銠催化無水茚三酮和炔烴脫羰環(huán)加成C-C鍵活化反應(yīng)的研究

于曉波，莊德吉，陳佳特

(吉林化工學(xué)院 材料科學(xué)與工程學(xué)院,吉林 吉林 132022)

有機(jī)化學(xué)領(lǐng)域一直在追求應(yīng)用簡單易得的原料快速制備復(fù)雜分子結(jié)構(gòu)的有機(jī)化合物.過渡金屬催化C-C鍵活化能實(shí)現(xiàn)高效的化學(xué)反應(yīng)，可以快速得到預(yù)期的有機(jī)分子[1-3].同時，近年來，過渡金屬催化的脫羰環(huán)加成反應(yīng)也是提供構(gòu)建復(fù)雜有機(jī)分子結(jié)構(gòu)的有效方法，特別是對于難以通過傳統(tǒng)方法獲得的稠環(huán)結(jié)構(gòu)分子[4-7].通過活化C-O鍵，C-S鍵，和C-N鍵來實(shí)現(xiàn)脫羰環(huán)加成形成稠環(huán)分子.通過張力環(huán)酮分子的C-C鍵活化，也可以實(shí)現(xiàn)脫羰環(huán)加成反應(yīng).對于非張力環(huán)的底物，使用官能團(tuán)將金屬引導(dǎo)至特定的C-C鍵是C-C鍵活化脫羰環(huán)加成的有效方法[8,9].但這些反應(yīng)主要限于高張力環(huán)酮以及具有導(dǎo)向基團(tuán)的酮[5,8,9].如果沒有導(dǎo)向基團(tuán)的作用，不能實(shí)現(xiàn)非張力環(huán)酮的脫羰環(huán)加成反應(yīng).為了擴(kuò)大脫羰環(huán)加成反應(yīng)的范圍，非常需要有效實(shí)現(xiàn)非張力環(huán)酮C-C鍵活化的方法.

茚三酮是苯并五元環(huán)結(jié)構(gòu)，具有三個共軛羰基，是市售的廉價試劑.茚三酮分子結(jié)構(gòu)的C-C鍵可能是用于過渡金屬氧化加成潛在的反應(yīng)位點(diǎn).一旦金屬成功地添加到C-C鍵，隨后的脫羰作用將產(chǎn)生更穩(wěn)定的金屬環(huán)狀中間體.該中間體可以通過環(huán)加成與炔烴進(jìn)一步反應(yīng)，得到茚酮產(chǎn)物.這將是一個非常有吸引力的反應(yīng)方法，這些產(chǎn)物是有機(jī)合成，藥物，和生物制劑中的重要化學(xué)品.

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

Bruker AV 400MHz核磁共振儀；Nicolet Magna 550 FT-IR紅外光譜儀；Vario MICRO cube元素分析儀.分離柱用硅膠和薄層色譜分析用薄層層析硅膠板均購于煙臺化工有限公司.實(shí)驗(yàn)過程中所使用溶劑均為市售分析純試劑.

1.2 實(shí)驗(yàn)過程

向10 mL小試管中，加入0.20 mmol無水茚三酮，0.20 mmol取代二苯乙炔，并加入過渡金屬催化劑(5 mol%)，膦配體(7 mol%)，助劑(10 mol%)，以及3.0 mL溶劑，在一定溫度下加熱攪拌到反應(yīng)結(jié)束，旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)除去有機(jī)溶劑，再用硅膠柱分離提純，得到目標(biāo)產(chǎn)物3.

2 結(jié)果與討論

2.1 催化條件的優(yōu)化

本研究采用茚三酮和二苯乙炔作為模型反應(yīng)底物，選擇了多種催化劑和溶劑，研究了它們對反應(yīng)體系的影響，其結(jié)果如表1所示.

表1 茚三酮與炔烴反應(yīng)條件優(yōu)化*

*a反應(yīng)條件：1aa(0.20 mmol)，2aa(0.20 mmol)，催化劑(5.0mol%)，二甲苯(3.0 mL)，150 ℃反應(yīng)；b130 ℃反應(yīng)；c分離產(chǎn)率；d產(chǎn)物3aa和4aa的比率

研究不同溶劑結(jié)果表明，對于該轉(zhuǎn)化過程，使用二甲苯能得到最高的產(chǎn)率.使用其它溶劑如PhCl，DMF和NMP，都沒有產(chǎn)物生成.基于這些研究結(jié)果，選擇催化劑[Rh(COD)Cl]2，二甲苯作為溶劑以及150 ℃為初步優(yōu)化的反應(yīng)條件.

表2 茚三酮與炔烴反應(yīng)條件優(yōu)化*

*a為反應(yīng)條件：1aa(0.20 mmol)，2aa(0.20 mmol)，催化劑(5.0 mol%)，二甲苯(3.0 mL)，150 ℃反應(yīng)；b為配體(7 mol%)；c為添加劑(10 mol%)；d為分離產(chǎn)率；e為產(chǎn)物3aa和4aa的比率

2.2 反應(yīng)底物的擴(kuò)展

在優(yōu)化的反應(yīng)條件下，研究了銠催化[5+2-2]脫羰環(huán)加成反應(yīng)的范圍，結(jié)果見表3.

在確定的優(yōu)化實(shí)驗(yàn)條件下，無水茚三酮和二苯乙炔反應(yīng)，能得到87%產(chǎn)率的茚酮產(chǎn)物3aa.甲基和甲氧基在對位取代的1,2-二苯基乙炔在這個轉(zhuǎn)化過程中能產(chǎn)生92%以及86%產(chǎn)率的相應(yīng)產(chǎn)物(3ab,3ac).帶有叔丁基的1,2-二苯基乙炔顯示出優(yōu)異的反應(yīng)性，產(chǎn)生90%產(chǎn)率的產(chǎn)物3ad.這表明1,2-二苯基乙炔上的供電子取代基有利于脫羰環(huán)加成反應(yīng).

表3 茚三酮與炔烴[5+2-2]脫羰環(huán)加成反應(yīng)

*反應(yīng)條件：1(020 mmol)，2(0.20 mmol)，5 mol% [Rh(COD)Cl]2,7 mol% rac-BINAP，10 mol% CuCl2，150 ℃反應(yīng)溫度下反應(yīng)5小時；產(chǎn)率為分離產(chǎn)率

此外，帶有鹵素基團(tuán)的1,2-二苯基乙炔也能順利地與茚三酮反應(yīng)，得到相應(yīng)的產(chǎn)物(3ae,3af)，產(chǎn)率為82%～84%.另外，具有-CF3或-COOEt吸電子基團(tuán)的1,2-二苯基乙炔也與茚三酮順利的反應(yīng)得到產(chǎn)物3ag和3ah，產(chǎn)率分別為85%和76%.

2.3 產(chǎn)物結(jié)構(gòu)表征

2,3-diphenyl-1H-inden-1-one (3aa)：通過色譜柱純化，得到紅色固體(24.5 mg,產(chǎn)率：87%).1H NMR(CDCl3,400 MHz)：δ7.61(d,J=6.96 Hz,1H),7.44～7.37(m,6H),7.33～7.27(m,6H),7.17(d,J=7.2 Hz,1H)；13C NMR(CDCl3,100 MHz)：δ196.37,155.23,145.11,133.36,132.61,132.27,130.65,129.90,129.22,128.87,128.71,128.42,127.99,127.66,122.87,121.18；IR(KBr)：ν3 738,3 449,3 061,2 923,2 361,1 705,1 604,1 452,1 348,1 180,1 076,924,841,754,698 cm-1；Analytical Data.Found(calcd) for：C21H14O C,89.36(89.34)；H,5.01(5.00).

2,3-dip-tolyl-1H-inden-1-one(3ab)：通過色譜柱純化，得到紅色固體(28.5 mg,產(chǎn)率：92%).1H NMR(CDCl3,400 MHz)：δ7.59(d,J=7.00 Hz,1H),7.37～7.28(m,4H),7.25～7.16(m,5H),7.11(d,J=7.80 Hz,2 H),2.43(s,3H),2.35(s,3H)；13C NMR(CDCl3,100 MHz)：δ196.67,154.71,145.38,139.27,137.44,133.23,131.97,130.86,129.83,129.79,129.40,129.34,128.77,128.65,128.42,127.92,122.71,121.06,21.46,21.29；IR(KBr)：ν3 618,2 924,1 708,1 605,1 503,1 458,1 345,1 183,1 072,1 019,817,731 cm-1；Analytical Data.Found(calcd) for：C23H18O C,89.02(89.00)；H,5.85(5.85).

2,3-bis(4-methoxyphenyl)-1H-inden-1-one(3ac)：通過色譜柱純化，得到紅色固體(29.4 mg,產(chǎn)率：86%).1H NMR(CDCl3,400 MHz)：δ7.58(d,J=6.92 Hz,1H),7.40～7.36(m,3H),7.30～7.25(m,3H),7.19(d,J=7.24 Hz,1H),6.96(d,J=8.76 Hz,2 h),6.84(d,J=8.76 Hz,2 h),3.88(s,3H),3.82(s,3H)；13C NMR(CDCl3,100 MHz)：δ196.91,160.29,159.09,153.75,145.49,133.22,131.25,131.03,130.15,128.58,127.11,125.13,123.43,122.68,120.92,114.20,113.66,55.29,55.17；IR(KBr)：ν3 448,2 923,2 362,1 702,1 605,1 505,1 457,1 401,1 292,1 248,1 175,1 030,785 cm-1；Analytical Data.Found(calcd) for：C23H18O3C,80.70(80.68)；H,5.29(5.30).

2,3-bis(4-tert-butylphenyl)-1H-inden-1-one(3ad)：通過色譜柱純化，得到紅色固體(35.5 mg,產(chǎn)率：90%).1H NMR(CDCl3,400 MHz)：δ7.60(d,J=7.20 Hz,1H),7.47(d,J=8.52 Hz,2 H),7.40～7.33(m,4H),7.32～7.28(m,4H),7.19(d,J=7.24 Hz,1H),1.41(s,9H),1.35(s,9H)；13C NMR(CDCl3,100 MHz)：δ196.86,154.63,152.37,150.47,145.55,133.21,131.74,130.87,129.85,129.53,128.60,128.24,127.87,125.54,124.93,122.67,121.21,34.81,34.55,31.23,31.17；IR(KBr)：ν3 453,2 526,1 636,1 414,1 387,1 167,1 106,1 053,1 024,946,892,752 cm-1；Analytical Data.Found(calcd) for：C29H30O C,88.30(88.28)；H,7.65(7.66).

2,3-bis(4-chlorophenyl)-1H-inden-1-one(3ae)：通過色譜柱純化，得到紅色固體(28.7 mg,產(chǎn)率：82%).1H NMR(CDCl3,400 MHz)：δ7.61(d,J=6.92 Hz,1H),7.45～7.39(m,3H),7.35～7.31(m,3H),7.29～7.27(m,2 H),7.23～7.20(m,2 H),7.14(d,J=7.20 Hz,1H)；13C NMR(CDCl3,100 MHz)：δ195.76,154.27,144.63,135.51,134.03,133.67,133.64,131.18,130.84,130.47,129.83,129.33,129.31,128.53,123.26,121.16；IR(KBr)：ν3 533,2 960,2 870,2 359,1 724,1 603,1 460,1 391,1 287,1 122,1 084,1 017,961,867,724,657 cm-1；Analytical Data.Found(calcd) for：C21H12Cl2O C,71.82(71.81)；H,3.43(3.44).

2,3-bis(4-bromophenyl)-1H-inden-1-one(3af)：通過色譜柱純化，得到紅色固體(36.8 mg,產(chǎn)率：84%).1H NMR(CDCl3,400 MHz)：δ7.62～7.58(m,2 H),7.47～7.38(m,4H),7.35～7.27(m,4H),7.18～7.12(m,2H)；13C NMR(CDCl3,100 MHz)：δ195.61,154.28,144.52,133.63,132.27,132.08,131.45,131.42,130.42,130.00,129.88,129.79,129.32,123.77,123.24,122.35,121.14；IR(KBr)：ν3 060,2 925,2 853,1 710,1 602,1 457,1 343,1 264,1 181,1 069,1 011,923,830,764,675 cm-1；Analytical Data.Found(calcd) for：C21H12Br2O C,57.29(57.31)；H,2.76(2.75).

2,3-bis(4-(trifluoromethyl)phenyl)-1H-inden-1-one(3ag)：通過色譜柱純化，得到紅色固體(35.5 mg,產(chǎn)率：85%).1H NMR(CDCl3,400 MHz)：δ7.72(d,J=8.00 Hz,2 H),7.64(d,J=6.96 Hz,1H),7.55～7.49(m,4H),7.45～7.41(m,1H),7.37～7.34(m,3H),7.12(d,J=7.20 Hz,1H)；13C NMR(CDCl3,100 MHz)：δ195.28,155.01,144.30,135.93,133.89,133.80,131.54(q,J=32 Hz),130.20,130.15,129.77,128.82,126.09(q,J=3.70 Hz),125.21(q,J=3.70 Hz),123.97(q,J=269 Hz),123.72(q,J=271 Hz),123.61,121.44；19F NMR(376 MHz,CDCl3)：δ-62.77(s,3F)，-62.86(s,3F)；IR(KBr)：ν3 627,2 919,2 361,1 710,1 602,1 456,1 341,1 271,1 180,1 070,1 026,912,845,756,691 cm-1；Analytical Data.Found(calcd) for：C23H12F6O C,66.03(66.04)；H,2.90(2.89).

diethyl 4,4′-(1-oxo-1H-indene-2,3-diyl)dibenzoate(3ah)：通過色譜柱純化，得到紅色固體(32.4 mg,產(chǎn)率：76%).1H NMR(CDCl3,400 MHz)：δ8.10(d,J=8.0 Hz,2 H),7.95～7.93(m,2 H),7.64～7.62(m,1H),7.46～7.40(m,3H),7.36～7.30(m,3H),7.13(d,J=8.0 Hz,1H),4.44～4.33(m,4H),1.43～1.36(m,6H)；13C NMR(CDCl3,100 MHz)：δ194.35,165.87,155.49,144.54,140.78,136.91,134.93,133.78,131.43,130.15,129.83,129.58,129.34,128.44,123.45,121.43,61.29,60.98,14.31；IR(KBr)：ν3 576,2 927,2 365,1 716,1 606,1 457,1 366,1 275,1 181,1 072,1 020,924,832,767,706 cm-1；HRMS calcd.for C27H22O5：426.1467,found：426.1461；Analytical Data.Found(calcd) for：C27H22O5C,76.05(76.04)；H,5.19(5.20).

3 結(jié) 論

本研究發(fā)展了一種銠催化無導(dǎo)向基團(tuán)茚三酮與炔烴脫羰環(huán)加成反應(yīng).發(fā)現(xiàn)[Rh(COD)Cl]2和rac-BINAP配體組合是該脫羰環(huán)加成轉(zhuǎn)化最有效的催化體系.添加CuCl2可以選擇性實(shí)現(xiàn)[5+2-2]轉(zhuǎn)化制備茚酮化合物.多種官能團(tuán)取代炔烴適用于這個脫羰環(huán)加成轉(zhuǎn)化過程，能產(chǎn)生較高產(chǎn)率的茚酮衍生物.本研究實(shí)現(xiàn)了銠催化無導(dǎo)向基團(tuán)結(jié)構(gòu)的茚三酮與炔烴的C-C鍵活化反應(yīng)，拓寬了過渡金屬催化C-C鍵活化反應(yīng)的應(yīng)用范圍.本催化體系也有可能應(yīng)用于其它有機(jī)化學(xué)反應(yīng)，相關(guān)研究工作正在進(jìn)行當(dāng)中.