(PPh3)2Pd(Ar)Br在Suzuki偶联反应中的应用*

2014-06-23 16:22付宏伟李慧李静战宏梅程延祥
合成化学 2014年3期
关键词:芳基联苯偶联

付宏伟,李慧,李静,战宏梅,程延祥

(1.中国科学院长春应用化学研究所高分子物理与化学国家重点实验室,吉林长春 130022;2.中国科学院大学,北京 100039)

(PPh3)2Pd(Ar)Br在Suzuki偶联反应中的应用*

付宏伟1,2,李慧1,李静1,2,战宏梅1,程延祥1

(1.中国科学院长春应用化学研究所高分子物理与化学国家重点实验室,吉林长春 130022;2.中国科学院大学,北京 100039)

芳基钯(Ⅱ)化合物(PPh3)2Pd(Ar)Br(1a~1e)与苯硼酸(2)经Suzuki偶联反应定量合成了一系列取代联苯(3a~3e),其结构经1H NMR确证。考察了辅助膦配体、反应温度、反应溶剂、反应时间、原料配比及芳环上取代基对偶联反应的影响。实验结果表明,在最佳反应条件[1 1 mmol,n(1)/n(2)=1/1,不加膦配体,甲苯/水为溶剂,于60℃~90℃反应3 h~24 h]下,可定量生成3;过量辅助膦配体和低反应温度不利于偶联反应中金属转移和还原消除的顺利进行,收率较低;芳环上带有吸电子基团时则有利于金属转移和还原消除,收率较高。

芳基钯(Ⅱ)化合物;Suzuki偶联反应;金属转移;还原消除;电子效应;合成

钯催化卤代芳烃与芳基硼酸的Suzuki偶联反应是构建C-C键的重要手段[1-3],已成为合成多烯烃、苯乙烯和联苯衍生物的有效方法之一,广泛应用于有机功能材料、医药、染料、农药以及有机合成中间体等领域[4-6]。Suzuki偶联反应过程主要包含三个基元反应[7],即氧化加成、金属转移和还原消除反应。其中,氧化加成是反应历程的第一步,通常也是决速步骤[8-9],对这一过程的研究相对系统和较为全面[10-12]。而相应的金属转移和还原消除过程由于反应速率较快,不利于实验工作的实施,因而各种反应因素对它们的影响报道较少。

芳基钯(Ⅱ)化合物(PPh3)2Pd(Ar)Br是Suzuki偶联反应中由卤代芳烃(Ar-X)与钯(0)配合物经氧化加成形成的中间体,分离出这些中间产物并以其为底物与芳基硼酸反应,可以阐明Suzuki偶联反应中金属转移和还原消除过程及其影响因素,为偶联反应的实际应用提供优化的实验条件。

本课题组[13-15]利用氧化加成反应合成了一系列芳基钯(Ⅱ)化合物(1a~1e)。本文以1a~1e为底物与苯硼酸(2)经Suzuki偶联反应合成了一系列取代联苯(3a~3e,Scheme 1),其结构经1H NMR确证。并考察了辅助膦配体、反应温度、反应溶剂、反应时间、原料配比及芳环上取代基对偶联反应的影响。

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

Bruker AV 300/400型核磁共振仪(CDCl3为溶剂,TMS为内标)。

1 a~1e按文献[13-15]方法制备;其余所用试剂均为分析纯,其中二氯甲烷(DCM),甲苯和THF均按标准方法除水。

1.2 3的合成通法

在装有冷凝管的100 mL Schlenk瓶中依次加入1a~1e 1 mol,苯硼酸1 mol,Aliquat 336两滴,2 mol·L-1K2CO3溶液5 mL和甲苯15 mL,搅拌下于30℃~90℃反应1 h~24 h。冷却至室温,分液,有机层用水(3×10 mL)洗涤,无水Na2SO4干燥,旋蒸除溶后经硅胶柱层析[洗脱剂:V(石油醚)∶V(二氯甲烷)=20∶1]纯化得白色粉末3a~3e。

联苯(3a):1H NMR δ:7.53(d,J=7.17 Hz,2H),7.39~7.34(m,2H),7.29~7.25(m,1H)。

4-硝基联苯(3b):1H NMR δ:8.29(d,J= 8.00 Hz,2H),7.73(d,J=7.92 Hz,2H),7.62 (d,J=7.60 Hz,2H),7.51~7.42(m,3H)。

4-氰基联苯(3c):1H NMR δ:7.72(d,J= 7.88 Hz,2H),7.57(d,J=8.28 Hz,2H),7.67 (d,J=7.72 Hz,2H),7.50~7.46(m,2H),7.43~7.40(m,1H)。

4-甲基联苯(3d):1H NMR δ:7.57(d,J= 7.36 Hz,2H),7.48(d,J=7.44 Hz,2H),7.43~7.39(m,2H),7.35~7.29(m,1H),7.24(d,J=7.64 Hz,2H),2.39(s,3H)。

4-乙基联苯(3e):1H NMR δ:7.57(d,J= 7.74 Hz,2H),7.51(d,J=8.07 Hz,2H),7.41~7.35(m,2H),7.33~7.27(m,1H),7.23(d,J=8.07 Hz,2H),2.66(q,J=7.59 Hz,2H),1.25(t,J=7.56 Hz,3H)。

2 结果与讨论

2.1 反应条件优化

以(PPh3)2Pd(Ph)Br(1a)与2的偶联反应为模板,考察了附加膦配体、反应温度、反应时间、反应溶剂及原料配比对产物收率的影响,实验结果见表1。

(1)添加膦配体

在钯(Ⅱ)化合物催化的Suzuki偶联反应中,特别是辅助配体为三苯基膦(PPh3)时,通常要加入过量的膦配体,以抑制氧化加成过程中芳基-芳基交换副反应的发生[13]。

1 a 1 mmol,r1=Pd(Ⅱ)/PPh3,r2=n(1a)/n (2)=1/1,甲苯为溶剂,K2CO3为碱,Aliquat 336为相转移催化剂,于30℃反应24 h,考察添加PPh3对3a收率的影响(No.1~No.4)。从表1可见,反应体系添加PPh3时,3a收率明显降低。未添加PPh3时,3a收率为81.4%(No.1);随着PPh3量的增加,收率逐渐降低;当r1=1/3时,收率降至34.9%(No.4),说明过量PPh3不利于金属转移和还原消除过程。这与附加膦配体对氧化加成过程的影响恰好相反,其主要原因是由于过量膦配体在金属转移和还原消除过程中会包裹和进攻活性钯(Ⅱ)中心,增强膦配体与中心钯(Ⅱ)离子的配位能力,抑制辅助配体解离和阻碍两个芳基形成顺式构型,进而减缓还原消除的快速进行,降低偶联反应产率[7]。

(2)原料配比(r2)

未添加PPh3,其余反应条件同2.1(1),考察r2对3a收率的影响(No.1,No.5~No.7)。实验结果表明,随着2用量的增加,3a收率稍有提高(No. 5~No.7),但2过量增加了产物纯化难度,同时也造成原料2的浪费。综合考虑,r2=1/1时较优。

(3)反应温度

r2=1/1,其余反应条件同2.1(2),考察反应温度对3a收率的影响(No.1,No.8~No.12)。实验结果表明,随着反应温度升高,3a收率增加; 30℃时收率81.4%;60℃时收率迅速提高至99.6%;继续升高温度,收率变化不大(80℃,99.7%);温度高于100℃,则收率降低,并伴有钯黑出现。因此温度升高能够加速金属转移和还原消除过程,但温度过高时,使得2自身偶联和脱硼反应加速[7],导致收率下降。值得注意的是,利用氧化加成制备芳基钯(Ⅱ)化合物时,在低温(如30℃)反应,无产物生成。

本文偶联反应的最佳温度为60℃~90℃。

(4)反应溶剂

反应温度为60℃或75℃,其余反应条件同2.1(3),分别考察了甲苯/水和THF/水为溶剂时对3a收率的影响(No.9~No.10,No.13~No. 14)。实验结果表明,溶剂对钯催化Suzuki反应的影响主要表现在金属转移步骤[16]。一般来讲,单独使用极性质子溶剂(如乙醇)或者极性非质子溶剂(如N,N-二甲基乙酰胺)为反应介质时,由于碱在反应体系中的浓度较低,导致金属转移过程很难进行。因此,这类反应通常采用有机溶剂与水两相混合体系,并使用相转移催化剂Aliquat 336,以加速金属转移过程。

从表1可见,以THF代替甲苯为溶剂时,收率变化较小(No.13~No.14),基本接近定量反应,这是由于相转移催化剂Aliquat 336的使用,弱化了溶剂极性差异所产生的影响。由于甲苯的沸点高于THF,有利于提高反应温度,因而选取甲苯/水为反应溶剂。

(5)反应时间

甲苯/水为溶剂,反应温度为65℃,其余反应条件同2.1(3),考察反应时间对3a收率的影响(No.15~No.19)。实验结果表明,反应时间为1 h时3a收率即可达94.8%;反应3 h获得了接近定量的收率,与文献[2]报道一致,也间接证实了氧化加成是Suzuki偶联反应速率的决速步骤。

表1 偶联反应条件优化*Table 1Process optimization of coupling reaction

综上所述,r2=1/1,不加膦配体,甲苯/水为溶剂,于60℃~90℃反应3 h~24 h,可定量生成偶联产物3。

2.2 芳环上取代基对偶联反应的影响

使用芳环上带有不同取代基的芳基钯(Ⅱ)化合物(1a~1e)与2反应,对比研究了取代基电子效应对金属转移和还原消除过程的影响。在优化的反应条件[1 1 mmol,n(1)/n(2)=1/1,不加膦配体,甲苯/水为溶剂,于60℃~90℃反应3 h~24 h]下反应,尽管取代基不同,但偶联产物收率均接近定量。在r2=1/1、不附加膦配体和甲苯/水为溶剂,仅缩短反应时间(1 h)和降低反应温度(30℃)后,偶联收率明显降低(7%~18%),且表现出差异,实验结果见表2。由表2可见,相对于不含取代基的苯基钯(Ⅱ)化合物参与的偶联反应,芳环上带有吸电子基团时有利于反应进行,偶联产物收率明显提高,且取代基吸电子能力愈强,收率愈高;而供电子基团则不利于反应进行,偶联产物收率降低。这与电子效应对氧化加成过程的影响规律相似,也与文献[16]报道的Suzuki偶联反应结果一致。吸电子基团之所以能够提高偶联产物收率,在于其降低了中心金属离子的电子云密度,有利于硼酸阴离子的进攻,同时使偶联产物更易于脱离中心金属,即加速了金属转移和还原消除过程。

表2 芳环上取代基对偶联反应的影响*Table 2Effects of substituents of aromatic ring on coupling reaction

3 结论

芳基钯(Ⅱ)化合物(1a~1e)与苯硼酸(2)经直接偶联反应合成了系列偶联产物(3a~3e)。并对反应条件进行优化,实验结果表明,r2=n (1)/n(2)=1/1,不加膦配体,甲苯/水为溶剂,于60℃~90℃反应3 h~24 h,可定量生成偶联产物;过量辅助膦配体和低反应温度不利于偶联反应中金属转移和还原消除的顺利进行,收率较低;卤代芳烃上的取代基同样影响Suzuki偶联反应进程,吸电子基团有利于偶联反应中的氧化加成过程[7],因此,研究不同取代基电子效应对反应的影响,可以更全面地理解偶联反应中的金属转移和还原消除过程。研究结果为该类偶联反应的扩展和应用提供有效的实验依据。

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Applications of(PPh3)2Pd(Ar)Br in Suzuki Coupling Reaction

FU Hong-wei1,2,LI Hui1,LI Jing1,2,ZHAN Hong-mei1,CHENG Yan-xiang1

(1.State Key Laboratory of Polymer Physics and Chemistry,Changchun Institute of Applied Chemistry,Chinese Academy of Sciences,Changchun 130022,China;2.University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100039,China)

A series of substituted diphenyls(3a~3e)were synthesized by Suzuki coupling reaction of (PPh3)2Pd(Ar)Br(1a~1e)with phenylboronic acid(2)under the optimum reaction conditions[1 1 mmol,n(1)/n(2)=1/1,without auxiliary phosphine ligand,using toluene and H2O as a mixture solvent,at 60℃~90℃for 3 h~24 h].The structures were confirmed by1H NMR.The results showed that additional auxiliary phosphine ligand and low reaction temperature were unfavorable to the transmetallation and reductive elimination process,deduced from the lower coupling yield,while the electron withdrawing substituent on the aryl unit could accelerate the aforementioned process,indicative of the higher coupling yield.

aryl Pd(Ⅱ)compound;Suzuki coupling reaction;transmetallation;reductive elimination;electronic effect;synthesis

O625.13;O614.8

A

1005-1511(2014)03-0404-04

2013-03-11;

2014-02-26

国家自然科学基金资助项目(21174141)

付宏伟(1981-),男,汉族,江西德兴人,博士研究生,主要从事有机金属化合物的合成及其催化偶联反应研究。

战宏梅,E-mail:hmzhan@ciac.jl.cn

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