CN117003793A - 用于钯催化1,3-丁二烯合成δ-己内酯的膦配体 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种膦配体，其为三苯基膦分子中至少一个苯环上具有至少一个羟基的化合物。该膦配体能够用于钯催化1,3‑丁二烯合成δ‑己内酯。

Description

用于钯催化1,3-丁二烯合成δ-己内酯的膦配体

技术领域

本发明属于金属有机合成领域，具体涉及一种含羟基膦配体及其用于钯催化1,3-丁二烯合成δ-己内酯的用途。

背景技术

1,3-丁二烯烃的调聚化反应是一种重要的催化反应，其应用广泛，原子效率达到100％,具有经济效益和生态效益。废气二氧化碳也可以成为一种C1化工原料，1,3-丁二烯和二氧化碳等廉价易得的大宗原料增加了反应的附加值。1,3-丁二烯和二氧化碳的催化反应最早是井上和musco等人在1970年代研究发现的。反应的产物众多有内酯、羧酸以及丁二烯多聚化合物。

Behr等人对该反应的催化剂进行了深入研究，结果表明，由膦配体构成的体系对有价值的内酯3-乙烯基-6-乙烯基四氢-2h-吡喃-2-酮(δ-内酯)的选择性最好。这种内酯具有多种合成应用，例如氢甲酰化反应、氢胺化、氢氨甲基化和氢化等等，这些反应会产生多种不同的产物，例如饱和及不饱和二元醇、以及不饱和羟基酸，可用作聚合物工业中的单体。

底物用量和催化剂物质的量的比值称为催化循环圈数(TON)，是衡量催化效率的重要指标。据报道，迄今没有任何一个催化反应体系在不需要任何添加剂可以使反应的催化循环圈数(TON)达到4000以上。

发明内容

为了解决现有技术1,3-丁二烯烃与二氧化碳的调聚化反应中存在的以上问题，本发明提供了一种含羟基类型的膦配体的设计合成和应用。其优点是能够在无添加剂的反应体系中参与钯催化1,3丁二烯与二氧化碳合成δ-己内酯的反应，提高催化反应的活性。具体地，本发明包括以下技术方案。

一种膦配体，其为三苯基膦分子中至少一个苯环上具有至少一个羟基(酚羟基)的化合物。

进一步地，上述膦配体是三苯基膦分子中一个苯环上具有一个羟基的化合物。

进一步地，上述三苯基膦分子中至少一个苯环上具有至少一个烷基，所述烷基是C1-C4烷基，选自甲基、乙基、正丙基、异丙基、正丁基、异丁基、叔丁基。优选烷基是甲基或乙基，更优选甲基。所述羟基和所述烷基位于相同的苯环上或者不同的苯环上。

优选地，上述三苯基膦分子中一个苯环上具有一个烷基比如甲基。

在一种优选的实施方式中，上述膦配体是选自下组的化合物I-1、I-2、I-3、I-4和I-5：

优选地，上述膦配体是式I-1所示的化合物：

其为三苯基膦分子中一个苯环上具有一个对位羟基(酚羟基)的化合物。

本发明的第二个方面提供了一种制备膦配体I-1、I-2、I-3和I-4的方法，其包括以下步骤：

以邻位、间位、对位碘代的苯酚化合物分别与二苯基膦氢HPPh₂、醋酸钯Pd(OAc)₂、乙酸钾KOAc反应，得到式I-1、I-2、I-3和I-4所示化合物：

具体而言，反应步骤为：将邻位、间位或者对位碘代的苯酚化合物在惰性气体(比如氮气或者氩气)氛围中分别与二苯基膦氢HPPh₂、醋酸钯Pd(OAc)₂、乙酸钾KOAC加入到无水DMAC中，混合液体于100-150℃、优选130℃反应1-5小时例如3小时，反应体系冷却至室温，加少量水淬灭反应，得到式I-1、I-2、I-3、I-4所示化合物。

优选地，上述方法还包括下述后处理步骤：萃取、洗涤、干燥、柱层析分离，得到纯化合物。

其中，柱层析条件可以为淋洗液EA:PE＝1:10～30:1。

本发明的第三个方面提供了上述膦配体在钯催化1,3丁二烯与二氧化碳生成δ-己内酯反应中的应用。

在一种实施方式中，上述应用中的膦配体选自化合物I-1、I-2、I-3、I-4、I-5。

本发明的膦配体可用于钯催化1,3丁二烯与二氧化碳合成δ-己内酯的反应中，在不需要添加其他助催化剂比如质子酸的情况下，可以显著提高反应活性，并提高TON，达到4600以上，另一个重要指标TOF(转化频率turnover frequency，单位时间内每个活性中心上所转化的反应物分子数)也得到提高，达到550以上，因而具有潜在的工业化应用前景。

附图说明

图1为本发明的化合物I-1的核磁共振氢谱图。

图2为本发明的化合物I-1的核磁共振磷谱图。

图3为本发明的化合物I-2的核磁共振氢谱图。

图4为本发明的化合物I-2的核磁共振磷谱图。

图5为本发明的化合物I-3的核磁共振氢谱图。

图6为本发明的化合物I-3的核磁共振磷谱图。

图7为本发明的化合物I-4的核磁共振氢谱图。

图8为本发明的化合物I-4的核磁共振磷谱图。

图9为本发明的实施例5中化合物(c)的核磁共振氢谱图。

图10为本发明的实施例5中化合物(c)的核磁共振磷谱图。

图11为本发明的化合物I-5的核磁共振氢谱图。

图12为本发明的化合物I-5的核磁共振磷谱图。

图13为本发明的实施例6制备的化合物δ-内酯的核磁共振磷谱图。

具体实施方式

我们在钯催化1,3丁二烯与二氧化碳进行调聚反应的研究中，将研究重点放在主催化剂钯盐的配体方面，在调聚反应中，钯盐的配体通常包括单膦和双膦配体。其中，对于单膦配体中的三苯基膦，我们进行多方面的改造尝试，包括多个种类的极性或非极性基团作为取代基，分别在一个、两个或者三个苯环上进行取代，最终发现极性的酚羟基的出现能够显著改变配体的活性，并且允许非极性的短链烷基比如甲基在三苯基膦分子中共存。

当本发明的含有酚羟基的三苯基膦衍生化合物I-1、I-2、I-3、I-4、I-5作为催化剂配体参与钯催化1,3丁二烯与二氧化碳生成δ-己内酯的反应时，可以得到很高的化学选择性和较好的反应活性。

本文中，有时将术语“式X所示化合物”表述为“化合物X”，这是本领域技术人员能够理解的。比如式I所示化合物和化合物I都是指代相同的化合物。

在本发明合成化合物I-1、I-2、I-3、I-4和I-5的实施方式中，在各步骤反应完成后，可按本领域常识进行过滤、洗涤、干燥等纯化操作。

以下通过实施例进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于举例说明目的，而不是对本发明的限制。本领域技术人员根据本发明构思对其作出的各种改变或调整，均应落入本发明的保护范围内。

本文中涉及到多种物质的添加量、含量及浓度，其中所述的百分含量，除特别说明外，皆指质量百分含量。

本文的实施例中，如果对于反应温度或操作温度没有做出具体说明，则该温度通常指室温(15-30℃)。

实施例

试剂：本发明实施例中使用的反应物和催化剂均为化学纯，可直接使用或根据需要经过简单纯化；有机溶剂等均为分析纯，直接使用。试剂均购自中国医药(集团)上海化学试剂公司。

检测仪器：

核磁共振仪型号：Bruker avance HD 600MHz，Bruker avance III 500MHz；

质谱仪(液质联用(LCMS))，型号：Agilent 6120B，检测器为DAD。

高效液相色谱，型号：Shimadzu 20，A检测器为紫外吸收检测器。

气相色谱仪，型号：Shimadzu 2030，检测器为FID检测器。

实施例1：化合物I-1的制备

将对碘苯酚(1.1g,5.0mmol,1.0eq)和醋酸钯(11.2mg,0.05mmol,0.01eq)称量于100mL的封管中,加入10mL的N,N二甲基甲酰胺,将获得的悬浮液在真空中脱气。添加二苯基膦(0.931g,5.0mmol,1.0eq)后，将混合物加热8小时。反应过程中利用³¹P NMR对反应进行监测，直到核磁共振磷谱³¹P NMR谱图中二苯基膦的峰全部消失。将反应混合物倒入40ml水中，将分离的产物溶解在30ml CH₂Cl₂中。CH₂Cl₂溶液(3×10ml)洗涤，用Na₂SO₄干燥，真空蒸发得到红色油状液体。将粗产品过硅胶层析柱(PE,EA:PE＝1:10)，得白色固体932mg(67％收率)，经过核磁共振确认此白色固体即为目标化合物I-1。

化合物I-1的核磁共振氢谱如图1所示，磷谱如图2所示，核磁共振数据如下：

¹H NMR(500MHz,CDCl₃)δ:7.35-7.32(m,6H),7.31-7.26(m,4H),7.25–7.21(m,2H),6.86–6.80(m,2H),5.19(s,1H)。

³¹P NMR(203MHz,CDCl₃)δ-6.93。

实施例2：化合物I-2的制备

将间碘苯酚(1.1g,5.0mmol,1.0eq)和醋酸钯(11.2mg,0.05mmol,0.01eq)称量于100mL的封管中，加入10mL的N,N二甲基甲酰胺，将获得的悬浮液在真空中脱气。添加二苯基膦(0.93g,5.0mmol,1.0eq)后，将混合物加热8小时，反应过程中利用核磁共振磷谱³¹P NMR对反应进行监测，直到³¹P NMR谱图中二苯基膦的峰全部消失。将反应混合物倒入40ml水中，将分离的产物溶解在30ml CH₂Cl₂中。CH₂Cl₂溶液(3×10ml)洗涤，用Na₂SO₄干燥，真空蒸发得到红色油状液体。将粗产品过硅胶层析柱(PE,EA:PE＝1:10)得白色固体1.13g(81％收率)，经过核磁共振确认，此白色固体即为目标化合物I-2。

化合物I-2的核磁共振氢谱如图3所示，磷谱如图4所示。核磁共振数据如下：

¹H NMR(500MHz,CDCl₃)δ:7.36-7.28(m,10H),7.22(td,J＝7.8,1.9Hz,1H),6.90(t,1H),6.81(dd,J＝8.2,2.6Hz,1H),6.71(ddd,J＝7.6,2.6,1.3Hz,1H),4.83(s,1H)。

³¹P NMR(203MHz,CDCl₃)δ-5.11。

实施例3：化合物I-3的制备

将邻碘苯酚(1.1g,5.0mmol,1.0eq)和醋酸钯(11.2mg,0.05mmol,0.01eq)称量于100mL的封管中，加入10mL的N,N二甲基甲酰胺，将获得的悬浮液在真空中脱气。添加二苯基膦(0.93g,5.0mmol,1.0eq)后，将混合物加热8小时，反应过程中利用³¹P NMR对反应进行监测，直到³¹P NMR谱图中二苯基膦的峰全部消失。将反应混合物倒入40ml水中，将分离的产物溶解在30ml CH₂Cl₂中。CH₂Cl₂溶液(3×10ml)洗涤，用Na₂SO₄干燥并真空蒸发得到红色油状液体。将粗产品过硅胶层析柱(PE,EA:PE＝1:10)得白色固体1.015g(73％收率)，经过核磁共振确认，此白色固体即为目标化合物I-3。

化合物I-3的核磁共振氢谱如图5所示，磷谱如图6所示，核磁共振数据如下：

¹H NMR(500MHz,DMSO-d6)δ:9.74(d,J＝2.5Hz,1H),7.33-7.26(m,6H),7.15–7.08(m,5H),6.77(m,1H),6.80-6.75(t,J＝7.5Hz,1H),6.42-6.36(m,1H)。

³¹P NMR(203MHz,DMSO-d6)δ-17.04。

实施例4：化合物I-4的制备

将4-碘-3-甲基苯酚(1.17g,5.0mmol,1.0eq)和醋酸钯(11.2mg,0.05mmol,0.01eq)称量于100mL的封管中并加入10mL的N,N二甲基甲酰胺，将获得的悬浮液在真空中脱气。添加二苯基膦(0.93g,5.0mmol,1.0eq)后,将混合物加热8小时，反应过程中利用³¹PNMR对反应进行监测，直到³¹P NMR谱图中二苯基膦的峰全部消失。将反应混合物倒入40ml水中，并将分离的产物溶解在30ml CH₂Cl₂中。CH₂Cl₂溶液(3×10ml)洗涤，用Na₂SO₄干燥并真空蒸发得到红色油状液体。将粗产品过硅胶层析柱(PE,EA:PE＝1:10)得白色固体375mg(25.6％收率)，经过核磁共振确认此白色固体即为目标化合物I-4。

化合物I-4的核磁共振氢谱如图7所示，磷谱如图8所示，核磁共振数据如下：

¹H NMR(500MHz,CDCl₃)δ:7.35-7.30(m,6H),7.28–7.22(m,4H),6.74–6.69(m,1H),6.66(dd,J＝8.3,4.3Hz,1H),6.57(dd,J＝8.3,2.6Hz,1H),5.04(s,1H),2.37(s,3H)。

³¹P NMR(203MHz,CDCl₃)δ-15.11。

实施例5：化合物I-5的制备

含羟基膦配体I-5的合成方法包括如下步骤：

1.以苯基二氯化磷作为原料，一锅法经a、b合成c，反应方程式如下。

在-78℃下，将二乙胺(1.21g,16.5mmol)滴加到二氯苯基膦(1.477g,8.25mmol)的四氢呋喃(40mL)溶液中。滴加完毕后，将反应混合物升温至室温，搅拌3小时，然后过滤以除去沉淀的二乙基氯化铵盐。减压除去溶剂，得到淡黄色油状物，即为化合物(a)。后在0℃加入邻甲苯基溴化镁(8.25mL,2mol/L)，反应两小时后，在0℃加入盐酸乙醚溶液(16.5mL,2mol/L)，滴加完毕后，将反应混合物升温至室温，搅拌3小时，然后过滤以除去沉淀。减压除去溶剂，得到无色油状物，即为化合物(b)。后重新补入四氢呋喃50mL，在0℃加入对甲氧基苯基溴化镁，滴加完毕后，将反应混合物升温至室温，搅拌2小时，加入水淬灭反应，用乙醚萃取3次，后用无水硫酸钠干燥真空蒸发得到油状液体。将粗产品过硅胶层析柱(PE,EA:PE＝1:20)得白色固体1.338g(53％收率)，经过核磁共振确认此白色固体即为中间体化合物(c)。

化合物(c)的核磁共振氢谱如图9所示，磷谱如图10所示，核磁共振数据如下：

¹H NMR(600MHz,CDCl₃)δ:7.37–7.34(m,3H),7.34–7.20(m,6H),7.14–7.09(m,1H),6.95–6.91(m,2H),6.83–6.78(m,1H),3.84(s,3H),2.41(m,3H)。

³¹P NMR(243MHz,CDCl₃)δ-14.92。

2.以化合物c作为原料，一步合成目标化合物I-5，反应方程式如下。

将上步反应所得化合物(c)(1.338g,4.3mmol)加入HBr溶液(50mL,48％水溶液)中，回流反应24h。降至室温后用50mL乙醚萃取三次，用Na₂SO₄干燥，真空蒸发得到油状液体。将粗产品过硅胶层析柱(PE,EA:PE＝1:10)得白色固体600mg(47.7％收率)，经过核磁共振确认此白色固体即为目标化合物I-5。

化合物I-5的核磁共振氢谱如图11所示，磷谱如图12所示，核磁共振数据如下：

¹H NMR(600MHz,CDCl₃)δ:7.38–7.35(m,3H),7.32–7.26(m,3H),7.25–7.19(m,3H),7.15–7.11(m,1H),6.90–6.84(m,2H),6.84–6.79(m,1H),5.62(s,1H),2.40(s,3H)。

³¹P NMR(243MHz,CDCl₃)δ-14.82。

实施例1-5制备的含羟基膦配体均可用作1,3-丁二烯与二氧化碳的调聚反应催化剂配体。以实施例2制备的含羟基膦配体I-2为例，作为钯催化剂配体，催化1,3-丁二烯与二氧化碳反应后得到δ-内酯。

实施例6：化合物I-2的应用实例

向125mL不锈钢高压釜中加入Pd催化剂Pd₂(dba)₃(9.2mg,0.01mmol)、化合物I-2(0.06mmol)和PTFE涂层磁力搅拌棒。高压釜用氩气吹扫，然后将MeCN(10mL)放入高压釜中以保护氩气流。然后将高压釜在乙酸乙酯/液氮浴中冷却。然后将经过分别填充有P₂O₅和CaO/CaCl₂混合物的两个柱子预纯化的1,3-丁二烯(6.0g,0.11mol)以低温液化的方式加入高压釜中。丁二烯低于其沸点温度(<-4℃)。充入的1,3丁二烯为6.5g。后充入20bar的二氧化碳，80℃反应8h。反应结束后添加异辛烷作为内标。通过GC分析确定调聚产物的TON和TOF、区域选择性和化学选择性。经气相分析TON达到4640，TOF为580，化学选择性为95％，区域选择性为89％。产物δ-内酯的核磁共振氢谱如图13所示，核磁共振数据如下：

¹H NMR(600MHz,CDCl₃)δ:7.06–6.99(qt,J＝7.3,2.5Hz,1H),5.84–5.74(ddd,J＝17.2,10.7,5.4Hz,1H),5.28–5.23(dt,J＝17.2,1.4Hz,1H),5.16–5.07(dd,J＝10.7,1.4Hz,1H),4.72–4.66(dddt,J＝9.7,5.7,3.0,1.5Hz,1H),2.54–2.47(dddd,J＝16.3,5.3,3.5,1.8Hz,1H),2.40–2.31(dddt,J＝14.3,10.2,5.9,2.1Hz,1H),2.01–1.94(dtd,J＝13.9,5.4,2.8Hz,1H),1.76–1.61(m,4H)。

以上实施例仅为本发明的示例性实施方式举例，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种膦配体，其为三苯基膦分子中至少一个苯环上具有至少一个羟基的化合物。

2.如权利要求1所述的膦配体，其特征在于，所述膦配体是三苯基膦分子中一个苯环上具有一个羟基的化合物。

3.如权利要求1或2所述的膦配体，其特征在于，所述三苯基膦分子中至少一个苯环上具有至少一个烷基，所述烷基是C1-C4烷基，选自甲基、乙基、正丙基、异丙基、正丁基、异丁基、叔丁基。

4.如权利要求3所述的膦配体，其特征在于，所述三苯基膦分子中一个苯环上具有一个烷基。

5.如权利要求1所述的膦配体，其特征在于，是选自下组的化合物I-1、I-2、I-3、I-4和I-5：

6.一种制备权利要求5所述膦配体的方法，其特征在于，包括以下步骤：

以邻位、间位、对位碘代的苯酚化合物分别与二苯基膦氢HPPh₂、醋酸钯Pd(OAc)₂、乙酸钾KOAc反应，得到式I-1、I-2、I-3和I-4所示化合物：

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤为：将邻位、间位或者对位碘代的苯酚化合物在惰性气体氛围中分别与二苯基膦氢HPPh₂、醋酸钯Pd(OAc)₂、乙酸钾KOAC加入到无水DMAC中，混合液体于100-150℃反应1-5小时，反应体系冷却至室温，加水淬灭反应，得到式I-1、I-2、I-3、I-4所示化合物。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，还包括下述后处理步骤：萃取、洗涤、干燥、柱层析分离，得到纯化合物。

9.权利要求1-5中任一项所述的膦配体在钯催化1,3丁二烯与二氧化碳生成δ-己内酯反应中的应用。

10.如权利要求9所述的应用，其特征在于，所述膦配体选自化合物I-1、I-2、I-3、I-4、I-5。