铑（Ⅰ）催化芳基三氟硼酸钾与芳基羧酸酐偶联反应的研究

伊 泽，伊茂聪，王建辉

（天津大学理学院，天津300072）

在天然产物和药物化合物的合成中，芳酮类的中间体以及最终产物占据着重要的作用。酮的传统合成方法常用Friedel－Crafts酰化反应，即酰氯或酸酐与苯环进行酰基化反应［1－3］。这种方法存在一些缺陷，如剧烈的反应条件、低的区域选择性和大量的副产品。有文献［4，5］报道通过芳基三氟硼酸钾可制备芳酮，但研究大多集中在钯或铑催化苯甲酰甲酸或苯甲醛与芳基三氟硼酸钾的交叉偶联反应，其它反应的研究较少。芳基三氟硼酸钾是非常稳定且无毒的化合物，容易制备、分离，对湿气和水相对稳定，可容忍许多敏感的官能团［6］。在过去的几十年中，已有很多利用金属催化合成芳酮的文献报道［7－9］。然而，这些反应必须在惰性气氛下进行且收率较低。作者参照文献［10－13］方法，以芳基三氟硼酸钾为底物，以RhCl（PPh3）3／CuI为催化体系合成芳酮，反应不需惰性气氛，开发了一种新颖、方便的芳酮制备方法。

1 实验

1.1 试剂与仪器

芳基硼酸、KHF2、RuCl3·3H2O、三苯基膦，Alfa Aesar A Johnson Matthey Company；芳基甲酸、氯化亚砜、三乙胺、四氢呋喃，分析纯，天津江天化工技术有限公司。

X－4型显微熔点测定仪，北京泰克公司；Perkin－Elmer 1600FTIR型傅立叶红外光谱仪（KBr压片法）；Bruker－400型核磁共振仪（TMS为内标），瑞士布鲁克公司；Thermo Trace DSQ气相色谱－质谱联用仪，美国热电公司；FA1004型电子分析天平，上海上平仪器有限公司。

1.2 方法

芳基三氟硼酸钾和芳基羧酸酐按文献［14－16］方法制备，RhCl（PPh3）3按文献［17］方法制备。

以苯基三氟硼酸钾和苯甲酸酐反应生成苯甲酮为模型反应，其合成路线如下：

在带有磁力搅拌棒的5mL的史莱克瓶中，加入苯甲酸酐、PhBF3K、K2CO3、CuI、RhCl（PPh3）3、二甲苯。在120℃下搅拌反应2h后，TLC检测，反应完成后，将混合物用5mL水骤冷，用乙酸乙酯（3×10.0 mL）萃取。合并有机层，用硫酸镁干燥，用旋转蒸发仪蒸除溶剂后，用硅胶柱（乙酸乙酯∶己烷＝1∶20）分离提纯，真空干燥，得白色固体二苯甲酮，产率95%，m.p.：47～48℃；IR（KBr），ν，cm－1：1075.04，996.93，917.12，764.21，635.24；1HNMR（400MHz，CDCl3），δ：7.80（d，J＝7.3Hz，4H），7.57（d，J＝7.3Hz，2H），7.48（t，J＝7.6Hz，4H）；13CNMR（100MHz，CDCl3），δ：196.7，137.5，132.4，130.0，128.25。

2 结果与讨论

2.1 溶剂、反应温度和反应时间对反应产率的影响（表1）

表1 溶剂、反应温度和反应时间对反应产率的影响Tab.1 The effect of solvent，reaction temperature and reaction time on the yield

由表1可知，溶剂对反应产率的影响较大，在60℃下反应12h，以四氢呋喃、NMP、甲苯、二甲苯、二氧六环为溶剂（表1中1、4、7、8、10）可获得较高的产率，其中二甲苯的产率最高，为85%；而其它溶剂（表1中2、3、5、6、9）的产率并不高。由表1还可知，升高反应温度，产率提高；当反应温度升高至120℃反应2h，以二甲苯、NMP为溶剂（表1中15、16）的产率可达95%、85%；而在60℃或90℃反应2h，以二甲苯为溶剂的产率为58%、68%（表1中17、18）；当反应温度为90℃时，必须反应6h，才可以获得较高的产率（表1中11、14）。因此，确定最佳反应温度为120℃、溶剂为二甲苯、反应时间为2h。

2.2 碱、催化剂和添加剂对反应产率的影响（表2）

由表2可知，当催化剂为单一RhCl（PPh3）3时，产率很低，＜5%（表2中1）；添加碱（K2CO3）后，产率仍然不高，只有13%（表2中2）；而继续添加CuI，即采用1.0%RhCl（PPh3）3、CuI（1.0eq）和K2CO3（2.0 eq）组合催化剂，产率可达95%（表2中6）；更换不同的碱（三乙胺、甲醇钠、磷酸钾、碳酸铯、叔丁醇钾、磷酸氢二钾、硫酸钾、碳酸钠、碳酸氢钠和醋酸钾）（表2中3～5、7～13），并不能进一步提高产率；当用［Rh（COD）Cl］2和RhCl3·3H2O代替RhCl（PPh3）3（表2中14、15）时，其它反应条件不变，产率为86%和48%；当用碘化钾或氰化亚铜作为添加剂（表2中16、17）时，产率只有17%和15%；其它反应条件相同，不加催化剂RhCl（PPh3）3时（表2中18），产率只有18%；降低催化剂RhCl（PPh3）3的用量时，产率也明显下降（表2中19～21）。因此，确定最佳的反应条件为：苯基三氟硼酸钾（2.0eq），苯甲酸酐（1.0eq），K2CO3（2.0eq），催化剂1.0%（mol），碘化亚铜（1.0eq），溶剂二甲苯1.5mL，反应温度120℃，反应时间2h。

表2 碱、催化剂和添加剂对反应产率的影响Tab.2 The effect of bases，catalysts and additives on the yield

2.3 反应物的空间位阻和电子效应对反应产率的影响

以不同的芳基三氟硼酸钾取代1.2模型反应中的苯基三氟硼酸钾，考察反应物空间位阻和电子效应对反应产率的影响，结果见表3。

表3 空间位阻和电子效应对反应产率的影响Tab.3 The effect of steric and electronic effects on the yield

由表3可知，无论是供电子基团还是吸电子基团取代的芳基三氟硼酸钾，均不影响其与苯甲酸酐的催化偶联反应，可得到较高的产率，＞86%（表3中1～5）；当芳香环具有邻位的取代基时，反应受到空间位阻的影响，但仍然可得72%以上的产率（表3中6、7）；然而，当反应温度降低到60℃时，空间位阻和强吸电子取代基影响显著，产率明显下降（表3中4b～7b），这表明升高反应温度可以削弱空间位阻和强吸电子取代基团对反应的负面影响，同时可以缩短反应时间。

2.4 不同的芳基羧酸酐对反应产率的影响

以不同的芳基羧酸酐取代1.2模型反应中的苯甲酸酐，考察不同的芳基羧酸酐对反应产率的影响，结果见表4。

表4 不同的芳基羧酸酐对反应产率的影响Tab.4 The effect of different aryl carboxylic anhydrides on the yield

由表4可知，苯甲酸酐和苯基三氟硼酸钾反应，得到较高的产率（表4中1）；邻位有取代基的芳基甲酸酐则得到较低的产率（表4中2、3），表明这些反应对空间位阻是敏感的；在芳香环对位有取代基的苯甲酸酐，不论是供电子基团或吸电子基团，都可得到高产率（表4中4～7），此外，在同样条件下，脂肪族羧酸酐不反应（表4中8），不能得到相应的酮。

3 结论

芳基三氟硼酸钾作为有机硼化合物，可与芳基羧酸酐在铑（Ⅰ）催化剂的作用下发生交叉偶联反应，在较短的反应时间得到相应的芳酮。催化体系可应用于供电子基团和吸电子基团取代的芳基三氟硼酸钾和芳基羧酸酐反应生成相应的芳酮，并且在低催化剂量时得到良好的产率；然而具有空间位阻基团取代的芳基三氟硼酸钾和芳基羧酸酐反应的产率较低。

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