CN112979714A - 一种三碟烯卡宾三齿金属配合物及其应用 - Google Patents

一种三碟烯卡宾三齿金属配合物及其应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种三碟烯卡宾三齿金属配合物，其结构式为，

Description

一种三碟烯卡宾三齿金属配合物及其应用
技术领域
本发明属于有机合成技术领域，涉及一种三碟烯卡宾三齿金属配合物及其在有机合成上的应用。
背景技术
金属催化剂具有丰富的反应性，在有机合成中起着十分重要的作用，成为各类有机化学反应中如氢化、偶联、环加成等反应中应用最广泛的催化剂。在过去的几十年里，由于其具有反应条件温和、底物的适用范围较广、副产物无毒害以及产物易于处理等优点，使得金属钯催化剂被广泛地应用于实验室研究、制药业已经精细化工领域，用来合成很多种类型的有机化合物。
以Suzuki反应为例，Suzuki反应是最常用的构筑芳香环偶联反应之一，其中最为常用的就是金属催化剂，该类型的催化体系得到了非常广泛的研究，由于金属催化剂对于空气和热有着相对较高的稳定性，且在催化反应中易于回收利用，反应有着较高的活性，而且其中一些比较成熟的体系可以在比较温和的条件下催化活化和非活化氯苯的和苯硼酸的偶联，因此成为现代有机合成最重要的手段之一，被应用到很多有机分子合成领域。
尽管金属催化剂的研究已经有了很大的进展，但是其在工业上的应用仍然存在着很多的问题和缺陷。由于其价格昂贵，对于许多配体和催化剂体系而言，存在着结构复杂、制备条件苛刻、容易失活及反应后难以回收利用等问题因此高稳定性、高活性、底物适用范围广、可回收利用性、造价低廉、有很高的 TON和TOF的金属催化剂依然是很重要的研究内容。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供一种具有高稳定性、高活性、底物适用范围广的金属催化剂及该化合物的应用，该类化合物合成步骤简单，收率高，成本较低，适用于各类不同的金属催化反应，有较高的推广应用价值。
为实现上述目的，本发明通过以下技术方案实现：
一种三碟烯卡宾三齿金属配合物，其结构式为，
Figure RE-GDA0003022959630000021
其中，RA可相同或不同，各自独立的表示为R1-(Z1-A1-Z2)v-；
RB表示为R2-(Z3-A2-Z4)w-；
RC表示为R3-(Z5-A3-Z6)x-；
RD表示为R4-(Z7-A4-Z8)y-；
RE表示为R5-(Z9-A5-Z10)z-
其中，R1、R2、R3、R4和R5各自独立的选自-H、-D、-T、-Cl、-CN、-CD3、 -CF3、-OCF3、-COOH、碳原子数为1-15的烷基、碳原子为1-15的烷氧基、碳原子数为2-15的直链烯烃基、氟代的碳原子数为1-15的烷基、氟代的碳原子数为1-15的烷氧基或氟代的碳原子数为2-15的直链烯烃基中、9-三碟烯基的任意一种；
Z1、Z2、Z3、Z4、Z5、Z6、Z7、Z8、Z9和Z10各自独立的选自-O-、-S-、-OCO-、 -COO-、-CO-、-CH2O-、-OCH2-、-OCF2-、碳原子数为1-15的直链烷基、碳原子数为2-15的直链烯烃基、碳原子数为2-15的直链炔基、氟代的碳原子数为 1-15的直链烷基、氟代的碳原子数为2-15的烯烃基或碳碳单键中的至少一种；
A1、A2、A3、A4、A5各自独立的选自1,4-亚环己基、1,4-亚苯基、二苯基氧磷基、N-苯基-咔唑-2-基、N-苯基-咔唑-3-基、9,10-蒽基、1-萘基、2-萘基、4-三苯胺基、2,5-嘧啶基、3,9-咔唑基、2,5-吡啶基、2,5-四氢-2H-吡喃基、1,3-二噁烷-2,5-基、1,2,4-噁二唑-3,5-基、氟代的1,4-亚环己基、氟代的吡喃环二基、环内酯二基、五元氧杂环二基、五元硫杂环二基、五元氮杂环二基或碳碳单键中的一种；
v、w、x、y和z各自独立的表示0-3的整数；
A、B表示包含至少2个碳原子的环状结构或无环状结构；
X表示Cl、Br、I原子；
Y表示N、C原子；
M表示Pd、Pt、Cu原子；
P表示Cl、Br、I、PF6或BF4基团。
进一步的，所述v、w、x、y或z均为2或3时，结构单元Z1-A1-Z2中， Z1相同或不同，A1相同或不同，Z2相同或不同；结构单元Z3-A2-Z4中，Z3相同或不同，A2相同或不同，Z4相同或不同；结构单元Z5-A3-Z6中，Z5相同或不同， A3相同或不同，Z6相同或不同；结构单元Z7-A4-Z8中，Z7相同或不同，A4相同或不同，Z8相同或不同；结构单元Z9-A5-Z10中，Z9相同或不同，A5相同或不同， Z10相同或不同。
上述任一项的三碟烯卡宾三齿金属配合物应用于催化剂中。
进一步的，所述催化剂用于包括但不限于Suzuki反应、Buchwald-Hartwig 反应、Heck反应、Still反应或Negishi反应。
本发明的有益效果是：
本发明说提供的化合物，检测正确，基于现阶段有机反应所用的金属催化剂无法适用于多种底物，且催化剂含量使用较高，成本高昂，难以长时间保存等问题。
本申请提供的三碟烯卡宾三齿金属配合物作为催化剂，制备简便，收率高，适用于多种底物，催化剂使用量可降至万分之一，对于各类金属催化的反应均有较好的催化效果。对于研究催化反应的进展与应用，具有重要的应用价值。
具体实施方式
以下通过实施例来详细说明本发明的技术方案，以下的实施例仅是示例性的，仅能用来解释和说明本发明的技术方案，而不能解释为是对本发明技术方案的限制。
实施例1化合物Cat-001的制备
Figure RE-GDA0003022959630000041
向100mL两口瓶内，加入110mg(0.20mmol)Cat-001a，45mg(0.20mmol) 醋酸钯，67mg(0.60mmol)t-BuOK，20mL四氢呋喃，回流反应2h，抽干溶剂，氧化铝柱层析，甲醇淋洗得到黄色固体106mg，收率81％。
实施例2化合物Cat-002的制备
Figure RE-GDA0003022959630000042
Figure RE-GDA0003022959630000051
向100mL两口瓶内，加入167mg(0.20mmol)Cat-002a，45mg(0.20mmol) 醋酸钯，67mg(0.60mmol)t-BuOK，20mL四氢呋喃，回流反应2h，抽干溶剂，氧化铝柱层析，甲醇淋洗得到黄色固体166mg，收率88％。
实施例3化合物Cat-003的合成
Figure RE-GDA0003022959630000052
向100mL两口瓶内，加入179mg(0.20mmol)Cat-003a，67mg(0.20mmol) 氯化铂，67mg(0.60mmol)t-BuOK，20mL四氢呋喃，回流反应2h，抽干溶剂，氧化铝柱层析，甲醇淋洗得到黄色固体196mg，收率90％。
实施例4化合物Cat-004的制备
Figure RE-GDA0003022959630000061
向100mL两口瓶内，加入170mg(0.20mmol)Cat-004a，45mg(0.20mmol) 醋酸钯，67mg(0.60mmol)t-BuOK，20mL四氢呋喃，回流反应2h，抽干溶剂，氧化铝柱层析，甲醇淋洗得到黄色固体190mg，收率94％。
实施例5 Suzuki偶联反应催化比较
在装有磁子的Schlenk管中依次加入1.5mmol苯硼酸、1.1mmol的叔丁醇钾和0.01％mmol的催化剂(化合物Cat-001、Cat-002、Cat-003、Cat-004、 1)，然后加入1.0mmol的对甲氧基溴苯、1mL异丙醇，80℃下搅拌2h。然后用二氯甲烷溶解后拌入氧化铝，柱层析(淋洗液二氯甲烷/石油醚＝2:1)，得到无色的产品，称重后计算产率。
其中化合物Cat-001、Cat-002、Cat-003、Cat-004为实施例1至4合成的三碟烯卡宾三齿金属配合物，对比例1为Pd(PPh3)2Cl2，反应通式如下：
Figure RE-GDA0003022959630000062
其反应结果如下表1所示：
表1、Suzuki反应对比试验结果
试验编号 采用催化剂 收率(％)
1 Cat-001 88
2 Cat-002 91
3 Cat-003 88
4 Cat-004 93
5 1 67
由上可知，本发明专利方法制得的金属催化剂(实施例1-4，试验编号为 1-4)在应用中和对比例1(试验编号5)相比，由于含有三碟烯大位阻基团能够稳定催化循环中的零价中间体，使得催化效率提升，在仅用万分之一的用量就能以非常高的收率实现Suzuki催化反应，而在工业生产中，催化剂的用量对于原材料的成本控制，后处理的难易程度均存在非常大的影响，在成本控制上有着巨大的优势，这是对比例所不能达到的。
实施例6Hartwig-Buchwald偶联反应催化比较
在装有磁子的Schlenk管中依次加入1.0mmol对甲氧基溴苯、1.1mmol 的叔丁醇钾和0.01％mmol的催化剂(化合物Cat-001、Cat-002、Cat-003、 Cat-004、2)，然后加入1.2mmol的二苯胺、1mL甲苯，100℃下搅拌2h。然后用二氯甲烷溶解后拌入氧化铝，柱层析(淋洗液二氯甲烷/石油醚＝2:1)，得到无色的产品，称重后计算产率。
其中化合物Cat-001、Cat-002、Cat-003、Cat-004为实施例1至4合成化合物，对比例2为Pd(PPh3)4，反应通式如下：
Figure RE-GDA0003022959630000071
其反应结果如下表2所示：
表2、Hartwig-Buchwald反应对比试验结果
试验编号 采用催化剂 收率(％)
6 Cat-001 81
7 Cat-002 84
8 Cat-003 91
9 Cat-004 76
10 2 54
由上可知，与实施例5类似，本发明专利方法制得的金属催化剂(实施例 1-4，试验编号6-9)的应用中和对比例2(试验编号10)相比，由于含有三碟烯大位阻基团能够稳定催化循环中的零价中间体，使得催化效率提升，在仅用万分之一的用量就能以非常高的收率实现Hartwig-Buchwald催化反应，而在工业生产中，催化剂的用量对于原材料的成本控制，后处理的难易程度均存在非常大的影响，在成本控制上有着巨大的优势，这是对比例所不能达到的。
实施例7Heck偶联反应催化比较
在装有磁子的Schlenk管中依次加入1.0mmol对溴苯甲酸、1.2mmol 的碳酸钾和0.01％mmol的催化剂(化合物Cat-001、Cat-002、Cat-003、 Cat-004、3)，然后加入1.2mmol的丙烯酸、1mL二甲苯，120℃下搅拌2h。然后用二氯甲烷溶解后拌入氧化铝，柱层析(淋洗液二氯甲烷/石油醚＝4:1)，得到无色的产品，称重后计算产率。
其中化合物Cat-001、Cat-002、Cat-003、Cat-004为实施例1-4合成化合物，对比例3为Pd(OAc)2，反应通式如下：
Figure RE-GDA0003022959630000081
其反应结果如下表3所示：
表3、Heck反应对比试验结果
Figure RE-GDA0003022959630000082
Figure RE-GDA0003022959630000091
由上可知，与实施例5类似，本发明专利方法制得的金属催化剂(实施例 1-4，试验编号11-14)和对比例3(试验编号15)相比，由于含有三碟烯大位阻基团能够稳定催化循环中的零价中间体，使得催化效率提升，在仅用万分之一的用量就能以非常高的收率实现Heck偶联催化反应，而在工业生产中，催化剂的用量对于原材料的成本控制，后处理的难易程度均存在非常大的影响，在成本控制上有着巨大的优势，这是对比例所不能达到的。
实施例8 Still反应催化比较
在装有磁子的Schlenk管中依次加入1.0mmol对甲氧基溴苯、1.2mmol 的氟化钾和0.01％mmol的催化剂(化合物Cat-001、Cat-002、Cat-003、 Cat-004、4)，然后加入1.2mmol的三丁基苯基烯、1mL二氧六环，100℃下搅拌6h。然后用二氯甲烷溶解后拌入氧化铝，柱层析(淋洗液二氯甲烷/石油醚＝4:1)，得到无色的产品，称重后计算产率。
其中化合物Cat-001、Cat-002、Cat-003、Cat-004为实施例1-4合成化合物，对比例4为Pd2(dba)3，反应通式如下：
Figure RE-GDA0003022959630000092
其反应结果如下表4所示：
表4、Still反应对比试验结果
Figure RE-GDA0003022959630000093
Figure RE-GDA0003022959630000101
由上可知，与实施例5类似，本发明专利方法制得的金属催化剂(实施例 1-4，试验编号16-19)和对比例4(试验编号20)相比，由于含有三碟烯大位阻基团能够稳定催化循环中的零价中间体，使得催化效率提升，在仅用万分之一的用量就能以非常高的收率实现Still催化反应，而在工业生产中，催化剂的用量对于原材料的成本控制，后处理的难易程度均存在非常大的影响，在成本控制上有着巨大的优势，这是对比例所不能达到的。
实施例9 Negishi反应催化比较
在装有磁子的Schlenk管中依次加入1.0mmol对甲氧基溴苯、1.2mmol 的碳酸钾和0.01％mmol的催化剂(化合物Cat-001、Cat-002、Cat-003、 Cat-004、5)，然后加入1.2mmol的苯基氯化锌、1mL四氢呋喃，60℃下搅拌6h。然后用二氯甲烷溶解后拌入氧化铝，柱层析(淋洗液二氯甲烷/石油醚＝4:1)，得到无色的产品，称重后计算产率。
其中化合物Cat-001、Cat-002、Cat-003、Cat-004为实施例1-4合成化合物，对比5为Pd(dppf)Cl2，反应通式如下：
Figure RE-GDA0003022959630000102
其反应结果如下表5所示：
表5、Negishi反应对比试验结果
Figure RE-GDA0003022959630000103
Figure RE-GDA0003022959630000111
由上可知，与实施例5类似，本发明专利方法制得的金属催化剂(实施例 1-4，试验编号21-24)和对比例5(试验编号25)相比，由于含有三碟烯大位阻基团能够稳定催化循环中的零价中间体，使得催化效率提升，在仅用万分之一的用量就能以非常高的收率实现Negishi催化反应，而在工业生产中，催化剂的用量对于原材料的成本控制，后处理的难易程度均存在非常大的影响，在成本控制上有着巨大的优势，这是对比例所不能达到的。
综上可知，本发明专利所制得的三碟烯卡宾三齿金属配合物与常规的金属催化剂相比，有着更好的催化效果，对于各种不同取代基的反应底物也有着很好的普遍适用性，在催化剂用量上也有着显著的优势，仅需万分之一的用量就可以保证催化反映的进行，能普遍适用于各类金属催化的反应。合成方法简便，收率较高，有较高的推广应用价值，这是常规的金属催化剂所不能实现的，这样的效果是本领域技术人员所不能预料到的。
尽管结合优选实施例对本发明进行了说明，但本发明并不局限于上述实施例，应当理解，在本发明构思的引导下，本领域技术人员可进行各种修改和改进，所附权利要求概括了本发明的范围。

Claims (4)

1.一种三碟烯卡宾三齿金属配合物，其特征在于，其结构式为，
Figure FDA0002954352880000011
其中，RA可相同或不同，各自独立的表示为R1-(Z1-A1-Z2)v-；
RB表示为R2-(Z3-A2-Z4)w-；
RC表示为R3-(Z5-A3-Z6)x-；
RD表示为R4-(Z7-A4-Z8)y-；
RE表示为R5-(Z9-A5-Z10)z-
其中，R1、R2、R3、R4和R5各自独立的选自-H、-D、-T、-Cl、-CN、-CD3、-CF3、-OCF3、-COOH、碳原子数为1-15的烷基、碳原子为1-15的烷氧基、碳原子数为2-15的直链烯烃基、氟代的碳原子数为1-15的烷基、氟代的碳原子数为1-15的烷氧基或氟代的碳原子数为2-15的直链烯烃基中、9-三碟烯基的任意一种；
Z1、Z2、Z3、Z4、Z5、Z6、Z7、Z8、Z9和Z10各自独立的选自-O-、-S-、-OCO-、-COO-、-CO-、-CH2O-、-OCH2-、-OCF2-、碳原子数为1-15的直链烷基、碳原子数为2-15的直链烯烃基、碳原子数为2-15的直链炔基、氟代的碳原子数为1-15的直链烷基、氟代的碳原子数为2-15的烯烃基或碳碳单键中的至少一种；
A1、A2、A3、A4、A5各自独立的选自1,4-亚环己基、1,4-亚苯基、二苯基氧磷基、N-苯基-咔唑-2-基、N-苯基-咔唑-3-基、9,10-蒽基、1-萘基、2-萘基、4-三苯胺基、2,5-嘧啶基、3,9-咔唑基、2,5-吡啶基、2,5-四氢-2H-吡喃基、1,3-二噁烷-2,5-基、1,2,4-噁二唑-3,5-基、氟代的1,4-亚环己基、氟代的吡喃环二基、环内酯二基、五元氧杂环二基、五元硫杂环二基、五元氮杂环二基或碳碳单键中的一种；
v、w、x、y和z各自独立的表示0-3的整数；
A、B表示包含至少2个碳原子的环状结构或无环状结构；
X表示Cl、Br、I原子；
Y表示N、C原子；
M表示Pd、Pt、Cu原子；
P表示Cl、Br、I、PF6或BF4基团。
2.根据权利要求1所述的三碟烯卡宾三齿金属配合物，其特征在于，所述v、w、x、y或z均为2或3时，结构单元Z1-A1-Z2中，Z1相同或不同，A1相同或不同，Z2相同或不同；结构单元Z3-A2-Z4中，Z3相同或不同，A2相同或不同，Z4相同或不同；结构单元Z5-A3-Z6中，Z5相同或不同，A3相同或不同，Z6相同或不同；结构单元Z7-A4-Z8中，Z7相同或不同，A4相同或不同，Z8相同或不同；结构单元Z9-A5-Z10中，Z9相同或不同，A5相同或不同，Z10相同或不同。
3.一种三碟烯卡宾三齿金属配合物的应用，其特征在于，上述权利要求1或2中任一项的三碟烯卡宾三齿金属配合物应用于催化剂中。
4.根据权利要求3所述的三碟烯卡宾三齿金属配合物的应用，其特征在于，所述催化剂用于包括但不限于Suzuki反应、Buchwald-Hartwig反应、Heck反应、Still反应或Negishi反应。
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