双核镁化合物的合成、结构与催化季先科反应研究

郭志强，庞腾飞，王亚空，魏学红

（1. 山西大学 大型科学仪器中心，山西 太原 030006；2. 山西大学 化学化工学院，山西 太原 030006）

酯类化合物是一类重要的化工产品，在香料、染料、涂料、溶剂、医药、食品等领域具有非常重要的实用价值。目前，工业生产方法普遍存在着大量废弃物的产生，造成环境污染，反应可逆，产率及原子经济性低等问题。季先科反应（Tishchenko Reaction）作为经典的原子经济性酯化反应，从1887 年首次报道起［1］，便受到国内外化学家的极大关注，直到今天，有关季先科反应的催化剂合成、方法研究依然热度不减［2-10］。然而，导致其始终不能成为合成酯类化合物实用方法的主要原因，就是它只能用作偶合两分子相同的醛，当采用两种不同的醛类化合物作为反应底物时，高选择性的催化合成单一的酯类化合物相对困难。开发合成高效、廉价、选择性高的交叉偶合季先科反应催化剂迫在眉睫。

式1 氨基吡咯双核镁化合物的合成Scheme 1 Synthetic route of binuclear magnesium compound bearing aminopyrrolyl ligand

事实上，化学家一直在尝试通过分子间交叉偶合季先科反应制备单一的酯类化合物，如，Sensuke Ogoshi 教授及其合作者在2011 年首次报道了零价镍（Ni（cod）2/SIPr）催化剂不仅对芳香醛和脂肪醛的季先科反应均具有较好的活性，而且对脂肪醛和芳香醛的交叉缩合季先科反应具有较高的选择性，能够高选择性地生成单一酯类化合物，同时对反应机理也进行了较为详细的探讨，开辟了交叉缩合季先科反应的新纪元［10］。随后，中国科学技术大学傅尧课题组通过密度泛函理论计算解释了上述零价镍催化交叉偶联季先科反应的机理［11］，认为单羰基活化（MCA）机理是最有利的反应机理，氧化加成是速率决定步。2015 年，Sensuke Ogoshi 教授再次报道了新型催化剂氟化镍烯醇化物［（PhCOCF2）Ni（dcpe）］［FB（C6F5）3］在交叉偶合季先科反应中独特的催化效应［12］。同期，Stephen J. Connon 课题组多次报道了硫醇盐促进的不同芳香醛分子间的高选择性交叉偶合季先科反应［13-14］，随后，又以烃基二硒化合物作为反应催化剂，二丁基镁为反应助剂在四氢呋喃溶剂中3 Å 分子筛存在下，成功实现了两种相同或不同芳香醛的季先科反应，催化活性及选择性均取得了满意的效果［15］。北京科技大学党智敏教授通过理论计算进一步证实了Connon 提出的硫醇盐促进的不同芳香醛分子间的高选择性交叉偶合季先科反应机理［16］。

考虑到使用过渡金属镍催化剂制备复杂、价格昂贵以及大多数硒化合物具有较强的毒性等局限性，研究工作者逐渐将目光转向潜在的无毒、无污染的有机镁化合物应用于季先科反应研究［17-19］，但迄今为止，纵观所有高选择性的交叉偶联季先科反应报道中，仅仅能在一些相对有限的、特殊的底物中实现。总体而言，突破底物局限性以及低选择性的交叉偶合季先科反应，有待进一步深入研究。为此，基于课题组前期的研究［2-3，20］，我们通过调节所选配体上取代基团的位阻大小以及参与配位的配体数量，来提高金属镁化合物的亲核性，从而促使有利于单羰基活化机理进行，达到提高交叉偶合季先科反应的选择性。

1 实验部分

1.1 实验试剂与仪器

二正丁基镁、乙醚、正己烷、N-吡咯亚甲基叔丁胺、苯甲醛、邻甲氧基苯甲醛、邻溴苯甲醛、对甲基苯甲醛、对氯苯甲醛、对甲氧基苯甲醛、对硝基苯甲醛。

Bruker DRX 600MHz 核磁共振仪；D8 Venture X-射线单晶衍射仪；手套箱；电热磁力搅拌器；电子天平。

1.2 氨基吡咯双核镁化合物的合成与结构表征

1）在惰性气体保护和冰水浴条件下，向N-吡咯亚甲基叔丁胺配体（0.451 g，3 mmol）的正己烷溶液中缓慢滴加二正丁基镁溶液（3.00 mL，1.0 mol/L），滴加完毕，自然恢复到室温，继续搅拌2 h 后，将所得溶液用冰水浴再次冷却到零摄氏度，依次逐滴滴加邻甲氧基苯甲醛（0.408 g，3 mmol），滴加完毕缓慢回到室温继续搅拌7 h，真空浓缩反应液，用乙醚萃取，萃取液过滤浓缩至饱和状态，室温放置1 d～2 d，析出无色透明晶体，即为双核镁金属催化剂（以下简称催化剂），产率63%。1H NMR（600 MHz，THF-d8）δ8.11（s，2H），7.90（s，2H），7.04～6.94（m，6H），6.93～6.84（m，2H），6.81～6.63（m，2H），6.05（d，2H），4.01（s，2H），3.46（s，6H），1.62（s，4H），1.03（d，18H），0.88（s，6H），0.68～0.48（m，8H）；13C NMR（151 MHz，THF-d8）δ155.74，134.10，132.98，128.78，126.88，121.93，116.71，110.85，75.66，66.26，66.12，54.24，39.96，29.96，29.18，28.92，24.20，24.06，22.73，22.63，13.62；Anal. Calc. for C42H60Mg2N4O4：C，68.77；H，8.24；N，7.64.Found：C，68.63；H，8.12；N，7.55。

上述氨基吡咯双核金属镁化合物可以从乙醚和正己烷的混合溶液中结晶获得较好的，可以满足X-Ray 单晶衍射测试条件的晶体，详细的晶体数据及结构修正参数见表1，单晶结构图如图1 所示。该化合物的固体形态为双核二聚体结构，Mg 原子与氨基吡咯配体上的两个N 原子及另外两个配体上的三个氧原子形成五配位模式。 其键长Mg－O1，Mg－O2，Mg－N1 和Mg－N2 分别是2.266（3）Å，1.941（3）Å，2.079（3）Å，2.146（3）Å；N1－Mg－N2 和O2－Mg－O1 的 键 角 为82.17（13）° 和82.51（11）°。一 些 代 表 性 键 长 键 角 请见表2。

图1 氨基吡咯双核镁化合物的晶体结构图Fig.1 Crystal structure of binuclear magnesium compound bearing aminopyrrolyl ligand

表1 双核金属镁化合物晶体数据与结构参数Table 1 Single crystal X-ray data and structure refinement details of binuclear magnesium compound

表2 双核金属镁化合物的部分键角（º）与键长（Å）Table 2 Some bond lengths and angles of binuclear magnesium compound

1.3 双核镁化合物催化交叉偶合季先科反应的操作程序

催化反应在手套箱中进行，准确称取氨基吡咯双核镁化合物（0.018 3 g，0.05 mmol）于25 mL 封口反应瓶中，随后依次加入苯甲醛（102 uL，1 mmol）、邻甲氧基苯甲醛（121 uL，1 mmol），逐渐加热到30 ℃并保持反应3 h，TLC 检测反应完毕后加入10 mL 水猝灭反应，用乙酸乙酯萃取3 次（3×10 mL），真空除去溶剂，加入三氯乙烯（90 uL，1 mmol）作为内标，计算核磁产率。柱色谱（乙酸乙酯：石油醚=1：10），得到最终产物的纯品。所得交叉酯类化合物均通过1H NMR、13C NMR 表征，与文献报道相一致［21-23］。

2 结果与讨论

将上述合成的氨基吡咯双核镁化合物作为催化剂，以邻甲氧基苯甲醛和苯甲醛作为反应底物考察了催化剂加载量对不同芳香醛间交叉偶合季先科反应的影响，结果列于表3。从表3 可以看出在30 ℃，氨基吡咯双核镁化合物以5%（摩尔百分数）催化剂加载量时，产率和选择性相对较高，分别为72%和77%（表3，条目1－3）。不同溶剂的优化实验表明，溶剂甲苯中的效果最好，但不及无溶剂（表3，条目4－7）。适当延长反应时间，可以提高产率（表3，条目8），但效果不太明显。提高反应温度，产率和选择性均出现不同程度降低（表3，条目9）。

表3 双核金属镁化合物催化交叉偶合Tishchenko反应及反应条件优化Table 3 Binuclear magnesium compound catalyzed crosscoupling Tishchenko reaction conditions optimization

在获取上述交叉偶合反应的最优反应条件后，考察了氨基吡咯双核金属镁化合物对不同底物的交叉偶合季先科反应的普适性。实验结果列于表4，从中可以得出，在温和的反应条件下，对位取代的芳香醛和邻甲氧基苯甲醛均可以选择性的转化成相应的单一酯类化合物（表4，条目1－5）。此外，改用邻溴苯甲醛与对位不同取代的苯甲醛仍然可以实现选择性的交叉偶合反应（表4，条目6－10），充分说明该方法的实用性。在苯环对位含有吸电子基团的苯甲醛相对在苯环对位含有给电子基团的苯甲醛要有较高的产率，但增减趋势不是很明显。该交叉偶合反应机理同经典的季先科反应一样，同样经过氢转移和烯醇中间体实现酯的生成，本文利用改变调节所选配体上取代基团的位阻大小以及参与配位的配体数量，来提高金属镁化合物的亲核性，以及芳香醛的邻位效应促使有利于单羰基活化机理进行，实现了反应的高选择性。

表4 双核镁化合物催化交叉偶合Tishchenko反应及反应底物拓展Table 4 Binuclear magnesium compound catalyzed cross-coupling Tishchenko reaction substrate expansion

3 结论

本论文合成了一种新颖的氨基吡咯双核金属镁化合物，利用1H NMR，13C NMR，元素分析、XRD单晶衍射等分析手段进行了详尽的结构表征与验证，探究了其结构性质与催化交叉偶合季先科反应的反应活性与选择性。研究结果表明：上述氨基吡咯双核镁化合物在30oC 下，无溶剂或甲苯溶剂中，加载量为5%（摩尔百分数）时可以有效催化两种不同芳香醛的交叉偶和季先科反应，获得单一的酯类化合物，其选择性可达85%，产率最高可达78%。