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國家重點實驗室，昆明 650106)

0 引 言

偶聯(lián)反應是構建有機新結構和新骨架(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)反應離不開催化劑，其中以Pd(PPh3)4為代表的有機膦鈀催化劑應用最為廣泛。Pd(PPh3)4為Pd0化合物，在空氣中不穩(wěn)定，存在反應活性和選擇性低的問題[10-11]。為此，人們通過對配體進行修飾，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，合成有機膦鈀催化劑，以調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。對應的催化劑Pd((t-Bu)2PPh)2Cl2[12]、Pd(Amphos)2Cl2[13]、Pd(Xantphos)Cl2[14-15]已在有機化工行業(yè)中得到應用。但它們在一些特定的偶聯(lián)反應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)新型的有機膦鈀催化劑，以滿足不斷出現(xiàn)的偶聯(lián)反應的需求。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

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

1.2 目標配合物的合成

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，滴加對應的有機膦配體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，得到對應的目標配合物。

1.2.1 目標配合物1

目標配合物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的計算值(%)：C,47.3；H，6.63；Pd，15.0。實測值(%)：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 目標配合物2

目標配合物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的計算值(%)：C，36.15；H，5.31；N，2.63；Pd，20.02。實測值(%)：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 目標配合物3

目標配合物3為黃色晶狀粉末，產(chǎn)量：6.9 g，產(chǎn)率：82%。元素分析按C39H32Br2OP2Pd的計算值(%)：C，55.44；H，3.82；Pd，12.60。實測值(%)：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)。分子結構中的非氫原子采用直接法由SHELX-97程序[19-20]解出，氫原子由理論計算模型加上。

CCDC：2039381，1；2039380，2；2039382，3。

1.4 催化活性測定

選擇2個典型的Suzuki有機偶聯(lián)反應模型，優(yōu)化反應條件，在相同的反應條件下進行偶聯(lián)實驗，比較3個目標配合物及對應的Pd((t-Bu)2PPh)2Cl2、Pd(Amphos)2Cl2、Pd(Xantphos)Cl2的產(chǎn)率。

表1 配合物1～3的晶體結構數(shù)據(jù)Table 1 Crystallographic data for complexes 1～3

1.4.1 反應模型1

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(相對于對羥基苯硼酸的物質的量分數(shù)：5%)加入到250 mL雙頸燒瓶中。在氮氣保護下加入THF/H2O混合溶劑(1.5∶1，V/V)100 mL，在75 ℃下攪拌，反應12 h后，用已建立的HPLC法測定產(chǎn)物4-(2-噻吩基)苯酚濃度并計算轉化率。對應的偶聯(lián)反應式如下：

1.4.2 反應模型2

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(相對于4，7-二溴苯并噻二唑的物質的量分數(shù)：5%)加入到250 mL雙頸燒瓶中。在氮氣環(huán)境下加入 THF/H2O(1∶1，V/V，100 mL)，在75℃下攪拌，反應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)苯酚濃度并計算轉化率。對應的偶聯(lián)反應式如下：

2 結果與討論

對于 Pd((t-Bu)2PPh)2Cl2、[Pd(Amphos)2Cl2]、Pd(Xantphos)Cl2的合成方法，文獻中已有報道，我們對合成路線和方法都經(jīng)過優(yōu)化，合成了3種有機膦溴鈀催化劑，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反應制備了3種有機膦溴化鈀配合物。具體的反應過程是以PdBr2作起始原料，溶于MeCN后，發(fā)生配位加成反應，形成可溶于MeCN的中間體trans-Pd(MeCN)2Br2。加入有機膦配體后，由于它們與Pd有很強的配位能力，會與trans-Pd(MeCN)2Br2發(fā)生配位取代反應，置換配位的MeCN，生成相應的目標配合物(圖1)。目標配合物微溶于MeCN，從反應液中析出，通過過濾分離得到。考慮到含膦配體在空氣中易氧化分解，因此配位取代反應步驟是在惰性氣氛(高純氮氣：99.9%)下進行。

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

2.2 晶體結構

由單晶X射線衍射數(shù)據(jù)得到的晶體結構見圖2。從晶體的結構圖中可以發(fā)現(xiàn)，3個目標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個磷和2個溴，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個磷和3個溴，其中2個溴作為橋聯(lián)配體，連接2個[Pd(Amphos)Br]的結構單元，形成2個平面結構的雙核配合物，并且2個配位平面夾角為0°，即2個鈀和4個溴共平面。2個Amphos配體在空間上相對配位平面取向相反，以減少空間位阻。配合物3(圖2c)中，Xantphos為雙齒磷配體，盡管有機膦存在較大的反位效應，但Xantphos分子的剛性結構和2個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)

三個配合物分子的Pd—P鍵長為0.229 5～0.240 6 nm，屬于正常范圍。但配合物2存在2個類型的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 為0.242 5 nm，與配合物1、3的Pd—Br鍵長非常接近，屬于正常值。但橋聯(lián)的Pd1—Br1—Pd1a中，Pd—Br鍵長明顯大于非橋聯(lián)的Pd—Br，達到了0.253 6 nm，說明橋聯(lián)溴穩(wěn)定性較差，推測在催化反應中會首先斷裂，形成對應的單核鈀配合物。

2.3 催化活性

研究了3個溴化鈀配合物對溴代噻吩和二溴苯并噻二唑的Suzuki偶聯(lián)反應的催化作用，并與相應氯化鈀配合物進行了比較。從表2中可以看出，3個目標有機膦Pd配合物Pd((t-Bu)2PPh)2Br2、[Pd(Amphos)Br2]2、Pd(Xantphos)Br2對2個 Suzuki偶聯(lián)反應均有很強的催化作用，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在反應模型1上催化活性最高，達到了81%，而[Pd(Amphos)Br2]2則在反應模型2上催化效果最佳，產(chǎn)率83%。更重要的是，3個目標有機膦Pd配合物在2個模型上的催化活性均高于對應的氯化鈀配合物，特別是在反應模型2上，[Pd(Amphos)Br2]2的催化產(chǎn)率比Pd(Amphos)2Cl2高27%。文獻報道的Pd((t-Bu)2PPh)2Cl2[21]、Pd(Amphos)2Cl2[22]、Pd(Xantphos)Cl2[23]的單晶結構中，Pd—Cl鍵長在0.230 6～0.234 2 nm范圍內，比相對應的目標配合物的Pd—Br鍵短大約0.01 nm，在偶聯(lián)催化過程中相對難以離解，這可能是以溴為離解配體的有機膦Pd配合物比對應的以氯為離解配體的Pd配合物催化活性更高的原因，所以我們認為，在選擇有機膦Pd催化劑時，采用溴替代氯作解離配體可能是一個有效的方法。

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

表2 有機膦Pd配合物在Suzuki偶聯(lián)反應上的催化活性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 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，相對于市售的有機膦氯化鈀催化劑，它們在2個Suzuki偶聯(lián)反應模型上均表現(xiàn)出高的催化活性。

致謝：感謝云南大學化學系程曉紅教授在配合物催化性能實驗方面給予的幫助。