N，O-雙齒配位鈀配合物催化芳基溴化物和缺電子烯烴的mizoroki-Heck反應(yīng)研究

辛麗， 賈雪鋒, 2*， 王君文

1.山西師范大學化學與材料科學學院， 山西 臨汾 041000；2.山西師范大學現(xiàn)代文理學院， 山西 臨汾 041000

過渡金屬鈀催化的芳基鹵化物與烯烴的mizoroki-Heck偶聯(lián)反應(yīng)是構(gòu)建碳碳鍵非常有效的方法之一，被廣泛應(yīng)用于藥物、農(nóng)藥和天然產(chǎn)物分子的合成[1,2].許多含不同配體骨架的鈀配合物已經(jīng)被設(shè)計合成，并應(yīng)用在此類碳碳偶聯(lián)反應(yīng)，結(jié)果顯示出良好的催化活性。所用的配體包括含磷配體[3～7]、氮雜環(huán)卡賓[8～11]、含氮雜環(huán)衍生的雙齒或多齒配體[12～14]等.盡管鈀配合物催化的mizoroki-Heck偶聯(lián)反應(yīng)取得了很大的成就，但新型配體骨架衍生鈀配合物的設(shè)計合成及催化性能研究仍然是這一領(lǐng)域的重要研究課題. 最近，我們課題組設(shè)計合成了一類新型N，O-雙齒配體及其銅配合物，并研究了它們在Chan-Lam偶聯(lián)反應(yīng)中的催化活性[15,16].結(jié)果表明，此類銅配合物對芳基硼酸與含氮親核體的C—N偶聯(lián)反應(yīng)表現(xiàn)出高的催化活性和寬廣的底物適用性. 為此，我們合成了四個N，O-雙齒配體衍生的新型鈀配合物，初步研究了它們在芳基溴化物與缺電子烯烴的mizoroki-Heck反應(yīng)中的催化活性，并對偶聯(lián)反應(yīng)的底物進行了擴展.

1 實驗部分

1.1 儀器和試劑

實驗試劑如四氫吡咯、嗎啡啉、4-氯甲基噻唑鹽酸鹽、2-氯甲基吡啶鹽酸鹽、PdCl2、K2CO3、KOH、Cs2CO3、K3PO4、三乙胺以及N，N-二甲基甲酰胺、二甲亞砜、1,4-二氧六環(huán)等溶劑均從化學試劑公司直接購買使用. 薄層色譜硅膠(GF-254)和柱色譜硅膠(200-300目)均從安徽良臣材料有限公司購買.1H NMR和13C NMR譜圖通過Bruker-600 MHz核磁共振儀測定獲得，偶聯(lián)產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)通過核磁共振波譜分析確定.

1.2 實驗步驟

在25 mL的Schlenk反應(yīng)管中，加入鈀配合物(10 mol %)、芳基溴化物1(0.20 mmol)、烯烴衍生物2(0.30 mmol)、堿(0.40 mmol)，再加入反應(yīng)溶劑(1 mL)，將反應(yīng)管密封，放在平行反應(yīng)儀上攪拌反應(yīng)，控制反應(yīng)溫度為110 ℃，待反應(yīng)25 h后冷卻至室溫，加少量水淬滅，分液，用乙酸乙酯(5×3)萃取水相，合并有機相，無水Na2SO4干燥，經(jīng)旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀減壓除去溶劑. 最終的殘留物通過制備薄層色譜板或柱色譜(乙酸乙酯∶石油醚 = 1∶10)得到相應(yīng)的偶聯(lián)產(chǎn)物3.

2 結(jié)果與討論

本文以4-溴苯乙酮(1a)和苯乙烯(2a)的偶聯(lián)反應(yīng)為模型，考察不同因素對mizoroki-Heck反應(yīng)的影響, 反應(yīng)方程式如圖1所示.

圖1 4-溴苯乙酮和苯乙烯的mizoroki-Heck偶聯(lián)反應(yīng)
Fig. 1 The mizoroki-Heck coupling reaction of 4-bromoacetophenone and styrene

2.1 鈀配合物結(jié)構(gòu)對模型反應(yīng)的影響

利用前期合成的N，O-雙齒配體與Pd(CH3CN)Cl2的反應(yīng)，室溫下制備了四種N，O-雙齒配位的新型鈀配合物(Ⅰ～ Ⅳ)，它們的分子結(jié)構(gòu)如圖2所示.

圖2 N，O-雙齒配位鈀配合物Ⅰ～ Ⅳ的結(jié)構(gòu)
Fig.2 The structure of N,O-bidentate-coordinated palladium complexesⅠ～ Ⅳ

最初以10 mol %的鈀配合物作為模型反應(yīng)的催化劑，在K2CO3為堿，DMF為溶劑的條件下，考察不同鈀配合物Ⅰ～ Ⅳ對模型反應(yīng)的催化活性.如表1所示，4-溴苯乙酮(1a)和苯乙烯(2a)的偶聯(lián)在110 ℃反應(yīng)25 h后，分別以35 %、43 %、50 %、66 %的產(chǎn)率得到預(yù)期的目標產(chǎn)物(3aa). 說明四個鈀配合物對該反應(yīng)均存在一定的催化活性，其中含噻唑環(huán)和N-氧化嗎啡啉的鈀配合物Ⅳ表現(xiàn)出最好的催化活性(Entry 4).

表1 鈀配合物結(jié)構(gòu)對模型反應(yīng)的影響Tab.1 The effect of the structure of palladium complexes on model reaction

aReaction conditions:4-bromoacetophenones (0.2 mmol), styrene (0.3 mmol), K2CO3(0.4 mmol), Pd catalyst (10 mol %), DMF(1.0 mL), 110 ℃, 25 h.bIsolated yields.

2.2 堿對模型反應(yīng)的影響

以Ⅳ為模型反應(yīng)的催化劑，DMF為溶劑，嘗試改變堿的種類來考察對反應(yīng)活性的影響. 當使用Na2CO3、Cs2CO3作為反應(yīng)的堿時，偶聯(lián)產(chǎn)物(3aa)的產(chǎn)率明顯地下降，分別為50 %和32 %(Entry 1～3). 改變堿的種類為K3PO4、KOH時，反應(yīng)能夠發(fā)生，但產(chǎn)率較低(Entry 4～5). 說明K3PO4、KOH更加不利于偶聯(lián)反應(yīng)的進行.相比之下，當三乙胺作為反應(yīng)的堿時，4-溴苯乙酮(1a)和苯乙烯(2a)的偶聯(lián)反應(yīng)效率大大提高，以75 %的產(chǎn)率獲得目標產(chǎn)物(Entry 6). 以上實驗結(jié)果說明，使用三乙胺作為該偶聯(lián)反應(yīng)的有機堿是最佳的選擇.

表2 堿對模型反應(yīng)的影響Tab.2 The effect of base on model reaction

aReaction conditions: 4-bromoacetophenones (0.2 mmol), styrene (0.3 mmol), base (2.0 equiv), Ⅳ (10 mol %), DMF (1.0 mL), 110 ℃, 25 h.bIsolated yields.

2.3 溶劑對模型反應(yīng)的影響

在Ⅳ為催化劑，Et3N為堿的條件下，探究不同溶劑對模型反應(yīng)活性的影響。與DMF中的反應(yīng)相比，4-溴苯乙酮(1a)和苯乙烯(2a)的偶聯(lián)反應(yīng)在DMSO、1，4-二氧六環(huán)進行時，我們發(fā)現(xiàn)產(chǎn)物(3aa)的產(chǎn)率有所降低，分別是68 %和7 %(Entry 1～3). 說明1，4-二氧六環(huán)為溶劑不利于偶聯(lián)反應(yīng)的發(fā)生. 當反應(yīng)溶劑為甲醇時，該反應(yīng)的活性較1，4-二氧六環(huán)略高(Entry 4). 由此可見，DMF是該反應(yīng)的最佳溶劑. 此外，我們發(fā)現(xiàn)在Et3N為堿，DMF為溶劑的條件下，鈀配合物Ⅲ作為反應(yīng)的催化劑也可以75 %的產(chǎn)率獲得偶聯(lián)產(chǎn)物(3aa)(Entry 5).說明鈀配合物Ⅲ、Ⅳ都可以作為模型反應(yīng)的最佳催化劑.

表3 溶劑對模型反應(yīng)的影響Tab.3 The effect of solvents on model reaction

aReaction conditions: 4-bromoacetophenones (0.2 mmol), styrene (0.3 mmol), Et3N (0.4 mmol), Ⅳ (10 mol %), solvent (1.0 mL), 110 ℃, 25 h.bIsolated yields.

通過考察鈀配合物結(jié)構(gòu)、堿、反應(yīng)溶劑對模型反應(yīng)的影響，最終確定該偶聯(lián)的最佳反應(yīng)條件為Ⅳ或Ⅲ為催化劑，Et3N為堿，DMF為溶劑，在110 ℃下反應(yīng)25 h.

2.4 mizoroki-Heck反應(yīng)的底物范圍

在最優(yōu)化的反應(yīng)條件下，本文對mizoroki-Heck反應(yīng)的適用范圍進行了研究.首先，我們以Ⅳ為催化劑，Et3N為堿，DMF為溶劑，研究了4-溴苯乙酮(1a)與含不同取代基的缺電子烯烴的偶聯(lián)反應(yīng). 與苯乙烯(2a)相比，丙烯酸甲酯(2b)、丙烯酸乙酯(2c)作為反應(yīng)底物時，偶聯(lián)反應(yīng)的活性降低，分別以66 %和77 %的產(chǎn)率獲得相應(yīng)的產(chǎn)物(3ab, 3ac)(Entry 1～3). 丙烯酸叔丁酯(2d)與4-溴苯乙酮(1a)反應(yīng)順利地進行，分離產(chǎn)率為68 % (Entry 4). 進一步實驗表明，當甲基丙烯酸甲酯(2e)作為偶聯(lián)反應(yīng)底物時，產(chǎn)物(3ae)的產(chǎn)率會明顯地降低，只有32 % (Entry 5)，說明烯烴雙鍵上取代基的增多會降低反應(yīng)的活性，這可能是由于取代基的空間位阻所致.接著，在最佳條件下，我們考察了4-溴苯甲醛(1b)與烯烴衍生物的mizoroki-Heck反應(yīng).結(jié)果發(fā)現(xiàn)，苯乙烯苯乙烯(2a)與4-溴苯甲醛(1b)的反應(yīng)以47 %的產(chǎn)率得到產(chǎn)物(3ba)(Entry 6). 而4-溴苯甲醛(1b)與丙烯酸甲酯(2b)、丙烯酸乙酯(2c)、丙烯酸叔丁酯(2d)的反應(yīng)活性略高，以54 %～58 %的產(chǎn)率得到相應(yīng)的偶聯(lián)產(chǎn)物(3bb, 3bc, 3bd)(Entry 7～9).甲基丙烯酸甲酯(2e)與4-溴苯甲醛(1b)的反應(yīng)只得到10 %的產(chǎn)物(3be)(Entry 10). 以上數(shù)據(jù)表明，烯烴底物分子中的取代基種類和數(shù)據(jù)均會對反應(yīng)的活性產(chǎn)生一定程度的影響，而4-溴苯乙酮(1a)的反應(yīng)效果要比4-溴苯甲醛(1b)好.最后，以Ⅲ作為反應(yīng)的催化劑，其他條件不變的情況下，考察了這些底物的mizoroki-Heck偶聯(lián)反應(yīng). 結(jié)果顯示，在底物擴展研究中，Ⅲ的催化活性略低于Ⅳ，偶聯(lián)產(chǎn)物的產(chǎn)率有不同程度的降低.

表4 取代芳基溴化物與缺電子烯烴的mizoroki-Heck反應(yīng)Tab.4 The mizoroki-Heck reaction of substituted aryl bromides and electron-deficient olefins

aReaction conditions: aryl bromide 1 (0.2 mmol), electron-deficient olefins 2 (0.3 mmol), Et3N (0.4 mmol),Ⅳ (10 mol %), DMF (1.0 mL), 110℃, 25 h.bIsolated yields.cThe yields were obtained using Ⅲ (10 mol %) as catalyst.

3 結(jié)論

本文探究了N，O-雙齒配位鈀配合物Ⅰ～ Ⅳ在芳基溴化物與缺電子烯烴mizoroki-Heck偶聯(lián)反應(yīng)中的催化活性.通過考察鈀配合物結(jié)構(gòu)、堿、溶劑對模型反應(yīng)的影響，確定了反應(yīng)的最佳條件(Ⅳ或Ⅲ為催化劑，Et3N為堿，DMF為溶劑，110℃，25 h). 在最優(yōu)化的條件下，考察了兩種不同的芳基溴代物與多種缺電子烯烴的mizoroki-Heck偶聯(lián)反應(yīng)，以中等產(chǎn)率獲得相應(yīng)的產(chǎn)物. 實驗結(jié)果表明，含不同取代基的底物表現(xiàn)出不同的反應(yīng)活性，這種活性的變化主要是由于基團的電子效應(yīng)和空間位阻引起的.