（应用化学专业论文）氧气作用下两价钯催化联烯的氢胺化反应研究.pdf

摘要 氧气作用下两价钯催化联烯的氢胺化反应研究 摘要 氮杂环是一类重要的化合物，无论是在天然产物还是有机中间体中都是很常见 的组分。在构建碳氮键的方法中，过渡金属催化的氮氢键对碳碳重键的加成，即氢 胺化反应，是最为有效的方法。到目前为止，不饱和烃的氢胺化主要是通过i v 副 族元素和镧系元素，这些体系通常对水和氧很敏感。而后过渡金属催化的反应还很 少，尤其是钯催化的氢胺化反应。 本论文结合醇氧化的工作，研究金属钯催化剂在氧气下对联烯的氢胺化反应。 利用n 4 ，5 庚联烯对甲苯磺酰胺与钯催化醇氧化过程中产生的p d h 物种的插入反 应，形成兀烯丙基钯络合物，随后发生分子内亲核取代反应得到氢胺化反应的产物。 在该反应中不需经历质子解，首次实现了氧气作用下两价钯催化联烯的氢胺化反 应。研究了配体、碱、添加剂、反应温度和底物浓度等因素对反应的影响。在对 p d ( o a c ) 2 、p d c l 2 作为钯源，s p a r t e i n e 、b a t h o c u p r o i n e 、b i p y 等作为配体，一些醇氧 化中常用碱和不同种类分子筛和贫电子烯烃的筛选中，发现在p d c l 2 b a t h o c u p r o i n e n a o a c m a l e i ca n h y d r i d e 的催化体系中，利用异丙醇为反应介质，在合适的温度和 底物浓度下，可以得到联烯氢胺化反应产物，化学活性高，区域选择性好。论文拓 展了底物，皆以中等以上收率得到了氢胺化产物。 研究了反应机理，用只有羟基氢被氘代和全氘代的异丙醇作为反应介质的实验 结果表明，联烯氢胺化上的氢来自异丙醇的c h ，从而证明了醇氧化过程中产生的 p d h 物种参与了联烯的氢胺化反应，提出了可能的反应机理。 关键词：钯催化，醇，氧气氧化，氢胺化，联烯 a b s t r a c t氧气作用下两价钯催化联烯的氧胺化反应研究 a b s t r a c t n i t r o g e n c o n t a i n i n gh e t e r o c y c l e sa r ea l li m p o r t a n to r g a n i cc o m p o u n d s ，w h i c ha r e t h em o t i f so fn a t u r a lp r o d u c t sa n do r g a n i ci n t e r m e d i a t e s t h et r a n s i t i o nm e t a lc a t a l y z e d a d d i t i o no fa nn hb o n da c r o s sac cm u l t i p l eb o n d ( h y d r o a m i n a t i o n ) h a sb e e n c o n s i d e r e da so n eo ft h em o s te f f i c i e n tm e t h o d sf o rt h es y n t h e s i so fn i t r o g e n c o n t a i n i n g c o m p o u n d s u pt on o w , t h em o s to fc a t a l y s t s ，u s e di n t h eh y d r o a m i n a t i o no fc - c m u l t i p l eb o n d s ，a r el a n t h a n i d ec o m p l e x e sa n dg r o u pi vm e t a lc o m p l e x e s ，w h i c ho f t e n d i s p l a yh i g hs e n s i t i v i t yt oa i ra n dm o i s t u r e h o w e v e r , l a t et r a n s i t i o nm e t a lc o m p l e x e s ， e s p e c i a l l y ，p a l l a d i u mc o m p l e x e s ，a l es e l d o mu s e da sc a t a l y s ti nh y d r o a m i n a t i o n h e r e i n ，c o u p l e d w i t ht h e r e a c t i o no fa l c o h o lo x i d a t i o n ，w es t u d i e d p a l l a d i u m - c a t a l y z e dh y d r o a m i n a t i o no fa l l e n e su n d e ra e r o b i cc o n d i t i o n t h er e a c t i o n i n v o l v e dt h ei n s e r t i o no fa l l e n ei n t op d - hs p e c i e s ，w h i c hg e n e r a t e df r o mt h e p d c a t a l y z e d a e r o b i c a l c o h o lo x i d a t i o n ，t oa f f o r d t h e 冗一a l l y l p a l l a d i u m ，t h e n i n t r a m o l e c u l a rn i t r o g e nn u c l e o p h i l i c - a t t a c kt og e n e r a t et h eh y d r o a m i n a t i o np r o d u c t t h i s m e c h a n i s md o e s n ti n v o l v et h ep r o t o n o l y s i so fc - p db o n d t h ee f f e c t so fl i g a n d s ，b a s e s ， a d d i t i v e s ，t e m p e r a t u r ea n ds u b s t r a t ec o n c e n t r a t i o no nt h ey i e l dw e r ei n v e s t i g a t e d i tw a s f o u n dt h a tt h eh y d r o a m i n a t i o no fa l l e n e sp r o c e e d e dw i t hh i g l lc h e m i c a la c t i v i t ya n d r e g i o s e l e c t i v i t yi n t h ep r e s e n c eo fp d c l 2 b a t h o c u p r o i n e n a o a c m a l e i ca n h y d r i d e c a t a l y s ts y s t e mi ni s o p r o p a n o la ta na p p r o p r i a t er e a c t i o nt e m p e r a t u r ea n ds u b s t r a t e c o n c e n t r a t i o n t h e s c o p e o fs u b s t r a t e sw a sa l s oe x a m i n e d ，t h ep r o d u c t so f h y d r o a m i n a t i o nw e r eo b t a i n e di ng o o dy i e l d s t h er e a c t i o nm e c h a n i s mw a sa l s os t u d i e d t h ed e u t e r i u ml a b e l i n ge x p e r i m e n t s w h i c hu s e ( c h 3 ) 2 c h o da n d ( c d 3 ) 2 c d o da ss o l v e n t ，r e s p e c t i v e l y ，i n d i c a t e dt h a tt h e h y d r o g e no ft h eh y d r o a m i n a t i o no fa l l e n e sc a m ef r o mt h eb r e a ko ft h ec hb o n do f i s o p r o p a n 0 1 t h ep d n hs p e c i e s ，g e n e r a t e df r o mt h ep d c a t a l y z e da e r o b i c a l c o h o l o x i d a t i o n ，w a si n v o l v e di nt h eh y d r o a m i n a t i o no fa l l e n e s ap o s s i b l er e a c t i o nm e c h a n i s m w a sp r o p o s e d k e y w o r d s ：p a l l a d i u m ，a l c o h o l ，a e r o b i co x i d a t i v e ，h y d r o a m i n a t i o n ，a l l e n e 声明尸i 刿 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本 学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或 公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使 用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文 中作了明确的说明。 研究生签名： 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或 上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送交并 授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密 论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：掣 川予产 硕士学位论文氧气作用下两价钯催化联烯的氡胺化反应研究 1 引言 1 1 过渡金属有机化合物的基元反应 现代合成化学的发展向人们提出了更高的要求，即反应具有高选择性，温和的 反应条件，产率高并且环境污染小等。金属有机化学在有机合成中的广泛应用，对 现代合成化学的发展起着重要的推动作用。一些原来需要在高温高压下的反应现在 能够在温和的条件下进行。一些需要多步才能完成的反应也被高效简单的方法所取 代。不仅如此，由于金属有机络合物所具有的模板效应使得有些反应有了高的立体 选择性，实现了不对称合成。现在，过渡金属有机化合物参与的反应己广泛应用于 药物、化工、香料等有机中间体的合成【l 】。 过渡金属有机化合物参与的反应复杂繁多，随着人们的不断研究和认识，己将 众多的反应归纳为几个基元反应。根据一般的分类，过渡金属有机化合物的基元反 应分成四个：配位体的配位和解离；氧化加成和还原消除反应；插入反应和消除( 反 插入) 反应；和金属结合的配体的反应【2 ，3 ，4 1 。 1 1 1 配位体的配位和解离 络合物配体的配位和解离可以下式表示： l ri r , - u l ；2 2 2 2 2 2 2 j 2l m s + l ll s ：s o l v e n t 一个稳定的能分离鉴定的过渡金属有机络合物，往往是配位饱和的( 一般满足 1 8 电子规则) ，但是当它发生反应时，又必须先有配体解离，生成配位不饱和的过 渡金属络合物，这一配位不饱和络合物和反应底物发生配位，然后才能发生反应。 通常具有下列性质的络合物人们最乐于采用，即容易生成配位饱和的络合物而分 离、纯化，而其中的某个配体又极易在温和条件下解离，生成配位不饱和的络合物 而发生反应。 1 1 2 氧化加成和还原消除反应 氧化加成反应是低价金属与一个化学键发生反应，使化学键两边的原子同时与 这一金属相连。最常见是两电子氧化加成反应，即当氧化加成发生后，金属的价态 比原来高出两价，如式： l 引言硕士学位论文 产 l n m + a b ；2 邕 l n m b xv a l e n t x + 2v a l e n t 氧化加成反应是生成碳金属键和氢金属键的主要方法，在金属有机化合物的反 应中占有非常重要的地位。 还原消除是氧化加成的逆反应，在还原消除反应中金属的价念降低2 价，如式： ，a l n m 二掣l n m + b b x 2 v a l e n t xv a l e n t 当a ，b 均为有机基团时，这实际上是过渡金属有机化合物的一种分解反应， 但因为生成a b 键，所以在有机合成上非常重要。 1 1 3 插入反应和消除( 反插入) 反应 插入反应是指不饱和键插入到m h 键或m c 键中。有两种主要类型，一种类 型是a = b 分子经插入反应后a 和b 分别与金属和r 相连。第二种类型是叁键分子 经插入反应后a 同时与m 及r 相连，如式： a = b m r 一 a - b m r 一 m a 。b r a = b ：c = c c = o ，c = n - r e t c m f 一r a 三b ：c o r n c ，e t c b 当a = b 基团烷基时，在插入反应之后形成了新的碳碳键。如果是烯烃就形成 了新的碳金属键，由于双键或三键与m r 键是顺式共平面插入，立体化学的结果 是顺式加成。一氧化碳的插入反应在有机合成中是一个极其重要的反应，因为直接 用一氧化碳就能够与底物发生反应生成醛、酮和羧酸衍生物等。反插入反应是插入 反应的逆反应，如脱羰反应和p 氢消除反应，如式： l n m c h 2 c h 2 r 。+ l n m h + c h 2 = c h r p 氢消除反应时金属络合物必须先有配体解离，留出空配位，并且m c c h 必 须成同平面，这时金属和p 氢的相互作用最大，发生顺式消除。 1 1 4 和金属结合的配体的反应 与和金属配位的不饱和配体发生的亲核反应在有机合成中是非常有用的。诸如 一氧化碳、烯烃、炔烃和芳香化合物都是富电子的，通常不容易与亲核试剂发生反 应。当它们与缺电子金属络合时，由其提供电子与金属形成给予键，由于金属对其 轨道的电子反馈较弱，使其电子云密度降低，可以和亲核试发生反应。例如，烯烃 本来只能接受亲电进攻，但和金属离子配位后，可以接受亲核进攻，这一反应在形 2 硕七学位论文氧气作用下两价钯催化联烯的氢胺化反应研究 式上和插入反应相似，但在立体化学上不同，烯烃插入m h 键的反应是顺式加成， 而在这里亲核试剂是从金属的另一面进攻烯烃的，所以是反式加成，如式： m 羚一m 挚 1 1 1 _ 卜 1 2 氢胺化反应 在自然界中，氮杂环是一类重要的化合物，种类繁多并且常常具有生物活性， 大量存在于天然产物和有机中间体中【5 一。合成这类化合物的传统方法包括将醇或者 卤化物转变成胺，羰基化合物的还原胺化，还原酰胺、腈、叠氮化物及硝化物等。 这些传统方法对底物要求较高，通常对环境的污染也较大。近年来报道了大量合成 c n 键的新方法，其中，过渡金属催化不饱和烃的氢胺化反应，即有机胺的n 和 h 直接加成到碳碳重键上，是最为直接、最有效的合成方法之一7 1 。 r 3r ? 酽r 1 + h n 、r r 6 5 一r 漆酗 r 2 “ r 2r 3 r ，一一叭：r 一三一 4 。 r ，：2 n r h ：广r 5 辱_ 融 卜 r 2 r s n r 1 r 3 j r 4 图1 2 1 烯、炔和联烯的氢胺化反应 氢胺化反应的原料通常是各种烯烃、炔烃、联烯和各种胺，这些原料方便易得， 在工业上有适用性。 1 引言硕一l 学位论文 在过去研究的氢胺化反应中，催化反应的金属催化剂主要分为三类：镧系金属 络和物，i v 副族金属络合物，以及近年报道的后过渡金属络合物8 , 9 , 1 0 】。 9 0 年代初，镧系金属就已经被用于烯烃和炔烃的分子内的氢胺化反应【1 1 1 。1 9 9 6 年，m a r k s 等报道了首次利用钐、镥等镧系金属催化炔烃的分子间氢胺化反应。 m e 2 s i c p 2 n d c h ( s i m e 3 ) 2 m e 2 s i c p 2 n d c h ( s i m e 3 ) 2 n p r 义，p h 8 5 9 0 年代，i v 副族的钛和锆的络合物被应用于炔烃和联烯的氢胺化反应，揭开 了一个新的方向。与其它催化剂相比，钛和锆容易利用并且价格便宜。1 9 9 2 年， b e r g m a n 等报道了用c p 2 z r ( n h - 2 ，6 m e 2 c 6 h 3 ) 2 催化剂，二苯乙炔和联烯与芳香胺的 氢胺化反应，得到了中等以上的收率【8 1 。 = = + a r n h 2 c p 2 z r ( n h a r ) 2 p 1 2 0o c 1 3 d c p 2 z r ( nh a r ) 2 9 0o c ，6 d p h h 久n h a r 犬 9 0 6 0 1 9 9 2 年，l i v i n g h o u s e 等报道了用c p t i c l 3 催化炔胺的分子内氢胺化反应，合成 了五元环和六元环的内亚胺【8 1 。 巴p h 2 0m 0 1 c p t i c l 3 4 0m 0 1 p h n m e 2 - - - - - - - - - - - - - i - 2 5o c 2 0m 0 1 c p t i c l 3 4 0m 0 1 p h n m e 2 8 0o c 9 4 p h 8 9 到目前为止，镧系和i v 副族是非常有效的催化剂来催化不饱和烃的氢胺化反 应，但是这些催化剂对水和空气非常敏感，不利用反应的操作，而且对反应底物官 能团的兼容性不太好1 2 】；而对于后过渡金属催化的不饱和烃的氢胺化反应，尽管在 4 丫盘 s 3 em 硕：t 学位论文氧气作用下两价钯催化联烯的氯胺化反应研究 2 0 几年前就有报道用汞和铊催化炔烃的氢胺化反应【舯。但是由于汞与铊的毒性，甚 至在反应过程中会产生毒性更大的物质，限制了这两个金属的在实验室和生产中的 应用。 近几年，铑、铱、金等后过渡金属的氢胺化反应研究很多【1 3 , 1 4 , 1 5 1 。最近，j o h n f h a r t w i g 报道了用铑催化的非活性烯烃与伯胺和仲胺的分子内氢胺化反应，反应以 高的收率得到了环化产物。同时，作者还发现这个反应对官能团的兼容性较好1 3 】。 p p h 2 p h 2 与m 烈黔鬣舞2 f 】b f 4 - - - - - - 二= - - - - d i o 熵n e ，7 0 ” p h l i g a n d = m e 2 n p c y 2 p h 9 1 2 0 0 7 年，s h i u h - t z u n gl i u 4 x 组报道了用铱络合物催化的分子内和分子间的氢胺化 反应。用铱的磷亚胺络合物和芳基硼酸的钠盐组合对一系列芳基炔烃的分子内和分子 间的氢胺化反应进行了研究。根据底物的不同，反应在温和的条件下得到了中等或高 的收率【1 6 1 。 h 3 c “b u c a t 1 m 0 1 n a b a r f 41m 0 1 t o l u e n e , r e f i u ) d n g h 3 p h 尸h 9 5 2 0 0 6 年，h ec h u a n d x 组报道了用一价金催化的非活性不饱和烃的分子内和分子间 氢胺化7 1 。在以( p p h 3 ) a u o t f 为催化剂催化非活性烯烃和磺酰胺的分子间氢胺化中， 以较高的收率得到了氢胺化产物，如下式： + t s n h 2 5m 0 1 ( p p h 3 ) a u o t f t o l u e n e ，8 5o c ，15h 在类似条件下的分子内氢胺化反应中，他们同样以高收率得到了目标产物，如下 肚 硕t ：学位论文 式： 5t 0 0 1 ( p p h 3 ) a u o t f t o l u e n e 。8 5o c ，1 5h 从分子内氢胺化到不对称氢胺化，与前过渡金属和第四族金属相比，后过渡金属 在官能团兼容性和对氧气与水的敏感性方面更具优势，由此引起了人们的兴趣，关于 这个方向的报道也越来越多。然而这个体系也并非完美，问题之一就是反应的最后一 步烷基金属络合物难以质子解得到产物f 5 1 ，如图1 2 2 ： m ( n h r 2 ) n i g a n d d i s p l a c e m e n t 一厂 m ( n h r 2 ) n 拿m 仃 i l 制 r 2 n h h + r 2 n 、v r 2 n h h + -leiiib-minhydari鼢de r 2 n 飞+ m h 图1 2 2 后过渡金属催化的氢胺化循环 通过与缺电子的过渡金属形成络合物，碳碳重键具有较高的亲电性能够接受亲 核试剂胺的进攻，氮氢键加成到碳碳重键上，接着通过质子解得到产物，同时使催 化剂进行下一步循环。与其他的过渡金属相比，金属钯催化的不饱和烃的氢胺化很 少，这是因为反应中生成的c p d 键很难发生质子解，往往是以伊氢消除的方式得 到胺化氧化反应的结果 1 8 , 1 9 j 。因此利用金属钯实现不饱和烃的氢胺化反应是非常具 有挑战性的研究课题，尤其是在容易操作的两价钯催化下的氢胺化反应。 1 3p d 催化下醇的需氧氧化反应以及p d h 物种的产生和利用 醇氧化成醛和酮是有机化学中较为常见的一类反应，在有机合成中发挥着重要的 作用。使用传统方法来完成此类反应通常需要等倍量的无机氧化物( 如高价锰和铬 等) ，不仅价格昂贵，而且对环境造成很大的污染。氧气或空气廉价易得，清洁无污 染，是一种理想的氧化剂【2 0 1 。因此，使用氧气或空气来氧化醇或烯烃在近年来得到了 广泛的关注。过渡金属p d 是经典的催化剂，已被广泛地应用于催化氧化、还原和偶 联等反应。使用p d 催化的需氧氧化反应近年来也得到了广泛的研究1 2 。其催化效率 6 byb#乳 卧 发h卜p p 硕上学位论文氧气作用下两价钯催化联烯的氢胺化反戍研究 高，在精细有机化学方面有着重要应用，在医药合成领域也有着广泛的前景。 1 3 1p d 催化下醇的需氧氧化反应 p d 催化的需氧氧化反应具有悠久的历史，如早期的w a c k e r 反应，即钯催化将乙 烯转化成乙醛的工艺【6 1 ，反应中使用c u ( 等将反应中生成的p d ( o 重新氧化成p d ( ) ， c u ( 1 1 被还原成c u ( n ，再用氧气等氧化剂将c u o ) 氧化成c u ( 1 n ，使催化剂得以循环( 图 1 3 1 ) 。而1 9 7 7 年s c h w a r t z 等【2 2 1 的研究揭开了直接用氧气来氧化p d ( o 实现催化剂再 生的历史。 c u u c h 2 = c h 2 - i - h 2 0 c h 3 c h o 图1 3 1w a c k e r 过程 1 9 9 8 年p e t e r s o n 等发展7 p d ( o a c ) 2 d m s o 反应体系【2 3 】，成功地将一级烯丙基醇 和芳香二级醇高选择性地氧化成醛和酮，扩大了对醇的氧化范围，由于反应条件温和、 操作简单，在合成上具有很大的应用价值。另外他们还发现碱的加入对反应具有很大 的促进作用。 旷洲 5 m 0 1 p d ( o a c ) 2 d m s o ，8 0o c 0 2 2 4 h 2e q u r v n a h c 0 3 ：9 1 y i e l d w i t h o u tn a h c 0 3 ：3 0 y i e l d 在此基础上u e m u r a 等1 2 4 】做了一系列的研究，他们用甲苯作溶剂，以吡啶作为配 体，使产率得到了很大的提高。通过研究发现，吡啶与钯配位共同催化反应的同时， 吡啶还能稳定反应过程产生的p d ( o ) 中间体，防止其聚集形成钯黑而失去催化活性，因 此能提高反应的催化效率。但过量的吡啶却会阻碍反应的发生。因为过多的吡啶使与 p d ( 配位的吡啶不易解离，阻碍了醇氧化的发生。因此反应中吡啶用量过多或过少对 反应都不利【2 5 。他们还发现，在体系中加入3 a 分子筛时几乎可以将苯甲醇全部转化 为苯甲醛。除一些特殊结构的醇外，p d ( o a c ) 2 p y r i d i n e 体系可用于大多数类型醇的 氧化并且不受其它官能团的影响【2 6 。 7 1 引言硕 ：学位论文 5 m 0 1 p d ( o a c ) 2 1 0 m 0 1 p y r i d i n e t o l u e n e ( 1 0 m l ) 8 00 c ，0 2 ，2 h 3 a m s ( 5 0 0 m g ) ：c a 1 0 0 y i e l d w i t h o u t3 a m s ：8 6 y i e l d 2 0 0 0 年，s h e l d o n 等【2 7 1 第一次使用了氮的二齿配体p h e n s 幸( b a t h o p h e n a n t h r o l i n e d i s u l f o n a t e ) 与p d ( o a c ) 2 形成的水溶性催化剂，在少量醋酸钠的存在下，用空气作氧 化剂，成功地在水相中实现t p d 催化的需氧氧化反应，使得这一领域有了新进展。 s 0 3 n 0 h 。b u 人 0 3 n a 2 0 0 2 年，s i g r n a n 等口8 1 在研究苯甲醇的氧化时发现在室温下三乙胺对反应来说 是一种更好的配体，通过1 hn m r 对反应进行跟踪发现在以三乙胺作为配体的催化体 系中存在下面的平衡。 n e t an e h p d ( o a c ) 2 寻三2 苎p d ( o a c ) 2 ( n e t 3 ) 辱三三盘 a p d ( o a c ) 2 p y r i d i ne p d ( o a c ) 2 ( ne t 3 ) 2 b ( 1 - 2 4 ) p d ( o a c ) 2 ( p y r i d i n e ) 2 c 在反应中p d 主要以a ，b 两种形式存在， 2 0 0 5 年，s i g m a n 等【2 9 1 通过化学计算方 法证明了a 可能是活性的催化物种，中间体a 中只有一分子的n e t 3 和p d 配合，在反应 中降i 氐y p - 氢消除过程的活化能，因此表现出很高的催化活性。所以加入适量的三乙 胺可以提高反应速率，过量的三乙胺却使反应速率降低。 2 0 0 3 年，s i g m a n 等【3 0 1 报道了金属钯与卡宾配体( n h c ，n - h e t e r o c y c l i c c a r b e n e1 ， 在氧气下作用共同催化醇的氧化，反应通过两次分子内脱氢过程( 式1 2 6 ) ，在6 0 * ( 2 用 空气在常压下将醇氧化成了酮，仅使用0 5m 0 1 的p d ( n h c ) ( o a c ) 2 ( h 2 0 ) 做催化剂，在 短时间内就可以达到很高的产率。 r 20 5m 0 1 p d ( n h c ) ( o a c ) 2 ( h 2 0 ) o r ，l o h 二品忑磊r ，儿r 2 1 2 。5 r 1 _ p h ，4 - m e o c 6 h4 4 - m e c 6 h 4 ，3 - c f 3 c 6 h 4 r z = c h 3 ，h 足批 b 9 - ， q - p锄而扩 补麓篇 硕上学位论文氧气作用下两价钯催化联烯的氯胺化反应研究 严= a r ，ny n 、a r 含姥菏一 a r i n y , n 、a r a c o 一粥州眦a 2 l r ，见解 近年来，p d 催化下醇的氧气氧化反应越来越受到人们的重视。如何使用更有效的 配体，更低的催化剂用量，高效的催化体系一直是目l ； 研究的热点。 在研究p d 催化下醇的需氧氧化反应的过程中，人们对其反应的机理也达成了共识 1 3 l 】。如图1 3 2 ： 0 2 + h o a c h 2 0 2 p l p d 、 o l i p d o研a c o - p l d - 一o x 告 f r 1 ir o r e d u c t i v e e l i m i n a t i o n o a c 吖h 嘣o a 0 c n a c 、 一、， l p 9 d 璁 h 、二。 ， uk r ，且“r - - h y d r i d e n 图1 3 2 钯催化醇的氧气氧化反应机理 首先，醇与二价钯络合物上的一个配体发生配体交换，形成醇盐，再通过b 氢消 除生成一分子的酮或醛，同时产生一分子的p d i l h 物种。p d n _ h 物种在经历还原消除后 生成了零价钯络合物，再经过氧气氧化形成二价钯，达到催化剂的循环。 从对钯催化醇的氧化反应的研究来看，配体对反应结果有很大的影响，从刚开始 的d m s o 到现在的( 一) 一s p a n e i n e 等一系列配体的使用，使得氧化反应从简单的氧化提高 到了有对映体选择性的氧化这一新的高度，通过使用不同的配体，可以对反应的化学 选择性、立体选择性和对映体选择性进行调节。在不同的反应体系中，酸( h o a c ) 或 碱( p y r i d i n e ，t e a ，c s 2 c 0 3 等) 对反应的选择性和产率的提高都可以起到很大的促进 1 引言 硕上学位论文 作用。通过不断的研究，人们对反应机理也有了新的认识。从开始简单的对反应现象 的解释发展到了现在主动地通过机理的研究来对反应进行指导。对不同氧化体系中反 应的每一个过程和配体性质的详细的研究，为我们寻找更有效的配体和对反应条件的 进一步研究提供了理论依据。 1 3 2p d 催化下醇的氧气氧化反应中p d h 物种的产生和利用 在金属钯催化的化学反应中，d 一氢消除是其常见的基元反应，产生p d l l h 物 种，随后发生还原消除生成p d ( 0 ) 3 2 , 3 3 j 。 近年来，s i g m a n 小组报道了一些利用钯催化下醇的氧化的体系实现了苯乙烯的 醇加成反应；如乙烯基苯酚的分子间氢烷氧基化反应【3 4 】，( 图1 3 3 ) ： h ( ： 5m 0 1 p d 【( - ) - s p a r t e i n e c 1 2 1 0m 0 1 c u c l 2 ，3 am s ，a i r 1 0e q u i v r o h 1 a 2e q u i v p h c h ( o h ) c h 3 r o h2p r i m a r y s e c o n d a r y a n dt e r t i ar ya l c o h o l s 抟hr ，足r d r 2 0 h ，j 之 n u c l e o p h i l i c a l c o h o l h l i ( n n 立一l f c o r o c i 一( 拇了一a、n 矗c 1 2 0 r 0 2 图1 3 3 二价钯催化的乙烯基苯酚分子问氢烷氧基化机理 在这个反应中用到了两种醇，使用仲醇作为氢源其实就是利用仲醇在被氧化成 酮的过程中产生的p d h 物种，用仲醇的原因是相对于伯醇仲醇更容易被氧化成酮， p d 儿h 物种比较容易产生。而伯醇在这里被用作亲核试剂参与后续反应。作者通过 同位素实验证明了乙烯基苯酚氢烷氧基化产物上的氢来源于仲醇中与羟基相连的 碳上的氢，这与醇氧化所产生的p d h 物种上的氢的来源是一致的，也从一个方面 证明了此反应利用了p d h 物种。 随后，s i g m a n 小组报道了钯催化下醇的氧化和苯乙烯的氢芳化反应f 3 5 , 3 6 】。在这 些反应中，通过醇氧化反应中的一氢消除生成的p d h 物种( a ) 在没有发生还 1 0 h b 才d豢 h a 硕+ 学位论文氧气作用下两价钯催化联烯的氧胺化反戍研究 原消除时与苯乙烯反应生成中间体( b ) ，新生成的c p d 键与其他的金属试剂发 生转金属化反应得到偶联反应的结果( 图1 3 4 ) 。 o h r m 图1 3 4 钯催化下醇的氧化和苯乙烯的氢芳化反应 从以上工作可以看出，对p d 催化下醇的氧化反应的过程产生的p d n h 物种来 设计一些反应给我们的研究提供了新的思路。 1 4 本论文的设想 在前面我们提到，在钯催化的反应中，c p d 键很难发生质了解，往往是以1 3 一h 消除的方式进行的。尽管m i c h a e l 小组最近报道了在p i n c e r 配体与钯催化的条 件下实现了烯烃的氢胺化反应【37 1 。这是因为c p d 键中的钯与p i n c e r 配体配位后， 金属钯上没有空配位，不能与h 发生配位，从而不能发生d h 消除，而是发生质 子解，即使这样，研究表明质子解反应是整个反应的决速步；这也说明在钯催化下 很难实现c p d 键的质子解。为了实现钯催化的不饱和烃的氢胺化反应，我们拟采 用其他的思路来进行研究：如采用二价钯来催化醇的氧化来得到p d h 物种，然后 与不饱和烃发生加成发应，随后进行氮的亲核取代( 或还原消除) 来实现不饱和烃 的氢胺化反应。按照这个思路，我们就可以避开c p d 键质子解的问题。我们拟对 联烯的氢胺化反应进行研究，具体的方案如下：利用醇氧化过程中产生的p d u h 物 种与联烯中的一个双键发生加成反应，生成兀烯丙基钯中间体，接着有亲核性的氮 进攻冗烯丙基钯中间体，生成氮钯化中间体，再经过还原消除构建c - n 键，形成氮 杂环。零价钯络合物再在氧气作用下被氧化成二价钯，使催化循环得以实现。催化 反应过程如图1 4 1 ： l 引言硕十学位论文 1 2 0 2 + h 2 0 2 l n p d o l n p d x 2 t s x l n p d h x 图1 4 1 设想的n 联烯对甲苯磺酰胺在醇氧化条件下的反应过程 n h t s 父 硕上学位论文氧气作用下两价钯催化联烯的氢胺化反应研究 2 结果与讨论 在钯催化醇的氧气氧化条件下，我们对反应进行初步尝试，发现有预期产物， 但收率较低。接着，对反应进行了条件优化，得到较优的反应条件。之后，选用不同 的底物对反应的普适性进行了考察。 2 1n 4 ，5 庚联烯对甲苯磺酰胺氢胺化初步尝试 按照本实验的设想，联烯先与p d 盯一h 物种作用，联烯中的一个双键插入p d h 键， 生成7 c 烯丙基钯中间体，接着有亲核性的n 进攻兀烯丙基钯中间体，生成氮钯化中间 体，再经过还原消除形成c - n 键。因此，我们要寻找一个条件成熟、稳定和便于操作 的能够产生p d h 物种的体系。醇氧化的过程中能够产生p d h 物种，由于十几年来人 们的不断研究，这类反应条件已经相当成熟。2 0 0 0 年以后，s i g m a n d 、组还利用醇氧化 体系所产生的p d h 物种进行了一些研究。 实验最初采用了近年研究较多的p d c l 2 、( ) - s p a r t e i n e 、异丙醇体系，这里 ( ) - s p a r t e i n e 同时做为配体和碱p5 。以n - 4 ，5 庚联烯对甲苯磺酰胺为底物，初始条件： p d c l 25m 0 1 ，( ) s p a r t e i n e4 0 m 0 1 ，异丙醇( i p a ) l m l ，底物0 1 m m o l ，5 0 ，2 8 h ，原 料消失，得到分子内氢胺化产物6 a ，收率2 9 。 5m 0 1 p d c l 2 t = ，八4 0m01(-)-sparteine n h t s i p a ，5 0o c ，0 2 ，2 8 h 5 a t s 6 a y i e l d ：2 9 ( - ) - s p a r t ei n e 经过初步实验，我们得到了目标产物。实验还发现，用叔丁醇( 与羟基相连的碳 上无氢原子) 代替异丙醇底物几乎不发生转化。由此可以初步确定反应的进行是和醇 氧化联系在一起的。 2 2 以( ) s p a r t e i n e 为配体的条件优化 在初始实验中我们在p d c l 2 、( - ) - s p a r t e i n e 、异丙醇体系中仅以2 9 的收率得到目标 1 3 2 结果与讨论硕1 ：学位论文 产物，因此下一步的工作将对此体系进行优化，提高反应的选择性和目标产物的收率。 在这个体系中存在着两个主要的钯催化过程，一个是提供p d i l h 物种的醇氧化过程， 另一个是对p d - h 物种的利用最终形成氮钯键的过程。钯、配体、碱的种类和量对这 两个催化过程同时存在着影响，寻找合适的搭配或许能够提高反应的选择性目标产物 的收率。 2 2 1 钯源对反应的影响 同一种配体与不同的二价钯所形成的络合物具有不同的催化性质，有时事先制备 好的钯络合物与体系中原位生成的钯络合物的反应活性也存在差别。在 ( - ) - s p a r t e i n e ( s p ) 做配体的体系中，p d ( o a c ) 2 、p d c l 2 、p d ( t f a ) 2 代表着三种不同性质的 二价钯，实验对这三种二价钯以及事先制备好的相应钯络合物进行了筛选，并且调节 了配体的量，结果如表2 2 1 ： 5m 0 1 p d ( - ) s p a r t e i n e n h t s i p a ，5 0 。c ，0 2 ，2 8 h 表2 2 1不同种类的钯对反应的影响 p d c l 2 p d ( s p ) c i z p d ( o a c ) 2 p d ( o a c ) 2 p d ( s p ) ( o a c h p d ( t f a ) 2 p d ( s p ) ( t f a ) 2 墨旦虫墨冱1 2q! ! 竺皇 8g c 收率，内标为o 1 m l ( 0 1 3 m o l li ni p a ) 十四烷烃配制的溶液，反应底物为0 i m m o l 。 通过上述实验我们发现，增加( ) s p a r t e i n e 的量对反应有利，增大到一定量时对收 率的影响趋于饱和，当( ) s p a r t e i n e 量减至2 0 m 0 1 时产率锐减( e n t r y3a n d4 ) ，可能是 因为醇氧化过程中生成的双氧水将一部分( ) s p a r t e i n e 氧化成氮氧化物，使其失去了做 为碱的功能。不加( ) - s p a r t e i n e 几乎观察不到反应的发生，从也一个方面说明了 ( ) - s p a r t e i n e 在反应中起到碱的作用( e n t r y8 ) 。对几种二价钯进行比较可以发现 p d ( o a c ) 2 1 l f 显优于其它钯络合物( e n t r y4 ) ，并且p d ( o a c ) 2 的效果比p d ( s p ) ( o a c ) 2 要好， 说明在这个体系中p d ( o a c ) 2 与( ) s p a r t e i n e 原位生成的络合物具有更好的催化活性。 1 4 盯 o j 7 5 5 怔 驯 汐 施 州 强 孤 曲 弘 加 钧 弱 弱 硕上学位论文氧气作用下两价钯催化联烯的氢胺化反应研究 2 2 2 碱对反应的影响 从钯络合物的筛选实验得出t p d ( o a c ) 2 是比较理想的钯源，并且发现了同时作为 配体和碱的( 一) 一s p a r t e i n e 的量减少时产率锐减。反应中只作为配体并不需要很多的 ( - ) - s p a r t e i n e ，如果作为碱( 一) s p a r t e i n e 量不够就会明显影响反应的进行。因此我们考虑 加入额外的碱是否能够促进反应的发生。结果如表2 。2 2 ： 5m 0 1 p d ( o a e ) 2 4 0m 0 1 ( - ) - s p a r t e i n e 八 认n h t s i p a 篇5 0o c 焉o2 8 h【、t n 卜，2 ，t 叠 l 表2 2 2p d ( o a c ) 2 与( 一) 一s p a r t e i n e 体系中碱对反应的影响 3 g c 收率，内标为o 1m l ( 0 1 3 m o l li ni p a ) 十四烷烃配制的溶液，反应底物为0 1 m m o l 。 在对碱的筛选中，发现大多数碱对反应收率没有显著影响，c s 2 c 0 3 的加入使反应 的选择性变差，反应较乱，收率降低( e n t r y8 ) ，因为c s 2 c 0 3 的碱性较强，这可能会加 速p d h h 的还原消除而生成零价钯络合物。而n a o a c 的加入使反应的收率有所提高 ( e n t r y1 ) 。 实验进一步对n a o a c 的用量进行调整，发现当超过一个当量再增加其用量对收率 没有贡献。如表2 2