丁丹麗，徐 晨，李紅梅，蔡星偉*

(1.江蘇科技大學(xué) 環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院，鎮(zhèn)江 212100) (2.江蘇科技大學(xué) 國(guó)資處，鎮(zhèn)江 212100)

芳基鄰二胺類化合物是一類重要的化工原料，廣泛用于氮雜環(huán)化合物合成、藥物化學(xué)、染料、助劑等方面[1-2]．例如，苯并咪唑類化合物的經(jīng)典合成方法就是采用鄰苯二胺與羰基衍生物的縮合反應(yīng)[3-4]，許多苯并咪唑類藥物中間體為提高活性在苯環(huán)上引入芳基，因此就需要使用聯(lián)芳基鄰二胺類化合物．目前鄰芳基二胺的種類雖然很多，但聯(lián)芳基二胺還很少見，僅有一篇文獻(xiàn)報(bào)道通過(guò)鄰硝基苯胺鹵代物的Suzuki反應(yīng)和還原反應(yīng)，兩步制備4-聯(lián)苯鄰二胺[5]．因?yàn)殇宕蓟彾肥潜阋艘椎玫脑?，文中設(shè)計(jì)通過(guò)鈀催化芳基硼酸與其直接Suzuki反應(yīng)，一步得到4-聯(lián)芳基鄰二胺，省去硝基還原步驟，有效降低原料成本和污染物排放，為合成聯(lián)芳基鄰二胺提供了一個(gè)高效實(shí)用的方法．

自文獻(xiàn)[6]首次報(bào)道NHCs鈀化合物及其催化反應(yīng)以來(lái)，各種各樣的NHCs配體及其金屬絡(luò)合物被合成，并作為催化劑廣泛應(yīng)用于有機(jī)合成中[7-9]．這些新催化劑的不斷出現(xiàn)，使Suzuki反應(yīng)取得長(zhǎng)足發(fā)展，現(xiàn)已成為碳碳鍵形成的重要合成手段．其中，環(huán)鈀化合物是一類重要的催化劑，具有穩(wěn)定，易于制備、修飾、催化活性高等優(yōu)點(diǎn)[10]．例如，環(huán)鈀二聚體可以通過(guò)解聚反應(yīng)引入NHCs配體生成高活性的NHCs-環(huán)鈀合物[11-13]．一般認(rèn)為這類環(huán)鈀化合物的催化活性主要受引入的配體和環(huán)鈀配體的影響[14]，而陰離子X(jué)對(duì)催化活性的影響研究很少．基于以上考慮，文中通過(guò)含氯離子的NHCs-二茂鐵吡嗪環(huán)鈀化合物2-3的離子交換反應(yīng)，合成出兩個(gè)新的對(duì)應(yīng)含碘離子的鈀化合物4-5(圖 1)，比較了它們?cè)赟uzuki反應(yīng)中的催化活性．環(huán)鈀化合物5是溴代鄰芳基二胺與芳基硼酸Suzuki反應(yīng)的高效催化劑，合成出一系列聯(lián)芳基鄰二胺類化合物．

圖1 化合物4-5的合成

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 試劑和儀器

二茂鐵吡嗪環(huán)鈀化合物1-3按文獻(xiàn)[15]報(bào)道的方法合成，其他所用化學(xué)試劑均為市售商品．所用儀器：Nicolet-560型紅外光譜儀、Bruker Avance 400MHz核磁共振譜儀、電噴霧質(zhì)譜Agilent LC/MSD Trap XCT質(zhì)譜儀．Bruker SMART 1000 CCD單晶衍射儀，采用石墨單色化的Mo Kα(λ=0.710 73 ?)輻射，結(jié)構(gòu)分析程序?yàn)镾HELXL-97．化合物4和5的CCDC號(hào)分別是1938187和1965013．

1.2 化合物4和5的合成和表征

向單口燒瓶中加入化合物2或3(0.1 mmol)和碘化鈉(0.2 mmol)，然后加丙酮(10 ml),室溫?cái)嚢? h．蒸除溶劑，洗滌，干燥即得產(chǎn)物4或5．4為紅色固體，產(chǎn)率96%, IR (KBr, cm-1): 3 053, 2 928, 2 316, 2 048, 1 731, 1 589, 1 510, 1 440, 1 372, 1 318, 1 246, 1 169, 1 140, 1 030, 910, 832, 691, 642, 537. MS (EI, 70 eV)m/z= 649.1 (M-I)+.1H NMR (400 MHz, CDCl3): δ8.97 (s, 1H, Ar-H), 8.38 (s, 1H), 8.29-8.34 (m, 3H), 7.79 (d, 2H), 7.42 (s, 1H), 7.36 (s, 1H), 7.13 (d, 2H), 6.85 (d, 2H), 4.53 (s, 1H), 4.23 (s, 1H), 3.81 (s, 3H), 3.74 (s, 3H), 3.51 (s, 5H), 3.42 (s, 1H). 5為紅色固體, 產(chǎn)率93%, IR (KBr, cm-1): 2 959, 2 923, 2 866, 1 733, 1 693, 1 589, 1 506, 1 460, 1 382, 1 324, 1 238, 1 141, 1 119, 1 106, 1 035, 936, 800, 756, 731, 698, 658, 607, 550. MS (EI, 70 eV)m/z= 757.2 (M-I)+.1H NMR (400 MHz, CDCl3): δ 9.59 (s, 1H), 8.36 (s, 1H), 8.08 (s, 1H), 7.47-7.49 (d, 2H), 7.19-7.35 (d, 6H), 4.57 (d, 1H), 4.32 (s, 1H), 3.97 (s, 1H), 3.39 (s, 5H), 2.93-2.96 (m, 4H), 0.54-1.70 (m, 24H).

1.3 催化反應(yīng)合成聯(lián)芳基鄰二胺

氮?dú)鈿夥障孪騍chlenk試管中加入溴代芳基鄰二胺 (0.5 mmol)、芳基硼酸 (0.6 mmol) 、堿 (0.75 mmol) 和對(duì)應(yīng)的催化劑，繼續(xù)加入溶劑3 ml．油浴加熱到110oC，12 h后冷卻反應(yīng)液，加水萃滅反應(yīng)，用二氯甲烷萃取3次，合并有機(jī)層，旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)除去溶劑．以二氯甲烷/石油醚(1/1)作為洗脫劑，殘留物通過(guò)硅膠薄層色譜提純，收集第三帶，得到偶聯(lián)產(chǎn)物．產(chǎn)物6是已知化合物[5]，其他產(chǎn)物是新化合物，表征數(shù)據(jù)如下：

化合物7: Anal Calcd for C14H16N2: C, 79.2; H, 7.6; N, 13.2. Found: C, 79.5; H, 7.2; N, 13.5. MS (EI, 70 eV)m/z= 213.1 (M+H)+.1H NMR (400 MHz, CDCl3): δ 7.75 (d, 1H), 7.62 (d, 1H), 7.45 (d, 2H), 7.42 (m, 1H), 7.25 (d, 2H), 6.31 (br, 4H), 2.65 (q, 2H), 1.26 (t, 3H).

化合物8: Anal Calcd for C14H16N2: C, 79.2; H, 7.6; N, 13.2. Found: C, 79.6; H, 7.3; N, 13.4. MS (EI, 70 eV)m/z= 213.1 (M+H)+.1H NMR (400 MHz, CDCl3): δ 7.42 (s, 1H), 7.21 (s, 1H), 6.86 (s, 1H), 6.82 (m, 1H), 6.77 (s, 1H), 6.55 (d, 1H), 5.65 (br, 4H), 2.32 (s, 6H).d

化合物9: Anal Calcd for C13H14N2O: C, 72.9; H, 6.6; N, 13.1. Found: C, 72.6; H, 6.4; N, 13.5. MS (EI, 70 eV)m/z= 215.1 (M+H)+.1H NMR (400 MHz, CDCl3): δ 7.23 (m, 1H), 7.10 (m, 1H), 7.05 (s, 1H), 6.87 (d, 1H), 6.78 (d, 2H), 6.57 (d, 1H), 4.82 (br, 4H), 3.80 (s, 3H).

化合物10: Anal Calcd for C12H11N3O2: C, 62.9; H, 4.8; N, 18.3. Found: C, 62.6; H, 4.6; N, 18.5. MS (EI, 70 eV)m/z= 230.1 (M+H)+.1H NMR (400 MHz, CDCl3): δ 8.46 (s, 1H), 8.17 (d, 1H), 7.94 (d, 1H), 7.76 (s, 1H), 7.62 (m, 2H), 7.48 (d, 1H), 3.68 (br, 4H).

化合物11: Anal Calcd for C11H11N3: C, 71.3; H, 6.0; N, 22.7. Found: C, 71.1; H, 5.8; N, 23.2. MS (EI, 70 eV)m/z= 186.1 (M+H)+.1H NMR (400 MHz, CDCl3): δ 7.67 (s, 1H), 7.62 (m,2H), 7.59 (s, 1H), 7.46 (m, 2H), 7.37 (s, 1H), 4.63 (br, 4H).

化合物12: Anal Calcd for C13H15N3: C, 73.2; H, 7.1; N, 19.7. Found: C, 73.5; H, 7.3; N, 19.5. MS (EI, 70 eV)m/z= 214.1 (M+H)+.1H NMR (400 MHz, CDCl3): δ 7.87 (s, 1H), 7.40 (m, 2H), 7.26 (m, 2H), 7.10 (s, 1H), 3.65 (br, 2H), 2.67 (q, 2H), 1.25 (t, 3H).

化合物13: Anal Calcd for C13H15N3: C, 73.2; H, 7.1; N, 19.7. Found: C, 72.0; H, 7.5; N, 19.9. MS (EI, 70 eV)m/z= 214.1 (M+H)+.1H NMR (400 MHz, CDCl3): δ 7.88 (s, 1H), 7.11 (s, 3H), 6.96 (s, 1H), 4.36 (br, 4H), 2.36 (s，6H).

化合物14: Anal Calcd for C12H13N3O: C, 67.0; H, 6.1; N, 19.5. Found: C, 67.3; H, 5.9; N, 19.3. MS (EI, 70 eV)m/z= 216.1 (M+H)+.1H NMR (400 MHz, CDCl3): δ 7.89 (s, 1H), 7.29 (d, 1H), 7.09 (m, 2H), 7.00 (s, 1H), 6.86 (d, 1H), 4.50 (br, 4H), 3.85 (s, 3H).

化合物15: Anal Calcd for C11H10N4O2: C, 57.4; H, 4.4; N, 24.3. Found: C, 57.7; H, 4.2; N, 24.6. MS (EI, 70 eV)m/z= 231.1 (M+H)+.1H NMR (400 MHz, CDCl3): δ 8.35 (s, 1H), 8.15 (d, 1H), 7.94 (d, 1H), 7.83 (d, 1H), 7.57(d , 1H), 7.16 (s, 1H), 4.40 (br, 4H).

化合物16: Anal Calcd for C12H13N3: C, 72.3; H, 6.6; N, 21.1. Found: C, 72.5; H, 6.2; N, 21.4. MS (EI, 70 eV)m/z= 200.1 (M+H)+.1H NMR (400 MHz, CDCl3): δ 7.44 (s, 2H), 7.22 (s, 4H), 6.86 (s, 1H), 3.99 (br, 4H), 2.27 (s, 3H).

2 結(jié)果與討論

2.1 化合物4和5的結(jié)構(gòu)表征

含碘離子的NHCs-二茂鐵吡嗪環(huán)鈀化合物4和5性質(zhì)穩(wěn)定，對(duì)空氣和水汽不敏感．它們易溶于二氯甲烷、乙酸乙酯等常見溶劑，不溶于石油醚、正己烷．它們的氫譜與結(jié)構(gòu)一致，質(zhì)譜的分子離子峰以(M-I)+的形式出現(xiàn)．為準(zhǔn)確確定它們的詳細(xì)結(jié)構(gòu)，對(duì)其進(jìn)行單晶X-衍射測(cè)定．化合物4和5的晶體結(jié)構(gòu)如圖2,3，化合物4主要的鍵長(zhǎng)(?)和鍵角(°)如下：Pd(1)-C(1) 1.917(11), Pd(1)-C(19) 1.983(10), Pd(1)-N(3) 2.117(8), Pd(1)-I(1) 2.663 0(12) 和 C(19)-Pd(1)-C(1) 92.5(15), C(1)- Pd(1)-I(1) 90.3(3), I(1)-Pd(1)-N(3) 95.8(2), N3(1)-Pd(1)-C(19) 81.5(4),化合物5主要的鍵長(zhǎng)(?)和鍵角(°)如下：Pd(1)-C(68) 1.977(13), Pd(1)-C(48) 1.977(16), Pd(1)-N(1) 2.161(12), Pd(1)-I(2) 2.691(2) 和 C(68)-Pd(1)-C(48) 90.9(6), C(48)- Pd(1)-N(1) 80.0(6), N(1)-Pd(1)-I(2) 91.4(4), I(2)-Pd(1)-Cl(68) 97.3(4),每個(gè)晶胞有兩個(gè)獨(dú)立分子，為簡(jiǎn)潔清晰，僅保留一個(gè)獨(dú)立分子．兩個(gè)環(huán)鈀化合物中的鈀都是四配位，鈀處于平行四邊形的配位環(huán)境中心[12-16]，NHCs中配位的C對(duì)應(yīng)于環(huán)鈀配體吡嗪配位的N，都是trans型環(huán)鈀化合物．環(huán)鈀五元環(huán)與相鄰二茂鐵環(huán)和吡嗪環(huán)是近似共面的，而NHCs的咪唑環(huán)是近似垂直于環(huán)鈀平面．

圖2 化合物4的晶體結(jié)構(gòu)

圖3 化合物5的晶體結(jié)構(gòu)

化合物5中的Pd(1)-C(68)鍵長(zhǎng)[1.977(13) ?]明顯長(zhǎng)于化合物4中的Pd(1)-C(1)的鍵長(zhǎng) [1.917(11) ?]，這是化合物5中NHC配體的位阻大造成的[13,15]．化合物4的晶體中，碘離子與相鄰分子中的茂環(huán)和吡嗪環(huán)上的氫形成分子間C-H…I氫鍵[17-18]，鍵長(zhǎng)分別是2.963 ? 和3.042 ?，呈一維鏈狀結(jié)構(gòu)(圖4)，而化合物5中的碘離子沒(méi)有形成氫鍵．

圖4 化合物4通過(guò)C-H…I氫鍵形成的一維鏈狀結(jié)構(gòu)

2.2 催化反應(yīng)

Suzuki反應(yīng)能兼容很多官能團(tuán)，一般鹵代芳烴含致鈍基團(tuán)有利于反應(yīng)，含致活基團(tuán)不利于反應(yīng)[17]．含強(qiáng)致活基團(tuán)氨基的鹵代芳烴的Suzuki反應(yīng)雖有報(bào)道[19-20]，但含兩個(gè)鄰位氨基的鹵代芳烴的Suzuki反應(yīng)還未見報(bào)道．鑒于NHCs-環(huán)鈀化合物在偶聯(lián)反應(yīng)中的廣泛應(yīng)用，合成NHCs-二茂鐵吡嗪環(huán)鈀化合物4和5，以期實(shí)現(xiàn)溴代芳基鄰二胺與芳基硼酸的Suzuki反應(yīng)．

首先選擇4-溴鄰苯二胺與苯基硼酸的反應(yīng)作為模板反應(yīng)，基于以前的相關(guān)工作基礎(chǔ)，以甲苯為溶劑，K2CO3為堿的條件下考察環(huán)鈀化合物1-5的催化活性．在110oC下反應(yīng)12 h，催化劑用量0.5 mol %，反應(yīng)結(jié)果列于表1．可以看出環(huán)鈀二聚體1對(duì)反應(yīng)基本沒(méi)有活性，化合物2和4對(duì)反應(yīng)活性很低，只有化合物3和5能較好的催化反應(yīng)，偶聯(lián)產(chǎn)物6的產(chǎn)率分別是72%和77%(編號(hào)3和5)．此外，還考察用鈀源/咪唑鹽的催化體系，在相同的反應(yīng)條件下，鈀和咪唑鹽配體的催化劑用量分別是1 mol%和2 mol%，Pd(OAc)2體系的產(chǎn)率較低，化合物1催化的體系能達(dá)到中等的產(chǎn)率，這說(shuō)明環(huán)鈀二聚體1是一個(gè)很好的鈀源，化合物3和5中含有的對(duì)應(yīng)大位阻卡賓配體是催化劑關(guān)鍵的配體．接著選擇Cs2CO3為堿，考察化合物3和5在甲苯和二氧六環(huán)溶劑中催化上述模板反應(yīng)，結(jié)果都顯示含碘離子的NHCs-二茂鐵吡嗪環(huán)鈀化合物5的催化活性稍高于對(duì)應(yīng)的含氯離子的環(huán)鈀化合物3，其中以Cs2CO3為堿和甲苯為溶劑的效果最好(編號(hào)9)．

表1 4-溴鄰苯二胺與苯基硼酸Suzuki反應(yīng)條件的優(yōu)化a

在優(yōu)化條件[Cs2CO3，甲苯，110oC，5]下，擴(kuò)展反應(yīng)底物，其結(jié)果列于表2．此條件下，4-溴鄰苯二胺與芳基硼酸都能以較高產(chǎn)率生成對(duì)應(yīng)的聯(lián)芳基鄰二胺產(chǎn)物．例如，帶致活基團(tuán)的對(duì)乙基苯硼酸、3,5-二甲基苯硼酸和3-甲氧基苯硼酸為底物，偶聯(lián)產(chǎn)物7-9的產(chǎn)率分別是89%、88%和86%．帶致鈍基團(tuán)的對(duì)硝基苯硼酸，產(chǎn)物10的產(chǎn)率(62%)明顯減低，這表明芳基硼酸上取代基的電子效應(yīng)對(duì)反應(yīng)有影響，帶致活基團(tuán)的底物的產(chǎn)率要高于致鈍基團(tuán)的．接著擴(kuò)展鹵代芳烴為鹵代氮雜環(huán)，測(cè)試溴代吡啶二胺與芳基硼酸的反應(yīng)，與4-溴鄰苯二胺相比，反應(yīng)的產(chǎn)率都有所提高，產(chǎn)物11-15產(chǎn)率分別是87%、92%、90%、89%和67%，這說(shuō)明溴代吡啶二胺的反應(yīng)活性大于對(duì)應(yīng)溴代鄰苯二胺，有利于反應(yīng)進(jìn)行．最后也考察了位阻效應(yīng)對(duì)反應(yīng)的影響，溴代吡啶二胺與鄰甲基苯硼酸反應(yīng)(產(chǎn)物16)的產(chǎn)率降至71%，這說(shuō)明位阻效應(yīng)不利于反應(yīng)．

表2 化合物5催化芳基硼酸與溴代芳基鄰二胺的Suzuki反應(yīng)a

3 結(jié)論

(1)通過(guò)離子交換反應(yīng)，可便捷合成含碘離子的NHCs-二茂鐵吡嗪環(huán)鈀化合物4和5，經(jīng)單晶X-衍射發(fā)現(xiàn)，化合物4的I離子形成氫鍵，而化合物5的碘離子沒(méi)有形成氫鍵．

(2)反應(yīng)結(jié)果表明，大位阻NHCs-二茂鐵吡嗪環(huán)鈀化合物3和5的催化活性最好，其中含碘離子的環(huán)鈀化合物5催化活性稍高于對(duì)應(yīng)的氯離子的環(huán)鈀化合物3．

(3)以甲苯為溶劑、Cs2CO3為堿、110oC下，化合物5能高效催化溴代芳基鄰二胺與芳基硼酸的Suzuki反應(yīng)，合成出一系列聯(lián)芳基鄰二胺類化合物，其中溴代吡啶二胺是好的反應(yīng)底物，芳基硼酸帶致活基團(tuán)有利于反應(yīng)．該反應(yīng)體系提供了一個(gè)有效合成聯(lián)芳基鄰二胺的方法．