郭志強，龐騰飛，王亞空，魏學紅

（1. 山西大學 大型科學儀器中心，山西 太原 030006；2. 山西大學 化學化工學院，山西 太原 030006）

酯類化合物是一類重要的化工產(chǎn)品，在香料、染料、涂料、溶劑、醫(yī)藥、食品等領(lǐng)域具有非常重要的實用價值。目前，工業(yè)生產(chǎn)方法普遍存在著大量廢棄物的產(chǎn)生，造成環(huán)境污染，反應(yīng)可逆，產(chǎn)率及原子經(jīng)濟性低等問題。季先科反應(yīng)（Tishchenko Reaction）作為經(jīng)典的原子經(jīng)濟性酯化反應(yīng)，從1887 年首次報道起［1］，便受到國內(nèi)外化學家的極大關(guān)注，直到今天，有關(guān)季先科反應(yīng)的催化劑合成、方法研究依然熱度不減［2-10］。然而，導(dǎo)致其始終不能成為合成酯類化合物實用方法的主要原因，就是它只能用作偶合兩分子相同的醛，當采用兩種不同的醛類化合物作為反應(yīng)底物時，高選擇性的催化合成單一的酯類化合物相對困難。開發(fā)合成高效、廉價、選擇性高的交叉偶合季先科反應(yīng)催化劑迫在眉睫。

式1 氨基吡咯雙核鎂化合物的合成Scheme 1 Synthetic route of binuclear magnesium compound bearing aminopyrrolyl ligand

事實上，化學家一直在嘗試通過分子間交叉偶合季先科反應(yīng)制備單一的酯類化合物，如，Sensuke Ogoshi 教授及其合作者在2011 年首次報道了零價鎳（Ni（cod）2/SIPr）催化劑不僅對芳香醛和脂肪醛的季先科反應(yīng)均具有較好的活性，而且對脂肪醛和芳香醛的交叉縮合季先科反應(yīng)具有較高的選擇性，能夠高選擇性地生成單一酯類化合物，同時對反應(yīng)機理也進行了較為詳細的探討，開辟了交叉縮合季先科反應(yīng)的新紀元［10］。隨后，中國科學技術(shù)大學傅堯課題組通過密度泛函理論計算解釋了上述零價鎳催化交叉偶聯(lián)季先科反應(yīng)的機理［11］，認為單羰基活化（MCA）機理是最有利的反應(yīng)機理，氧化加成是速率決定步。2015 年，Sensuke Ogoshi 教授再次報道了新型催化劑氟化鎳烯醇化物［（PhCOCF2）Ni（dcpe）］［FB（C6F5）3］在交叉偶合季先科反應(yīng)中獨特的催化效應(yīng)［12］。同期，Stephen J. Connon 課題組多次報道了硫醇鹽促進的不同芳香醛分子間的高選擇性交叉偶合季先科反應(yīng)［13-14］，隨后，又以烴基二硒化合物作為反應(yīng)催化劑，二丁基鎂為反應(yīng)助劑在四氫呋喃溶劑中3 ? 分子篩存在下，成功實現(xiàn)了兩種相同或不同芳香醛的季先科反應(yīng)，催化活性及選擇性均取得了滿意的效果［15］。北京科技大學黨智敏教授通過理論計算進一步證實了Connon 提出的硫醇鹽促進的不同芳香醛分子間的高選擇性交叉偶合季先科反應(yīng)機理［16］。

考慮到使用過渡金屬鎳催化劑制備復(fù)雜、價格昂貴以及大多數(shù)硒化合物具有較強的毒性等局限性，研究工作者逐漸將目光轉(zhuǎn)向潛在的無毒、無污染的有機鎂化合物應(yīng)用于季先科反應(yīng)研究［17-19］，但迄今為止，縱觀所有高選擇性的交叉偶聯(lián)季先科反應(yīng)報道中，僅僅能在一些相對有限的、特殊的底物中實現(xiàn)?？傮w而言，突破底物局限性以及低選擇性的交叉偶合季先科反應(yīng)，有待進一步深入研究。為此，基于課題組前期的研究［2-3，20］，我們通過調(diào)節(jié)所選配體上取代基團的位阻大小以及參與配位的配體數(shù)量，來提高金屬鎂化合物的親核性，從而促使有利于單羰基活化機理進行，達到提高交叉偶合季先科反應(yīng)的選擇性。

1 實驗部分

1.1 實驗試劑與儀器

二正丁基鎂、乙醚、正己烷、N-吡咯亞甲基叔丁胺、苯甲醛、鄰甲氧基苯甲醛、鄰溴苯甲醛、對甲基苯甲醛、對氯苯甲醛、對甲氧基苯甲醛、對硝基苯甲醛。

Bruker DRX 600MHz 核磁共振儀；D8 Venture X-射線單晶衍射儀；手套箱；電熱磁力攪拌器；電子天平。

1.2 氨基吡咯雙核鎂化合物的合成與結(jié)構(gòu)表征

1）在惰性氣體保護和冰水浴條件下，向N-吡咯亞甲基叔丁胺配體（0.451 g，3 mmol）的正己烷溶液中緩慢滴加二正丁基鎂溶液（3.00 mL，1.0 mol/L），滴加完畢，自然恢復(fù)到室溫，繼續(xù)攪拌2 h 后，將所得溶液用冰水浴再次冷卻到零攝氏度，依次逐滴滴加鄰甲氧基苯甲醛（0.408 g，3 mmol），滴加完畢緩慢回到室溫繼續(xù)攪拌7 h，真空濃縮反應(yīng)液，用乙醚萃取，萃取液過濾濃縮至飽和狀態(tài)，室溫放置1 d～2 d，析出無色透明晶體，即為雙核鎂金屬催化劑（以下簡稱催化劑），產(chǎn)率63%。1H NMR（600 MHz，THF-d8）δ8.11（s，2H），7.90（s，2H），7.04～6.94（m，6H），6.93～6.84（m，2H），6.81～6.63（m，2H），6.05（d，2H），4.01（s，2H），3.46（s，6H），1.62（s，4H），1.03（d，18H），0.88（s，6H），0.68～0.48（m，8H）；13C NMR（151 MHz，THF-d8）δ155.74，134.10，132.98，128.78，126.88，121.93，116.71，110.85，75.66，66.26，66.12，54.24，39.96，29.96，29.18，28.92，24.20，24.06，22.73，22.63，13.62；Anal. Calc. for C42H60Mg2N4O4：C，68.77；H，8.24；N，7.64.Found：C，68.63；H，8.12；N，7.55。

上述氨基吡咯雙核金屬鎂化合物可以從乙醚和正己烷的混合溶液中結(jié)晶獲得較好的，可以滿足X-Ray 單晶衍射測試條件的晶體，詳細的晶體數(shù)據(jù)及結(jié)構(gòu)修正參數(shù)見表1，單晶結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示。該化合物的固體形態(tài)為雙核二聚體結(jié)構(gòu)，Mg 原子與氨基吡咯配體上的兩個N 原子及另外兩個配體上的三個氧原子形成五配位模式。 其鍵長Mg－O1，Mg－O2，Mg－N1 和Mg－N2 分別是2.266（3）?，1.941（3）?，2.079（3）?，2.146（3）?；N1－Mg－N2 和O2－Mg－O1 的 鍵 角 為82.17（13）° 和82.51（11）°。一 些 代 表 性 鍵 長 鍵 角 請見表2。

圖1 氨基吡咯雙核鎂化合物的晶體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Crystal structure of binuclear magnesium compound bearing aminopyrrolyl ligand

表1 雙核金屬鎂化合物晶體數(shù)據(jù)與結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 1 Single crystal X-ray data and structure refinement details of binuclear magnesium compound

表2 雙核金屬鎂化合物的部分鍵角（o）與鍵長（?）Table 2 Some bond lengths and angles of binuclear magnesium compound

1.3 雙核鎂化合物催化交叉偶合季先科反應(yīng)的操作程序

催化反應(yīng)在手套箱中進行，準確稱取氨基吡咯雙核鎂化合物（0.018 3 g，0.05 mmol）于25 mL 封口反應(yīng)瓶中，隨后依次加入苯甲醛（102 uL，1 mmol）、鄰甲氧基苯甲醛（121 uL，1 mmol），逐漸加熱到30 ℃并保持反應(yīng)3 h，TLC 檢測反應(yīng)完畢后加入10 mL 水猝滅反應(yīng)，用乙酸乙酯萃取3 次（3×10 mL），真空除去溶劑，加入三氯乙烯（90 uL，1 mmol）作為內(nèi)標，計算核磁產(chǎn)率。柱色譜（乙酸乙酯：石油醚=1：10），得到最終產(chǎn)物的純品。所得交叉酯類化合物均通過1H NMR、13C NMR 表征，與文獻報道相一致［21-23］。

2 結(jié)果與討論

將上述合成的氨基吡咯雙核鎂化合物作為催化劑，以鄰甲氧基苯甲醛和苯甲醛作為反應(yīng)底物考察了催化劑加載量對不同芳香醛間交叉偶合季先科反應(yīng)的影響，結(jié)果列于表3。從表3 可以看出在30 ℃，氨基吡咯雙核鎂化合物以5%（摩爾百分數(shù)）催化劑加載量時，產(chǎn)率和選擇性相對較高，分別為72%和77%（表3，條目1－3）。不同溶劑的優(yōu)化實驗表明，溶劑甲苯中的效果最好，但不及無溶劑（表3，條目4－7）。適當延長反應(yīng)時間，可以提高產(chǎn)率（表3，條目8），但效果不太明顯。提高反應(yīng)溫度，產(chǎn)率和選擇性均出現(xiàn)不同程度降低（表3，條目9）。

表3 雙核金屬鎂化合物催化交叉偶合Tishchenko反應(yīng)及反應(yīng)條件優(yōu)化Table 3 Binuclear magnesium compound catalyzed crosscoupling Tishchenko reaction conditions optimization

在獲取上述交叉偶合反應(yīng)的最優(yōu)反應(yīng)條件后，考察了氨基吡咯雙核金屬鎂化合物對不同底物的交叉偶合季先科反應(yīng)的普適性。實驗結(jié)果列于表4，從中可以得出，在溫和的反應(yīng)條件下，對位取代的芳香醛和鄰甲氧基苯甲醛均可以選擇性的轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的單一酯類化合物（表4，條目1－5）。此外，改用鄰溴苯甲醛與對位不同取代的苯甲醛仍然可以實現(xiàn)選擇性的交叉偶合反應(yīng)（表4，條目6－10），充分說明該方法的實用性。在苯環(huán)對位含有吸電子基團的苯甲醛相對在苯環(huán)對位含有給電子基團的苯甲醛要有較高的產(chǎn)率，但增減趨勢不是很明顯。該交叉偶合反應(yīng)機理同經(jīng)典的季先科反應(yīng)一樣，同樣經(jīng)過氫轉(zhuǎn)移和烯醇中間體實現(xiàn)酯的生成，本文利用改變調(diào)節(jié)所選配體上取代基團的位阻大小以及參與配位的配體數(shù)量，來提高金屬鎂化合物的親核性，以及芳香醛的鄰位效應(yīng)促使有利于單羰基活化機理進行，實現(xiàn)了反應(yīng)的高選擇性。

表4 雙核鎂化合物催化交叉偶合Tishchenko反應(yīng)及反應(yīng)底物拓展Table 4 Binuclear magnesium compound catalyzed cross-coupling Tishchenko reaction substrate expansion

3 結(jié)論

本論文合成了一種新穎的氨基吡咯雙核金屬鎂化合物，利用1H NMR，13C NMR，元素分析、XRD單晶衍射等分析手段進行了詳盡的結(jié)構(gòu)表征與驗證，探究了其結(jié)構(gòu)性質(zhì)與催化交叉偶合季先科反應(yīng)的反應(yīng)活性與選擇性。研究結(jié)果表明：上述氨基吡咯雙核鎂化合物在30oC 下，無溶劑或甲苯溶劑中，加載量為5%（摩爾百分數(shù)）時可以有效催化兩種不同芳香醛的交叉偶和季先科反應(yīng)，獲得單一的酯類化合物，其選擇性可達85%，產(chǎn)率最高可達78%。