有机膦配体对钯分子偶联催化剂活性的影响

巨少英，高安丽，李 雪，余 娟，陈 力

(昆明贵金属研究所 稀贵金属综合利用新技术国家重点实验室，昆明 650106)

有机膦钯配合物在C-X(X=C,O,N)偶联反应中具有优越的催化性能，广泛应用于有机光电功能材料、有机药物和天然产物的合成和生产中[1-4]。有机膦钯配合物主要由中心钯原子和有机膦配体组成，最有代表性的是四(三苯基膦)合钯[Pd(PPh3)4][5]。[Pd(PPh3)4]为Pd(0)的化合物，在空气中不稳定，给生产和应用带来不便[6]。为了改善配合物的稳定性，科技和工业界采用Pd(Ⅱ)替代Pd(0)为中心原子，同时引入氯离子作解离配体，以平衡电荷，得到可溶于有机溶剂的中性配合物，例如二氯二(三苯基膦)合钯[Pd(PPh3)2Cl2][7-9]，因为大多数偶联反应需要在有机介质中进行。三苯基膦为最常见的有机膦配体，以其为配体的[Pd(PPh3)2Cl2]虽然对很多偶联反应有良好的催化性能，但在有些重要的偶联反应中，催化活性和选择性仍不尽人意。为此，人们又选用不同的有机膦配体调控钯配合物的催化性能[10-11]。目前，有机膦配体是如何影响有机膦钯配合物催化性能的研究和报道并不多。本文选择3 种不同的有机膦配体，双(二叔丁基苯基膦)-t-Bu)2PPh[12]、双(二叔丁基-4-二甲氨基苯基膦)-Amphos[13]、4,5-双二苯基膦-9,9-二甲基氧杂蒽-Xantphos[14]，合成二氯有机膦钯配合物，表征它们的化学结构、在3 种偶联反应模型上测试催化活性，以此探讨有机膦配体对钯配合物催化性能的影响，为开展新型有机膦钯偶联催化剂提供参考。

1 实验部分

1.1 实验试剂及仪器

PdCl2和[Pd(PPh3)4]由贵研铂业股份有限公司提供，纯度(质量分数，下同)≥98.0%；有机膦配体(t-Bu)2PPh、Amphos、Xantphos 购自阿法埃莎(天津)化学科技有限公司，纯度均大于98%；THF(AR，500 mL)购自百灵威科技有限公司；其它试剂和溶剂均为分析纯。

1.2 目标配合物的合成

将1.77 g(10 mmol) PdCl2加入100 mL THF，在65℃下加热回流，至PdCl2完全溶解，冷却至室温，充换氮气3 次，并在氮气保护下，分别滴加单齿膦配体(t-Bu)2PPh (4.45 g，20 mmol)，Amphos(5.31 g，20 mmol) 和双齿膦配体 Xantphos (5.79 g，10 mmol)，配体0.5 h 滴加完毕，分别析出有色沉淀，减压蒸馏，THF 洗涤，在50℃下真空干燥2 h，得到对应的目标配合物。

1.3 产物的表征

采用Vario ELⅢ型元素分析仪测定C、H、N 含量；钯含量采用常规还原-重量法测定；1H-NMR 谱图由Avance III 500MHz 核磁共振仪测定；采用德国布鲁克AXS 公司的Apex Duo 型X 射线单晶衍射仪(XRD)测量单晶数据。

1.4 催化活性测定

选择2 个典型的Suzuki 偶联反应和1 个Sono-gashira 偶联反应进行了有机膦钯配合物的催化活性实验。通过预试验优化反应条件，并在相同的反应条件下测定合成的3 个有机膦钯配合物和对照催化剂[Pd(PPh3)4]的催化转化率。

2 结果与讨论

2.1 产物的合成和化学组成

以PdCl2为起始原料，选择THF 为反应介质、在氮气保护下，通过配合加成反应(见图1)合成了3种有机膦钯配合物。经元素分析和1H-NMR 分析确定产物化学成分。

图1 目标配合物的合成路线Fig. 1 Synthetic routes of the complexes

1) 目标配合物trans-{Pd[(t-Bu)2PPh]2Cl2}。黄色晶状粉末，产量5.9 g，产率95%。元素分析按C28H46Cl2P2Pd 的计算值：C 54.0%，H 7.4%，Pd 17.1%；实测值C 54.6%，H 7.6%，Pd 17.0%。1H-NMR(500 MHz，CDCl3)δ(10-6)：7.89 (s,2H)，7.32 (d,J=7.3 Hz,3H)，1.62 (t,J=6.9 Hz,18H)。

2) 目标配合物trans-[Pd(Amphos)2Cl2]。黄色晶状粉末，产量 6.7 g，产率 96%。元素分析按C32H56Cl2N2P2Pd 的计算值：C 54.2%，H 7.9%，N 3.9%，Pd 15.0%；实测值：C 54.6%，H 7.8%，N 4.1%，Pd 15.0%。1H-NMR (500 MHz,CDCl3)δ(10-6)：7.72(dt,J=8.6,4.2 Hz,2H),6.63 (d,J=8.8 Hz,2H),2.97(s,6H),2.00,1.59 (m,18H)。

3) 目标配合物cis-[Pd(Xantphos)Cl2]。红色晶状粉末，产量 7.2 g，产率 96%。元素分析按C39H32Cl2OP2Pd 的计算值：C 61.9%，H 4.2%，Pd 14.1%；实测值：C 62.0%，H 4.3%，Pd 14.0%。1H-NMR (500 MHz,CDCl3)δ(10-6)：7.39 (d,J=1.3 Hz,2H),7.22 (ddd,J=16.2,10.3,5.0 Hz,20H),6.96(t,J=7.6 Hz,2H),6.55 (dd,J=7.5,1.7 Hz,2H),1.73～1.65 (s,6H)。

2.2 产物化学结构确定

目标配合物的晶体是通过MeCN 与CH2Cl2混合溶剂挥发法培养得到(因Pd(Amphos)2Cl2(II)未培养出单晶，未进行后续表征)，在APEX DUO 双光源单晶衍射仪上测定单晶衍射数据，数据解析采用直接法(SHELXTL)完成[15]，结合LP 因子和经验吸收校正，所有非氢原子坐标和各向异性温度因子采用全矩阵最小二乘法进行修正[16-18]，氢原子采用理论加氢的方法确定。相关晶体学数据如表1 所列，根据单晶XRD 结果得到trans-{Pd[(t-Bu)2PPh]2Cl2}和trans-[Pd(Amphos)2Cl2]的的化学结构，如图2 所示。

表1 目标配合物的晶体数据Tab. 1 Crystal structural data for the complexs

图2 配合物Pd[(t-Bu)2PPh]2Cl2 (a)和Pd(Xantphos)Cl2 (b)的单晶结构图Fig. 2 Single crystal structure of complexs Pd[(t-Bu)2PPh]2Cl2 (a) and Pd(Xantphos)Cl2 (b)

2.3 催化活性分析

2.3.1 Suzuki 偶联反应模型I

取2-溴噻吩(163 mg,1 mmol)，对羟基苯硼酸(137 mg,1 mmol)，K2CO3(276 mg,2 mmol)，Pd 催化剂(0.05mmol 相对于对羟基苯硼酸)，加入到250 mL 双颈烧瓶中，在氮气保护下，加入THF:H2O=1.5:1 的混合溶剂100 mL，在75°C 下搅拌，反应12 h 后，用已建立的HPLC 法测定产物4-(2-噻吩基)苯酚浓度并计算转化率。对应的偶联反应式如式(I)所示。

2.3.2 Suzuki 偶联反应模型Ⅱ

称取4,7-二溴苯并噻二唑(293 mg,1 mmol)，对羟基苯硼酸片呐醇酯(220 mg,1 mmol)，K2CO3(276 mg,2 mmol)，Pd 催化剂(0.05mmol 相对于4,7-二溴苯并噻二唑)，加入到250 mL 双颈烧瓶中，氮气环境下，加入THF :H2O=1:1(100 mL)，在75°C 下搅拌，反应12 h 后，用已建立的HPLC 法测定产物4-(7-溴苯并[1,2,5]噻二唑-4-基)苯酚浓度并计算转化率。对应的偶联反应式如式(II)所示。

2.3.3 Sonogashira 偶联反应模型Ⅲ

称取4,7-二溴苯并噻二唑(293 mg,1 mmol)，甲基丁炔醇(252 mg,3 mmol)，Pd 催化剂(0.05 mmol相对于4,7-二溴苯并噻二唑)，加入到250 mL 双颈烧瓶中，氮气环境下，加入THF:Et3N=1:1(100 mL)，在25°C 下搅拌，反应12 h 后，用已建立的HPLC法测定产物溴苯并噻二唑-甲基丁醇浓度并计算转化率。对应的偶联反应式如式(III)所示。

3 个目标配合物和[Pd(PPh3)4]对3 种偶联反应的催化转化率列于表2。

表2 有机膦Pd(Ⅱ)配合物在偶联反应模型上的催化活性Tab. 2 Catalytic activity of the palladium(Ⅱ) complexes in Suzuki coupling reaction

由表2 数据可见：对于偶联反应模型I 和Ⅲ，催化活性的顺序是trans-{Pd[(t-Bu)2PPh]2Cl2}＞ cis-[Pd(Xantphos)Cl2]＞ trans-[Pd(Amphos)2Cl2]，trans-{Pd[(t-Bu)2PPh]2Cl2}的活性最高。而对偶联反应模型Ⅱ，催化活性的顺序为 cis-[Pd(Xantphos)Cl2]＞trans-[Pd(Amphos)2Cl2]＞ trans-{Pd[(t-Bu)2PPh]2Cl2}，cis-[Pd(Xantphos)Cl2]的活性最高。这些结果表明，膦配体对钯分子偶联催化剂的活性有着重要的影响，且对不同反应模型影响不一样。有机膦钯在3个偶联反应模型的总体活性有这样的趋势：模型Ⅰ≈模型Ⅱ＞＞模型Ⅲ，表明有机膦钯分子偶联催化剂在Suzuki 反应模型上比Sonogashira 反应模型上表现出较高的催化活性。

trans-{Pd[(t-Bu)2PPh]2Cl2}对偶联反应模型I、Ⅲ，均显示相对高的活性。其配体(t-Bu)2PPh 和Amphos 均为单齿膦配体，生成的钯配合物均为反式构型。但在Amphos 配体上，存在一个拉电子的-NMe2基团，会引起配合原子P 上的电荷密度减少、配位能力下降，配合物的稳定性相应降低，这可能是 trans-{Pd[(t-Bu)2PPh]2Cl2}的催化活性远大于trans-[Pd(Amphos)2Cl2]的主要原因。在催化剂cis-[Pd(Xantphos)Cl2]中，Xantphos 为双齿膦配体，虽然Xantphos 也存在拉电子的氧杂蒽，会减低P 原子的配位能力。但是，双齿膦配体与Pd 配位形成的螯环稳定效应，会额外增加配合物的稳定性。

偶联反应模型Ⅱ是4,7-二溴苯并噻二唑与对羟基苯硼酸片呐醇酯的偶联反应，相对于偶联反应模型Ⅰ和Ⅲ，反应底物的分子体积增大，偶联反应的空间位阻增加，因此，就要求配合物中催化活性中心钯原子周围的基团尽量小，以有利于底物靠近和配位。3 个有机膦钯配合物中，cis-[Pd(Xantphos)Cl2]因采用体积相对大的双齿膦配体，加之其螯环的稳定效应，因此对反应模型Ⅱ的催化活性最好。

3 结论

1) 设计、合成了以3 个不同有机膦为配体、氯离子为解离基团的Pd(II)的配合物，经成分测定、1H-NMR 分析和XRD 表征确定其化学结构分别为trans-{Pd[(t-Bu)2PPh]2Cl2}、trans-[Pd(Amphos)2Cl2]、cis-[Pd(Xantphos)Cl2]。

2) 在3 个偶联反应模型上测试了合成产物的催化活性，探讨了以有机膦为配体对催化活性的影响。结果表明，膦配体对钯分子偶联催化剂的活性有重要影响，且对不同反应模型其影响不同。认为与有机膦与Pd(II)配位形成的配合物稳定性有关，存在稳定性越高，催化活性越好的趋势。同时，当催化的底物分子体积较大时，选用体积较小的有机膦作配体，可以减小底物与催化剂之间的空间阻力，提高催化活性。