銠（Ⅰ）催化芳基三氟硼酸鉀與芳基羧酸酐偶聯(lián)反應(yīng)的研究

伊 澤，伊茂聰，王建輝

（天津大學(xué)理學(xué)院，天津300072）

在天然產(chǎn)物和藥物化合物的合成中，芳酮類的中間體以及最終產(chǎn)物占據(jù)著重要的作用。酮的傳統(tǒng)合成方法常用Friedel－Crafts?；磻?yīng)，即酰氯或酸酐與苯環(huán)進(jìn)行?；磻?yīng)［1－3］。這種方法存在一些缺陷，如劇烈的反應(yīng)條件、低的區(qū)域選擇性和大量的副產(chǎn)品。有文獻(xiàn)［4，5］報(bào)道通過芳基三氟硼酸鉀可制備芳酮，但研究大多集中在鈀或銠催化苯甲酰甲酸或苯甲醛與芳基三氟硼酸鉀的交叉偶聯(lián)反應(yīng)，其它反應(yīng)的研究較少。芳基三氟硼酸鉀是非常穩(wěn)定且無毒的化合物，容易制備、分離，對濕氣和水相對穩(wěn)定，可容忍許多敏感的官能團(tuán)［6］。在過去的幾十年中，已有很多利用金屬催化合成芳酮的文獻(xiàn)報(bào)道［7－9］。然而，這些反應(yīng)必須在惰性氣氛下進(jìn)行且收率較低。作者參照文獻(xiàn)［10－13］方法，以芳基三氟硼酸鉀為底物，以RhCl（PPh3）3／CuI為催化體系合成芳酮，反應(yīng)不需惰性氣氛，開發(fā)了一種新穎、方便的芳酮制備方法。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 試劑與儀器

芳基硼酸、KHF2、RuCl3·3H2O、三苯基膦，Alfa Aesar A Johnson Matthey Company；芳基甲酸、氯化亞砜、三乙胺、四氫呋喃，分析純，天津江天化工技術(shù)有限公司。

X－4型顯微熔點(diǎn)測定儀，北京泰克公司；Perkin－Elmer 1600FTIR型傅立葉紅外光譜儀（KBr壓片法）；Bruker－400型核磁共振儀（TMS為內(nèi)標(biāo)），瑞士布魯克公司；Thermo Trace DSQ氣相色譜－質(zhì)譜聯(lián)用儀，美國熱電公司；FA1004型電子分析天平，上海上平儀器有限公司。

1.2 方法

芳基三氟硼酸鉀和芳基羧酸酐按文獻(xiàn)［14－16］方法制備，RhCl（PPh3）3按文獻(xiàn)［17］方法制備。

以苯基三氟硼酸鉀和苯甲酸酐反應(yīng)生成苯甲酮為模型反應(yīng)，其合成路線如下：

在帶有磁力攪拌棒的5mL的史萊克瓶中，加入苯甲酸酐、PhBF3K、K2CO3、CuI、RhCl（PPh3）3、二甲苯。在120℃下攪拌反應(yīng)2h后，TLC檢測，反應(yīng)完成后，將混合物用5mL水驟冷，用乙酸乙酯（3×10.0 mL）萃取。合并有機(jī)層，用硫酸鎂干燥，用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀蒸除溶劑后，用硅膠柱（乙酸乙酯∶己烷＝1∶20）分離提純，真空干燥，得白色固體二苯甲酮，產(chǎn)率95%，m.p.：47～48℃；IR（KBr），ν，cm－1：1075.04，996.93，917.12，764.21，635.24；1HNMR（400MHz，CDCl3），δ：7.80（d，J＝7.3Hz，4H），7.57（d，J＝7.3Hz，2H），7.48（t，J＝7.6Hz，4H）；13CNMR（100MHz，CDCl3），δ：196.7，137.5，132.4，130.0，128.25。

2 結(jié)果與討論

2.1 溶劑、反應(yīng)溫度和反應(yīng)時(shí)間對反應(yīng)產(chǎn)率的影響（表1）

表1 溶劑、反應(yīng)溫度和反應(yīng)時(shí)間對反應(yīng)產(chǎn)率的影響Tab.1 The effect of solvent，reaction temperature and reaction time on the yield

由表1可知，溶劑對反應(yīng)產(chǎn)率的影響較大，在60℃下反應(yīng)12h，以四氫呋喃、NMP、甲苯、二甲苯、二氧六環(huán)為溶劑（表1中1、4、7、8、10）可獲得較高的產(chǎn)率，其中二甲苯的產(chǎn)率最高，為85%；而其它溶劑（表1中2、3、5、6、9）的產(chǎn)率并不高。由表1還可知，升高反應(yīng)溫度，產(chǎn)率提高；當(dāng)反應(yīng)溫度升高至120℃反應(yīng)2h，以二甲苯、NMP為溶劑（表1中15、16）的產(chǎn)率可達(dá)95%、85%；而在60℃或90℃反應(yīng)2h，以二甲苯為溶劑的產(chǎn)率為58%、68%（表1中17、18）；當(dāng)反應(yīng)溫度為90℃時(shí)，必須反應(yīng)6h，才可以獲得較高的產(chǎn)率（表1中11、14）。因此，確定最佳反應(yīng)溫度為120℃、溶劑為二甲苯、反應(yīng)時(shí)間為2h。

2.2 堿、催化劑和添加劑對反應(yīng)產(chǎn)率的影響（表2）

由表2可知，當(dāng)催化劑為單一RhCl（PPh3）3時(shí)，產(chǎn)率很低，＜5%（表2中1）；添加堿（K2CO3）后，產(chǎn)率仍然不高，只有13%（表2中2）；而繼續(xù)添加CuI，即采用1.0%RhCl（PPh3）3、CuI（1.0eq）和K2CO3（2.0 eq）組合催化劑，產(chǎn)率可達(dá)95%（表2中6）；更換不同的堿（三乙胺、甲醇鈉、磷酸鉀、碳酸銫、叔丁醇鉀、磷酸氫二鉀、硫酸鉀、碳酸鈉、碳酸氫鈉和醋酸鉀）（表2中3～5、7～13），并不能進(jìn)一步提高產(chǎn)率；當(dāng)用［Rh（COD）Cl］2和RhCl3·3H2O代替RhCl（PPh3）3（表2中14、15）時(shí)，其它反應(yīng)條件不變，產(chǎn)率為86%和48%；當(dāng)用碘化鉀或氰化亞銅作為添加劑（表2中16、17）時(shí)，產(chǎn)率只有17%和15%；其它反應(yīng)條件相同，不加催化劑RhCl（PPh3）3時(shí)（表2中18），產(chǎn)率只有18%；降低催化劑RhCl（PPh3）3的用量時(shí)，產(chǎn)率也明顯下降（表2中19～21）。因此，確定最佳的反應(yīng)條件為：苯基三氟硼酸鉀（2.0eq），苯甲酸酐（1.0eq），K2CO3（2.0eq），催化劑1.0%（mol），碘化亞銅（1.0eq），溶劑二甲苯1.5mL，反應(yīng)溫度120℃，反應(yīng)時(shí)間2h。

表2 堿、催化劑和添加劑對反應(yīng)產(chǎn)率的影響Tab.2 The effect of bases，catalysts and additives on the yield

2.3 反應(yīng)物的空間位阻和電子效應(yīng)對反應(yīng)產(chǎn)率的影響

以不同的芳基三氟硼酸鉀取代1.2模型反應(yīng)中的苯基三氟硼酸鉀，考察反應(yīng)物空間位阻和電子效應(yīng)對反應(yīng)產(chǎn)率的影響，結(jié)果見表3。

表3 空間位阻和電子效應(yīng)對反應(yīng)產(chǎn)率的影響Tab.3 The effect of steric and electronic effects on the yield

由表3可知，無論是供電子基團(tuán)還是吸電子基團(tuán)取代的芳基三氟硼酸鉀，均不影響其與苯甲酸酐的催化偶聯(lián)反應(yīng)，可得到較高的產(chǎn)率，＞86%（表3中1～5）；當(dāng)芳香環(huán)具有鄰位的取代基時(shí)，反應(yīng)受到空間位阻的影響，但仍然可得72%以上的產(chǎn)率（表3中6、7）；然而，當(dāng)反應(yīng)溫度降低到60℃時(shí)，空間位阻和強(qiáng)吸電子取代基影響顯著，產(chǎn)率明顯下降（表3中4b～7b），這表明升高反應(yīng)溫度可以削弱空間位阻和強(qiáng)吸電子取代基團(tuán)對反應(yīng)的負(fù)面影響，同時(shí)可以縮短反應(yīng)時(shí)間。

2.4 不同的芳基羧酸酐對反應(yīng)產(chǎn)率的影響

以不同的芳基羧酸酐取代1.2模型反應(yīng)中的苯甲酸酐，考察不同的芳基羧酸酐對反應(yīng)產(chǎn)率的影響，結(jié)果見表4。

表4 不同的芳基羧酸酐對反應(yīng)產(chǎn)率的影響Tab.4 The effect of different aryl carboxylic anhydrides on the yield

由表4可知，苯甲酸酐和苯基三氟硼酸鉀反應(yīng)，得到較高的產(chǎn)率（表4中1）；鄰位有取代基的芳基甲酸酐則得到較低的產(chǎn)率（表4中2、3），表明這些反應(yīng)對空間位阻是敏感的；在芳香環(huán)對位有取代基的苯甲酸酐，不論是供電子基團(tuán)或吸電子基團(tuán)，都可得到高產(chǎn)率（表4中4～7），此外，在同樣條件下，脂肪族羧酸酐不反應(yīng)（表4中8），不能得到相應(yīng)的酮。

3 結(jié)論

芳基三氟硼酸鉀作為有機(jī)硼化合物，可與芳基羧酸酐在銠（Ⅰ）催化劑的作用下發(fā)生交叉偶聯(lián)反應(yīng)，在較短的反應(yīng)時(shí)間得到相應(yīng)的芳酮。催化體系可應(yīng)用于供電子基團(tuán)和吸電子基團(tuán)取代的芳基三氟硼酸鉀和芳基羧酸酐反應(yīng)生成相應(yīng)的芳酮，并且在低催化劑量時(shí)得到良好的產(chǎn)率；然而具有空間位阻基團(tuán)取代的芳基三氟硼酸鉀和芳基羧酸酐反應(yīng)的產(chǎn)率較低。

［1］武銳，林強(qiáng)，丁貽祥.負(fù)載FeCl3的皂土催化合成二芳基酮［J］.有機(jī)化學(xué)，2000，20（5）：802－804.

［2］Gmouh S，Yang H，Vaultier M.Activation of bismuth（Ⅲ）derivatives in ionic liquids：Novel and recyclable catalytic systems for Friedel－Crafts acylation of aromatic compounds［J］.Org Lett，2003，5（13）：2219－2222.

［3］Fillion E，F(xiàn)ishlock D，Wilsily A，et al.Meldrum′s acids as acylating agents in the catalytic intramolecular Friedel－Crafts reaction［J］.J Org Chem，2005，70（4）：1316－1327.

［4］Li M Z，Wang C，Ge H.Pd（Ⅱ）－Catalyzed decarboxylative crosscoupling of potassium aryltrifluoroborates withα－oxocarboxylic acids at room temperature［J］.Org Lett，2011，13（8）：2062－2064.

［5］Pucheault M，Darses S，Genet J.Direct access to ketones from aldehydes via rhodium－catalyzed cross－coupling reaction with potassium trifluoro（organo）borates［J］.J Am Chem Soc，2004，126（47）：15356－15357.

［6］Xia M，Chen Z C.Palladium－catalyzed carbonylative coupling of iodonium salts and potassium aryltrifluoroborates by carbon mon－oxide［J］.J Chem Research，1999，1999（8）：400－401.

［7］Wang D H，Zhang Z G.Palladium－catalyzed cross－coupling reactions of carboxylic anhydrides with organozinc reagents［J］.Org Lett，2003，5（24）：4645－4648.

［8］Yu A，Shen L，Cui X L，et al.Palladacycle－catalyzed cross－coupling reactions of arylboronic acids with carboxylic anhydrides or acylchlorides［J］.Tetrahedron，2012，68（10）：2283－2288.

［9］Gooben L J，Paetzolda J.New synthesis of biaryls via Rh－catalyzed decarbonylative Suzuki－coupling of carboxylic anhydrides with arylboroxines［J］.Adv Synth Catal，2004，346（13）：1665－1668.

［10］Nagayama K，Kawataka F，Sakamoto M，et al.Preparation and reactivities of acyl（carboxylato）palladium complexes［J］.Chem Lett，1995，24（5）：367－368.

［11］Nagayama K，Shimizu I，Yamamoto A.Direct hydrogenation of carboxylic acids to corresponding aldehydes catalyzed by palladium complexes in the presence of pivalic anhydride［J］.Chem Lett，1998，30（11）：1143－1144.

［12］Goossen L J，Ghosh K.Palladium－catalyzed synthesis of aryl ketones from boronic acids and carboxylic acids or anhydrides［J］.Angew Chem Int Ed，2001，40（18）：3458－3460.

［13］Lukas J，Gooβen，Ghosh K.A new practical ketone synthesis directly from carboxylic acids：First application of coupling reagents in palladium catalysis［J］.Chem Commun，2001，2001（20）：2084－2085.

［14］Smoum R，Rubinstein A，Srebnik M.Noncovalent inhibition of the serine proteases，a－chymotrypsin and trypsin by trifluoro（organo）borates［J］.Org Biomol Chem，2005，3（5）：941－944.

［15］Darses S，Michaud G，Gene J P.Potassium organotrifluoroborates：New partners in palladium－catalysed cross－coupling reactions［J］.Eur J Org Chem，1999，1999（8）：1875－1883.

［16］Dhimitruka I，Santalucia J Jr.Investigation of the Yamaguchi esterification mechanism.Synthesis of a Lux－S enzyme inhibitor using an improved esterification method［J］.Org Lett，2006，8（1）：47－50.

［17］Osborn J A，Wilkinson G.Tris（triphenyl－phosphine）halorhodium（I）［M］.Inorganic Syntheses，1967：67－71.