铑（III）催化碳氢键活化合成氮杂环衍生物

孙丽英，张 帆，孙文起，袁国赞（安徽工业大学化学与化工学院，安徽马鞍山243002）

铑（III）催化碳氢键活化合成氮杂环衍生物

孙丽英，张 帆，孙文起，袁国赞
（安徽工业大学化学与化工学院，安徽马鞍山243002）

采用一种过渡金属铑催化的咪唑盐类底物与炔烃的插入反应，实现了氮杂环衍生物的高效合成：以［Cp*RhCl2］2（0.005 mmol，摩尔分数5%）作为催化剂，醋酸钠（0.16 mmol）作为碱，三氟甲基磺酸银（1.2 mmol）作为氧化剂，催化二溴咪唑盐化合物（1）（0.1 mmol）与二苯乙炔（2）（0.5 mmol）反应，以80%产率制备出目标咪唑盐化合物3。对目标化合物3通过核磁（1H，13C，COSY，HSQC及HMBC）、X射线单晶衍射进行了表征，结果表明：化合物3属于单斜晶系，空间群P21/n，晶体学参数：a=16.68（5）Å，b=8.66（3）Å，c=18.48（6）Å，b=93.71（5）°，V=2 664（14）Å3，Z=2，Dc=1.350×103kg/m3，F（000）1 124，R1=0.086 7，wR2=0.227 5。

铑；催化；C-H活化；炔烃

近年来，利用过渡金属催化的C-H活化实现C-C键、C-X键衍生物的构建是合成有机化学中的研究热点之一［1］。铑配合物作为催化剂在这类反应体现出优良的催化性能，因而受到研究者的广泛关注［2-6］。Davies等［2-3］和Han等［4］报道了具有半夹心结构的铑配合物在诱导芳环亚胺类化合物的碳-氢键活化反应，并分离出其五元环的环金属化中间体。在该催化反应过程中，与芳香环相连的取代基上的杂原子作为定位基团非常重要，杂原子与金属催化剂螯合可以形成五元或六元环中间体，此类中间体在反应中起着决定性的作用，可以与其他底物进一步反应，经还原消除可得到官能团化的衍生物。Li等［5-6］报道了环金属化配合物物中金属-碳键能够与炔烃反应，炔烃插入金属-碳键进而形成七元环结构，结果表明：当金属中心为铑时，在氧化剂作用下，可以实现金属消除，进而生成异喹啉类化合物，由于该反应操作简单、实验条件温和等特点，被许多课题组广泛采用［7-10］。本文在此基础上制备了一种具有独特结构的咪唑盐化合物，并通过核磁（包括1H，13C，COSY，HSQC及HMBC）及X射线单晶衍射确定了目标化合物的结构。

1　实验部分

1.1测试仪器及方法

核磁共振谱：在1H NMR，13C NMR在Bruker DMX-400核磁共振仪上测定。化学位移以TMS或氘代溶剂为参考；δ1H（CD3CN）=1.94，δ13C（CD3CN）=118.26。元素分析：C、H、N元素分析结果在Elementar vario EL III型元素分析仪上测试获得。X射线单晶衍射：CCD-Bruker Smart APEX系统上收集强度数据：Mo Kα射线，λ=0.710 73 Å，石墨单色器，室温，ω-2θ扫描方式。强度数据经Lp因子和经验吸收校正。结构解析使用SHELXTL 97计算程序，并采用直接法解出，再经全矩阵最小二乘法和各项异性修正得最后的结构因子，理论加氢后完成对整个结构的解析。试剂均为国产分析纯试剂。所有的反应和操作均在氮气保护下完成，使用标准的Schlenk技术。乙醚和二氯甲烷使用前在氮气保护下蒸出备用。

1.2化合物的合成

配体1的合成：将1，4-二溴苯（1 mmol）、咪唑（6 mmol）、五水硫酸铜（0.05 mmol）、碳酸钾（6 mmol）混合均匀后置于50 mL的反应瓶中，氮气保护下加热至180℃，反应5 h后冷却至室温。所得固体用水50 mL洗涤后干燥，固体用甲醇溶解后过滤，除去溶剂后得白色固体1，4-双［（1H-咪唑-1-基）基］苯。将溴乙烷（0.4 mmol）加入到含有1，4-双［（1H-咪唑-1-基）基］苯（0.2 mmol）的DMF溶液中，加热至110℃，搅拌10 h后得到白色固体，过滤所得固体用乙酸乙酯洗涤3次，干燥得到目标化合物1，产率：88%。核磁表征结果与文献［11］吻合。

化合物3的合成：将二溴咪唑盐化合物1（0.1 mmol），二苯乙炔2（0.5 mmol），［Cp*RhCl2］2（0.005 mmol，摩尔分数5%），醋酸钠（1.6 mmol）和三氟甲基磺酸银（1.2 mmol）加入到1，2-二氯乙烷的圆底烧瓶中，氮气保护下加热至100℃下，搅拌反应48 h。混合物用硅藻土过滤，二氯甲烷（2×10 mL）洗涤。浓缩至3 mL，加入正己烷，过滤，得到黄色固体即目标产物3，产率：80%。化合物3的单晶通过将乙醚向该化合物的乙腈溶液中缓慢扩散得到。1H NMR（400 MHz，CD3CN）δ 8.40（s，2H，Hf），8.39（d，2H，J=2.32 Hz，He），7.87（d，2H，J=2.32 Hz，Hd），7.46（m，6H，Ar-H），7.41（m，10H，Ar-H），7.33～7.35（m，4H，Ar-H），3.63（m，4H，Hb），1.13（m，6H，Ha）。13C NMR（101 MHz，CD3CN）δ 146.3，138.3，134.6，133.1，131.4，131.3，130.6，130.1，129.9，129.7，129.6，127.3，126.8（Ce），117.7，116.2（Cd），46.4（Cb），16.2（Ca）。

1.3反应条件的优化

目标产物3的合成路线如图1所示，最初选择二溴咪唑盐化合物和二苯乙炔作为模型反应底物，得到目标产物3，产率为60%。当选择三氟甲基磺酸银代替醋酸铜作为氧化剂时，产率有了明显提高（产率为68%）；为了获得更好的反应效率，分别以1，2-二氯乙烷（DCE）、乙腈和甲醇作为反应溶剂进行反应，结果显示以DCE作为反应溶剂时的反应产率为80%，而以乙腈和甲醇为反应溶剂时，反应产率明显降低（产率为50%左右）；用［Cp*IrCl2］2代替［Cp*RhCl2］2作为催化剂时，催化效率明显降低，反应产率为70%；反应温度改为室温时反应48 h，基本得不到目标产物3。最后得到此反应的最优条件是:二溴咪唑盐化合物（0.1 mmol），二苯乙炔（0.5 mmol），［Cp*RhCl2］2（0.005 mmol，摩尔分数5%），醋酸钠（1.6 mmol），三氟甲基磺酸银（1.2 mmol），在100℃下，1，2-二氯乙烷（DCE）中反应48 h。

2　结果与讨论

2.1核磁谱图

目标化合物3的1H NMR谱中，各组峰的积分面积之比与相应的各组质子数之比基本吻合。化合物1的C2-H在δ=10.10左右的质子峰（Hc）信号已经消失，表明碳-碳键的形成发生该位置。乙基上的甲基（Ha）和亚甲基（Hb）的质子峰信号分别出现在δ=1.13和δ=3.64。核磁信号在δ=8.40的单峰则归属于苯环上氢峰（Hf），咪唑基团上2个氢的化学位移分别出现在δ=7.87（Hd）和δ=8.39（He），二维谱图1H-1H COSY（图2）的远程耦合信号表明δ=7.87，8.39的两组峰直接相连，耦合常数（J=2.32 Hz）进一步说明两组峰属于咪唑基团上的质子峰。芳香环上的质子峰出现在7.33～7.47之间。化合物的13C NMR谱中，乙基上的甲基碳（Ca）和亚甲基碳（Cb）信号分别出现在δ=16.2和δ=46.4。通过直接耦合的1H-13C化学位移相关谱HMQC（图3），可以发现咪唑基团上两个碳的化学位移分别出现δ=116.2（Cd）和δ=126.8（Ce）。结合远程耦合的1H-13C化学位移相关谱HMBC（图4）可以推断骨架碳原子的位置。

图3　化合物3的部分1H--13C HSQC谱（CD3CN，400 MHz，室温）Fig.31H--13C HSQC（CD3CN，400 MHz，room temperature）of compound 3

2.2晶体结构分析

目标化合物3的空间结构通过X射线单晶衍射进行了表征。化合物3属于单斜晶系，空间群P21/n，晶体学参数：a=16.68（5）Å，b=8.66（3）Å，c=18.48 （6）Å，b=93.71（5）°，V=2 664（14）Å3，Z=2，Dc= 1.350×103kg/m3，F（000）1 124，R1=0.086 7，wR2= 0.227 5。化合物3由主体分子和2个三氟甲基磺酸根构成，其主体分子结构见图5，主要键长和键角列于表1。新形成的C（4）-C（8）的键长为1.415（7）Å，表明2个原子间形成了共价键。C（7）-C（8）的键长为1.368（7）Å，说明 C=C双键的行成。 C（4）-N（1）和C（4）-N（2）的键长表明咪唑五元环的以离子盐的形式存在。结合其他化学键的键长和键角，可以发现2个五元环和中间的3个六元环形成了一个大的共轭体系。由于其共轭效应，如图6所示，化合物3的晶体中，存在较为有趣的堆积结构。2个具有共轭结构的芳香环相互平行，距离约为8.6 Å，其中间空腔被2个三氟甲基磺酸填充。

图5　目标化合物3的单晶结构图（阳离子部分）Fig.5 Crystal structure of compound 3（cation part）

图6　目标化合物3的单晶结构空间堆积图Fig.6 Packing pattern of two molecules of compound 3

表1　化合物3的部分键长和键角Tab.1 Selected bond distances and bond angles in compound 3

3　结　论

以双咪唑盐类化合物与炔烃为原料合成出一种新型咪唑盐化合物，当催化剂为［Cp*RhCl2］2，氧化剂为三氟甲基磺酸银，反应溶剂和温度分别为DCE和100℃时，反应产率最大。通过核磁共振谱和X射线单晶衍射法对目标产物的结构进行了表征，目标产物的晶体属于单斜晶系，空间群为P21/n。

［1］DYKER G.Transition metal catalyzed coupling reactions underC-Hactivation［J］.Angewandte Chemie International Edition，1999，38（2）:1698-1712.

［2］DAVIES D L，AL-DUAIJ O，FAWCETT J，et al.Room-temperature cyclometallation of amines，imines and oxazolines with ［MCl2Cp*］2（M=Rh，Ir）and［RuCl2（p-cymene）］2［J］.Dalton Transactions，2003（21）:4132-4138.

［3］DAVIES D L，DONALD S M，AL-DUAIJ O，et al.ElectrophilicC-Hactivation at｛Cp*Ir｝:Ancillary-ligand control of the mechanism of CH activation［J］.Journal of theAmerican Chemistry Society，2006，128（13）:4210-4211.

［4］HAN Y F，JIN G X.Cyclometalated［Cp*M（C^X）］（M=Ir，Rh；X=N，C，O，P）complexes［J］.Chemical Society Review，2014，43（8）:2799-2823.

［5］LI L，BRENNESSEL W W，JONES W D.C-Hactivation of phenyl imines and 2-phenylpyridines with［Cp*MCl2］2（M=Ir，Rh）: regioselectivity，kinetics，and mechanism［J］.Organometallics，2009，28（12）:3492-3500.

［6］LI L.BRENNESSEL W W，JONES W D.An efficient low-temperature route to polycyclic isoquinoline salt synthesis via C—H activation with［Cp*MCl2］2（M=Rh，Ir）［J］.Journal of theAmerican Chemistry Society，2008，130（37）:12414-12419.

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［8］HAN Y F，LI H，HU P，et al.Alkyne insertion induced regiospecific C—H activation with［Cp*MCl2］2（M=Ir，Rh）［J］.Organometallics，2011，30（5）:905-911.

［9］HAN Y F，LIN Y J，ANDY HOR T S，et al.Efficient route to organometallic cage formation via C—H activation-directed muti component assembly accompanying aromatic guest encapsulation［J］.Organometallics，2012，31（3）:995-1000.

［10］GHORAID，CHOUDHURYJ，Rhodium（III）-N-heterocycliccarbene-drivencascadeC—Hactivation catalysis［J］.AcsCatalysis，2015，5（4）:2692-2696.

［11］RIT A，PAPE T，HAHN F E.Polynuclear architectures with di-and tricarbene ligands［J］.Organometallics，2011，30（23）:6393-6401.

责任编辑：丁吉海

Rhodium（III）-catalyzed C-HActivation for the Synthesis of N-containing Heterocyclic Compound

SUN Liying，ZHANG Fan，SUN Wenqi，YUAN Guozan
（School of Chemistry and Chemical Engineering，Anhui University of Technology，Ma'anshan 243002，China）

An efficient method for the synthesis of highly popular N-containing heterocyclic compound from imidazolium substrate and alkyne is described.Treatment of diphenylacetylene with diimidazolium in the presence of［Cp*RhCl2］2（0.005 mmol，mole fraction is 5%），NaOAc（0.16 mmol），AgOTf（1.2 mmol）as oxidizing agent catalyzing dibromo imidazole salt 1（0.1 mmol）and diphenylacetylene 2（0.5 mmol）led to compound 3 in 80% yield.The object molecule was characterized by NMR spectroscopy（1H，13C，COSY，HSQC and HMBC）and single-crystalstructure.Resultsshowthatthecrystallographicdataforcompound3：spacegroup:P21/n，a=16.68（5）Å，b=8.66（3）Å，c=18.48（6）Å，b=93.71（5）°，V=2 664（14）Å3，Z=2，Dc=1.350×103kg/m3，F（000）112 4，R1=0.086 7，wR2=0.227 5。

rhodium；catalysis；C-Hactivation；alkyne

O611.61

A

10.3969/j.issn.1671-7872.2016.01.008

1671-7872（2016）-01-0034-04

2015-10-22

国家自然科学基金项目（21201002）；安徽省大学生创新训练项目（AH201410360172）

孙丽英（1990-），女，安徽阜阳人，研究方向为金属-有机功能分子的设计与合成。

孙文起（1969-），男，河南新乡人，博士，副教授，研究方向为分子设计及理论与计算化学。