CN111606855B - 氮杂环卡宾羧酸根双齿配体、双齿钌配合物和制备方法及其催化羧酸-炔烃加成的应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开氮杂环卡宾羧酸根双齿配体和双齿钌配合物、制备方法及其催化羧酸‑炔烃加成的应用，以咪唑及其衍生物和氯乙酸甲酯为原料，合成含咪唑鎓基的双齿配体，氮杂环卡宾螯合配体通过转移金属化，得到氮杂环卡宾羧酸根双齿钌配合物；以氮杂环卡宾羧酸根双齿钌配合物为催化剂，催化分子内或分子间的羧酸‑炔烃加成反应。本发明所提供的配合物具有良好的羧酸‑炔烃加成反应催化活性，尤其是分子内加成反应，温度更温和，催化产率更高。首次使用介离子型氮杂环卡宾‑钌配合物来催化羧酸‑炔烃的加成反应。

Description

氮杂环卡宾羧酸根双齿配体、双齿钌配合物和制备方法及其 催化羧酸-炔烃加成的应用
技术领域
本发明涉及卡宾钌配合物合成技术领域。具体地说是氮杂环卡宾羧酸根双齿配体和双齿钌配合物、制备方法及其催化羧酸-炔烃加成的应用。
背景技术
催化分子内和分子间的羧酸-炔烃加成是一类构筑烯酸酯的方法(Hintermann,L.,Top.Organomet.Chem.,2010,31,123-155；Bruneau,C.,Top.Organomet.Chem.,2013,43,203-230；Abbiati,G.；Beccalli,E.M.,Rossi,E.,Top.Organomet.Chem.,2013,43,231-290；Javier F.,Victorio C.,Catalysts,2017,7,328.)。催化分子内和分子间加成，可获得不饱和的(内)酯类产物，这些产物是天然产物和生物活性分子中常见的结构单元，也是有价值的合成中间体(Rao,Y.S.,Chem.Rev.,1976,76,625-694；Laduwahetty,T.,Contemp.Org.Synth.,1995,2,133–149；Libiszewska,K.,Biotechnol.Food Sci.,2011,75,45-53；Janecki,T.(Ed.)Natural Lactones and Lactams:Synthesis,Occurrence andBiological Activity；Wiley-VCH:Weinheim,Germany,2013；ISBN9783527334148；
Figure BDA0002567148280000011
N.,Lionel L.,Lionel D.,Albert D.,Aust.J.Chem.,2009,62,227-231；JanineJ.,Christian G.,Heinrich L.,J.Org.Chem.,2016,81,476-484；Bathoju C.C.,SunggakK.,J.Org.Chem.,2010,75,7928-7931.)。
用于催化上述反应的最常见的金属包括Pd、Au和Rh等。而其中，最为常见的是Pd(N.Nebra,J.Monot,R.Shaw,B.Martin-Vaca,and D.Bourissou,ACS Catal.2013,3,2930；C.Lambert,K.Utimoto,H.Nozaki,Tetrahedron Lett.,1984,25,5323；L.B.Wolf,K.C.M.F.Tjen,H.T.ten Brink,R.H.Blaauw,H.Hiemstra,H.E.Schoemaker,F.P.J.T.Rutjes,Adv.Synth.Catal.2002,344,70；F.Neatu,L.Protesescu,M.Florea,V.I.Parvulescu,C.M.Teodorescu,N.Apostol,P.Y.Toullec,V.Michelet,GreenChem.2010,12,2145；J.Garcia-Alvarez,J.Diez,C.Vidal,Green Chem.2012,14,3190.)。
现有报道中关于金属Ru的配位体系，催化此类反应，尤其是分子内羧酸-炔烃加成反应的报导并不多(T.Opstal,F.Verpoort,Tetrahedron Lett.,2002,43,9259；T.Opstal,F.Verpoort,Synlett,2003,3,314；K.Melis,F.Verpoort，Journal of MolecularCatalysis A:Chemical，2003，194，39-47；T.-A.Mitsudo,Y.Hori,Y.Yamakawa,Y.Watanabe,J.Org.Chem.1987,52,2230；E.Musengimana1,C.Fatakanwa1,J.Iran.Chem.Soc.2016,13,253.)。并且，催化分子内羧酸-炔烃加成反应仅有的金属钌体系，其反应大都在较高温度下(>100℃)进行，反应条件苛刻，不利于操作，同时所制备的金属钌催化剂稳定差，使用寿命短。
发明内容
为此，本发明所要解决的技术问题在于提供一种的氮杂环卡宾羧酸根双齿配体和双齿钌配合物、制备方法及其催化羧酸-炔烃加成的应用，氮杂环卡宾钌配合物催化分子内和分子间羧酸-炔烃加成反应的温度更温和，产率更高。
为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：
氮杂环卡宾羧酸根双齿配体，为含咪唑鎓基的双齿配体，结构如L1、L2、L3和L4所示：
Figure BDA0002567148280000021
氮杂环卡宾羧酸根双齿钌配合物，其结构如Ru-L1、Ru-L2、Ru-L3和Ru-L4所示：
Figure BDA0002567148280000031
氮杂环卡宾羧酸根双齿钌配合物的制备方法，包括如下步骤：
(1)以咪唑及其衍生物和氯乙酸甲酯为原料，合成如权利要求1所述的含咪唑鎓基的双齿配体；
(2)氮杂环卡宾螯合配体通过转移金属化，得到如权利要求2所述的氮杂环卡宾羧酸根双齿钌配合物。
上述氮杂环卡宾羧酸根双齿钌配合物的制备方法，在步骤(1)中，
氮杂环卡宾羧酸根双齿配体L1的制备方法：由5mmol的1-甲基咪唑与5.5mmol的氯乙酸甲酯在7mL乙腈中，90℃下反应24小时后抽干溶剂，并用乙醚洗涤得到；
氮杂环卡宾羧酸根双齿配体L2的制备方法：由5mmol的1-苯基咪唑与5.5mmol的氯乙酸甲酯在7mL乙腈中，90℃下反应24小时后抽干溶剂，并用乙醚洗涤得到；
氮杂环卡宾羧酸根双齿配体L3的制备方法：由5mmol的1-甲基-2-苯基咪唑与5.5mmol的氯乙酸甲酯在10mL的乙腈中，90℃下反应24小时后抽干溶剂，并用乙醚洗涤得到；
氮杂环卡宾羧酸根双齿配体L4的制备方法：由5mmol 1,2-二苯基咪唑与5.5mmol的氯乙酸甲酯在10mL的乙腈中，90℃下反应24小时后抽干溶剂，并用乙醚洗涤得到。
上述氮杂环卡宾羧酸根双齿钌配合物的制备方法，在步骤(2)中，氮杂环卡宾羧酸根双齿配体和Ag2O在二氯甲烷中，室温避光反应，得到银卡宾，然后加入[RuCl2(cym)]2的二氯甲烷溶液，室温发生转移金属化反应，得到氮杂环卡宾羧酸根双齿钌配合物。
上述氮杂环卡宾羧酸根双齿钌配合物的制备方法，将0.5mmol的氮杂环卡宾羧酸根双齿配体和0.66mmol的氧化银在10mL二氯甲烷中混合，室温条件下避光反应24小时，将过滤得到的银卡宾中间体溶液滴加到含0.25mmol的[RuCl2(cym)]2的5mL二氯甲烷溶液中继续避光反应24小时，离心取滤液，抽干得到橙红色粗产物，通过柱层析法分离提纯得到氮杂环卡宾羧酸根双齿钌配合物，色谱柱填料为硅胶，洗脱剂为二氯甲烷与甲醇混合液，体积比为10：1。
氮杂环卡宾羧酸根双齿钌配合物催化羧酸-炔烃加成的应用，以氮杂环卡宾羧酸根双齿钌配合物为催化剂，催化分子内或分子间的羧酸-炔烃加成反应，催化反应温度小于100℃。
上述氮杂环卡宾羧酸根双齿钌配合物催化羧酸-炔烃加成的应用，在催化分子内加成反应中，以炔酸为反应底物，在氘代氯仿中，催化剂负载量为炔酸物质的量的1-2％，反应时间为2/3-24h，反应温度为60℃。
上述氮杂环卡宾羧酸根双齿钌配合物催化羧酸-炔烃加成的应用，在催化分子间羧酸-炔烃加成反应中，以端炔和苯甲酸衍生物为反应底物，加入催化剂和三氟甲烷磺酸银AgOTf，催化剂负载量为苯甲酸衍生物物质的量的1％，AgOTf的加入量为苯甲酸衍生物物质的量的1％，在甲苯中，反应16h，反应温度为70℃。
本发明的技术方案取得了如下有益的技术效果：
1、二价钌配合物催化剂的合成简单高效，无需除水除氧的严苛条件。
2、二价钌配合物的稳定性高，耐保存，室温保存一个月，核磁显示没有分解迹象。
3、首次使用介离子型氮杂环卡宾-钌配合物来催化羧酸-炔烃的加成反应，该催化体系与已知的其他催化体系相比，具有良好的羧酸-炔烃加成反应催化活性，催化分子内和分子间羧酸-炔烃加成反应，尤其是分子内加成反应，温度更温和(60-70℃)，催化产率更高。
附图说明
图1氮杂环卡宾羧酸根双齿钌配合物L1、L2、L3和L4的合成路线图；
图2氮杂环卡宾羧酸根双齿钌配合物催化分子内羧酸-炔烃加成反应的路线图；
图3氮杂环卡宾羧酸根双齿钌配合物催化分子间羧酸-炔烃加成反应的路线图。
具体实施方式
实施例中所用的仪器信息如下：
核磁共振波谱仪型号：Varian 600MHz spectrometer、Bruker 400MHzspectrometer
质谱仪型号：Agilent 6540Q-TOF mass spectrometer
元素分析：vario EL cube elemental analyzer
第一部分：氮杂环卡宾羧酸根双齿钌配合物Ru-L1、Ru-L2、Ru-L3、Ru-L4的合成。
氮杂环卡宾羧酸根双齿配体，可以与过渡金属二价钌金属中心配位的卡宾配体和卡宾边臂的羧酸根进行配位，从而得到氮杂环卡宾羧酸根双齿钌配合物。氮杂环卡宾羧酸根双齿配体同时含有能与过渡金属钌配位的羧酸根负离子和卡宾配体。这类氮杂环卡宾羧酸根双齿配体与钌前驱体[RuCl2(cym)]2(购自Adamas-beta公司)在二氯甲烷(CH2Cl2)溶剂中发生配位作用，即得到相应的二价钌配合物。
实施例1：Ru-L1、Ru-L2的合成，合成路线如图1所示。
1、氮杂环卡宾羧酸根双齿配体L1的合成：由5mmol的1-甲基咪唑与5.5mmol的氯乙酸甲酯在7mL乙腈中，90℃下反应24小时后抽干溶剂，并用乙醚洗涤得到。
氮杂环卡宾羧酸根双齿配体L2的合成：由5mmol的1-苯基咪唑与5.5mmol的氯乙酸甲酯在7mL乙腈中，90℃下反应24小时后抽干溶剂，并用乙醚洗涤得到。
Figure BDA0002567148280000061
2、Ru-L1、Ru-L2的合成
Figure BDA0002567148280000062
将氮杂环卡宾羧酸根双齿配体L1/氮杂环卡宾羧酸根双齿配体L2(0.5mmol)和氧化银(0.66mmol)在10mL二氯甲烷中混合，室温条件下避光反应24小时，将过滤得到的银卡宾中间体溶液滴加到[RuCl2(cym)]2(0.25mmol)的5mL二氯甲烷溶液中继续避光反应24小时，离心取滤液，抽干得到橙红色粗产物，通过柱层析法分离提纯得到氮杂环卡宾羧酸根双齿钌配合物Ru-L1、Ru-L2。色谱柱填料为硅胶，洗脱剂为二氯甲烷与甲醇混合液，体积比为10：1。
配合物Ru-L1的分离收率为46％。1H NMR(CDCl3,600MHz):δ＝7.23,7.00(s,2H,Imd-H),5.56,5.48,5.38,5.27(br s,4H,cymene),4.75,4.60(br s,2H,NCH2),3.82(s,3H,NCH3),2.78(br s,1H,cym-CH(CH3)2),2.12(s,3H,cym-CH3),1.22-1.11(m,6H,cym-CH(CH 3)2).13C NMR(CDCl3,150MHz):δ(ppm)174.3(C＝O),173.9(NCN),123.9,123.7(Ar-C),109.7,101.5,85.9,83.9,83.1,81.9(cymene-C),54.0(NCH2),38.6(NCH3),32.0(cym-CH(CH3)2),24.6,21.7(cym-CH(CH3)2),19.6(cym-CH3).Anal.Calcd for C16H21N2O2ClRu(％):C,46.89；H,5.16；N,6.83.Found(％):C,47.20；H,4.88；N,6.45.ESI-MS:m/z 375[M-Cl]+。
配合物Ru-L2的分离收率为39％。1H NMR(CDCl3,600MHz):δ7.82-7.81(m,2H,Ar-H),7.524-7.519(br s,3H,Ar-H)7.182-7.180(m,1H,Ar-H),7.04(s,1H,Ar-H),5.25(d,1H,Ar(cym)-H,3JH,H＝6Hz),5.02(d,1H,,Ar(cym)-H,3JH,H＝6Hz),4.83(d,1H,Ar(cym)-H,3JH,H＝6Hz),4.65,4.50(d,2H,NCH2,2JH,H＝16Hz)4.02(br s,1H,Ar(cym)-H),2.54-2.49(m,1H,cym-CH(CH3)2),1.99(s,3H,cym-CH3),1.05-1.03(m,6H,cym-CH(CH 3)2).13C NMR(CDCl3,150MHz):δ(ppm)174.6(C＝O),141.4,130.0,129.9,128.4,124.7,123.2(Ar-C),105.0,103.2,89.3,87.4,83.3,79.9(cymene-C),54.1(NCH2),31.4(cym-CH(CH3)2),23.9,22.2(cym-CH(CH3)2),19.4(cym-CH3).Anal.Calcd for C21H23N2O2ClRu(％):C,53.44；H,4.91；N,5.94.Found(％):C,53.98；H,4.72；N,5.61.ESI-MS:m/z 437[M-Cl]+。
实施例2：Ru-L3、Ru-L4的合成，合成路线如图1所示。
1、氮杂环卡宾羧酸根双齿配体L3的合成：由5mmol的1-甲基-2-苯基咪唑与5.5mmol的氯乙酸甲酯在10mL的乙腈中，90℃下反应24小时后抽干溶剂，并用乙醚洗涤得到。
氮杂环卡宾羧酸根双齿配体L4的合成：由5mmol 1,2-二苯基咪唑与5.5mmol的氯乙酸甲酯在10mL的乙腈中，90℃下反应24小时后抽干溶剂，并用乙醚洗涤得到。
Figure BDA0002567148280000071
2、Ru-L3、Ru-L4的合成
Figure BDA0002567148280000081
将氮杂环卡宾羧酸根双齿配体L3/氮杂环卡宾羧酸根双齿配体L4(0.5mmol)和氧化银(0.66mmol)在10mL二氯甲烷中混合，室温条件下避光反应24小时，将过滤得到的银卡宾中间体溶液滴加到[RuCl2(cym)]2(0.25mmol)的5mL二氯甲烷溶液中继续避光反应24小时，离心取滤液，抽干得到橙红色粗产物，通过柱层析法分离提纯得到氮杂环卡宾羧酸根双齿钌配合物Ru-L3、Ru-L4。色谱柱填料为硅胶，洗脱剂为二氯甲烷与甲醇混合液，体积比为10：1。
Ru-L3分离收率为32％。1H NMR(CDCl3,600MHz):δ＝7.57-7.51(m,3H,Ar-H),7.29(br s,3H,Ar-H),5.48,5.36,5.25,5.22(d,4H,Ar(cym)-H,3JH,H＝6Hz),4.86,4.13(d,2H,NCH2,2JH,H＝15Hz),3.63(s,3H,NCH3),2.80-2.76(m,1H,cym-CH(CH3)2),2.10(s,3H,cym-CH3),1.21-1.19(m,6H,cym-CH(CH 3)2).13C NMR(CDCl3,150MHz):δ(ppm)171.5(C＝O),150.7(NCN),143.0,132.3,130.8,130.2,125.9,123.6(Ar-C),102.1,98.6,88.1,86.1,84.9,84.7(cymene-C),53.4(NCH2),35.4(NCH3),31.0(cym-CH(CH3)2),23.2,22.9(cym-CH(CH3)2),18.9(cym-CH3).Anal.Calcd.for C22H25N2O2ClRu(％):C,54.37；H,5.19；N,5.76.Found(％):C,54.11；H,5.57；N,5.38.ESI-MS:m/z 451[M-Cl]+。
Ru-L4的分离收率为36％。1H NMR(CDCl3,600MHz):δ＝7.47(s,1H,Ar-H),7.42-7.32(m,6H,Ar-H),7.17-7.13(m,4H,Ar-H),5.52,5.39,5.31,5.24(d,4H,Ar(cym)-H,3JH,H＝6Hz),5.04,4.29(d,2H,NCH2,2JH,H＝15Hz),2.83-2.78(m,1H,cym-CH(CH3)2),2.12(s,3H,cym-CH3),1.23-1.20(m,6H,cym-CH(CH 3)2).13C NMR(CDCl3,150MHz):δ(ppm)171.6(C＝O),150.7(NCN),142.7,136.6,131.9,131.4,131.1,130.4,130.1,129.8,126.2,126.1,123.6(Ar-C),102.2,98.8,88.8,85.5,84.5(cymene-C),53.4(NCH2),31.1(cym-CH(CH3)2),23.2,22.8(cym-CH(CH3)2),18.8(cym-CH3).Anal.Calcd.for C27H27N2O2ClRu(％):C,59.17；H,4.97；N,5.11.Found(％):C,59.55；H,4.68；N,4.79.ESI-MS:m/z 513[M-Cl]+。
第二部分、催化分子内或分子间的羧酸-炔烃加成反应
实施例3-实施例11：氘代氯仿中炔酸的分子内加成反应，合成路线如图2所示。
以0.2mmol的炔酸为反应底物，溶于1mL CDCl3中，加入不同物质的量的氮杂环卡宾羧酸根双齿钌配合物(催化剂量为炔酸物质的量的百分数)，封口反应温度60℃，考察反应时间分别4h、2/3h和24h的反应情况，反应结束直接转移至核磁管，测试粗产品的核磁氢谱，并据此计算核磁收率。
实施例3-实施例11的催化剂、催化剂加入量、反应时间即产率如表1所示。
表1为羧酸-炔烃分子内加成反应的催化条件筛选和底物拓展。
Figure BDA0002567148280000091
其中，产率通过核磁氢谱中未消耗完的炔基氢与产物烯烃的氢积分比例计算而来。
实施例12-实施例18：末端炔烃与苯甲酸的分子间加成反应，合成路线如图3所示。
取苯甲酸的衍生物(1.0mmol)和末端炔烃(2.0mmol)，置于1mL甲苯中，然后加入量为苯甲酸的衍生物物质的量的1％的AgOTf(三氟甲烷磺酸银)和苯甲酸的衍生物物质的量的1％的氮杂环卡宾羧酸根双齿钌配合物催化剂，封口反应温度为70℃，反应时间为16h。反应结束后抽干甲苯，再加入三甲氧基苯(1.0mmol)为内标，测试粗产品的核磁氢谱，并据此计算核磁收率和选择性。
实施例12-实施例18具体加入的苯甲酸的衍生物和末端炔烃，如表2所示。
表2分子间加成反应的产率及选择性
实施例 R<sub>1</sub> R<sub>2</sub> 产率％ E/Z/G％
12 H C<sub>6</sub>H<sub>5</sub> 58 40/14/4
13 o-Me C<sub>6</sub>H<sub>5</sub> 88 66/19/3
14 p-Cl C<sub>6</sub>H<sub>5</sub> 59 36/18/5
15 p-Br C<sub>6</sub>H<sub>5</sub> 53 31/16/6
16 o-Me n-C<sub>4</sub>H<sub>9</sub> 20 10/8/2
17 p-Cl n-C<sub>4</sub>H<sub>9</sub> 60 28/26/16
18 p-Br n-C<sub>4</sub>H<sub>9</sub> 45 20/14/11
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本专利申请权利要求的保护范围之中。

Claims (7)

1.氮杂环卡宾羧酸根双齿钌配合物，其特征在于，其结构如Ru-L1、Ru-L2、Ru-L3和Ru-L4所示：
Figure FDA0003118467380000011
2.一种如权利要求1所述的氮杂环卡宾羧酸根双齿钌配合物的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)以咪唑衍生物和氯乙酸甲酯为原料，合成含咪唑鎓基的氮杂环卡宾羧酸根双齿配体；
(2)氮杂环卡宾羧酸根双齿配体和Ag2O在二氯甲烷中，室温避光反应，得到银卡宾，然后加入到[RuCl2(p-cymene)]2的二氯甲烷溶液中，室温发生转移金属化反应，得到氮杂环卡宾羧酸根双齿钌配合物；
步骤(1)和步骤(2)如下所示：
Figure FDA0003118467380000021
3.根据权利要求2所述的氮杂环卡宾羧酸根双齿钌配合物的制备方法，其特征在于，在步骤(1)中，
氮杂环卡宾羧酸根双齿配体1的制备方法：由5mmol的1-甲基咪唑与5.5mmol的氯乙酸甲酯在7mL乙腈中，90℃下反应24小时后抽干溶剂，并用乙醚洗涤得到；
氮杂环卡宾羧酸根双齿配体2的制备方法：由5mmol的1-苯基咪唑与5.5mmol的氯乙酸甲酯在7mL乙腈中，90℃下反应24小时后抽干溶剂，并用乙醚洗涤得到；
氮杂环卡宾羧酸根双齿配体3的制备方法：由5mmol的1-甲基-2-苯基咪唑与5.5mmol的氯乙酸甲酯在10mL的乙腈中，90℃下反应24小时后抽干溶剂，并用乙醚洗涤得到；
氮杂环卡宾羧酸根双齿配体4的制备方法：由5mmol 1,2-二苯基咪唑与5.5mmol的氯乙酸甲酯在10mL的乙腈中，90℃下反应24小时后抽干溶剂，并用乙醚洗涤得到。
4.根据权利要求3所述的氮杂环卡宾羧酸根双齿钌配合物的制备方法，其特征在于，将0.5mmol的氮杂环卡宾羧酸根双齿配体和0.66mmol的氧化银在10mL二氯甲烷中混合，室温条件下避光反应24小时，将过滤得到的银卡宾中间体溶液滴加到含0.25mmol的[RuCl2(p-cymene)]2的5mL二氯甲烷溶液中继续避光反应24小时，离心取滤液，抽干得到橙红色粗产物，通过柱色谱法提纯得到氮杂环卡宾羧酸根双齿钌配合物，色谱柱填料为硅胶，洗脱剂为二氯甲烷与甲醇混合液，体积比为10：1。
5.如权利要求1所述的氮杂环卡宾羧酸根双齿钌配合物催化羧酸-炔烃加成的应用，其特征在于，以氮杂环卡宾羧酸根双齿钌配合物为催化剂，催化分子内或分子间的羧酸-炔烃加成反应，催化反应温度小于100℃。
6.根据权利要求5所述的氮杂环卡宾羧酸根双齿钌配合物催化羧酸-炔烃加成的应用，其特征在于，在催化分子内加成反应中，以炔酸为反应底物，在氘代氯仿中，催化剂负载量为炔酸物质的量的1-2％，反应时间为2/3-24h，反应温度为60℃。
7.根据权利要求5所述的氮杂环卡宾羧酸根双齿钌配合物催化羧酸-炔烃加成的应用，其特征在于，在催化分子间羧酸-炔烃加成反应中，以端炔和苯甲酸或其衍生物为反应底物，加入催化剂和三氟甲烷磺酸银AgOTf，催化剂负载量为苯甲酸或其衍生物物质的量的1％，AgOTf的加入量为苯甲酸或其衍生物物质的量的1％，在甲苯中，反应16h，反应温度为70℃；所述苯甲酸衍生物为：
Figure FDA0003118467380000031
R1为o-Me、p-Cl或p-Br。
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