巨少英 李 雪 高安麗 姜 婧 余 娟 劉偉平

(昆明貴金屬研究所，稀貴金屬綜合利用新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，昆明 650106)

0 引 言

偶聯(lián)反應(yīng)是構(gòu)建有機(jī)新結(jié)構(gòu)和新骨架(C—C，C—N，C—O等)的重要手段之一，已廣泛用于功能有機(jī)光電材料、藥物合成及天然產(chǎn)物的合成和生產(chǎn)中[1-9]。偶聯(lián)反應(yīng)離不開催化劑，其中以Pd(PPh3)4為代表的有機(jī)膦鈀催化劑應(yīng)用最為廣泛。Pd(PPh3)4為Pd0化合物，在空氣中不穩(wěn)定，存在反應(yīng)活性和選擇性低的問題[10-11]。為此，人們通過對(duì)配體進(jìn)行修飾，合成具有大的空間位阻和富電性的膦配體，如雙(二叔丁基苯基膦)((t-Bu)2PPh)、二叔丁基-(4-二甲基氨基苯基)膦(Amphos)、4，5-雙二苯基膦-9，9-二甲基氧雜蒽(Xantphos)等，替代三苯基膦，合成有機(jī)膦鈀催化劑，以調(diào)控催化活性和選擇性，并采用Pd替代Pd0為中心原子，以提高催化劑的穩(wěn)定性。對(duì)應(yīng)的催化劑Pd((t-Bu)2PPh)2Cl2[12]、Pd(Amphos)2Cl2[13]、Pd(Xantphos)Cl2[14-15]已在有機(jī)化工行業(yè)中得到應(yīng)用。但它們?cè)谝恍┨囟ǖ呐悸?lián)反應(yīng)中仍存在催化活性和選擇性不理想的問題，因此，有必要開發(fā)新型的有機(jī)膦鈀催化劑，以滿足不斷出現(xiàn)的偶聯(lián)反應(yīng)的需求。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

鈀源 PdBr2、對(duì)照催化劑 Pd((t-Bu)2PPh)2Cl2、Pd(Amphos)2Cl2、Pd(Xantphos)Cl2均購(gòu)自貴研鉑業(yè)股份有限公司，純度不小于98.0%；配體(t-Bu)2PPh、Amphos、Xantphos均購(gòu)自阿法埃莎(天津)化學(xué)科技有限公司，純度均大于98%。其它實(shí)驗(yàn)室常用試劑和溶劑均為分析純。C、H、N含量采用Vario EL Ⅲ型元素分析儀測(cè)定，鈀含量采用常規(guī)還原-重量法測(cè)定[18]；1H NMR譜圖由Avance Ⅲ 500 MHz核磁共振儀測(cè)定。

1.2 目標(biāo)配合物的合成

將2.66 g(10 mmol)PdBr2加入200 mL雙口圓底燒瓶，加入100 mL MeCN，在80℃下回流至PdBr2完全溶解，冷卻至室溫，滴加對(duì)應(yīng)的有機(jī)膦配體20 mmol，可觀察到析出黃色沉淀，過濾收集沉淀，用MeCN洗滌，在60℃下真空干燥，得到對(duì)應(yīng)的目標(biāo)配合物。

1.2.1 目標(biāo)配合物1

目標(biāo)配合物1為淺黃色晶狀粉末，產(chǎn)量：6.1 g，產(chǎn)率：86%。元素分析按C28H46Br2P2Pd的計(jì)算值(%)：C,47.3；H，6.63；Pd，15.0。實(shí)測(cè)值(%)：C，47.40；H，6.52；Pd，14.8。1H NMR(500 MHz，CDCl3)：δ7.89(s，2H)，7.33(d，J=7.3 Hz，3H)，1.61(t，J=6.9 Hz，18H)。

1.2.2 目標(biāo)配合物2

目標(biāo)配合物2為深黃色晶狀粉末，產(chǎn)量：4.2 g，產(chǎn)率：80%。元素分析按C32H56Br4N2P2Pd2的計(jì)算值(%)：C，36.15；H，5.31；N，2.63；Pd，20.02。實(shí)測(cè)值(%)：C，37.42；H，5.40；N，2.71；Pd，20.10。1H NMR(500 MHz，CDCl3)：δ7.72(dt，J=8.6，4.2 Hz，1H)，6.63(d，J=8.8 Hz，1H)，2.97(s，3H)，2.00，1.59(m，18H)。

1.2.3 目標(biāo)配合物3

目標(biāo)配合物3為黃色晶狀粉末，產(chǎn)量：6.9 g，產(chǎn)率：82%。元素分析按C39H32Br2OP2Pd的計(jì)算值(%)：C，55.44；H，3.82；Pd，12.60。實(shí)測(cè)值(%)：C，55.87；H，3.92；Pd，12.60。1H NMR(500 MHz，CDCl3)：δ7.39(d，J=1.3 Hz，1H)，7.22(ddd，J=16.2，10.3，5.0 Hz，10H)，6.96(t，J=7.6 Hz，1H)，6.55(dd，J=7.5，1.7 Hz，1H)，1.73，1.65(s，3H)。

1.3 配合物1～3的單晶X射線衍射分析

分別在配合物1～3的二氯甲烷溶液上層鋪上一層乙腈，置于室溫條件下讓乙腈向二氯甲烷溶液緩慢擴(kuò)散，一周后析出黃色晶體。挑選配合物1(0.300 mm×0.250 mm×0.250 mm)、配 合 物 2(0.210 mm×0.200 mm×0.060 mm)、配 合 物 3(0.300 mm×0.250 mm×0.230 mm)進(jìn)行單晶衍射分析。衍射數(shù)據(jù)在BRUKER SMART APEX CCD單晶衍射儀上收集，在120(2)K溫度下，用Cu靶(Kα射線，λ=0.154 178 nm)、采用ω-2θ掃描方式收集衍射數(shù)據(jù)。分子結(jié)構(gòu)中的非氫原子采用直接法由SHELX-97程序[19-20]解出，氫原子由理論計(jì)算模型加上。

CCDC：2039381，1；2039380，2；2039382，3。

1.4 催化活性測(cè)定

選擇2個(gè)典型的Suzuki有機(jī)偶聯(lián)反應(yīng)模型，優(yōu)化反應(yīng)條件，在相同的反應(yīng)條件下進(jìn)行偶聯(lián)實(shí)驗(yàn)，比較3個(gè)目標(biāo)配合物及對(duì)應(yīng)的Pd((t-Bu)2PPh)2Cl2、Pd(Amphos)2Cl2、Pd(Xantphos)Cl2的產(chǎn)率。

表1 配合物1～3的晶體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)Table 1 Crystallographic data for complexes 1～3

1.4.1 反應(yīng)模型1

取 2-溴噻吩(163 mg，1 mmol)、對(duì)羥基苯硼酸(137 mg，1 mmol)、K2CO3(276 mg，2 mmol)、Pd催化劑(相對(duì)于對(duì)羥基苯硼酸的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)：5%)加入到250 mL雙頸燒瓶中。在氮?dú)獗Ｗo(hù)下加入THF/H2O混合溶劑(1.5∶1，V/V)100 mL，在75 ℃下攪拌，反應(yīng)12 h后，用已建立的HPLC法測(cè)定產(chǎn)物4-(2-噻吩基)苯酚濃度并計(jì)算轉(zhuǎn)化率。對(duì)應(yīng)的偶聯(lián)反應(yīng)式如下：

1.4.2 反應(yīng)模型2

稱取 4，7-二溴苯并噻二唑(293 mg，1 mmol)、對(duì)羥基苯硼酸片吶醇酯(220 mg，1 mmol)、K2CO3(276 mg，2 mmol)、Pd催化劑(相對(duì)于4，7-二溴苯并噻二唑的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)：5%)加入到250 mL雙頸燒瓶中。在氮?dú)猸h(huán)境下加入 THF/H2O(1∶1，V/V，100 mL)，在75℃下攪拌，反應(yīng)12 h后，用已建立的HPLC法測(cè)定產(chǎn)物4-(7-溴苯并[1，2，5]噻二唑-4-基)苯酚濃度并計(jì)算轉(zhuǎn)化率。對(duì)應(yīng)的偶聯(lián)反應(yīng)式如下：

2 結(jié)果與討論

對(duì)于 Pd((t-Bu)2PPh)2Cl2、[Pd(Amphos)2Cl2]、Pd(Xantphos)Cl2的合成方法，文獻(xiàn)中已有報(bào)道，我們對(duì)合成路線和方法都經(jīng)過優(yōu)化，合成了3種有機(jī)膦溴鈀催化劑，即采用先配位加成，再配位取代的路線，利用這3種配體與過渡金屬溴化物PdBr2反應(yīng)制備了3種有機(jī)膦溴化鈀配合物。具體的反應(yīng)過程是以PdBr2作起始原料，溶于MeCN后，發(fā)生配位加成反應(yīng)，形成可溶于MeCN的中間體trans-Pd(MeCN)2Br2。加入有機(jī)膦配體后，由于它們與Pd有很強(qiáng)的配位能力，會(huì)與trans-Pd(MeCN)2Br2發(fā)生配位取代反應(yīng)，置換配位的MeCN，生成相應(yīng)的目標(biāo)配合物(圖1)。目標(biāo)配合物微溶于MeCN，從反應(yīng)液中析出，通過過濾分離得到。考慮到含膦配體在空氣中易氧化分解，因此配位取代反應(yīng)步驟是在惰性氣氛(高純氮?dú)猓?9.9%)下進(jìn)行。

圖1 目標(biāo)配合物1～3的合成路線Fig.1 Synthetic routes of complexes 1～3

2.2 晶體結(jié)構(gòu)

由單晶X射線衍射數(shù)據(jù)得到的晶體結(jié)構(gòu)見圖2。從晶體的結(jié)構(gòu)圖中可以發(fā)現(xiàn)，3個(gè)目標(biāo)配合物均為四配位的Pd配合物，Pd處于配位的中心。其中，配合物1(圖2a)的配位原子為2個(gè)磷和2個(gè)溴，相互處于反位，組成trans-平面四方形配合物；配合物2(圖2b)的配位原子為1個(gè)磷和3個(gè)溴，其中2個(gè)溴作為橋聯(lián)配體，連接2個(gè)[Pd(Amphos)Br]的結(jié)構(gòu)單元，形成2個(gè)平面結(jié)構(gòu)的雙核配合物，并且2個(gè)配位平面夾角為0°，即2個(gè)鈀和4個(gè)溴共平面。2個(gè)Amphos配體在空間上相對(duì)配位平面取向相反，以減少空間位阻。配合物3(圖2c)中，Xantphos為雙齒磷配體，盡管有機(jī)膦存在較大的反位效應(yīng)，但Xantphos分子的剛性結(jié)構(gòu)和2個(gè)磷原子之間的距離有限，阻礙了它與Pd的反位配位，形成了cis-構(gòu)型的Pd配合物，P2Pd平面和PdBr2平面的夾角為16°，說明P2PdBr2配位平面發(fā)生了一定的變形，可能是由于龐大的剛性分子Xantphos的空間位阻引起的。

圖2 配合物1(a)、2(b)和3(c)的晶體圖Fig.2 ORTEP drawing of complexes 1(a),2(b),and 3(c)

三個(gè)配合物分子的Pd—P鍵長(zhǎng)為0.229 5～0.240 6 nm，屬于正常范圍。但配合物2存在2個(gè)類型的Pd—Br，分別來自非橋聯(lián)的Br2—Pd1—P1和橋聯(lián) 的 Pd1—Br1—Pd1a。 其 中 Pd1—Br2鍵 長(zhǎng) 為0.242 5 nm，與配合物1、3的Pd—Br鍵長(zhǎng)非常接近，屬于正常值。但橋聯(lián)的Pd1—Br1—Pd1a中，Pd—Br鍵長(zhǎng)明顯大于非橋聯(lián)的Pd—Br，達(dá)到了0.253 6 nm，說明橋聯(lián)溴穩(wěn)定性較差，推測(cè)在催化反應(yīng)中會(huì)首先斷裂，形成對(duì)應(yīng)的單核鈀配合物。

2.3 催化活性

研究了3個(gè)溴化鈀配合物對(duì)溴代噻吩和二溴苯并噻二唑的Suzuki偶聯(lián)反應(yīng)的催化作用，并與相應(yīng)氯化鈀配合物進(jìn)行了比較。從表2中可以看出，3個(gè)目標(biāo)有機(jī)膦Pd配合物Pd((t-Bu)2PPh)2Br2、[Pd(Amphos)Br2]2、Pd(Xantphos)Br2對(duì)2個(gè) Suzuki偶聯(lián)反應(yīng)均有很強(qiáng)的催化作用，催化產(chǎn)率均大于60%。在不同的模型上，催化作用各有差異，其中，Pd((t-Bu)2PPh)2Br2在反應(yīng)模型1上催化活性最高，達(dá)到了81%，而[Pd(Amphos)Br2]2則在反應(yīng)模型2上催化效果最佳，產(chǎn)率83%。更重要的是，3個(gè)目標(biāo)有機(jī)膦Pd配合物在2個(gè)模型上的催化活性均高于對(duì)應(yīng)的氯化鈀配合物，特別是在反應(yīng)模型2上，[Pd(Amphos)Br2]2的催化產(chǎn)率比Pd(Amphos)2Cl2高27%。文獻(xiàn)報(bào)道的Pd((t-Bu)2PPh)2Cl2[21]、Pd(Amphos)2Cl2[22]、Pd(Xantphos)Cl2[23]的單晶結(jié)構(gòu)中，Pd—Cl鍵長(zhǎng)在0.230 6～0.234 2 nm范圍內(nèi)，比相對(duì)應(yīng)的目標(biāo)配合物的Pd—Br鍵短大約0.01 nm，在偶聯(lián)催化過程中相對(duì)難以離解，這可能是以溴為離解配體的有機(jī)膦Pd配合物比對(duì)應(yīng)的以氯為離解配體的Pd配合物催化活性更高的原因，所以我們認(rèn)為，在選擇有機(jī)膦Pd催化劑時(shí)，采用溴替代氯作解離配體可能是一個(gè)有效的方法。

表2 有機(jī)膦Pd配合物在Suzuki偶聯(lián)反應(yīng)上的催化活性Table 2 Catalytic activity of palladiumcom plexes in Suzuki coup ling reaction

表2 有機(jī)膦Pd配合物在Suzuki偶聯(lián)反應(yīng)上的催化活性Table 2 Catalytic activity of palladiumcom plexes in Suzuki coup ling reaction

Entry 1 2 3 4 5 6 Catalyst Pd((t-Bu)2PPh)2Cl2 Pd((t-Bu)2PPh)2Br2 Pd(Amphos)2Cl2[Pd(Amphos)Br2]2 Pd(Xantphos)Cl2 Pd(Xantphos)Br2 Yield/%Reaction 1 72%81%47%63%58%69%Reaction 2 45%61%56%83%65%76%

3 結(jié) 論

我們合成了3種分別以二叔丁基苯基膦、二叔丁基-(4-二甲基氨基苯基)膦、4，5-雙二苯基膦-9，9-二甲基氧雜蒽為膦配體的新型溴化鈀配合物trans-Pd[(t-Bu)2PPh]2Cl2、trans-[Pd(Amphos)Br2]2、cis-Pd(Xantphos)Br2，相對(duì)于市售的有機(jī)膦氯化鈀催化劑，它們?cè)?個(gè)Suzuki偶聯(lián)反應(yīng)模型上均表現(xiàn)出高的催化活性。

致謝：感謝云南大學(xué)化學(xué)系程曉紅教授在配合物催化性能實(shí)驗(yàn)方面給予的幫助。