钯催化卤代芳烃羰化酰胺化反应:中性/离子型膦配体的合成及其在制备α-酮酰胺和1,3,4-噁二唑中的应用

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羰化酰胺化反应通常是指在过渡金属配合物催化作用下,卤代烃或不饱和烃与CO、有机胺反应,构建酰胺键的过程。对于羰化酰胺化反应,在不同的反应条件下,既可以发生单羰化反应,生成酰胺,又可选择性的发生双羰化反应,生成α-酮酰胺;另外,由于N-亲核试剂的种类丰富,不仅有脂肪(芳香)胺,还有酰肼、肼、酰胺、脲等,因此通过羰化酰胺化反应也可获得具有高附加值的含酰胺键的有机分子,如双酰肼、酰肼、酰亚胺、N-酰基脲等。膦配体修饰的钯配合物是羰化酰胺化反应的常用催化剂,配合物的催化性能主要受配体电子效应和空间效应的调控。另外,对于含膦杂合配体修饰的钯配合物,杂合配体独特的半稳定性对配合物催化性能展现出独特的调节作用。因此设计具有不同结构的膦配体以探究配体效应对羰化酰胺化反应的影响具有重要的研究意义。本论文设计合成了含1-(3-噻吩基)-苯并咪唑骨架的四种新型膦配体并将其应用于两种不同的卤代烃羰化酰胺化反应中,相关研究工作如下:(1)膦配体修饰的钯配合物催化卤代芳烃和脂肪胺的双羰化酰胺化反应合成α-酮酰胺类化合物α-酮酰胺类化合物是一类结构中含有相邻酮基和酰胺基的特殊胺类化合物,在有机合成、医药农药等领域有广泛应用。在膦配体修饰的钯配合物的催化作用下,以卤代芳烃、CO、脂肪胺为原料发生双羰化酰胺化反应,可一步合成α-酮酰胺类化合物。通过双羰化酰胺化反应制备α-酮酰胺类化合物的过程具有原子经济性高、合成步骤简便、原料廉价易得等优势,该反应过程能否顺利实现主要受所用膦配体结构和组成的影响。本部分工作合成了一系列含1-(3-噻吩基)-苯并咪唑骨架的新型膦配体L1-L4,并将其的应用于卤代芳烃和脂肪(伯/仲)胺的双羰化酰胺化反应。研究结果表明,离子型双齿膦配体L4可作为具有独特半稳定性的P,C(膦,卡宾)-杂合配体的前驱体,与PdCl2(MeCN)2配位形成具有稳定六元环结构的P,C-螯合Pd(Ⅱ)配合物;且L4修饰的PdCl2(MeCN)2催化体系在卤代芳烃双羰化酰胺化反应中表现出良好的催化活性和双羰化选择性,获得81-95%的卤代芳烃转化率和80-91%的α-酮酰胺选择性。高压原位FT-IR表征进一步证明,PdCl2(MeCN)2-L4催化体系中对双羰化酰胺化反应更有利,双羰化产物(α-酮酰胺)不是单羰化产物(酰胺)发生第二次羰基化反应的结果。此外,离子型双齿膦配体L4修饰的钯催化体系在室温离子液体[Bpy]BF4中循环使用六次而不出现明显的失活现象。六次循环后,有机相中钯浸出率仅为0.37%(ICP-OES分析)。(2)膦配体修饰的钯配合物催化碘代芳烃和酰肼的“羰化-脱水”串联反应一锅法合成1,3,4-噁二唑类化合物1,3,4-噁二唑类化合物是一类结构中含有O/N原子的五元杂环化合物,在农药、医药、材料领域应用广泛。在膦配体修饰的钯配合物催化作用下,以卤代烃、CO、单酰肼为原料发生“羰化-脱水”串联反应,可一锅法制备1,3,4-噁二唑类化合物,并且该反应具有合成路线简单、原料易得、底物官能团容忍度高等优势。本部分工作将合成的新型膦配体L1-L4应用于钯催化的碘代芳烃和酰肼的“羰化-脱水”串联反应以一锅法制备1,3,4-噁二唑类化合物。研究结果表明,L1修饰PdCl2(MeCN)2催化剂表现出良好的催化性能,1,3,4-噁二唑的产率达到62~93%。高压原位FT-IR表征显示,碘代芳烃和酰肼通过羰化反应(串联反应的第一步)可生成中间产物双酰肼类化合物。根据推测的反应机理和膦配体31P NMR表征,发现膦配体L1的强σ-给电子能力以及较小的空间位阻有利于亲核性弱的底物单酰肼类化合物与金属中心配位,从而使L1修饰的PdCl2(MeCN)2催化剂在羰化酰肼化-脱水缩合反应中拥有最佳催化性能。在循环实验中,离子型双齿膦配体L4修饰的钯催化体系具有较强稳定性,可在室温离子液体[Bmim]BF4中循环使用。
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