CN116284156A - 一种咔唑取代的三碟烯茂金属化合物及其应用 - Google Patents

一种咔唑取代的三碟烯茂金属化合物及其应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及有机合成技术领域，且公开了一种咔唑取代的三碟烯茂金属化合物及其应用，所述图1中，R可相同或不同，各自独立的表示为R1‑(Z1‑A‑Z2)x‑，其中所述R1各自独立的选自‑H、‑D、‑T、‑Cl、‑CN、‑CD3、‑CF3、‑OCF3、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的直链烯烃基中的任意一种。该咔唑取代的三碟烯茂金属化合物及其应用，该类化合物制备简便，收率高，作为催化剂使用时适用于多种底物，催化剂使用量可大幅降低，对于各类金属催化的反应均有较好的催化效果，并且对于研究催化反应的进展与应用，具有重要的应用价值。

Description

一种咔唑取代的三碟烯茂金属化合物及其应用
技术领域
本发明涉及有机合成技术领域，具体为一种咔唑取代的三碟烯茂金属化合物及其应用。
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钯催化剂，该类型的催化体系得到了非常广泛的研究，由于钯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
(一)解决的技术问题
针对现有技术的不足，本发明提供了一种咔唑取代的三碟烯茂金属化合物及其应用，以解决上述背景技术中提出的问题。
(二)技术方案
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种咔唑取代的三碟烯茂金属化合物及其应用，所述图1中，R可相同或不同，各自独立地表示为R1-(Z1-A-Z2)x-；
其中所述R1各自独立的选自-H、-D、-T、-Cl、-CN、-CD3、-CF3、-OCF3、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的直链烯烃基中的任意一种。
优选的，所述Z1、Z2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或为无。
优选的，所述A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或为无；
M表示Fe、Ru、Ti、Zr或Hf；
当M表示Fe和Ru时，n为0；
当M表示Ti、Zr或Hf时，n为2；
X表示Cl、Br或I。
优选的，所述咔唑取代的三碟烯茂金属化合物应用于催化剂中。
优选的，所述催化剂应用于包括但不限于Suzuki反应、Buchwald-Hartwig反应、Heck反应、Still反应或Negishi反应中。
(三)有益效果
与现有技术相比，本发明提供了一种咔唑取代的三碟烯茂金属化合物及其应用，具备以下有益效果：
该咔唑取代的三碟烯茂金属化合物及其应用，该类化合物制备简便，收率高，作为催化剂使用时适用于多种底物，催化剂使用量可大幅降低，对于各类金属催化的反应均有较好的催化效果，并且对于研究催化反应的进展与应用，具有重要的应用价值。
附图说明
图1为本发明结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参考附图1，本发明提供一种技术方案，一种咔唑取代的三碟烯茂金属化合物及其应用，图1中，R可相同或不同，各自独立地表示R1-(Z1-A-Z2)x-；
其中R1各自独立的选自-H、-D、-T、-Cl、-CN、-CD3、-CF3、-OCF3、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的直链烯烃基中的任意一种。
根据权利要求1的一种咔唑取代的三碟烯茂金属化合物及其应用，Z1、Z2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或为无；
A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或为无；
M表示Fe、Ru、Ti、Zr或Hf；
当M表示Fe和Ru时，n为0；
当M表示Ti、Zr或Hf时，n为2；
X表示Cl、Br或I。
咔唑取代的三碟烯茂金属化合物应用于催化剂中，催化剂应用于包括但不限于Suzuki反应、Buchwald-Hartwig反应、Heck反应、Still反应或Negishi反应中。
以下结合具体实施例对本发明的技术方案进行详细的说明，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 BDA0004005581710000041
Figure BDA0004005581710000051
向500mL两口瓶内，加入3.8g(10.0mmol)Cat-001a，2.9g(10.0mmol)Cat-001b，100mL的四氢呋喃，冰浴冷却至0℃，缓慢滴加10mL(2.0mol/L)的丁基锂的己烷溶液，滴加完成后保持反应2小时，然后加入2.4g(10.0mmol)二氯化铁四氢呋喃配合物，室温反应2小时，减压抽干溶剂，氧化铝柱层析，石油醚淋洗得到黑色固体5.5g，收率91％。
元素分析C40H25FeN理论值：C，83.48；H，4.38。实测值：C，83.57；H，4.42。
质谱(ESI)：m/z 574.13(M+)。
确认结构正确。
实施例2化合物Cat-002的制备
Figure BDA0004005581710000052
Figure BDA0004005581710000061
向500mL两口瓶内，加入4.0g(10.0mmol)Cat-002a，2.9g(10.0mmol)Cat-001b，100mL的四氢呋喃，冰浴冷却至0℃，缓慢滴加10mL(2.0mol/L)的丁基锂的己烷溶液，滴加完成后保持反应2小时，然后加入2.6g(10.0mmol)三水合三氯化钌，室温反应2小时，减压抽干溶剂，氧化铝柱层析，石油醚淋洗得到橙色固体6.7g，收率89％。
元素分析C48H33NRu理论值：C，79.54；H，4.59。实测值：C，79.77；H，4.62。
质谱(ESI)：m/z 724.16(M+)。
确认结构正确。
实施例3化合物Cat-003的合成
Figure BDA0004005581710000062
Figure BDA0004005581710000071
向500mL两口瓶内，加入4.8g(10.0mmol)Cat-003a，2.9g(10.0mmol)Cat-001b，100mL的四氢呋喃，冰浴冷却至0℃，缓慢滴加10mL(2.0mol/L)的丁基锂的己烷溶液，滴加完成后保持反应2小时，然后加入3.3g(10.0mmol)四氯化钛四氢呋喃配合物，室温反应2小时，减压抽干溶剂，氧化铝柱层析，石油醚淋洗得到红色固体7.9g，收率92％。
元素分析C52H40Cl2N2OTi理论值：C，75.46；H，4.87。实测值：C，75.62；H，4.68。
质谱(ESI)：m/z 825.19(M+)。
确认结构正确。
实施例4化合物Cat-004的合成
Figure BDA0004005581710000072
Figure BDA0004005581710000081
向500mL两口瓶内，加入4.6g(10.0mmol)Cat-004a，2.9g(10.0mmol)Cat-001b，100mL的四氢呋喃，冰浴冷却至0℃，缓慢滴加10mL(2.0mol/L)的丁基锂的己烷溶液，滴加完成后保持反应2小时，然后加入3.8g(10.0mmol)四氯化锆四氢呋喃配合物，室温反应2小时，减压抽干溶剂，氧化铝柱层析，石油醚淋洗得到黄色固体7.6g，收率89％。
元素分析C53H32D3Cl2NZr理论值：C，74.80；H，4.50。实测值：C，74.59；H，4.59。
质谱(ESI)：m/z 847.13(M+)。
确认结构正确。
实施例5Suzuki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和二茂铁)，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合成的化合物，化合物1为商用对比催化剂，二茂铁作为参比物，反应通式如下：
Figure BDA0004005581710000091
其反应结果如下表1所示：
表1、Suzuki反应对比试验结果
Figure BDA0004005581710000092
由上可知，本发明专利方法制得的咔唑取代的三碟烯茂金属化合物(实施例1-4，试验编号1-4)在应用中和对比例1(实验编号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。而在分子中引入咔唑基团可以极大地提高化合物的稳定性。同样的，没有咔唑取代和三碟烯大位阻基团的二茂铁作为催化剂催化Suzuki反应(实验编号6)，几乎没有反应活性，由于二茂铁的环戊二烯为η5的结构，茂环具有一定的反应活性，稳定性远不如苯环，所以几乎无催化活性，而在本专利发明中引入的大位阻三碟烯结构和咔唑基团则能明显地提高化合物的稳定性，因此实现较高的催化活性。
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和二茂钌)，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合成的化合物，化合物2为商用对比催化剂，二茂钌作为参比物，反应通式如下：
Figure BDA0004005581710000101
其反应结果如下表2所示：
表2、Hartwig-Buchwald反应对比试验结果
Figure BDA0004005581710000102
由上可知，本发明专利方法制得的咔唑取代的三碟烯茂金属化合物(实施例1-4，试验编号7-10)在应用中和对比例2(实验编号11)相比，由于含有三碟烯大位阻基团能够稳定催化循环中的中间体，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。而在分子中引入咔唑基团可以极大地提高化合物的稳定性。同样的，没有咔唑取代和三碟烯大位阻基团的二茂钌作为催化剂催化Hartwig-Buchwald反应(实验编号12)，几乎没有反应活性，由于二茂钌的环戊二烯为η5的结构，茂环具有一定的反应活性，稳定性远不如苯环，所以几乎无催化活性，而在本专利发明中引入的大位阻三碟烯结构和咔唑结构则能明显地提高化合物的稳定性，因此实现较高的催化活性。
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和二氯二茂钛)，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至4合成的化合物，化合物3为商用对比催化剂，二氯二茂钛作为参比物，反应通式如下：
Figure BDA0004005581710000111
其反应结果如下表3所示：
表3、Heck反应对比试验结果
Figure BDA0004005581710000121
由上可知，本发明专利方法制得的咔唑取代的三碟烯茂金属化合物(实施例1-4，试验编号13-16)在应用中和对比例3(实验编号17)相比，由于含有三碟烯大位阻基团能够稳定催化循环中的中间体，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。而在分子中引入咔唑基团可以极大地提高化合物的稳定性。同样的，没有咔唑取代和三碟烯大位阻基团的二氯二茂钛作为催化剂催化Heck反应(实验编号18)，几乎没有反应活性，由于二氯二茂钛的环戊二烯为η5的结构，茂环具有一定的反应活性，稳定性远不如苯环，所以几乎无催化活性，而在本专利发明中引入的大位阻三碟烯结构和咔唑结构则能明显地提高化合物的稳定性，因此实现较高的催化活性。
实施例8Still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和二氯二茂锆)，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至4合成的化合物，化合物4为商用对比催化剂，二氯二茂锆作为参比物，反应通式如下：
Figure BDA0004005581710000131
其反应结果如下表4所示：
表4、Still反应对比试验结果
Figure BDA0004005581710000132
由上可知，本发明专利方法制得的咔唑取代的三碟烯茂金属化合物(实施例1-4，试验编号19-22)在应用中和对比例4(实验编号23)相比，由于含有三碟烯大位阻基团能够稳定催化循环中的中间体，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。而在分子中引入咔唑基团可以极大地提高化合物的稳定性。同样的，没有咔唑取代和三碟烯大位阻基团的二氯二茂锆作为催化剂催化Still反应(实验编号24)，几乎没有反应活性，由于二氯二茂锆的环戊二烯为η5的结构，茂环具有一定的反应活性，稳定性远不如苯环，所以几乎无催化活性，而在本专利发明中引入的大位阻三碟烯结构和咔唑结构则能明显地提高化合物的稳定性，因此实现较高的催化活性。
实施例9Negishi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和二氯二茂锆)，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至4合成的化合物，化合物5为商用对比催化剂，二氯二茂锆作为参比物，反应通式如下：
Figure BDA0004005581710000141
其反应结果如下表5所示：
表5、Negishi反应对比试验结果
Figure BDA0004005581710000142
Figure BDA0004005581710000151
由上可知，本发明专利方法制得的咔唑取代的三碟烯茂金属化合物(实施例1-4，试验编号25-28)在应用中和对比例5(实验编号29)相比，由于含有三碟烯大位阻基团能够稳定催化循环中的中间体，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。而在分子中引入咔唑基团可以极大地提高化合物的稳定性。同样的，没有咔唑取代和三碟烯大位阻基团的二氯二茂锆作为催化剂催化Negishi反应(实验编号30)，几乎没有反应活性，由于二氯二茂锆的环戊二烯为η5的结构，茂环具有一定的反应活性，稳定性远不如苯环，所以几乎无催化活性，而在本专利发明中引入的大位阻三碟烯结构和咔唑结构则能明显地提高化合物的稳定性，因此实现较高的催化活性。
综上可知，本发明专利所制得的咔唑取代的三碟烯茂金属化合物与常规的催化剂相比，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应的进行，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和附图，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。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (5)

1.一种咔唑取代的三碟烯茂金属化合物及其应用，其特征在于：所述图1中，R可相同或不同，各自独立的表示为R1-(Z1-A-Z2)x-；
其中所述R1各自独立的选自-H、-D、-T、-Cl、-CN、-CD3、-CF3、-OCF3、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的直链烯烃基中的任意一种。
2.根据权利要求1所述的一种咔唑取代的三碟烯茂金属化合物及其应用，其特征在于：所述Z1、Z2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或为无。
3.根据权利要求1所述的一种咔唑取代的三碟烯茂金属化合物及其应用，其特征在于：所述A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或为无；
M表示Fe、Ru、Ti、Zr或Hf；
当M表示Fe和Ru时，n为0；
当M表示Ti、Zr或Hf时，n为2；
X表示Cl、Br或I。
4.根据权利要求1所述的一种咔唑取代的三碟烯茂金属化合物及其应用，其特征在于：所述咔唑取代的三碟烯茂金属化合物应用于催化剂中。
5.根据权利要求4所述的一种咔唑取代的三碟烯茂金属化合物及其应用，其特征在于：所述催化剂应用于包括但不限于Suzuki反应、Buchwald-Hartwig反应、Heck反应、Still反应或Negishi反应中。
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