课外科技计划项目结题论文（设计）-钯-多金属氧酸盐体系催化C-H键官能团化构建C-C、C-N键

1、福 建 师 范 大 学课外科技计划项目结题论文（设计）题 目：钯-多金属氧酸盐体系催化C-H键官能团化构建C-C、C-N键学 院：化学与材料学院专 业：化学专业 指 导 教 师：目 录【摘要】【关键词】【项目名称】【项目编号】前言 2.实验方法2.1仪器和药品2.1.1 仪器2.1.2 2.2 催化剂的制备2.2.1 H4PMo11VO2.2.2 H5PMo10V2O40的制备2.2.3 (NH4)5H4PMo6V6O40的制备（NPMoV）2.3催化活性实验（以苯并呋喃与苯乙烯反应为例）3.结果与讨论3.1. 苯并呋喃与苯乙烯反应的催化性能讨论 3.1.1反应产物的表征3.1.2催化反应条件

2、的探讨3.2. 恶唑烷-2-酮与苯乙烯反应的催化性能讨论 3.2.1反应产物的表征3.3.2催化反应条件的探讨4 结论5致谢6参考文献钯-多金属氧酸盐体系催化C-H键官能团化构建C-C、C-N键【摘要】本论文制备了几种多金属氧酸盐，并将其作为催化剂量的氧化剂应用到钯催化的C-H键官能团化构建C-C、C-N键的反应中，选苯并呋喃与苯乙烯的脱氢偶联反应和恶唑烷-2酮与苯乙烯的脱氢偶联反应作为探针反应，对反应的条件进行了优化。【关键词】钯催化；多金属氧酸盐；C-C键生成；C-N键生成【项目名称】钯-多金属氧酸盐体系催化C-H键官能团化构建C-C、C-N键【项目编号】BKL2011-034 1.前言

3、近年来，金属催化C-H键官能团化构建C-C、C-N键(见图1)的反应由于其原子经济性受到化学工作者的普遍关注，在书籍及综述性杂志，如Chem. Rev.; Coordin. Chem. Rev.; Angew. Chem. Int. Ed.等有综述性文章介绍这方面的研究成果。过渡金属钯是最有效的催化剂之一，如钯催化的芳香烃C-H键的烯烃化生成C-C键的反应，钯催化的烯烃C-H键的氨基化生成C-N键的反应16。图1 基于钯催化通过C-H的官能团化构建C-C、C-N键Fig.3 Palladium-catalyzed C-C, C-N bond formation via C-H bonds fu

4、nctionalization但是钯催化的C-H键官能团化反应的研究也受到一些瓶颈的制约，其中一个最主要的瓶颈就在于这些反应中往往需要化学计量的氧化剂（如二价Cu盐、苯醌、Oxone、PhI(OAc)2、过氧化物等）来再生Pd(II)催化剂（见图2），这些氧化剂的加入使反应复杂化，也不符合绿色化学的原则711。图2 基于钯催化通过C-H键的官能团化的可能机理Fig.2 Plausible mechanism of Pd-catalyzed C-H bonds functionalization多金属氧酸盐（简称多酸，polyoxometalates，缩写为POMs）化学是催化化学、材料化学和药

5、物化学中的一个重要研究领域。在多金属氧酸盐中配原子一般以最高氧化态存在，可以连续获得多个电子，具有强氧化性，较容易地氧化底物后自身呈还原态，而这种还原态是可逆的，O2就能将其氧化为初始状态并循环使用(如图3)。因此多金属氧酸盐可能可以作为催化剂量的氧化剂使用，过渡金属钯-多金属氧酸盐也有望成为脱氢偶联反应的高效催化剂1215。图3 基于钯-多金属氧酸盐催化通过C-H键的官能团化的可能机理Fig.3 Plausible mechanism of Pd-POMs-catalyzed C-H bonds functionalization因此，本论文选用过渡金属钯-多金属氧酸盐体系作为催化剂对苯并呋

6、喃与苯乙烯的脱氢偶联反应和恶唑烷-2酮与苯乙烯的脱氢偶联反应进行了考察。2.实验方法2.1仪器和药品2.1.1 仪器高压釜，真空泵，血清瓶（5 mL），封口膜，DF-101S集热式恒温加热磁力搅拌器（郑州长城科工贸有限公司），ZF-20D暗箱式紫外分析仪（巩义市予华有限公司），FA1004电子天平（上海舜宇恒平科学仪器有限公司），DF-101S集热式恒温加热磁力搅拌器（郑州长城科工贸有限公司）。如果没有特殊说明，本论文的实验数据均在以下仪器上测得：气相色谱：上海精科GC126；气/质谱联用仪：美国Thermo trace GC Ultra/Trace DSQ；核磁共振谱仪（Bruker bio

7、spin Avance III, 400M）2.1.2 磷钼酸、氯化钯、乙酰丙酮、醋酸钯、偏钒酸钠、Na2HPO412H2O、Na2MoO42H2O、无水碳酸钠、乙酸、二氯甲烷、无水乙醚、石油醚、浓硫酸，N,N-二甲基甲酰胺，N，N-二甲基乙酰胺，二甲基亚砜等常用试剂，均为分析纯，均购自国药集团。4-甲基氨基吡啶，Boc-L-亮氨酸，1,10-邻二氮菲，N-乙酰甘氨酸，N-乙酰-DL-亮氨酸丙烯酸乙酯，丙烯酸丁酯，三氟乙酸钯、1,4-二氧六环、碳酸铯、醋酸钠、对苯二酚、苯并呋喃、噁唑烷-2-酮、苯乙烯、三氟乙酸、二甲胺、二苯甲酰基甲烷、乙酰甘氨酸、Z-L-苯丙氨酸、Boc-L-丙氨酸等均购自A

8、lfa Aesar。2.2 催化剂的制备2.2.1 H4PMo11VO参照文献16的方法合成H4PMo11VO40： 将Na2HPO412H2O（1.79 g，5 mmol）溶于蒸馏水（10 mL）中，并与预先在沸腾条件下溶于蒸馏水（10 mL）中的偏钒酸钠（0.61 g，5 mmol）混合。将混合物冷却，用浓硫酸（0.5 mL）酸化至红色，向混合物中加入预先溶于蒸馏水（20 mL）中的Na2MoO42H2O（13.30 g，55 mmol）溶液。最后在强烈搅拌下向溶液中慢慢加入浓硫酸（8.5 mL），此时由暗红色转变为很浅的红色。将水溶液冷却后用乙醚（40 mL）萃取出杂多酸，萃取过程中杂多

9、酸乙醚配合物在中层，水层（底层）是黄色的，可能含有钒化合物。分离后用空气流通过杂多酸乙醚配合物层以除去乙醚，得黄色固体。重结晶，空气中干燥，得黄色粉末，产量1.9090 g，产率18%。2.2.2 H5PMo10V2O40的制备参照文献16的方法合成H5PMo10V2O40：将Na2HPO412H2O（1.79 g，5 mmol）溶于蒸馏水（10 mL）中，并与预先在沸腾条件下溶于蒸馏水（10 mL）中的偏钒酸钠（2.44 g，20 mmol）混合。将混合物冷却，用浓硫酸（0.5 mL）酸化至红色，向混合物中加入预先溶于蒸馏水（20 mL）中的Na2MoO42H2O（12.10 g，50 mm

10、ol）溶液。最后在剧烈搅拌下向溶液中慢慢加入浓硫酸（8.5 mL），此时由暗红色转变为很浅的红色，冷却至室温。最后用乙醇（50mL）萃取，取出下层液体，于空气中干燥，得大红色晶体。2.2.3 (NH4)5H4PMo6V6O40参照文献17的方法合成(NH4)5H4PMo6V6O40：将Na2MoO40.2H2O(9.11g，17mmol)溶解于蒸馏水（6mL）中，并将得到的溶液加入到预先溶解于蒸馏水（19mL）的NaVO3（3.66g，30mmol）溶液中，得到混合溶液A。另取2.2mL85%的H3PO4（3.8g溶液，33mmol溶质）溶解于蒸馏水（10mL）中，并将此溶液加入到混合溶液A中

11、，再将得到的混合溶液在搅拌1h的情况下，加热至95，然后再冷却至0后，加入75mL的饱和NH4Cl溶液，得棕黄色沉淀（NPMoV），最后在约90条件下干燥即得NPMoV固体粉末。2.3催化活性实验（以苯并呋喃与苯乙烯反应为例）高压实验过程：往高压釜中加入苯并呋喃（0.1180 g，1.0 mmol）、苯乙烯（0.0208 g，0.2 mmol）、H3PMo11VO40 (0.0356 g, 0.02 mmol)、Pd(OAc)2 (0.0045 g, 0.02 mmol)、NaCO3(0.0212 g, 0.2 mmol)、乙酰丙酮（0.003 g, 0.03 mmol）、1 mL二甲基亚砜、

12、关紧高压釜，充入5 atmO2，置换三次氧气，最后充入5 atmO2，将高压釜置于油浴锅上，在120C下反应48小时后冷却至室温，将剩余的氧气放出，取出反应混合物于血清瓶中，并用少量二氯甲烷溶液洗涤高压釜。分别取反应物苯并呋喃（用石油醚稀释10倍）和反应产物做薄层色谱，以石油醚：二氯甲烷=11:1作为展开剂。在紫外灯下观察有无新斑点，如果有则用铅笔标出斑点的位置计算出比移值。将产物进行气相色谱测试，如果有新物质生成进一步测试气/质谱，以确定产物分子式从而推出产物分子式。常压实验过程：在schlenk反应瓶（具高真空阀）加H3PMo11VO40 (0.0356 g, 0.02 mmol)、Pd(

13、OAc)2 (0.0045 g, 0.02 mmol)、NaCO3(0.0212 g, 0.2 mmol)，分子筛4粒，双排管真空置换O2三次，后在O2气氛中加入苯并呋喃（0.1180 g，1.0 mmol）、苯乙烯（0.0208 g，0.2 mmol）、乙酰丙酮（0.003 g, 0.03 mmol）、1 mL二甲基亚砜，反应瓶上接气球，充入1atm O2，其他操作同上。3.结果与讨论3.1. 苯并呋喃与苯乙烯反应的催化性能讨论 3.1用气相色谱（GC），气质联用(GC-MS)对反应进行了跟踪，。气相色谱GC检测确认新物质的存在，再用气质联用测试，根据样品的分子离子峰及碎片离子峰质量，推测可

14、能的产物。GC-MS测试结果为：GCMS m/z (% relative intensity): 220 (M+, 100), 191(44), 188(33), 166(15), 139(10), 94(13)，可能为苯并呋喃与苯乙烯的脱氢偶联产物（如图4）。柱层析分离出无色固体， NMR分析见图5, 1HNMR(CDCl3, 400MHz): ppm 6.68 (s, 1H), 7.01 (d, 1H, J=16 Hz), 7.16-7.22 (m, 1H), 7.28-7.30 (m, 2H), 7.34-7.40 (m, 2H), 7.47 (d, 1H, J=8 Hz), 7.53

15、(d, 3H, J=8 Hz)， 结果表明产物确为苯并呋喃与苯乙烯的脱氢偶联产物反-2-苯乙烯基苯并呋喃3a。图4保留时间为19.80min的组分的质谱图Fig.4 The mass spectrogram of component at 19.80min图53a 的核磁谱图Fig.5 1HNMR data of 3a3.1.2催化我们以苯并呋喃1a与苯乙烯2a反应生成脱氢偶联产物3a为探针反应考察了不同催化剂、反应溶剂、反应压力、碱、添加剂等对反应的影响，结果见表1。从表中可以看出H4PMo11VO40比其他多金属氧酸盐的催化活性高，3a的GC产率为30左右（表1，序15）；而钯盐Pd(OA

16、c)2，Pd(OCOCF3)2要比PdCl2的催化活性高（表1，序1, 6-7）。在反应中Na2CO3是比较好的碱添加剂，Na2CO3的使用还可以使得苯乙烯的氧化产物大大减少（表1，序1, 810）。溶剂的影响我们也做了简单的考察，结果表明非质子极性溶剂中有反应产物生成，换成其他溶剂只有少量或没有产物生成（表1，序1，1113）。最初我们使用乙酰丙酮类化合物作为添加剂，改变反应温度，反应压力，反应时间，反应产率也没有进一步提高，最近Yu实验组发现单氮保护氨基酸作为添加剂可以使得钯催化的芳烃乙烯化反应的催化活性大大提高1821，单氮保护氨基酸在C-H键断裂过程中与钯配位从而影响其相应的过渡态能量

17、并最终加速反应的进行。因而我们在原来摸索条件的基础上尝试了各种单氮保护氨基酸添加剂对反应的影响。发现单氮保护氨基酸确实对反应有很大促进作用，添加Boc-Leu-OH使得3a的产率增加到50（表1，序18），在5atmO2下添加Ac-Gly-OH时3a的产率为23%（表1，序19），但是把O2压力加到常压而延长反应时间到48小时时3a的产率增加到52(表1，序20)，在此基础上我们改变其他溶剂，用DMF作为溶剂，3a的产率提高到88，其分离产率为60（表1，序23），减少Pd(OAc)2及H4PMo11VO40用量到2mol（表1，序24），其反应产率也没有降低，继续降低用量到1mol%时产率有

18、明显下降（表1，序25）。综合以上结果，可以得到反应的最佳条件：催化剂Pd(OAc)2和H4PMo11VO40的用量为2mol%，Na2CO3的添加量为200mol，Ac-Gly-OH添加量为5mol，反应溶剂为DMF，反应压力1atmO2，反应温度120oC，反应时间48小时。表1钯-多金属氧酸盐催化苯并呋喃与苯乙烯的反应aTable 1Palladium-polyoxometalate-catalyzed oxidative coupling of benzofuran with styrenea3.2. 恶唑烷-2-酮与苯乙烯反应的催化性能讨论 3.2.1反应产物的表征GC-MS测试结果

19、为：GCMS m/z (% relative intensity): 189 (M+, 33), 144(11), 130(24), 103(100), 91(21), 77(32), 51(21)，可能为恶唑烷-2-酮与苯乙烯的脱氢偶联产物（如图6）。柱层析分离出无色固体， NMR分析见图7, 1HNMR(CDCl3, 400MHz): ppm 3.76 (t, 2H, J=8 Hz), 4.42 (t, 2H, J=8 Hz), 5.23 (s, 1H), 5.28 (s, 1H), 7.35-7.39 (m, 5H)， 结果表明产物为恶唑烷-2-酮与苯乙烯的脱氢偶联产物3-(1-苯基-1

20、-乙烯基)恶唑烷-2-酮3b。图6 保留时间为16.65 min 的组分的质谱图Fig. 6 The mass spectrogram of component at 16.65 min 图73b 的核磁谱图Fig.7 1HNMR data of 3b3.3.2催化反应条件的探讨我们以恶唑烷-2-酮1b与苯乙烯2a发生脱氢偶联反应生成3b为探针反应，尝试了各种多金属氧酸盐及钯盐在这个反应中的催化作用（表2，序15），发现Pd(OAc)2-H5PMo10V2O40混合体系催化活性最高（表2，序4），在DMF中反应要比在其他溶剂比如DMSO，乙酸，二氯甲烷等中反应3b的产率要高（表2，序611），

21、添加碱对该反应有促进作用，其中NaOAc对反应的促进作用最大（表2，1214），添加氢醌对反应有一定的促进作用，3b的产率从86.6上升到92.8，反应气氛对反应的影响较大，将反应气氛由1atm O2换成空气气氛时，3b的产率由92.8下降到28.6。表2钯-多金属氧酸盐催化恶唑烷-2-酮与苯乙烯的反应aTable 1Palladium-polyoxometalate-catalyzed oxidative coupling of oxazolidin-2-one with styrene综合以上结果，可以得到反应的最佳条件：催化剂Pd(OAc)2的用量为5 mol%，H5PMo10V2O40

22、的用量为1mol%，NaOAc的添加量为10mol，HQ添加量为5mol，反应溶剂为DMF，反应压力1atmO2，反应温度60oC，反应时间24小时。3.3.3底物扩展为了考察该催化体系的使用范围，我们对其他恶唑烷-2-酮衍生物与苯乙烯衍生物的脱氢偶联反应进行了研究，目前我们分离得到了两个产物（如图8），其他反应底物的考察课题组还在进行中。图8钯-多金属氧酸盐催化恶唑烷-2-酮与苯乙烯衍生物的反应aFig. 8 Palladium-polyoxometalate-catalyzed oxidative coupling of oxazolidin-2-one with styrene deri

23、vatives4 结论我们开发了钯-多金属氧酸盐体系催化的苯并呋喃与苯乙烯化脱氢偶联反应以及恶唑烷-2-酮与苯乙烯脱氢偶联反应，是简便有效、原子经济的合成方法，扩展了C-H键官能团化构建C-C键、C-N键的反应化学。后续的研究工作本实验室还在进行中。致谢 本实验研究得到了国家自然科学基金（项目编号21103022），福建省自然科学基金（项目编号2011J05019），福建省教育厅A类项目（项目编号JA11063）以及福建师范大学本科生课外科技计划项目（项目编号BKL2011-034）的支持。【参考文献】1 Yeung C. S., Dong V. M. catalytic dehydrogen

24、ative cross-coupling: forming carbon-carbon bonds by oxidizing two carbon-hydrogen bonds J. Chem. Rev., 2011, 111:1215-1292.2 Lyons T. W., Sanford M. S. palladium-catalyzed ligand-directed C-H functionalization reactions J. Chem. Rev., 2010, 110:1147-1169.3 Bras J. L., Muzart J. intermolecular dehyd

25、rogenative heck reactions J. Chem. Rev. 2011, 111:1170-1214.4 Kotov V., Scarborough C. C., Stahl S. S. palladium-catalyzed aerobic oxidative amination of alkenes: development of intra- and intermolecular aza-wacker reactionsJ. 2007, 46(6):1910-1923.5 Giri R., Shi B.-F., Engle K. M., et al. transitio

26、n metal-catalyzed C-H activation reactions: diastereoselectivity and enantioselectivityJ. Chem. Soc. Rev., 2009, 38:3242-3272.6 Li H., Shi Z. palladium-catalyzed C-C bonds formation reactions via selective C-H bonds functionalizationJ. progress in chemistry, 2007, 22(7):1414-1433.7 Zhang X., Fan S.,

27、 He C.-Y., et al. Pd(OAc)2 catalyzed olefination of highly electron-deficient perfluoroarenesJ. J. Am. Chem. Soc., 2010, 132:4506-4507.8 Grimster N. P., Gauntlett C., Godfrey C. R. A., et al. palladium-catalyzed intermolecular alkenylation of indoles by solvent-controlled regioselective C-H function

28、alizationJ. Angew. Chem. Int. Ed., 2005, 44:3125-3129.9 Garcia-Rubia A., Arrayas R. G., Carretero J. C. palladium(II)-catalyzed regioselective direct C2 alkenylation of indoles and pyrroles assisted by the N-(2-pyridyl)sulfonyl protecting groupJ. Angew. Chem. Int. Ed., 2009, 48:6511-6515.10 Wang L.,

29、 Liu S., Yu Y. palladium-catalyzed driect olefination of urea dericatives with n-butyl acrylate by C-H bond activation under mild reaction conditionsJ. Org. Lett., 2011, 13(23):6137-6139.11 Garcia-Rubia A., Urones B., Arrayas R. G. et al. PdII-catalyzed C-H olefination of N-(2-pyridyl)sulfonyl anili

30、nes and arylalkylaminesJ. Angew. Chem. Int. Ed., 2011, 50:10927-10931.12 Mizuta Y., Obora Y., Shimizu Y., et al. para-selective aerobic oxidative C-H olefination of aminobenzenescatalyzed by palladium/molybdovanadophosphoric acid/2,4,6-trimethylbenzoic acid systemJ. ChemCatChem, 2012,4:187-191.13 Ob

31、ora Y., Shimizu Y., Ishii Y. intermolecular oxidative amination of olefins with amines catalyzed by the Pd(II)/NPMoV/O2 systemJ. Org. Lett., 2009, 11(21):5058-5061.14 Dwight T. A., Rue N. R., Charyk D., et al. C-C bond formation via double C-H functionalization: aerobic oxidative coupling as a metho

32、d for synthesizing heterocoupled biarylsJ. Org. Lett., 2007, 9(16):3137-3139.15 Obora Y., Ishii Y. Pd(II)/HPMoV-catalyzed direct oxidative coupling reaction of benzenes with olefinsJ. Molecules, 2010, 15:1487-1500.16 Tsigdinos A. G., Hallada J. C. Molybdovanadophosphoric Acids and Their Salts. I. In

33、vestigation of Methods of Preparation and CharacterizationJ. Inorg. Chem., 1968, 7(3): 437-441.17 Yokota T., Fujibayashi S., Nishiyama Y., et al. Molybdovanadophosphate (NPMoV) /hydroquinone/O, system as an efficient reoxidation system in palladium-catalyzed oxidation of alkenesJ. Journal of Molecular Catalysis A: Chemical, 1996, 114: 113- 122.18 Shi B.-F., Zhang Y.-H., Lam J. K., et al. Pd(II)-catalyzed enantioselective C-H olefination of diphenylacetic acidsJ. J. Am. Chem. Soc., 2010, 132:460-461.19 Lu Y., Wang D.-H., Engle K. M., et al. Pd(II)-catalyzed hydroxyl-direc