金屬酞菁配合物催化的咪唑N-芳基化反應(yīng)

蔡 捷, 李艷麗, 賀 旭, 顧 昊, 丁 茯

(沈陽(yáng)化工大學(xué) 化學(xué)工程學(xué)院， 遼寧 沈陽(yáng) 110142)

作為一類非常重要的有機(jī)合成中間體，N-芳基咪唑類在生物學(xué)、藥學(xué)及N-雜環(huán)卡賓化學(xué)中有重要意義[1].常用合成方法有兩種:親核芳香取代反應(yīng)和金屬離子鈀與銅參與的C-N偶聯(lián)反應(yīng).前者需要芳鹵上要有很強(qiáng)的吸電子基團(tuán)，且反應(yīng)需要極性溶劑、高溫才能進(jìn)行；而鈀催化劑高昂的價(jià)格、較強(qiáng)的毒性以及對(duì)含磷配體的依賴造成其在交叉偶聯(lián)反應(yīng)中也不能廣泛應(yīng)用；銅催化劑雖然避免了上述缺陷，但是反應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)，通常需要24 h以上[2-3].因此，尋找新的合成方法是有機(jī)合成化學(xué)家關(guān)注的熱點(diǎn)之一.

金屬酞菁配合物(M-Pc)具有廉價(jià)易得、熱穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性良好等優(yōu)點(diǎn)，常作為有機(jī)反應(yīng)的重要催化劑[4].目前，金屬酞菁化合物主要用于催化氧化反應(yīng)，如Cu-Pc和Co-Pc催化氧化苯酚類物質(zhì)[5-7]、Fe-Pc催化不飽和酮和水合肼的氧化-芳香化反應(yīng)[8]等.另外，金屬酞菁化合物還用于其他類型的催化反應(yīng)，如Cu-Pc催化烯烴的環(huán)丙烷化反應(yīng)[9]和催化醛、酮、腈一鍋合成β-丙烯酰胺酮化合物[10]，F(xiàn)e-Pc和Mg-Pc催化CO2和環(huán)丙烷的環(huán)加成反應(yīng)等[11].催化C-N偶聯(lián)反應(yīng)的應(yīng)用目前只有一例.在該反應(yīng)中，無(wú)取代的Cu-Pc被用于催化咪唑的N-芳基化反應(yīng)，反應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)，即使使用活性較高的芳基碘為底物，也需要24 h[12].該反應(yīng)催化效率低的原因可能為酞菁的大平面分子結(jié)構(gòu)分子間具有強(qiáng)烈的相互作用，導(dǎo)致其易于在反應(yīng)液中形成二聚物或多聚物，從而會(huì)減少軸向配位的活性位點(diǎn)，進(jìn)而導(dǎo)致催化效率降低、反應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng).為驗(yàn)證這種推測(cè)，破壞分子之間的聚集，從而大幅提高催化活性，本文合成了在α位上具有較大空間位阻芳氧基的銅酞菁配合物Cu-Pc-1和Cu-Pc-2，β位上具有芳氧基的銅酞菁配合物Cu-Pc-3和鐵酞菁配合物Fe-Pc-3，并研究了這些金屬酞菁配合物對(duì)咪唑N-芳基化反應(yīng)的催化性能.

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要試劑和儀器

3-硝基鄰苯二腈(AR)、4-硝基鄰苯二腈(AR)、尿素(AR)、1,8-二氮雜雙環(huán)[5.4.0]十一碳-7-烯(DBU，AR)、咪唑(AR)、溴苯(AR)、KOH(AR)、無(wú)水硫酸鈉(AR)、CuCl(AR)和FeCl3(AR)，阿達(dá)瑪斯試劑有限公司；8-羥基喹啉(AR)、4-叔丁基苯酚(AR)和鉬酸銨(AR)，上海麥克林生化科技有限公司；K2CO3(AR)、硝基苯(AR)、乙酸乙酯(AR)、二甲基亞砜(AR)和1-戊醇(AR)，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司.實(shí)驗(yàn)中溶劑均為分析純.

Bruker ARX-500核磁共振儀(CDCl3溶劑，TMS內(nèi)標(biāo))；LCQ Deca XP液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀，美國(guó)熱電-菲尼根公司；LC-20A液相色譜儀，島津(中國(guó))有限公司；NEXUS470紅外光譜儀，美國(guó)熱電-菲尼根公司；UV-Vis紫外可見(jiàn)光譜儀，島津(中國(guó))有限公司.

1.2 合成路線

合成路線如下所示:

1.2.1 前體鄰苯二腈衍生物的合成

將3-硝基鄰苯二腈(1.73 g,10 mmol)或4-硝基鄰苯二腈(1.73 g,10 mmol)、4-叔丁基苯酚(1.50 g,10 mmol)或8-羥基喹啉(1.45 g,10 mmol)和K2CO3(2.76 g,20 mmol)加入到二甲基亞砜(DMSO，20 mL)中，并在氬氣保護(hù)下室溫反應(yīng)10 h.反應(yīng)結(jié)束后，將反應(yīng)混合物倒入水(1000 mL)中并攪拌1 h，過(guò)濾，濾餅用大量的水洗，干燥得到粗品.硅膠柱層析(洗脫劑：CH2Cl2)得到純的目標(biāo)化合物.

3-(4-叔丁基苯氧基)鄰苯二腈：白色的固體產(chǎn)物(2.29 g)，產(chǎn)率83.0 %.1H NMR(500 MHz,CDCl3),δ：7.59(t,1H),7.46(m,3H),7.11(d,1H),7.04(d,2H),1.35(s,9H).

4-(4-叔丁基苯氧基)鄰苯二腈：白色固體產(chǎn)物(2.10 g)，產(chǎn)率76.1 %.1H NMR(500 MHz,CDCl3),δ：7.73(d,1H),7.48(d,2H),7.27(s,2H),7.01(d,2H),1.37(s,9H).

3-(8-喹啉氧基)鄰苯二腈：白色固體產(chǎn)物(2.15 g)，產(chǎn)率79.1 %.1H NMR(500 MHz,CDCl3)，δ：8.85(d,1H),8.26(d,1H),7.82(d,1H),7.62(t,1H),7.53(d,1H),7.49(m,1H),7.45(d,2H),6.85(t,1H).

1.2.2 銅酞菁配合物的合成

1.2.1.1 鉬酸銨催化法

將3-(8-喹啉氧基)鄰苯二腈(3 390.9 mg,12.5 mmol)或3-(4-叔丁基苯氧基)鄰苯二腈(3 454.1 mg,12.5 mmol)、CuCl(297.0 mg,3.0 mmol)、尿素(1 486.5 mg,24.8 mmol)和鉬酸銨(58.8 mg,0.3 mmol)加入到硝基苯(12 mL)中，并在氬氣保護(hù)下160 ℃攪拌10 h.反應(yīng)結(jié)束后，減壓蒸餾除去溶劑.殘余物用硅膠柱層析得到目標(biāo)產(chǎn)物.

Cu-Pc-1：硅膠柱層析[洗脫劑：v(CHCl3)∶v(MeOH)=100∶1]得到藍(lán)綠色粉末(1.29 g)，摩爾產(chǎn)率37.3 %.ESI-MS(m/z)：1 149.0[M+H]+(calcd for C68H37CuN12O4，1 148.2).元素分析(C68H36CuN12O4，計(jì)算值/實(shí)測(cè)值),w/%：C，71.10/70.83；H，3.16/3.29；N，14.63/14.34.

Cu-Pc-2：硅膠柱層析(洗脫劑：CHCl3)得到藍(lán)綠色粉末(1.44 g)，產(chǎn)率41 %.ESI-MS(m/z)：1 168.3[M+H]+(calcd for C72H65CuN8O4,1 168.5).元素分析(C72H64CuN8O4,計(jì)算值/實(shí)測(cè)值)，w/%：C,73.98/74.22; H,5.52/5.79; N,9.59/9.41.

1.2.2.2 DBU催化法

將4-(4-叔丁基苯氧基)鄰苯二腈(3 454.1 mg,12.5 mmol)、CuCl(297.0 mg,3.0 mmol)或FeCl3(486.6 mg,3.0 mmol)和DBU(1 mL)加入到正戊醇(12 mL)中，并在氬氣保護(hù)下135 ℃攪拌16 h.反應(yīng)結(jié)束后，減壓蒸餾除去溶劑.殘余物用熱的甲醇和水反復(fù)洗滌，剩余物用硅膠柱層析(洗脫劑：CHCl3)得到純的目標(biāo)化合物.

Cu-Pc-3：藍(lán)綠色粉末(1.12 g)，產(chǎn)率32 %.ESI-MS(m/z):1 169.0[M+H]+(calcd for C72H65CuN8O4，1 168.5).元素分析(C72H64CuN8O4,計(jì)算值/實(shí)測(cè)值),w/%：C,73.98/74.16; H,5.52/5.73; N,9.59/9.88.

Fe-Pc-3：藍(lán)色粉末(1.12 g)，產(chǎn)率 32 %.

ESI-MS(m/z)：1 161.7[M+H]+(calcd for C72H65FeN8O4，1 161.4).元素分析(C72H64FeN8O4,計(jì)算值/實(shí)測(cè)值),w/%：C,74.47/74.17; H,5.56/5.42; N,9.65/9.89.

1.3 銅酞菁催化咪唑的N-芳基化反應(yīng)

金屬酞菁配合物催化的咪唑N-芳基化反應(yīng)如下所示:

催化步驟：將咪唑(306.4 mg,3.0 mmol)、溴苯(471.0 mg,3.0 mmol)、KOH(336.6 mg,6 mmol)和金屬酞菁催化劑(摩爾分?jǐn)?shù)0.67 %)加入到DMSO(4 mL)中，并在氬氣保護(hù)下110 ℃反應(yīng).薄層色譜層析和HPLC跟蹤反應(yīng).反應(yīng)結(jié)束后，反應(yīng)液倒入蒸餾水中，用乙酸乙酯萃取3次.合并的有機(jī)相用無(wú)水Na2SO4干燥，過(guò)濾并濃縮.殘余物用硅膠柱層析(洗脫劑：乙酸乙酯)得到目標(biāo)產(chǎn)物N-苯基咪唑.1H NMR(500 MHz,CDCl3)，δ：7.77(s,1H),7.36(d,2H),7.27(d,3H),7.19(s,1H),7.11(s,1H).

2 結(jié)果與討論

2.1 紅外光譜分析

由表1和圖1可以看出：4種金屬酞菁配合物的IR譜圖很相似.

表1 金屬酞菁配合物的部分特征IR光譜數(shù)據(jù)及其歸屬

圖1 金屬酞菁配合物的IR譜圖

以Cu-Pc-2為例，2 959.7、2 928.2和2 871.6 cm-1處的吸收峰為甲基的對(duì)稱和不對(duì)稱伸縮振動(dòng)；1 587.1和1 485.3 cm-1處的吸收峰分別為酞菁環(huán)的C==C和C==N伸縮振動(dòng)，即酞菁環(huán)的骨架振動(dòng)；1 265.7和1 089.9 cm-1處的吸收峰分別為芳醚鍵的不對(duì)稱和對(duì)稱伸縮振動(dòng)；937.6 cm-1處的吸收峰可歸屬為金屬-配體振動(dòng)吸收峰；744.2 cm-1處的吸收峰可歸屬為酞菁環(huán)的振動(dòng)吸收.而對(duì)于不含甲基的Cu-Pc-1，在2 900 cm-1附近處沒(méi)有甲基的吸收峰.

2.2 紫外可見(jiàn)光譜分析

以α位取代的Cu-Pc-2和β位取代的Cu-Pc-3為例，研究金屬酞菁配合物上取代基引入的位置不同對(duì)紫外可見(jiàn)光譜的影響.如圖2所示，在CHCl3中，2個(gè)銅酞菁配合物在紫外可見(jiàn)光區(qū)有2個(gè)特征吸收帶：B帶在318 nm附近的近紫外區(qū)，Q帶在714 nm附近的可見(jiàn)光區(qū).比較這兩個(gè)銅酞菁配合物的紫外可見(jiàn)光譜，可以發(fā)現(xiàn)取代基的位置不同對(duì)金屬酞菁配合物在B帶和Q帶的最大吸收波長(zhǎng)幾乎沒(méi)有影響.

圖2 金屬酞菁配合物在CHCl3中的UV-Vis光譜

2.3 金屬酞菁配合物催化的咪唑N-芳基化反應(yīng)

以咪唑和溴苯為模板反應(yīng)考察不同催化劑對(duì)反應(yīng)的影響，結(jié)果見(jiàn)表2.由表2可知：當(dāng)體系中不含催化劑時(shí)，沒(méi)有反應(yīng)發(fā)生；當(dāng)體系中存在摩爾分?jǐn)?shù)0.67 %的金屬酞菁催化劑時(shí)，通過(guò)液相色譜跟蹤可知反應(yīng)在2 h內(nèi)即可完成，產(chǎn)率接近或超過(guò)文獻(xiàn)報(bào)道的無(wú)取代銅酞菁催化劑(產(chǎn)率31.3 %，摩爾分?jǐn)?shù)10 %催化劑，24 h)[12]，并且催化劑用量更低、反應(yīng)時(shí)間更短.此外，催化效果與金屬中心、取代基位置和取代基大小也有一定的關(guān)系.如結(jié)構(gòu)類似的銅酞菁催化劑比鐵酞菁的催化效果略好(實(shí)驗(yàn)4與5).在α位具有取代基的銅酞菁催化劑比β位具有同樣取代基的銅酞菁催化效果好(實(shí)驗(yàn)3與4)；且α位取代基的空間位阻越大，催化效果越好(實(shí)驗(yàn)2與3).這是因?yàn)榻饘偬忌先〈拇嬖?，尤其是α位取代基的存在，可在一定程度上破壞酞菁的大平面分子結(jié)構(gòu)，避免或減少聚合物的形成，進(jìn)而增加軸向配位的位點(diǎn)，從而提高催化效率、縮短反應(yīng)時(shí)間.

表2 金屬酞菁配合物催化的咪唑N-芳基化反應(yīng)

3 結(jié) 論

分別用鉬酸銨催化法和DBU催化法合成了α位和β位取代的金屬酞菁配合物，并通過(guò)多種表征手段證實(shí)了它們的分子結(jié)構(gòu).初步研究發(fā)現(xiàn)α位具有較大空間位阻的銅酞菁配合物在催化咪唑N-芳基化反應(yīng)時(shí)具有較好的催化性能，并取得了比無(wú)取代銅酞菁配合物更好的催化效果.該研究結(jié)果為金屬酞菁催化劑的設(shè)計(jì)奠定了一定的工作基礎(chǔ).