毛金山，連 暢，邱 頔

（1.天津師范大學化學學院，天津300387；2.天津師范大學無機-有機雜化功能材料化學教育部重點實驗室，天津300387；3.天津師范大學天津市功能分子結構與性能重點實驗室，天津300387）

芳基錫化合物，特別是高活性的芳基三甲基錫試劑，在有機合成化學及其他研究領域具有重要的應用價值[1-5].其中，采用有機錫試劑作為偶聯組分的鈀催化的交叉偶聯反應，即Stille 偶聯反應，在有機合成中被廣泛應用于構建多種類型的C—C 鍵[6-8]，該方法已成為一種高效的構筑生物活性分子[9]以及實現復雜天然產物全合成[10]的重要方法和策略.除了可以高效普遍地構筑C—C 鍵之外，芳基三烷基錫還被用來進行一系列的官能團轉化，通過C—Sn 鍵的斷裂在芳香環(huán)上引入C—B、C—N、C—F 和C—OCF3等官能團[11-15].合成芳基三烷基錫化合物的方法主要有：①通過芳基金屬試劑，如格氏試劑、鋰試劑、鋅試劑，直接和三烷基氯化錫發(fā)生親核取代過程而獲得，該方法是最經典和傳統(tǒng)的合成芳基錫的途徑[16-17]；②以芳基鹵化物、酚類衍生物或者芳基季銨鹽為原料，通過和三烷基錫負離子的自由基親核取代反應來合成芳基三烷基錫化合物[18]；③過渡金屬催化的芳基鹵化物或者類鹵素與聯錫烷進行交叉偶聯反應[19-22]；④無過渡金屬參與的芳香胺經由重氮化過程與聯錫烷的類Sandmeyer 反應[23-24].這些途徑分別從不同類型的芳香底物出發(fā)，高效制備芳基三烷基錫.近年來，芳基錫的合成研究也不斷被報道.如Yue 等[25]利用鎳催化的芳香羧酸酯的錫化反應合成了芳基錫；Zhao 等[26]基于芳基硫鎓鹽的SNAr反應合成了芳基錫；Kayumov 等[27]基于鈀催化的芳基?；锏拿擊驶a化反應合成了芳基錫烷；Lian 等[28]基于鈀催化的芳香亞磺酸鈉的脫硫錫化反應合成了芳基錫.

2019 年，本課題組首次報道了可見光催化條件下無光敏劑參與的芳基三甲基錫烷的合成[29].該反應選擇芳香偶氮砜化合物作為一種新型的芳基自由基前體，無需昂貴的過渡金屬或者有機光敏劑的參與，在可見光的照射下直接發(fā)生化學鍵的均裂產生芳基自由基，進一步與聯錫試劑通過自由基反應途徑實現芳香碳錫鍵的構筑.與芳香胺和芳基重氮鹽相比，偶氮砜作為前體具有更好的官能團容忍性，給電子取代基的存在不影響反應結果，并且雜環(huán)也能夠給出較高的產率.該工作為可見光催化的經由自由基中間體合成芳基三甲基錫烷提供了新思路.

鑒于芳基三甲基錫烷在有機合成中的重要性和應用價值，芳基三甲基錫化合物的譜學表征和快速結構鑒定成為有機錫化學的一個重要且關鍵的技術.從結構鑒定的角度看，某個取代基對于苯環(huán)中各位置的化學位移影響是該取代基基礎且重要的核磁共振參數.常見的烷基、鹵素、含氮和含氧基團的取代基化學位移變化參數已列入了教材和參考書[30-31]. Bruns 等[32]和Qiu 等[33]報道了硼酸、硼酸頻哪醇酯作為取代基時芳香環(huán)的核磁共振氫譜和碳譜化學位移變化，這些研究為芳香硼化合物的合成與結構表征提供了重要的譜學參考依據.

芳香錫化合物的核磁共振化學位移變化規(guī)律的研究未見文獻報道.本課題組采用核磁共振氫譜和碳譜的測試方法，通過研究三甲基苯基錫烷化合物在氘代氯仿的核磁共振氫譜和碳譜數據，發(fā)現了三甲基錫基（-SnMe3）對于芳香環(huán)各位置的化學位移變化的規(guī)律.研究結果可用以評估和預測官能化的苯基錫化合物的化學位移.

1 材料與方法

1.1 儀器與試劑

儀器：400 MHz 核磁共振波譜儀，CDCl3為溶劑，四甲基硅烷（TMS）為內標，德國Bruker 公司.

試劑：所用溶劑（1，2-二氯乙烷、石油醚、乙酸乙酯）由天津化學試劑六廠生產，其他化學藥品均采購于安耐吉化學有限公司和天津希恩思生化科技有限公司.所有試劑均為分析純級.

1.2 實驗方法

芳香胺、亞硝酸叔丁酯與六甲基二錫烷合成取代芳基三甲基錫烷的化學反應如圖1 所示.

圖1 芳基三甲基錫烷的合成路線Fig.1 Synthetic route of aryl trimethylstannanes

取代的苯基三甲基錫烷的通用合成方法[23]：氮氣保護條件下，在10 mL 反應管中加入0.3 mmol 芳香胺衍生物和0.36 mmol 一水合對甲苯磺酸（TsOH）.氮氣保護下脫氣3 次后，依次加入溶劑1，2-二氯乙烷（DCE，1.5 mL）、亞硝酸叔丁酯（t-BuONO，0.6 mmol）和六甲基二錫烷（（SnMe3）2，0.33 mmol）.反應體系在0 ℃下攪拌4 h. 經減壓旋干溶劑得到粗產品，經過柱層析分離，用石油醚與乙酸乙酯的體積比為100 ∶1 ～5 ∶1 的混和液洗脫，得到目標產物芳基三甲基錫烷1～22.

1.3 芳基三甲基錫烷的結構表征

使用400 MHz 核磁共振波譜儀，以CDCl3為溶劑，測定合成的22 種取代的苯基三甲基錫烷的1H NMR 和13C NMR譜.

1：產率53%，無色液體.1H NMR（400 MHz，CDCl3）δ 7.50～7.48（m，2H），7.35～7.30（m，3H），0.28（s，9H）；13CNMR（100 MHz，CDCl3）δ142.2，135.8，128.2，128.0，-9.6.[16]

2：產率76%，淡黃液體.1H NMR（400 MHz，CDCl3）δ 7.98（d，J=7.2 Hz，2H），7.57（d，J=7.2 Hz，2H），4.37（q，J=6.7 Hz，2H），1.39（t，J=6.7 Hz，3H），0.31（s，9H）；13C NMR（100 MHz，CDCl3）δ 166.9，149.4，135.7，130.2，128.5，60.9，14.4，-9.5；IR（film）：2982，1717，1276，1110，1066，908，753，731 cm-1；HRMS （ESI）calcd forSn[M+H]+315.04033；found 315.03995.

3：產率86%，淡黃液體.1H NMR（400 MHz，CDCl3）δ 8.14（d，J=8.4 Hz，2H），7.67（d，J=8.4 Hz，2H），0.36（s，9H）；13C NMR（100 MHz，CDCl3）δ 153.1，148.1，136.4，122.0，-9.4.[17]

4：產率45%，無色液體.1H NMR（400 MHz，CDCl3）δ 7.41～7.38（m，1H），7.31（dt，J=1.6，8.0 Hz，1H），7.13（t，J=7.2Hz，1H），7.00（t，J=7.5Hz，1H），0.34（s，9H）；13C NMR（100 MHz，CDCl3）δ 167.4（d，J = 235 Hz），136.7（d，J=15.0 Hz），130.6（d，J=7.4 Hz），127.1（d，J=44.0 Hz），124.2，114.2（d，J=27.6 Hz），-9.2.[29]

5：產率61%，無色液體.1H NMR（400 MHz，CDCl3）δ 7.32（m，2H），7.21（m，1H），7.13（d，J=7.2 Hz，1H），2.34（s，3H），0.28（s，9H）；13C NMR（100 MHz，CDCl3）δ142.1，137.4，136.5，132.8，128.9，127.9，21.5，-9.6.[23]

6：產率74%，無色液體.1H NMR（400 MHz，CDCl3）δ 7.23（dd，J=7.2，8.1 Hz，1H），7.07（d，J=7.2 Hz，1H），7.02（m，1H），6.85（dd，J = 2.0，8.1 Hz，1H），3.85（s，3H），0.33（s，9H）；13C NMR（100 MHz，CDCl3）δ 159.1，143.7，129.0，128.0，121.4，113.4，55.0，-9.6.[29]

7：產率52%，黃色液體.1H NMR（400 MHz，CDCl3）δ 7.76（d，J=7.5 Hz，2H），7.51（d，J=7.6 Hz，2H），1.34（s，12H），0.28（s，9H）；13C NMR（100 MHz，CDCl3）δ 146.6，135.2，134.0，83.6，24.8，-9.6；IR（film）：2980，1594，1359，1144，1056，908，859，732 cm-1；HRMS（ESI）calcdforC15H25BNaO2120Sn[M+Na]+391.08666；found 391.08707.

8：產率49%，無色液體.1H NMR（400 MHz，CDCl3）δ 7.44（dd，J=6.5，8.3 Hz，2H），7.05（dd，J=8.6，9.3 Hz，2H），0.28（s，9H）；13C NMR（100 MHz，CDCl3）δ 163.3（d，J=246.5 Hz），137.3（d，J=6.7 Hz），137.1（d，J=4.4 Hz），115.2（d，J=19.1 Hz），-9.4.[23]

9：產率50%，無色液體.1H NMR（400 MHz，CDCl3）δ 7.41（d，J=8.0 Hz，2H），7.31（d，J=8.0 Hz，2H），0.29（s，9H）；13C NMR（100 MHz，CDCl3）δ 140.3，137.0，134.5，128.1，-9.4.[23]

10：產率51%，淡黃液體.1H NMR（400 MHz，CDCl3）δ 7.47（d，J=7.7 Hz，2H），7.34（d，J=7.8 Hz，2H），0.29（s，9H）；13C NMR（100 MHz，CDCl3）δ 140.9，137.3，131.0，123.0，-9.4.[23]

11：產率53%，無色液體.1H NMR（400 MHz，CDCl3）δ 7.39（d，J=7.5 Hz，2H），7.17（d，J=7.5 Hz，2H），2.34（s，3H），0.27（s，9H）；13C NMR（100 MHz，CDCl3）δ 138.2，138.0，135.8，128.9，21.4，-9.5.[29]

12：產率49%，淡黃液體.1H NMR（400 MHz，CDCl3）δ 7.41（d，J=8.4 Hz，2H），6.92（d，J=8.4 Hz，2H），3.80（s，3H），0.26（s，9H）；13C NMR（100 MHz，CDCl3）δ 159.9，136.9，132.4，114.0，55.0，-9.5.[24]

13：產率48%，淡黃液體.1H NMR（400 MHz，CDCl3）δ 10.00（s，1H），7.81（d，J=7.9 Hz，2H），7.68（d，J=7.9 Hz，2H），0.34（s，9H）；13C NMR（100 MHz，CDCl3）δ 192.8，152.5，136.4，136.1，128.6，-9.5.[22]

14：產率60%，無色液體.1H NMR（400 MHz，CDCl3）δ 7.89（d，J=7.9 Hz，2H），7.61（d，J=7.9Hz，2H），2.60（s，3H），0.32（s，9H）；13C NMR（100 MHz，CDCl3）δ 198.4，150.1，136.7，135.9，127.1，26.5，-9.5.[21]

15：產率60%，淡黃液體.1H NMR（400 MHz，CDCl3）δ 7.40（d，J=8.1 Hz，2H），7.24（d，J=8.0 Hz，2H），2.47（s，3H），0.28（s，9H）；13C NMR（100 MHz，CDCl3）δ 138.6，138.1，136.1，126.1，15.6，-9.5.[25]

16：產率55%，無色液體.1H NMR（400 MHz，CDCl3）δ 7.61～7.56（m，4H），0.33（s，9H）；13C NMR（100 MHz，CDCl3）δ 150.2，136.2，130.7，119.0，111.7，-9.5.[23]

17：產率64%，無色液體.1H NMR（400 MHz，CDCl3）δ 7.51（d，J=1.0 Hz，1H），7.39（d，J=7.7 Hz，1H），7.28（dd，J=1.0，7.7 Hz，1H），0.31（s，9H）；13C NMR（100 MHz，CDCl3）δ 142.8，137.2，134.8，132.5，132.4，130.0，-9.4.[29]

18：產率36%，淡黃液體.1H NMR（400 MHz，CDCl3）δ 6.97（s，2H），6.72（t，J=9.3 Hz，1H），0.32（s，9H）；13C NMR（100 MHz，CDCl3）δ 162.7（dd，J=9.9，253.9 Hz），146.9，117.58（dd，J=4.9，15.6Hz），103.53（t，J=24.9 Hz），-9.4.[21]

19：產率59%，淡黃液體.1H NMR（400 MHz，CDCl3）δ 7.90（s，1H），7.59（d，J=7.8 Hz，1H），7.49（d，J=7.8 Hz，1H），0.36（s，9H）；13C NMR（100 MHz，CDCl3）δ 147.8，143.5，140.2，131.8，130.9，126.7，-9.2；IR（film）：1577，1530，1352，1140，1048，907，773，731 cm-1；HRMS （ESI）calcd for[M+Na]+343.94651；found 343.94753.

20：產率52%，黃色油滴.1H NMR（400 MHz，CDCl3）δ 7.81（dd，J=1.8，7.7 Hz，1H），7.59（d，J=1.6 Hz，1H），7.50（d，J=7.7 Hz，1H），3.89（s，3H），0.32（s，9H）；13C NMR（100 MHz，CDCl3）δ 164.3，150.0，141.0，136.5，115.6，103.2，55.8，-9.1.[29]

21：產率61%，橙色液體.1H NMR（400 MHz，CDCl3）δ 7.93～7.91（m，2H），7.87（d，J = 8.0 Hz，2H），7.65（d，J=8.1 Hz，2H），7.53～7.49（m，3H），0.34（s，9H）；13C NMR（100 MHz，CDCl3）δ 152.7，152.6，147.1，136.4，130.8，129.0，122.8，121.9，-9.4；IR（film）：2980，1482，1381，1067，1013，907，766，732 cm-1；HRMS（ESI）calcd for[M+H]+347.05671；found 347.00250.

22：產率45%，淡黃液體.1H NMR（400 MHz，CDCl3）δ 7.67～7.65（m，1H），7.58～7.57（m，1H），7.53～7.49（m，1H），7.41～7.37（m，1H），0.44（s，9H）；13C NMR（100 MHz，CDCl3）δ 148.0，136.4，132.7，131.5，128.5，120.3，120.0，-9.0；IR（film）：2220，1256，1191，1112，907，763，731 cm-1；HRMS（ESI）calcd for C10H13NNa120Sn[M+Na]+289.99636；found 289.99726.

1.4 數值計算

-SnMe3為取代基時，它對苯環(huán)中各位置的氫譜化學位移變化量的計算公式為

-SnMe3為取代基時，它對苯環(huán)中各位置的碳譜化學位移變化量的計算公式為

表1 公式（1）中的取代基氫譜化學位移變化值常數IHSTab.1 Substituent constant of 1H NMR chemical shift in Eq.（1）

表1 公式（1）中的取代基氫譜化學位移變化值常數IHSTab.1 Substituent constant of 1H NMR chemical shift in Eq.（1）

R ortho meta para-Me -0.20 -0.12 -0.22-CHO -0.56 -0.22 -0.29-COCH3 -0.62 -0.14 -0.21-CO2Et -0.71 -0.10 -0.21-CN -0.36 -0.18 -0.28-F -0.26 -0.00 -0.04-Cl -0.03 -0.09 -0.09-Br -0.18 -0.08 -0.04-NO2 -0.88 -0.26 -0.31-OMe -0.48 -0.09 -0.44

表2 公式（2）中取代基的碳譜化學位移變化值常數Tab.2 Substituent constant of 13C NMR chemical shift in Eq.（2）

表2 公式（2）中取代基的碳譜化學位移變化值常數Tab.2 Substituent constant of 13C NMR chemical shift in Eq.（2）

R ipso para-Me -09.3 -3.1-CHO -09.0 -6.0-COCH3 -09.3 -4.2-CO2Et -02.1 -4.4-CN -16.0 -4.3-F -35.1 -4.4-Cl -06.4 -2.0-Br 0-5.4 -1.0-NO2 -19.6 -6.0-OMe -30.2 -8.1 ortho 0-0.60-1.20-0.20-1.20-3.5-14.30-0.20-3.30-5.3-14.7 meta 0.01.20.20.00.70.91.02.20.80.9

2 結果與分析

本研究合成了一系列取代的芳基三甲基錫烷化合物.以苯基三甲基錫烷1 和若干單取代的芳基三甲基錫烷2～6 作為參照化合物，計算三甲基錫基對于芳香環(huán)氫譜的化學位移變化量.芳基三甲基錫烷1～6 的結構如圖2 所示，所選化合物涵蓋了不同的給電子和吸電子效應的取代基.

圖2 作為參照化合物的芳基三甲基錫烷Fig.2 Aryl trimethylstannanes as the reference compounds

通過測定化合物1～6 的氫譜化學位移δ（1H），結合公式（1），可以計算得到芳香化合物中三甲基錫基作為取代基時，它對于苯環(huán)中各位置的氫譜化學位移變化量其中，7.34 為苯在氘代氯仿作為核磁溶劑時的1H NMR 化學位移實測值.實驗結果如表3 所示.

通過分析表3 中化合物1～6 的氫譜化學位移，可以得到不同取代位點的平均和對應的標準差：= 0.14 ± 0.02；= -0.03 ± 0.02；= -0.03 ± 0.01. 由以上數據可知，三甲基錫基作為取代基時，它對于芳香環(huán)鄰位的氫譜化學位移變化量為+0.14，間位為-0.03，對位為-0.03.從數據分析來看，三甲基錫基與叔丁基相比，是一個更弱的給電子基團（叔丁基（ortho）=0.02（meta）=-0.08，（para）=-0.21）[10].它對于氫譜的化學位移變化量類似于鹵素取代基中的溴原子（溴取代基的（ortho）==-0.04）[30-31].總體上，芳香環(huán)鄰位的氫原子主要受到了電子效應和三甲基錫基空間效應的影響，而間位和對位主要受到了三甲基錫基電子效應的作用.

表3 苯基三甲基錫烷的氫譜化學位移（δ）和由于三甲基錫取代基產生的氫譜化學位移變化量Tab.3 1H NMR（δ）of aryl trimethylstannanes and increments for the 1H chemical-shift differences（）caused by the trimethylstannyl group

表3 苯基三甲基錫烷的氫譜化學位移（δ）和由于三甲基錫取代基產生的氫譜化學位移變化量Tab.3 1H NMR（δ）of aryl trimethylstannanes and increments for the 1H chemical-shift differences（）caused by the trimethylstannyl group

Site 1 2 3 4 5 6 δIHSnδIHSnδIHSnδIHSnδIHSnδIHSn ortho-H 7.49 -0.15 7.57 -0.16 7.67 -0.15 7.40 -0.09 7.32 0.15 7.02 -0.147.49-0.157.57-0.167.67-0.15— —7.320.177.07-0.15 meta-H 7.33 -0.01 7.98 -0.07 8.14 -0.05 7.13 0 7.21 -0.03 7.23 -0.037.33-0.017.98-0.078.14-0.057.00-0.03— —para-H7.33-0.01— —7.31-0.027.13-0.026.85-0.03

通過測定芳基三甲基錫烷1～6 的碳譜化學位移δ（13C），結合公式（2），可以計算得到芳香化合物中三甲基錫基作為取代基時，它對于苯環(huán)中各位置的碳譜化學位移變化量ICSn，結果如表4 所示.其中，128.3 為苯在氘代氯仿作為核磁溶劑時的13C NMR 化學位移實測值.

表4 苯基三甲基錫烷的碳譜化學位移（δ）和由于三甲基錫取代基產生的碳譜化學位移變化量Tab.4 13C NMR（δ）of aryl trimethylstannanes and increments for the 13C chemical-shift differences（）caused by the trimethylstannyl group

表4 苯基三甲基錫烷的碳譜化學位移（δ）和由于三甲基錫取代基產生的碳譜化學位移變化量Tab.4 13C NMR（δ）of aryl trimethylstannanes and increments for the 13C chemical-shift differences（）caused by the trimethylstannyl group

Site C-1123456 δICSnδICSnδICSnδICSnδICSnδICSn 142.3 -14.0 149.4 -16.6 153.1 -18.4 127.1 -12.6 142.1 -15.1 143.7 -14.9 C-2 C-6 135.8 0-7.5 135.7 0-7.4 136.4 0-7.0 136.7 0-6.6 132.8 0-7.4 128.0 0-7.3 C-3 128.2 0-0.1 128.5 0-1.1 122.0 0-1.5 114.2 0-1.3 137.4 0-0.7 159.1 0-0.6 C-5 128.2 0-0.1 128.5 0-1.1 122.0 0-1.5 124.2 0-0.0 127.9 0-0.8 129.0 0-0.7 C-4 128.1 0-0.2 130.2 0-0.4 148.1 0-0.2 130.6 0-0.3 128.9 0-0.2 113.4 0-0.3135.8 0-7.5 135.7 0-7.4 136.4 0-7.0 167.4 0-4.3 136.5 0-7.1 121.4 0-7.4

通過分析表4 中的苯基三甲基錫衍生物1～6 的碳譜化學位移，可以得到不同取代位點（本位（ipso）、鄰位、間位、對位）的平均碳譜化學位移變化量和對應的標準差（ortho）=6.9±=-0.2±0.2.

圖3 作為驗證化學位移變化量有效性的芳基三甲基錫烷Fig.3 Aryl trimethylstannanes for verifying the efficacy of chemical shift increments

根據公式（1）和公式（2），對圖3 中的芳基錫化合物7～22 的各個位置的氫與碳原子的化學位移值進行理論上的計算和預測，并且與實際測量值進行比對，結果分別如表5 和表6 所示.氫譜和碳譜的實測數據用Bruker 400 MHz 核磁共振儀器進行測試獲得，其他各種取代基的和根據文獻[30-31]獲得.

表5 芳基三甲基錫烷7～22 的氫譜化學位移（δ）的理論計算值和實際測量值的比較Tab.5 Comparison of calculated and experimental 1H NMR chemical shifts（δ）of the aryl trimethylstannanes 7-22

根據表5 和表6 的數據結果可得，芳基三甲基錫烷的氫譜與碳譜數據的理論計算值和實測值的標準偏差分別為= -0.3 ± 0.9.由此可知，根據總結得到的與經驗值來進行理論預測的芳基三甲基錫烷化合物的氫譜與碳譜化學位移與實際測量值具有較好的符合程度.其中，三甲基錫取代基的對位的氫譜理論預測數據與實際測量值具有相對較大的偏差，可能是因為對位的氫譜數據樣本量較小造成的.由于從芳香胺出發(fā)經重氮鹽轉化的合成方法的原因，采用的官能化的芳基三甲基錫烷很多都是對位取代的.值得注意的是，當芳香環(huán)上帶有多個取代基時，例如化合物19 和20，其氫譜和碳譜核磁數據具有較大的誤差（如19 的C-4 理論值和計算值數據）.

3 結論

本研究通過測定一系列的苯環(huán)衍生的芳基三甲基錫烷化合物的核磁共振氫譜與碳譜化學位移，得到了采用氘代氯仿作為核磁溶劑、三甲基錫基作為取代基時，它對于苯環(huán)上各個位點的氫譜和碳譜的化學位移變化量.實驗結果表明，不同取代位點（鄰位、間位、對位）的平均氫譜化學位移變化量和對應的標準差= -0.03 ± 0.02；=-0.03±0.01.不同取代位點（本位、鄰位、間位、對位）的平均碳譜化學位移變化量及其對應的標準差=6.9±0.9；= -0.2 ± 0.2. 這些數據結果可用來有效地評估和預測官能化的芳基錫化合物的氫譜與碳譜化學位移，為合成芳基錫與確定未知的芳基錫衍生物的結構提供參考數據和佐證.該化學位移變化量數值可以作為三甲基錫基的核磁參數列入核磁教材和工具書中，具有潛在的合成和結構鑒定價值.