反應(yīng)影響也比較大(Entry 12～Entry 15)，在Pd(OAc)2和TBAB/H2O的作用下，反應(yīng)中以Cs2CO3為堿比K2CO3， NaOAc， Na3PO4和NEt3為堿表現(xiàn)出更明顯的優(yōu)勢(shì)，并且在Cs2CO3以2 eq于1a的量時(shí)反應(yīng)達(dá)到最優(yōu)(Entry 3)。此外，相同的條件下，在反應(yīng)中添加PPh3配體，但配體的加入對(duì)反應(yīng)無(wú)明顯作用(Entry 16)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在TBAB(1.5 g)/H2O(1wt%)體系中，Pd(OAc)2/Cs2CO3是最佳的催化組合。

反應(yīng)溫度較低時(shí)反應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)，轉(zhuǎn)化率也相對(duì)較低，該反應(yīng)比較適宜的反應(yīng)溫度120 ℃左右(Entry 3, Entry 17～Entry 18)。

綜上所述，1a與3a反應(yīng)合成4a的最佳Sonogashira交叉偶聯(lián)反應(yīng)條件為：1a0.5 mmol，3a0.6 mmol， Pd(OAc)23 mol%， Cs2CO32 eq， TBAB 1.5 g， H2O 15 mg，氬氣氛中于120 ℃反應(yīng)。

2.2 其它底物的反應(yīng)結(jié)果

表2 在最優(yōu)反應(yīng)條件下的擴(kuò)展底物的實(shí)驗(yàn)結(jié)果*Table 2 Substrate survey experimental results under optimal reaction conditions

*10.5 mmol，30.6 mmol， Pd(OAc)23 mol%， Cs2CO32 eq， TBAB 1.5 g， H2O 1wt%，氬氣氛中于120 ℃反應(yīng)；括號(hào)內(nèi)數(shù)據(jù)為3a分別與2a～2c反應(yīng)的結(jié)果

根據(jù)1a與3a反應(yīng)合成4a的反應(yīng)結(jié)果，在最優(yōu)化的條件下對(duì)其它鹵代芳烴與末端炔烴進(jìn)行反應(yīng)，結(jié)果見(jiàn)表2。由表2可見(jiàn)，在TBAB/H2O體系中，在Pd(OAc)2/Cs2CO3的催化作用下，許多鹵代芳烴與末端炔烴都能順利地反應(yīng)并得到中等到高產(chǎn)率的相應(yīng)的Sonogashira交叉偶聯(lián)反應(yīng)產(chǎn)物。其中碘代芳烴的芳環(huán)上所連的基團(tuán)不論是斥電子基團(tuán)還是吸電子基團(tuán)，都能與末端炔烴反應(yīng)得到高產(chǎn)率的產(chǎn)物(4b～4h)；溴代芳烴與末端炔烴也可以反應(yīng)得到相應(yīng)的中等產(chǎn)率的產(chǎn)物(括號(hào)內(nèi)數(shù)據(jù))。

2.3 催化體系重復(fù)使用研究

分別以1a,1c與3a反應(yīng)為模型，考察催化體系的重復(fù)使用效果[第一次反應(yīng)完成后，用乙醚萃取產(chǎn)物，將含有Pd(OAc)2和TBAB的混合物在真空中冷卻濃縮凝固，再加上相同量的反應(yīng)底物和Cs2CO3進(jìn)行下一輪的反應(yīng)]，結(jié)果見(jiàn)表3。從表3可見(jiàn)，經(jīng)過(guò)三次循環(huán)使用后，催化劑仍然有很高的催化活性，而且在反應(yīng)后幾乎觀察不到有鈀黑的生成，可見(jiàn)在該反應(yīng)體系中，催化劑能夠穩(wěn)定存在，可分離并回收使用。

表3 催化體系的重復(fù)使用*Table 3 Reusable of Pd(OAc)2/TBAB system

*反應(yīng)條件同表2；分離產(chǎn)率

3 結(jié)論

研究了無(wú)銅、無(wú)配體、可回收利用的催化體系[Pd(OAc)2-Ce2CO3-TBAB-H2O]催化鹵代芳烴與末端炔烴的Sonogashira交叉偶聯(lián)反應(yīng)，高產(chǎn)率地合成了一系列偶聯(lián)產(chǎn)物。催化實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該催化體系可回收重復(fù)使用3次，催化活性基本不變。

[1] Cheng J, Sun Y, Wang F,etal. A Copper- and amine-free Sonogashira reaction employing aminophosphines as ligands[J].J Org Chem，2004,69(16):5428-5432.

[2] Feuerstein M, Doucet H, Santelli M. Sonogashira cross-coupling reactions with heteroaryl halides in the presence of a tetraphosphine-palladium catalyst[J].Tetrahedron Lett，2005,46(10):1717-1720.

[3] Son S U， Jang Y， Park J，etal. Designed synthesis of atom-economical Pd/Ni bimetallic nanoparticle-based catalysts for Sonogashira coupling reactions[J].J Am Chem Soc，2004,126(16):5026-5027.

[4] Li J H， Liang Y， Xie Y X． Efficient palladium-catalyzed homocoupling reaction and Sonogashira cross-coupling reaction of terminal alkynes under aerobic conditions[J].J Org Chem，2005,70(11):4393-4396.

[5] Jiang H F， Tang J Y， Wang A Z，etal． Cu(Ⅱ)-promoted oxidative homocoupling reaction of terminal alkynes in supercritical carbon dioxide[J].Synthesis,2006,7:1155-1161.

[6] Guo S M, Deng C L, Li J H. Cu(OAc)2catalyzed Sonogashira cross-coupling reaction in amines[J].Chinese Chemical Letters，2007,18:13-16.

[7] Liang Y, Xie Y X, Li J H. Modified palladium-catalyzed Sonogashira cross-coupling reactions under copper-,amine-,and solvent-free conditions[J].J Org Chem，2006,71(1):379-381.

[8] Liang B, Dai M, Chen J,etal. Copper-free Sonogashira coupling reaction with PdCl2in water under aerobic conditions[J].J Org Chem，2005,70(1)：391-393.

[9] Chenyi Y, Ruimao H. Efficient copper-free PdCl2(PCy3)2-catalyzed Sonogashira coupling of aryl chlorides with terminal alkynes[J].J Org. Chem,2006,71(6):2535-2537.

[10] Li J H, Zhang X D, Xie Y X. Efficient and copper-free Pd(OAc)2/DABCO-catalyzed Sonogashira cross-coupling reaction[J]. Synthesis，2005,5:804-808.

[11] Jiang J Z, Cai C. Copper- and ligand-free Sonogashira reaction catalyzed by palladium in microemulsion[J].Journal of Colloid and Interface Science,2007,307(1):300-303.

[12] Jiang J Z, Cai C. Pd/C catalyzed Sonogashira coupling reaction of phenylacetylene in TX10 microemulsion[J].Colloids and Surfaces A:Physicochem Eng Aspects,2006,287(1-3):212-216.

[13] Bhattacharya S, Sengupta S. Palladium catalyzed alkynylation of aryl halides(Sonogashira reaction) in water[J].Tetrahedron Letters,2004,45(47):8733-8736.

[14] Chapoy A, Anderson R, Tohidi B. Low-pressure molecular hydrogen storage in semi-clathrate hydrates of quaternary ammonium compounds[J].J Am Chem Soc，2007,129(4):746-747.