Pd(OAc)2/TBAB催化卤代芳烃与末端炔烃的Sonogashira交叉偶联反应研究

陶李明， 刘文奇， 周 芸

(湘南学院 化学与生命科学系，湖南 郴州 423000)

芳炔和共轭烯炔是合成天然产物、生物活性分子和有机分子材料的重要前体，钯催化sp2型碳卤化物与末端炔烃之间的Sonogashira交联偶联反应是合成芳炔和共轭烯炔常用的方法之一[1～6]。该反应常需要加入膦配体稳定钯催化剂以及碘化亚铜促进反应的进行，并在过量的胺中进行反应。但大多数膦配体对空气和水敏感，碘化亚铜用作助催化剂的同时又促使末端炔烃自身Glaser偶联反应的发生，加大副反应的程度导致成本提高。因此，研究无铜、无配体的催化剂对Sonogashira交联偶联反应具有重要意义。

本文报道一种无铜[7～10]、无配体[11]、水系[12，13]下，可回收利用的催化体系[Pd(OAc)2/TBAB(四丁基溴化铵)]催化卤代芳烃(1a～1d或2a～2d)与末端炔烃(3a～3c)的Sonogashira反应方法，合成了一系列偶联产物(4a～4h和5a～5c， Scheme 1)，其结构经1H NMR和13C NMR表征。研究了Pd(OAc)2/TBAB的重复回收使用情况。

1 实验部分

1．1 仪器与试剂

Varian-400型或Bruker DPX-300型核磁共振仪(CDCl3为溶剂)。所用试剂均为分析纯。

(or

Scheme1

1．2 合成

在25 mL的Schlenk反应瓶中加入1(或2)0.50 mmol， 3 0.60 mmol， Pd(OAc)23 mol%， Cs2CO32 eq， TBAB 1.5 g和H2O 15 mg，氩气氛中于120 ℃左右反应(TLC跟踪)。用乙醚(3×10 mL)萃取，合并有机相，减压浓缩，粗品经硅胶柱层析[洗脱剂：V(正己烷) ∶V(乙酸乙脂)=1 ∶4]纯化得4。

苯基对甲氧基苯基乙炔(4a)： 白色固体；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。

苯基对硝基苯基乙炔(4b)： 黄色固体；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。

苯基对甲苯基乙炔(4c)： 白色固体；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)： 白色固体；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。

正辛基对甲氧基苯基乙炔(4e)： 白色固体；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。

正辛基对硝基苯基乙炔(4f)： 黄色固体；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。

正辛基对甲苯基乙炔(4g)： 白色固体；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-对硝基苯基-2-丙炔-1-醇(4h)： 黄色固体；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 结果与讨论

2.1 Sonogashira交叉偶联反应条件选择

以对甲氧基碘苯(1a)与苯乙炔(3a)反应合成4a为模板，寻找Sonogashira交叉偶联反应的最佳反应条件，实验结果见表1。由表1可见，1a与3a在Pd(OAc)2和Cs2CO3的催化作用下，反应中不加水，只加TBAB，虽然可以发生Sonogashira交叉偶联反应，但产物3a的产率很低(Entry 1)；增加水的用量，产率相应升高，当水的用量增加到1wt%时，反应5 h产率可提高到93%(Entry 3)；继续增加水的用量，产率末见升高反而有略下降(Entry 4)，说明水的用量对反应有较大的影响。

表1 对甲氧基碘苯与苯乙炔的Sonogashira交叉偶联反应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作为相转移催化剂，促进了有机反应物之间的互溶，同时还起着稳定和提高钯催化活性的作用[14]，使反应朝着预定的方向进行。由表1还可见，反应中如果没有TBAB的参与，反应不理想(Entry 5)，随着TBAB用量的增加，反应时间缩短，产率升高(Entry 6)，当TBAB的用量为1.5 g时，反应最佳(Entry 3)，继续增加TBAB的用量，产率未见明显变化(Entry 7)。

在TBAB/H2O中，分别以Pd(OAc)2， Pd/C， PdCl2， Pd(dba)2和PdCl2(PPh3)2等为催化剂，考察其催化活性，结果(表1)表明，Pd(OAc)2是最有效的催化剂，反应只需5 h产率可达到93%(Entry 3， Entry 8～Entry 11)，其他催化剂的催化效果均不及Pd(OAc)2。碱对该反应影响也比较大(Entry 12～Entry 15)，在Pd(OAc)2和TBAB/H2O的作用下，反应中以Cs2CO3为碱比K2CO3， NaOAc， Na3PO4和NEt3为碱表现出更明显的优势，并且在Cs2CO3以2 eq于1a的量时反应达到最优(Entry 3)。此外，相同的条件下，在反应中添加PPh3配体，但配体的加入对反应无明显作用(Entry 16)。实验结果表明在TBAB(1.5 g)/H2O(1wt%)体系中，Pd(OAc)2/Cs2CO3是最佳的催化组合。

反应温度较低时反应时间长，转化率也相对较低，该反应比较适宜的反应温度120 ℃左右(Entry 3, Entry 17～Entry 18)。

综上所述，1a与3a反应合成4a的最佳Sonogashira交叉偶联反应条件为：1a0.5 mmol，3a0.6 mmol， Pd(OAc)23 mol%， Cs2CO32 eq， TBAB 1.5 g， H2O 15 mg，氩气氛中于120 ℃反应。

2.2 其它底物的反应结果

表2 在最优反应条件下的扩展底物的实验结果*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%，氩气氛中于120 ℃反应；括号内数据为3a分别与2a～2c反应的结果

根据1a与3a反应合成4a的反应结果，在最优化的条件下对其它卤代芳烃与末端炔烃进行反应，结果见表2。由表2可见，在TBAB/H2O体系中，在Pd(OAc)2/Cs2CO3的催化作用下，许多卤代芳烃与末端炔烃都能顺利地反应并得到中等到高产率的相应的Sonogashira交叉偶联反应产物。其中碘代芳烃的芳环上所连的基团不论是斥电子基团还是吸电子基团，都能与末端炔烃反应得到高产率的产物(4b～4h)；溴代芳烃与末端炔烃也可以反应得到相应的中等产率的产物(括号内数据)。

2.3 催化体系重复使用研究

分别以1a,1c与3a反应为模型，考察催化体系的重复使用效果[第一次反应完成后，用乙醚萃取产物，将含有Pd(OAc)2和TBAB的混合物在真空中冷却浓缩凝固，再加上相同量的反应底物和Cs2CO3进行下一轮的反应]，结果见表3。从表3可见，经过三次循环使用后，催化剂仍然有很高的催化活性，而且在反应后几乎观察不到有钯黑的生成，可见在该反应体系中，催化剂能够稳定存在，可分离并回收使用。

表3 催化体系的重复使用*Table 3 Reusable of Pd(OAc)2/TBAB system

*反应条件同表2；分离产率

3 结论

研究了无铜、无配体、可回收利用的催化体系[Pd(OAc)2-Ce2CO3-TBAB-H2O]催化卤代芳烃与末端炔烃的Sonogashira交叉偶联反应，高产率地合成了一系列偶联产物。催化实验结果表明，该催化体系可回收重复使用3次，催化活性基本不变。

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