3,5-二溴-2,6-雙(2’-噁唑啉基)苯基鈀(Ⅱ)鉗型物的合成及其催化Suzuki反應(yīng)

劉　芳，彭　秒，王洪星

(天津大學(xué)理學(xué)院，天津 300072)

E^C^E鉗型金屬化合物是一類具有C—M(M=金屬)鍵的稠合雙環(huán)金屬化合物(圖1)，由于其結(jié)構(gòu)獨(dú)特，且在空氣中較為穩(wěn)定，因而被廣泛應(yīng)用于各種有機(jī)合成反應(yīng)中[1]，此外，它還可以作為傳感器、生物制劑(Biomaker)以及自組裝的模板等[2]。E^C^E中與金屬配位的E多是雜原子如N, P, S，也有一些氮雜卡賓(NHC)，而金屬除過渡金屬外，也有一些主族金屬。在眾多的鉗形化合物中，尤以NCN型居多，且配位原子多以亞胺、吡啶、咪唑啉、噁唑啉、胺、噻唑等形式出現(xiàn)。其中，噁唑啉又是其主要形式，其金屬鉗型物以銠, 釕等為主[3]。而雙噁唑啉鉗型鈀化物的報(bào)道則相對(duì)較少[4]。雖然也有個(gè)別文獻(xiàn)涉及到供電子基團(tuán)的例子，但僅有的鉗型鈀化物多以無側(cè)臂(side arm)即R1=R2=H的形式出現(xiàn)。由于側(cè)臂的性質(zhì)不僅影響到鉗型鈀化物的合成，而且影響所形成鈀化物的催化效果，故本研究合成了帶有拉電子基團(tuán)側(cè)臂即4,6-二溴取代的噁唑啉鉗形鈀化物，并考察該化合物對(duì)較難偶合的芳氯與苯硼酸的反應(yīng)。

圖1　鉗形化合物的基本結(jié)構(gòu)特征Fig.1　Basic skeleton of ECE pincer complexes

1　實(shí)驗(yàn)部分

1.1　儀器及試劑

熔點(diǎn)測(cè)定使用WRS-1A數(shù)字分析儀，元素分析采用PerkinElmer 2400-B元素分析儀，紅外光譜為AVATAR 360 FT-IR光譜儀，核磁共振儀為Varian Mercury Plus 400，內(nèi)標(biāo)為Me4Si, 各種縮寫代表: s, 單峰; d, 雙重峰; t, 三重峰；q, 四重峰；br, 寬峰; m, 多重峰。4,6-二溴間苯二甲酸1參照文獻(xiàn)合成[5-6]，合成中其他各無機(jī)和有機(jī)試劑均來自國(guó)內(nèi)。

1.2　鉗形鈀化物的合成

1.2.14,6-二溴-1,3-雙(β-羥乙基)苯甲酰二胺的制備(2)

在100 mL圓底燒瓶中加入50 mL氯化亞砜和1滴DMF，室溫?cái)嚢?0 min，稱取2 g(6.2 mmol)化合物4,6-二溴間苯二甲酸1加入到圓底燒瓶中，加熱回流12 h。反應(yīng)完全后，旋蒸除去多余的氯化亞砜，之后用油泵抽24 h，盡量除盡氯化亞砜，得到淺黃色固體。

在氮?dú)獗Ｗo(hù)下，在三口瓶中加入上述淺黃色固體2 g(5.5 mmol)，量取30 mL新蒸的THF，并在恒壓滴液漏斗中加入3.2 g(32.9 mmol)三乙胺、0.81 g(12.2 mmol)乙醇胺和30 mL新蒸的THF溶劑，30 min內(nèi)滴加完成，室溫?cái)嚢柽^夜。過濾得到白色固體，用水洗滌，烘干待用；將濾液旋蒸除去溶劑，加入二氯甲烷，溶液用鹽水洗滌，有機(jī)相用無水硫酸鈉干燥，旋出溶劑，得到白色固體，合并固體，用乙醇約40 mL重結(jié)晶，得到白色固體2，產(chǎn)率67%; m.p. 249～250 ℃，分子式 C12H14Br2N2O4，元素分析：實(shí)測(cè)C, 35.05; H, 3.40; N，6.79; 理論值：C, 35.15; H, 3.44; N, 6.83。IR (KBr):3242(s), 3 074(m), 2 973(m), 1 650(s), 1 588(s), 1 552(m), 1 461(m), 786(vs) cm-1。1H NMR (400 MHz, DMSO):δ8.51(t, 2H, N—H), 7.97(s, 1H, H3), 7.46(s, 1H, H4), 4.78(t, 2H, O—H), 3.50(m, 4H, H7)，3.27(m, 4H, H6)。13C NMR (400 MHz, DMSO):δ41.97(C11, C12), 43.46(C9, 10), 125.23(C4, C6), 128.64(C2), 135.84(C5), 137.92(C1, C3), 165.93(C7, C8)。

1.2.24,6-二溴-1,3-雙(β-氯乙基)苯甲酰二胺的制備(3)

稱取2.14 g(5.9 mmol)化合物2加入到100 mL圓底燒瓶中，加入50 mL氯化亞砜，加熱回流9 h。反應(yīng)完畢后，旋出多余的二氯亞砜，得到黃色固體，將固體溶于水中，水相用二氯甲烷萃取，萃取液用無水硫酸鈉干燥，旋出溶劑，殘余物用V(乙酸乙酯)∶V(石油醚)(60～90 ℃)=10∶1的混合溶劑重結(jié)晶，得到淺黃色針狀晶體3，產(chǎn)率: 87%; m.p.219～220 ℃。元素分析：分子式 C12H12Br2Cl2N2O2，實(shí)測(cè)C, 32.13; H, 2.69; N，6.19; 理論值：C, 32.25; H, 2.71; N, 6.27。IR (KBr):3 270(vs), 3 065(m), 2 969(m), 1 652(s), 1 584(m), 1 543(s), 1 041(m), 723(m) cm-1。1H NMR (400 MHz, CDCl3):δ8.36(t, N—H), 7.84(s, H3),7.68(s, H4), 3.81(t, 4H, H7), 3.46(t, 4H, H6)。13C NMR (400 MHz, CDCl3):δ42.04(C11, C12), 43.87(C9, 10), 125.31(C4, C6), 128.92(C2), 135.80(C5), 138.01(C1, C3), 165.43(C7, C8)。

1.2.34,6-二溴-1,3-雙(2’-噁唑啉基)苯配體的制備(4)

在100 mL圓底燒瓶中加入0.21 g(8.9 mmol)氫化鈉和40 mL的THF溶劑，在恒壓滴液漏斗中加入0.74 g(2.3 mmol)化合物3的THF溶液，30 min內(nèi)滴加完成，室溫?cái)嚢柽^夜。過濾，并濃縮溶液，剩余液用二氯甲烷(3×50 mL)萃取，萃取液用無水硫酸鈉干燥，旋出溶劑，得到淺黃色固體，用V(乙酸乙酯)∶V(石油醚)(60～90 ℃)=10∶1的混合溶劑重結(jié)晶，得到淺黃色針狀晶體4，產(chǎn)率: 84%; m.p. 217～219 ℃。分子式C12H10Br2N2O2, 實(shí)測(cè)C, 38.35; H, 2.69; N, 7.41；理論值：C, 38.53; H, 2.69; N, 7.49。IR (KBr):3 040(m), 2 973(m), 1 630(s), 1 588(s), 1 456(s), 1 301(m), 1 201(m), 613(w) cm-1。1H NMR (400 MHz, DMSO):δ8.20(s, 1H, H3), 8.05(s, 1H, H4), 4.42(t, 4H, H7), 4.00(t, 4H, H6)。13C NMR (400MHz, DMSO):δ54.99(C9, C10), 67.66(C11, C12), 125.78(C4, C6), 130.82(C2), 133.09(C5), 138.41(C1, C3), 165.89(C7, C8)。

1.2.4氯化[3,5-二溴-2,6-雙(2’-噁唑啉基)]苯基鈀(II)的制備(5)

在100 mL圓底燒瓶中加入119 mg(0.53 mmol)醋酸鈀，加20 mL二氯甲烷使其溶解，將200 mg(0.53 mmol)化合物4溶于30 mL二氯甲烷加入到圓底燒瓶中，全部加完后加熱回流5 h。反應(yīng)畢后，抽濾，將溶液旋干，固體用甲醇、乙醚洗滌，抽濾并干燥得到黃色固體。

把得到的固體加入到250 mL三口瓶中，加入50 mL甲醇使其溶解。稱取60 mg氯化鋰，將其溶解到20 mL甲醇中，轉(zhuǎn)移到恒壓滴液漏斗中，30 min內(nèi)滴加到三口瓶中，加熱回流2 h，室溫?cái)嚢柽^夜，抽濾，得到黃色固體，固體分別用甲醇和乙醚洗滌，干燥。固體用V(二氯甲烷)∶V(乙醚)=7∶1的混合溶劑重結(jié)晶，得到黃色針狀晶體5，產(chǎn)率為51%; m.p. 297～299 ℃。分子式 C12H9ClN2O2Pd, 實(shí)測(cè)C, 27.72; H, 1.74; N, 5.15；理論值：C, 27.99; H, 1.76; N, 5.44。IR (KBr):3 030(m), 2 915(m), 1 607(vs), 1 584(s), 1 458(m), 1 132(m), 1 056(m), 941(m), 800(m) cm-1。1H NMR (400 MHz, DMSO):δ7.88(s, 1H, H4), 4.58(t, 4H, H7), 4.14(t, 4H, H6)。13C NMR (400 MHz, DMSO): 56.05(C9, C10), 70.2(C11, C12), 125.88(C3, C5), 134.50(C4), 129.6(C2, C6), 167.08(C7, C8), 174.9(C1)。

1.3　鉗形鈀化物催化Suzuki反應(yīng)

在50 mL的圓底燒瓶中加入15 mL的溶劑，2 mmol的氯代苯，苯基硼酸2.5 mmol，路易斯堿4.0 mmol，在一定溫度下反應(yīng)一定的時(shí)間。反應(yīng)結(jié)束后旋出溶劑，經(jīng)硅膠柱層析V(乙酸乙酯)∶V(石油醚)(60～90C)=1∶50，分離得到偶聯(lián)產(chǎn)物。

2　結(jié)果與討論

2.1　鈀化物的合成及表征

合成噁唑啉通常有兩條路線[7]，其一是經(jīng)雙腈與乙醇胺直接縮合得到；第二條路線則是利用β-羥乙基間苯二甲酰胺與有機(jī)錫或脫水劑等的作用下得到。由于雙腈不易制得，且第二條路線中的有機(jī)錫有一定毒性，故我們采用經(jīng)過修飾的第二條路線(式1)，即先將生成的雙β-羥乙基間苯二甲酰胺2與氯化亞砜作用后生成雙β-氯乙基間苯二甲酰胺3，然后在氫化鈉的作用下經(jīng)過自身關(guān)環(huán)最終生成較高收率的雙噁唑啉4。4與醋酸鈀在乙酸介質(zhì)中回流，后經(jīng)過與氯負(fù)離子離子交換，最終得到淺黃色的鉗型鈀化物5?；衔?～5的結(jié)構(gòu)均經(jīng)元素分析、紅外、核磁證實(shí)。

2.2　環(huán)鈀化合物在Suzuki反應(yīng)中的催化

作為碳-碳偶聯(lián)的Suzuki偶合是合成聯(lián)苯化合物的最有效方法。以往的研究表明：各種形式的鈀催化劑在催化碘苯(或溴苯)與苯硼酸的偶合時(shí)可得到高收率的偶合產(chǎn)物。相反，由于氯苯反應(yīng)活性較差，其與苯硼酸的偶合相對(duì)困難。但取代氯苯有容易獲得、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，因此我們選擇各種取代氯苯與苯硼酸進(jìn)行偶合以考察鉗型鈀化物5的催化活性。

2.2.1優(yōu)化條件的選擇

以氯苯與苯硼酸的偶合反應(yīng)為例(式2)，考察反應(yīng)時(shí)間、反應(yīng)溫度以及溶劑極性、催化劑用量等各種因素對(duì)反應(yīng)結(jié)果的可能影響，有關(guān)結(jié)果見表1。

表1　溶劑、路易斯堿、反應(yīng)時(shí)間、反應(yīng)溫度和催化劑量對(duì)Suzuki反應(yīng)的影響aTable 1　Effects of solvent, Lewis base, time, temperature and catalyst loading in Suzuki reactiona

注：a反應(yīng)條件：氯苯(2 mmol), 苯基硼酸(2.5 mmol), 路易斯堿(4 mmol), 溶劑(15 mL)。b分離產(chǎn)率。

表1清楚地表明：相對(duì)于THF和DMF/水，上述偶合在1,4-二氧六環(huán)溶劑中可獲得較高收率(78%，序列3)。以1,4-二氧六環(huán)溶劑為溶劑，考察所需的堿發(fā)現(xiàn)，K2CO3與CsCO3均比K3PO4的偶合效果好(序列3～5)，由于K2CO3與CsCO3二者的偶合收率非常接近(～78%)，故選擇碳酸鉀為最終的堿。類似的，通過反應(yīng)溫度(序列3, 6)以及反應(yīng)時(shí)間(序列6, 7)的對(duì)比可得出最適宜的溫度和時(shí)間分別為80 ℃和10 h。在前述基礎(chǔ)上，降低催化劑用量(摩爾分?jǐn)?shù))從1.00%到0.50%再到0.01%，催化收率急劇降低，預(yù)示1%的量即最適宜催化量。

綜合以上各種因素，確定的最適宜反應(yīng)條件為：催化劑量1.00%，1,4-二氧六環(huán)為溶劑，K2CO3為堿，80 ℃下反應(yīng)10 h。

2.2.2各種氯苯與苯硼酸的偶合

在上述條件下，我們又考察了環(huán)鈀化合物5催化的系列芳基鹵化物和芳基硼酸的偶聯(lián)反應(yīng)(式3)，其結(jié)果列于表2。

表2　鉗型物5催化取代氯代苯和苯硼酸的Suzuki偶合反應(yīng)aTable 2　Suzuki reaction of ArCl and C6H5B(OH)2 catalyzed by pincer complex 5

注：a反應(yīng)條件: 鈀化物5(1%), 鹵代苯(2 mmol), 苯硼酸(2.5 mmol), 碳酸鉀(4 mmol), 1,4-二氧六環(huán)(15 mL)。b實(shí)測(cè)熔點(diǎn)。c柱層析分離產(chǎn)率。

從表2中可以看出，除對(duì)氯苯胺的偶合外，總體上看其余取代氯苯的偶合收率普遍較高(序列2～7)。通過與其他鉗形化合物對(duì)Suzuki偶合的催化效率看[8]，本實(shí)驗(yàn)中的鉗形化合物5具有較高的催化效率，這可能與該鉗形化合物中溴原子的吸電子性能有關(guān)。由于在催化過程中，催化劑要經(jīng)歷一個(gè)Pd(II)/Pd(0)催化循環(huán), 我們認(rèn)為，鉗形化合物5帶有吸電子這一結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可能會(huì)對(duì)零價(jià)鈀的形成起一定作用，因?yàn)槲娮踊鶊F(tuán)使得鉗形化合物5中的N—Pd配位鍵變得不牢固，更易斷開。從電子效應(yīng)的角度看，相較于帶有吸電子基團(tuán)的氯苯，鉗形化合物5對(duì)催化帶有供電子基團(tuán)的氯苯的偶合(序列2, 3)更為有利，其最高收率達(dá)90%(序列3，表2)。其原因目前尚不清楚。而對(duì)氯苯胺偶合的收率最低，這可能因?yàn)樵谂己线^程中苯胺被空氣中的氧氣氧化所致。此外，采用具有空間位阻的5-叔丁基-2-氯-1,3-二甲苯與苯硼酸進(jìn)行偶合(序列8)，其收率約為75%，說明鉗形鈀化物5在催化過程中底物的空間障礙并不是偶合反應(yīng)的決定因素。

3　結(jié)論

以帶有吸電子基團(tuán)的鉗形鈀化物為催化劑催化氯苯特別是那些帶有供電子基團(tuán)的氯苯與苯硼酸的偶合具有較好的催化效率。此外該型鈀化物還具有催化底物廣，反應(yīng)條件溫和，不需惰氣保護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)：

[1](a) Van der Boom M E, Milstein D. Cyclometalated phosphine-based pincer complexes: Mechanistic insight in catalysis, coordination, and bond activation[J]. Chem Rev, 2003, 103(5): 1 759-1 792

(b) Albrecht M. Cyclometalation using d-block transition metals: Fundamental aspects and recent trends[J]. Chem Rev, 2010, 110(2): 576-623

(c) Selander N, Szabo K J. Catalysis by palladium pincer complexes[J]. Chem Rev, 2011, 111(3): 2 048-2 076

(d) Chen R，Chen Y，Wang H X，etal. Cyclometalation of bisimines. Synthesis, characterization of 3, 5-dimethyl-2, 6-bis(N-arylimino)phenylpalladium (II) pincer complexes and their application in carbon-carbon cross coupling reactions[J]. 化學(xué)工業(yè)與工程, 2013, 30(6):15-26

(e)曹義春. 非對(duì)稱NCN鉗形鈀化合物的合成及其催化的Sonogashira偶聯(lián)反應(yīng)[D]. 鄭州：鄭州大學(xué)，2011

[2](a) Rodriguez G, Albrecht M, Van Koten G,etal. Bifunctional pincer-type organometallics as substrates for organic transformations and as novel building blocks for polymetallic materials[J]. J Am Chem Soc, 2002, 124: 5 127-5 138

(b) Gagliardo M, Rodriguez G, van Koten G,etal. A novel heteroditopic terpyridine-pincer ligand as building block for mono-and heterometallic Pd(Ⅱ) and Ru(Ⅱ) complexes[J]. Inorg Chem, 2006, 45: 2 143-2 155

(c) Moughton A O, O’reilly R K. Noncovalently connected micelles, nanoparticles, and metal-functionalized nanocages using supramolecular self-assembly[J]. J Am Chem Soc, 2008, 130: 8 714-8 725

(d) Wieczorek B, Gebbink R J M K, Van Koten G,etal. Incorporating ECE-pincer metal complexes as functional building blocks in semisynthetic metalloenzymes, supramolecular polypeptide hybrids, tamoxifen derivatives, biomarkers and sensors[J]. J Organomet Chem, 2009, 694: 812-822

[3]Nishiyama H, Ito J. Bis(oxazolinyl)phenyl transition-metal complexes: Asymmetric catalysis and some reactions of the metals[J]. Chem Commun, 2010, 46: 203-212

[4](a) Bugarin A, Connell B T. A highly active and selective palladium pincer catalyst for the formation ofα-aryl ketones via cross-coupling[J]. Chem Commun, 2011, 47: 7 218-7 220

(b) Hatimi A E, Gómez M, Muller G,etal. Chiral bis(oxazoline) ligands. Synthesis of mono-and bi-metallic complexes of nickel and palladium[J]. J Chem Soc, Dalton Trans, 1998, 4 229-4 236

(c) Motoyama Y, Kawakami H, Nishiyama H,etal. Synthesis and X-ray crystal structures of bis(oxazolinyl)phenyl-derived chiral palladium(II) and platinum(II) and -(IV) complexes and their use in the catalytic asymmetric aldol-type condensation of isocyanides and aldehydes[J]. Organometallics, 2002, 21: 3 408-3 416

(d) Stark M A, Jones G, Richards C J. Cationic[2,6-bis(2’-oxazolinyl)phenyl]palladium(II) complexes: Catalysts for the asymmetric michael reaction[J]. Organometallics, 2000, 19: 1 282-1 291

(e) Bugarin A, Connell B T. Chiral nickel(II) and palladium(II) ncn-pincer complexes based on substituted benzene: Synthesis, structure, and lewis acidity[J]. Organometallics, 2008, 27: 4 357-4 369

[5]Richard B, Michael B H, Prnelope S J,etal. Dimorphs of[1,2-bis(diphenylphosphino)ethane] dichloronickel(II)[J]. J Chem Soc, Dalton Trans, 1993, 1: 3 767-3 770

[6]Corwin H, Sharon D R, Priscilla Y C J,etal. Substituent constants for correlation analysis[J]. J Med Chem, 1977, 20: 304-306

[7]Desimoni G, Faita G, Jorgensen K A. C2-Symmetric chiral bis(oxazoline) ligands in asymmetric catalysis[J]. Chem Rev, 2011, 111: 284-437

[8](a) Inamoto K, Kuroda J, Hiroya K,etal. Synthesis and catalytic activity of a pincer-type bis(imidazolin-2-ylidene) nickel(II) complex[J]. Organometallics, 2006, 25: 3 095-3 098

(b) Ines B, Sanmartin R, Dominguez E,etal. A nonsymmetric pincer-type palladium catalyst in Suzuki, Sonogashira, and Hiyama couplings in neat water[J]. Organometallics, 2008, 27: 2 833-2 839

(c) Luo Q, Tan J, Xiao D,etal. Suzuki-Miyaura coupling of aryl iodides, bromides, and chlorides catalyzed by bis(thiazole) pincer palladium complexes[J]. J Org Chem, 2012, 77: 8 332-8 337

(d) Lipke M C, Woloszynek R A, Protasiewicz J D,etal.m-Terphenyl anchored palladium diphosphinite PCP-pincer complexes that promote the Suzuki-Miyaura reaction under mild conditions[J]. Organometallics, 2009, 28: 188-196