有机膦溴化钯配合物的合成、结构及其催化偶联反应活性

巨少英 李 雪 高安丽 姜 婧 余 娟 刘伟平

(昆明贵金属研究所，稀贵金属综合利用新技术国家重点实验室，昆明 650106)

0 引 言

偶联反应是构建有机新结构和新骨架(C—C，C—N，C—O等)的重要手段之一，已广泛用于功能有机光电材料、药物合成及天然产物的合成和生产中[1-9]。偶联反应离不开催化剂，其中以Pd(PPh3)4为代表的有机膦钯催化剂应用最为广泛。Pd(PPh3)4为Pd0化合物，在空气中不稳定，存在反应活性和选择性低的问题[10-11]。为此，人们通过对配体进行修饰，合成具有大的空间位阻和富电性的膦配体，如双(二叔丁基苯基膦)((t-Bu)2PPh)、二叔丁基-(4-二甲基氨基苯基)膦(Amphos)、4，5-双二苯基膦-9，9-二甲基氧杂蒽(Xantphos)等，替代三苯基膦，合成有机膦钯催化剂，以调控催化活性和选择性，并采用Pd替代Pd0为中心原子，以提高催化剂的稳定性。对应的催化剂Pd((t-Bu)2PPh)2Cl2[12]、Pd(Amphos)2Cl2[13]、Pd(Xantphos)Cl2[14-15]已在有机化工行业中得到应用。但它们在一些特定的偶联反应中仍存在催化活性和选择性不理想的问题，因此，有必要开发新型的有机膦钯催化剂，以满足不断出现的偶联反应的需求。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

钯源 PdBr2、对照催化剂 Pd((t-Bu)2PPh)2Cl2、Pd(Amphos)2Cl2、Pd(Xantphos)Cl2均购自贵研铂业股份有限公司，纯度不小于98.0%；配体(t-Bu)2PPh、Amphos、Xantphos均购自阿法埃莎(天津)化学科技有限公司，纯度均大于98%。其它实验室常用试剂和溶剂均为分析纯。C、H、N含量采用Vario EL Ⅲ型元素分析仪测定，钯含量采用常规还原-重量法测定[18]；1H NMR谱图由Avance Ⅲ 500 MHz核磁共振仪测定。

1.2 目标配合物的合成

将2.66 g(10 mmol)PdBr2加入200 mL双口圆底烧瓶，加入100 mL MeCN，在80℃下回流至PdBr2完全溶解，冷却至室温，滴加对应的有机膦配体20 mmol，可观察到析出黄色沉淀，过滤收集沉淀，用MeCN洗涤，在60℃下真空干燥，得到对应的目标配合物。

1.2.1 目标配合物1

目标配合物1为浅黄色晶状粉末，产量：6.1 g，产率：86%。元素分析按C28H46Br2P2Pd的计算值(%)：C,47.3；H，6.63；Pd，15.0。实测值(%)：C，47.40；H，6.52；Pd，14.8。1H NMR(500 MHz，CDCl3)：δ7.89(s，2H)，7.33(d，J=7.3 Hz，3H)，1.61(t，J=6.9 Hz，18H)。

1.2.2 目标配合物2

目标配合物2为深黄色晶状粉末，产量：4.2 g，产率：80%。元素分析按C32H56Br4N2P2Pd2的计算值(%)：C，36.15；H，5.31；N，2.63；Pd，20.02。实测值(%)：C，37.42；H，5.40；N，2.71；Pd，20.10。1H NMR(500 MHz，CDCl3)：δ7.72(dt，J=8.6，4.2 Hz，1H)，6.63(d，J=8.8 Hz，1H)，2.97(s，3H)，2.00，1.59(m，18H)。

1.2.3 目标配合物3

目标配合物3为黄色晶状粉末，产量：6.9 g，产率：82%。元素分析按C39H32Br2OP2Pd的计算值(%)：C，55.44；H，3.82；Pd，12.60。实测值(%)：C，55.87；H，3.92；Pd，12.60。1H NMR(500 MHz，CDCl3)：δ7.39(d，J=1.3 Hz，1H)，7.22(ddd，J=16.2，10.3，5.0 Hz，10H)，6.96(t，J=7.6 Hz，1H)，6.55(dd，J=7.5，1.7 Hz，1H)，1.73，1.65(s，3H)。

1.3 配合物1～3的单晶X射线衍射分析

分别在配合物1～3的二氯甲烷溶液上层铺上一层乙腈，置于室温条件下让乙腈向二氯甲烷溶液缓慢扩散，一周后析出黄色晶体。挑选配合物1(0.300 mm×0.250 mm×0.250 mm)、配 合 物 2(0.210 mm×0.200 mm×0.060 mm)、配 合 物 3(0.300 mm×0.250 mm×0.230 mm)进行单晶衍射分析。衍射数据在BRUKER SMART APEX CCD单晶衍射仪上收集，在120(2)K温度下，用Cu靶(Kα射线，λ=0.154 178 nm)、采用ω-2θ扫描方式收集衍射数据。分子结构中的非氢原子采用直接法由SHELX-97程序[19-20]解出，氢原子由理论计算模型加上。

CCDC：2039381，1；2039380，2；2039382，3。

1.4 催化活性测定

选择2个典型的Suzuki有机偶联反应模型，优化反应条件，在相同的反应条件下进行偶联实验，比较3个目标配合物及对应的Pd((t-Bu)2PPh)2Cl2、Pd(Amphos)2Cl2、Pd(Xantphos)Cl2的产率。

表1 配合物1～3的晶体结构数据Table 1 Crystallographic data for complexes 1～3

1.4.1 反应模型1

取 2-溴噻吩(163 mg，1 mmol)、对羟基苯硼酸(137 mg，1 mmol)、K2CO3(276 mg，2 mmol)、Pd催化剂(相对于对羟基苯硼酸的物质的量分数：5%)加入到250 mL双颈烧瓶中。在氮气保护下加入THF/H2O混合溶剂(1.5∶1，V/V)100 mL，在75 ℃下搅拌，反应12 h后，用已建立的HPLC法测定产物4-(2-噻吩基)苯酚浓度并计算转化率。对应的偶联反应式如下：

1.4.2 反应模型2

称取 4，7-二溴苯并噻二唑(293 mg，1 mmol)、对羟基苯硼酸片呐醇酯(220 mg，1 mmol)、K2CO3(276 mg，2 mmol)、Pd催化剂(相对于4，7-二溴苯并噻二唑的物质的量分数：5%)加入到250 mL双颈烧瓶中。在氮气环境下加入 THF/H2O(1∶1，V/V，100 mL)，在75℃下搅拌，反应12 h后，用已建立的HPLC法测定产物4-(7-溴苯并[1，2，5]噻二唑-4-基)苯酚浓度并计算转化率。对应的偶联反应式如下：

2 结果与讨论

对于 Pd((t-Bu)2PPh)2Cl2、[Pd(Amphos)2Cl2]、Pd(Xantphos)Cl2的合成方法，文献中已有报道，我们对合成路线和方法都经过优化，合成了3种有机膦溴钯催化剂，即采用先配位加成，再配位取代的路线，利用这3种配体与过渡金属溴化物PdBr2反应制备了3种有机膦溴化钯配合物。具体的反应过程是以PdBr2作起始原料，溶于MeCN后，发生配位加成反应，形成可溶于MeCN的中间体trans-Pd(MeCN)2Br2。加入有机膦配体后，由于它们与Pd有很强的配位能力，会与trans-Pd(MeCN)2Br2发生配位取代反应，置换配位的MeCN，生成相应的目标配合物(图1)。目标配合物微溶于MeCN，从反应液中析出，通过过滤分离得到。考虑到含膦配体在空气中易氧化分解，因此配位取代反应步骤是在惰性气氛(高纯氮气：99.9%)下进行。

图1 目标配合物1～3的合成路线Fig.1 Synthetic routes of complexes 1～3

2.2 晶体结构

由单晶X射线衍射数据得到的晶体结构见图2。从晶体的结构图中可以发现，3个目标配合物均为四配位的Pd配合物，Pd处于配位的中心。其中，配合物1(图2a)的配位原子为2个磷和2个溴，相互处于反位，组成trans-平面四方形配合物；配合物2(图2b)的配位原子为1个磷和3个溴，其中2个溴作为桥联配体，连接2个[Pd(Amphos)Br]的结构单元，形成2个平面结构的双核配合物，并且2个配位平面夹角为0°，即2个钯和4个溴共平面。2个Amphos配体在空间上相对配位平面取向相反，以减少空间位阻。配合物3(图2c)中，Xantphos为双齿磷配体，尽管有机膦存在较大的反位效应，但Xantphos分子的刚性结构和2个磷原子之间的距离有限，阻碍了它与Pd的反位配位，形成了cis-构型的Pd配合物，P2Pd平面和PdBr2平面的夹角为16°，说明P2PdBr2配位平面发生了一定的变形，可能是由于庞大的刚性分子Xantphos的空间位阻引起的。

图2 配合物1(a)、2(b)和3(c)的晶体图Fig.2 ORTEP drawing of complexes 1(a),2(b),and 3(c)

三个配合物分子的Pd—P键长为0.229 5～0.240 6 nm，属于正常范围。但配合物2存在2个类型的Pd—Br，分别来自非桥联的Br2—Pd1—P1和桥联 的 Pd1—Br1—Pd1a。 其 中 Pd1—Br2键 长 为0.242 5 nm，与配合物1、3的Pd—Br键长非常接近，属于正常值。但桥联的Pd1—Br1—Pd1a中，Pd—Br键长明显大于非桥联的Pd—Br，达到了0.253 6 nm，说明桥联溴稳定性较差，推测在催化反应中会首先断裂，形成对应的单核钯配合物。

2.3 催化活性

研究了3个溴化钯配合物对溴代噻吩和二溴苯并噻二唑的Suzuki偶联反应的催化作用，并与相应氯化钯配合物进行了比较。从表2中可以看出，3个目标有机膦Pd配合物Pd((t-Bu)2PPh)2Br2、[Pd(Amphos)Br2]2、Pd(Xantphos)Br2对2个 Suzuki偶联反应均有很强的催化作用，催化产率均大于60%。在不同的模型上，催化作用各有差异，其中，Pd((t-Bu)2PPh)2Br2在反应模型1上催化活性最高，达到了81%，而[Pd(Amphos)Br2]2则在反应模型2上催化效果最佳，产率83%。更重要的是，3个目标有机膦Pd配合物在2个模型上的催化活性均高于对应的氯化钯配合物，特别是在反应模型2上，[Pd(Amphos)Br2]2的催化产率比Pd(Amphos)2Cl2高27%。文献报道的Pd((t-Bu)2PPh)2Cl2[21]、Pd(Amphos)2Cl2[22]、Pd(Xantphos)Cl2[23]的单晶结构中，Pd—Cl键长在0.230 6～0.234 2 nm范围内，比相对应的目标配合物的Pd—Br键短大约0.01 nm，在偶联催化过程中相对难以离解，这可能是以溴为离解配体的有机膦Pd配合物比对应的以氯为离解配体的Pd配合物催化活性更高的原因，所以我们认为，在选择有机膦Pd催化剂时，采用溴替代氯作解离配体可能是一个有效的方法。

表2 有机膦Pd配合物在Suzuki偶联反应上的催化活性Table 2 Catalytic activity of palladiumcom plexes in Suzuki coup ling reaction

表2 有机膦Pd配合物在Suzuki偶联反应上的催化活性Table 2 Catalytic activity of palladiumcom plexes in Suzuki coup ling reaction

Entry 1 2 3 4 5 6 Catalyst Pd((t-Bu)2PPh)2Cl2 Pd((t-Bu)2PPh)2Br2 Pd(Amphos)2Cl2[Pd(Amphos)Br2]2 Pd(Xantphos)Cl2 Pd(Xantphos)Br2 Yield/%Reaction 1 72%81%47%63%58%69%Reaction 2 45%61%56%83%65%76%

3 结 论

我们合成了3种分别以二叔丁基苯基膦、二叔丁基-(4-二甲基氨基苯基)膦、4，5-双二苯基膦-9，9-二甲基氧杂蒽为膦配体的新型溴化钯配合物trans-Pd[(t-Bu)2PPh]2Cl2、trans-[Pd(Amphos)Br2]2、cis-Pd(Xantphos)Br2，相对于市售的有机膦氯化钯催化剂，它们在2个Suzuki偶联反应模型上均表现出高的催化活性。

致谢：感谢云南大学化学系程晓红教授在配合物催化性能实验方面给予的帮助。