钯催化的偶联反应

AgNO3/KF作用下的Pd催化2-溴噻吩S原子邻位上的C-H键选择性偶联反

应

摘要：

溴噻吩的衍生物与芳基碘在加入了钯的硝酸银/氟化钾催化剂的催化下发生C—H键的偶联反应，而C—Br键未发生变化。这些含有C —Br键的偶联产物在钯的进一步催化下使溴噻吩和芳基碘的C—C键相连接从而得到理想的产量。

引言：

狭义上的偶联反应是涉及由基金属催化剂的C-C键生成的反应，根据类型不同，可分为交叉偶联反应和自身偶联反应。交叉偶联反应是一个有机分子与另一有机分子发生的不对称偶联反应。例如：烯丙基锂与2-氯辛烷可以发生交叉偶联反应生成4-甲基-1-癸烯。格利雅试剂、有机铝、有机锌、有机锡、有机铜、有机铅、有机汞等多种有机金属化合物也都可以与卤化烷等烃基化试剂发生交叉偶联反应，生成相应的不对称烃，是合成不对称烃，特别是单烷基芳烃和含有三级碳原子的链烃的有效方法。交叉偶联反应的范围很广，像芳烃重氮盐与苯酚或N,N-二甲基苯胺的偶联反应，也属于交叉偶联反应。

正文：

芳香族化合物与有机卤化物的C-H键取代反应和那些含金属试剂与相同的有机卤化物的偶联反应相比，在有机合成中更有前景。【1】相比之下，C-H键上的直接反应将有利于含有不同种类的官能团的衍生物的合成，并且，反应也会加强合成中原子的效应。我们注意到噻吩衍生物的偶联反应是发生在C-H键上，从而形成了联噻吩。在添加了AgF后，反应效率得到了提高。【2】当噻吩与2-溴噻吩反应生成正联溴噻吩时，仍然是C-H键发生偶联，而C-Br键未发生变化。我们的注意力集中到溴噻吩衍生物C-H键的交叉耦合上,来介绍噻吩环上的取代基。【3】溴噻吩上的C-H键偶联，如果可以通过C-Br键的反应而进一步改变偶联产物，那么C-H键和C-Br键的偶联反应的相互结合将得到一种新的合成取代噻吩的方法。这将把人们的注意力都吸引到设计更先进的有机金属材料来揭示液晶、光发射和有机半导体的特点。【4】在此，我们报告一个新的催化剂系统—AgNO3/KF，它有助于提高钯催化下溴噻吩衍生物C-H键的取代反应发的效率。

2-溴噻吩与对甲氧基碘苯的反应在添加了钯催化剂的含AgF的条件下进行。在60℃的条件下搅拌5小时后，将得到占总产物50%的正偶联产物。类似的反应如用AgNO3/KF来替代AgF，将会得到占总产物42%的上述产物。值得注意的是尽管最后的终产物是适度的，我们并没有发现C-Br键上有反应发生，而是在溴噻吩的与S原子相邻的C-H 键上有反应发生。噻吩衍生物的芳基化反应是在钯和体积较大的磷化氢配合基的混合物催化下在150℃利用Cs2CO3作为碱的反应条件下

进行的。【5】然而，含有芳环的噻吩衍生物上的C-Br键是无法在这种反应条件下稳定存在的。

1.

尽管人们想通过提高的反应温度和加长反应周期来提高产量，但是效果并不明显，2-溴-5-(4-甲氧基苯)噻吩的产量并未得到提高。但是，假如大量的AgNO3 显著地提高产量。实际上，2,3-2溴噻吩和对甲氧基碘苯反应，当AgNO3/KF以1:2的比例分4次加入时，并且每次搅拌2小时，反应产量将提升到83%。进一步的优化显示，当AgNO3/KF以1:4的比例分5次加入时，并且每次搅拌1小时，将得到占总产物87%的终产物。此外，加入TBAF作为DMSO的溶剂5小时以上，产率将得到提高。由以上及结果我们可以知道，AgNO3和KF反应生成的AgF被光或者热降解。因此，如果反应不能在一个合理的反应速率和反应条件下进行，较长的反应时间并不能得到较多的产物。

表1. 2-溴噻吩，2,3-2溴噻吩和对甲氧基碘苯的反应

我们通过研究芳香族化合物的反应来研究某些溴噻吩衍生物。结果如表2.所示。研究发现2-溴噻吩和2,3-2溴噻吩与许多含给电子基或吸电子基取代物的碘代芳香烃反应可以得到最理想的产量。除此之外，3-甲基-2-溴噻吩，5-溴-2,2’-噻吩以及2,4-2溴噻吩也可以进行上述反应。当反应没有有效地进行时，AgNO3 的部分加成同样可以提高C-H键的取代反应的产量。当与含有吸电子基的碘代芳香烃例如4-氰基碘苯烷反应可以得到较理想的产量。2-碘萘同样可以发生偶联反应，可以得到理想的产物。

表2.

AgNO3/KF催化系统以及它的部分加成，被发现对自偶联反应同样有效。2—溴噻吩在含有钯催化剂和AgNO3/KF的条件下，可以得到81%产量的并噻吩，其中AgNO3/KF是分两次加入的。与直接加入AgF相比，使用成本较低的AgNO3和KF混合试剂，对进行高效的自偶联反应来说，效果更加显著。（图2.）

图2.

尽管自偶联反应和交叉偶联反应在芳基碘的存在下，两者是相互竞争的。在表2.A方法的条件下，溴噻吩和芳基碘发生反应，并没有观察到自偶联现象。正如我们之前所说的，尽管加入了相同的试剂，这些反应是完全不同的。AgNO3/KF在自偶联反应中提供了Ag，而AgI是在交叉偶联反应中得到的。钯与芳基碘反应形成芳基-钯-碘的速率快于钯与AgF 反应生成PdF2的速率。用2-乙醇胺【6】作为活化剂的1-辛炔进行的Sonogashira偶联反应得到较为理想的产物5和与进行Mizoroki-Heck【7】反应的丙烯酸乙酯得到的产物6如图3所示。

图3.

Pd/Cu混合催化剂催化的末端炔烃与sp2型碳的卤化物之间的交叉偶联反应通常被称之为Sonogashira 反应，是一个很重要的人名反应。赫克反应（Heck反应）也称沟吕木－赫克反应（Mizoroki－Heck反应），是不饱和卤代烃（或三氟甲磺酸酯）与烯烃在强碱和钯催化下生成取代烯烃的偶联反应。它得名于美国化学家理查德•赫克和日本人沟吕木勉，赫克凭借此贡献得到了2010年诺贝尔化学奖。

结论：

钯催化的溴噻吩衍生物的芳基化反应，是在与S原子相邻的 C-H 键上所发生的，而C-Br键上根本不会发生偶联反应。这种不影响Br 官能团的C—H键的芳基化反应，是由钯所催化完成的。与其他形式的C-H键芳基化反应相比，该反应使用到了AgNO3/KF混合物来促进反应进行。因为最后的终产物仍然含有C-Br键，进一步的过渡态金属催化的成键反应，例如与主族试剂、端炔烃、活化或非活化双键发生交叉偶联反应，这些都是可行的。

引用文献：

【1】：Metal-Catalyzed Cross-Coupling Reactor; Diederich, F,.Stang, P. Jed’s; Wiley-VCH