NHC-Pd配合物的合成及其催化Suzuki-Miyaura偶聯反應的研究

于宏偉，施繼成

(1.石家莊學院化工學院，石家莊 050035;2.廣東石油化工學院，廣東 茂名 525000)

過渡金屬(Pd，Ni，Cu等)催化鹵代芳烴與芳基硼酸的偶聯反應被稱為Suzuki－Miyaura偶聯反應。由于芳基硼酸具有易合成、穩定性好等優點，使得 Suzuki－Miyaura偶聯反應成為構建C—C 鍵 的 重 要方 法［1－4］。傳統 的 Suzuki －Miyaura偶聯反應中通常以大空間位阻、富電子的三價膦化合物作為催化劑配體［1－2］，膦配體具有很高的反應活性，但對水和空氣比較敏感，且合成工藝復雜，影響了其在Suzuki－Miyaura偶聯反應中的廣泛應用。N－雜環卡賓(NHC)配體和膦配體類似，具有大的空間位阻及很強的給電子能力，且合成更為簡單，被廣泛應用于催化化學的各個領域。筆者參考相關文獻［5－11］，以2－氨基聯苯等為原料制備出 NHC－Pd配合物，并對其催化氯苯與苯硼酸的 Suzuki－Miyaura偶聯反應進行了研究。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

2－氨基聯苯、叔丁醇鈉、醋酸鈀、正癸烷，Alfa Aesar試劑公司;其他試劑均為國產市售分析純試劑。Suzuki－Miyaura偶聯反應中所用試劑均按照 Schlenk技術經過嚴格的脫水及脫氧處理。

Varian 400 MHz核磁共振波譜儀(CDCl3，TMS為內標)，美國Varian公司;GC 7890F氣相色譜儀，上海天美科學儀器有限公司。

1.2 NHC－Pd配合物的合成

NHC－Pd配合物的合成路線如下:

1.2.1 N，N －二甲基－2 －氨基聯苯(Ⅱ)的制備［12］

室溫下向250 mL三口瓶中依次加入5.1 g 2－氨基聯苯(Ⅰ)和含有9.0 g氫氧化鈉的 100 mL水溶液，在0.5 h內分3批加入38 g硫酸二甲酯，加熱回流反應，TLC(薄層色譜)跟蹤反應進程。反應結束后加入濃度為1 mol/L的氫氧化鈉水溶液至pH為12，用乙醚萃取水相(50 mL×3)，用飽和食鹽水洗滌(50 mL ×3)，合并有機相，用無水硫酸鈉干燥12 h，過濾濃縮，采用柱層析(硅膠100～200目，展開劑為石油醚)分離提純，得到淡紅色液體，收率為 50%。1H NMR(CDCl3，400 MHz，TMS)δ:7.580 ～ 6.997(m，9H)，2.527(s，6H)。

1.2.2 二聚鈀配合物(Ⅲ)的制備［13］

高純氮氣保護下，向許林克瓶中依次加入1.77 g氯化鈀、0.85 g 氯化鋰、50 mL 無水甲醇及2.96 g N，N－二甲基－2－氨基聯苯，室溫下攪拌反應24 h，得到土黃色沉淀，過濾，室溫下真空干燥，得到2.94 g二聚鈀配合物，產率為85%。

1.2.3 NHC －Pd 配合物(Ⅴ)的制備［14］

高純氮氣保護下，向許林克瓶中依次加入5.0 mL干燥脫氣的 THF、405 mg 咪唑鹽(Ⅳ)［15］、311 mg二聚鈀配合物及91 mg叔丁醇鈉，室溫下攪拌反應 2 h后過濾濃縮，柱層析(硅膠 100～200 目，展開劑組成 V石油醚∶V乙酸乙酯=1∶10)分離提純，得到393 mg黃色固體，產率為60%。1H NMR(CDCl3，400 MHz，TMS)δ:7.433(t，J=8.0 Hz，1H)，7.307(d，J=7.6 Hz，1H)，7.240(d，J=8.0 Hz，1H)，7.189(s，2H)，7.109(t，J=7.6 Hz，1H)，7.041(t，J=7.8 Hz，1H)，6.992(d，J=3.6 Hz，1H)，6.941(t，J=6.2 Hz，1H)，6.894(d，J=8.0 Hz，1H)，6.851 ～6.732(m，6H)，6.676 ～ 6.654(dd，J=1.6，1.2 Hz，1H)，3.791 ～ 3.755(m，1H)，3.629 ～ 3.601(m，1H)，2.858(s，3H)，2.564 ～2.529(m，1H)，2.111 ～2.081(m，1H)，1.994(s，3H)，1.638(d，J=6.8 Hz，3H)，1.414(d，J=6.4 Hz，3H)，1.235(d，J=6.8 Hz，3H)，1.070(d，J=6.8 Hz，3H)，0.917(d，J=6.4 Hz，3H)，0.788(d，J=6.4 Hz，3H)，0.659(d，J=6.8 Hz，3H)，0.419(d，J=6.4 Hz，3H)。

1.3 Suzuki－Miyaura偶聯反應

高純氮氣保護下，向干燥的許林克瓶中依次加入14.6 mg NHC－Pd配合物、115 mg叔丁醇鈉、171 mg苯硼酸及1.5 mL脫氣干燥的異丙醇，室溫下攪拌反應15 min，然后依次加入1.0 mmol脫氣干燥的氯苯及1.0 mmol內標正癸烷，室溫下反應75 min，氣相色譜儀跟蹤反應。反應結束后加入20 mL去離子水，用乙醚萃取水相(5 mL×3)，合并有機相，用無水硫酸鈉干燥，過濾濃縮，柱層析分離提純(硅膠100～200目，展開劑組成V乙酸乙酯∶V石油醚=1∶10)，得到產物聯苯。1H NMR(CDCl3，400 MHz，TMS)δ:7.596 ～ 7.312(m，10H)。

2 結果與討論

2.1 結構表征

2.1.1 中間體Ⅱ的結構表征

通過1H NMR對中間體Ⅱ的結構進行表征，結果如圖1所示。δ 7.580～6.997歸屬于聯苯環1，2，4，5，6，8，9，10，11 位上 9 個氫原子的化學位移;δ 2.527則歸屬于14，15位上甲基的6個氫原子 的 化 學 位 移。 積 分 面 積 S(1，2，4，5，6，8，9，10，11)位∶S(14，15位)=3∶2，和理論值一致。分析結果表明產品為目標產物N，N－二甲基－2－氨基聯苯。

圖1 中間體Ⅱ的1H NMR譜圖

2.1.2 配合物Ⅴ的結構表征

通過1H NMR對配合物Ⅴ的結構進行表征，結果如圖2所示。δ 7.450～6.654歸屬于芳環和雜環上 16 個氫原子的化學位移;δ 3.772，3.616，2.546和2.081分別歸屬于異丙基上4個叔碳上氫原子的化學位移;δ 2.858和1.994分別歸屬于N上2個甲基氫原子的化學位移;δ 1.638，1.414，1.235，1.070，0.917，0.788，0.659 和 0.419 則分別歸屬于異丙基上的8個甲基氫原子的化學位移。通過譜圖分析并結合文獻報道［14］，確認合成化合物為目標產物。

圖2 配合物Ⅴ的1H NMR譜圖

2.1.3 偶聯產物的結構表征

通過1H NMR對偶聯產物的結構進行表征，結果如圖3所示。δ 7.596～7.575歸屬于聯苯環1，5，8，12 位上4 個氫原子的化學位移;δ 7.445 ～7.407歸屬于聯苯環 2，4，9，11位上 4 個氫原子的化學位移;δ 7.351～7.312則歸屬于聯苯環 3，10位上2個氫原子的化學位移。積分面積S(1，5，8，12位)∶S(2，4，9，11位)∶S(3，10位)=2∶2∶1，和理論值一致。實驗結果表明偶聯產物為目標產物聯苯。

圖3 偶聯產物的1H NMR譜圖

2.2 催化反應機理

2.2.1 NHC －Pd 配合物的解離

NHC－Pd配合物中的 Pd沒有空軌道，不能直接參與 Suzuki－Miyaura偶聯反應。Nolan等［14］系統研究了配合物Ⅴ的解離原理，結果如圖4所示。

圖4 配合物Ⅴ解離原理

在強堿叔丁醇鈉作用下，異丙醇脫去氫質子后進攻配合物中的鈀金屬，發生類似親核取代反應，生成配合物Ⅵ;然后經過β－氫消除生成丙酮及配合物Ⅶ;最后配合物Ⅶ經過還原消除生成具有催化活性的 LnPd0及N，N－二甲基－2－氨基聯苯。LnPd0可直接參與Suzuki－Miyaura偶聯反應的催化循環圈。

2.2.2 LnPd0催化 Suzuki－Miyaura 偶聯反應

LnPd0作為催化劑直接催化Suzuki－Miyaura偶聯反應。Suzuki－Miyaura偶聯反應主要包括氧化加成、金屬轉移和還原消除3個步驟，反應機理如圖5所示［16］。LnPd0具有非常好的催化活性，可以高活性地催化氯苯與苯硼酸的Suzuki－Miyaura偶聯反應，室溫下反應75 min收率達到93%，而常見的催化體系Pd(OAc)2/PPh3在相同的反應條件下收率幾乎為0。

圖5 Suzuki－Miyaura偶聯反應機理

LnPd0具有空的配位點，有利于底物氯苯的氧化加成。此外LnPd0分子中的卡賓配體具有很強的給電子能力，與過渡金屬鈀的d軌道形成化學鍵，電子從卡賓流向鈀。在氧化加成過程中，底物的反鍵軌道中填充來自鈀的d軌道富裕電子，進一步減少底物分子鍵能，有利于氧化加成。在金屬轉移步驟中堿的選擇很重要。對于本催化體系叔丁醇鈉有雙重作用，一方面作為堿可以中和鹵素，另一方面可以促進配合物Ⅴ解離生成LnPd0。在還原消除步驟中，配體的空間位阻起主要作用。LnPd0配體中的異丙基苯具有很大的空間位阻，有利于還原消除。但并非具有大空間位阻和富電子的配體的催化活性一定高，它們之間存在微妙的平衡關系［16］。

3 結論

以2－氨基聯苯等為原料制備了高催化活性的NHC－Pd配合物，并以該配合物為催化劑催化氯苯和苯硼酸的Suzuki－Miyaura偶聯反應。NHC－Pd配合物的催化活性遠高于傳統的偶聯反應催化劑。

［1］Littke A F，Dai C Y，Fu G C.Versatile catalysts for the Suzuki cross－coupling of arylboronic acids with aryl and vinyl halides and triflates under mild conditions［J］.J Am Chem Soc，2000，122(17):4020 －4028.

［2］Wolfe J P，Buchwald S L.A highly active catalyst for the room－temperature amination and Suzuki coupling of aryl chlorides［J］.Angew Chem Int Ed，1999，38(16):2413 －2416.

［3］Arduengo III A J，Harlow R L，Kline M.A stable crystalline carbene［J］.J Am Chem Soc，1991，113(1):361 － 363.

［4］Altenhoff G，Goddard R，Lehmann C W，et al.An N－heterocyclic carbene ligand with flexible steric bulk allows Suzuki cross－coupling of sterically hindered aryl chlorides［J］.Angew Chem Int Ed，2003，42(31):3690－3693.

［5］Hadei N，Kantchev E A，Obrien C J，et al.Room －temperature negishi cross－coupling of unactivated alkyl bromides with alkyl organozinc reagents utilizing a Pd/N－heterocyclic carbene catalyst［J］.J Org Chem，2005，70(21):8503－8507.

［6］Grasa G A，Viciu M S，Huang J，et al.Suzuki－ Miyaura cross－coupling reactions mediated by palladium/imidazolium salt systems［J］.Organometallics，2002，21(14):2866 －2873.

［7］Grasa G A，Nolan S P.Palladium/imidazolium salt catalyzed coupling of aryl halides with hypervalent organostannates［J］.Organic Letters，2001，3(1):119－122.

［8］Lee H M，Nolan S P.Efficient cross－coupling reactions of aryl chlorides and bromides with phenyl or vinyltrimethoxysilane mediated by a palladium/imidazolium chloride system［J］.Organic Letters，2000，2(14):2053 －2055.

［9］Marion N，Ecarnot E C，Navarro O，et al.(IPr)Pd(acac)Cl:an easily synthesized，efficient，and versatile precatalyst for C－N and C－C bond formation［J］.J Org Chem，2006，71(10):3816－3821.

［10］Grasa G A，Viciu M S，Huang J，et al.Amination reactions of aryl halides with nitrogen－containing reagents mediated by palladium/imidazolium salt systems［J］.J Org Chem，2001，66(23):7729－7737.

［11］Delaude L，Szypa M，Demonceau A，et al.New in situ generated ruthenium catalysts bearing N－heterocyclic carbene ligands for the ring－opening metathesis polymerization of cyclooctene［J］.Adv Synth Catal，2002，344(6/7):749 －756.

［12］Lepley A R，Giumanini A G，Giumanini A B，et al.Benzyne addition to dialkylanilines［J］.J Org Chem，1966，31(7):2051－2055.

［13］ Beletskaya，Cheprakov A V.The heck reaction as a sharpening stone of palladium catalysis［J］.Chem Rev，2000，100(8):3009－3066.

［14］Nararro O，Kelly R A，Nolan S P.A general method for the Suzuki－Miyaura cross－coupling of sterically hindered aryl chlorides:synthesis of di－ and tri－ortho－substituted biaryls in isopropanol at room temperature［J］.J Am Chem Soc，2003，125(52):16194－16195.

［15］Arduenngo Ⅲ A J，Krafczyk R，Schmutzler R.Imidazolylidenes imidazolinylidenes and imidazolidines［J］.Tetrahedron，1999，55(51):14523－14534.

［16］Yu H W，Shi J C，Zhang H，et al.Unsymmetric－1，3－disubstituted imidazolium salt for palladium－catalyzed Suzuki－Miyaura cross－ coupling reactions of aryl bromides［J］.Journal of Molecular Catalysis A:Chemical，2006，250(1/2):15－19.