含碘離子的氮雜環(huán)卡賓-二茂鐵吡嗪環(huán)鈀化合物的合成、表征及其催化合成聯(lián)芳基鄰二胺

丁丹麗，徐 晨，李紅梅，蔡星偉*

(1.江蘇科技大學 環(huán)境與化學工程學院，鎮(zhèn)江 212100) (2.江蘇科技大學 國資處，鎮(zhèn)江 212100)

芳基鄰二胺類化合物是一類重要的化工原料，廣泛用于氮雜環(huán)化合物合成、藥物化學、染料、助劑等方面[1-2]．例如，苯并咪唑類化合物的經典合成方法就是采用鄰苯二胺與羰基衍生物的縮合反應[3-4]，許多苯并咪唑類藥物中間體為提高活性在苯環(huán)上引入芳基，因此就需要使用聯(lián)芳基鄰二胺類化合物．目前鄰芳基二胺的種類雖然很多，但聯(lián)芳基二胺還很少見，僅有一篇文獻報道通過鄰硝基苯胺鹵代物的Suzuki反應和還原反應，兩步制備4-聯(lián)苯鄰二胺[5]．因為溴代芳基鄰二胺是便宜易得的原料，文中設計通過鈀催化芳基硼酸與其直接Suzuki反應，一步得到4-聯(lián)芳基鄰二胺，省去硝基還原步驟，有效降低原料成本和污染物排放，為合成聯(lián)芳基鄰二胺提供了一個高效實用的方法．

自文獻[6]首次報道NHCs鈀化合物及其催化反應以來，各種各樣的NHCs配體及其金屬絡合物被合成，并作為催化劑廣泛應用于有機合成中[7-9]．這些新催化劑的不斷出現(xiàn)，使Suzuki反應取得長足發(fā)展，現(xiàn)已成為碳碳鍵形成的重要合成手段．其中，環(huán)鈀化合物是一類重要的催化劑，具有穩(wěn)定，易于制備、修飾、催化活性高等優(yōu)點[10]．例如，環(huán)鈀二聚體可以通過解聚反應引入NHCs配體生成高活性的NHCs-環(huán)鈀合物[11-13]．一般認為這類環(huán)鈀化合物的催化活性主要受引入的配體和環(huán)鈀配體的影響[14]，而陰離子X對催化活性的影響研究很少．基于以上考慮，文中通過含氯離子的NHCs-二茂鐵吡嗪環(huán)鈀化合物2-3的離子交換反應，合成出兩個新的對應含碘離子的鈀化合物4-5(圖 1)，比較了它們在Suzuki反應中的催化活性．環(huán)鈀化合物5是溴代鄰芳基二胺與芳基硼酸Suzuki反應的高效催化劑，合成出一系列聯(lián)芳基鄰二胺類化合物．

圖1 化合物4-5的合成

1 實驗

1.1 試劑和儀器

二茂鐵吡嗪環(huán)鈀化合物1-3按文獻[15]報道的方法合成，其他所用化學試劑均為市售商品．所用儀器：Nicolet-560型紅外光譜儀、Bruker Avance 400MHz核磁共振譜儀、電噴霧質譜Agilent LC/MSD Trap XCT質譜儀．Bruker SMART 1000 CCD單晶衍射儀，采用石墨單色化的Mo Kα(λ=0.710 73 ?)輻射，結構分析程序為SHELXL-97．化合物4和5的CCDC號分別是1938187和1965013．

1.2 化合物4和5的合成和表征

向單口燒瓶中加入化合物2或3(0.1 mmol)和碘化鈉(0.2 mmol)，然后加丙酮(10 ml),室溫攪拌1 h．蒸除溶劑，洗滌，干燥即得產物4或5．4為紅色固體，產率96%, IR (KBr, cm-1): 3 053, 2 928, 2 316, 2 048, 1 731, 1 589, 1 510, 1 440, 1 372, 1 318, 1 246, 1 169, 1 140, 1 030, 910, 832, 691, 642, 537. MS (EI, 70 eV)m/z= 649.1 (M-I)+.1H NMR (400 MHz, CDCl3): δ8.97 (s, 1H, Ar-H), 8.38 (s, 1H), 8.29-8.34 (m, 3H), 7.79 (d, 2H), 7.42 (s, 1H), 7.36 (s, 1H), 7.13 (d, 2H), 6.85 (d, 2H), 4.53 (s, 1H), 4.23 (s, 1H), 3.81 (s, 3H), 3.74 (s, 3H), 3.51 (s, 5H), 3.42 (s, 1H). 5為紅色固體, 產率93%, IR (KBr, cm-1): 2 959, 2 923, 2 866, 1 733, 1 693, 1 589, 1 506, 1 460, 1 382, 1 324, 1 238, 1 141, 1 119, 1 106, 1 035, 936, 800, 756, 731, 698, 658, 607, 550. MS (EI, 70 eV)m/z= 757.2 (M-I)+.1H NMR (400 MHz, CDCl3): δ 9.59 (s, 1H), 8.36 (s, 1H), 8.08 (s, 1H), 7.47-7.49 (d, 2H), 7.19-7.35 (d, 6H), 4.57 (d, 1H), 4.32 (s, 1H), 3.97 (s, 1H), 3.39 (s, 5H), 2.93-2.96 (m, 4H), 0.54-1.70 (m, 24H).

1.3 催化反應合成聯(lián)芳基鄰二胺

氮氣氣氛下向Schlenk試管中加入溴代芳基鄰二胺 (0.5 mmol)、芳基硼酸 (0.6 mmol) 、堿 (0.75 mmol) 和對應的催化劑，繼續(xù)加入溶劑3 ml．油浴加熱到110oC，12 h后冷卻反應液，加水萃滅反應，用二氯甲烷萃取3次，合并有機層，旋轉蒸發(fā)除去溶劑．以二氯甲烷/石油醚(1/1)作為洗脫劑，殘留物通過硅膠薄層色譜提純，收集第三帶，得到偶聯(lián)產物．產物6是已知化合物[5]，其他產物是新化合物，表征數(shù)據(jù)如下：

化合物7: Anal Calcd for C14H16N2: C, 79.2; H, 7.6; N, 13.2. Found: C, 79.5; H, 7.2; N, 13.5. MS (EI, 70 eV)m/z= 213.1 (M+H)+.1H NMR (400 MHz, CDCl3): δ 7.75 (d, 1H), 7.62 (d, 1H), 7.45 (d, 2H), 7.42 (m, 1H), 7.25 (d, 2H), 6.31 (br, 4H), 2.65 (q, 2H), 1.26 (t, 3H).

化合物8: Anal Calcd for C14H16N2: C, 79.2; H, 7.6; N, 13.2. Found: C, 79.6; H, 7.3; N, 13.4. MS (EI, 70 eV)m/z= 213.1 (M+H)+.1H NMR (400 MHz, CDCl3): δ 7.42 (s, 1H), 7.21 (s, 1H), 6.86 (s, 1H), 6.82 (m, 1H), 6.77 (s, 1H), 6.55 (d, 1H), 5.65 (br, 4H), 2.32 (s, 6H).d

化合物9: Anal Calcd for C13H14N2O: C, 72.9; H, 6.6; N, 13.1. Found: C, 72.6; H, 6.4; N, 13.5. MS (EI, 70 eV)m/z= 215.1 (M+H)+.1H NMR (400 MHz, CDCl3): δ 7.23 (m, 1H), 7.10 (m, 1H), 7.05 (s, 1H), 6.87 (d, 1H), 6.78 (d, 2H), 6.57 (d, 1H), 4.82 (br, 4H), 3.80 (s, 3H).

化合物10: Anal Calcd for C12H11N3O2: C, 62.9; H, 4.8; N, 18.3. Found: C, 62.6; H, 4.6; N, 18.5. MS (EI, 70 eV)m/z= 230.1 (M+H)+.1H NMR (400 MHz, CDCl3): δ 8.46 (s, 1H), 8.17 (d, 1H), 7.94 (d, 1H), 7.76 (s, 1H), 7.62 (m, 2H), 7.48 (d, 1H), 3.68 (br, 4H).

化合物11: Anal Calcd for C11H11N3: C, 71.3; H, 6.0; N, 22.7. Found: C, 71.1; H, 5.8; N, 23.2. MS (EI, 70 eV)m/z= 186.1 (M+H)+.1H NMR (400 MHz, CDCl3): δ 7.67 (s, 1H), 7.62 (m,2H), 7.59 (s, 1H), 7.46 (m, 2H), 7.37 (s, 1H), 4.63 (br, 4H).

化合物12: Anal Calcd for C13H15N3: C, 73.2; H, 7.1; N, 19.7. Found: C, 73.5; H, 7.3; N, 19.5. MS (EI, 70 eV)m/z= 214.1 (M+H)+.1H NMR (400 MHz, CDCl3): δ 7.87 (s, 1H), 7.40 (m, 2H), 7.26 (m, 2H), 7.10 (s, 1H), 3.65 (br, 2H), 2.67 (q, 2H), 1.25 (t, 3H).

化合物13: Anal Calcd for C13H15N3: C, 73.2; H, 7.1; N, 19.7. Found: C, 72.0; H, 7.5; N, 19.9. MS (EI, 70 eV)m/z= 214.1 (M+H)+.1H NMR (400 MHz, CDCl3): δ 7.88 (s, 1H), 7.11 (s, 3H), 6.96 (s, 1H), 4.36 (br, 4H), 2.36 (s，6H).

化合物14: Anal Calcd for C12H13N3O: C, 67.0; H, 6.1; N, 19.5. Found: C, 67.3; H, 5.9; N, 19.3. MS (EI, 70 eV)m/z= 216.1 (M+H)+.1H NMR (400 MHz, CDCl3): δ 7.89 (s, 1H), 7.29 (d, 1H), 7.09 (m, 2H), 7.00 (s, 1H), 6.86 (d, 1H), 4.50 (br, 4H), 3.85 (s, 3H).

化合物15: Anal Calcd for C11H10N4O2: C, 57.4; H, 4.4; N, 24.3. Found: C, 57.7; H, 4.2; N, 24.6. MS (EI, 70 eV)m/z= 231.1 (M+H)+.1H NMR (400 MHz, CDCl3): δ 8.35 (s, 1H), 8.15 (d, 1H), 7.94 (d, 1H), 7.83 (d, 1H), 7.57(d , 1H), 7.16 (s, 1H), 4.40 (br, 4H).

化合物16: Anal Calcd for C12H13N3: C, 72.3; H, 6.6; N, 21.1. Found: C, 72.5; H, 6.2; N, 21.4. MS (EI, 70 eV)m/z= 200.1 (M+H)+.1H NMR (400 MHz, CDCl3): δ 7.44 (s, 2H), 7.22 (s, 4H), 6.86 (s, 1H), 3.99 (br, 4H), 2.27 (s, 3H).

2 結果與討論

2.1 化合物4和5的結構表征

含碘離子的NHCs-二茂鐵吡嗪環(huán)鈀化合物4和5性質穩(wěn)定，對空氣和水汽不敏感．它們易溶于二氯甲烷、乙酸乙酯等常見溶劑，不溶于石油醚、正己烷．它們的氫譜與結構一致，質譜的分子離子峰以(M-I)+的形式出現(xiàn)．為準確確定它們的詳細結構，對其進行單晶X-衍射測定．化合物4和5的晶體結構如圖2,3，化合物4主要的鍵長(?)和鍵角(°)如下：Pd(1)-C(1) 1.917(11), Pd(1)-C(19) 1.983(10), Pd(1)-N(3) 2.117(8), Pd(1)-I(1) 2.663 0(12) 和 C(19)-Pd(1)-C(1) 92.5(15), C(1)- Pd(1)-I(1) 90.3(3), I(1)-Pd(1)-N(3) 95.8(2), N3(1)-Pd(1)-C(19) 81.5(4),化合物5主要的鍵長(?)和鍵角(°)如下：Pd(1)-C(68) 1.977(13), Pd(1)-C(48) 1.977(16), Pd(1)-N(1) 2.161(12), Pd(1)-I(2) 2.691(2) 和 C(68)-Pd(1)-C(48) 90.9(6), C(48)- Pd(1)-N(1) 80.0(6), N(1)-Pd(1)-I(2) 91.4(4), I(2)-Pd(1)-Cl(68) 97.3(4),每個晶胞有兩個獨立分子，為簡潔清晰，僅保留一個獨立分子．兩個環(huán)鈀化合物中的鈀都是四配位，鈀處于平行四邊形的配位環(huán)境中心[12-16]，NHCs中配位的C對應于環(huán)鈀配體吡嗪配位的N，都是trans型環(huán)鈀化合物．環(huán)鈀五元環(huán)與相鄰二茂鐵環(huán)和吡嗪環(huán)是近似共面的，而NHCs的咪唑環(huán)是近似垂直于環(huán)鈀平面．

圖2 化合物4的晶體結構

圖3 化合物5的晶體結構

化合物5中的Pd(1)-C(68)鍵長[1.977(13) ?]明顯長于化合物4中的Pd(1)-C(1)的鍵長 [1.917(11) ?]，這是化合物5中NHC配體的位阻大造成的[13,15]．化合物4的晶體中，碘離子與相鄰分子中的茂環(huán)和吡嗪環(huán)上的氫形成分子間C-H…I氫鍵[17-18]，鍵長分別是2.963 ? 和3.042 ?，呈一維鏈狀結構(圖4)，而化合物5中的碘離子沒有形成氫鍵．

圖4 化合物4通過C-H…I氫鍵形成的一維鏈狀結構

2.2 催化反應

Suzuki反應能兼容很多官能團，一般鹵代芳烴含致鈍基團有利于反應，含致活基團不利于反應[17]．含強致活基團氨基的鹵代芳烴的Suzuki反應雖有報道[19-20]，但含兩個鄰位氨基的鹵代芳烴的Suzuki反應還未見報道．鑒于NHCs-環(huán)鈀化合物在偶聯(lián)反應中的廣泛應用，合成NHCs-二茂鐵吡嗪環(huán)鈀化合物4和5，以期實現(xiàn)溴代芳基鄰二胺與芳基硼酸的Suzuki反應．

首先選擇4-溴鄰苯二胺與苯基硼酸的反應作為模板反應，基于以前的相關工作基礎，以甲苯為溶劑，K2CO3為堿的條件下考察環(huán)鈀化合物1-5的催化活性．在110oC下反應12 h，催化劑用量0.5 mol %，反應結果列于表1．可以看出環(huán)鈀二聚體1對反應基本沒有活性，化合物2和4對反應活性很低，只有化合物3和5能較好的催化反應，偶聯(lián)產物6的產率分別是72%和77%(編號3和5)．此外，還考察用鈀源/咪唑鹽的催化體系，在相同的反應條件下，鈀和咪唑鹽配體的催化劑用量分別是1 mol%和2 mol%，Pd(OAc)2體系的產率較低，化合物1催化的體系能達到中等的產率，這說明環(huán)鈀二聚體1是一個很好的鈀源，化合物3和5中含有的對應大位阻卡賓配體是催化劑關鍵的配體．接著選擇Cs2CO3為堿，考察化合物3和5在甲苯和二氧六環(huán)溶劑中催化上述模板反應，結果都顯示含碘離子的NHCs-二茂鐵吡嗪環(huán)鈀化合物5的催化活性稍高于對應的含氯離子的環(huán)鈀化合物3，其中以Cs2CO3為堿和甲苯為溶劑的效果最好(編號9)．

表1 4-溴鄰苯二胺與苯基硼酸Suzuki反應條件的優(yōu)化a

在優(yōu)化條件[Cs2CO3，甲苯，110oC，5]下，擴展反應底物，其結果列于表2．此條件下，4-溴鄰苯二胺與芳基硼酸都能以較高產率生成對應的聯(lián)芳基鄰二胺產物．例如，帶致活基團的對乙基苯硼酸、3,5-二甲基苯硼酸和3-甲氧基苯硼酸為底物，偶聯(lián)產物7-9的產率分別是89%、88%和86%．帶致鈍基團的對硝基苯硼酸，產物10的產率(62%)明顯減低，這表明芳基硼酸上取代基的電子效應對反應有影響，帶致活基團的底物的產率要高于致鈍基團的．接著擴展鹵代芳烴為鹵代氮雜環(huán)，測試溴代吡啶二胺與芳基硼酸的反應，與4-溴鄰苯二胺相比，反應的產率都有所提高，產物11-15產率分別是87%、92%、90%、89%和67%，這說明溴代吡啶二胺的反應活性大于對應溴代鄰苯二胺，有利于反應進行．最后也考察了位阻效應對反應的影響，溴代吡啶二胺與鄰甲基苯硼酸反應(產物16)的產率降至71%，這說明位阻效應不利于反應．

表2 化合物5催化芳基硼酸與溴代芳基鄰二胺的Suzuki反應a

3 結論

(1)通過離子交換反應，可便捷合成含碘離子的NHCs-二茂鐵吡嗪環(huán)鈀化合物4和5，經單晶X-衍射發(fā)現(xiàn)，化合物4的I離子形成氫鍵，而化合物5的碘離子沒有形成氫鍵．

(2)反應結果表明，大位阻NHCs-二茂鐵吡嗪環(huán)鈀化合物3和5的催化活性最好，其中含碘離子的環(huán)鈀化合物5催化活性稍高于對應的氯離子的環(huán)鈀化合物3．

(3)以甲苯為溶劑、Cs2CO3為堿、110oC下，化合物5能高效催化溴代芳基鄰二胺與芳基硼酸的Suzuki反應，合成出一系列聯(lián)芳基鄰二胺類化合物，其中溴代吡啶二胺是好的反應底物，芳基硼酸帶致活基團有利于反應．該反應體系提供了一個有效合成聯(lián)芳基鄰二胺的方法．