銠（Ⅰ）催化芳基三氟硼酸鉀與芳基羧酸酐偶聯反應的研究

伊 澤，伊茂聰，王建輝

（天津大學理學院，天津300072）

在天然產物和藥物化合物的合成中，芳酮類的中間體以及最終產物占據著重要的作用。酮的傳統合成方法常用Friedel－Crafts酰化反應，即酰氯或酸酐與苯環進行酰基化反應［1－3］。這種方法存在一些缺陷，如劇烈的反應條件、低的區域選擇性和大量的副產品。有文獻［4，5］報道通過芳基三氟硼酸鉀可制備芳酮，但研究大多集中在鈀或銠催化苯甲酰甲酸或苯甲醛與芳基三氟硼酸鉀的交叉偶聯反應，其它反應的研究較少。芳基三氟硼酸鉀是非常穩定且無毒的化合物，容易制備、分離，對濕氣和水相對穩定，可容忍許多敏感的官能團［6］。在過去的幾十年中，已有很多利用金屬催化合成芳酮的文獻報道［7－9］。然而，這些反應必須在惰性氣氛下進行且收率較低。作者參照文獻［10－13］方法，以芳基三氟硼酸鉀為底物，以RhCl（PPh3）3／CuI為催化體系合成芳酮，反應不需惰性氣氛，開發了一種新穎、方便的芳酮制備方法。

1 實驗

1.1 試劑與儀器

芳基硼酸、KHF2、RuCl3·3H2O、三苯基膦，Alfa Aesar A Johnson Matthey Company；芳基甲酸、氯化亞砜、三乙胺、四氫呋喃，分析純，天津江天化工技術有限公司。

X－4型顯微熔點測定儀，北京泰克公司；Perkin－Elmer 1600FTIR型傅立葉紅外光譜儀（KBr壓片法）；Bruker－400型核磁共振儀（TMS為內標），瑞士布魯克公司；Thermo Trace DSQ氣相色譜－質譜聯用儀，美國熱電公司；FA1004型電子分析天平，上海上平儀器有限公司。

1.2 方法

芳基三氟硼酸鉀和芳基羧酸酐按文獻［14－16］方法制備，RhCl（PPh3）3按文獻［17］方法制備。

以苯基三氟硼酸鉀和苯甲酸酐反應生成苯甲酮為模型反應，其合成路線如下：

在帶有磁力攪拌棒的5mL的史萊克瓶中，加入苯甲酸酐、PhBF3K、K2CO3、CuI、RhCl（PPh3）3、二甲苯。在120℃下攪拌反應2h后，TLC檢測，反應完成后，將混合物用5mL水驟冷，用乙酸乙酯（3×10.0 mL）萃取。合并有機層，用硫酸鎂干燥，用旋轉蒸發儀蒸除溶劑后，用硅膠柱（乙酸乙酯∶己烷＝1∶20）分離提純，真空干燥，得白色固體二苯甲酮，產率95%，m.p.：47～48℃；IR（KBr），ν，cm－1：1075.04，996.93，917.12，764.21，635.24；1HNMR（400MHz，CDCl3），δ：7.80（d，J＝7.3Hz，4H），7.57（d，J＝7.3Hz，2H），7.48（t，J＝7.6Hz，4H）；13CNMR（100MHz，CDCl3），δ：196.7，137.5，132.4，130.0，128.25。

2 結果與討論

2.1 溶劑、反應溫度和反應時間對反應產率的影響（表1）

表1 溶劑、反應溫度和反應時間對反應產率的影響Tab.1 The effect of solvent，reaction temperature and reaction time on the yield

由表1可知，溶劑對反應產率的影響較大，在60℃下反應12h，以四氫呋喃、NMP、甲苯、二甲苯、二氧六環為溶劑（表1中1、4、7、8、10）可獲得較高的產率，其中二甲苯的產率最高，為85%；而其它溶劑（表1中2、3、5、6、9）的產率并不高。由表1還可知，升高反應溫度，產率提高；當反應溫度升高至120℃反應2h，以二甲苯、NMP為溶劑（表1中15、16）的產率可達95%、85%；而在60℃或90℃反應2h，以二甲苯為溶劑的產率為58%、68%（表1中17、18）；當反應溫度為90℃時，必須反應6h，才可以獲得較高的產率（表1中11、14）。因此，確定最佳反應溫度為120℃、溶劑為二甲苯、反應時間為2h。

2.2 堿、催化劑和添加劑對反應產率的影響（表2）

由表2可知，當催化劑為單一RhCl（PPh3）3時，產率很低，＜5%（表2中1）；添加堿（K2CO3）后，產率仍然不高，只有13%（表2中2）；而繼續添加CuI，即采用1.0%RhCl（PPh3）3、CuI（1.0eq）和K2CO3（2.0 eq）組合催化劑，產率可達95%（表2中6）；更換不同的堿（三乙胺、甲醇鈉、磷酸鉀、碳酸銫、叔丁醇鉀、磷酸氫二鉀、硫酸鉀、碳酸鈉、碳酸氫鈉和醋酸鉀）（表2中3～5、7～13），并不能進一步提高產率；當用［Rh（COD）Cl］2和RhCl3·3H2O代替RhCl（PPh3）3（表2中14、15）時，其它反應條件不變，產率為86%和48%；當用碘化鉀或氰化亞銅作為添加劑（表2中16、17）時，產率只有17%和15%；其它反應條件相同，不加催化劑RhCl（PPh3）3時（表2中18），產率只有18%；降低催化劑RhCl（PPh3）3的用量時，產率也明顯下降（表2中19～21）。因此，確定最佳的反應條件為：苯基三氟硼酸鉀（2.0eq），苯甲酸酐（1.0eq），K2CO3（2.0eq），催化劑1.0%（mol），碘化亞銅（1.0eq），溶劑二甲苯1.5mL，反應溫度120℃，反應時間2h。

表2 堿、催化劑和添加劑對反應產率的影響Tab.2 The effect of bases，catalysts and additives on the yield

2.3 反應物的空間位阻和電子效應對反應產率的影響

以不同的芳基三氟硼酸鉀取代1.2模型反應中的苯基三氟硼酸鉀，考察反應物空間位阻和電子效應對反應產率的影響，結果見表3。

表3 空間位阻和電子效應對反應產率的影響Tab.3 The effect of steric and electronic effects on the yield

由表3可知，無論是供電子基團還是吸電子基團取代的芳基三氟硼酸鉀，均不影響其與苯甲酸酐的催化偶聯反應，可得到較高的產率，＞86%（表3中1～5）；當芳香環具有鄰位的取代基時，反應受到空間位阻的影響，但仍然可得72%以上的產率（表3中6、7）；然而，當反應溫度降低到60℃時，空間位阻和強吸電子取代基影響顯著，產率明顯下降（表3中4b～7b），這表明升高反應溫度可以削弱空間位阻和強吸電子取代基團對反應的負面影響，同時可以縮短反應時間。

2.4 不同的芳基羧酸酐對反應產率的影響

以不同的芳基羧酸酐取代1.2模型反應中的苯甲酸酐，考察不同的芳基羧酸酐對反應產率的影響，結果見表4。

表4 不同的芳基羧酸酐對反應產率的影響Tab.4 The effect of different aryl carboxylic anhydrides on the yield

由表4可知，苯甲酸酐和苯基三氟硼酸鉀反應，得到較高的產率（表4中1）；鄰位有取代基的芳基甲酸酐則得到較低的產率（表4中2、3），表明這些反應對空間位阻是敏感的；在芳香環對位有取代基的苯甲酸酐，不論是供電子基團或吸電子基團，都可得到高產率（表4中4～7），此外，在同樣條件下，脂肪族羧酸酐不反應（表4中8），不能得到相應的酮。

3 結論

芳基三氟硼酸鉀作為有機硼化合物，可與芳基羧酸酐在銠（Ⅰ）催化劑的作用下發生交叉偶聯反應，在較短的反應時間得到相應的芳酮。催化體系可應用于供電子基團和吸電子基團取代的芳基三氟硼酸鉀和芳基羧酸酐反應生成相應的芳酮，并且在低催化劑量時得到良好的產率；然而具有空間位阻基團取代的芳基三氟硼酸鉀和芳基羧酸酐反應的產率較低。

［1］武銳，林強，丁貽祥.負載FeCl3的皂土催化合成二芳基酮［J］.有機化學，2000，20（5）：802－804.

［2］Gmouh S，Yang H，Vaultier M.Activation of bismuth（Ⅲ）derivatives in ionic liquids：Novel and recyclable catalytic systems for Friedel－Crafts acylation of aromatic compounds［J］.Org Lett，2003，5（13）：2219－2222.

［3］Fillion E，Fishlock D，Wilsily A，et al.Meldrum′s acids as acylating agents in the catalytic intramolecular Friedel－Crafts reaction［J］.J Org Chem，2005，70（4）：1316－1327.

［4］Li M Z，Wang C，Ge H.Pd（Ⅱ）－Catalyzed decarboxylative crosscoupling of potassium aryltrifluoroborates withα－oxocarboxylic acids at room temperature［J］.Org Lett，2011，13（8）：2062－2064.

［5］Pucheault M，Darses S，Genet J.Direct access to ketones from aldehydes via rhodium－catalyzed cross－coupling reaction with potassium trifluoro（organo）borates［J］.J Am Chem Soc，2004，126（47）：15356－15357.

［6］Xia M，Chen Z C.Palladium－catalyzed carbonylative coupling of iodonium salts and potassium aryltrifluoroborates by carbon mon－oxide［J］.J Chem Research，1999，1999（8）：400－401.

［7］Wang D H，Zhang Z G.Palladium－catalyzed cross－coupling reactions of carboxylic anhydrides with organozinc reagents［J］.Org Lett，2003，5（24）：4645－4648.

［8］Yu A，Shen L，Cui X L，et al.Palladacycle－catalyzed cross－coupling reactions of arylboronic acids with carboxylic anhydrides or acylchlorides［J］.Tetrahedron，2012，68（10）：2283－2288.

［9］Gooben L J，Paetzolda J.New synthesis of biaryls via Rh－catalyzed decarbonylative Suzuki－coupling of carboxylic anhydrides with arylboroxines［J］.Adv Synth Catal，2004，346（13）：1665－1668.

［10］Nagayama K，Kawataka F，Sakamoto M，et al.Preparation and reactivities of acyl（carboxylato）palladium complexes［J］.Chem Lett，1995，24（5）：367－368.

［11］Nagayama K，Shimizu I，Yamamoto A.Direct hydrogenation of carboxylic acids to corresponding aldehydes catalyzed by palladium complexes in the presence of pivalic anhydride［J］.Chem Lett，1998，30（11）：1143－1144.

［12］Goossen L J，Ghosh K.Palladium－catalyzed synthesis of aryl ketones from boronic acids and carboxylic acids or anhydrides［J］.Angew Chem Int Ed，2001，40（18）：3458－3460.

［13］Lukas J，Gooβen，Ghosh K.A new practical ketone synthesis directly from carboxylic acids：First application of coupling reagents in palladium catalysis［J］.Chem Commun，2001，2001（20）：2084－2085.

［14］Smoum R，Rubinstein A，Srebnik M.Noncovalent inhibition of the serine proteases，a－chymotrypsin and trypsin by trifluoro（organo）borates［J］.Org Biomol Chem，2005，3（5）：941－944.

［15］Darses S，Michaud G，Gene J P.Potassium organotrifluoroborates：New partners in palladium－catalysed cross－coupling reactions［J］.Eur J Org Chem，1999，1999（8）：1875－1883.

［16］Dhimitruka I，Santalucia J Jr.Investigation of the Yamaguchi esterification mechanism.Synthesis of a Lux－S enzyme inhibitor using an improved esterification method［J］.Org Lett，2006，8（1）：47－50.

［17］Osborn J A，Wilkinson G.Tris（triphenyl－phosphine）halorhodium（I）［M］.Inorganic Syntheses，1967：67－71.