兩種季銨鹽型離子液體鈀配合物的合成

籍向東，王 宇,蔡亮亮,高建疆

(河西學院 甘肅省河西走廊特色資源利用重點實驗室，甘肅 張掖 734000)

過渡金屬鈀配合物在天然產物合成和醫藥制備等領域中被廣泛應用[1-2]，其具有活化碳原子，連接不同種類碳原子形成復雜化合物，高度兼容反應物官能團和產物官能團等優點，將其應用于催化反應是實現化學反應經濟性的有力工具之一。在眾多的有機化學反應中，C—C偶聯反應已經成為構筑新型有機化合物非常重要的一種手段，使用最廣泛的兩種偶聯方式為Suzuki-Miyaura 偶聯[3]和Heck偶聯[4]反應。這兩類反應通常使用有機磷鈀配合物為催化劑[5-7]，有機磷配體通常合成步驟繁瑣，一般具有毒性、不可回收利用和熱不穩定等缺點。在很多磷配體應用于C—C偶聯反應的報道中避免了以上缺點，但是大多數反應體系中均需要有毒溶劑、高溫或長時間反應[8-12]。因此，發展新型高效、反應溫和、可回收利用的鈀催化劑是一個具有挑戰的課題。

由于離子液體具有低熔點、低蒸汽壓、溶解性良好及潛在的再回收能力等特點，研究人員已經將其作為反應溶劑或催化劑應用于多種反應[13]。離子液體中官能團的引入是一種制備新型離子液體的方法，已經引起了研究人員的廣泛關注[14]。將金屬鈀通過配位鍵嫁接到離子液體中，形成離子液體型鈀配合物，兼顧了離子液體的特性和鈀的催化性能，形成高度相似相溶的催化體系，具有溶劑適應性強、可回收利用、催化活性高等特點，并已經應用于多種催化反應[15-17]。由于大多數二價鈀在含氧試劑中會被氧化，因此，制備可回收且相對穩定的鈀配合物在工業生產中具有非常重要的實際意義，離子液體對鈀配合物起到穩定和助催化作用，并提高催化劑活性和穩定性，對降低過渡金屬的流失，實現鈀配合物的高效循環使用具有非常重要的現實意義[18-21]。

Scheme 1

本文以苯甲酰肼和4-醛基吡啶為原料，經過縮合反應制備亞胺型化合物1，分別與芐氯和對二芐氯結合制備了兩個新型的離子液體型亞胺配體2和3;配體2和3分別與醋酸鈀反應得到新型離子液體型鈀配合物4和離子液體型自組裝鈀配合物5(Scheme 1)，并初步研究了兩種鈀配合物的性質。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

SGWX-4B型熔點儀；Bruker-NMR 400 MHz型核磁共振儀(DMSO-d6為溶劑，TMS為內標)；Thermo Scientific Nicolet iS50型紅外光譜儀(KBr壓片)；Bruker-micrOTOF-Q Ⅲ型電噴霧質譜儀。

醋酸鈀、芐氯、對二芐氯、苯甲酰肼和4-醛基吡啶，上海阿拉丁生化科技股份有限公司；其余所用試劑均為分析純或化學純。

1.2 合成

(1) 化合物1的合成[22]

在圓底燒瓶中依次加入苯甲酰肼1.37 g(10 mmol)和4-吡啶甲醛1.06 g(10 mmol)，攪拌下加入無水乙醇20 mL和幾滴甲酸，升溫至回流(內溫約80 ℃)，反應5 h(TLC檢測)，冷卻至室溫，過濾，濾餅用冷無水乙醇(3×20 mL)洗滌，干燥后得白色固體11.86 g，收率83%，m.p.214～216 ℃;1H NMRδ:12.15(s,1H),8.67(d,J=4.0 Hz,2H),8.47(s,1H),7.94(d,J=4.0 Hz,2H),7.68(d,J=4.0 Hz,2H),7.63(t,J=8.0 Hz,1H),7.56(t,J=8.0 Hz,2H);13C NMRδ:163.88,150.76,145.81,141.98,133.58,132.48,129.00,128.21,121.45；IRν:3253,3065,3034,1645,1549,1490,1411,1362,1281,1141,1075,954,918,825,681 cm-1;HR-MS(ESI)m/z:Calcd for C13H11N3O {[2M+H]+}451.1877,found 451.1868。

(2) 化合物2的合成

在圓底燒瓶中依次加入化合物11.13 g(5 mmol)和氯化芐0.63 g(5 mmol)，攪拌下加入乙腈20 mL，升溫至回流(內溫約85 ℃)，反應4 h(TLC檢測)，冷卻至室溫，過濾，濾餅用冷石油醚(3×20 mL)洗滌，干燥得白色固體21.14 g，收率65%，m.p.>300 ℃;1H NMRδ:12.90(s,1H),9.20(d,J=4.0 Hz,1H),8.71(s,1H),8.38(d,J=4.0 Hz,2H),8.00(d,J=4.0 Hz,2H),7.65(t,J=8.0 Hz,1H),7.57(m,4H),7.46(m,3H),5.86(s,2H)；13C NMRδ:150.51,145.54,134.82,132.98,132.73,132.68,129.71,129.29,129.02,128.75,128.53,125.19,63.18；IRν:3114,3032,2975,2902,2822,1670,1634,1558,1515,1455,1377,1273,1135,1076,919,736,697 cm-1;HR-MS(ESI)m/z:Calcd for C20H18N3OCl{[M-Cl]+}316.1844,found 316.1813。

(3) 化合物3的合成

在圓底燒瓶中依次加入化合物11.13 g(5 mmol)和對二芐氯0.44 g(2.5 mmol)，攪拌下加入DMF 20 mL，升溫至90 ℃(內溫約80 ℃)，反應6 h，冷卻至室溫，過濾，濾餅用冷石油醚(3×20 mL)洗滌，干燥得淡黃色固體化合物30.74 g，收率47%，m.p.234～236 ℃;1H NMRδ:12.98(s,1H),9.22(d,J=6.4 Hz,2H),8.75(s,1H),8.37(s,2H),8.01(d,J=4.0 Hz,2H),7.67(s,1H),7.64(s,2H),7.56(t,J=8.0 Hz,1H),7.56(s,1H),7.54(s,1H),5.89(s,2H);13C NMRδ:164.06,150.62,145.62,142.05,135.92,132.89,132.89,130.05,129.03,128.70,125.24,62.61；IRν:3048,2947,2816,2161,1731,1671,1632,1562,1472,1359,1273,1134,1077,1023,916,798,729 cm-1;HR-MS(ESI)m/z:Calcd for C34H30N6O2Cl2{[M+2Cl]+}694.9578,found 694.9540。

(4) 化合物4的合成

在圓底燒瓶中依次加入化合物20.70 g(2 mmol)和Pd(OAc)20.112 g(1 mmol)，攪拌下加入甲醇20 mL(內溫約70 ℃)，升溫至回流，反應3 h，冷卻至室溫，過濾，濾餅用冷甲醇(3×20 mL)洗滌，干燥得白色固體40.43 g，收率53%，m.p.>300 ℃;1H NMRδ:9.33(d,J=4.0 Hz,2H),8.99(d,J=4.0 Hz,2H),8.19(d,J=8.0 Hz,2H),7.99(t,J=8.0 Hz,2H),7.88(s,2H),7.51(m,20H),5.92(s,2H),5.63(s,2H);13C NMRδ:182.09,170.79,168.17,149.13,149.06,145.47,144.38,144.04,142.93,142.68,135.27,134.48,133.20,132.55,132.34,129.92,129.83,129.70,129.57,129.56,129.30,129.10,128.98,128.94,127.77,121.08,63.70,62.68；IRν:3027,2169,1989,1633,1482,1361,1136,1024,793,704 cm-1；HR-MS(ESI)m/z:Calcd for C34H30N6O2Cl2{[M+Na+H-2Cl]-}756.3780,found 756.3895。

(5) 化合物5的合成

在圓底燒瓶中依次加入化合物31.26 g(2 mmol)和Pd(OAc)20.224 g(2 mmol)，攪拌下加入DMF 20 mL，升溫至90 ℃(內溫約80 ℃)，反應6 h，冷卻至室溫，過濾，濾餅用冷甲醇(3×20 mL)洗滌，干燥得深紅色固體50.42 g，收率28%，m.p.>300 ℃;IRν:2973,2863,1932,1510,1419,1266,854,756,677 cm-1。

2 結果與討論

2.1 表征

圖1為鈀配合物的能譜圖。由圖1可見，金屬鈀為自組裝鈀配合物5中的主要金屬元素，銅與金兩種元素來自于儀器的銅板和噴金處理。高含量的金屬鈀元素進一步證實了配體與醋酸鈀順利反應成功制得自組裝鈀配合物5。

圖1 自組裝鈀配合物5的能譜分析圖Figure 1 EDS analysis result of self-assembled palladium complex 5

2.2 合成

以苯甲酰肼和4-醛基吡啶為原料，在乙醇中脫水縮合即可制得亞胺型化合物1，化合物1分別于芐氯和對二芐氯在乙腈中結合形成離子液體型配體2和3，反應條件溫和，基于離子液體型配體在乙腈中溶解度不大，反應結束后，產物即可析出，通過過濾即可實現分離提純。配體2與醋酸鈀在甲醇中發生配位反應，通過重結晶得到離子液體型鈀配合物4。配體3與醋酸鈀在DMF中通過自組裝的方式得到離子液體型鈀配合物5，在該反應過程中使用DMF作為溶劑，產生的非均相自組裝鈀配合物5由于分子量較大不溶于DMF，可以通過簡單的過濾進行分離。其中，低分子量鈀配合物和配體均溶于DMF中，通過過濾可以除去。將離子液體引入鈀催化劑中，可在催化反應時使用更多種類的溶劑，甚至在水中進行。

2016年，研究人員報道了與本論文合成思路相近的離子液體型鈀催化劑并應用于Suzuki-Miyaura偶聯反應[23]，研究發現這種催化劑可以在水中進行催化反應，且個別底物的反應產率高達99%。自組裝鈀配合物5應用于催化偶聯反應時，由于本身是一種聚合物，可以通過過濾的方式循環利用，增加鈀催化劑的催化效率，降低制備成本。

以苯甲酰肼和4-醛基吡啶為原料，首次合成了兩個離子液體型配體，并進一步合成了兩種離子液體型鈀配合物(一種為均相自組裝，另一種為非均相自組裝)。該類離子液體型鈀配合物對有機金屬催化的偶聯反應的開發有潛在應用價值。