NHC-Pd配合物的合成及其催化Suzuki-Miyaura偶联反应的研究

于宏伟，施继成

(1.石家庄学院化工学院，石家庄 050035;2.广东石油化工学院，广东 茂名 525000)

过渡金属(Pd，Ni，Cu等)催化卤代芳烃与芳基硼酸的偶联反应被称为Suzuki－Miyaura偶联反应。由于芳基硼酸具有易合成、稳定性好等优点，使得 Suzuki－Miyaura偶联反应成为构建C—C 键 的 重 要方 法［1－4］。传统 的 Suzuki －Miyaura偶联反应中通常以大空间位阻、富电子的三价膦化合物作为催化剂配体［1－2］，膦配体具有很高的反应活性，但对水和空气比较敏感，且合成工艺复杂，影响了其在Suzuki－Miyaura偶联反应中的广泛应用。N－杂环卡宾(NHC)配体和膦配体类似，具有大的空间位阻及很强的给电子能力，且合成更为简单，被广泛应用于催化化学的各个领域。笔者参考相关文献［5－11］，以2－氨基联苯等为原料制备出 NHC－Pd配合物，并对其催化氯苯与苯硼酸的 Suzuki－Miyaura偶联反应进行了研究。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

2－氨基联苯、叔丁醇钠、醋酸钯、正癸烷，Alfa Aesar试剂公司;其他试剂均为国产市售分析纯试剂。Suzuki－Miyaura偶联反应中所用试剂均按照 Schlenk技术经过严格的脱水及脱氧处理。

Varian 400 MHz核磁共振波谱仪(CDCl3，TMS为内标)，美国Varian公司;GC 7890F气相色谱仪，上海天美科学仪器有限公司。

1.2 NHC－Pd配合物的合成

NHC－Pd配合物的合成路线如下:

1.2.1 N，N －二甲基－2 －氨基联苯(Ⅱ)的制备［12］

室温下向250 mL三口瓶中依次加入5.1 g 2－氨基联苯(Ⅰ)和含有9.0 g氢氧化钠的 100 mL水溶液，在0.5 h内分3批加入38 g硫酸二甲酯，加热回流反应，TLC(薄层色谱)跟踪反应进程。反应结束后加入浓度为1 mol/L的氢氧化钠水溶液至pH为12，用乙醚萃取水相(50 mL×3)，用饱和食盐水洗涤(50 mL ×3)，合并有机相，用无水硫酸钠干燥12 h，过滤浓缩，采用柱层析(硅胶100～200目，展开剂为石油醚)分离提纯，得到淡红色液体，收率为 50%。1H NMR(CDCl3，400 MHz，TMS)δ:7.580 ～ 6.997(m，9H)，2.527(s，6H)。

1.2.2 二聚钯配合物(Ⅲ)的制备［13］

高纯氮气保护下，向许林克瓶中依次加入1.77 g氯化钯、0.85 g 氯化锂、50 mL 无水甲醇及2.96 g N，N－二甲基－2－氨基联苯，室温下搅拌反应24 h，得到土黄色沉淀，过滤，室温下真空干燥，得到2.94 g二聚钯配合物，产率为85%。

1.2.3 NHC －Pd 配合物(Ⅴ)的制备［14］

高纯氮气保护下，向许林克瓶中依次加入5.0 mL干燥脱气的 THF、405 mg 咪唑盐(Ⅳ)［15］、311 mg二聚钯配合物及91 mg叔丁醇钠，室温下搅拌反应 2 h后过滤浓缩，柱层析(硅胶 100～200 目，展开剂组成 V石油醚∶V乙酸乙酯=1∶10)分离提纯，得到393 mg黄色固体，产率为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偶联反应

高纯氮气保护下，向干燥的许林克瓶中依次加入14.6 mg NHC－Pd配合物、115 mg叔丁醇钠、171 mg苯硼酸及1.5 mL脱气干燥的异丙醇，室温下搅拌反应15 min，然后依次加入1.0 mmol脱气干燥的氯苯及1.0 mmol内标正癸烷，室温下反应75 min，气相色谱仪跟踪反应。反应结束后加入20 mL去离子水，用乙醚萃取水相(5 mL×3)，合并有机相，用无水硫酸钠干燥，过滤浓缩，柱层析分离提纯(硅胶100～200目，展开剂组成V乙酸乙酯∶V石油醚=1∶10)，得到产物联苯。1H NMR(CDCl3，400 MHz，TMS)δ:7.596 ～ 7.312(m，10H)。

2 结果与讨论

2.1 结构表征

2.1.1 中间体Ⅱ的结构表征

通过1H NMR对中间体Ⅱ的结构进行表征，结果如图1所示。δ 7.580～6.997归属于联苯环1，2，4，5，6，8，9，10，11 位上 9 个氢原子的化学位移;δ 2.527则归属于14，15位上甲基的6个氢原子 的 化 学 位 移。 积 分 面 积 S(1，2，4，5，6，8，9，10，11)位∶S(14，15位)=3∶2，和理论值一致。分析结果表明产品为目标产物N，N－二甲基－2－氨基联苯。

图1 中间体Ⅱ的1H NMR谱图

2.1.2 配合物Ⅴ的结构表征

通过1H NMR对配合物Ⅴ的结构进行表征，结果如图2所示。δ 7.450～6.654归属于芳环和杂环上 16 个氢原子的化学位移;δ 3.772，3.616，2.546和2.081分别归属于异丙基上4个叔碳上氢原子的化学位移;δ 2.858和1.994分别归属于N上2个甲基氢原子的化学位移;δ 1.638，1.414，1.235，1.070，0.917，0.788，0.659 和 0.419 则分别归属于异丙基上的8个甲基氢原子的化学位移。通过谱图分析并结合文献报道［14］，确认合成化合物为目标产物。

图2 配合物Ⅴ的1H NMR谱图

2.1.3 偶联产物的结构表征

通过1H NMR对偶联产物的结构进行表征，结果如图3所示。δ 7.596～7.575归属于联苯环1，5，8，12 位上4 个氢原子的化学位移;δ 7.445 ～7.407归属于联苯环 2，4，9，11位上 4 个氢原子的化学位移;δ 7.351～7.312则归属于联苯环 3，10位上2个氢原子的化学位移。积分面积S(1，5，8，12位)∶S(2，4，9，11位)∶S(3，10位)=2∶2∶1，和理论值一致。实验结果表明偶联产物为目标产物联苯。

图3 偶联产物的1H NMR谱图

2.2 催化反应机理

2.2.1 NHC －Pd 配合物的解离

NHC－Pd配合物中的 Pd没有空轨道，不能直接参与 Suzuki－Miyaura偶联反应。Nolan等［14］系统研究了配合物Ⅴ的解离原理，结果如图4所示。

图4 配合物Ⅴ解离原理

在强碱叔丁醇钠作用下，异丙醇脱去氢质子后进攻配合物中的钯金属，发生类似亲核取代反应，生成配合物Ⅵ;然后经过β－氢消除生成丙酮及配合物Ⅶ;最后配合物Ⅶ经过还原消除生成具有催化活性的 LnPd0及N，N－二甲基－2－氨基联苯。LnPd0可直接参与Suzuki－Miyaura偶联反应的催化循环圈。

2.2.2 LnPd0催化 Suzuki－Miyaura 偶联反应

LnPd0作为催化剂直接催化Suzuki－Miyaura偶联反应。Suzuki－Miyaura偶联反应主要包括氧化加成、金属转移和还原消除3个步骤，反应机理如图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与苯硼酸的Suzuki－Miyaura偶联反应，室温下反应75 min收率达到93%，而常见的催化体系Pd(OAc)2/PPh3在相同的反应条件下收率几乎为0。

图5 Suzuki－Miyaura偶联反应机理

LnPd0具有空的配位点，有利于底物氯苯的氧化加成。此外LnPd0分子中的卡宾配体具有很强的给电子能力，与过渡金属钯的d轨道形成化学键，电子从卡宾流向钯。在氧化加成过程中，底物的反键轨道中填充来自钯的d轨道富裕电子，进一步减少底物分子键能，有利于氧化加成。在金属转移步骤中碱的选择很重要。对于本催化体系叔丁醇钠有双重作用，一方面作为碱可以中和卤素，另一方面可以促进配合物Ⅴ解离生成LnPd0。在还原消除步骤中，配体的空间位阻起主要作用。LnPd0配体中的异丙基苯具有很大的空间位阻，有利于还原消除。但并非具有大空间位阻和富电子的配体的催化活性一定高，它们之间存在微妙的平衡关系［16］。

3 结论

以2－氨基联苯等为原料制备了高催化活性的NHC－Pd配合物，并以该配合物为催化剂催化氯苯和苯硼酸的Suzuki－Miyaura偶联反应。NHC－Pd配合物的催化活性远高于传统的偶联反应催化剂。

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