CN111100147A - 铜氮杂环卡宾络合催化剂的合成方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及铜氮杂环卡宾络合催化剂的合成方法，主要解决现有合成方法中存在的产率不高、纯化繁琐等问题，本发明通过采用铜氮杂环卡宾络合催化剂的合成方法，包括：咪唑盐直接和炔基铜，反应得到铜氮杂环卡宾络合物的技术方案，较好地解决了该技术问题，可用于铜氮杂环卡宾络合催化剂的放大生产中。
Description
技术领域
本发明涉及铜氮杂环卡宾络合催化剂的合成方法。
背景技术
过渡金属氮杂环卡宾化学近二十年来发展迅速，在有机合成，药物化学以及材料化学领域已有广泛研究。相对于广泛研究的钯，钌，铂和银等贵金属氮杂环卡宾化合物，氮杂环卡宾铜化合物(Cu-NHCs)性质稳定，价廉低毒，也得到人们广泛的关注。自1993年Arduengo等报道了第一例氮杂环卡宾铜化合物，已有数百种铜氮杂环卡宾化合物被成功合成并表征了结构。
氮杂环卡宾铜化合物已被证明具有多方面重要的应用价值：(1)Cu-NHCs可以用作氮杂环卡宾转移试剂(式1-2)，与其它过渡金属盐在温和的条件下发生金属交换反应，氮杂环卡宾配体可以从铜(I)转移到钌(II)、镍(II)、钯(II)和金(I)上，而这些过渡金属的卡宾化合物在有机合成中有重要的作用，因此使用廉价易得的卡宾铜配合物用作氮杂环卡宾转移试剂就显得非常有意义(Furst,M.R.L.；Cazin,C.S.J.Copper N-heterocyclic carbene(NHC)complexes as carbene transfer reagents.Chem.Commun.2010,46,6924-6925.)。(2)Cu-NHCs可以作为催化剂，催化多种有机反应，如二氧化碳的活化(式3)、炔烃与叠氮的环加成反应、共轭加成反应、烯丙基参与的反应、不饱和键的硼化反应、偶联反应、醇的氧化反应等(Egbert,J.D.；Cazin,C.S.J.；Nolan,S.P.Copper N-heterocyclic carbenecomplexes in catalysis.Catal.Sci.Technol.2013,3,912.)。(3)一些Cu-NHCs在溶液或固体状态具有良好的荧光性质，是潜在的荧光材料(Catalano,V.J.；Munro,L.B.；Strasser,C.E.；Samin,A.F.Modulation of Metal-Metal Separations in a Series ofAg(I)and Intensely Blue Photoluminescent Cu(I)NHC-Bridged TriangularClusters.Inorg.Chem.2011,50,8465-8476)。
按照底物和活法方法的不同，Cu-NHCs的合成方法主要分为四种(Liu,B.；Chen,W.Synthesis and Applications of Copper N-heterocylic carbeneComplexes.Chinese J.Inorg.Chem.2014,30,20-36)：(1)游离氮杂环卡宾的配位反应；(2)银氮杂环卡宾化合物的金属交换反应；(3)氧化亚铜对配体底物的原位脱质子反应；(4)金属铜粉直接合成法。但是这些方法仍存在产率不高、纯化不便等问题。
发明内容
本发明所要解决的技术是现有铜氮杂环卡宾络合催化剂的合成方法中存在的产率不高、纯化不便等问题，提供一种新的铜氮杂环卡宾络合物的合成方法，其具有产率高、易于纯化的优点。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：铜氮杂环卡宾络合催化剂的合成方法，包括：在溶剂中，氮杂环化合物和含炔基铜结构的化合物，反应得到氮杂环卡宾铜产物。
上述技术方案中，所述氮杂环化合物为含咪唑结构的化合物。
上述技术方案中，所述的含咪唑结构的化合物为含咪唑结构的盐类化合物，其分子结构式优选如下任意一种：
其中R1为苯基、2,4,6-三甲基苯基、4-碘苯基、2,6-二异丙基苯基、2-吡啶基、2-吡啶甲基或其各自的衍生物，R2为2-嘧啶基、2-吡啶基或其各自的衍生物；阴离子X-为Cl-、Br-、I-、BF4 -、BPh4 -、PF6 -、SbF6 -；Y为亚甲基、3,5-二亚甲基吡唑或其各自的衍生物。
上述技术方案中，所述含炔基铜结构的化合物的分子结构式为R3C≡CCu，其中R3为环己基、苯基、C6～C8的取代苯基。
上述技术方案中，溶剂为二氯甲烷、乙腈，或者两者以任意比例的混合物。
上述技术方案中，苯乙炔铜与氮杂环化合物的摩尔比例为(1～5):1。
上述技术方案中，反应温度为20～30℃。
上述技术方案中，反应时间优选为1～48小时。
本发明的反应式可表示为：
氮杂环上的虚线代表可以是不饱和键或者是苯并咪唑型卡宾；取代基R2与[Cu]之间的虚线代表可以成配位键；[Cu]代表含铜离子的片段。
苯乙炔铜制备简便，本发明利用苯乙炔铜简便合成了一系列铜氮杂环卡宾络合催化剂，具有适用范围广、产率高、产物纯化简便的优点，产率最高可达99％，对比例说明本发明的方法产率高于常规合成方法。本发明可用于铜氮杂环卡宾络合催化剂的放大工业合成。
具体实施方式
通过下述实施例进一步说明本发明，但不限制本发明的内容。
实施例1制备苯乙炔铜
取碘化亚铜3800mg(20mmol)，溶于浓氨水60mL。在250mL烧瓶中，加入苯乙炔2040mg(20mmol)、乙醇100mL，搅拌均匀，然后向其中慢慢滴加碘化亚铜/氨水溶液。滴加完毕，过滤，乙醇、水分别洗涤滤饼，真空干燥，得亮黄色粉末2700mg。
实施例2合成络合物Cu-1(C21H24ClCuN2)
在50mL烧瓶中加入配体L1 690mg(2.0mmol)，苯乙炔铜363mg(2.2mmol)，乙腈15mL，在40～50℃油浴中，搅拌反应24小时，反应混合液冷却至室温，过滤，滤液经减压蒸馏除去溶剂得到无色晶体766mg，产率95％。1H NMR(400MHz,CDCl3):δ7.05(s,2H,NCHCHN),7.00(s,4H,Ar-H),2.35(s,6H,CH3),2.10(s,12H,CH3).13C NMR(100MHz,CDCl3):δ179.0(Cu-C),139.5,135.1,134.6,129.5,122.4,21.1,17.8。
实施例3合成络合物Cu-2(C15H12ClCuN2)
在50mL烧瓶中加入配体L2 514mg(2.0mmol)，苯乙炔铜363mg(2.2mmol)，二氯甲烷20mL，在30～40℃油浴中，搅拌反应24小时，反应混合液冷却至室温，过滤，滤液经减压蒸馏除去溶剂得到无色晶体625mg，产率98％。用元素分析表征了配合物Cu-2的结构，其分子式为C15H12ClCuN2，其中C,56.50；H,3.82；N,8.69。理论值为C,56.58；H,3.71；N,8.64。
实施例4合成络合物Cu-3(C15H10ClCuI2N2)
在50mL烧瓶中加入配体L3 509mg(1.0mmol)，苯乙炔铜182mg(1.1mmol)，乙腈25mL，在50～60℃油浴中，搅拌反应20小时，反应混合液冷却至室温，过滤，滤液经减压蒸馏除去溶剂得到无色晶体520mg，产率91％。用元素分析表征了配合物Cu-3的结构，其分子式为C15H10ClCuI2N2，其中C,31.74；H,1.72；N,4.85。理论值为C,31.70；H,1.72；N,4.80。
实施例5合成络合物Cu-4(C21H26ClCuN2)
在50mL烧瓶中加入配体L4 343mg(1.0mmol)，苯乙炔铜182mg(1.1mmol)，乙腈15mL，在50～60℃油浴中，搅拌反应15小时，反应混合液冷却至室温，过滤，滤液经减压蒸馏除去溶剂得到无色晶体389mg，产率96％。1H NMR(400MHz,CDCl3):δ6.95(s,4H,Ar-H),3.95(br.s,4H,NCH2CH2N),2.31(s,12H,CH3),2.30(s,6H,CH3).13C NMR(100MHz,CDCl3):δ202.7(Cu-C),138.7,135.5,135.1,129.8,51.0,21.1,18.1。
实施例6合成络合物Cu-5(C27H36ClCuN2)
在50mL烧瓶中加入配体L5 850mg(2.0mmol)，苯乙炔铜363mg(2.2mmol)，乙腈20mL，在70～80℃油浴中，搅拌反应12小时，反应混合液冷却至室温，过滤，滤液经减压蒸馏除去溶剂得到无色晶体848mg，产率87％。1H NMR(400MHz,CDCl3):δ7.49(t,J＝7.6Hz,2H,Ar-H),7.29(d,J＝7.6Hz,4H,Ar-H),7.13(s,2H,NCHCHN),2.48-2.59(m,4H,CH(CH3)2),1.29,1.22(both d,J＝6.8Hz,each 12H,CH3).13C NMR(100MHz,CDCl3):δ180.7(Cu-C),145.6,134.5,130.6,124.3,123.3,28.8,24.9,24.0。
实施例7合成络合物Cu-6(C19H20ClCuN2)
在50mL烧瓶中加入配体L6 313mg(1.0mmol)，苯乙炔铜182mg(1.1mmol)，乙腈15mL，在70～80℃油浴中，搅拌反应6小时，反应混合液冷却至室温，过滤，滤液经减压蒸馏除去溶剂得到无色晶体338mg，产率90％。用元素分析表征了配合物Cu-6的结构，其分子式为C19H20ClCuN2，其中C,60.50；H,5.42；N,7.63。理论值为C,60.66；H,5.41；N,7.54。
实施例8合成络合物Cu-7(C21H18BrCuN2)
在50mL烧瓶中加入配体L7 758mg(2.0mmol)，苯乙炔铜363mg(2.2mmol)，乙腈20mL，在70～80℃油浴中，搅拌反应24小时，反应混合液冷却至室温，过滤，滤液经减压蒸馏除去溶剂得到白色固体796mg，产率94％。1H NMR(400MHz,CDCl3):δ7.22-7.35(m,10H,Ph-H),6.96(dd,J＝3.2,6.0Hz,2H,benzimidazole-H),6.86(dd,J＝3.6,5.6Hz,2H,benzimidazole-H),5.11(s,4H,CH2).13C NMR(100MHz,CDCl3):δ136.4,128.9,127.8,127.6,121.5,108.4,45.1。
实施例9合成络合物Cu-8(C27H38ClCuN2)
在50mL烧瓶中加入配体L8 427mg(1.0mmol)，苯乙炔铜182mg(1.1mmol)，乙腈15mL，在40～50℃油浴中，搅拌反应20小时，反应混合液冷却至室温，过滤，滤液经减压蒸馏除去溶剂得到无色晶体446mg，产率91％。1H NMR(400MHz,CDCl3):δ7.38(t,J＝8.0,7.6Hz,2H,Ar-H),7.23(d,J＝8.0Hz,4H,Ar-H),4.00(br.s,4H,NCH2CH2N),3.00-3.10(m,4H,CH(CH3)2),1.34,1,33(both d,J＝7.2Hz,each 12H,CH3).13C NMR(100MHz,CDCl3):δ203.0(Cu-C),146.7,134.5,129.9,124.6,53.8,29.0,25.6,24.0。
实施例10合成络合物Cu-9(C27H38BrCuN2)
在50mL烧瓶中加入配体L9 472mg(1.0mmol)，苯乙炔铜182mg(1.1mmol)，乙腈20mL，在70～80℃油浴中，搅拌反应12小时，反应混合液冷却至室温，过滤，滤液经减压蒸馏除去溶剂得到无色晶体507mg，产率95％。1H NMR(400MHz,CDCl3):δ7.39(t,J＝7.2,8.0Hz,2H,Ar-H),7.23(d,J＝8.0Hz,4H,Ar-H),4.02(br s,4H,NCH2CH2N),3.01-3.10(m,4H,CH(CH3)2),1.35(d,J＝6.8Hz,12H,CH3),1.33(d,J＝6.4Hz,12H,CH3).13C NMR(100MHz,CDCl3):δ203.6(Cu-C),146.7,134.4,129.9,124.6,53.8,29.0,25.6,24.0。
实施例11合成络合物Cu-10(C27H36BrCuN2)
在50mL烧瓶中加入配体L10 704mg(1.5mmol)，苯乙炔铜330mg(2mmol)，乙腈20mL，在50～60℃油浴中，搅拌反应24小时，反应混合液冷却至室温，过滤，滤液经减压蒸馏除去溶剂得到无色晶体742mg，产率93％。1H NMR(400MHz,CDCl3):δ7.49(t,J＝7.6,8.0Hz,2H,Ar-H),7.29(d,J＝8.0Hz,4H,Ar-H),7.14(s,2H,NCHCHN),2.52-2.61(m,4H,CH(CH3)2),1.30,1.22(both d,J＝6.8Hz,each 12H,CH3).13C NMR(100MHz,CDCl3):δ181.5(Cu-C),145.7,134.4,130.7,124.3,123.2,28.8,24.9,24.0。
实施例12合成络合物Cu-11(C27H38CuIN2)
在50mL烧瓶中加入配体L11 519mg(1.0mmol)，苯乙炔铜495mg(3mmol)，乙腈20mL，在60～70℃油浴中，搅拌反应24小时，反应混合液冷却至室温，过滤，滤液经减压蒸馏除去溶剂得到无色晶体546mg，产率94％。1H NMR(400MHz,CDCl3):δ7.39(t,J＝7.6Hz,2H,Ar-H),7.24(d,J＝8.0Hz,4H,Ar-H),4.02(s,4H,NCH2CH2N),3.02-3.10(m,4H,CH(CH3)2),1.36,1.33(both d,J＝7.2Hz,each 12H,CH3).13C NMR(100MHz,CDCl3):δ204.4(Cu-C),146.7,134.2,129.9,124.6,53.8,29.0,25.6,24.1。
实施例13合成络合物Cu-12(C27H36CuIN2)
在50mL烧瓶中加入配体L12 517mg(1.0mmol)，苯乙炔铜495mg(3mmol)，乙腈25mL，在70～80℃油浴中，搅拌反应20小时，反应混合液冷却至室温，过滤，滤液经减压蒸馏除去溶剂得到无色晶体556mg，产率96％。1H NMR(400MHz,CDCl3):δ7.48(t,J＝8.0,7.6Hz,2H,Ar-H),7.29(d,J＝7.6Hz,4H,Ar-H),7.15(s,2H,NCHCHN),2.50-2.60(m,4H,CH(CH3)2),1.29,1.22(both d,J＝6.8Hz,each 12H,CH3).13C NMR(100MHz,CDCl3):δ183.1(Cu-C),145.6,134.3,130.7,124.2,123.2,28.8,25.0,24.0。
实施例14合成络合物Cu-13(C39H30Cu3F18N12P3)
在50mL烧瓶中加入配体L13 736mg(2.0mmol)，苯乙炔铜495mg(3mmol)，乙腈20mL，在40～50℃油浴中，搅拌反应24小时，反应混合液冷却至室温，过滤，滤液经减压蒸馏除去溶剂得到无色晶体844mg，产率98％。用元素分析表征了配合物Cu-13的结构，其分子式为C39H30Cu3F18N12P3，其中C,36.18；H,2.43；N,12.96。理论值为C,36.33；H,2.40；N,12.89。
实施例15合成络合物Cu-14(C45H42Cu3F18N12P3)
在50mL烧瓶中加入配体L14 1199mg(3.0mmol)，苯乙炔铜990mg(6mmol)，乙腈30mL，在40～50℃油浴中，搅拌反应24小时，反应混合液冷却至室温，过滤，滤液经减压蒸馏除去溶剂得到无色晶体1255mg，产率92％。1H NMR(400MHz,DMSO-d6):δ8.03(t,J＝7.6Hz,6H,Py-H),7.64-7.71(m,12H,Py-H+NCHCHN),7.31(t,J＝6.0,6.4Hz,6H,Py-H),6.43(d,J＝4.8Hz,6H,Py-H),5.07(d,J＝14.4Hz,6H,NCHH),4.97(d,J＝14.8Hz,6H,NCHH).13C NMR(100MHz,DMSO-d6):δ168.3(Cu-C),153.9,148.1,139.5,124.7,124.3,124.1,53.3。
实施例16合成络合物Cu-15(C78H64B2Cu2N16)
在50mL烧瓶中加入配体L15 945mg(1.0mmol)，苯乙炔铜825mg(5mmol)，乙腈20mL，在50～60℃油浴中，搅拌反应10小时，反应混合液冷却至室温，过滤，滤液经减压蒸馏除去溶剂得到黄色固体620mg，产率90％。用元素分析表征了配合物Cu-15的结构，其分子式为C78H64B2Cu2N16，其中C,68.40；H,4.52；N,16.45。理论值为C,68.29；H,4.58；N,16.50
实施例17合成络合物Cu-16(C57H48Cu3F18N12Sb3)
在50mL烧瓶中加入配体L16 1611mg(3.0mmol)，苯乙炔铜1485mg(9mmol)，乙腈25mL，在50～60℃油浴中，搅拌反应48小时，反应混合液冷却至室温，过滤，滤液经减压蒸馏除去溶剂得到无色晶体1673mg，产率93％。1H NMR(400MHz,DMSO-d6):δ7.97(t,J＝6.8,8.0Hz,6H,Py-H),7.84(d,J＝8.0Hz,6H,Py-H),7.77(dd,J＝2.8,5.6Hz,6H,benzimidazole-H),7.51(dd,J＝3.2,6.0Hz,6H,benzimidazole-H),6.99(t,J＝5.6,6.4Hz,6H,Py-H),6.36(d,J＝8.4Hz,6H,Py-H),5.41(d,J＝15.6Hz,6H,NCHH),5.17(d,J＝16.0Hz,6H,NCHH).13C NMR(100MHz,DMSO-d6):δ175.7(Cu-C),153.6,147.8,140.0,134.3,125.0,124.9,124.5,111.0,50.2。
实施例18合成络合物Cu-17(C42H36Cu4F24N16O2P4)
在50mL烧瓶中加入配体L17 674mg(1.0mmol)，苯乙炔铜660mg(4mmol)，乙腈25mL，在40～50℃油浴中，搅拌反应18小时，反应混合液冷却至室温，过滤，滤液经减压蒸馏除去溶剂得到红色固体807mg，产率99％。用元素分析表征了配合物Cu-17的结构，其分子式为C42H36Cu4F24N16O2P4，其中C,30.42；H,2.36；N,13.88。理论值为C,30.71；H,2.40；N,13.93。
实施例19合成络合物Cu-18(C23H22Cu2F12N8OP2)
在50mL烧瓶中加入配体L18 703mg(1.0mmol)，苯乙炔铜495mg(3mmol)，乙腈25mL，在40～50℃油浴中，搅拌反应20小时，反应混合液冷却至室温，过滤，滤液经减压蒸馏除去溶剂得到红色固体810mg，产率96％。用元素分析表征了配合物Cu-18的结构，其分子式为C23H22Cu2F12N8OP2，其中C,32.48；H,2.57；N,13.44。理论值为C,32.75；H,2.63；N,13.28。
对比例1合成络合物Cu-14(C45H42Cu3F18N12P3)
在50mL烧瓶中加入配体L14 1199mg(3.0mmol)，氧化亚铜858mg(6mmol)，乙腈30mL，在40～50℃油浴中，搅拌反应24小时，反应混合液冷却至室温，过滤，溶液浓缩，加入过量乙醚重结晶得到无色晶体936mg，产率68％。
对比例2合成络合物Cu-17(C42H36Cu4F24N16O2P4)
在50mL烧瓶中加入配体L17 674mg(1.0mmol)，氧化亚铜572mg(4mmol)，乙腈25mL，在40～50℃油浴中，搅拌反应18小时，反应混合液冷却至室温，过滤，滤液浓缩，加入过量乙醚重结晶得到红色固体326mg，产率40％。
Claims (8)
1.铜氮杂环卡宾络合催化剂的合成方法，包括：反应溶剂中，氮杂环化合物和含炔基铜结构的化合物，反应得到铜氮杂环卡宾络合物。
2.根据权利要求1所述的合成方法，其特征在于所述氮杂环化合物为含咪唑结构的化合物。
3.根据权利要求2所述的合成方法，其特征在于，所述含咪唑结构的化合物的分子结构式为如下任意一种：
其中R1包括苯基、2,4,6-三甲基苯基、4-碘苯基、2,6-二异丙基苯基、2-吡啶基、2-吡啶甲基或其各自的衍生物，R2包括2-嘧啶基、2-吡啶基或其各自的衍生物；阴离子X-包括Cl-、Br-、I-、BF4 -、BPh4 -、PF6 -、SbF6 -；Y包括亚甲基、3,5-二亚甲基吡唑或其各自的衍生物。
4.根据权利要求1所述的合成方法，其特征在于，所述含炔基铜结构的化合物的分子结构式为R3C≡CCu，其中R3为环己基、苯基、C6-C8的取代苯基。
5.根据权利要求1所述的合成方法，其特征在于反应溶剂包括二氯甲烷和乙腈的至少一种。
6.根据权利要求1所述的合成方法，其特征在于氮杂环化合物和苯乙炔铜的摩尔比例为1:(1～5)。
7.根据权利要求1所述的合成方法，特征在于反应温度为20～30℃。
8.根据权利要求1所述的合成方法，其特征在于反应时间为1～48小时。
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