張占金,唐旭靜,李爭寧,陳會英
(1.大連民族大學 生命科學學院,遼寧 大連 116605;2.大連大學環境與化工學院,遼寧 大連 116600)
高效的以腙為配體銅催化的C-N交叉偶聯反應
張占金1,唐旭靜2,李爭寧2,陳會英1
(1.大連民族大學 生命科學學院,遼寧 大連 116605;2.大連大學環境與化工學院,遼寧 大連 116600)
開發了一種溫和、高效的以腙為配體的銅催化系統Cu2O/2-噻吩甲醛-N-甲基苯腙(4a)/Cs2CO3/DMSO,并在相對溫和的條件下,將該系統用于催化胺與芳鹵的交叉偶聯反應,表現了良好的催化活性。交叉偶聯反應的最大收率達到了80 %。實驗表明,該類配體是穩定的、價廉的且可從市場上得到的原料,易于通過簡單的方法進行制備。
胺;芳鹵;腙;C-N交叉偶聯
含有N-芳基組成部分的化合物可用于天然產物領域[1]、光學領域[2]及材料學領域[3]中,因此這類化合物的化學合成方法近年來引起了化學工作者的高度關注。鈀催化的Ullmann類型的偶聯反應是制備這類化合物的傳統方法,近年來得到了快速的發展[4-5]。然而從實際的效益看,在溫和條件下銅催化的反應顯然已成為規模化生產研究的焦點[6]。最近,人們研究了許多在溫和條件下用于催化胺化反應的配體,例如1,10-菲咯啉[7]、反式-1, 2-環己二胺[8]、乙二醇[9]、氨基酸[10]、NHC型配體[11]、1, 3-二酮[12]及其他類型含有氮和氧的配體[13-18]。然而,妨礙其應用的兩個重要因素是費用和可利用性,特別是一些配體的制備要經過繁瑣的多步合成反應。因此,發現更經濟、更高效的配體仍然迫在眉睫。鑒于此,我們一直致力于研究開發低成本及易于合成的配體,而且這些配體一般都是從廉價的起始原料,經過簡單的反應步驟制備。最近的突破是發展了分別用于脂肪胺及含氮雜環的交叉偶聯反應的配體[19]。在應用腙和肟配體于銅催化胺的N-芳基化反應中,結果發現不僅用Cu2O作催化劑前體時腙是高效的配體,而且該類配體是費用低的、容易制備的及在空氣中是穩定的。
1.1 設備及試劑
熔點的測定由YAZAWA微量熔點儀(未校正,北京泰克儀器有限公司)完成。1H NMR 和13C NMR 譜是以TMS作內標, 用Varian 核磁共振儀(400 MHz,美國瓦里安公司)測定。高分辨質譜(HRMS)的測定通過 Mariner 5303 (USA)高分辨質譜儀(美國應用生物系統公司)完成,乙腈作溶劑。
使用沸點范圍為60 ~90 ℃的石油醚。所有溶劑均按照標準方法進行干燥和脫氣。通過改變石油醚與乙酸乙酯的比例來實現洗脫液極性梯度的變化,直至將產物分開。
1.2 配體的合成
將H2N-R2(10 mmol)和甲苯(6 mL,R2為a)或三乙胺(6 mL,R2為b、c)加入到裝有磁攪拌子干燥的50 mL圓底燒瓶中。攪拌下滴加 R1-CHO(10 mmol)6 mL甲苯溶液。然后,攪拌下加熱反應混合物至85 ℃并維持24 h。冷卻到室溫后,加入4 mL乙醇至得到的混合物中。濾除固體,減壓下除去溶劑。用乙醇重結晶粗產物得到目標化合物。
1.3 偶聯反應
將Cu2O (14.4 mg,0.1 mmol)、Cs2CO3(977.5 mg,3 mmol)及配體4a (43.2 mg,0.2 mmol)加入到Schlenk瓶中。將Schlenk瓶抽空并置換成氬氣氛圍(重復5次)。室溫下加入DMSO (1 mL)、胺(1.5 mmol)和芳碘(1 mmol)。再次抽空置換Schlenk瓶成氬氣氛圍(重復5次)。在95 ℃并攪拌下加熱反應物36 h。冷卻到室溫,將4 mL乙酸乙酯和10 mL水加入到反應物中。分出有機層,水層進一步用乙酸乙酯萃取(4×10 mL)。合并后的有機相用飽和食鹽水洗滌,無水Na2SO4干燥。真空除去溶劑,以石油醚和乙酸乙酯混合物為洗脫液,剩余物進一步通過硅膠柱純化得到目標產物。
1.4 芳碘與胺類交叉偶聯反應數據
N-丁基苯胺:無色液體(0.1060 g,產率71 %)。1H NMR (400 MHz,CDCl3):δ7.29~7.28 (d,J= 5.9 Hz,2H),6.81~6.80 (d,J= 5.5 Hz,2H),6.71 (s,1H),3.67 (s,1H),3.19 (s,2H),1.69 (s,2H),1.54 (s,2H),1.08~1.07 (d,J= 6.6 Hz,3H)。HRMS (APCI) calcd for C10H16N (M+H+):150.1211,found:150.1284。
N-環己基苯胺:無色液體(0.1262 g,產率72 %)。1H NMR (400 MHz,CDCl3):δ7.23~7.22 (d,J= 4.0 Hz,2H),6.74~6.66 (d,J= 32.0 Hz,3H),3.59 (s,1H),3.32~3.31 (d,J= 3.3 Hz,1H),2.13 (s,2H),1.83~1.72 (d,J= 41.8 Hz 3H),1.52~1.01 (m,5H)。HRMS (APCI) calcd for C12H18N(M+H+):176.1368,found:176.1440。
N-芐基苯胺:白色固體(0.1319 g,產率72 %): m.p. 36~37 ℃。1H NMR (400 MHz,CDCl3):δ7.68~7.39 (m, 4H),7.33~7.28 (t,J= 6.7 Hz,3H),6.90~6.87 (t,J= 6.3 Hz,1H),6.78~6.76 (d,J= 6.8 Hz,2H),4.44 (s,2H),4.16 (s,1H)。HRMS (APCI) calcd for C13H14N(M+H+):184.1055,found:184.1128。
N-異丙基苯胺:無色液體(0.0933 g,產率69 %)。1H NMR (400 MHz,CDCl3):δ6.98~6.97 (d,J= 6.4 Hz,2H),6.59~6.55 (t,J= 7.1 Hz,1H),6.48~6.46 (d,J= 7.5 Hz,2H),3.61~3.42 (m,1H),3.31 (s,1H),1.10~1.09 (d,J= 5.8 Hz,6H)。1HRMS (APCI) calcd for C9H14N (M+H+):136.1047,found:136.1120。
N-叔丁基苯胺:淡黃色液體(0.1015 g,產率68 % )。1H NMR (400 MHz,CDCl3):δ7.36~7.26 (t,J= 7.5 Hz,2H),7.04~6.83 (m,3H),3.80 (s,1H),1.27 (s,9H)。 HRMS(APCI) calcd for C10H16N (M+H+):150.1204,found:150.1277。
N-環己基-4-甲基苯胺:無色液體(0.1268 g,產率67 % )。1H NMR (400 MHz,CDCl3):δ6.90~6.86 (d,J= 7.5 Hz,2H),6.45~6.43 (d,J= 7.4 Hz,2H),3.45 (br,1H),3.14~3.09 (t,J= 9.0 Hz,1H),2.13 (s,3H),1.97~1.94 (d,J= 11.9 Hz,2H),1.67~1.53 (m,3H),1.38~0.92 (m,5H)。HRMS (APCI) calcd for C13H20N (M+H+):190.1500,found:190.1592。
N-芐基-4-氰基苯胺:黃色固體(0.1562 g,產率75 % ):m.p. 72~73 ℃。1H NMR (400 MHz,CDCl3):δ7.51~7.46 (d,J= 8.9 Hz,2H),7.25~7.16 (m,5H),6.50~6.48 (d,J= 8.1 Hz,2H),4.53 (s,1H),4.28 (s,2H)。HRMS (APCI) calcd for C14H13N2(M+H+):209.0994,found:209.1067。
N-環己基-4-甲氧基苯胺:白色固體(0.1314 g,產率64 % )。m.p. 41~42 ℃。1H NMR (400 MHz,CDCl3):δ7.45~7.43 (d,J= 6.8 Hz,2H),6.57~6.56 (d,J= 6.8 Hz,2H),3.65 (s,3H),3.26 (s,1H),3.06 (s,1H),1.94~1.93 (d,J= 11.2 Hz,2H),1.66~1.53 (m,3H),1.36~0.91 (m,5H)。HRMS (APCI) calcd for C13H20NO (M+H+):206.1466,found:206.1538。
N-苯基吡咯烷:無色液體(0.1089 g,產率74 %)。1H NMR (400 MHz,CDCl3):δ7.14~7.11 (m,2H),6.57 (s,1H),6.48~6.47 (d,J= 6.1 Hz,2H),3.17 (s,4H),1.89 (s,4H)。HRMS (APCI) calcd for C10H14N (M+H+):148.1057,found:148.1130。
N-(4-甲氧苯基)吡咯烷:白色固體(0.1152,產率65 % )。m.p. 42~43 ℃。1H NMR (400 MHz,CDCl3):δ6.77~6.75 (d,J= 7.6 Hz,2H),6.48~6.46 (d,J= 7.3 Hz,2H),3.69~3.67 (d,J= 9.2 Hz,3H),3.15 (s,4H),1.90 (s,4H)。HRMS (APCI) calcd for C11H16NO (M+H+):178.1164,found:178.1237。
N-甲基-N-苯基哌嗪:無色液體(0.1234 g,產率70 % )。1H NMR (400 MHz,CDCl3):δ7.28~7.25 (t,J= 5.9 Hz,2H),7.03~6.89 (m,2H),6.88~6.85 (t,J= 6.4 Hz,1H),3.21 (s,4H),2.58 (s,4H),2.35 (s,3H)。HRMS (APCI) calcd for C11H17N2(M+H+):177.1300,found:177.1403。
N-苯基嗎啉:白色固體(0.1224 g,產率75 % )。m.p. 51~52 ℃。1H NMR (400 MHz,CDCl3):δ7.33~7.31 (d,J= 6.7 Hz,2H),6.96~6.94 (d,J= 7.5 Hz,3H),3.89 (s,4H),3.19 (s,4H)。HRMS (APCI) calcd for C10H14NO (M+H+):164.1001,found:164.1073。
N-苯基-3, 5-二甲基嗎啉:無色液體(0.1377 g,產率72 % )。1H NMR (400 MHz,CDCl3):δ7.33~7.30 (t,J= 6.6 Hz,2H),7.13~6.68 (m,3H),4.20~4.19 (d,J= 2.7 Hz,1H),3.86~3.85 (d,J= 1.9 Hz,1H),3.50~3.48 (d,J= 11.7 Hz,1H),3.25~3.22 (d,J= 11.6 Hz,1H),2.93~2.91 (m,1H),2.48~2.42 (t,J= 10.8 Hz,1H),1.37~1.30 (m,6H)。HRMS (APCI) calcd for C12H18NO (M+H+):192.1324,found:192.1397。
N-(4-氰苯基)嗎啉:白色固體(0.1506 g,產率80 %)。m.p. 75~76 ℃。1H NMR (400 MHz,CDCl3):δ7.52~7.50 (d,J= 8.2 Hz,2H),6.89~6.87 (d,J= 8.2 Hz,2H),3.86 (s,4H),3.28 (s,4H)。HRMS (APCI) calcd for C11H13N2O (M+H+):189.0900,found:189.1013。
N-(4-甲苯基)嗎啉:白色固體(0.1223 g,產率69 % )。m.p. 40~42 ℃。1H NMR (400 MHz,CDCl3):δ7.03~7.02 (d,J= 5.4 Hz,2H),6.79 (s,2H),3.80 (s,4H),3.05 (s,4H),2.21 (s,3H)。HRMS (APCI) calcd for C11H16NO (M+H+):178.1200,found:178.1233。
N-(4-甲氧苯基)嗎啉:白色固體(0.1275 g,產率66 %)。m.p. 66~67 ℃。1H NMR (400 MHz,CDCl3):δ7.04~6.72 (m,4H),3.88 (s,4H),3.77 (s,3H),3.07 (s,4H)。HRMS (APCI) calcd for C11H16NO2(M+H+):194.1106,found:194.1179。
N-苯基吲哚:無色液體(0.1236 g,產率64 %)。1H NMR (400 MHz,CDCl3):δ7.83 (s,1H),7.57~7.55 (d,J= 7.4 Hz,2H),7.21~7.20 (d,J= 7.7 Hz,2H),7.12~6.86 (m,4H),6.44 (s,2H)。HRMS (APCI) calcd for C14H12N (M+H+):194.0900,found:194.0937。
1.5 含氮雜芳環與胺類交叉偶聯反應數據
5-(環己胺-N-基)嘧啶:白色固體(0.1205 g,產率68 %)。m.p. 106~107 ℃。1H NMR (400 MHz,CDCl3):δ8.48 (s,1H),8.04 (s,2H),3.60 (s,1H),3.21 (s,1H),2.00 (s,2H),1.70~1.60 (d,J= 29.3 Hz,3H),1.38~0.95 (m,5H)。 HRMS (APCI) calcd for C10H16N3(M+H+):178.1272,found:178.1345。
5-(芐胺-N-基)嘧啶:白色固體(0.1278 g,產率69 %)。m.p. 98~99 ℃。1H NMR (400 MHz,CDCl3):δ8.49 (s,1H),8.02 (s,2H),7.34~7.18 (m,5H),4.38 (s,1H),4.25 (s,2H)。HRMS (APCI) calcd for C11H12N3(M+H+):186.1000,found:186.1022。
5-(吡咯烷-1-基)嘧啶:無色液體(0.1000 g,67 % )。1H NMR (400 MHz,CDCl3):δ8.54 (s,1H),8.05 (s,2H),3.30 (s,4H),2.04 (s,4H)。HRMS (APCI) calcd for C8H12N3(M+H+):150.0957,found:150.1029。
5-(嗎啉-1-基)嘧啶:無色液體(0.1173 g,產率71 % )。1H NMR (400 MHz,CDCl3):δ8.55 (s,1H),7.99 (s,2H),4.77 (s,4H),3.62 (s,4H)。HRMS (APCI) calcd for C8H12N3O (M+H+):166.0893,found:166.0966。
2-(吡咯烷-N-基)吡啶:無色液體(0.0934 g,產率63 % )。1H NMR (400 MHz,CDCl3):δ8.13 (s,1H),7.40~7.38 (d,J= 7.0 Hz,1H),6.47 (s,1H),6.32~6.30 (d,J= 7.9 Hz,1H),3.41 (s,4H),1.97~1.96 (d,J= 1.9 Hz,4H)。HRMS (APCI) calcd for C9H13N2(M+H+):149.1013,found:149.1086。
2-(嗎啉-N-基)吡啶:無色液體 (0.1084 g,產率66 % )。1H NMR (400 MHz,CDCl3):δ8.16~8.15 (d,J= 1.9 Hz,1H),7.48~7.44 (m,1H),6.61~6.58 (t,J= 7.2 Hz,2H),3.77 (s,4H),3.45 (s,4H)。HRMS (APCI) calcd for C9H13N2O (M+H+):165.0959,found:165.1031。
2-(環己胺-N-基)吡啶:白色固體(0.1146 g,產率65 %)。m.p. 100~101 ℃。1H NMR (400 MHz,CDCl3):δ8.37 (s,1H),8.03 (s,1H),6.51 (s,1H),6.37~6.35 (d,J= 8.2 Hz,1H),4.59 (s,1H),3.51~3.50 (d,J= 4.5 Hz,1H),2.04~2.01 (d,J= 11.8 Hz,2H),1.76~1.61 (m,3H),1.43~1.34 (m,2H),1.28~1.06 (m,3H)。HRMS (APCI) calcd for C11H17N2(M+H+):177.1323,found:177.1396。
2-(芐胺-N-基)吡啶:白色固體(0.1271 g,產率69 % )。m.p. 82~83 ℃。1H NMR (400 MHz,CDCl3):δ8.16~8.15 (d,J= 6.7 Hz,1H),7.65~7.49 (m,5H),6.72~6.69 (t,J= 6.5 Hz,1H),6.55~6.46 (m,1H),5.30 (s,1H),4.74 (s,2H)。HRMS (APCI) calcd for C12H13N2(M+H+):185.1001,found:185.1074。
腙及肟配體的合成如圖1。腙和肟配體1b、2a、3b、4a、4b、4c、5a、5b及5c可以通過簡單的一步反應,由廉價、易得的苯肼(取代苯肼)、羥胺及相應的芳甲醛(雜環芳甲醛)以優良的分離收率合成。利用萃取和重結晶而不是使用復雜的分離過程得到配體,并且該類配體數周內在空氣中可穩定存在。
在初步的配體篩選實驗中,K3PO4作為堿,在95 ℃及CuBr存在下,使用碘苯與嗎啉在DMSO中的偶聯反應作為模板反應。合成的腙和肟分別用于碘苯和嗎啉的偶聯反應中,所得交叉偶聯反應的結果如圖2。

圖2 銅催化嗎啉的N-芳基化反應:配體的篩選
反應條件:CuBr (0.1 mmol),配體 (0.2 mmol),PhI (1.0 mmol),嗎啉 (1.5 mmol),K3PO4(3 mmol),DMSO (1 mL),95 ℃,36 h
2-呋喃甲醛苯腙和2-噻吩甲醛苯腙配體上的氧和硫對配體活性的影響幾乎沒有差別。而使用2-吡啶苯腙配體,偶聯反應的產率較低。對于2-噻吩甲醛苯腙配體,觀察到了較高的分離收率。使用4a配體得到40 %最好產率,這可能與配體氮原子所連的甲基有關。因此,為了進一步篩選配體,又測定了4c,5a和5c的活性。不幸的是使用4c作為配體,得到了更低的結果。
為了達到有效偶聯反應的目的,通常選擇合適的堿、溶劑及銅源是非常重要的。因此,使用上述已篩選出的配體,對堿、溶劑及銅源進行了優化,所得結果見表1。
表1 用于嗎啉N-芳基化反應的堿、溶劑及銅源的篩選a


序號Cu(I)堿溶劑收率(%)b1CuBrK3PO4DMSO402CuBrK2CO3DMSO163CuBrKOHDMSO364CuBrKOButDMSO635CuBrNaOButDMSO186CuBrCs2CO3DMSO727CuBrNEt3DMSO88CuBrCs2CO3DMF339CuBrCs2CO3Dioxane2010CuBrCs2CO3Toluene1911CuBrCs2CO3CH3CN2112CuBrCs2CO3THF2513CuClCs2CO3DMSO3414CuICs2CO3DMSO5815Cu2OCs2CO3DMSO7516CuCNCs2CO3DMSO2417cCu2OCs2CO3DMSO418d-Cs2CO3DMSO3
注:a為反應條件:Cu(I) (0.1 mmol),4a (0.2 mmol),PhI (1.0 mmol),嗎啉 (1.5 mmol),堿 (3 mmol),溶劑 (1 mL),95 ℃,36 h;b為分離收率;c為沒有使用配體;d為沒有使用銅源。
從表1可以看出,通常使用的堿,如K3PO4、K2CO3、KOH、KOBut、NaOBut、Cs2CO3及 NEt3對偶聯反應有不同的影響(序號1-7),其中Cs2CO3最好(序號6)。其次,KOBut也可供選擇(序號4)。當使用有機堿 NEt3時,僅僅得到了8 %的分離收率(序號7)。使用 Cs2CO3作為堿,測定溶劑影響的研究表明:模板反應在溶劑DMSO中能高效進行(序號6),而在其他所選用的溶劑中,反應效率較低(序號8-12)。因此,選擇DMSO作為接下來實驗的溶劑。在銅源檢測中,發現空氣中穩定的、廉價的 Cu2O是更有效的銅源(序號15)。而在沒有配體只有銅源或只有銅源沒有配體的情況下,僅僅觀察到了很低的產率(序號17-18)。通過篩選實驗得到的最佳催化系統為:Cu2O/2-噻吩甲醛-N-甲基苯腙(4a)/Cs2CO3/DMSO。
為了進一步考查銅催化的芳碘與胺的交叉偶聯反應,擴展催化系統Cu2O/2-噻吩甲醛-N-甲基苯腙(4a)/Cs2CO3/DMSO至其他的伯胺、仲胺與芳碘類化合物的交叉偶聯反應(見表2)、5-溴嘧啶及2-溴吡啶的交叉偶聯反應(見表3)。
表2 銅催化的芳碘與胺的偶聯反應a

注:a為反應條件:Cu2O(0.1 mmol),4a (0.2 mmol),芳鹵(1.0 mmol), 胺(1.5 mmol),Cs2CO3(3 mmol),在DMSO (1 mL)中,95 ℃,36 h;b為分離收率。
由表2可看出,篩選出的Cu2O/2-噻吩甲醛-N-甲基苯腙(4a)/DMSO/Cs2CO3可作為脂肪伯胺、仲胺與芳碘偶聯反應的最佳催化系統。首先,采用伯胺作為試劑,觀察到了優良的分離收率(表3 序號 1-8)。反應能夠忍耐像氰基、甲氧基等官能團(序號 5-8)。對于取代芳碘,觀察到了電子效應的明顯影響。對含有吸電子基的芳碘,得到了相對較高的收率(序號 2,5,序號 3,6)。對含有供電子基的芳碘,得到了相對較低的分離收率(序號 2,7)。其次,選用仲胺作試劑,得到了可觀的分離收率(序號 9-17)。同樣,反應也能夠容忍像氰基及甲氧基等活性基團(序號 10,14~16)。吸電子及供電子基(序號 12,14,序號 12,16)對芳碘偶聯反應產率的影響與伯胺的芳基化相似。
表3 銅催化的含氮雜芳環與胺的偶聯反應a

注:a為反應條件:Cu2O(0.2 mmol),4a (0.4 mmol),芳鹵(1.0 mmol),胺(1.5 mmol),和Cs2CO3(3 mmol),在DMSO (1 mL)中,95 ℃,48 h;b為分離收率。
接下來,將Cu2O/2-噻吩甲醛-N-甲基苯腙(4a)/DMSO/Cs2CO3作為催化系統用于脂肪胺與N-雜環芳烴的偶聯反應。如表3所示,當Cu2O和配體的量加倍后,8種N-雜環化合物能有效地轉化為所要求的產物。5-溴嘧啶與4種胺的偶聯反應能夠平穩進行(序號 1-4)。得到了良好的分離收率,但所得結果稍有差別。2-溴吡啶也能成功地與某些胺類進行偶聯反應(序號 5-8)。
如上所述,發展了一種溫和的、高效的胺與芳鹵的N-芳基化反應的銅催化系統Cu2O/2-噻吩甲醛-N-甲基苯腙(4a)/DMSO/Cs2CO3。腙配體通過簡單、有效的方法,使用廉價易得的起始原料合成,使其具有價廉、穩定的特點。盡管該催化系統僅限于高活性芳鹵的C-N偶聯反應,但這也不妨礙它們在某些情況下具有一定的、潛在的應用價值,同時也代表了簡單、價廉催化系統的實際發展趨勢。進一步的研究正在進行中。
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(責任編輯 鄒永紅)
Highly Efficient Copper-Catalyzed C-N Cross Coupling Reaction Using Hydrazone as Ligand
ZHANG Zhan-jin1, TANG Xu-jing2, LI Zheng-ning2, CHEN Hui-ying1
(1.School of Life Science, Dalian Minzu University, Dalian Liaoning 116605, China; 2.College of Environmental and Chemical Engineering, Dalian University, Dalian Liaoning 116600, China)
A mild and highly efficient copper-catalyzed system, i.e, Cu2O/2-thiophenolaldehyde-N-methyl phenyl hydrazone (4a)/Cs2CO3/DMSO for cross coupling reaction of amines with aryl halides using hydrazone as ligand was developed and good catalytic activity was revealed. The reactions were carried out under relatively mild condition. The optimal yield reached to 80% for cross coupling reactions. It was showed that hydrazone ligands were stable, low-cost and easily prepared from inexpensive, commercially available starting materials using a simple, efficient method.
amine; arylhalide; hydrazone; C-N cross coupling
2016-09-28;最后
2016-11-21
張占金(1959-),男,遼寧朝陽人,教授,博士,主要從事有機合成,均相催化研究。
2096-1383(2017)01-0014-07
O625.41
A