基于三苯基膦的氨基酸型两性水溶性膦配体的合成及其在1-辛烯氢甲酰化反应中的应用*

2021-09-15满迎迎赵淑芳宋湛谦

化工科技 2021年4期

满迎迎，赵淑芳，宋湛谦，金欣

(青岛科技大学化工学院，山东青岛 266042)

膦配体结构对过渡金属络合物催化剂的性能有重要影响，通过改变膦配体结构可以改善其催化性能，为均相催化反应的进行提供催化基础[1]。因此，膦配体结构的设计与合成，是研究过渡金属均相催化的重点之一[2-4]。水溶性膦配体是向有机膦配体分子中引入水溶性基团，而使膦配体具有水溶性。目前水溶性膦配体的研究主要集中在阴离子型、阳离子型和非离子型3个方面[5-10]，涉及两性离子型水溶性膦配体的研究文献较少。

Herrmann等[11]合成了一种两性离子型水溶性单膦配体，虽然具有较好的催化活性，但配体稳定性较差。Stelzer等[12]合成了含苯甘氨酸基团的两性膦配体，具有优秀的金属结合能力，在均相催化中具有广阔的应用前景。Jin等[13]设计合成了氨基酸修饰的两性离子型膦配体，应用于铑催化的1-辛烯氢甲酰化反应中，获得了较高的活性。基于Stelzer等[12]和Jin等[13]的工作，作者合成出几种基于三苯基膦(PPh3)的氨基酸型两性水溶性膦配体，进一步研究不同配体结构对于1-辛烯的氢甲酰化反应的影响，并与Stelzer等的苯甘氨酸型膦配体进行了比较。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

Rh(acac)(CO)2：ChemPur GmbH公司；邻氯苯甲酸、对氯苯甲酸、金属钠、金属钾、乙醚(DEE)：分析纯，国药集团化学试剂有限公司；1-辛烯、三苯基膦：分析纯，上海阿拉丁化学试剂有限公司；H-lys(Boc)-OtBu、Boc-L-lys-OtBu、N,N′-二异丙基碳二亚胺(DIC)、1-羟基-苯并三氮唑(HOBt)：分析纯，上海瀚鸿化工科技有限公司；二苯基氯化磷：分析纯，北京偶合试剂有限公司；二苯基膦：实验室自制；其他试剂和药品：均为分析纯，市售；高纯气体(H2、Ar2、N2、CO)：纯度99.999%，烟台得一气体有限公司。

质谱仪：MALDI-TOF MS，Q-Tof Ultima Global公司；不锈钢高压反应釜：50 mL，西安太康科技有限公司；核磁共振仪：BRUKER 500MB，瑞士Bruker公司；气相色谱仪：SP2100A，北京北分瑞利分析仪器有限责任公司。

1.2 催化剂合成方法

催化剂合成路线见图1。

图1 催化剂合成路线

1.2.1 二苯基膦的合成方法

在Ar2保护下，将9.5 g LiAlH4加入125 mLDEE溶液后置于冰水浴中，t<5 ℃，开始滴加ρ(二苯基氯化磷)=0.188 g/mL的DEE溶液100 mL(控制t<5 ℃，以免产生HCl)。滴加完毕，t=25 ℃回流1 h，置于冰中冷却至0 ℃。添加c(盐酸)=61 mol/L溶液500 mL，取有机相用无水硫酸钠干燥。过滤，减压抽出溶剂，得产物12.4 g，产率为78%，沸点为280 ℃[14]。

1.2.2 邻氯苯甲酸钠的合成方法

将7.5 g邻氯苯甲酸分批加入50 mLc(NaOH)=1 mol/L溶液中搅拌溶解。完全溶解后减压将溶剂抽出，析出产物55 ℃真空干燥5 h，得到产品8.5 g，收率为97%(实验涉及的其他钠盐采用相同方法制备)。

1.2.3 2-二苯膦基苯甲酸的合成方法

在Ar2保护下，将10.9 g二苯基膦、1.35 g金属钠加入120 mL乙二醇二甲醚(DME)中，t=25 ℃反应2 h。在Ar2保护下，加入4.7 g邻氯苯甲酸钠，反应24 h。减压除DME,加150 mL去离子水(呈乳白色)，再加50 mL DEE搅拌混合均匀，静置分层取水层，加浓盐酸调至pH=2。过滤，用3×100 mL二氯甲烷(DCM)萃取有机相，无水硫酸镁干燥3 h。减压除DCM得粗产物。无氧甲醇作为溶剂重结晶，得淡黄色固体产物2.6 g，产率为44%。

1.2.4 4-二苯膦基苯甲酸的合成方法

将合成2-二苯膦基苯甲酸中的邻氯苯甲酸钠换为对氯苯甲酸钠，其余步骤均相同，收率为25%。

1.2.5 膦配体1的合成方法

1.2.6 膦配体2的合成方法

1.2.7 膦配体3的合成方法

1.2.8 膦配体4的合成方法

1.2.9 膦配体5的合成方法

1.2.10 膦配体6的合成方法

1.2.11 膦配体7的合成方法

1.2.12 膦配体8的合成方法

1.2.13 膦配体9和10的合成方法

参照Stelzer等[12]报道的方法合成了膦配体9和10。

1.3 1-辛烯均相氢甲酰化反应的实验方法

将自制50 mL高压反应釜密封。在Ar2保护下，将1.0 mg(3.87×10-3mmol) Rh(acac)(CO)2、1.9×10-2mmol膦配体加入1.5 mL无氧甲醇中搅拌溶解后转移至高压反应釜内，再加入0.1 mL环己烷(内标)和0.6 mL 1-辛烯的混合液。用p=1.0 MPa[V(CO)：V(H2)=1∶1]合成气体冲洗高压反应釜5次，再充合成气体至2.0 MPa，放入油浴中t=80 ℃反应2 h。反应结束后，将高压反应釜放入冰水浴中降至室温，释放釜内气体，有机相进气相色谱分析。

2 结果与讨论

以Rh(acac)(CO)2作为催化剂前体，考察不同配体结构对1-辛烯氢甲酰化反应的影响，并与Jin等[13]合成的配体6、Stelzer等[12]合成的配体9和10的催化性能进行了对比，结果见表1。

由表1可知，以甲醇为反应溶剂，三苯基膦为配体能够获得的98.9%转化率和96.6%选择性，邻位氨基酸修饰的三苯基膦配体2未表现出催化活性，而在相同的反应条件下测试了Jin等[13]报道的对位氨基酸修饰的三苯基膦配体6，则能够获得98.4%的转化率及98.1%的选择性，这可能是由于三苯基膦邻位氨基酸功能化使配位位点P周围的空间位阻增加，不利于配体与铑之间的配位，阻碍了催化反应的进行[15]。与此同时，在测试Stelzer等[12]( 配体9、10) 所报道的甘氨酸修饰的三苯基膦配体时也得到了类似的反应规律。而当将氨基酸分子中距羧基较远的氨基与三苯基膦羧基酰胺化后合成氨基酸功能化的三苯基膦配体应用于催化反应时，即使是三苯基膦的邻位修饰的配体4也能够获得12.3%的转化率和61.6%的选择性。这可能是由于配体4中氨基酸结构的羧基位于碳链的远端，导致其空间位阻明显小于配体2。而相比于邻位，对位修饰的三苯基膦配体8则表现出与配体6相当的催化活性和选择性。