Pd(OAc)2/TBAB催化鹵代芳烴與末端炔烴的Sonogashira交叉偶聯反應研究

陶李明， 劉文奇， 周 蕓

(湘南學院 化學與生命科學系，湖南 郴州 423000)

芳炔和共軛烯炔是合成天然產物、生物活性分子和有機分子材料的重要前體，鈀催化sp2型碳鹵化物與末端炔烴之間的Sonogashira交聯偶聯反應是合成芳炔和共軛烯炔常用的方法之一[1～6]。該反應常需要加入膦配體穩定鈀催化劑以及碘化亞銅促進反應的進行，并在過量的胺中進行反應。但大多數膦配體對空氣和水敏感，碘化亞銅用作助催化劑的同時又促使末端炔烴自身Glaser偶聯反應的發生，加大副反應的程度導致成本提高。因此，研究無銅、無配體的催化劑對Sonogashira交聯偶聯反應具有重要意義。

本文報道一種無銅[7～10]、無配體[11]、水系[12，13]下，可回收利用的催化體系[Pd(OAc)2/TBAB(四丁基溴化銨)]催化鹵代芳烴(1a～1d或2a～2d)與末端炔烴(3a～3c)的Sonogashira反應方法，合成了一系列偶聯產物(4a～4h和5a～5c， Scheme 1)，其結構經1H NMR和13C NMR表征。研究了Pd(OAc)2/TBAB的重復回收使用情況。

1 實驗部分

1．1 儀器與試劑

Varian-400型或Bruker DPX-300型核磁共振儀(CDCl3為溶劑)。所用試劑均為分析純。

(or

Scheme1

1．2 合成

在25 mL的Schlenk反應瓶中加入1(或2)0.50 mmol， 3 0.60 mmol， Pd(OAc)23 mol%， Cs2CO32 eq， TBAB 1.5 g和H2O 15 mg，氬氣氛中于120 ℃左右反應(TLC跟蹤)。用乙醚(3×10 mL)萃取，合并有機相，減壓濃縮，粗品經硅膠柱層析[洗脫劑：V(正己烷) ∶V(乙酸乙脂)=1 ∶4]純化得4。

苯基對甲氧基苯基乙炔(4a)： 白色固體；1H NMRδ: 7.52～7.51(m, 2H), 7.48(d,J=9.0 Hz, 2H), 7.34～7.32(m, 3H), 6.88(d,J=8.8 Hz, 2H), 3.83(s, 3H);13C NMRδ: 159.6, 133.0, 131.4, 128.3, 127.9, 123.6, 115.4, 114.0, 89.4, 88.1, 55.3。

苯基對硝基苯基乙炔(4b)： 黃色固體；1H NMRδ: 8.21(d,J=8.8 Hz, 2H), 7.65(d,J=8.8 Hz, 2H), 7.58～7.54(m, 2H), 7.40～7.38(m, 3H);13C NMRδ: 141.3, 132.6, 132.2, 130.6, 129.6, 128.8, 124.0, 122.5, 95.0, 87.9。

苯基對甲苯基乙炔(4c)： 白色固體；1H NMRδ: 7.54～7.50(m, 2H), 7.43(d,J=8.1 Hz, 2H), 7.35～7.31(m, 3H), 7.15(d,J=7.8 Hz, 2H), 2.36(s, 3H);13C NMRδ: 138.7, 132.9, 131.9, 129.6, 129.5, 128.8, 128.7, 128.4, 89.1, 83.4, 21.9。

二苯基乙炔(4d)： 白色固體；1H NMRδ: 7.60～7.51(m, 4H), 7.39～7.26(m, 6H);13C NMRδ: 132.0, 128.7, 128.6, 123.7, 89.7。

正辛基對甲氧基苯基乙炔(4e)： 白色固體；1H NMRδ: 7.33(d,J=8.8 Hz, 2H), 6.81(d,J=8.8 Hz, 2H), 3.80(s, 3H), 2.38(t,J=7.6 Hz, 2H), 1.61～1.57(m, 2H), 1.45～1.40(m, 2H), 1.31～1.24(m, 8H), 0.88(t,J=6.4 Hz, 3H);13C NMRδ:158.9, 132.8, 116.1, 113.7, 88.8, 80.1, 55.2, 31.8, 29.2, 29.1, 28.9, 28.8, 22.7, 19.4, 14.1。

正辛基對硝基苯基乙炔(4f)： 黃色固體；1H NMRδ: 8.15(d,J=8.8 Hz, 2H), 7.51(d,J=8.8 Hz, 2H), 2.44(t,J=7.2 Hz, 2H), 1.74～1.59(m, 2H), 1.47～1.43(m, 2H), 1.31～1.26(m, 8H), 0.89(t,J=7.2 Hz, 3H);13C NMRδ: 132.6, 131.6, 123.8, 118.5, 97.2, 79.6, 32.2, 29.5, 29.4, 29.3, 28.7, 23.0, 19.9, 14.4。

正辛基對甲苯基乙炔(4g)： 白色固體；1H NMRδ: 7.28(d,J=8.0 Hz, 2H), 7.08(d,J=8.0 Hz, 2H), 2.38(t,J=7.2 Hz, 2H), 2.32(s, 3H), 1.61～1.55(m, 2H), 1.46～1.42(m, 2H), 1.31～1.29(m, 8H), 0.89(t,J=7.2 Hz, 3H);13C NMRδ: 137.4, 131.4, 128.9, 121.0, 89.6, 80.6, 31.9, 29.2, 29.1, 28.9, 28.8, 23.7, 21.4, 18.4, 14.1。

3-對硝基苯基-2-丙炔-1-醇(4h)： 黃色固體；1H NMRδ: 8.19(d,J=8.8 Hz, 2H), 7.58(d,J=8.8 Hz, 2H), 4.54(s, 2H);13C NMRδ: 147.3, 132.4, 129.4, 123.6, 92.5, 83.8, 51.5。

2 結果與討論

2.1 Sonogashira交叉偶聯反應條件選擇

以對甲氧基碘苯(1a)與苯乙炔(3a)反應合成4a為模板，尋找Sonogashira交叉偶聯反應的最佳反應條件，實驗結果見表1。由表1可見，1a與3a在Pd(OAc)2和Cs2CO3的催化作用下，反應中不加水，只加TBAB，雖然可以發生Sonogashira交叉偶聯反應，但產物3a的產率很低(Entry 1)；增加水的用量，產率相應升高，當水的用量增加到1wt%時，反應5 h產率可提高到93%(Entry 3)；繼續增加水的用量，產率末見升高反而有略下降(Entry 4)，說明水的用量對反應有較大的影響。

表1 對甲氧基碘苯與苯乙炔的Sonogashira交叉偶聯反應aTable 1 Sonogashira cross-couplings reaction of 1-iodo-4-methoxybenzene with 1-ethynylbenzene

a1a0.5 mmol, 3a0.6 mmol, Pd 3 mol%, base 2 eq, TBAB 1.5 g， H2O 5 mg, 1wt%， at 120 ℃ in Ar;bno water;cwater 0.5wt%;dwater 1.5wt%;eno TBAB;fTBAB 1 g;gTBAB 2 g;hPPh36 mol%;i115 ℃;j125 ℃

TBAB作為相轉移催化劑，促進了有機反應物之間的互溶，同時還起著穩定和提高鈀催化活性的作用[14]，使反應朝著預定的方向進行。由表1還可見，反應中如果沒有TBAB的參與，反應不理想(Entry 5)，隨著TBAB用量的增加，反應時間縮短，產率升高(Entry 6)，當TBAB的用量為1.5 g時，反應最佳(Entry 3)，繼續增加TBAB的用量，產率未見明顯變化(Entry 7)。

在TBAB/H2O中，分別以Pd(OAc)2， Pd/C， PdCl2， Pd(dba)2和PdCl2(PPh3)2等為催化劑，考察其催化活性，結果(表1)表明，Pd(OAc)2是最有效的催化劑，反應只需5 h產率可達到93%(Entry 3， Entry 8～Entry 11)，其他催化劑的催化效果均不及Pd(OAc)2。堿對該反應影響也比較大(Entry 12～Entry 15)，在Pd(OAc)2和TBAB/H2O的作用下，反應中以Cs2CO3為堿比K2CO3， NaOAc， Na3PO4和NEt3為堿表現出更明顯的優勢，并且在Cs2CO3以2 eq于1a的量時反應達到最優(Entry 3)。此外，相同的條件下，在反應中添加PPh3配體，但配體的加入對反應無明顯作用(Entry 16)。實驗結果表明在TBAB(1.5 g)/H2O(1wt%)體系中，Pd(OAc)2/Cs2CO3是最佳的催化組合。

反應溫度較低時反應時間長，轉化率也相對較低，該反應比較適宜的反應溫度120 ℃左右(Entry 3, Entry 17～Entry 18)。

綜上所述，1a與3a反應合成4a的最佳Sonogashira交叉偶聯反應條件為：1a0.5 mmol，3a0.6 mmol， Pd(OAc)23 mol%， Cs2CO32 eq， TBAB 1.5 g， H2O 15 mg，氬氣氛中于120 ℃反應。

2.2 其它底物的反應結果

表2 在最優反應條件下的擴展底物的實驗結果*Table 2 Substrate survey experimental results under optimal reaction conditions

*10.5 mmol，30.6 mmol， Pd(OAc)23 mol%， Cs2CO32 eq， TBAB 1.5 g， H2O 1wt%，氬氣氛中于120 ℃反應；括號內數據為3a分別與2a～2c反應的結果

根據1a與3a反應合成4a的反應結果，在最優化的條件下對其它鹵代芳烴與末端炔烴進行反應，結果見表2。由表2可見，在TBAB/H2O體系中，在Pd(OAc)2/Cs2CO3的催化作用下，許多鹵代芳烴與末端炔烴都能順利地反應并得到中等到高產率的相應的Sonogashira交叉偶聯反應產物。其中碘代芳烴的芳環上所連的基團不論是斥電子基團還是吸電子基團，都能與末端炔烴反應得到高產率的產物(4b～4h)；溴代芳烴與末端炔烴也可以反應得到相應的中等產率的產物(括號內數據)。

2.3 催化體系重復使用研究

分別以1a,1c與3a反應為模型，考察催化體系的重復使用效果[第一次反應完成后，用乙醚萃取產物，將含有Pd(OAc)2和TBAB的混合物在真空中冷卻濃縮凝固，再加上相同量的反應底物和Cs2CO3進行下一輪的反應]，結果見表3。從表3可見，經過三次循環使用后，催化劑仍然有很高的催化活性，而且在反應后幾乎觀察不到有鈀黑的生成，可見在該反應體系中，催化劑能夠穩定存在，可分離并回收使用。

表3 催化體系的重復使用*Table 3 Reusable of Pd(OAc)2/TBAB system

*反應條件同表2；分離產率

3 結論

研究了無銅、無配體、可回收利用的催化體系[Pd(OAc)2-Ce2CO3-TBAB-H2O]催化鹵代芳烴與末端炔烴的Sonogashira交叉偶聯反應，高產率地合成了一系列偶聯產物。催化實驗結果表明，該催化體系可回收重復使用3次，催化活性基本不變。

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