CDCs过渡金属催化剂活化C-H键的研究

题目：CDCs 过渡金属催化剂活化 C-H 键的研究 摘 要 利用过渡金属催化实现 C-H 键的活化，是近年来有机金属化学中研究的重 点。利用过渡金属选择性的催化活化 sp3、sp2、sp C-H 键，可以很大程度上缩 短合成构建复杂结构的路线，是一种十分绿色且有效的方法，在有机化学合成 领域具有极大的应用和研究价值。随着研究的不断加深，NHCs、CDCs 等配体 配位的金属催化剂展现了广阔的前景。本论文中，我们合成了同碳双卡宾，在 以后的研究中，将以实验室中各种醛，酮，酸和酯底物来探索此配体配位的过 渡金属催化剂的各种性能。本课题由于时间有限，仅完成了部分研究，深入的 研究正在进行中。 关键词：C-H 活化 ；过渡金属催化剂；双卡宾 ABSTRACT In recent years，using transition metal complexes to catalyze typical C-H bonds has become hot off the press in the field of Organometallic ChemistryUsing transition metal to selectively catalyze the sp3、sp2、sp C-H bonds can really shorten the route of the synthesis of the complex structures. So it is a green and effective method. And it is very applicable and valuable in the field of Organic SynthesisBecause of the in-depth study , metal catalysts show a broad prospect, such as N-heterocyclic carbene complex .At present，such studies have not yet seen the report at homeIn this paper, acyclic bent allenes are synthesized. The property of carbodicarbene complex will be detected by aldehyde，ketone，acid and ester which all include C-H bond functional groups.However，due to the limited research time，only part of the research was finished，in-depth study is ongoing Key words：C-H activation ；transition metal catalyst；carbodicarbenes 目 录 第一章 文献综述 1 1.1 过渡金属催化活化 C-H 键偶联反应概述1 1.2 C-H 键活化反应概述 2 1.3 过渡金属催化的 C-H 键活化的一般反应机理及实例2 1.4 导向基团控制的过渡金属催化的 C-H 键的活化8 1.5 金属卡宾催化 C-H 键的活化.11 1.6 N-杂环卡宾（NHCs）配体的概述.14 1.7 研究与展望.15 第 2 章 配体的合成 .17 2.1 实验所用仪器和试剂及其处理方法.17 2.2 配体的合成.20 第三章 工作总结 .24 参考文献 28 外文资料 中文译文 致谢 第一章 文献综述 1.1 过渡金属催化活化 C-H 键偶联反应概述 在过去的几十年里，大量探究实验投入到过渡金属催化的碳-氢键（C-H） 活化工作中，这些工作极大地提高了我们对于惰性碳-氢键的理解。广而言之它 们进一步丰富了有机金属化学这一学科。除了以上对于理论发展的贡献外，那 些新发现的化学技术对于我们人类的实际应用具有巨大的帮助。例如，它们为 药物合成中各种环状有机化合物的合成提供了一个崭新的思路，另外在甲烷和 相关的石油组分的选择性氧化的商业化方面取得了很大的进展。这项技术不仅 实现了大剂量反应的工业化，而且为能源的利用提供了更为经济的方法1。 经过大量的实验与先辈的努力，我们清晰地看到碳-氢键的活化对于指导碳 -碳键和碳-杂键(例如 C-O，C-Si 和 C-N)的构建具有很大的潜在优势。除了丰富 了化学合成这一领域外，碳-氢键的活化反应使合成路线更简短，并具有很高的 原子经济性。近年来，碳-氢键活化不仅成为了一项有机合成强有力的工具，同 时对于这方面研究的深度和广度都得到了极大的扩展（包括一系列的碳-氢键活 化的催化反应和有机物转化的应用） 。因为 C-H 键在有机物质中是无处不在的， 这种转化在化学合成领域具有极广阔的前景，与此同时，选择性活化不同的 C- H 键仍然是当前的挑战2，3。 1.2 C-H 键活化反应概述 一般意义上，CH键的活化，通常是指采用某种方式对CH 键进行处理， 使反应试剂与已活化处的C原子快速反应，从而得到稳定的产物，这样CH键 就变成CX 键( X 通常指另一分子中的N、O、C、Si等原子)。一般采用的处 理方式有三种：( 1)采用强酸、强碱、自由基引发剂等手段来移走氢原子及 CH键上的一个或两个电子，从而使CH键得到活化。(2) 使用固体金属材料 与C-H键相互作用使之得到活化。(3)使用源于可溶性的金属盐或其配合物中的 金属原子插入到CH键中，用以产生不稳定的CM键和MH键。 其中，通过过渡金属原子插入到CH键之间实现C-H键活化的方法，即过 渡金属催化的CH 键活化的方法，因为其具有反应条件温和、产率高并且选 择性( 包含化学、立体、区域选择性) 好等诸多优点，而得到了广泛应用。很 多常规方法根本无法实现的化学反应，采用了过渡金属催化CH键活化后，也 可以很容易地实。4因此，过渡金属催化C-H键的活化在近几年里引起广泛关注。 1.3 过渡金属催化的 C-H 键活化的一般反应机理及实例 1.3.1 过渡金属催化 C-H 键与有机卤化物（或者拟卤化物）的偶联 一般，这类反应的通式为： R1H+ R2XR1R2 Cat. base 其反应机理以金属钯催化为例，其反应催化循环是绕催化的钯中心而展开， 循环中所需的活性钯(0)一般是由钯(II)前体在反应中原位产生。循环中，由有 机氯化物对 Pd（0）进行氧化加成得到芳基钯（)物种，由其作为亲电试剂， 进攻富含电子的 C-H 键发生亲电取代，在碱的作用下脱去质子，最后经过还 原消除反应得到最终产物并再生出 Pd（0）催化剂，完成催化循环。 Pd0Ln R1X R1 PdLn X R2H HX base base R1 PdLn R2 R2R1 1 2 3 Pd0/PdCatalytic cycle Pd(0)/Pd()催化 C-H 键的活化的循环 在这类反应中，芳基卤化物、烯烃卤化物对于 Pd（0）的氧化加成往往是 Mizoroki-Heck 反应、交叉偶联反应及 Buchwald-Hartwing 胺化等反应的启动步 骤，从而进一步催化 C-H 键的活化实现官能团化过程。在这其中，Heck 反应是 一个非常重要的反应。赫克反应（Heck 反应）也称沟吕木赫克反应 （MizorokiHeck 反应） ，是不饱和卤代烃（或三氟甲磺酸酯）与烯烃在强碱和 钯催化下生成取代烯烃的偶联反应。56 它得名于美国化学家理查德赫克和 日本人沟吕木勉，赫克凭借此贡献得到了 2010 年诺贝尔化学奖。 R1X + Pd0 base R2 R2 R1 沟吕木赫克反应的通式 原料卤代烃或三氟甲磺酸酯中的 R 基可以是芳基、苄基或乙烯基。烯烃的 双键碳必须连有氢，且烯烃通常为缺电子烯烃，如丙烯酸酯或丙烯腈。钯催化 剂可以是四(三苯基膦)合钯(0)、氯化钯(II)或乙酸钯(II)。碱可以是三乙胺、碳酸 钾或乙酸钠。 Heck 反应的催化循环是围绕催化的钯中心而展开，如下图所示。循环中 所需的活性钯(0)一般是由钯(II)前体在反应中原位产生，例如，乙酸钯可被三苯 基膦还原为双(三苯基膦)合钯(0) (1)，进入催化循环，同时三苯基膦则被氧化为 三苯基氧膦。 循环中，首先是电子不饱和的含钯物种 (1)与卤代烃氧化加成，钯插入到 卤-碳键中。然后，钯原子与烯烃作用产生 配合物 (3)，配位的烯烃再顺式插 入到钯-碳键中，得 (4)。 (4) 经旋转（未画出）异构化为扭张力较小的反式异 构体后，发生 -氢消除，获得另一个钯与烯烃配位的中间体 (5)。(5) 经解配， 即得反应产物烯烃，同时还产生钯(II)物种 (6)，而 (6) 在碳酸钾作用下发生还 原消除，又转化为 (1)，从而获得再生。可见，反应中用到的碳酸钾是计量的， 但钯却是催化性的。 沟吕木赫克反应的催化机理 1971 年，日本化学家沟吕木报道了乙酸钾作碱和氯化钯催化下，碘苯与苯 乙烯在甲醇中、120C 和加压的条件下偶联为二苯乙烯的反应。 1972 年，Heck 独立报道了碘代苯与苯乙烯的偶联反应，Heck 小组采取无 溶剂条件，并改用乙酸钯催化和有位阻的三正丁胺作碱。 （上述两个反应中的活性催化物种钯(0)都是由钯与烯烃配位而产生。 ） 1974 年，Heck 向反应引入膦配体。 1.3.2 过渡金属催化 C-H 键的脱氢偶联反应 一般情况下，此类反应的通式为： R1H+ R2H R1R2 Cat. oxidant 由于 C-H 键与有机卤化物（或拟卤化物）偶联反应过程中会生成当量的副 产物酸，所以需要加入当量的碱中和;相比之下，Pd 催化通过两分子 C-H 键直 接脱氢偶联实现 C-H 键的官能团化过程，显然是更符合原子经济性的，只需要 加入一定量氧化剂，就可以避免这一缺陷，因而很早就得到了研究。 1967 年，Fujiwara 等首先报道了通过 Pd（OAc）2催化苯的 C-H 键官能团 化，通过形成含 C-Pd 键的中间体，经烯烃插入及 -H 消除，即可得到芳烃烯 基化的产物。 + Ph Cat.Pd(OAc)2 oxidant TFA/benzene Ph 这一反应的机理为：（1）钯（）物种对于苯环 C-H 键亲电进攻，脱去 质子，形成含有 C-Pd 键的中间体， （2）钯原子与烯烃作用产生 配合物，配 位的烯烃再顺式插入到钯-碳键中， （3）经旋转（未画出）异构化为扭张力较小 的反式异构体后，发生 -氢消除，得到产物，并生成了 Pd（0） ， （4）Pd（0） 经过氧化剂氧化，重新生成 Pd()，完成催化循环。 Pd(OAc)2 Ar-H HOAc ArPd H R H Ar PdOAc HPd0OAc oxidant 1 2 3 4 R R Ar OAc Pd（OAc）2催化苯的 C-H 键官能团化的反应机理 1.3.3 过渡金属催化 C-H 键与金属有机试剂的偶联 近几年来，Pd 催化 C-H 键与金属有机试剂交叉偶联反应的研究已引起广泛 的注。这类催化反应的通式为： R1H + R2M R1R2 Cat. oxidant 其反应机理为：Pd（）催化剂首先与烷基或芳基 C-H 键发生亲电取代 反应，生成烷基 Pd（）或芳基 Pd（）物种，烷基 Pd（）或芳基 Pd（）物种在与金属有机试剂发生转金属化反应，经过还原消除反应得到 交叉偶联产物，Pd（0）经过氧化剂氧化，重新生成 Pd（ ） ，完成催化循 环。如图所示： PdX2 R1-H HX R1Pd Pd0 oxidant 1 2 3 4 R2M MX R1Pd R2R1 X R2 其中，合适的氧化剂及酸性条件对于这类反应是至关重要的，而配体或碱 则不是必要的。传统金属有机试剂如格式试剂、有机锂、有机铝或有机锌试剂， 由于其过高的反应活性和较低的稳定性，难以参与到上述转金属过程中，相比 之下，有机硼、有机硅及有机锡试剂则是理想的偶联试剂。 过渡金属催化有机锡试剂与有机卤化物（或拟卤化物）的 Stille 偶联反应 已得到广泛的研究。一般的，与锡原子相连的 4 个有机基团仅有 1 个转移至偶 联产物中，其他 3 个基团则扮演了“旁观者”的角色。尽管由于有机锡试剂的 高毒性限制了其在某些方面的应用，但由于其良好的官能团容忍性、适中的反 应活性与温和的反应条件，仍然广泛应用于合成中。例如： + Ph4Sn PRhClPPh3 3 5mol% DCE 12040h 65% yield Ph 过渡金属催化的 C-H 键与有机硅试剂的偶联，由于碳原子的电负性仅略高 于硅原子，C-Si 键极性较低，因而与其他金属有机试剂相比，有机硅试剂参与 的 Hiyama 反应活性相对较低，官能团容忍性较好。通常需要加入氟化物活化 C-Si 键，以促进反应。例如： NHAc + SiOMe 35mol%Pd OAc2 2 equiv CuOTf 2 2equiv AgF 14-dioxane11048h NHAc H Ph 过渡金属催化 C-H 键与有机硼试剂的偶联，有机硼化物由于其价廉易得、 对氧气和湿气稳定、毒性低、操作容易，因而在有机合成中应用广泛。近年来， Pd 催化的包括硼酸、硼酸酐、硼酸酯、以及三氟硼酸盐等多种有机硼化物参与 的 Suzuki-Miyaura 交叉偶联反应的研究已得到了极大地发展。例如： N O B O B O B Me MeMe N MeH + 10 mol% PdOAc 2 1.0 equiv Cu(OAc)2 1.0equiv BQ airCH2Cl210024h 1.4 导向基团控制的过渡金属催化的 C-H 键的活化 一般地，当底物的 C-H 键因其不同位置的取代基而导致电性不同时，对其 实现选择性的官能团化往往是可以控制的。对于某些底物，可以采用 Lewis 碱 导向基团对 Pd 催化剂配位，从而控制分子内 C-H 键的选择性官能团化。常见 的导向基团有烷基甲酰基类（通过羰基氧原子与过渡金属配位作用，起到导向 作用） 、烷基甲酰胺基类、烷基甲酰氧基类、羧基、2-吡啶基（通过氮原子与过 渡金属的配位作用，起到导向作用） 、亚胺类、肟醚类、噁唑啉类、N-甲氧基氨 基甲酰基。导向基团的反应机理为： C H DG + Pd C H DG C Pd DG Pd HDG = directing groups 1984 年 Tremont 等首先报道了乙酰苯胺临位 C-H 键的甲基化反应，在该反 应中环钯（）中间体与 MeI 反应生成环钯（）中间体这一过程得到了确认， 作者由此提出了可能存在的 Pd（）/Pd()机理7。 NHAc H + PdOAc2 AgOAc TFA100 8h NHAc MeI Pd(OAc)2 HOAc Pd0IOAc 1 3 4 NHAc Pd O HN Me OAc MeI PdIV O HN Me OAc I Me NHAc Me AgOAc 2 2002 年，de Vries 等改进了这一方法，通过 Pd 催化乙酰胺基导向，在对 甲苯磺酸（TsOH）和苯醌（BQ）存在下，可以得到临位 C-H 键高选择性的烯 基化产物。该反应在温室下进行，避免了过量芳基化合物和额外过渡金属盐的 使用8。 H O H N Me CO2nBu O H N Me CO2nBu + PdOAc2 BQTsOH HOAc 2024h 2003 年，来自日本大阪大学的 Fumitoshi Kakiuchi 课题组发展了 Ru 催化的 烷基甲酰基导向的与有机硼酸偶联的反应，并深入探究了不同烷基对反应选择 性及产率的影响9。 R O OO B Ph R O R O Ph Ph Ph + + RuH2(CO)(PPh3)3 pinacolone,reflux 2007 年，Shi 等在研究乙酰苯胺类衍生物与芳基硼试剂偶联的同时，发展 了乙酰苯胺类衍生物临位芳基 C-H 键与芳基硅试剂的交叉偶联反应。反应以 Pd 催化的乙酰胺基为导向，当量的 Cu（OTf）2 为氧化剂，在当量 AgF 的促进下， 对多种官能团具有良好的容忍性。 NHAc H Si(OMe)3 NHAcPd(OAc)2 Cu(OTf)2,AgF + 2007 年，Yu 等报道了首例 Pd 催化的利用甲基硼酸及苯基硼酸酯实现的羧 基导向的苯甲酸邻位 C-H 键的官能团化反应。使用苯甲酸钠代替相应的苯甲酸 可以促进反应快速高效地进行；同理，利用 K2HPO4 与苯甲酸原位生成的苯甲 酸钾也可以取得类似的效果。值得一提的是，作者还利用该法首次实现了脂肪 族羧酸导向 sp3C-H 键的芳基化反应10。 Me CO2Na Me CO2Na Pd(OAc)2,BQ Ag2CO3 + H OO B Ph Ph tBuOH 1203h MeMe 在此基础上，2008 年 Y u 等发展了 Pd 催化芳基三氟硼酸盐与苯甲酸（或 苯乙酸）的交叉偶联反应。反应在氧气（或空气）气氛下进行，通过提高体系 压力（20atm）可以大大缩短反应时间并提高产率，同时避免了额外过渡金属盐 的使用，对官能团具有良好的容忍性。 CO2H H CO2H Ar R R +ArBF3K Pd(OAc)2 BQK2HPO4 O2/air,20 atm tBuOH,10024h 2011 年，印度的 Masilamani Jeganmohan 等发展了 Ru 催化的苯乙酮类化合 物与烯烃的脱氢欧联反应，并提出了可能的反应机理11。 RuCl2 p-cymene 2 AgSbF6 + Cu(OAc)2.H2O, DCE, 110 12 h R R O R2 R3 O R2 R3 最近，Shi 等报道了 Pd 催化肟醚基团导向的 O-甲基-（E）-2-甲基苯甲醛肟 与芳基硼酸的交叉偶联反应。该反应以当量的 Cu（OTf）2 及苯醌（BQ）为氧 化剂，通过加入当量的 2，6-二甲氧基吡啶（DMOP）抑制芳基硼酸对 CN 双键 的直接加成，各类电性的芳基硼酸都可以获得较高的产率，具有良好的官能团 容忍性。但对于空间位阻较大的芳基酮肟，相同条件下转化率较低，而不加入 DMOP 则可得到满意的结果12。 Me H Pd(OAc)2 Cu(OTf)2BQ DMOP MS 3Adioxane 905-15h 86% N OMe Me Ph N OMe 1.5 金属卡宾催化 C-H 键的活化 对于通过简单化合物来构建复杂的化学架构的寻求从来都没有间断过，而 选择性活化惰性的 C-H 键向我们展现了无穷的魅力。成功的实用性的 C-H 键的 活化方法对于自然产物、药品以及其他工业产品都有非常大益处。对于 C-H 键 的活化的挑战性非常大，它不仅需要切断牢固的 C-H 键，还需要有选择性的可 控制性的反应。虽然，最后通过高活性的金属复合物催化的氧化加成实现了 C- H 键的活化，但是由于高活性金属复合的回收利用过程复杂使我们的工作困难 重重。经过过去 20 年的努力，通过金属卡宾引发的 C-H 键的插入向我们展示 了广阔的市场前景13。 在金属卡宾引发的 C-H 键的活化中，金属原子没有直接与烷基 C-H 键接触， 所以卡宾复合物的反应机理与其他的 C-H 键活化反应机理（过渡金属催化的氧 化加成反应机理）不同。由于金属复合物能够很容易的回收利用，此方法的催 化进程经得起考验。 卡宾复合物反应机理与其他 C-H 键活化机理 过渡金属卡宾通常来源于重氮化合物，同时还可以通过磷翁盐、碘翁盐、 硫翁盐、氧化硫翁盐等来生成金属卡宾。 通过卡宾诱导的插入实现 C-H 键的活化在 60 多年前就已经被发现了，但 是由于自由卡宾反应的非选择性和不可控性，导致其可利用价值非常低。通过 自由卡宾与恰当的金属配位可以很好的调节了它的反应选择性。同时我们需要 金属卡宾的碳原子具有适当的亲电性，如果亲电性太强则会导致区域和空间选 择性降低，如果亲电性太弱则会导致缺乏惰性 C-H 键插入的反应活性。其中， 它的亲电性度的把握是由过渡金属和取代基团（吸电基团和供电基团）决定的。 最好的催化剂是金属复合物通过强的 受体与弱的反馈 键与卡宾结合。这 种催化剂不仅使得卡宾稳定，同时还保持了卡宾高反应活性。通常，吸电基团 会调高金属卡宾的亲电特性。其中金属卡宾诱导的 C-H 键的活化的最有效的催 化剂为 Rh（）复合物，同样 Cu（）催化剂也具有不错的催化活性，对于 其他过渡金属配合物，如 Ru，可以产生稳定的金属卡宾，所以反应活性很低， 但是对于其他反应非常有用，例如环丙烷化。同时 C-H 键所在的位置对于反应 活性也有一定的影响（供电取代基能够活化 C-H 键，例如烷氧基取代基，吸电 基团能够惰化 C-H 键，例如甲酰氧基） ，另外空间因素和构象因素也有一定的 影响。 前面已经提到金属卡宾中间体的亲电性对于 C-H 键的化学、空间、区域选 择性都有着非常大的影响。它的亲电性不仅来自于金属配体，更重要的是来源 于卡宾碳的取代基的性质。属卡宾可以细分为三个部分，分别是一个吸电基团、 两个吸电基团、一个吸电基团和一个供电基团。很明显的它们的反应活性是逐 渐降低的，但是同样的它们反应选择性是逐渐增强的。 各种重氮化合物 分子内的卡宾诱导的 C-H 键活化对于 C-C 键的构建和碳环及碳杂环的合成 具有重要的作用，大量的文献已经报道了相关的反应。 分子内的卡宾诱导反应具体实例 1.6 N-杂环卡宾（NHCs）配体的概述 Ofele 和 Wanzlick 在 1968 年首先引导了 NHCs 金属化的研究，但是直到 Arduengo 在 1991 年首次分离出了自由卡宾，大量的研究和目光才聚集到这一 领域。自此这些配体的配位化学成为一重要的研究领域。这一系列的新配体与 各种金属结合的能力至少与磷基相当。大量的 NHCs 配位的金属复合物已经被 报道，其中 NHCs 通过卡宾孤对电子的 供体和金属的弱的反馈 键与金属 结合，正是由于 电子的供电特性，使得 NHC-金属键非常强，防止了催化剂 的分解，也正是由于此性质使得催化剂在稳定性、反应性和选择性方面都有了 很大的提高。 Fischer (I)， Schrock (II)和 N-杂环 (III) 卡宾的电子轨道图 在过去的 10 年里，NHC 的构架发展已经非常迅速，最近 Bertrand 和 Furstner 成功的提出了一个相当特别的概念结构，例如碳双卡宾（或者弯曲的丙 二烯） 。经过大量的实验研究和理论分析，研究员得出了碳双卡宾的共振结构为 NHCCNHC，在共振结构之中，每个 NHC 提供一对电子到中心碳原子的空 轨道中，由此中心碳原子含有两个相互正交的孤对电子。由于其两个股对电子 的影响，使得其的供电性比 NHC 要强不少。此后 Wen-Ching Chen 等人发现了 提高碳双卡宾结构丰富度的合成策略，极大的扩展了其在有机金属化学和催化 化学的应用14-18。 Carbodicabenes 共振结构 基于碳原子的供体是一类非常重要的配体，它们有效的提高了催化反应的 多样性。催化反应的一个重要目标就是设计与合成新型的基于碳原子的配体。 CDCs 是这类新型配体的家族成员之一。由于它们的-与 -供电特性，这些配体可以 有效的与过渡金属结合，并且比 NHCs 形成的键要强。CDC 复合物已经得到表 征，其中的一个合成路线及 X 射线衍射结构图。19 CDCs 复合物的合成路线图 1.7 研究与展望 通过过渡金属的催化作用实现区域选择性的 C-H 键的活化，在脂肪烃和芳 烃的官能团化及各种五元环、六元环有机物的构建合成具有重要的意义。当过 渡金属和定向基团共同存在时，可以切断目标 C-H 键，随后形成的金属环作为 十分有用的中间体，可以指导 C-C 键和 C-X 键（X 可以为 N、O 和 Si 等）的 形成。一系列过渡金属包括亲电子的钯和铂盐，低价态的钌，铑，和铱的复合 物为反应的设计和发展提供丰富的灵活性。这是一个十分具有活力的领域，将 不断提供选择性催化活化 C-H 键的新方法新思路。应用这种合成方法将使产物 的合成步骤更加简单。它的活力将影响到不同领域中的分子设计，因为新的合 成方法不仅影响我们如何合成目标产物，同时也影响到了我们合成的和研究的 产物。 另外，随着 C-H 键活化在各种复杂化学结构和环状有机物合成中的重要作 用，经过的多年的努力研究，一些实用性的方法和策略应经应用在了 C-H 键的 活化中。其中，通过过渡金属的氧化加成反应实现 C-H 键的活化是一种行之有 效的方法，但是由于反应的金属复合物的回收利用需要大量的精力与工作，所 以，金属卡宾引导的 C-H 键的活化向我们展现了巨大的前景。金属卡宾可以很 方便的通过重氮化合物来合成，但是由于金属卡宾的高反应活性，C-H 键选择 性的活化将是以后研究的重点。 第二章 配体的合成 通过过渡金属的催化是实现 C-H 键活化非常有效的方法，同时不同金属， 例如过渡金属钯，钌，和铑它们的催化效果各不相同，同样不同的配体（例如 三苯基磷、NHCs 等）的催化效果也是差异很大。在本论文中，主要精力将投 入在配体的合成。配体的合成就是利用一些常用的有机物为起始原料，经过几 步反应，得到想要的目标产物。然后经过与各种过渡金属进行配位来合成各种 新的金属复合物，最后利用实验室中已经合成的各种底物（醛、酮、酸、酯、 芳烃及烯烃等，这些底物中都含有能够被催化剂催化的 C-H 键）来检测这些新 过渡金属催化剂的各种性能。反应过程中，通过 TLC 检测，与目标产物对照来 判断催化剂是否有催化交叉偶联或者自偶联的活性。 2.1 实验所用仪器和试剂及其处理方法 2.1.1 实验所用仪器 表 2-1 仪器和生产厂家 仪器生产厂家 SHB-395A 循环水式多用真空泵上海豫康科教仪器设备有限公司 ZXZ-4 旋片真空泵浙江黄岩求精真空泵厂 R201C 旋转蒸发器河南予华仪器有限公司 85-2 型恒温磁力搅拌器上海志威电器有限公司 84-1 磁力搅拌控温电热套山东鄄城华鲁电热仪器有限公司 KQ2200E 型超声波清洗器昆山市超声仪器有限公司 2.1.2 实验所用试剂规格及来源 表 2-2 主要试剂 试剂名称规格厂家 甲醇 无水乙醇 无水乙醚 四氢呋喃 石油醚(60-90) 二氯甲烷 分析纯 分析纯 分析纯 分析纯 分析纯 分析纯 天津市江天化工公司 天津市江天化工公司 天津市江天化工公司 天津市江天化工公司 天津市江天化工公司 天津化学试剂二厂 环己烷 盐酸 碳酸钾 无水 MgSO4 碳酸钠 碘 氢氧化钾 氢化钙 对甲苯磺酸 氯化铵 镁条 DMF 四氯化碳 甲苯 三甘醇 乙酸乙酯 邻甲基苯胺 硝基苯 氢氧化钠 NBS 过氧苯甲酰 无水醋酸钠 氢溴酸 DMSO 二氧化硒 重铬酸钾 碳酸氢钠 苯 高锰酸钾 冰乙酸 吡啶 氯化亚砜 邻氨基苯甲酸 亚硝酸钠 尿素 分析纯 分析纯 分析纯 分析纯 分析纯 分析纯 分析纯 分析纯 分析纯 分析纯 分析纯 分析纯 分析纯 分析纯 分析纯 分析纯 分析纯 分析纯 分析纯 分析纯 分析纯 分析纯 分析纯 分析纯 分析纯 分析纯 分析纯 分析纯 分析纯 分析纯 分析纯 分析纯 分析纯 分析纯 分析纯 天津市江天化工公司 天津市江天化工公司 上海君创生物公司 天津市江天化工公司 天津市江天化工公司 天津市江天化工公司 天津市江天化工公司 天津市江天化工公司 天津市江天化工公司 天津市江天化工公司 天津市江天化工公司 天津大学科威公司 天津大学科威公司 天津大学科威公司 天津市光复精细化工研究所 天津科锐思精细化工有限公司 天津市江天化工公司 天津市江天化工公司 天津大学科威公司 天津大学科威公司 天津大学科威公司 天津市江天化工公司 天津市江天化工公司 天津市江天化工公司 天津大学科威公司 天津市江天化工公司 天津大学科威公司 天津大学科威公司 天津市江天化工公司 天津市江天化工公司 天津市江天化工公司 天津市江天化工公司 天津市江天化工公司 天津市江天化工公司 天津市江天化工公司 2.1.3 溶剂的处理 乙醚、四氢呋喃、甲苯的处理：经无水氯化钙干燥一周后，过滤至 1L 的 干燥单口瓶中，加入适量的钠丝及少量二苯甲酮，用氮气排出装置中的空气， 并在氮气氛围中回流至溶液变成蓝色，蒸馏收集至安瓶中，充氮气封口备用。 二氯甲烷、石油醚的处理：经无水氯化钙干燥一周后，过滤至 1L 的干燥 单口瓶中，加入适量的氢化钙粉末，用氮气排出装置中的空气，并在氮气氛围 中加热回流 24h，蒸馏收集至安瓶中，充氮气封口备用。 DMF 的处理：在 DMF 中加入 CaH2，搅拌干燥两小时后，抽滤除去 CaH2。减压蒸馏，弃去前馏分，收集至干燥瓶中并加入无水硫酸镁保存。 四氯化碳的处理：在 CCl4 中加入 4A 分子筛，常压蒸馏，弃去前、后馏分， 收集中间馏分，收集至干燥瓶中备用。 叔丁醇的处理：用污水硫酸镁干燥后，过滤，蒸馏，弃去 10ml 前馏分，收 集 81.5-83.5馏分至干燥瓶中保存。 吡啶的处理：氮气保护下加氢氧化钾干燥，回流 24h，氮气保护蒸馏，收 集 114-116馏分至干燥瓶中避光保存。 2.2 配体的合成 2.2.1 配体的合成路线 碘化钾分析纯天津市江天化工公司 NH2 NO2 acetoneBH3 THF CH2Cl2/AcOH,RT NH NO2 Pd/C,H2 EtOH,RT NH NH2 CH2(COOEt)2 (0.5eq) 2,6- reflux MeOTf3.2eq MeI(5.0eq) CH3CNRT 2X KNMDS2.2eq THFRT 1 2 3 4a X=OTf 4b X=I 5a X=OTf 5b X=I N NN N N NN N N NN N X 补充：中间产物 1，2 的合成方案二： NH2 NO2 2-NaH DMFRT NH NO2 1 NH NO2 Zn/ NH NH2 1 2 2.2.2 实验部分 1、 产物 1 的制备 方法一：称量 2-硝基苯胺 2.76 克（20mmol） ，放入 100 毫升的两口圆底烧 瓶中，并用 17 毫升的二氯甲烷和 8.5 毫升的醋酸溶解。然后将 4.4 毫升的丙酮 （60.0mmol）加到反应烧瓶中.在室温的条件下，反应混合物搅拌 5 分钟，然后 将反应混合物冷却到 0 摄氏度.随后，在保持温度在 0 摄氏度的条件下，将 1mol/L 的硼烷的四氢呋喃溶液 23.8 毫升（23.8mmol）逐滴加入到反应烧瓶中。 然后，将整个反应混合物的温度缓慢地恢复到室温，达到室温后，将混合物剧 烈搅拌 16 个小时.将产物混合物用饱和的碳酸氢钠溶液中和，用 PH 试纸检测， 直到 PH 达到 8 为止.然后用二氯甲烷萃取，每次用 20 毫升二氯甲烷，总共萃取 3 次.然后用无水硫酸镁干燥油相产物，然后用真空泵抽滤，最后用旋转蒸发仪 蒸发得到油状产物 N-异丙基-2-硝基苯胺 3.49 克，收率为 97%。 方法二：称量 2-硝基苯胺 6.298 克（45.6 mmol） ，放入 250 毫升的单口圆 底烧瓶中，然后加入 DMF 100 毫升，剧烈搅拌使得 2-硝基苯胺完全溶解.随后 称取氢化钠固体 2.918 克加入到圆底烧瓶中，剧烈搅拌使得氢化钠溶解，并将 反应瓶的温度缓慢地降低到室温.称量 2-溴丙烯 4.48g（36.5mmol）的 DMF 溶液， 慢慢加入到反应溶液中（可一次性加完） 。在室温条件下，反应混合物反应 12 个小时。加入水，剧烈震荡后加入乙酸乙酯分液，然后用无水硫酸镁干燥油相 产物，然后用真空泵抽滤，最后用旋转蒸发仪蒸发，然后利用柱层析分离（用 石油醚/二氯甲烷=1：4 冲洗） ，旋干得到黄色油状产物 3g。20 2、产物 2 的制备 方法一：准备一个 500 毫升双口圆底烧瓶，加入 N-异丙基-2-硝基苯胺 17.60g（97.7 mmol） ，加入 Pd/C 还原剂 0.053g（1.0 mmol） ，最后加入溶剂乙醇 200 毫升充分溶解。将反应混合物充满氢气，使其在常温常压下，在氢气环境 下反应两天。反应完全后，将反应溶液用真空泵抽滤，然后用旋转蒸发仪浓缩 得到褐色的油状物 。 方法二：准备一个 250 毫升单口圆底烧瓶，称量 N-异丙基-2-硝基苯胺 2 克，溶解冰醋酸中 ，少量多次的加入到反应溶液中，等到反应溶液显示为绿色 的时候停止加入，在此过程中不断利用 TLC 检测，大约反应 2 h 后，将反应溶 液加蒸馏水稀释，用氢氧化钠溶液中和反应溶液中的醋酸，达到 pH=10 停止。 随后用乙酸乙酯进行萃取，用旋转蒸发仪旋干，用柱层析分离（过程中用二氯 甲烷冲洗） ，浓缩之后得到棕色油状物 2。 3、产物 3 的制备 准备一个 250 毫升的双口圆底烧瓶，两口分别安装上迪安-斯达克装置和恒 压漏斗，在烧瓶中加入 N-异丙基-1，2-苯二胺 24.73 克（164.7 mmol） ，再加入 88 毫升的 2，6-二氯甲苯充分溶解，然后将反应混合物加热到 170 摄氏度。随 后逐滴地加入丙二酸二乙酯 13.18 克（82.0 mmol） ，整个滴加过程维持 90 分钟 以上。在滴加丙二酸二乙酯的过程中温度会逐渐的升至 185 摄氏度，然后将整 个反应体系的温度维持在 185-190 摄氏度 2 个小时。将反应混合物冷却到室温， 然后用真空泵抽滤，并先后用 400 毫升的苯和 90 毫升的甲醇洗涤，随后在真空 中干燥，最终得到一粉红色的固态目标产物 3 物质 13.66 克，收率为 88%。 4、产物 4a 的制备 准备一个 250 毫升的双口圆底烧瓶，加入上述产物 3 物质 13.29 克 （40.0mmol） ，并用无水氰化甲烷 112 毫升完全溶解。将三氟甲基苯磺酸甲酯 14.7 毫升（129.6mmol）逐滴的加入到反应烧瓶中.最终的反应混合物在室温的 条件下搅拌 1 个小时，然后加入二乙基醚 240 毫升得到白色沉淀物.白色固体用 二氯甲烷洗涤，每次用 100 毫升，总共洗涤两次，随后在真空中干燥得到目标 产物 4a 物质 19.67 克，收率为 74%。 5、 产物 4b 的制备 准备一个 25 毫升的圆底烧瓶，加入上述产物 3 物质 0.66 克（2.0mmol） ， 加入无水氰化甲烷 6 毫升，完全溶解，冲入氮气密封.然后将 1.42 克 （10.0mmol）的碘代甲烷逐滴地加入到反应烧瓶中.然后加热，保持温度在 90 摄氏度不变反应 2 天.观察到有沉淀产生，随后用真空泵抽滤，然后用二氯甲烷 洗涤，最后在真空条件下干燥得到白色的固态产物目标产物 4b 物质 0.67 克， 收率为 55%. 6、产物 5a 的制备 准备一个 100 毫升的单口圆底烧瓶，加入上述产物 4a 6.6 克（10.0mmol） ， 并加入 10 毫升的无水四氢呋喃溶解.然后将六甲基二硅基胺基钾的四氢呋喃溶 液(六甲基二硅基胺基钾 4.4 克（22.0mmol）溶解在 40 毫升的四氢呋喃中)逐滴 地加入到反应烧瓶中.将反应混合物在室温的条件下搅拌 3 个小时，随后用硅藻 土过滤.母液用旋转蒸发仪浓缩，残留物用二乙基醚洗涤，然后在真空条件下干 燥得到黄色的固态目标产物 5 物质 4.45 克，收率为 67%。18 2.2.3 典型产物的 1H-NMR 和13C-NMR 谱图 （1） 0.00.51.01.52.02.53.03.54.04.55.05.56.06.57.07.58.0 f1 (ppm) -1000 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000 11000 12000 13000 14000 15000 20140508-dyl-5 5.865.86 1.001.00 1.021.02 1.041.04 1.021.02 0.980.98 1.041.04 1.211.21 1.211.21 1.221.22 3.723.72 3.733.73 6.476.47 6.756.75 6.766.76 7.307.30 8.018.01 8.028.02 产物 1 的核磁共振氢谱 102030405060708090100110120130140 f1 (ppm) -20 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 320 340 360 20140508-dyl-5 22.5822.58 43.8243.82 114.16114.16 114.78114.78 126.78126.78 131.55131.55 136.08136.08 144.71144.71 产物 1 的核磁共振碳谱 （2） 0.01.02.03.04.05.06.07.08.09.0 f1 (ppm) -500 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500 20140506-dyl-4 6.026.02 2.982.98 1.001.00 3.973.97 1.121.12 1.131.13 1.141.14 1.151.15 1.161.16 1.161.16 3.163.16 3.493.49 3.503.50 3.513.51 3.523.52 6.576.57 6.586.58 6.606.60 6.616.61 6.736.73 产物 2 的核磁共振氢谱 102030405060708090100110120130140150 f1 (ppm) -50 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 20140506-dyl-4 23.24 44.25 112.87 116.82 118.40 120.71 134.53 137.01 产物 2 的核磁共振碳谱 （3） 0.01.02.03.04.05.06.07.08.09.0 f1 (ppm) -2000 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 18000 20000 22000 24000 20140506-dyl-3 12.36 1.99 2.00 4.12 2.00 1.98 1.32 1.32 1.33 1.33 1.34 4.64 4.64 4.65 5.25 5.25 5.26 7.12 7.13 7.13 7.14 7.42 7.67 7.68 产物 3 的核磁共振氢谱 2030405060708090105120135150 f1 (ppm) -50 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 20140506-dyl-3 20.99 29.94 48.49 112.12 119.79 121.77 122.22 133.46 143.31 148.57 产物 3 的核磁共振碳谱 （4） 0.51.52.53.54.55.56.57.58.5 f1 (ppm) -1000 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000 11000 12000 13000 14000 20140508-dyl-2 12.31 5.81 2.00 1.94 4.07 1.96 2.02 1.77 1.78 3.86 4.97 4.99 5.00 5.60 7.76 7.78 7.79 7.80 7.81 7.95 7.96 8.17 8.18 产物 4a 的核磁共振氢谱 产物 4a 的核磁共振碳谱 （5） 1.01.52.02.53.03.54.04.55.05.56.06.57.07.58.08.5 f1 (ppm) -1000 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000 11000 12000 13000 14000 15000 16000 17000 20140506-dyl-1 5.94 6.04 5.74 0.92 2.00 4.01 2.01 2.01 1.58 1.59 1.64 1.65 3.27 4.74 4.79 4.80 4.81 7.23 7.24 7.25 产物 5 的核磁共振氢谱 020406080100120140160180200 f1 (ppm) -100 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 160020140506-dyl-1 20.21 20.46 33.18 49.50 50.13 110.76 111.82 123.79 124.02 130.43 133.68 152.53 产物 5 的核磁共振碳谱 第 3 章 工作总结 本课题研究的是 CH 键活化方面的一个全新领域，C-H 键的活化经过过 去几十年的经验积累已经发展到了一个全新的高度，本课题就是开发一个全新 的配体配位的过渡金属配合，并研究其在 C-H 键活化中的反应活性、区域选择 性、空间选择性等方面的性能。 本实验我们用到的最基础的原料为邻硝基苯胺，它是这一全新配体的最基 础的物质。本实验一共经过 6 步合成了此配体，其中有的是根据相应的文献进 行合成的，有的是找到相似的文献后，重新摸索反应条件进行反应的。该配体 的合成路线步骤简单，反应底物简单易得，且转化率高，是一个很有发展前途 的配体。但由于时间的限制，本实验仅完成了配体的合成这一前期工作，对于 后期的配体与各种过渡金属（Ru、Pd、Rh 等）配位以及这些全新催化剂与各 种底物的反应等相关方面的研究工作正在进行中。 参考文献 1Godula K, Sames D. C-H Bond Functionalization in Complex Organic SynthesisJ. Science,2006,312(5770): 67-72. 2Omae I. Organometallic intramolecular-coordination compounds containing a nitrogen donor ligandJ. Chemical Reviews,1979,79(4)：287-2