謝丹妮,霍 丹, ,司傳領(lǐng)
(1. 天津市制漿造紙重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津科技大學(xué)造紙學(xué)院,天津 300457;2. 中國科學(xué)院可再生能源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣州 510640;3. 江蘇省生物質(zhì)綠色燃料與化學(xué)品重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,南京林業(yè)大學(xué)化工學(xué)院,南京210037)
在金屬有機(jī)領(lǐng)域中,氮雜環(huán)卡賓(NHC)主要用作配體.它們和其他帶有兩對(duì)孤電子的配體相似,是一類很好的給電子配體,與金屬鍵有很強(qiáng)的結(jié)合能力,在催化反應(yīng)中不易解離.氮雜環(huán)卡賓易于制備,且可以通過調(diào)節(jié)氮原子上的取代基,生成具有不同空間位阻和電子效應(yīng)的卡賓,生成配合物的結(jié)構(gòu)也具有多樣性.氮雜環(huán)卡賓的后過渡金屬配合物對(duì)水、熱和空氣穩(wěn)定,并且在催化反應(yīng)中可表現(xiàn)出很高的活性.因此,氮雜環(huán)卡賓受到越來越多的關(guān)注和研究.
吡啶增強(qiáng)前催化劑的制備、穩(wěn)定和引發(fā)型鈀催化劑[1-2]是指一類卡賓與吡啶同時(shí)配位的 Pd(Ⅱ)的配合物,在 2005年由 Organ等首先報(bào)道.這類配合物具有優(yōu)異的催化性能,可以催化多種胺化反應(yīng)和交叉偶聯(lián)反應(yīng),且催化劑用量低[3].與其他類型的鈀催化劑相比,這類配合物易于制備,穩(wěn)定性高[4-16],在氮?dú)獗Wo(hù)下,即使在二甲亞砜中 110,℃加熱 12,h也無法使其分解[17].
經(jīng)典的氮雜環(huán)卡賓由咪唑、咪唑啉、苯并咪唑衍生而來.這類卡賓的共同點(diǎn)在于卡賓中心與兩個(gè)氮原子直接相連.本文關(guān)注具有其他結(jié)構(gòu)的氮雜環(huán)卡賓,比如以吲唑?yàn)槟阁w的卡賓.這類化合物中,卡賓中心只與一個(gè)氮原子直接相連,其電子與空間效應(yīng)都與經(jīng)典氮雜環(huán)卡賓不同.相應(yīng)的配合物可能具有不同的催化性質(zhì)[18].本文以咪唑和吲唑?yàn)樵?,分別合成了與后過渡金屬鈀絡(luò)合的氮雜環(huán)卡賓配合物并對(duì)其進(jìn)行了表征.
咪唑,98%,,美國 Sigma公司;溴乙烷、乙醚,化學(xué)純,國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司;碳酸鉀、二氯甲烷、氫氧化鈉,分析純,國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司;甲苯、溴化鈉、無水乙醇、乙腈、吡啶、乙酸乙酯,分析純,江蘇強(qiáng)盛功能化學(xué)股份有限公司;甲醇,分析純,上海凌峰化學(xué)試劑有限公司;吲唑,99%,,上海源葉生物科技有限公司;碘乙烷,99%,,Adamas 公司;氯化鈀,59.0%,,上海達(dá)瑞精細(xì)化學(xué)品有限公司;氘代氯仿,美國CIL產(chǎn)品北京漢威士波譜公司分裝.
Unity-Inova-400型超導(dǎo)核磁共振儀,美國瓦里安技術(shù)中國有限公司.
1.2.1 化合物1的合成[19]
在 50,mL的圓底燒瓶中加入咪唑(0.68,g,10,mmol),再加入 5,mL甲苯,室溫下攪拌至完全溶解.向甲苯溶液中加入 NaOH水溶液(1.6,mL,6.25,mol/L),混合攪拌 30,min.隨后加入溴乙烷(1.64,mL,22,mmol),加熱回流 12,h.反應(yīng)結(jié)束后,待混合物溫度降到室溫,觀察到體系上層為清液,下層為淡黃色油狀物.旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)除去易揮發(fā)物質(zhì).向殘余的固體中加入少量二氯甲烷至固體不再溶解,抽濾除去不溶物.冷凍干燥濾液,得到淡黃色油狀物.對(duì)該油狀物進(jìn)行萃取,向其中加入 2,mL甲醇至全溶.將甲醇溶液緩慢滴入 20,mL乙醚中,不斷攪拌15,min.靜置后將上層清液倒出,下層淡黃色油狀物繼續(xù)溶在甲醇中,轉(zhuǎn)移至20,mL乙醚中攪拌.如此反復(fù)進(jìn)行3次,將最后得到的淡黃色油狀物(化合物1)冷凍干燥至體積不再變化,保存在真空環(huán)境(1.088,1,g,產(chǎn)率 53%,).
1.2.2 化合物2的合成[20-21]
在 25,mL的 Schlenk管中先分別加入化合物 1(0.061,5,g,0.3,mmol)、氯化鈀(0.053,2,g、0.3,mmol)、碳酸鉀(0.207,3,g,1.5,mmol)、溴化鈉(0.102,9,g,1,mmol),再加入 6,mL 吡啶,加熱至 80,℃,反應(yīng)12,h.反應(yīng)結(jié)束后,待混合物溫度降至室溫,觀察到體系上層為清液,下層有少許不溶物.旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)除去易揮發(fā)物質(zhì).向殘余的固體中加入少量二氯甲烷,不斷攪拌至固體不再繼續(xù)溶解.靜置后將上層清液倒出,向下層不溶物繼續(xù)加入少許二氯甲烷攪拌.如此反復(fù)進(jìn)行3次,將最后得到的二氯甲烷混合溶液旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)除去溶劑.向旋干后得到的黃色固體中加入20,mL乙醚,攪拌 15,min,靜置后將上層清液倒出,向下層不溶物中繼續(xù)加入少許乙醚攪拌.如此反復(fù)進(jìn)行 3次,將最后得到的乙醚混合液冷凍干燥,得到淡黃色粉末.將該淡黃色粉末溶于少量二氯甲烷中,利用硅膠層析柱對(duì)混合物進(jìn)行純化.最后得到的純化后產(chǎn)物(化合物 2)為淡黃色粉末(0.017,9,g,產(chǎn)率12%,).
1.2.3 化合物3的合成[19]
在 50,mL的圓底燒瓶中加入吲唑(0.590,9,g,5,mmol)、NaOH 水溶液(1.3,mL,6.25,mol/L),再加入10,mL乙腈,在室溫下攪拌 2,h.隨后加入碘乙烷(1.6,mL,20,mmol),加熱至 75,℃,反應(yīng) 36,h.反應(yīng)結(jié)束后,待混合物溫度降到室溫,觀察到體系上層為黃褐色清液,下層有少許沉淀.旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)除去易揮發(fā)物質(zhì).向殘余的黃褐色黏稠液中加入少量二氯甲烷,不斷攪拌 15,min.靜置后將上層清液倒出,下層不溶物繼續(xù)加入少許二氯甲烷攪拌.如此反復(fù)進(jìn)行 3次,將最后得到的二氯甲烷混合溶液冷凍干燥.向干燥后得到的混合物中加入20,mL乙酸乙酯,攪拌15,min,靜置后將上層清液倒出,下層不溶物繼續(xù)加入少許乙酸乙酯攪拌.如此反復(fù)進(jìn)行 3次,將最后得到的乙酸乙酯混合液冷凍干燥至體積不再變化,得到黃褐色黏稠物.將該黏稠物溶于少許甲醇中,緩慢滴入 20,mL乙醚,不斷攪拌 15,min.靜置后將上層清液倒出,下層的沉淀繼續(xù)在乙醚中攪拌.如此反復(fù)進(jìn)行3次.將最后得到的不溶物冷凍干燥,得到淡黃色粉末,即化合物3(0.223,3,g,產(chǎn)率15%,).
1.2.4 化合物4的合成[20-21]
在 25,mL的 Schlenk管中先分別加入化合物 3(0.090,6,g,0.3,mmol)、氯化鈀(0.053,2,g,0.3,mmol)、碳酸鉀(0.207,3,g,1.5,mmol)、溴化鈉(0.102,9,g),1,mmol),再加入6,mL吡啶,加熱升溫至80,℃,反應(yīng)12,h.反應(yīng)結(jié)束后,待混合物溫度降至室溫,觀察到體系上層為清液,下層有少許不溶物.旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)除去易揮發(fā)物質(zhì).向旋干的固體中加入少量二氯甲烷,不斷攪拌 15,min.靜置后將上層清液倒出,下層不溶物繼續(xù)加入少許二氯甲烷攪拌.如此反復(fù)進(jìn)行 3次,將最后得到的二氯甲烷混合液冷凍干燥.向干燥后得到的淡黃色固體中加入20,mL乙醚,攪拌15,min,靜置后將上層清液倒出,下層不溶物繼續(xù)溶在乙醚中,加入少許乙醚攪拌.如此反復(fù)進(jìn)行 3次,將最后得到的不溶物冷凍干燥,得到黃色粉末,即化合物 4(0.142,3,g,產(chǎn)率 89 %,).
將合成的 4種化合物分別溶于氘代氯仿中(約0.5,mL),在室溫下于Unity-Inova-400型核磁共振儀上進(jìn)行測試.
咪唑與溴乙烷發(fā)生烷基化反應(yīng),反應(yīng)以甲苯為溶劑,并加入氫氧化鈉水溶液,以脫去咪唑中的活潑氫(圖 1).
圖1 反應(yīng)式1Fig. 1 Equation 1
反應(yīng)分離得到的化合物 1為淡黃色油狀物,經(jīng)1H NMR表征,為溴化1,3-二乙基咪唑鹽,其核磁共振氫譜結(jié)果如圖2所示.從圖2可以看出:化學(xué)位移為 10.26的峰為多重峰,積分值為 1,歸屬為連在兩個(gè)氮原子之間的碳原子上的氫;化學(xué)位移為 7.68的峰為雙峰,積分值為 2,歸屬為咪唑環(huán)中碳碳雙鍵上的兩個(gè)氫;化學(xué)位移為4.45的峰為多重峰,積分值為4,歸屬為兩個(gè)乙基中的亞甲基氫;化學(xué)位移為 1.62的峰為多重峰,積分值為 6,歸屬為兩個(gè)乙基中的甲基氫.產(chǎn)物的氫譜數(shù)據(jù)如下:
1H NMR(400,MHz,CDCl3):δ 10.26(m,1H,CH),7.68(d,J=1.50,Hz,2H,CH=CH),4.45(m,J=7.20,Hz,4H,CH2),1.62(m,J=7.60,Hz,6H,CH3).
圖2 化合物1的1H NMR譜圖Fig. 2 1H NMR spectrum of Compound 1
在 80,℃條件下,化合物 1與氯化鈀、過量的碳酸鉀和溴化鈉在吡啶中反應(yīng)(圖 3).加入碳酸鉀的目的在于脫掉卡賓前體中兩個(gè)氮原子之間的碳原子上的氫,原位生成卡賓與Pd(Ⅱ)配位.加入過量溴化鈉的目的在于保證溴離子與 Pd(Ⅱ)配位,避免生成既有氯離子又有溴離子配位的混合物.吡啶既是反應(yīng)溶劑,又是配體.
圖3 反應(yīng)式2Fig. 3 Equation 2
反應(yīng)結(jié)束后分離得到的化合物2為黃色粉末,經(jīng)1H NMR和13C NMR進(jìn)行表征,為(1,3-二乙基咪唑基)吡啶基二氯化鈀(Ⅱ),其核磁共振氫譜和碳譜結(jié)果如圖4和圖5所示.從圖4可以看出:化學(xué)位移為9.05的峰為多重峰,積分值為 2,歸屬為吡啶上氮原子鄰位上的兩個(gè)氫;化學(xué)位移為7.75的峰為多重峰,積分值為 1,歸屬為吡啶中氮原子對(duì)位上氫;化學(xué)位移為 7.33的峰為多重峰,積分值為 2,歸屬為吡啶中氮原子間位上的兩個(gè)氫;化學(xué)位移為 6.96的峰為單峰,積分值為 2,歸屬為咪唑環(huán)中碳碳雙鍵上的兩個(gè)氫;化學(xué)位移為 4.60的峰為四重峰,積分值為 4,歸屬為兩個(gè)乙基中的亞甲基氫;化學(xué)位移為 1.60的峰為三重峰,積分值為 6,歸屬為兩個(gè)乙基中的甲基氫.值得注意的是,化合物 1中 10.26處的峰在化合物2的譜圖中沒有出現(xiàn),說明兩個(gè)氮原子之間的碳原子上的氫被脫去,成功生成了卡賓的 Pd(Ⅱ)配合物.從圖5可以看出:在化學(xué)位移121.3~152.8的范圍內(nèi)出現(xiàn) 4個(gè)峰,可歸屬為芳環(huán)上的碳原子.咪唑環(huán)中兩個(gè)氮原子之間的碳原子所對(duì)應(yīng)峰的化學(xué)位移應(yīng)在 160~200,但由于四級(jí)碳較難出峰,且13C NMR測試時(shí)間不足,因此對(duì)應(yīng)峰并未在譜圖中出現(xiàn).甲基和次甲基碳原子對(duì)應(yīng)的峰則分別出現(xiàn)在 46.3和15.8.譜圖中1.13處是溶劑峰.產(chǎn)物的氫譜及碳譜數(shù)據(jù)如下:
1H NMR(400,MHz,CDCl3):δ 9.05(m,J=8.36,Hz,2H,Ar-H),7.75(m,J=18.49,Hz,1H,Ar-H),7.33(m,J=14.03,Hz,2H,Ar-H),6.96(s,2H,CH=CH),4.60(q,J=22.20,Hz,4H,CH2),1.60(t,J=14.68,Hz,6H,CH3).
13C NMR(100,MHz,CDCl3):δ 121.3~152.8(Ar-C),46.3(CH3),15.8(CH2).
圖4 化合物2的1H NMR譜圖Fig. 4 1H NMR spectrum of Compound 2
圖5 化合物2的13C NMR譜圖Fig. 5 13C NMR spectrum of Compound 2
在成功合成咪唑鹽及其相應(yīng)卡賓 Pd(Ⅱ)配合物的基礎(chǔ)上,繼續(xù)研究具有不同骨架的卡賓前體的吲唑鹽的合成,并嘗試合成其相應(yīng)卡賓Pd(Ⅱ)配合物.
吲唑與碘乙烷發(fā)生烷基化反應(yīng),反應(yīng)以乙腈為溶劑,在 75,℃條件下進(jìn)行,并加入過量的氫氧化鈉水溶液,以脫去吲唑中的活潑氫(圖6).
圖6 反應(yīng)式3Fig. 6 Equation 3
反應(yīng)完成后分離得到的化合物3為淡黃色粉末,經(jīng)1H NMR表征,為碘化 1,2-二乙基吲唑鹽,其核磁共振氫譜如圖7所示.從圖7可以看出:化學(xué)位移為 9.67的峰為多重峰,積分值為 1,歸屬為五元雜環(huán)上與苯環(huán)相連碳上的氫;化學(xué)位移為8.08~7.50的峰為多重峰,積分值為4,歸屬為苯環(huán)上的氫;化學(xué)位移為 5.21的峰為多重峰,積分值為 2,歸屬兩個(gè)乙基中其中一個(gè)的亞甲基氫;化學(xué)位移為 4.97的峰為多重峰,積分值為 2,歸屬兩個(gè)乙基中另外一個(gè)的亞甲基氫;化學(xué)位移為 1.80的峰為多重峰,積分值為 3,歸屬兩個(gè)乙基中其中一個(gè)的甲基氫;化學(xué)位移為 1.56的峰為多重峰,積分值為 3,歸屬兩個(gè)乙基中另外一個(gè)的甲基氫.譜圖中未歸屬的峰為溶劑殘余峰.產(chǎn)物的氫譜數(shù)據(jù)如下:
1H NMR(400,MHz,CDCl3):δ 9.67(m,1H,CH),8.08(m,J=8.35,Hz,1H,Ar-H),7.83(m,J=16.64,Hz,1H,Ar-H),7.71(m,J=8.40,Hz,1H,Ar-H),7.50(m,J=15.39,Hz,1H,Ar-H),5.21(m,J=21.14,Hz,2H,CH2),4.97(m,J=21.64,Hz,2H,CH2),1.80(m,J=13.88,Hz,3H,CH3),1.56(m,J=14.30,Hz,3H,CH3).
圖7 化合物3的1H NMR譜圖Fig. 7 1H NMR spectrum of Compound 3
參照化合物2的合成方法,進(jìn)行吲唑衍生的卡賓Pd(Ⅱ)配合物的合成.化合物 3與氯化鈀、過量的碳酸鉀和溴化鈉在吡啶中反應(yīng),反應(yīng)溫度為 80,℃(圖 8).
圖8 反應(yīng)式4Fig. 8 Equation 4
分離得到的化合物 4為黃色粉末,經(jīng)1H NMR表征,為(1,2-二乙基吲唑基)吡啶基二溴化鈀(Ⅱ),其核磁共振氫譜如圖9所示.由圖9可以看出:與化合物 3的譜圖相比,9.67處的單峰消失,證明五元雜環(huán)上與苯環(huán)相連碳上的氫被脫掉.化學(xué)位移為 8.91的峰為雙峰,積分值為 2,歸屬為吡啶環(huán)上氮原子鄰位上的兩個(gè)氫;化學(xué)位移為8.62的峰為雙峰,積分值為 1,歸屬為吡啶環(huán)上氮原子對(duì)位上的氫;化學(xué)位移為 7.72的峰為多重峰,積分值為 2,歸屬為吡啶環(huán)上氮原子間位上的兩個(gè)氫;化學(xué)位移為7.35~7.26的峰為多重峰,積分值為4,歸屬為苯環(huán)上的氫;化學(xué)位移為 3.49的峰為多重峰,積分值為 4,歸屬為兩個(gè)乙基中亞甲基上的氫;化學(xué)位移為1.41的峰為多重峰,積分值為 6,歸屬為兩個(gè)乙基中甲基上的氫.產(chǎn)物的氫譜數(shù)據(jù)如下:
1H NMR(400,MHz,CDCl3):δ 8.91(d,J=5.89,Hz,2H,Ar-H),8.62(d,J=4.17,Hz,1H,Ar-H),7.72(m,J=47.52,Hz,2H,Ar-H),7.35~7.26(m,J=24.73,Hz,4H,Ar-H),3.49(m,J=19.83,Hz,4H,CH2),1.41(m,J=13.73,Hz,6H,CH3).
圖9 化合物4的1H NMR譜圖Fig. 9 1H NMR spectrum of Compound 4
咪唑中兩個(gè)氮原子之間有一個(gè)碳原子,而吲唑中的兩個(gè)氮原子處于鄰位.由于氮原子的電負(fù)性大于碳原子,因此吲唑中氮原子的電荷密度會(huì)小于咪唑中的氮原子電荷密度使親核取代反應(yīng)難以進(jìn)行.因此,在制備吲唑鹽時(shí),用極性較大的乙腈作為溶劑,有利于鹽的生成.
另外,由于碘是一個(gè)很好的離去基團(tuán),碘乙烷是一個(gè)比溴乙烷更強(qiáng)的烷基化試劑.因此,在制備咪唑鹽時(shí)使用的是溴乙烷,而在制備吲唑鹽時(shí)則使用的是碘乙烷.
本文以咪唑和吲唑?yàn)樵虾铣闪藘煞N卡賓前體及相應(yīng)后過渡金屬 Pd(Ⅱ)配合物.以咪唑鹽作為卡賓前體,在 K2CO3存在的條件下,與 PdCl2在吡啶中反應(yīng),分離得到了氮雜環(huán)卡賓 Pd(Ⅱ)配合物,其中Pd(Ⅱ)與卡賓和吡啶同時(shí)配位.以吲唑鹽作為卡賓的前體,嘗試了吲唑衍生的卡賓 Pd(Ⅱ)配合物的合成.核磁共振結(jié)果表明,實(shí)驗(yàn)中利用溴乙烷制備咪唑鹽,碘乙烷和乙腈制備吲唑鹽能夠達(dá)到較好的效果,并且成功合成了兩種氮雜環(huán)卡賓 Pd(Ⅱ)配合物,即(1,3-二乙基咪唑基)吡啶基二氯化鈀(Ⅱ)和(1,2-二乙基吲唑基)吡啶基二溴化鈀(Ⅱ).
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