巨少英，高安麗，李 雪，余 娟，陳 力

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

有機(jī)膦鈀配合物在C-X(X=C,O,N)偶聯(lián)反應(yīng)中具有優(yōu)越的催化性能，廣泛應(yīng)用于有機(jī)光電功能材料、有機(jī)藥物和天然產(chǎn)物的合成和生產(chǎn)中[1-4]。有機(jī)膦鈀配合物主要由中心鈀原子和有機(jī)膦配體組成，最有代表性的是四(三苯基膦)合鈀[Pd(PPh3)4][5]。[Pd(PPh3)4]為Pd(0)的化合物，在空氣中不穩(wěn)定，給生產(chǎn)和應(yīng)用帶來不便[6]。為了改善配合物的穩(wěn)定性，科技和工業(yè)界采用Pd(Ⅱ)替代Pd(0)為中心原子，同時引入氯離子作解離配體，以平衡電荷，得到可溶于有機(jī)溶劑的中性配合物，例如二氯二(三苯基膦)合鈀[Pd(PPh3)2Cl2][7-9]，因?yàn)榇蠖鄶?shù)偶聯(lián)反應(yīng)需要在有機(jī)介質(zhì)中進(jìn)行。三苯基膦為最常見的有機(jī)膦配體，以其為配體的[Pd(PPh3)2Cl2]雖然對很多偶聯(lián)反應(yīng)有良好的催化性能，但在有些重要的偶聯(lián)反應(yīng)中，催化活性和選擇性仍不盡人意。為此，人們又選用不同的有機(jī)膦配體調(diào)控鈀配合物的催化性能[10-11]。目前，有機(jī)膦配體是如何影響有機(jī)膦鈀配合物催化性能的研究和報道并不多。本文選擇3 種不同的有機(jī)膦配體，雙(二叔丁基苯基膦)-t-Bu)2PPh[12]、雙(二叔丁基-4-二甲氨基苯基膦)-Amphos[13]、4,5-雙二苯基膦-9,9-二甲基氧雜蒽-Xantphos[14]，合成二氯有機(jī)膦鈀配合物，表征它們的化學(xué)結(jié)構(gòu)、在3 種偶聯(lián)反應(yīng)模型上測試催化活性，以此探討有機(jī)膦配體對鈀配合物催化性能的影響，為開展新型有機(jī)膦鈀偶聯(lián)催化劑提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)試劑及儀器

PdCl2和[Pd(PPh3)4]由貴研鉑業(yè)股份有限公司提供，純度(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)≥98.0%；有機(jī)膦配體(t-Bu)2PPh、Amphos、Xantphos 購自阿法埃莎(天津)化學(xué)科技有限公司，純度均大于98%；THF(AR，500 mL)購自百靈威科技有限公司；其它試劑和溶劑均為分析純。

1.2 目標(biāo)配合物的合成

將1.77 g(10 mmol) PdCl2加入100 mL THF，在65℃下加熱回流，至PdCl2完全溶解，冷卻至室溫，充換氮?dú)? 次，并在氮?dú)獗Ｗo(hù)下，分別滴加單齒膦配體(t-Bu)2PPh (4.45 g，20 mmol)，Amphos(5.31 g，20 mmol) 和雙齒膦配體 Xantphos (5.79 g，10 mmol)，配體0.5 h 滴加完畢，分別析出有色沉淀，減壓蒸餾，THF 洗滌，在50℃下真空干燥2 h，得到對應(yīng)的目標(biāo)配合物。

1.3 產(chǎn)物的表征

采用Vario ELⅢ型元素分析儀測定C、H、N 含量；鈀含量采用常規(guī)還原-重量法測定；1H-NMR 譜圖由Avance III 500MHz 核磁共振儀測定；采用德國布魯克AXS 公司的Apex Duo 型X 射線單晶衍射儀(XRD)測量單晶數(shù)據(jù)。

1.4 催化活性測定

選擇2 個典型的Suzuki 偶聯(lián)反應(yīng)和1 個Sono-gashira 偶聯(lián)反應(yīng)進(jìn)行了有機(jī)膦鈀配合物的催化活性實(shí)驗(yàn)。通過預(yù)試驗(yàn)優(yōu)化反應(yīng)條件，并在相同的反應(yīng)條件下測定合成的3 個有機(jī)膦鈀配合物和對照催化劑[Pd(PPh3)4]的催化轉(zhuǎn)化率。

2 結(jié)果與討論

2.1 產(chǎn)物的合成和化學(xué)組成

以PdCl2為起始原料，選擇THF 為反應(yīng)介質(zhì)、在氮?dú)獗Ｗo(hù)下，通過配合加成反應(yīng)(見圖1)合成了3種有機(jī)膦鈀配合物。經(jīng)元素分析和1H-NMR 分析確定產(chǎn)物化學(xué)成分。

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

1) 目標(biāo)配合物trans-{Pd[(t-Bu)2PPh]2Cl2}。黃色晶狀粉末，產(chǎn)量5.9 g，產(chǎn)率95%。元素分析按C28H46Cl2P2Pd 的計算值：C 54.0%，H 7.4%，Pd 17.1%；實(shí)測值C 54.6%，H 7.6%，Pd 17.0%。1H-NMR(500 MHz，CDCl3)δ(10-6)：7.89 (s,2H)，7.32 (d,J=7.3 Hz,3H)，1.62 (t,J=6.9 Hz,18H)。

2) 目標(biāo)配合物trans-[Pd(Amphos)2Cl2]。黃色晶狀粉末，產(chǎn)量 6.7 g，產(chǎn)率 96%。元素分析按C32H56Cl2N2P2Pd 的計算值：C 54.2%，H 7.9%，N 3.9%，Pd 15.0%；實(shí)測值：C 54.6%，H 7.8%，N 4.1%，Pd 15.0%。1H-NMR (500 MHz,CDCl3)δ(10-6)：7.72(dt,J=8.6,4.2 Hz,2H),6.63 (d,J=8.8 Hz,2H),2.97(s,6H),2.00,1.59 (m,18H)。

3) 目標(biāo)配合物cis-[Pd(Xantphos)Cl2]。紅色晶狀粉末，產(chǎn)量 7.2 g，產(chǎn)率 96%。元素分析按C39H32Cl2OP2Pd 的計算值：C 61.9%，H 4.2%，Pd 14.1%；實(shí)測值：C 62.0%，H 4.3%，Pd 14.0%。1H-NMR (500 MHz,CDCl3)δ(10-6)：7.39 (d,J=1.3 Hz,2H),7.22 (ddd,J=16.2,10.3,5.0 Hz,20H),6.96(t,J=7.6 Hz,2H),6.55 (dd,J=7.5,1.7 Hz,2H),1.73～1.65 (s,6H)。

2.2 產(chǎn)物化學(xué)結(jié)構(gòu)確定

目標(biāo)配合物的晶體是通過MeCN 與CH2Cl2混合溶劑揮發(fā)法培養(yǎng)得到(因Pd(Amphos)2Cl2(II)未培養(yǎng)出單晶，未進(jìn)行后續(xù)表征)，在APEX DUO 雙光源單晶衍射儀上測定單晶衍射數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)解析采用直接法(SHELXTL)完成[15]，結(jié)合LP 因子和經(jīng)驗(yàn)吸收校正，所有非氫原子坐標(biāo)和各向異性溫度因子采用全矩陣最小二乘法進(jìn)行修正[16-18]，氫原子采用理論加氫的方法確定。相關(guān)晶體學(xué)數(shù)據(jù)如表1 所列，根據(jù)單晶XRD 結(jié)果得到trans-{Pd[(t-Bu)2PPh]2Cl2}和trans-[Pd(Amphos)2Cl2]的的化學(xué)結(jié)構(gòu)，如圖2 所示。

表1 目標(biāo)配合物的晶體數(shù)據(jù)Tab. 1 Crystal structural data for the complexs

圖2 配合物Pd[(t-Bu)2PPh]2Cl2 (a)和Pd(Xantphos)Cl2 (b)的單晶結(jié)構(gòu)圖Fig. 2 Single crystal structure of complexs Pd[(t-Bu)2PPh]2Cl2 (a) and Pd(Xantphos)Cl2 (b)

2.3 催化活性分析

2.3.1 Suzuki 偶聯(lián)反應(yīng)模型I

取2-溴噻吩(163 mg,1 mmol)，對羥基苯硼酸(137 mg,1 mmol)，K2CO3(276 mg,2 mmol)，Pd 催化劑(0.05mmol 相對于對羥基苯硼酸)，加入到250 mL 雙頸燒瓶中，在氮?dú)獗Ｗo(hù)下，加入THF:H2O=1.5:1 的混合溶劑100 mL，在75°C 下攪拌，反應(yīng)12 h 后，用已建立的HPLC 法測定產(chǎn)物4-(2-噻吩基)苯酚濃度并計算轉(zhuǎn)化率。對應(yīng)的偶聯(lián)反應(yīng)式如式(I)所示。

2.3.2 Suzuki 偶聯(lián)反應(yīng)模型Ⅱ

稱取4,7-二溴苯并噻二唑(293 mg,1 mmol)，對羥基苯硼酸片吶醇酯(220 mg,1 mmol)，K2CO3(276 mg,2 mmol)，Pd 催化劑(0.05mmol 相對于4,7-二溴苯并噻二唑)，加入到250 mL 雙頸燒瓶中，氮?dú)猸h(huán)境下，加入THF :H2O=1:1(100 mL)，在75°C 下攪拌，反應(yīng)12 h 后，用已建立的HPLC 法測定產(chǎn)物4-(7-溴苯并[1,2,5]噻二唑-4-基)苯酚濃度并計算轉(zhuǎn)化率。對應(yīng)的偶聯(lián)反應(yīng)式如式(II)所示。

2.3.3 Sonogashira 偶聯(lián)反應(yīng)模型Ⅲ

稱取4,7-二溴苯并噻二唑(293 mg,1 mmol)，甲基丁炔醇(252 mg,3 mmol)，Pd 催化劑(0.05 mmol相對于4,7-二溴苯并噻二唑)，加入到250 mL 雙頸燒瓶中，氮?dú)猸h(huán)境下，加入THF:Et3N=1:1(100 mL)，在25°C 下攪拌，反應(yīng)12 h 后，用已建立的HPLC法測定產(chǎn)物溴苯并噻二唑-甲基丁醇濃度并計算轉(zhuǎn)化率。對應(yīng)的偶聯(lián)反應(yīng)式如式(III)所示。

3 個目標(biāo)配合物和[Pd(PPh3)4]對3 種偶聯(lián)反應(yīng)的催化轉(zhuǎn)化率列于表2。

表2 有機(jī)膦Pd(Ⅱ)配合物在偶聯(lián)反應(yīng)模型上的催化活性Tab. 2 Catalytic activity of the palladium(Ⅱ) complexes in Suzuki coupling reaction

由表2 數(shù)據(jù)可見：對于偶聯(lián)反應(yīng)模型I 和Ⅲ，催化活性的順序是trans-{Pd[(t-Bu)2PPh]2Cl2}＞ cis-[Pd(Xantphos)Cl2]＞ trans-[Pd(Amphos)2Cl2]，trans-{Pd[(t-Bu)2PPh]2Cl2}的活性最高。而對偶聯(lián)反應(yīng)模型Ⅱ，催化活性的順序?yàn)?cis-[Pd(Xantphos)Cl2]＞trans-[Pd(Amphos)2Cl2]＞ trans-{Pd[(t-Bu)2PPh]2Cl2}，cis-[Pd(Xantphos)Cl2]的活性最高。這些結(jié)果表明，膦配體對鈀分子偶聯(lián)催化劑的活性有著重要的影響，且對不同反應(yīng)模型影響不一樣。有機(jī)膦鈀在3個偶聯(lián)反應(yīng)模型的總體活性有這樣的趨勢：模型Ⅰ≈模型Ⅱ＞＞模型Ⅲ，表明有機(jī)膦鈀分子偶聯(lián)催化劑在Suzuki 反應(yīng)模型上比Sonogashira 反應(yīng)模型上表現(xiàn)出較高的催化活性。

trans-{Pd[(t-Bu)2PPh]2Cl2}對偶聯(lián)反應(yīng)模型I、Ⅲ，均顯示相對高的活性。其配體(t-Bu)2PPh 和Amphos 均為單齒膦配體，生成的鈀配合物均為反式構(gòu)型。但在Amphos 配體上，存在一個拉電子的-NMe2基團(tuán)，會引起配合原子P 上的電荷密度減少、配位能力下降，配合物的穩(wěn)定性相應(yīng)降低，這可能是 trans-{Pd[(t-Bu)2PPh]2Cl2}的催化活性遠(yuǎn)大于trans-[Pd(Amphos)2Cl2]的主要原因。在催化劑cis-[Pd(Xantphos)Cl2]中，Xantphos 為雙齒膦配體，雖然Xantphos 也存在拉電子的氧雜蒽，會減低P 原子的配位能力。但是，雙齒膦配體與Pd 配位形成的螯環(huán)穩(wěn)定效應(yīng)，會額外增加配合物的穩(wěn)定性。

偶聯(lián)反應(yīng)模型Ⅱ是4,7-二溴苯并噻二唑與對羥基苯硼酸片吶醇酯的偶聯(lián)反應(yīng)，相對于偶聯(lián)反應(yīng)模型Ⅰ和Ⅲ，反應(yīng)底物的分子體積增大，偶聯(lián)反應(yīng)的空間位阻增加，因此，就要求配合物中催化活性中心鈀原子周圍的基團(tuán)盡量小，以有利于底物靠近和配位。3 個有機(jī)膦鈀配合物中，cis-[Pd(Xantphos)Cl2]因采用體積相對大的雙齒膦配體，加之其螯環(huán)的穩(wěn)定效應(yīng)，因此對反應(yīng)模型Ⅱ的催化活性最好。

3 結(jié)論

1) 設(shè)計、合成了以3 個不同有機(jī)膦為配體、氯離子為解離基團(tuán)的Pd(II)的配合物，經(jīng)成分測定、1H-NMR 分析和XRD 表征確定其化學(xué)結(jié)構(gòu)分別為trans-{Pd[(t-Bu)2PPh]2Cl2}、trans-[Pd(Amphos)2Cl2]、cis-[Pd(Xantphos)Cl2]。

2) 在3 個偶聯(lián)反應(yīng)模型上測試了合成產(chǎn)物的催化活性，探討了以有機(jī)膦為配體對催化活性的影響。結(jié)果表明，膦配體對鈀分子偶聯(lián)催化劑的活性有重要影響，且對不同反應(yīng)模型其影響不同。認(rèn)為與有機(jī)膦與Pd(II)配位形成的配合物穩(wěn)定性有關(guān)，存在穩(wěn)定性越高，催化活性越好的趨勢。同時，當(dāng)催化的底物分子體積較大時，選用體積較小的有機(jī)膦作配體，可以減小底物與催化劑之間的空間阻力，提高催化活性。