CN102229568B

CN102229568B - 苯基醚桥联的氮杂环卡宾金属配合物的制备与用途

Info

Publication number: CN102229568B
Application number: CN 201110098488
Authority: CN
Inventors: 柳清湘; 王志强; 于洁
Original assignee: Tianjin Normal University
Current assignee: Tianjin Normal University
Priority date: 2011-04-20
Filing date: 2011-04-20
Publication date: 2013-01-23
Anticipated expiration: 2031-04-20
Also published as: CN102229568A

Abstract

本发明公开了一种 1 ， n- 二 [2- （ N- 取代基苯并咪唑甲基）苯氧基 ] 烷烃作为前体的氮杂环卡宾金属配合物及其制备方法。它是在惰性气体保护下，将 1 ， n- 二 [2- （ N- 取代基苯并咪唑甲基）苯氧基 ] 烷烃卤化物和金属化合物以摩尔比为 1 ： 3 ～ 5 的比例加入到反应器皿内，用除水的高纯有机溶剂溶解后，在 0?C ～ 100?C 温度下反应 12 ～ 24 小时，过滤，自然挥发，得到卡宾金属配合物。本发明制备的通过 1 ， n- 二 [2- （ N- 取代基苯并咪唑甲基）苯氧基 ] 烷烃作为前体的氮杂环卡宾金属配合物主要应用于催化领域。

Description

苯基醚桥联的氮杂环卡宾金属配合物的制备与用途

本发明是在国家自然科学基金（基金号为 20872111 ）和天津市自然科学基金（基金号为 11JCZDJC22000 ）的资助下进行的。

技术领域

本发明属于金属有机化学技术领域，涉及通过 1 ， n- 二 [2- （ N- 取代基苯并咪唑甲基）苯氧基 ] 烷烃作为前体的氮杂环卡宾金属配合物。更具体的说是一种氮杂环卡宾银和钯的金属配合物及其制备方法。以及氮杂环卡宾钯金属配合物的催化性能的研究。

背景技术

近年来，随着对 N- 杂环卡宾及其金属配合物—这一金属有机化学前沿课题研究的不断深入，人们对它的认识也逐渐开阔化和系统化。 N- 杂环卡宾以其独特的理化特性和广泛的应用价值使其成为了有机化学的前沿课题之一，在金属有机化学、催化学科、微电子学科和医药学科等诸多领域显示出了广泛的应用价值和良好的前景。

在金属有机化学中 N- 杂环卡宾作为配体已经得到了广泛的应用 , 尤其是近年来在过渡金属催化的偶联反应中得到了很大的发展。同时它还可以作为反应底物参与到有机反应之中。 N- 杂环卡宾的性质类似于富电子的膦配体，因此人们推测由它们形成的金属配合物的催化性能有可能与膦配体的金属配合物的催化性能有相似之处，现在这一推测已逐步被实验所证实。尽管 N- 杂环卡宾配体与其他带有两个孤电子的配体（如有机膦配体）具有很多相似性，但它在一系列催化反应中表现出更高的催化活性——如钌的催化剂，能高效率催化烯烃复分解反应。这类催化剂还可以对烯烃的氢硅化反应、偶联反应、烯烃的氢化反应及呋喃环的合成等反应起到很好的催化作用。由于卡宾碳上的孤对电子与金属形成的配位键非常稳定，使这类催化剂具有良好的热稳定性和耐水性，而且在催化过程中不需要用过量的配体，还能负载在某些树脂上，使均相反应固相化。这些特点是膦配体很难达到的，所以人们预言 N- 杂环卡宾在催化方面具有取代有机膦配体的巨大潜力。

Figure 2011100984882100002DEST_PATH_IMAGE001

从目前已有文献报道的 N- 杂环卡宾金属络合物的结构上看， N 原子上的 R 基既有高聚物，也有手性基团，同时还可是其它配位基团，这就从根本上决定了其空间点阵结构和电子结构的多样性，也使得了 N- 杂环卡宾配体及配合物在催化应用领域具有广阔的发展前景。

发明内容

本发明的目的在于提供通过 1 ， n- 二 [2- （ N- 取代基苯并咪唑甲基）苯氧基 ] 烷烃作为前体的氮杂环卡宾金属配合物，特别是通过 1 ， n- 二 [2- （ N- 取代基苯并咪唑甲基）苯氧基 ] 烷烃作为前体的氮杂环卡宾银或钯的配合物。

本发明也涉及了作为制备此类有机金属配合物的双阴离子杂环前体的制备方法。

本发明同时又涉及了氮杂环卡宾银和钯配合物及其制备方法。

本发明更进一步涉及了通过 1 ， n- 二 [2- （ N- 取代基苯并咪唑甲基）苯氧基 ] 烷烃作为前体的氮杂环卡宾金属配合物在催化领域中的应用。

为完成上述各项发明目的，本发明技术方案如下：

具有通式Ⅰ的 1, n- 二 [2- （ N- 取代基苯并咪唑甲基）苯氧基 ] 烷烃作为前体的氮杂环卡宾化合物：

I

其中， n 为 1 ～ 4 ， R 是独立地或结合起来为氢或 C₁ — C₆ 有机基， C₁ — C₆ 有机基选自烷基、支链烷基、环烷基、链烯基、环烯基、炔基、芳基、芳基烷基、含氮杂环（如吡啶环）或烷氧基。

其中， C₁ — C₆ 有机基选自烷基，例如 C₂H₅ 、 C₆H₁₃ ；支链烷基例如异丁基、正丁基或新戊基；环烷基例如环丙烷甲基或环丁烷乙基；链烯基例如乙烯基、丙烯基或烯丙基；环烯基例如环丙烯基；炔基例如乙炔基；芳基例如苄基、萘甲基、蒽甲基；含氮杂环及其取代衍生物，例如乙基咪唑、正丁基咪唑、苄基咪唑、乙基苯并咪唑、正丁基苯并咪唑或 1- 吡啶甲基苯并咪唑。

卤素选自氯、溴、碘，优选氯离子。

本发明所述 1, n- 二 [2- （ N- 取代基苯并咪唑甲基）苯氧基 ] 烷烃作为前体的氮杂环卡宾化合物的制备方法，其特征在于先用不同取代的 C₁ — C₆ 卤代烷烃与苯并咪唑合成相应的烷基苯并咪唑，再与 1, n- 二 [2- （氯甲基）苯氧基 ] 烷烃反应生成 1 ， n- 二 [2- （ N- 取代基苯并咪唑甲基）苯氧基 ] 烷烃卤化物。

本发明进一步公开了 1, n- 二 [2- （ N- 取代基苯并咪唑甲基）苯氧基 ] 烷烃作为前体的氮杂环卡宾金属配合物 , 具有如下结构：

II

其中， n 为 1 ～ 4 ， R 是独立地或结合起来为氢或 C₁ — C₆ 的烷基、支链烷基、环烷基、链烯基、环烯基、炔基、芳基、芳基烷基、含氮杂环或烷氧基；

M 为银或钯的金属阳离子， m 为 2-4 ；

X^- 卤素负离子或六氟磷酸根负离子。

其中典型的氮杂环卡宾金属配合物结构如下：

本发明进一步公开了氮杂环卡宾金属配合物的制备方法，其特征在于：

通过 1 ， n- 二 [2- （ N- 取代基苯并咪唑甲基）苯氧基 ] 烷烃作为前体的氮杂环卡宾金属配合物，以下面的方法制得：

（ 1 ）在有机溶剂中以不同取代的 C₁ — C₆ 卤代烷烃与取代苯并咪唑反应，所得产物再与 1, n- 二 [2- （氯甲基）苯氧基 ] 烷烃反应生成 1 ， n- 二 [2- （ N- 取代基苯并咪唑甲基）苯氧基 ] 烷烃卤化物；

（ 2 ）在惰性气体保护下，将 1 ， n- 二 [2- （ N- 取代基苯并咪唑甲基）苯氧基 ] 烷烃卤化物与金属化合物以摩尔比为 1 ： 3 ～ 5 的比例加入到反应器皿内，用除水的高纯有机溶剂溶解后，在 0 C ～ 100 C 温度下反应 12 ～ 24 小时，过滤，自然挥发，得到卡宾金属配合物。

本发明所述的取代苯并咪唑优选乙基苯并咪唑、 1- 吡啶甲基苯并咪唑、正丙基苯并咪唑、仲丁基苯并咪唑或正丁基苯并咪唑。

本发明所述的金属化合物选自氧化银、醋酸银、碳酸银、卤化亚铜、碘化亚铜、氧化亚铜、碳酸锂、醋酸镍、醋酸鈀、氯化钯、乙腈氯化钯中的其中一种。优选醋酸银、碳酸银、氧化亚铜、醋酸镍、醋酸鈀、氯化钯或乙腈氯化钯。更加优选氧化银或乙腈氯化钯。

本发明所述的有机溶剂选自四氢呋喃（ THF ）、二氯甲烷、三氯甲烷、 1 ， 2- 二氯乙烷、丙酮、乙醚、乙腈、硝基乙烷、 N ， N- 二甲基甲酰胺、二甲基亚砜中的任意一种或其混合物。优选丙酮、 1 ， 2- 二氯乙烷、 N ， N- 二甲基甲酰胺或二甲基亚砜，更加优选四氢呋喃（ THF ）、二氯甲烷或乙腈。其中混合溶剂为 THF 和二氯甲烷的混合溶液。

本发明进一步公开了 1, n- 二 [2- （ N- 取代基苯并咪唑甲基）苯氧基 ] 烷烃作为前体的氮杂环卡宾金属配合物晶体，其特征在于包括氮杂环卡宾金属银配合物和钯配合物，典型的氮杂环卡宾银配合物的分子式为 C₃₄H₃₄Ag₂Cl₂N₄O₂ 。氮杂环卡宾钯配合物的分子式为 C₃₈H₄₀Cl₄N₆O₂pd₂ · (C₂H₅)₂O 。

特别加以说明的是：晶体数据和结构精修参数包含在支持性信息中。在 Bruker SMART 1000 CCD 衍射仪上进行，实验温度为 293(2)K, 在 50kV 和 20mA 下，用 Mo-Ka 辐射 (0.71073Å) 操作，用 SMART 和 SAINT 软件进行数据收集和还原， q 的范围是 1.8 < q < 25 º。应用 SADABS 程序进行经验吸收矫正。晶体结构由直接方法解出，用 SHELXTL 包对全部非氢原子坐标各向异性热参数进行全矩阵最小二乘法修正。

通过 1 ， n- 二 [2- （ N- 取代基苯并咪唑甲基）苯氧基 ] 烷烃作为前体的氮杂环卡宾银配合物或钯配合物的单晶数据如下：

本发明中公开的氮杂环卡宾金属配合物是并列的关系，无优先主次之分。

本发明进一步公开了通过 1 ， n- 二 [2- （ N- 取代基苯并咪唑甲基）苯氧基 ] 烷烃作为前体的氮杂环卡宾金属配合物在催化中的应用。实验证明：氮杂环卡宾金属配合物在一定的条件对反应有催化性能。如应用实例 4 ，在表 1 、 2 中所示。

本发明提出的氮杂环卡宾金属配合物是一种在标准状态下可以稳定存在的高级催化剂，具有结构可调整、制备简洁、催化效果明显的优点，有望在催化领域得到应用。

表 1 钯配合物 4 催化的溴苯和苯硼酸的 Suzuki-Miyaura 偶联反应（应用实例 1^[a] ）

表 1

反应条件：溴苯 0.50 mmol ，苯硼酸 0.60 mmol ，碱 1.5 mmol, 配合物 4 0.1 mol% ，有机溶剂 3 mL, 50 ° C 。

反应过程中要点板跟踪。

用 GC 判定产物。

配合物 4 0.2 mol % 。

配合物 4 0.3 mol % 。

配合物 4 0.05 mol % 。

反应温度控制在 30 C。

表 2. 钯配合物 4 催化的卤代芳烃和苯硼酸的 Suzuki-Miyaura 偶联反应（应用实例 1^[a] ）

反应条件：卤代芳烃 0.50 mmol ，苯硼酸 0.60 mmol ， K₃PO₄ · 3H₂O 1.5 mmol, 配合物 2 0.1 mol % ，甲醇和水的混合溶剂 (v/v = 1:1) 3 mL, 50 C 。

[b] 反应过程中要点板跟踪。

用 GC 判定产物。

隔绝空气。

加入四丁基溴化铵 0.1 mol % 。配合物 4 0.3 mol % ，反应温度控制在 70 C 。

加入三苯基膦 0.1 mol % 。配合物 4 0.3 mol % ，反应温度控制在 70 C 。

附图说明：

图 1 为含银配合物（实施例 3 ）的晶体结构图；

图 2 为含钯配合物（实施例 4 ）的黄色晶体结构图。

具体实施方式

以下结合较佳实施例，对本发明做进一步的描述，特别加以说明的是，制备本发明化合物的起始物质水杨醛、卤代烷烃、碳酸钾、硼氢化钠、无水硫酸镁、氯化亚砜、六氟磷酸铵等均可以从市场上买到或容易地通过已知的方法制得。

制备本发明化合物所用到的试剂全部来源于天津市元立和科威化工有限公司，级别为分析纯。

另外需要加以说明的是：所有的实验操作运用 Schlenk 技术，溶剂经过标准流程纯化。所有用于合成和分析的试剂都是分析纯，并没有经过进一步的处理。熔点通过 Boetius 区截机测定。 ¹ H NMR 谱通过汞变量 Vx400 分光光度计记录，测量区间： 400 MHz 。化学位移，δ，参考国际标准的 TMS 测定。

实施例 1

在 80 mL N ， N- 二甲基甲酰胺中加入水杨醛 (15.601 g, 127.7 mmol) ， 1 ， 2- 二溴乙烷 (10.000 g, 53.2 mmol) 和碳酸钾 (17.656 g, 127.7 mmol) ，混合溶液在 80 C 氮气保护下搅拌 24 小时。溶液由无色逐渐变黄，最终成为深棕色。反应结束后，将混合液倒入 500mL 水中，充分搅拌水洗粉末，抽滤，得到的粉末继续水洗两次，除去残留的过量水杨醛，抽滤固体，干燥，最终得到深棕色粉末 1,2- 二（ 2- 甲酰苯氧基）乙烷。产量： 84.7%, 熔点： 148 C 。

16 δ 4.44 (s, 4H, CH ₂), 7.01-7.08 (m, 4H, PhH), 7.53 (t, J = 8.8, 2H, PhH), 7.80 (d, J = 8.0, 2H, PhH), 10.53 (s, 2H, CHO) 。

二（ 2- 甲酰苯氧基）乙烷 (10.000 g, 37.0 mmol) 溶解于 100mL 四氢呋喃和乙醇的溶液中（体积比为 1 ： 1 ），在冰水浴和氮气保护下，缓慢加入硼氢化钠 (3.359 g, 88.8 mmol) ，反应溶液在室温下搅拌 2 小时。然后慢慢升温回流，继续反应 10 小时。反应结束后，慢慢把体系冷却至室温，旋干溶剂，向旋干固体中加入 100mL 水和少量甲醇，除去过量的硼氢化钠，而后慢慢滴加冰醋酸将液体中和至中性，用二氯甲烷萃取三次，合并萃取液，再用饱和食盐水洗涤，萃取液用无水硫酸镁干燥，抽滤除去硫酸镁，将液体旋干，得到白色固体，用乙醚洗涤固体得到白色粉末 1,2- 二（ 2- 羟甲基苯氧基）乙烷。产量： 9.192g ，产率： 91.0% ，熔点： 148-150 C 。

16 δ 4.31 (s, 4H, CH ₂), 4.49 (s, 4H, CH ₂), 6.95-7.00 (m, 4H, PhH), 7.18 (t, J = 7.5, 2H, PhH), 7.37 (d, J = 7.5, 2H, PhH) 。

在 100mL 三氯甲烷中加入 1,2- 二（ 2- 羟甲基苯氧基）乙烷 (10.000 g, 36.5 mmol) ，再加入吡啶 (11.534 g, 145.8 mmol) 。在常温下缓慢滴加二氯亚砜 (17.348 g, 145.8 mmol) ，在 70 C 下反应 12 小时。混合溶液呈深棕色，反应结束向溶液中加冰水，水洗三次，分出三氯甲烷溶液层，萃取液用无水硫酸镁干燥后，抽滤，旋干三氯甲烷后得到白色固体，用乙醚洗涤固体得到白色粉末 1,2- 二 [2- （氯甲基）苯氧基 ] 乙烷。产量 : 8.475 g (75%) ，熔点 : 96-98 C 。

16 δ 4.43 (s, 4H, CH ₂O), 4.70 (s,4H, CH ₂Cl), 6.96 (d, J = 7.2, 2H, PhH), 7.14 (d, J = 8.4, 2H, PhH), 7.34-7.41 (m, 4H, PhH) 。

二 [2- （氯甲基）苯氧基 ] 乙烷（ 3.409 g, 6.4 mmol ）和 1- 乙基苯并咪唑（ 2.066 g,14.1 mmol ）的丙酮溶液（ 100mL ）混合后，回流搅拌 5 天，析出白色沉淀，抽滤，用乙醚洗涤固体相产物，便得到了 1,2- 二 [2-(N- 乙基苯并咪唑甲基）苯氧基 ] 乙烷氯化物的白色粉末。产量： 3.127 g ，产率： 80.6% ，熔点： 154-156 C 。

16 δ 1.35 (t, J = 6.9, 6H, CH ₃), 4.13 (q, J = 6.9, 4H, CH ₂), 4.35 (s, 4H, CH ₂), 5.50 (s, 4H, CH ₂), 7.05-7.09 (m, 4H, PhH), 7.34-7.38 (m, 4H, PhH), 7.52-7.56 (m, 4H, PhH), 7.75 (d, J = 8.4, 2H, PhH), 7.93 (d, J = 8.4, 2H, PhH), 9.65 (s, 2H, 2-bimiH) (bimi = benzimidazole) 。

实施例 2

1 ， 4- 二 [2- （ N- 正丁基苯并咪唑甲基）苯氧基 ] 丁烷氯化物的制备与 1 ， 2- 二 [2-(N- 乙基苯并咪唑甲基）苯氧基 ] 乙烷氯化物的制备相似，是通过 1 ， 4- 二 [2- （氯甲基）苯氧基 ] 乙烷和正丁基苯并咪唑的反应得到的。产量： 3.279 g ，产率： 77% ，熔点： 273-276 C 。 ¹ H NMR (400 MHz, DMSO-d₆): δ 0.83 (t, J = 7.2, 6H, CH ₃), 1.19-1.26 (m, 4H, CH ₂), 1.72-1.80 (m, 4H, CH ₂), 4.30 (s, 4H, CH ₂), 4.35 (t, J = 7.2, 4H, CH ₂), 5.58 (s, 4H, CH ₂), 7.05-7.10 (m, 4H, PhH), 7.12-7.41 (m, 4H, PhH), 7.53-7.60 (m, 4H, PhH), 7.78 (d, J = 8.4, 2H, PhH), 7.98 (d, J = 8.4, 2H, PhH), 9.70 (s, 2H, 2-bimiH) 。

其实验流程如下所示：

实施例 3

将氧化银 (0.077 g, 0.3 mmol) 加入到配体 1 (0.164 g, 0.3 mmol) 的二氯甲烷溶液 (30 mL) 中，在回流的条件下搅拌 24 小时，反应完全后将溶液进行抽滤，然后浓缩到 5mL 然后加入乙醚出现白色粉末沉淀，通过抽滤的到配合物 3 。产量： 0.183g ，产率： 68% ，熔点： 210-212 C 。

16 δ 1.38 (t, J = 7.2, 6H, CH ₃), 4.23 (s, 4H, CH ₂), 4.54 (t, J = 7.2, 4H, CH ₂), 5.72 (s, 4H, CH ₂), 6.99-7.06 (m, 4H, PhH), 7.34-7.42 (m, 6H, PhH), 7.58 (d, J = 2.8, 2H, PhH), 7.70 (d, J = 6.8, 2H, PhH), 7.83 (d, J = 6.0, 2H, PhH) 。

其实验流程如下所示：Ⅲ

晶体结构见说明书附图 1

实施例 4

在氮气保护下，在含有配合物 3 的滤液中加入 Pd(CH₃CN)₂Cl₂(0.172 g, 0.7 mmol) ，二氯甲烷溶液（ 30mL ），回流 24 小时，过滤，滤液浓缩到 5 mL ，并加入乙醚（ 5mL ）得到淡黄色的粉末。过滤后得到配合物 4 。产量： 0.191g ，产率： 55% ，熔点： 250-252 C 。 ¹ H NMR (400 MHz, DMSO-d₆): δ 1.12 (t, J = 6.8, 6H, CH ₃), 1.61 (s, 6H, CH ₃), 4.28 (s, 4H, CH ₂), 4.61 (t, J = 8.4, 4H, CH ₂), 6.06 (s, 4H, CH ₂), 6.90-7.05 (m, 4H, PhH), 7.36-7.45 (m, 6H, PhH), 7.66 (d, J = 8.4, 2H, PhH). 7.72 (d, J = 7.6, 2H, PhH), 7.80 (d, J = 8.4, 2H, PhH) 。

其实验流程如下所示：

晶体结构见说明书附图 2

银配合物和钯配合物的晶体结构参数

应用实例 1

Suzuki-Miyaura 偶联反应的一般程序。典型反应，将卤代芳烃 (0.5 mmol) ，苯硼酸 (0.6 mmol), 碱 (1.2 mmol), 本发明的氮杂环卡宾钯配合物 2 (0.2 mol %) 加入到有机溶剂 (2.5 mL) 和水 (0.5 mL) 中（水在反应中如果需要时才加 ) ，这个反应体系在空气中以 70 C 的温度搅拌反应。在预期的反应结束之后，将反应停止，然后将水 (20 mL) 加入到反应的混合体系中。加入乙醚 (15 mL) ，混合物开始分层。然后用水将有机层洗三次（每次用 10mL ），用无水硫酸镁进行干燥，溶液滤出，再将溶剂除去，用 5mL 正己烷加入到粗制产物中，通过 GC 分析或者色谱柱分离从而得到产物。

综上所述，本发明的内容并不局限在实例中，相同领域内的有识之士可以在本发明的技术指导思想之内可以轻易提出其他的实例，但这种实例都包括在本发明的范围之内。

Claims

1.一种氮杂环卡宾钯配合物：

。

2.权利要求1所述氮杂环卡宾钯配合物的乙醚合物的晶体，其所具有的晶体结构参数如下：

化学式 C₃₈H₄₀Cl₄N₆O₂Pd₂·(C₂H₅)₂O 式量 1041.48 晶系单斜空间群 P2₁/c a /Å 18.824(1) b /Å 20.219(1) c /Å 12.437(6) α/deg 90 β/deg 103.5(1) γ/deg 90 V /Å³ 4602.6(4) Z 4 D _calcd , Mg/m³ 1.503 吸收系数, mm^-1 1.057 F(000) 2112 晶体系数, mm 0.20 × 0.18 × 0.17 θ _min , θ_max, deg 1.50, 25.01 T /K 296(2) 收集数据数 23202 独立数据数 8082 精修参数数 520 goodness-of-fit on F2 a 1.048 最终 R 指数 b [I > 2σ(I)] R1 0.0312 wR2 0.0953 R indices (all data) R1 0.0419 wR2 0.1035

。

3.权利要求1所述氮杂环卡宾钯配合物在制备金属有机化学中作为Suzuki-Miyaura偶联反应催化剂方面的应用；其中所述的Suzuki-Miyaura偶联反应指的是：催化溴苯和苯硼酸的反应。