周 棟，鄧佑林，潘詩睿，唐 石

(吉首大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，湖南 吉首416000)

鈀催化炔烴與苯胺羰基化合成丙烯酰胺*

周 棟，鄧佑林，潘詩睿，唐 石

(吉首大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，湖南 吉首416000)

在氯化鈀/氯化銅的催化體系作用下，炔烴與苯胺在一氧化碳(101.325 kPa)環(huán)境中進(jìn)行串聯(lián)氯鈀化/羰基化反應(yīng)，以中等產(chǎn)率得到在功能材料領(lǐng)域存在廣泛應(yīng)用價(jià)值的丙烯酰胺類化合物.

羰基化反應(yīng)；鹵代丙烯酰胺；炔烴；苯胺;一氧化碳

丙烯酰胺(酯)及其衍生物是合成纖維工業(yè)和合成材料工業(yè)的重要原料之一，單體及其均聚物、共聚物都越來越廣泛地被用在國防建設(shè)、石油化工、選礦、造紙、紡織和水處理等方面[1-3].因此，發(fā)展操作簡單、反應(yīng)條件溫和、選擇性高的丙烯酰胺合成途徑具有重要的實(shí)踐意義.不飽和烴(炔烴，烯烴)與胺的羰基化反應(yīng)是合成此類化合物的重要途徑之一.一些化學(xué)研究者[4-8]曾成功利用一氧化碳來捕捉炔烴鹵鈀化反應(yīng)產(chǎn)生的活性鈀中間體，然后進(jìn)一步與醇、胺等進(jìn)行交換反應(yīng)，立體選擇性地制備了多種在合成中存在重要價(jià)值的功能烯丙酸酯或酰胺等化合物.文獻(xiàn)[9]報(bào)道了利用氯化鈀/氯化銅體系催化炔烴與醇發(fā)生串聯(lián)鹵鈀化/羰基化分子內(nèi)成環(huán)合成了3-鹵烯丙酸酯，如下所示：

但是該部分工作只探索了炔烴與醇羰基化反應(yīng)，據(jù)筆者所知，炔烴與苯胺分子間羰基化反應(yīng)合成丙烯酰胺迄今沒有相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道.基于以上研究背景，筆者發(fā)展了一類簡便、高效的由炔烴合成丙烯酰胺的羰基化反應(yīng)，利用氯化鈀 (摩爾分?jǐn)?shù)5%)/氯化銅(5 eq)催化體系成功催化炔烴與苯胺在一氧化碳(101.325 kPa)環(huán)境中以中等收率得到了多種丙烯酰胺衍生物，如下所示：

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.2實(shí)驗(yàn)儀器和藥品

1.2.1 實(shí)驗(yàn)儀器 安捷倫7890A型氣相色譜儀，ZF-1型三角紫外分析儀(上海驥輝科學(xué)分析儀器有限公司)，集熱式恒溫?cái)嚢杵?浙江省樂清市樂成電器廠)，標(biāo)準(zhǔn)熔點(diǎn)毛細(xì)管(上海顧鵬玻璃儀器有限公司)，旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀(上海亞榮生化儀器廠)，50 mL球形燒瓶，100 mL球形燒瓶，l，5 mL注射器，封口噻，膠頭滴管，薄層層析硅膠板等.

1.2.2 實(shí)驗(yàn)藥品 苯乙炔，庚炔，苯胺，氯化鈀，氯化銅，苯，對甲苯炔，四氫呋喃(THF)，乙腈(天津市富宇精細(xì)化工有限公司)，乙醇，一氧化碳，乙酸乙酯，石油醚.

1.3實(shí)驗(yàn)方法

(1)改變氯化鈀的用量對反應(yīng)的影響.取3只編號為1，2，3的 50 mL的球形燒瓶，稱量等量約苯胺(2.5 mmol)和苯乙炔(1.0 mmol)分別置于已編號的燒瓶內(nèi)，再分別加入等量的約氯化銅(5 eq)和0.050，0.075，0.100 mmol的氯化鈀做催化劑到編號為1，2，3的瓶中，然后用規(guī)格為5 mL的注射器分別往3個(gè)燒瓶內(nèi)加入THF (0.6 mL)和苯(10 mL)，混合后搖勻，加蓋，在持續(xù)通入一氧化碳(鼓泡)的情況下，最后置于 50 ℃的集熱式恒溫?cái)嚢杵髦袛嚢璺磻?yīng)24 h.反應(yīng)完畢后，用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀蒸去溶劑，所得混合物用乙醚洗滌幾次，并通過短硅膠柱進(jìn)行粗處理.收集有機(jī)層、旋干，所得混合物通過薄層色譜柱進(jìn)行分離提純得目標(biāo)產(chǎn)物.

(2)不同溶劑對反應(yīng)的影響.取2只已編號4，5的50 mL的球形燒瓶，稱量等量苯胺(2.5 mmol)和苯乙炔(1.0 mmol)分別置于已編號的燒瓶內(nèi)，再用分析天平稱量約0.10 mmol的氯化鈀和5 eq的氯化銅做催化劑,然后按燒瓶的編號順序用規(guī)格為5 mL的注射器往燒瓶內(nèi)加入10 mL苯后再分別加入0.6 mL乙醇、0.6 mL乙腈，混合后搖勻，加蓋，在持續(xù)通入一氧化碳(鼓泡)的情況下，最后置于 50 ℃的集熱式恒溫?cái)嚢杵髦袛嚢?4 h.反應(yīng)完畢后，用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀蒸去溶劑，所得混合物用乙醚洗滌幾次，并通過短硅膠柱進(jìn)行粗處理.收集有機(jī)層、旋干，所得混合物通過薄層色譜柱進(jìn)行分離提純得目標(biāo)產(chǎn)物.

(3)不同溶液配比對反應(yīng)的影響.取3只已編號6，7，8的50 mL的球形燒瓶，稱量苯乙炔(2.5 mmol)和苯乙炔(1.0 mmol)分別置于編號的燒瓶內(nèi)，再用分析天平稱量約0.1 mmol的氯化鈀和5 eq的氯化銅做催化劑,然后按燒瓶的編號順序用規(guī)格為5 mL的注射器往燒瓶內(nèi)加入10 mL苯后再分別加入0.4 mL四氫呋喃、0.6 mL THF、0.8 mL THF，混合后搖勻，加蓋，在持續(xù)通入一氧化碳(鼓泡)的情況下，最后置于 50 ℃的集熱式恒溫?cái)嚢杵髦袛嚢?4 h.反應(yīng)完畢后，用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀蒸去溶劑，所得混合物用乙醚洗滌幾次，并通過短硅膠柱進(jìn)行粗處理.收集有機(jī)層、旋干，所得混合物通過薄層色譜柱進(jìn)行分離提純得目標(biāo)產(chǎn)物.

(4)溫度對反應(yīng)的影響.取2只已編號9，10的50 mL的球形燒瓶，稱量苯胺(2.5 mmol)和苯乙炔(1.0 mmol)分別置于編號的燒瓶內(nèi)，再用分析天平稱量約0.1 mmol的氯化鈀和5 eq的氯化銅做催化劑,然后按燒瓶的編號順序用規(guī)格為5 mL的注射器往燒瓶內(nèi)加入苯(10 mL)和THF(0.6 mL)，混合后搖勻，加蓋，在持續(xù)通入一氧化碳(鼓泡)的情況下，最后置于 50 ℃和60 ℃的集熱式恒溫?cái)嚢杵髦袛嚢?4 h.反應(yīng)完畢后，用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀蒸去溶劑，所得混合物用乙醚洗滌幾次，并通過短硅膠柱進(jìn)行粗處理.收集有機(jī)層、旋干，所得混合物通過薄層色譜柱進(jìn)行分離提純得目標(biāo)產(chǎn)物.

2 結(jié)果與討論

2.1影響反應(yīng)進(jìn)行的各種因素

炔烴羰基化合成酰胺路線如下所示：

5 eq氯化銅時(shí)混合溶劑體系、鈀用量、反應(yīng)溫度的變化對酰胺產(chǎn)率的影響見表1.

表1 苯乙炔與苯胺羰基化反應(yīng)優(yōu)化條件篩選

2.1.1 鈀用量對反應(yīng)產(chǎn)量的影響 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示鈀的用量大時(shí)，原料轉(zhuǎn)化率較高，但是催化劑過量同樣會(huì)導(dǎo)致反應(yīng)速度的下降；且考慮到鈀金屬是貴金屬，過量使用鈀試劑也會(huì)使得成本增高.經(jīng)反復(fù)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，認(rèn)為0.1 mmol的氯化鈀的用量可以滿足反應(yīng)的充分進(jìn)行，是最佳催化劑用量(見表1).

2.1.2 混合溶劑體系對反應(yīng)的影響 在改變反應(yīng)溶媒對反應(yīng)影響的測定數(shù)據(jù)中，根據(jù)以前炔烴羰基化研究經(jīng)驗(yàn)[5-8]，使用一些混合溶劑體系有利于取得高的產(chǎn)率.經(jīng)過一些嘗試，如苯與乙腈、苯與乙醇體系、苯與四氫呋喃混合體系，發(fā)現(xiàn)苯與四氫呋喃混合體系效率最高.進(jìn)一步篩選發(fā)現(xiàn)，苯與四氫呋喃混合溶劑體系(v(苯)∶v(四氫呋喃) = 10∶0.6)時(shí)，反應(yīng)產(chǎn)率最高.因此，苯與四氫呋喃混合溶劑體系 (v(苯)∶v(四氫呋喃) = 10∶0.6)為實(shí)驗(yàn)室測得的最佳溶劑體系(見表1).

2.1.3 溫度對反應(yīng)的影響 數(shù)據(jù)顯示，溫度在該反應(yīng)中是一項(xiàng)重要的影響因素.反應(yīng)在溫度為50 ℃條件下的產(chǎn)率明顯高于30 ℃和60 ℃，所以50 ℃為最佳的反應(yīng)條件.

綜上可知，實(shí)驗(yàn)條件篩選得到的優(yōu)化反應(yīng)條件是：苯胺(2.5 mmol)，炔烴(1.0 mmol)，PdCl2(0.1mmol),CuCl2(5 mmol),苯與四氫呋喃混合溶劑(v(苯)∶v(四氫呋喃) = 10∶0.6),在101.325 kPa一氧化碳環(huán)境中于50 ℃攪拌反應(yīng)24 h.

2.2優(yōu)化條件下丙烯酰胺衍生物的合成

(1)3-氯-3,N-二苯基丙烯酰胺 (3a)的合成路線如下所示：

取1只球形瓶，稱量0.1 mmol的氯化鈀和5 eq的氯化銅置于瓶中，注入10 mL苯，0.6 mL THF，苯胺2.5 mmol，苯乙炔1 mmol，在持續(xù)通入一氧化碳(鼓泡)的情況下，最后置于 50 ℃的集熱式恒溫?cái)嚢杵髦袛嚢?4 h.反應(yīng)完畢后，用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀蒸去溶劑，所得混合物用乙醚洗滌幾次，并通過短硅膠柱進(jìn)行粗處理.收集有機(jī)層、旋干，所得混合物通過薄層色譜柱以石油醚/乙酸乙酯為洗脫液(v(石油醚)∶v(乙酸乙酯)= 5∶1)進(jìn)行分離提純得目標(biāo)產(chǎn)物,產(chǎn)率52%，黃色固體，熔點(diǎn)82～83.5 ℃，1H NMR(400 Hz,CDCl3)δ：8.27 (br,1H),7.62(d,J=8.0 Hz,2H),7.43～7.13(m,6H),6,65(s,1H).

(2)3-氯-辛-2-烯酸苯酰胺 (3b)的合成路線如下所示：

取1只球形瓶，稱量0.1 mmol的氯化鈀和5eq的氯化銅置于瓶中，注入10 mL苯，0.6mL THF，苯胺2.5 mmol，庚炔 1 mmol，在持續(xù)通入一氧化碳(鼓泡)的情況下，最后置于 50 ℃的集熱式恒溫?cái)嚢杵髦袛嚢?4 h.反應(yīng)完畢后，用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀蒸去溶劑，所得混合物用乙醚洗滌幾次，并通過短硅膠柱進(jìn)行粗處理.收集有機(jī)層、旋干，所得混合物通過薄層色譜柱以石油醚/乙酸乙酯為洗脫液(v(石油醚)∶v(乙酸乙酯)=5∶1)進(jìn)行分離提純得目標(biāo)產(chǎn)物,產(chǎn)率52%,黃色固體,熔點(diǎn)77～78 ℃,1H NMR(400 Hz,CDCl3)δ:8.18(br,1H),7.57(d,J=8.0 Hz,2H),7.33～7.29 (m,2H),7.11(t,J=7.2 Hz,1H),6,11(s,1H),2.43(t,J=7.6 Hz,2H),1.67～1.58(m,2H),1.32～1.25(m,4H),0.90(t,J=6.8 Hz).

2.3反應(yīng)機(jī)理

在文獻(xiàn)[5-15]的基礎(chǔ)上，提出如下所示的炔烴羰基化機(jī)理過程：

首先炔烴與鈀發(fā)生氯鈀化反應(yīng)得到鈀中間體A,然后這種活潑鈀中間體被一氧化碳捕捉生成中間體B，接著中間體B與親核的苯胺發(fā)生?；磻?yīng)生成鈀中間C,最后鈀中間C還原消除生成產(chǎn)物3a和零價(jià)鈀.零價(jià)鈀現(xiàn)場被氯化銅氧化成二價(jià)鈀參與下一輪催化循環(huán).

3 結(jié)語

發(fā)展了一類鈀催化炔烴與苯胺羰基化反應(yīng)，為在功能材料領(lǐng)域存在廣泛應(yīng)用價(jià)值的丙烯酰胺合成提供了一條有效的合成途徑.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，影響該反應(yīng)的因素有：(1)溶劑的極性，如乙醇、乙腈、四氫呋喃(THF)分別與溶劑苯的不同配比將對反應(yīng)產(chǎn)率影響較大；(2)催化劑氯化鈀的用量；(3)溫度是一個(gè)重要的影響反應(yīng)產(chǎn)率的因素，過高或過低都不利于反應(yīng)的進(jìn)行.最佳溶劑體系為苯與四氫呋喃混合溶劑(v(苯)∶v(四氫呋喃) = 10∶0.6)，反應(yīng)溫度為50 ℃時(shí)效果最佳.進(jìn)一步擴(kuò)寬反應(yīng)底物范圍和優(yōu)化反應(yīng)條件有待深入研究.

[1] 施 峰,袁莉萍,郭慶銘,等.取代丙烯酰胺類化合物的合成及生物活性[J].農(nóng)藥學(xué)學(xué)報(bào)，2002，4(1):64-69.

[2] 王志偉,齊 歡,吳英粱,等.N-芳基-α-氧代苯乙酰胺類化合物的設(shè)計(jì)、合成及抗氧增殖活性[J].沈陽藥科大學(xué)學(xué)報(bào),2013,30(8):590-595.

[3] 蔡華軍,崔冬梅.過渡金屬催化的N-烯丙基磺酰胺類化合物的合成研究進(jìn)展[J].浙江化工,2010,41(2):18-21.

[4] HAN Xiuling,LIU Guixia,LU Xiyan.β-Hydride Elimination in Palladium-Catalyzed Reactions[J].Chin. J. Org. Chem.,2005,25(10):4 429-4 432.

[5] LI Jinheng,JIANG Huanfeng,FENG Aiqun,et al.Novel Stereospecific Synthesis of 3-Chloroacrylate Esters via Palladium-Catalyzed Carbonylation of Terminal Acetylene[J].J. Org. Chem.,1999,64(16):5 984-5 987.

[6] MA Shengming,WU Bin,ZHAO Shimin.Mild and Efficient Synthesis of (Z)-α-Chloroalkylidene-β-lactones via the PdCl2-Catalyzed Cyclocarbonylation of 2-Alkynols[J].Org. Lett.,2003,5(23):4 429-4 432.

[7] MA Shengming,WU Bin,JIANG Xuefeng,et al.Studies on Pd(II)-Catalyzed Synthesis of (Z)-α-Haloalkylidene-β-lactones from Cyclocarbonylation of 2-Alkynols and the Subsequent Coupling Reactions[J].J. Org. Chem.,2005,70(7):2 568-2 575.

[8] MA Shengming,WU Bin,JIANG Xuefeng.PdCl2-Catalyzed Efficient Transformation of Propargylic Amines to (E)-r-Chloroalkylidene-β-lactams[J].J. Org. Chem.,2005,70(7):2 588-2 593.

[9] LI Jinheng,TANG Shi,XIE Yexiang.General and Selective Synthesis of (Z)-3-Haloacrylates via Palladium-Catalyzed Carbonylation of Terminal Alkynes[J].J. Org. Chem.,2005,70(2):477-479.

[11] JI Jianguo,ZHANG Chunming,LU Xiyan.Palladium-Templated Regio-and Stereoselective Cyclization of 2′-Alkenyl 2-Alkynoates and Its Synthetic Applications[J].J. Org. Chem.,1995,60(5):1 160-1 169.

[12] MA Shengming,LU Xiyan.Stereoselective Synthesis of Alpha.-Chloromethylene-.Gamma.-Butyrolactone Derivatives from Acyclic Allylic 2-Alkynoate[J].J. Org. Chem.,1993,58(5):1 245-1 250.

[13] LI Jinheng,JIANG Huanfeng,CHEN Mingcai.CuCl2-Induced Regiospecifical Synthesis of Benzene Derivatives in the Palladium-Catalyzed Cyclotri-Merization of Alkynes[J].J. Org. Chem.,2001,66(10):3 627-3 629.

[14] LI Jinheng,LIANG Xun,XIE Yexiang.Mild and Selective Palladium-Catalyzed Dimerization of Terminal Alkynes to Form Symmetrical (Z,Z)-1,4-Dihalo-1,3-Dienes[J].J. Org. Chem.,2004,69(23):8 125-8 127.

[15] TANG Shi,XIE Yexiang,LI Jinheng,et al.PdX2/CuX2-Catalyzed Annulation of 2-Ethynylbenzenamines:Selective Synthesis of 3-Halo-2-Substituted-1H-Indoles[J].Synthesis,2007,12:1 841-1 847.

(責(zé)任編輯 向陽潔)

SynthesisofAcrylamidefromPalladium-CatalyzedCarbonylationofAnilinewithAlkyne

ZHOU Dong,DENG Youlin,PAN Shirui,TANG Shi

(College of Chemistry and Chemical Engineering,Jishou University,Jishou 416000,Hunan China)

In the presence of PdCl2/CuCl2catalytic system,alkyne and aniline underwent tandem halopalladation/carbonylation to afford a serial of haloarylamides in moderate yield under 1 atm carbon monoxide.

carbonylation;haloacrylamide;alkyne;aniline;carbon monoxide

1007-2985(2014)06-0087-05

2014-05-15

湖南省教育廳優(yōu)秀青年基金項(xiàng)目(13B094)；吉首大學(xué)大學(xué)生研究性學(xué)習(xí)和創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)計(jì)劃項(xiàng)目(JSU-CX-2013-03)；吉首大學(xué)研究生科研創(chuàng)新項(xiàng)目(JGY201418)

周 棟(1988—)，男，江蘇宿遷人，吉首大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院碩士研究生，主要從事有機(jī)合成研究

唐 石(1979—)，男，湖南衡陽人，吉首大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院副教授，博士,主要從事有機(jī)化學(xué)、天然化學(xué)物提取研究.

O643.32

B

10.3969/j.issn.1007-2985.2014.06.021