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二茂铁基丙炔酸甲酯的合成*

2014-06-23马文兵韩业晶刘斯斯连双双刘世娟曹端林

合成化学 2014年3期
关键词:二茂铁羰基化酸酯

马文兵,韩业晶,刘斯斯,连双双,刘世娟,曹端林

(中北大学化工与环境学院,山西太原 030051)

二茂铁基丙炔酸甲酯的合成*

马文兵,韩业晶,刘斯斯,连双双,刘世娟,曹端林

(中北大学化工与环境学院,山西太原 030051)

以二茂铁为原料,经Vilsmeier-Haack反应制得二茂铁甲醛(2);2与磷叶立德经Witting反应得取代烯(3);3在碱性条件下脱卤得二茂铁乙炔(4);在PdCl2催化下,4经羰基化反应合成了新化合物二茂铁基丙炔酸甲酯(5),其结构经1H NMR,13C NMR和HR-MS表征。在最佳反应条件[5 mol%PdCl2为催化剂,4 mol% CuI为助催化剂,在K2CO3作用下,回流反应2 h]下,5收率83%。

羰基化反应;二茂铁乙炔;二茂铁基丙炔酸酯;合成

丙炔酸酯是一类具有酯基的不饱和化合物,酯基的吸电子作用使碳碳三键具有较高的活性,易发生亲核加成反应[1]。近三十年来,通过对丙炔酸酯的结构进行修饰得到大量丙炔酸酯衍生物,作为有机合成中间体[2],广泛应用于医药,香料等化学工业产品中[3]。

到目前为止,将二茂铁基团(Fc)连接到丙炔酸酯上还未见报道。由于二茂铁(FcH)及其衍生物具有疏水性、可氧化性、芳香性、稳定性、低毒性及生物活性[14]等性质。因此合成含有Fc的丙炔酸酯具有深远的研究价值。

本文以FcH为原料,经Vilsmeier-Haack反应得二茂铁甲醛(2);2与磷叶立德经Witting反应得取代烯(3);3在碱性条件下脱卤得二茂铁乙炔(4)(由于4中末端H较活泼,末端炔碳有一定负电性,有利于羰基化反应的进行);4在PdCl2催化下经羰基化偶联反应合成了新化合物二茂铁基丙炔酸甲酯(5,Scheme 1),其结构经1H NMR,13C NMR和HR-MS表征。并对合成5的反应条件进行了优化。

本文首次以PdCl2为催化剂,CuI为助催化剂,高效合成了二茂铁基丙炔酸酯化合物5。该催化体系具有良好的催化活性;该合成方法具有操作方便、反应时间短、收率较高等优点。

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

X-4型数字显微熔点仪(温度未校正); AVANCEⅢBruker-500 MHz型核磁共振仪(CDCl3为溶剂,TMS为内标);Magna-IR 750 Nicolet型傅立叶变换红外光谱仪(KBr压片);APEX IV型傅立叶变换高分辨质谱仪。

2[4],3[5]和4[6]按文献方法合成;其余所用试剂均为分析纯。

1.2 5的合成

一氧化碳(0.1 MPa)气氛中,向干燥的反应瓶中依次加入4 210 mg(1.0 mmol),K2CO3276 mg(2.0 mmol),PdCl28.9 mg(5.0 mol%),甲醇5 mL和CuI 7.6 mg(4.0 mol%),搅拌下回流反应至终点(TLC监测)。用乙酸乙酯(3×10 mL)萃取,合并萃取液,用无水硫酸钠干燥,减压蒸除乙酸乙酯后经硅胶柱层析[洗脱剂:V(石油醚)∶V(乙酸乙酯)=50∶1]纯化得橙红色固体5,收率83%,m.p.116℃~118℃;1H NMR δ:4.60(s,2H),4.35(s,2H),4.26(s,5H),3.81(s,3H);13C NMR δ:154.57,88.98,77.82,72.98,70.45,59.90,52.52;HR-MS m/z:Calcd for C14H12O2Fe[M+]268.176 6,found 268.0182 8。

2 结果与讨论

2.1 表征

5的1H NMR分析结果与其分子式C14H12FeO2一致:4.26~4.60处吸收峰归属二茂铁上的9个氢质子;3.81处吸收峰归属甲基氢质子,表明甲基与氧原子相连。在5的13C NMR谱中,154.57处的单峰归属羰基碳。5的HR-MS测试结果与Scheme 1(分子量:2 268.0182 8,分子式: C14H12O2Fe)预期结构吻合。

综上分析结果表明,5为Scheme 1预期产物。

2.2 合成5的反应条件优化

(1)钯催化剂

不同钯催化剂的催化活性差别较大,直接影响羰基化反应。4 1.0 mmol,其余反应条件同1. 2,考察钯催化剂在甲醇与4的羰基化偶联反应中的催化活性,结果见表1。由表1可以看出,以Pd (dba)2,Pd(dppf)Cl2和Pd(PPh3)4为催化剂时,收率均非常低(No.2~No.4);以Pd(OAc)2或Pd (OC=OCF3)2为催化剂时,收率仅为15%(No. 1)和26%(No.5);Pd(PPh3)2Cl2和PdCl2均表现出较好的催化活性,收率分别为55%(No.6)和68%(No.7)。最佳催化剂为PdCl2。

表1 羰基化偶联反应中钯催化剂的催化活性*Table 1The catalytic activity of the palladium catalysts in the carbonylation of coupling reaction

(2)碱

为了提高钯催化剂的催化活性,以PdCl2为催化剂,其余反应条件同2.2(1),考察不同的有机碱与无机碱为助剂对羰基化偶联反应的影响,结果见表2。由表2可见,无机碱比有机碱显示了更好的活性,收率较高;而强碱KOH的加入,并未使收率提升(No.4)。由此可见,无机碱的加入有利于提高PdCl2的反应活性,K2CO3为助剂时收率最高(68%)。

(3)PdCl2和CuI用量

以PdCl2为催化剂,K2CO3为助剂,其余反应条件同2.2(2),分别考察PdCl2用量和CuI用量对羰基化偶联反应的影响,结果分别见表3和4。由表3可见,当PdCl2用量为1.0 mol%时,收率几乎为0(No.1);随PdCl2用量增加,反应活性逐渐增强,收率提高;当PdCl2用量增至5.0 mol%(No.4)时,收率最高(76%);PdCl2用量继续增加,收率反而下降(No.5)。

由表4可以看出,助催化剂CuI的用量以4.0 mol%为最佳(No.3)。综上所述,甲醇与4的羰基化偶联反应的最佳反应条件为:5 mol%PdCl2为催化剂,4 mol% CuI为助催化剂,在K2CO3作用下,回流反应2 h,5 收率83%。

表2 碱对羰基化偶联反应的影响*Table 2Effects of different bases on the coupling reaction

表3 PdCl2用量对羰基化偶联反应的影响*Table 3Effects of PdCl2amount on the coupling reaction

表4 CuI用量对羰基化偶联反应的影响*Table 4Effects of CuI amount on the coupling reaction

[1]Winterfeldt E.Additions to the activated CC triple bond[J].Angew Chem Internat Edit,1967,6: 424-434.

[2]Prasad J S,Liebeskind L S.Acyclic stereochemical control using dicobalt hexacarbonyl stabilized propargyl cations:A highly stereoselective route to β-Methylcarbapenem precursors[J].Tetrahedron Lett.1987,28:1857-1860.

[3]Orndorff S A,Costantine N,Stewart D,et al.Strain improvement of rhodotorula graminis for production of a novel L-Phenylalanine ammonia-lyase[J].Appl Environ Microbiol,1988,54(4):996-1002.

[4]M Sato,H Kono,M Shiga,et al.A simple modification of vilsmeier method for the preparation of formylferrocene[J].Bull Chem Soc,1968,41(1):252.

[5]Luo S J,Liu Y H,Liu C M,et al.An improving method for the preparation of ethynylferrocene[J]. Synth Commun,2000,30(9):1569-1572.

[6]Z Wang,S Campagna,K H Ytmg,et al.A Practical Preparmion of Terminal Alkynes from Aldehydes[J]. Org Chem,2000,65(6): 1889-1891.

Synthesis of Ferrocene Acetylene Acid Ester

MA Wen-bing,HAN Ye-jing,LIU Si-si,LIAN Shuang-shuang,LIU Shi-juan,CAO Duan-lin

(School of Chemical and Environment,North University of China,Taiyuan 030051,China)

Formylferrocene(2)was obtained by Vilsmeier-Haack reaction of ferrocene.Ethynylferrocene(4)was obtained by Witting reaction of 2 with phosphorus ylide and then dehydrohalogenation. A novel compound,ferrocene acetylene acid ester(5),was synthesized by carbonylation of 4 catalyzed by PdCl2.The structure was characterized by1H NMR,13C NMR and HR-MS.Under the optimum reaction conditions[5 mol%PdCl2was the catalyst,4 mol%CuI was the cocatalyst,and K2CO3as the base,reflux for 2 h],the yield of 5 was 83%.

carbonylation;ferrocene acetylene;ferrocene;acetylene acid ester;synthesis

O627.8

A

1005-1511(2014)03-0398-3

2013-12-16;

2014-04-09

马文兵(1979-),男,汉族,山西太原人,讲师,主要从事有机合成方法学的研究。

曹端林,教授,博士,E-mail:cdl@nuc.edu.cn

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