鈀催化炔烴與苯胺羰基化合成丙烯酰胺*

周 棟，鄧佑林，潘詩睿，唐 石

(吉首大學化學化工學院，湖南 吉首416000)

鈀催化炔烴與苯胺羰基化合成丙烯酰胺*

周 棟，鄧佑林，潘詩睿，唐 石

(吉首大學化學化工學院，湖南 吉首416000)

在氯化鈀/氯化銅的催化體系作用下，炔烴與苯胺在一氧化碳(101.325 kPa)環(huán)境中進行串聯氯鈀化/羰基化反應，以中等產率得到在功能材料領域存在廣泛應用價值的丙烯酰胺類化合物.

羰基化反應；鹵代丙烯酰胺；炔烴；苯胺;一氧化碳

丙烯酰胺(酯)及其衍生物是合成纖維工業(yè)和合成材料工業(yè)的重要原料之一，單體及其均聚物、共聚物都越來越廣泛地被用在國防建設、石油化工、選礦、造紙、紡織和水處理等方面[1-3].因此，發(fā)展操作簡單、反應條件溫和、選擇性高的丙烯酰胺合成途徑具有重要的實踐意義.不飽和烴(炔烴，烯烴)與胺的羰基化反應是合成此類化合物的重要途徑之一.一些化學研究者[4-8]曾成功利用一氧化碳來捕捉炔烴鹵鈀化反應產生的活性鈀中間體，然后進一步與醇、胺等進行交換反應，立體選擇性地制備了多種在合成中存在重要價值的功能烯丙酸酯或酰胺等化合物.文獻[9]報道了利用氯化鈀/氯化銅體系催化炔烴與醇發(fā)生串聯鹵鈀化/羰基化分子內成環(huán)合成了3-鹵烯丙酸酯，如下所示：

但是該部分工作只探索了炔烴與醇羰基化反應，據筆者所知，炔烴與苯胺分子間羰基化反應合成丙烯酰胺迄今沒有相關文獻報道.基于以上研究背景，筆者發(fā)展了一類簡便、高效的由炔烴合成丙烯酰胺的羰基化反應，利用氯化鈀 (摩爾分數5%)/氯化銅(5 eq)催化體系成功催化炔烴與苯胺在一氧化碳(101.325 kPa)環(huán)境中以中等收率得到了多種丙烯酰胺衍生物，如下所示：

1 實驗部分

1.2實驗儀器和藥品

1.2.1 實驗儀器 安捷倫7890A型氣相色譜儀，ZF-1型三角紫外分析儀(上海驥輝科學分析儀器有限公司)，集熱式恒溫攪拌器(浙江省樂清市樂成電器廠)，標準熔點毛細管(上海顧鵬玻璃儀器有限公司)，旋轉蒸發(fā)儀(上海亞榮生化儀器廠)，50 mL球形燒瓶，100 mL球形燒瓶，l，5 mL注射器，封口噻，膠頭滴管，薄層層析硅膠板等.

1.2.2 實驗藥品 苯乙炔，庚炔，苯胺，氯化鈀，氯化銅，苯，對甲苯炔，四氫呋喃(THF)，乙腈(天津市富宇精細化工有限公司)，乙醇，一氧化碳，乙酸乙酯，石油醚.

1.3實驗方法

(1)改變氯化鈀的用量對反應的影響.取3只編號為1，2，3的 50 mL的球形燒瓶，稱量等量約苯胺(2.5 mmol)和苯乙炔(1.0 mmol)分別置于已編號的燒瓶內，再分別加入等量的約氯化銅(5 eq)和0.050，0.075，0.100 mmol的氯化鈀做催化劑到編號為1，2，3的瓶中，然后用規(guī)格為5 mL的注射器分別往3個燒瓶內加入THF (0.6 mL)和苯(10 mL)，混合后搖勻，加蓋，在持續(xù)通入一氧化碳(鼓泡)的情況下，最后置于 50 ℃的集熱式恒溫攪拌器中攪拌反應24 h.反應完畢后，用旋轉蒸發(fā)儀蒸去溶劑，所得混合物用乙醚洗滌幾次，并通過短硅膠柱進行粗處理.收集有機層、旋干，所得混合物通過薄層色譜柱進行分離提純得目標產物.

(2)不同溶劑對反應的影響.取2只已編號4，5的50 mL的球形燒瓶，稱量等量苯胺(2.5 mmol)和苯乙炔(1.0 mmol)分別置于已編號的燒瓶內，再用分析天平稱量約0.10 mmol的氯化鈀和5 eq的氯化銅做催化劑,然后按燒瓶的編號順序用規(guī)格為5 mL的注射器往燒瓶內加入10 mL苯后再分別加入0.6 mL乙醇、0.6 mL乙腈，混合后搖勻，加蓋，在持續(xù)通入一氧化碳(鼓泡)的情況下，最后置于 50 ℃的集熱式恒溫攪拌器中攪拌24 h.反應完畢后，用旋轉蒸發(fā)儀蒸去溶劑，所得混合物用乙醚洗滌幾次，并通過短硅膠柱進行粗處理.收集有機層、旋干，所得混合物通過薄層色譜柱進行分離提純得目標產物.

(3)不同溶液配比對反應的影響.取3只已編號6，7，8的50 mL的球形燒瓶，稱量苯乙炔(2.5 mmol)和苯乙炔(1.0 mmol)分別置于編號的燒瓶內，再用分析天平稱量約0.1 mmol的氯化鈀和5 eq的氯化銅做催化劑,然后按燒瓶的編號順序用規(guī)格為5 mL的注射器往燒瓶內加入10 mL苯后再分別加入0.4 mL四氫呋喃、0.6 mL THF、0.8 mL THF，混合后搖勻，加蓋，在持續(xù)通入一氧化碳(鼓泡)的情況下，最后置于 50 ℃的集熱式恒溫攪拌器中攪拌24 h.反應完畢后，用旋轉蒸發(fā)儀蒸去溶劑，所得混合物用乙醚洗滌幾次，并通過短硅膠柱進行粗處理.收集有機層、旋干，所得混合物通過薄層色譜柱進行分離提純得目標產物.

(4)溫度對反應的影響.取2只已編號9，10的50 mL的球形燒瓶，稱量苯胺(2.5 mmol)和苯乙炔(1.0 mmol)分別置于編號的燒瓶內，再用分析天平稱量約0.1 mmol的氯化鈀和5 eq的氯化銅做催化劑,然后按燒瓶的編號順序用規(guī)格為5 mL的注射器往燒瓶內加入苯(10 mL)和THF(0.6 mL)，混合后搖勻，加蓋，在持續(xù)通入一氧化碳(鼓泡)的情況下，最后置于 50 ℃和60 ℃的集熱式恒溫攪拌器中攪拌24 h.反應完畢后，用旋轉蒸發(fā)儀蒸去溶劑，所得混合物用乙醚洗滌幾次，并通過短硅膠柱進行粗處理.收集有機層、旋干，所得混合物通過薄層色譜柱進行分離提純得目標產物.

2 結果與討論

2.1影響反應進行的各種因素

炔烴羰基化合成酰胺路線如下所示：

5 eq氯化銅時混合溶劑體系、鈀用量、反應溫度的變化對酰胺產率的影響見表1.

表1 苯乙炔與苯胺羰基化反應優(yōu)化條件篩選

2.1.1 鈀用量對反應產量的影響 實驗數據顯示鈀的用量大時，原料轉化率較高，但是催化劑過量同樣會導致反應速度的下降；且考慮到鈀金屬是貴金屬，過量使用鈀試劑也會使得成本增高.經反復實驗驗證，認為0.1 mmol的氯化鈀的用量可以滿足反應的充分進行，是最佳催化劑用量(見表1).

2.1.2 混合溶劑體系對反應的影響 在改變反應溶媒對反應影響的測定數據中，根據以前炔烴羰基化研究經驗[5-8]，使用一些混合溶劑體系有利于取得高的產率.經過一些嘗試，如苯與乙腈、苯與乙醇體系、苯與四氫呋喃混合體系，發(fā)現苯與四氫呋喃混合體系效率最高.進一步篩選發(fā)現，苯與四氫呋喃混合溶劑體系(v(苯)∶v(四氫呋喃) = 10∶0.6)時，反應產率最高.因此，苯與四氫呋喃混合溶劑體系 (v(苯)∶v(四氫呋喃) = 10∶0.6)為實驗室測得的最佳溶劑體系(見表1).

2.1.3 溫度對反應的影響 數據顯示，溫度在該反應中是一項重要的影響因素.反應在溫度為50 ℃條件下的產率明顯高于30 ℃和60 ℃，所以50 ℃為最佳的反應條件.

綜上可知，實驗條件篩選得到的優(yōu)化反應條件是：苯胺(2.5 mmol)，炔烴(1.0 mmol)，PdCl2(0.1mmol),CuCl2(5 mmol),苯與四氫呋喃混合溶劑(v(苯)∶v(四氫呋喃) = 10∶0.6),在101.325 kPa一氧化碳環(huán)境中于50 ℃攪拌反應24 h.

2.2優(yōu)化條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)的合成路線如下所示：

取1只球形瓶，稱量0.1 mmol的氯化鈀和5 eq的氯化銅置于瓶中，注入10 mL苯，0.6 mL THF，苯胺2.5 mmol，苯乙炔1 mmol，在持續(xù)通入一氧化碳(鼓泡)的情況下，最后置于 50 ℃的集熱式恒溫攪拌器中攪拌24 h.反應完畢后，用旋轉蒸發(fā)儀蒸去溶劑，所得混合物用乙醚洗滌幾次，并通過短硅膠柱進行粗處理.收集有機層、旋干，所得混合物通過薄層色譜柱以石油醚/乙酸乙酯為洗脫液(v(石油醚)∶v(乙酸乙酯)= 5∶1)進行分離提純得目標產物,產率52%，黃色固體，熔點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)的合成路線如下所示：

取1只球形瓶，稱量0.1 mmol的氯化鈀和5eq的氯化銅置于瓶中，注入10 mL苯，0.6mL THF，苯胺2.5 mmol，庚炔 1 mmol，在持續(xù)通入一氧化碳(鼓泡)的情況下，最后置于 50 ℃的集熱式恒溫攪拌器中攪拌24 h.反應完畢后，用旋轉蒸發(fā)儀蒸去溶劑，所得混合物用乙醚洗滌幾次，并通過短硅膠柱進行粗處理.收集有機層、旋干，所得混合物通過薄層色譜柱以石油醚/乙酸乙酯為洗脫液(v(石油醚)∶v(乙酸乙酯)=5∶1)進行分離提純得目標產物,產率52%,黃色固體,熔點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反應機理

在文獻[5-15]的基礎上，提出如下所示的炔烴羰基化機理過程：

首先炔烴與鈀發(fā)生氯鈀化反應得到鈀中間體A,然后這種活潑鈀中間體被一氧化碳捕捉生成中間體B，接著中間體B與親核的苯胺發(fā)生酰化反應生成鈀中間C,最后鈀中間C還原消除生成產物3a和零價鈀.零價鈀現場被氯化銅氧化成二價鈀參與下一輪催化循環(huán).

3 結語

發(fā)展了一類鈀催化炔烴與苯胺羰基化反應，為在功能材料領域存在廣泛應用價值的丙烯酰胺合成提供了一條有效的合成途徑.實驗結果表明，影響該反應的因素有：(1)溶劑的極性，如乙醇、乙腈、四氫呋喃(THF)分別與溶劑苯的不同配比將對反應產率影響較大；(2)催化劑氯化鈀的用量；(3)溫度是一個重要的影響反應產率的因素，過高或過低都不利于反應的進行.最佳溶劑體系為苯與四氫呋喃混合溶劑(v(苯)∶v(四氫呋喃) = 10∶0.6)，反應溫度為50 ℃時效果最佳.進一步擴寬反應底物范圍和優(yōu)化反應條件有待深入研究.

[1] 施 峰,袁莉萍,郭慶銘,等.取代丙烯酰胺類化合物的合成及生物活性[J].農藥學學報，2002，4(1):64-69.

[2] 王志偉,齊 歡,吳英粱,等.N-芳基-α-氧代苯乙酰胺類化合物的設計、合成及抗氧增殖活性[J].沈陽藥科大學學報,2013,30(8):590-595.

[3] 蔡華軍,崔冬梅.過渡金屬催化的N-烯丙基磺酰胺類化合物的合成研究進展[J].浙江化工,2010,41(2):18-21.

[4] HAN Xiuling,LIU Guixia,LU Xiyan.β-Hydride Elimination in Palladium-Catalyzed Reactions[J].Chin. J. Org. Chem.,2005,25(10):4 429-4 432.

[5] LI Jinheng,JIANG Huanfeng,FENG Aiqun,et al.Novel Stereospecific Synthesis of 3-Chloroacrylate Esters via Palladium-Catalyzed Carbonylation of Terminal Acetylene[J].J. Org. Chem.,1999,64(16):5 984-5 987.

[6] MA Shengming,WU Bin,ZHAO Shimin.Mild and Efficient Synthesis of (Z)-α-Chloroalkylidene-β-lactones via the PdCl2-Catalyzed Cyclocarbonylation of 2-Alkynols[J].Org. Lett.,2003,5(23):4 429-4 432.

[7] MA Shengming,WU Bin,JIANG Xuefeng,et al.Studies on Pd(II)-Catalyzed Synthesis of (Z)-α-Haloalkylidene-β-lactones from Cyclocarbonylation of 2-Alkynols and the Subsequent Coupling Reactions[J].J. Org. Chem.,2005,70(7):2 568-2 575.

[8] MA Shengming,WU Bin,JIANG Xuefeng.PdCl2-Catalyzed Efficient Transformation of Propargylic Amines to (E)-r-Chloroalkylidene-β-lactams[J].J. Org. Chem.,2005,70(7):2 588-2 593.

[9] LI Jinheng,TANG Shi,XIE Yexiang.General and Selective Synthesis of (Z)-3-Haloacrylates via Palladium-Catalyzed Carbonylation of Terminal Alkynes[J].J. Org. Chem.,2005,70(2):477-479.

[11] JI Jianguo,ZHANG Chunming,LU Xiyan.Palladium-Templated Regio-and Stereoselective Cyclization of 2′-Alkenyl 2-Alkynoates and Its Synthetic Applications[J].J. Org. Chem.,1995,60(5):1 160-1 169.

[12] MA Shengming,LU Xiyan.Stereoselective Synthesis of Alpha.-Chloromethylene-.Gamma.-Butyrolactone Derivatives from Acyclic Allylic 2-Alkynoate[J].J. Org. Chem.,1993,58(5):1 245-1 250.

[13] LI Jinheng,JIANG Huanfeng,CHEN Mingcai.CuCl2-Induced Regiospecifical Synthesis of Benzene Derivatives in the Palladium-Catalyzed Cyclotri-Merization of Alkynes[J].J. Org. Chem.,2001,66(10):3 627-3 629.

[14] LI Jinheng,LIANG Xun,XIE Yexiang.Mild and Selective Palladium-Catalyzed Dimerization of Terminal Alkynes to Form Symmetrical (Z,Z)-1,4-Dihalo-1,3-Dienes[J].J. Org. Chem.,2004,69(23):8 125-8 127.

[15] TANG Shi,XIE Yexiang,LI Jinheng,et al.PdX2/CuX2-Catalyzed Annulation of 2-Ethynylbenzenamines:Selective Synthesis of 3-Halo-2-Substituted-1H-Indoles[J].Synthesis,2007,12:1 841-1 847.

(責任編輯 向陽潔)

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

湖南省教育廳優(yōu)秀青年基金項目(13B094)；吉首大學大學生研究性學習和創(chuàng)新性實驗計劃項目(JSU-CX-2013-03)；吉首大學研究生科研創(chuàng)新項目(JGY201418)

周 棟(1988—)，男，江蘇宿遷人，吉首大學化學化工學院碩士研究生，主要從事有機合成研究

唐 石(1979—)，男，湖南衡陽人，吉首大學化學化工學院副教授，博士,主要從事有機化學、天然化學物提取研究.

O643.32

B

10.3969/j.issn.1007-2985.2014.06.021