芳香化合物直接催化氧化偶联反应研究进展

联芳香化合物是一类具有重要应用价值的化合物, 广泛应用于合成药物、液晶以及高分子材料等领域[1]. 目前, 合成联芳香化合物的方法归纳起来主要有三种 (Scheme 1): 一是在 Pd 等过渡金属催化下, 两个官能化 芳香化合物经 Suzuki[2], Kumada[3], Stille[4]和 Negishi[5]等 偶联反应构造联芳香化合物(Scheme 1, Method A). 这 类经典方法由于研究时间较长, 反应条件研究较透彻, 收率较高, 因此在实验室和工业生产中得到广泛应用; 但该类反应需根据芳香化合物的结构特点, 事先将它们 分别做成相应的芳基硼酸(酯或其他芳基化试剂)和卤化 物等, 这无疑增加了反应步骤, 也造成溶剂等原材料的 浪费, 不符合当今绿色化学的潮流.
近年来研究发现, 通过向反应体系引入更有效的助 催化剂, 金属 Pd 催化芳香化合物的自身偶联反应可在
更温和的条件下实现苯及其衍生物的自身偶联; 并且各 类杂环芳香化合物的自身偶联也取得了显著进展. 除此 之外, 其他过渡金属如 Au, Cu, Ru 等催化芳香化合物的 自身偶联也得到了化学家的广泛关注.
1/2 O2
H2O [HPMoV]ox
[HPMoV]red Pd(OAc)2
2 AcOH Pd(0)
H AcOH Pd OAc
H Pd
AcOH
Scheme 3
1.1.2 Pd 催化杂环化合物的自身偶联反应 2004 年, Mori 等[18]以 PdCl2(PhCN)2 作催化剂, AgF
作氧化剂, DMSO 作溶剂, 实现了 2-甲酰基噻吩的氧化 偶联, 产率 69% (Eq. 5).
1 芳香化合物的自身偶联反应
芳香化合物自身偶联反应具有悠久的历史, 早在 1964 年, Van Helden 等[8]报道在化学计量 PdCl2 作用下, 苯可发生偶联反应生成联苯. 该反应拉开了芳香化合物 直接氧化偶联构造联芳香化合物的序幕. 后续研究人员 在 Van Helden 研究的基础上, 根据他发现的“联苯收率 在氧气存在时明显高于无氧存在”的事实, 引入不同氧 化剂对反应进行了优化. 1969 年, Fouty 等[9]在 Van Helden 反应体系中引入助催化剂 Hg(OAc)2, 以 HClO4 作氧 化剂, 使甲苯直接氧化偶联的收率有了显著提高, 同时 产物区域选择性也得到明显改善; 1970 年, Fijiwara 等[10] 以 AgNO3 作氧化剂, 可使苯氧化偶联生成联苯的反应 活性和反应收率得到明显提高. 然而美中不足的是: 这 些反应通常需要化学计量的金属或非金属氧化剂参与. 1976 年, Kozhevnikov 等[11]通过杂多酸(HPA)活化氧气的 方法, 首次采用氧气作氧化剂, 实现了苯及其衍生物的 氧化偶联. 随后, 他们[12,13]又以 PdCl2 作催化剂, FeCl3 或 Cu(OAc)2 作助催化剂, 实现了噻吩、吡咯等杂环芳烃 的自身偶联, 进一步拓宽了催化氧化自身偶联反应的底 物范围.
1738
有机化学
Vol. 31, 2011
Pd(OAc)2 (0.13 mmol) MoO2(acac)2 (0.07 mmol)
O2 (1.01 MPa), 130 oC, 4 h 38 mmol
Biblioteka Baidu
+ 0.77 mmol (86%)
OH +
OAc
(2)
6 0.08 mmol
7 0.05 mmol
2
随着有机合成方法学的发展, 化学家们逐渐采用非 官能化芳香化合物的芳基化反应来制备联芳香化合物
Method A
Ar M + X Ar Catalyst Ar Ar
Suzuki coupling M = B Kumada coupling M = Mg Stille coupling M = Sn Negishi coupling M = Zn
Cl
Cl
PdCl2 (2.8 mol%)
Cl
+
THAC (2.3 mol%)
+
+
(1)
AcOH/NaOAc
80 ~ 120 oC
Cl
1
2
Conversion 35% ~ 50%
3
4
5
Selectivity 67% 12% 21%
当上述反应体系中无氯苯加入时, 只得到痕量的联 苯, 并且反应数分钟后就有钯黑产生; 当体系中仅以氯 苯作底物时, 反应无法进行. 据此, 作者认为可能的反 应机理如 Scheme 2 所示: 苯在 Pd(II)催化下自身氧化偶 联得到联苯, 同时 Pd(II)转化为 Pd(0); 而氯苯的加入, 可使氯苯在自身还原偶联的同时, 将 Pd(0)重新转化为 Pd(II), 这 样 两 个 过 程 的 协 同 作 用 共 同 完 成 了 Pd(II)-Pd(0)-Pd(II)的催化循环.
2011 年第 31 卷 第 11 期, 1736～1751
·综述与进展·
有机化学
Chinese Journal of Organic Chemistry
Vol. 31, 2011 No. 11, 1736～1751
芳香化合物直接催化氧化偶联反应研究进展
张国富 a,b
赵晓宝 a 丁成荣*,a 刘会君 a
同年, Sasson 等[16]以 PdCl2 作催化剂, AcOH 作溶剂, 研究苯衍生物自身偶联反应时发现: 向反应体系中加入 Zr(OAc)2, Co(OAc)2, Mn(OAc)2 和乙酰丙酮等物质, 可 有效增加反应体系中溶解氧的浓度, 促进活性二价钯催 化物种的生成, 从而降低了反应所需的氧气压力, 提高 了反应的收率(Eq. 3).
Pd2+ + 2 C6H6 Pd2+ + C6H6 +
C6H5Cl
C6H5 C6H5
Pd2+ + C6H5Cl + C6H5Cl
Pd0 + 2 C6H5Cl
C6H5 C6H5
+ Pd0
C6H5 C6H4Cl
+ Pd0
C6H4Cl C6H4Cl
+ Pd0
+ Pd2+
Scheme 2
2001 年 , Yamaji 等 [15] 以 Pd(OAc)2 作 催 化 剂 , MoO2(acac)2 作助催化剂, O2 (1.01 MPa)作氧化剂, AcOH 作溶剂, 使苯发生自身偶联, 目标产物联苯的选择性可 达 86% (Eq. 2).
X = I, Br, Cl, OTf
Method B
Ar M(X) + H Ar Catalyst Ar Ar
M = B, Mg, Sn, Zn, Mg, etc. X = I, Br, Cl, OTf, etc.
Method C
Ar H + H Ar Catalyst Ar Ar
Scheme 1
(Scheme 1, Method B). 该方法采用芳香硼、硅、锡以及 卤化物作芳基化试剂, 在钯等过渡金属催化下同非官能 化芳香化合物进行偶联反应得到相应的联芳香化合物,
然而最具原子经济性的方法当属最近发展起来的 在氧气或其他氧化剂作用下, 采用过渡金属活化两个未 官能化芳香化合物的 sp2-C—H 键, 直接氧化偶联构造 C—C 键制备联芳香化合物的方法(Scheme 1, Method C). 这种简捷且最具原子经济性的合成策略已成为当今 有机化学领域的研究热点之一. 目前, 该领域的研究已 取得了可喜的研究成果, 游书力等[7]曾对金属钯催化的 C—H 键活化及芳香化合物的直接氧化偶联反应做了全 面的综述. 最近, 非钯过渡金属如金、铜、钌甚至非金 属催化剂在非官能化芳香化合物的直接氧化偶联方面 也表现出了较高的活性和选择性, 关于这方面的报道已 较多, 其对非官能化芳香化合物的直接氧化偶联反应的 进一步研究具有非常重要的指导意义. 因此, 本文对不 同过渡金属及其非金属催化的直接氧化偶联反应进行 了更为系统的总结和评述.
Process on Direct Catalytic Oxidative Coupling of Arenes
Zhang, Guofua,b Zhao, Xiaobaoa Ding, Chengrong*,a Liu, Huijuna Liang, Xinmiao*,b
(a College of Chemical Engineering and Materials Science, Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310014) (b Dalian Institute of Chemical Physics, Chinese Academy of Sciences, Dalian 116023)
(a 浙江工业大学化学工程与材料学院 杭州 310014) (b 中国科学院大连化学物理研究所 大连 116023)
梁鑫淼*,b
摘要 总结了近年来非官能化芳香化合物直接催化氧化偶联合成联芳香化合物的研究进展, 包括芳香化合物的自身偶 联、交叉偶联以及分子内偶联反应, 同时对反应中涉及的机理也进行了详细地讨论. 关键词 催化氧化; 直接氧化偶联; 自身偶联; 交叉偶联; 分子内偶联
* E-mail: dingcr2004@yahoo.com.cn Received August 21, 2010; revised February 28, 2011; accepted April 14, 2011. 国家自然科学基金(No. 20702051)资助项目.
No. 11
张国富等：芳香化合物直接催化氧化偶联反应研究进展
1.1 Pd 催化的自身偶联反应 1.1.1 Pd 催化苯及其衍生物的自身偶联反应
2000 年, Sasson 等[14]以 PdCl2 作催化剂, 四己基氯 化铵(THAC), NaOAc 和氯苯作添加物, AcOH 作溶剂, 可使苯发生自身偶联生成联苯, 80～120 ℃反应 28 h, 苯的转化率为 35%～50% (Eq. 1).
1737
当非官能化芳烃分子中存在导向基团时, 芳基化反应具 有良好的区域选择性. 由于该方法仅需对其中一个芳香 化合物进行官能化, 所以大大简化了反应步骤, 提高了 反应效率和原子经济性, 是当前构造芳香 C—C 键较为 先进的方法. 最近, 施章杰[6a,6b]和 Daugulis[6c]等对该领 域的进展做了详尽的综述.
Abstract Recent advances in direct catalytic oxidative coupling of unfunctionalized arenes are reviewed. The reactions involve homocoupling, cross-coupling and intramolecular-coupling. In addition, the mechanisms of these novel reactions are discussed in details. Keywords catalytic oxidation; direct oxidative coupling; homocoupling; cross-coupling; intramolecular-coupling
+ O2
PdCl2 (7 mol%), Co-catalyst (2 ~ 6 mol%) AcOH/AcONa, 105 oC, 4 ~ 6 h
R R = H, Me, OMe
Conversion 73% ~ 94%
R
R+
(3)
R
OAc
69% ~ 89% yields
2002 年, Ishii 等[17]以 Pd(OAc)2 作催化剂, 1∶1 的 HPMo11V/HPMo12 杂 多 酸 作 共 催 化 剂 , O2 作 氧 化 剂 , AcOH 作溶剂, 90 ℃实现了苯的氧化偶联. 反应的 TON 可达 109, 但偶联产物联苯的收率仅为 14.3% (Eq. 4).
Pd(OAc)2 (0.02 mmol)
+ O2
HPA (0.14 mmol) AcOH, 90 oC, 15 h
+
(30 mmol) 101 kPa
(14.3%)
OH
+
(4)
8 (3.3%)
(0.5%)
可能的反应机理如 Scheme 3 所示, 反应过程中被 还原的杂多酸可被 O2 重新氧化至具有氧化性的高价态, 该过程是整个氧化偶联反应的决速步骤.