钯催化炔烃与苯胺羰基化合成丙烯酰胺*

周 栋，邓佑林，潘诗睿，唐 石

(吉首大学化学化工学院，湖南 吉首416000)

钯催化炔烃与苯胺羰基化合成丙烯酰胺*

周 栋，邓佑林，潘诗睿，唐 石

(吉首大学化学化工学院，湖南 吉首416000)

在氯化钯/氯化铜的催化体系作用下，炔烃与苯胺在一氧化碳(101.325 kPa)环境中进行串联氯钯化/羰基化反应，以中等产率得到在功能材料领域存在广泛应用价值的丙烯酰胺类化合物.

羰基化反应；卤代丙烯酰胺；炔烃；苯胺;一氧化碳

丙烯酰胺(酯)及其衍生物是合成纤维工业和合成材料工业的重要原料之一，单体及其均聚物、共聚物都越来越广泛地被用在国防建设、石油化工、选矿、造纸、纺织和水处理等方面[1-3].因此，发展操作简单、反应条件温和、选择性高的丙烯酰胺合成途径具有重要的实践意义.不饱和烃(炔烃，烯烃)与胺的羰基化反应是合成此类化合物的重要途径之一.一些化学研究者[4-8]曾成功利用一氧化碳来捕捉炔烃卤钯化反应产生的活性钯中间体，然后进一步与醇、胺等进行交换反应，立体选择性地制备了多种在合成中存在重要价值的功能烯丙酸酯或酰胺等化合物.文献[9]报道了利用氯化钯/氯化铜体系催化炔烃与醇发生串联卤钯化/羰基化分子内成环合成了3-卤烯丙酸酯，如下所示：

但是该部分工作只探索了炔烃与醇羰基化反应，据笔者所知，炔烃与苯胺分子间羰基化反应合成丙烯酰胺迄今没有相关文献报道.基于以上研究背景，笔者发展了一类简便、高效的由炔烃合成丙烯酰胺的羰基化反应，利用氯化钯 (摩尔分数5%)/氯化铜(5 eq)催化体系成功催化炔烃与苯胺在一氧化碳(101.325 kPa)环境中以中等收率得到了多种丙烯酰胺衍生物，如下所示：

1 实验部分

1.2实验仪器和药品

1.2.1 实验仪器 安捷伦7890A型气相色谱仪，ZF-1型三角紫外分析仪(上海骥辉科学分析仪器有限公司)，集热式恒温搅拌器(浙江省乐清市乐成电器厂)，标准熔点毛细管(上海顾鹏玻璃仪器有限公司)，旋转蒸发仪(上海亚荣生化仪器厂)，50 mL球形烧瓶，100 mL球形烧瓶，l，5 mL注射器，封口噻，胶头滴管，薄层层析硅胶板等.

1.2.2 实验药品 苯乙炔，庚炔，苯胺，氯化钯，氯化铜，苯，对甲苯炔，四氢呋喃(THF)，乙腈(天津市富宇精细化工有限公司)，乙醇，一氧化碳，乙酸乙酯，石油醚.

1.3实验方法

(1)改变氯化钯的用量对反应的影响.取3只编号为1，2，3的 50 mL的球形烧瓶，称量等量约苯胺(2.5 mmol)和苯乙炔(1.0 mmol)分别置于已编号的烧瓶内，再分别加入等量的约氯化铜(5 eq)和0.050，0.075，0.100 mmol的氯化钯做催化剂到编号为1，2，3的瓶中，然后用规格为5 mL的注射器分别往3个烧瓶内加入THF (0.6 mL)和苯(10 mL)，混合后摇匀，加盖，在持续通入一氧化碳(鼓泡)的情况下，最后置于 50 ℃的集热式恒温搅拌器中搅拌反应24 h.反应完毕后，用旋转蒸发仪蒸去溶剂，所得混合物用乙醚洗涤几次，并通过短硅胶柱进行粗处理.收集有机层、旋干，所得混合物通过薄层色谱柱进行分离提纯得目标产物.

(2)不同溶剂对反应的影响.取2只已编号4，5的50 mL的球形烧瓶，称量等量苯胺(2.5 mmol)和苯乙炔(1.0 mmol)分别置于已编号的烧瓶内，再用分析天平称量约0.10 mmol的氯化钯和5 eq的氯化铜做催化剂,然后按烧瓶的编号顺序用规格为5 mL的注射器往烧瓶内加入10 mL苯后再分别加入0.6 mL乙醇、0.6 mL乙腈，混合后摇匀，加盖，在持续通入一氧化碳(鼓泡)的情况下，最后置于 50 ℃的集热式恒温搅拌器中搅拌24 h.反应完毕后，用旋转蒸发仪蒸去溶剂，所得混合物用乙醚洗涤几次，并通过短硅胶柱进行粗处理.收集有机层、旋干，所得混合物通过薄层色谱柱进行分离提纯得目标产物.

(3)不同溶液配比对反应的影响.取3只已编号6，7，8的50 mL的球形烧瓶，称量苯乙炔(2.5 mmol)和苯乙炔(1.0 mmol)分别置于编号的烧瓶内，再用分析天平称量约0.1 mmol的氯化钯和5 eq的氯化铜做催化剂,然后按烧瓶的编号顺序用规格为5 mL的注射器往烧瓶内加入10 mL苯后再分别加入0.4 mL四氢呋喃、0.6 mL THF、0.8 mL THF，混合后摇匀，加盖，在持续通入一氧化碳(鼓泡)的情况下，最后置于 50 ℃的集热式恒温搅拌器中搅拌24 h.反应完毕后，用旋转蒸发仪蒸去溶剂，所得混合物用乙醚洗涤几次，并通过短硅胶柱进行粗处理.收集有机层、旋干，所得混合物通过薄层色谱柱进行分离提纯得目标产物.

(4)温度对反应的影响.取2只已编号9，10的50 mL的球形烧瓶，称量苯胺(2.5 mmol)和苯乙炔(1.0 mmol)分别置于编号的烧瓶内，再用分析天平称量约0.1 mmol的氯化钯和5 eq的氯化铜做催化剂,然后按烧瓶的编号顺序用规格为5 mL的注射器往烧瓶内加入苯(10 mL)和THF(0.6 mL)，混合后摇匀，加盖，在持续通入一氧化碳(鼓泡)的情况下，最后置于 50 ℃和60 ℃的集热式恒温搅拌器中搅拌24 h.反应完毕后，用旋转蒸发仪蒸去溶剂，所得混合物用乙醚洗涤几次，并通过短硅胶柱进行粗处理.收集有机层、旋干，所得混合物通过薄层色谱柱进行分离提纯得目标产物.

2 结果与讨论

2.1影响反应进行的各种因素

炔烃羰基化合成酰胺路线如下所示：

5 eq氯化铜时混合溶剂体系、钯用量、反应温度的变化对酰胺产率的影响见表1.

表1 苯乙炔与苯胺羰基化反应优化条件筛选

2.1.1 钯用量对反应产量的影响 实验数据显示钯的用量大时，原料转化率较高，但是催化剂过量同样会导致反应速度的下降；且考虑到钯金属是贵金属，过量使用钯试剂也会使得成本增高.经反复实验验证，认为0.1 mmol的氯化钯的用量可以满足反应的充分进行，是最佳催化剂用量(见表1).

2.1.2 混合溶剂体系对反应的影响 在改变反应溶媒对反应影响的测定数据中，根据以前炔烃羰基化研究经验[5-8]，使用一些混合溶剂体系有利于取得高的产率.经过一些尝试，如苯与乙腈、苯与乙醇体系、苯与四氢呋喃混合体系，发现苯与四氢呋喃混合体系效率最高.进一步筛选发现，苯与四氢呋喃混合溶剂体系(v(苯)∶v(四氢呋喃) = 10∶0.6)时，反应产率最高.因此，苯与四氢呋喃混合溶剂体系 (v(苯)∶v(四氢呋喃) = 10∶0.6)为实验室测得的最佳溶剂体系(见表1).

2.1.3 温度对反应的影响 数据显示，温度在该反应中是一项重要的影响因素.反应在温度为50 ℃条件下的产率明显高于30 ℃和60 ℃，所以50 ℃为最佳的反应条件.

综上可知，实验条件筛选得到的优化反应条件是：苯胺(2.5 mmol)，炔烃(1.0 mmol)，PdCl2(0.1mmol),CuCl2(5 mmol),苯与四氢呋喃混合溶剂(v(苯)∶v(四氢呋喃) = 10∶0.6),在101.325 kPa一氧化碳环境中于50 ℃搅拌反应24 h.

2.2优化条件下丙烯酰胺衍生物的合成

(1)3-氯-3,N-二苯基丙烯酰胺 (3a)的合成路线如下所示：

取1只球形瓶，称量0.1 mmol的氯化钯和5 eq的氯化铜置于瓶中，注入10 mL苯，0.6 mL THF，苯胺2.5 mmol，苯乙炔1 mmol，在持续通入一氧化碳(鼓泡)的情况下，最后置于 50 ℃的集热式恒温搅拌器中搅拌24 h.反应完毕后，用旋转蒸发仪蒸去溶剂，所得混合物用乙醚洗涤几次，并通过短硅胶柱进行粗处理.收集有机层、旋干，所得混合物通过薄层色谱柱以石油醚/乙酸乙酯为洗脱液(v(石油醚)∶v(乙酸乙酯)= 5∶1)进行分离提纯得目标产物,产率52%，黄色固体，熔点82～83.5 ℃，1H NMR(400 Hz,CDCl3)δ：8.27 (br,1H),7.62(d,J=8.0 Hz,2H),7.43～7.13(m,6H),6,65(s,1H).

(2)3-氯-辛-2-烯酸苯酰胺 (3b)的合成路线如下所示：

取1只球形瓶，称量0.1 mmol的氯化钯和5eq的氯化铜置于瓶中，注入10 mL苯，0.6mL THF，苯胺2.5 mmol，庚炔 1 mmol，在持续通入一氧化碳(鼓泡)的情况下，最后置于 50 ℃的集热式恒温搅拌器中搅拌24 h.反应完毕后，用旋转蒸发仪蒸去溶剂，所得混合物用乙醚洗涤几次，并通过短硅胶柱进行粗处理.收集有机层、旋干，所得混合物通过薄层色谱柱以石油醚/乙酸乙酯为洗脱液(v(石油醚)∶v(乙酸乙酯)=5∶1)进行分离提纯得目标产物,产率52%,黄色固体,熔点77～78 ℃,1H NMR(400 Hz,CDCl3)δ:8.18(br,1H),7.57(d,J=8.0 Hz,2H),7.33～7.29 (m,2H),7.11(t,J=7.2 Hz,1H),6,11(s,1H),2.43(t,J=7.6 Hz,2H),1.67～1.58(m,2H),1.32～1.25(m,4H),0.90(t,J=6.8 Hz).

2.3反应机理

在文献[5-15]的基础上，提出如下所示的炔烃羰基化机理过程：

首先炔烃与钯发生氯钯化反应得到钯中间体A,然后这种活泼钯中间体被一氧化碳捕捉生成中间体B，接着中间体B与亲核的苯胺发生酰化反应生成钯中间C,最后钯中间C还原消除生成产物3a和零价钯.零价钯现场被氯化铜氧化成二价钯参与下一轮催化循环.

3 结语

发展了一类钯催化炔烃与苯胺羰基化反应，为在功能材料领域存在广泛应用价值的丙烯酰胺合成提供了一条有效的合成途径.实验结果表明，影响该反应的因素有：(1)溶剂的极性，如乙醇、乙腈、四氢呋喃(THF)分别与溶剂苯的不同配比将对反应产率影响较大；(2)催化剂氯化钯的用量；(3)温度是一个重要的影响反应产率的因素，过高或过低都不利于反应的进行.最佳溶剂体系为苯与四氢呋喃混合溶剂(v(苯)∶v(四氢呋喃) = 10∶0.6)，反应温度为50 ℃时效果最佳.进一步扩宽反应底物范围和优化反应条件有待深入研究.

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(责任编辑 向阳洁)

SynthesisofAcrylamidefromPalladium-CatalyzedCarbonylationofAnilinewithAlkyne

ZHOU Dong,DENG Youlin,PAN Shirui,TANG Shi

(College of Chemistry and Chemical Engineering,Jishou University,Jishou 416000,Hunan China)

In the presence of PdCl2/CuCl2catalytic system,alkyne and aniline underwent tandem halopalladation/carbonylation to afford a serial of haloarylamides in moderate yield under 1 atm carbon monoxide.

carbonylation;haloacrylamide;alkyne;aniline;carbon monoxide

1007-2985(2014)06-0087-05

2014-05-15

湖南省教育厅优秀青年基金项目(13B094)；吉首大学大学生研究性学习和创新性实验计划项目(JSU-CX-2013-03)；吉首大学研究生科研创新项目(JGY201418)

周 栋(1988—)，男，江苏宿迁人，吉首大学化学化工学院硕士研究生，主要从事有机合成研究

唐 石(1979—)，男，湖南衡阳人，吉首大学化学化工学院副教授，博士,主要从事有机化学、天然化学物提取研究.

O643.32

B

10.3969/j.issn.1007-2985.2014.06.021