郭 琳,時(shí)廣輝,陳曉超,劉 曄,2

（1.華東師范大學(xué) 化學(xué)與分子工程學(xué)院 上海市綠色化學(xué)與化工過程綠色化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 200062;2.崇明生態(tài)研究院,上海 202162）

0 引言

羰化反應(yīng)是通過催化的方法在有機(jī)化合物分子(烯烴、炔烴、鹵代烴、醇、環(huán)氧化合物等)中引入羰基制備含氧羰基化合物的一類重要反應(yīng)[1].常用的羰基源為一氧化碳(CO)氣體.羰化反應(yīng)具有高選擇性和環(huán)境友好的特點(diǎn),因而備受學(xué)術(shù)界和工業(yè)界青睞.由于環(huán)氧化合物分子內(nèi)的環(huán)張力具有很高的反應(yīng)活潑性,環(huán)氧化合物的羰化反應(yīng)產(chǎn)物,如β-內(nèi)酯(擴(kuò)環(huán)羰化反應(yīng))、聚酯(羰化開環(huán)共聚反應(yīng))、β-羥基醛(氫甲酰化)、β-羥基羧酸酯(羰化酯化反應(yīng))、β-羥基酰胺(羰化酰胺化反應(yīng))等被廣泛用于藥物、可降解聚合物單體的前體[2-3](圖1).其中,端位環(huán)氧化合物(如環(huán)氧乙烷、環(huán)氧丙烷等)通過羰化酰胺化反應(yīng)制備β-羥基酰胺的過程,因具有100%原子經(jīng)濟(jì)性、合成路線簡(jiǎn)捷高效、產(chǎn)物高附加值等優(yōu)點(diǎn)而備受關(guān)注.在已報(bào)道的環(huán)氧化合物羰化酰胺化反應(yīng)中[4-6],主要以硅烷基氨(R1R2NSiMe3)作為氨源,在八羰基二鈷(Co2(CO)8)的催化作用下得到β-硅氧基酰胺,隨后在酸性條件下水解,制備出目標(biāo)β-羥基酰胺化合物.以硅烷基氨作為親核試劑時(shí),其硅基對(duì)環(huán)氧化合物中氧原子的親和作用有利于該羰化反應(yīng)在溫和條件下進(jìn)行,使CO的操作壓力大大降低[4-8].但硅烷基氨底物種類有限、價(jià)格高昂、對(duì)水極其敏感性,這些缺點(diǎn)使該反應(yīng)的研究和應(yīng)用受到了極大的限制.與硅烷基氨相比,以廉價(jià)易得、種類多樣的有機(jī)(伯/仲)胺(R1R2NH)為親核試劑的環(huán)氧化合物羰化酰胺化反應(yīng)更符合綠色化學(xué)原則.但迄今為止,環(huán)氧化合物、CO和有機(jī)(伯/仲)胺的羰化酰胺化反應(yīng)未見文獻(xiàn)報(bào)道.此外,文獻(xiàn)工作表明,在Co2(CO)8催化的環(huán)氧化合物羰化酯化反應(yīng)研究中,普遍使用含氮配體(如3-羥基吡啶[9-10]、吡啶[11-13]、吡唑[14-15])調(diào)控均相Co催化劑的活性和選擇性.另外,采用含有四羰基鈷陰離子([Co(CO)4]–)的離子液體代替Co2(CO)8催化劑[16-20],還可以極大地促進(jìn)Co催化劑的穩(wěn)定性.

圖1 端位環(huán)氧化合物的羰化反應(yīng)Fig.1 Carbonylation of terminal epoxides

本文首次報(bào)道了在雙齒含氧配體(L2)修飾的Co2(CO)8催化劑作用下,端位環(huán)氧化合物(如環(huán)氧乙烷、環(huán)氧丙烷等)和有機(jī)芳胺(ArNH2/ArRNH)通過具有100%原子經(jīng)濟(jì)性的羰化酰胺化反應(yīng),一步制備β-羥基酰胺化合物的方法.

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

1,4-二氧六環(huán)(1,4-dioxane)、二氯甲烷、石油醚、乙酸乙酯等均為分析純,購(gòu)于國(guó)藥集團(tuán)試劑公司,使用前未經(jīng)進(jìn)一步純化;超干四氫呋喃(tetrahydrofuran,THF)、4,5-雙二苯基膦-9,9-二甲基氧雜蒽(9,9-dimethyl-4,5-bis(diphenylphosphino)xanthene,Xantphos)、三苯基膦、三苯基氧膦、8-羥基喹啉、3-羥基吡啶、環(huán)氧丙烷、環(huán)氧乙烷、苯胺、對(duì)甲苯胺、鄰甲苯胺、對(duì)甲氧基苯胺、鄰甲氧基苯胺、對(duì)氟苯胺、對(duì)溴苯胺、N-甲基苯胺、環(huán)己胺等均購(gòu)自北京伊諾凱科技有限公司;Co2(CO)8購(gòu)自中國(guó)科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所;柱層析使用300—400目硅膠,購(gòu)自青島海洋化工有限公司.

1.2 配體合成和均相羰化酰胺化反應(yīng)操作步驟

1.2.1 雙齒含氧配體L2的合成

L2配體通過雙氧水氧化Xantphos(L1,9,9-二甲基-4,5-雙二苯基膦-氧雜蒽)的方法合成,具體合成步驟參照文獻(xiàn)[21-22].L2表征數(shù)據(jù)如下.1H NMR(500 MHz,CDCl3)d:7.59(d,J =7.8 Hz,2H,ArH),7.46～7.42(m,12H,ArH),7.35～7.31(m,8H,ArH),6.99～6.96(m,2H,ArH),6.86～6.81(m,2H,ArH),1.69(s,6H,–CH3).13C NMR(126 MHz,CDCl3)d:134.35,132.30,132.22,131.27,130.59,128.04,127.94,122.89,34.12,33.24.31P NMR(202 MHz,CDCl3)d:30.95(L2的1H/13C/31P NMR 表征圖譜可與作者聯(lián)系索取).

1.2.2 環(huán)氧丙(乙)烷和有機(jī)胺羰化酰胺化反應(yīng)步驟

將苯胺(5 mmol,或其他有機(jī)胺)、環(huán)氧丙烷(7.5 mmol,或環(huán)氧乙烷)、L2(0.125 mmol)、THF(2 mL)、1,4-二氧六環(huán)(2 mL)、Co2(CO)8(0.125 mmol,在手套箱中稱取)加入特制的具有聚四氟乙烯內(nèi)襯膽的高壓不銹鋼反應(yīng)釜(50 mL)中,反應(yīng)釜密封后先用CO(0.2 MPa) 洗脫3次以置換出釜內(nèi)空氣;之后向反應(yīng)釜內(nèi)充入CO至壓力為3.0 MPa;充氣完畢后,關(guān)閉氣閥并進(jìn)行檢漏;然后將反應(yīng)釜置于油浴中加熱攪拌一定時(shí)間;反應(yīng)結(jié)束后,將反應(yīng)釜移出油浴并置于水中冷卻,待溫度降至室溫,緩慢打開出氣閥放氣泄壓;當(dāng)確認(rèn)釜內(nèi)無壓力后打開反應(yīng)釜,并將反應(yīng)液移至容積為25 mL的玻璃樣品瓶中(為保證反應(yīng)液轉(zhuǎn)移完全,用二氯甲烷洗滌反應(yīng)釜3次,合并洗滌液于樣品瓶中);然后利用氣相色譜儀(gas chromatography,GC)對(duì)反應(yīng)液進(jìn)行定量分析(正十二烷作內(nèi)標(biāo));再將樣品瓶中的反應(yīng)液蒸干,以石油醚/乙酸乙酯(體積比為4/1) 作為洗脫劑,通過硅膠柱分離純化得化合物3.在3a—3i中,3e和3h為黃色油狀液體,其余產(chǎn)物均為白色固體.反應(yīng)的目標(biāo)產(chǎn)物(β-羥基酰胺)3a—3i的核磁共振分析數(shù)據(jù)詳見表1(產(chǎn)物3a—3i的1H/13C NMR圖譜可與作者聯(lián)系索取).

表1 反應(yīng)產(chǎn)物3a—3i的1H NMR和13C NMR光譜表征數(shù)據(jù)Tab.1 1H NMR and 13C NMR results for products 3a—3i

2 結(jié)果與討論

2.1 反應(yīng)條件優(yōu)化

首先,以Co2(CO)8為催化劑前體(nCo2(CO)8/n苯胺=2.5 mol%(摩爾百分比,下同)),考察了一系列常見膦配體和含氧/氮配體對(duì)反應(yīng)的影響(表2).在不加入任何配體的條件下,苯胺的轉(zhuǎn)化率為80%,但目標(biāo)產(chǎn)物3-羥基-N-苯基丁酰胺(3a)的收率僅為41%(表2序號(hào)1).當(dāng)加入膦配體,如Xantphos(L1)或PPh3(L3),雖然雙齒膦配體L1可以提高底物苯胺的轉(zhuǎn)化率至90%,但對(duì)目標(biāo)產(chǎn)物3-羥基-N-苯基丁酰胺(3a)的生成沒有促進(jìn)效果,目標(biāo)產(chǎn)物的收率為42%(表2序號(hào)2);而單齒膦配體PPh3(L3)的引入則進(jìn)一步抑制了羰化酰胺化反應(yīng)速度,導(dǎo)致目標(biāo)產(chǎn)物3a的收率下降至6%(表2序號(hào)4).與膦配體L1和L3相比,采用含氧配體L2和L4(即膦配體L1和L3相應(yīng)的氧化物)則能明顯提高環(huán)氧丙烷羰化酰胺化反應(yīng)的效率(表2序號(hào)3、序號(hào)5).尤其L2配體,在保證苯胺轉(zhuǎn)化率的前提下,目標(biāo)產(chǎn)物3a的選擇性顯著提高,使收率升至64%(表2序號(hào)3).另?yè)?jù)文獻(xiàn)報(bào)道,在環(huán)氧化合物羰化酯化反應(yīng)中,N,O-雜合配體能有效促進(jìn)鈷催化劑的活性和選擇性[23-24].受此啟發(fā),本文進(jìn)一步考察了N,O-雜合配體L5和L6對(duì)反應(yīng)的影響.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,L5和L6雖然促進(jìn)了苯胺的轉(zhuǎn)化,但對(duì)目標(biāo)產(chǎn)物3a的選擇性和收率沒有明顯提升作用(表2序號(hào)6、序號(hào)7).可見,只有雙齒含氧配體L2可以有效提高Co2(CO)8對(duì)羰化酰胺化反應(yīng)的催化活性(表2序號(hào)3對(duì)比序號(hào)1),但反應(yīng)過程中環(huán)氧丙烷和苯胺的開環(huán)加成副反應(yīng)(生成副產(chǎn)物4a)仍普遍存在,無法完全抑制.對(duì)比L1(d=–18.10)和L2(d=29.26)配體的31P NMR分析數(shù)據(jù),L2配體中P原子的化學(xué)位移顯著向低場(chǎng)移動(dòng),說明L2配體中P原子不再具有σ-給電子的配位能力,是作為典型的雙齒含氧配體發(fā)揮配位作用.可見,L1配體與L2配體的骨架結(jié)構(gòu)雖然類似,但兩者起到配位作用的原子不同.L1是典型的雙齒膦配體,L2則為雙齒氧配體.L1配體中具有配位能力的磷原子以C-Pσ單鍵方式成鍵,使得L1與Co-金屬中心配位時(shí),可以通過C-Pσ鍵的旋轉(zhuǎn)形成熱力學(xué)穩(wěn)定的雙齒膦螯合配合物,而被L1配位占據(jù)的Co-金屬中心則無法及時(shí)配位活化CO底物分子,導(dǎo)致相應(yīng)的羰化反應(yīng)受到抑制;與L1相比,L2配體中具有配位能力的氧原子以P=O雙鍵方式成鍵,L2與Co-金屬中心配位時(shí),不利的空間位阻效應(yīng)導(dǎo)致P=O配位點(diǎn)能夠及時(shí)從Co-金屬中心解離,從而保證了CO底物分子的配位活化和相應(yīng)的羰化反應(yīng)更有利地進(jìn)行.另外,L2配體作為熱力學(xué)更穩(wěn)定的含磷氧化物,其自身抗氧化降解能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于膦配體L1,所以L2配體修飾的Co2(CO)8催化劑穩(wěn)定性良好,循環(huán)使用3次后,3a的收率仍保持在55%(表2序號(hào)3).

表2 Co2(CO)8催化環(huán)氧丙烷和苯胺的羰化酰胺化反應(yīng)中的配體效應(yīng)條件優(yōu)化Tab.2 Effect of the ligands on the Co2(CO)8-catalyzed aminocarbonylation of propylene oxide with aniline

在篩選出最佳配體L2后,以雙齒含氧配體L2修飾的Co2(CO)8為催化劑(nCo2(CO)8/n苯胺=2.5 mol%),來考察不同反應(yīng)條件對(duì)苯胺、環(huán)氧丙烷和CO的羰化酰胺化反應(yīng)的影響.L2通過雙氧水氧化Xantphos(L1)制得(見第1章實(shí)驗(yàn)部分).實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明(表3),在四氫呋喃和二氧六環(huán)(vTHF/vdioxane=1/1(體積比))混合溶劑中,60℃下,苯胺的轉(zhuǎn)化率和目標(biāo)產(chǎn)物3-羥基-N-苯基丁酰胺(3a)收率分別為83%和64%(表3序號(hào)3),優(yōu)于在單一溶劑THF(表3序號(hào)1)或二氧六環(huán)(表3序號(hào)2)中的反應(yīng)結(jié)果;當(dāng)反應(yīng)溫度從60℃升至80℃時(shí),雖然苯胺的轉(zhuǎn)化率相當(dāng)(約83%),但檢測(cè)到環(huán)氧丙烷和苯胺加成生成的副產(chǎn)物1-苯胺-2-丙醇(4a)和3a脫水的副產(chǎn)物5a,導(dǎo)致目標(biāo)產(chǎn)物3a的收率由64%下降至57%(表3序號(hào)3對(duì)比序號(hào)5).更低的反應(yīng)溫度40℃則無法保證苯胺的有效轉(zhuǎn)化(表3序號(hào)4),僅得到30%的苯胺轉(zhuǎn)化率.另外,增加CO壓力,延長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間或改變L2/Co的摩爾比并不能有效提高目標(biāo)產(chǎn)物的收率(表3序號(hào)6—10).另外,表3中序號(hào)11的補(bǔ)充實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,在80℃、無催化劑存在的條件下,仍有60%的苯胺可以和環(huán)氧丙烷加成生成氨基醇(4a),說明該副反應(yīng)是受溫度控制的非催化過程.因此,較低的反應(yīng)溫度(60℃,表3序號(hào)3)更有利于抑制環(huán)氧丙烷和苯胺的親核加成副反應(yīng),從而使催化劑(Co2(CO)8-L2)催化的羰化反應(yīng)占據(jù)優(yōu)勢(shì).綜上所述,在優(yōu)化出的最佳反應(yīng)條件(nCo2(CO)8/n苯胺=2.5 mol%、nL2/nCo=1/1(摩爾比)、四氫呋喃/1,4-二氧六環(huán)混合溶劑、60℃、CO 3.0 MPa、6 h)下,苯胺、環(huán)氧丙烷和CO通過羰化酰胺化反應(yīng)制得3-羥基-N-苯基丁酰胺(3a)的最高收率為64%;但環(huán)氧丙烷和苯胺通過開環(huán)加成生成1-苯基胺-2-丙醇(4a)的副反應(yīng)過程普遍存在;該反應(yīng)的區(qū)域選擇性良好,環(huán)氧丙烷的開環(huán)僅發(fā)生在不帶甲基取代基的碳-氧鍵上.

表3 L2存在下Co2(CO)8催化環(huán)氧丙烷和苯胺的羰化酰胺化反應(yīng)條件優(yōu)化Tab.3 Optimization of the reaction conditions for the aminocarbonylation of propylene oxide with aniline catalyzed by L2-modified Co2(CO)8

2.2 反應(yīng)底物普適性和反應(yīng)機(jī)理

L2配體修飾的Co2(CO)8催化劑對(duì)不同有機(jī)胺和環(huán)氧化合物(環(huán)氧丙烷或環(huán)氧乙烷)的羰化酰胺化反應(yīng)的底物普適性考察結(jié)果見圖2.含有不同取代基的芳香胺均適用于該反應(yīng)體系.無論是苯環(huán)上含有氟、溴等吸電子基團(tuán),還是甲基、甲氧基等供電子基團(tuán)的芳香胺,均可順利地與環(huán)氧化合物發(fā)生羰化酰胺化反應(yīng),獲得收率為37%～90%的目標(biāo)化合物3.其中,苯環(huán)上含給電子基團(tuán)的芳香胺比含吸電子基團(tuán)的芳香胺對(duì)應(yīng)的目標(biāo)產(chǎn)率更高(3b、3d對(duì)比3f、3g).苯環(huán)上含鄰位取代基與含對(duì)位取代基的芳香胺相比,由于鄰位空間位阻效應(yīng)的影響,使目標(biāo)產(chǎn)物的收率極大降低(3b對(duì)比3c,3d對(duì)比3e).當(dāng)采用二級(jí)芳香胺,如N-甲基苯胺時(shí),目標(biāo)產(chǎn)物3h的收率顯著下降,僅為18%.此外,當(dāng)采用環(huán)氧乙烷與苯胺進(jìn)行羰化酰胺化反應(yīng),目標(biāo)化合物3i的收率達(dá)到72%.然而,在相同的反應(yīng)條件下,脂肪胺與環(huán)氧化合物無法發(fā)生羰化酰胺化反應(yīng)生成相應(yīng)的3j.

根據(jù)文獻(xiàn)[26-27]報(bào)道及上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果,本文提出了L2參與的Co2(CO)8催化環(huán)氧丙(乙)烷和芳香(伯/仲)胺的羰化酰胺化反應(yīng)機(jī)理,如圖3所示.首先在親核試劑芳香胺和CO存在的條件下,L2配體與Co2(CO)8發(fā)生配位作用生成活性中間體H[Co(CO)2(L2)](A),A中的H質(zhì)子通過氫鍵作用活化環(huán)氧化物的O原子,陰離子[Co(CO)2(L2)]－作為親核試劑進(jìn)攻環(huán)氧化合物C原子, 從而使環(huán)氧化合物C-O鍵開環(huán)斷裂生成烷基Co絡(luò)合物中間體(B).當(dāng)?shù)孜餅榄h(huán)氧丙烷時(shí),不帶取代基的C原子具有更強(qiáng)的親電性和更小的空間位阻,所以[Co(CO)2(L2)]－陰離子只選擇性地進(jìn)攻不帶取代基的C原子生成β-羥基丙烷基Co絡(luò)合物中間體B;隨后,B與Co中心原子配位的CO發(fā)生分子內(nèi)遷移插入Co-C鍵中,同時(shí)氣相CO分子再與Co進(jìn)行配位,形成?；鵆o絡(luò)合物中間體C;最后,C和有機(jī)胺親核試劑通過氨解反應(yīng)生成目標(biāo)產(chǎn)物3-羥基-N-芳基酰胺類化合物,并伴隨活性中間體A的再生.根據(jù)此反應(yīng)機(jī)理可知,當(dāng)脂肪胺代替芳香胺作為親核試劑時(shí),一方面脂肪胺的強(qiáng)堿性不利于活性中間體A的生成[24-26],另一方面脂肪胺的弱親核性也不利于其與中間體C的氨解反應(yīng),最終導(dǎo)致反應(yīng)無法進(jìn)行(圖2,故無法生成目標(biāo)產(chǎn)物3j);同理,當(dāng)采用二級(jí)芳香胺,如N-甲基苯胺,其較苯胺增強(qiáng)的堿性和更大的空間位阻效應(yīng), 會(huì)抑制中間體A的生成和中間體C的快速氨解,從而導(dǎo)致目標(biāo)產(chǎn)物3h (圖2)的收率顯著下降.

圖2 底物普適性Fig.2 Substrate scope

圖3 L2修飾Co2(CO)8催化劑催化芳香胺、環(huán)氧化合物和CO的羰化酰胺化反應(yīng)機(jī)理Fig.3 Proposed mechanism of aminocarbonylation of epoxides with aromatic amines and CO over the L2-modified Co2(CO)8 catalyst

3 結(jié) 論

在溫和的條件下(60℃、CO 3.0 MPa、6 h),實(shí)現(xiàn)了基于含氧雙齒配體L2修飾的Co2(CO)8催化環(huán)氧丙(乙)烷與芳香(伯/仲)胺的羰化酰胺化反應(yīng),提出了通過羰化酰胺化法一步合成3-羥基-N-苯基丁(丙)酰胺類化合物的方法.L2配體作為穩(wěn)定性良好的雙齒含氧配體,可以顯著提升Co2(CO)8對(duì)環(huán)氧丙烷羰化酰胺化反應(yīng)的活性和選擇性,環(huán)氧丙烷的開環(huán)插羰只發(fā)生在沒有甲基取代基的碳原子上.L2修飾的Co2(CO)8催化劑體系具有良好的底物普適性,一系列苯胺衍生物和環(huán)氧丙(乙)烷底物均適用于本方法,相應(yīng)3-羥基-N-苯基酰胺類化合物的收率為18%～90%,底物芳香胺和環(huán)氧化合物中所含取代基的電子效應(yīng)和空間效應(yīng)對(duì)反應(yīng)有顯著影響.