薄荷基β-二酮鐵的合成及其在偶聯(lián)反應(yīng)中的應(yīng)用研究

張 勁，張令君，彭天英，賀國文

(湖南城市學(xué)院 材料與化學(xué)工程學(xué)院，湖南 益陽 413000)

金屬催化劑具有干凈、高效、選擇性強的特點，特別是廉價環(huán)保、可以回收利用的金屬催化劑具備廣闊的應(yīng)用前景.然而，金屬配合物的中心金屬離子一般是重金屬或者稀有金屬，它們所具有的毒性和昂貴的價格嚴重阻礙了其在實際生產(chǎn)環(huán)境中的推廣應(yīng)用[1-3].在能源與環(huán)境問題日益嚴重的今天，繼續(xù)使用高毒性、來源匱乏的貴金屬來制備催化劑是不符合潮流的.因此，開發(fā)廉價、環(huán)保低毒、來源廣泛的金屬催化劑具有非常重要的意義[4].

鐵在自然界分布極為廣泛，是地殼中含量位居第二的金屬元素.鐵催化劑具有環(huán)境友好性強、來源廣泛、價格低廉等特點.目前，在CO2的電化學(xué)還原[5-6]、化學(xué)鍵活化[7]、脫羰基功能化[8]等方面鐵作為催化劑的研究報道很多，但與其它過渡金屬相比，在不對稱催化反應(yīng)中鐵催化劑的研究仍然相對較少.也有研究指出，鐵催化劑的催化活性中心并非鐵離子，而是其中所混雜的銅鹽離子.早在1971年，Kochi等就已經(jīng)發(fā)現(xiàn)鐵鹽可被用來催化Grignard試劑與烯基和芳基鹵化物的交叉偶聯(lián)[9].

當用鐵催化溴代乙烯基苯基硫醚底物與i-PrMgCl反應(yīng)時，偶聯(lián)所得產(chǎn)物是具有立體專一性的.磺?；N和Grignard試劑也可以發(fā)生偶聯(lián)反應(yīng)，但是得到的產(chǎn)物常常是順反異構(gòu)體的混合物.在有些情況下，某些反應(yīng)還是可以得到高產(chǎn)率和選擇性比較好的產(chǎn)物的.但需要注意的是在n-BuLi存在的情況下，使用同樣的催化劑，磺?；梢宰耘悸?lián)生產(chǎn)烯烴化合物.Grignard試劑也可以和酰鹵在足夠催化量的鐵化合物下發(fā)生偶聯(lián)反應(yīng)，高產(chǎn)率地生成酮[10].

在不對稱催化反應(yīng)中，研究人員往往更多地關(guān)注反應(yīng)產(chǎn)率和對映選擇性，從而忽略了反應(yīng)過程的可操作性、經(jīng)濟成本、綠色安全等現(xiàn)在看來非常重要的因素.通常，不對稱反應(yīng)所用催化劑的金屬中心都具有毒性，且其價格昂貴、來源匱乏.因此，手性催化劑中心金屬的選擇是相當重要的.相對于手性釕、銠、銥等傳統(tǒng)催化體系而言，手性鐵催化劑的研究才剛剛起步.鐵離子具有安全無毒、成本低廉、來源廣泛等優(yōu)點，隨著對其研究的增多，鐵催化劑在不對稱催化反應(yīng)中的應(yīng)用范圍將進一步拓寬，其催化活性和對映選擇性也會進一步提高.相信在不久的將來，更多優(yōu)秀、環(huán)保的鐵催化劑將會被研究、開發(fā)并應(yīng)用于更多類型的不對稱催化反應(yīng)[11-12].

本文從薄荷醇出發(fā)，使其經(jīng)鹵化反應(yīng)、格氏反應(yīng)、酰氯化反應(yīng)得到薄荷基甲酰氯，再與甲基鋰反應(yīng)生成薄荷基β-二酮，并在甲醇鈉的作用下與三氯化鐵反應(yīng)得到薄荷基β-二酮鐵配合物.通過核磁共振和紅外光譜對部分中間產(chǎn)物和最終產(chǎn)物進行表征，并將薄荷基β-二酮鐵配合物作為催化劑，加入苯基溴化鎂和2-溴丁烷的偶聯(lián)反應(yīng)，考察其在偶聯(lián)反應(yīng)中的催化效果.

1 實驗部分

1.1 主要儀器與試劑

核磁共振儀(NMR，BRUKER AV-400，溶劑CDC13，內(nèi)標TMS)；氣質(zhì)聯(lián)用儀(AGILENT 5975 GC)；質(zhì)譜儀(AB SCIEX TRIPLETOF 4600).主要試劑包括薄荷醇、三氯化鐵、甲基鋰.

1.2 薄荷基氯的合成

薄荷基氯的合成原理[13]如圖1所示.在1 000 mL的三口瓶中加入濃鹽酸200 mL，攪拌，冰水下冷卻，加入536.00 g(3.94 mol)無水氯化鋅，待完全溶解后撤去冰水浴，一次性加入薄荷醇198.00 g(1.27 mol)；在35 ℃下反應(yīng)5 h后靜置分層約1 h，分出有機相，水相用石油醚萃取(3×50 mL)；合并有機相，有機相水洗(3×50 mL)，再用濃硫酸洗至濃硫酸無色，有機相再水洗至中性，無水硫酸鈉干燥過夜；過濾，蒸除濾液中溶劑，剩余物減壓蒸餾得薄荷基氯204.02 g，收率92%(收集90～92 ℃/1.33 kPa的餾分).

圖1 薄荷基氯的合成

1H NMR(400 MHz, CDCl3, TMS, δ): 0.76(d,J=6.4 Hz, 3 H), 0.89(d,J=6.3 Hz, 6 H), 0.92(m, 2 H), 1.4(m, 2 H), 1.65(m, 2 H), 1.80(m, 1 H), 2.19(m,1 H), 2.35(m, 1 H), 3.78(dt,J1=11.0 Hz,J2=4.2 Hz,1 H).

13C NMR(100 MHz, CDCl3, TMS, δ):15.1(CH3), 21.0(CH3), 21.9(CH3), 24.2(CH2),27.1(CH), 33.3(CH), 34.2(CH2), 46.7(CH2),50.4(CH), 63.8(CH).

1.3 薄荷基甲酸的合成

將7.20 g(0.30 mol)鎂粉加入到500 mL的三口瓶中，裝上機械攪拌器、恒壓滴液漏斗和回流冷凝管，反應(yīng)體系用氮氣保護；向反應(yīng)瓶加入40 mL無水THF和幾粒碘單質(zhì)，加熱回流后加入約0.2 mL溴乙烷引發(fā)；待碘的黃色退去后攪拌，向滴液漏斗中慢慢滴加薄荷基氯(50 mL，0.25 mol)的THF(160 mL)溶液，約2 h滴完；滴完后，繼續(xù)加熱回流攪拌，反應(yīng)8 h使其反應(yīng)完全，冷卻；反應(yīng)體系轉(zhuǎn)移至低溫反應(yīng)浴中，除去恒壓滴液漏斗和回流冷凝管，裝上干燥管和通氣管；待反應(yīng)體系降溫至?80 ℃后，通入二氧化碳氣體，每秒約1～2個氣泡，鼓泡15 h后停止反應(yīng)；隨即把反應(yīng)液倒入60 mL的6 mol/L鹽酸中攪拌，會伴有大量氣泡產(chǎn)生；分層后分出有機相，水相用乙醚萃取(3×40 mL)；合并有機相，有機相除去溶劑后水洗(3×20 mL)，用5%的NaOH溶液萃取(5×30 mL)；水相用乙醚洗滌2次(2×50 mL)后，用鹽酸酸化到pH=3左右，當有大量白色渾濁出現(xiàn)時靜置分層，分出有機相，水相用乙醚萃取(4×50 mL)；合并有機相，有機相水洗(3×20 mL)，用無水硫酸鈉干燥過夜；除去溶劑，結(jié)晶得白色晶體18.50 g，收率40.0%，m.p. (熔點) =69.7～70.1 ℃.薄荷基甲酸的合成原理[13]如圖2所示.H), 0.9～1.1(m, 2 H), 1.21(q,J=12.2 Hz, 1 H), 1.35(m,1 H, -CHMe2), 1.50(1 H,J1=3.0 Hz,J2=11.6 Hz),1.66～1.77(m, 3 H), 1.90～1.94(m, 1 H), 2.32(dt,J1=11.7 Hz,J2=3.21 Hz, 1 H, -CHCOOH-).

圖2 薄荷基甲酸的合成

13C NMR(100 MHz, CDCl3, TMS, δ):16.0(CH3), 21.3(CH3), 22.3(CH3), 23.8(CH2),29.3(CH), 32.0(CH), 34.5(CH2), 38.8(CH2),44.2(CH), 47.7(CH), 183.0(CO2H).

1.4 薄荷基甲酰氯的合成

薄荷基甲酰氯的合成[13]如圖3所示.

圖3 薄荷基甲酰氯的合成

取薄荷基甲酸18.40 g(100 mmol)，加入100 mL圓底燒瓶中，然后加入44 mL(600 mmol)氯化亞砜攪拌，使固體完全溶解；裝上冷凝管和干燥管，尾氣用10%的NaOH溶液吸收，加熱回流，攪拌反應(yīng)4.5 h后蒸去多余的二氯亞砜；剩余液減壓蒸餾，可得無色液體16.80 g(84 mmol)，收率83.2%(收集164～168 ℃/2.66 kPa的餾分).

1H NMR(400 MHz, CDCl3, TMS, δ):0.81～2.07(m, 18 H, menthyl H), 3.34(dt,J1=11.7 Hz,J2=3.21 Hz, 1 H, -CHCOCl).

13C NMR(100 MHz, CDCl3, TMS, δ):15.8(CH3), 21.4(CH3), 22.1(CH3), 23.5(CH2),29.2(CH), 32.0(CH), 34.8(CH2), 38.3(CH2),44.8(CH), 59.2(CH), 176.8(CO2H).

1.5 薄荷基β-二酮的合成

薄荷基β-二酮的合成[13]如圖4所示.

圖4 薄荷基β-二酮的合成

在氬氣保護下，往裝有恒壓滴液漏斗的25 mL兩口瓶中加入3.60 mL(5.50 mmol)甲基鋰的乙醚溶液(1.6 mol/L)和10 mL無水乙醚；再經(jīng)恒壓滴液漏斗在0 ℃下緩慢滴加1.01 g(5.00 mmol)薄荷基甲酰氯和上述相同并等量的反應(yīng)溶劑組成的溶液至磁力攪拌的兩口瓶中；滴加完畢后，在上述相同的溫度下反應(yīng)24 h，再用冰水淬滅反應(yīng)；收集有機層，用5 mL的乙醚萃取水層后合并有機相，有機相用無水硫酸鈉干燥后除去溶劑，將剩余油狀物進行柱層析(固定相200～300目硅膠，洗脫劑V二氯甲烷/V石油醚=1∶20)分離后得橙黃色固體；用95%無水乙醇對其進行重結(jié)晶得白色產(chǎn)物薄荷基β-二酮，產(chǎn)率為67%.

1.6 薄荷基β-二酮鐵配合物的合成

薄荷基β-二酮鐵配合物合成如圖5所示.

圖5 薄荷基β-二酮鐵配合物的合成

在氮氣保護下，向裝有溫度計和滴液漏斗的三口瓶中加入0.6 g金屬鈉和30 mL絕對無水甲醇，待金屬鈉完全反應(yīng)后，加入8 mmol薄荷基β-二酮，在40 ℃下攪拌反應(yīng)0.5 h；將FeCl3·6H2O(0.8 g, 2.5 mmol)溶在10 mL甲醇中，濾去不溶物，濾液移至滴液漏斗，并滴至上述反應(yīng)混合物中，立即有紅色沉淀產(chǎn)生；滴完后，在40 ℃下攪拌反應(yīng)2 h，冰水浴冷卻，過濾得到紅色固體；用甲醇洗滌固體2次，抽濾，得紅色粗產(chǎn)物；將粗產(chǎn)物晾干后溶在10 mL正己烷中，過濾，除去不溶性雜質(zhì)，蒸去正己烷，得紅棕色固體，收率40%.

2 結(jié)果與討論

2.1 薄荷基β-二酮鐵配合物紅外解析

薄荷基β-二酮鐵配合物的紅外光譜如圖6所示.從圖6可發(fā)現(xiàn)，配合物中存在-CH3(2 953.1,2 869.6和1 385.0 cm?1)、C-C(1 422.5 cm?1)、C-O(1 558.9 cm?1)、C-CH3(1 265.4 cm?1)等基團，這證明了薄荷基β-二酮負離子的存在.薄荷基β-二酮負離子與Fe3+配位后，形成了3個大π鍵，環(huán)上電子云向中心離子方向移動，使C=O鍵減弱.這與典型的羰基位置不一樣，其伸縮振動吸收峰移向低頻，在紅外譜上表現(xiàn)出1 573 cm?1的強吸收峰.紅外譜中的780，675和484 cm?1等峰，可以被歸屬為Fe-O鍵的伸縮振動和螯合環(huán)的變形振動[14-15]，這說明薄荷基β-二酮的O與Fe3+形成了配位鍵并已成環(huán).由此可知，薄荷基β-二酮鐵配合物被成功合成.

圖6 薄荷基β-二酮鐵配合物的紅外光譜

2.2 薄荷基β-二酮鐵配合物對偶聯(lián)反應(yīng)的催化性能影響

在0 ℃下，向裝有恒壓滴液漏斗和氮氣保護裝置的50 mL三口瓶中加入0.05 g薄荷基β-二酮鐵配合物、0.11 mL 2-溴丁烷、5 mL THF，攪拌30 min后，滴加1 mL的苯基溴化鎂(1 mol/L THF)；滴加完畢，繼續(xù)攪拌一段時間，再向反應(yīng)體系中加入10 mL飽和氯化銨溶液，攪拌5 min；用乙醚萃取產(chǎn)物，再用無水硫酸鈉干燥過夜，過濾以除去不溶性雜質(zhì)；蒸去乙醚，得無色透明油狀液體，對其進行氣質(zhì)檢測.苯基溴化鎂與正溴丁烷的偶聯(lián)反應(yīng)如圖7所示，薄荷基β-二酮鐵配合物在偶聯(lián)反應(yīng)中的催化效果如表1所示.

圖7 苯基溴化鎂與正溴丁烷的偶聯(lián)反應(yīng)

由表1可知，薄荷基β-二酮鐵配合物在偶聯(lián)反應(yīng)中的催化效果并不明顯，延長反應(yīng)時間對結(jié)果也沒有影響.其原因是薄荷基β-二酮配體的空間位阻過大，阻礙了活性中心與反應(yīng)底物的接觸，導(dǎo)致反應(yīng)活性降低，目標產(chǎn)物生成少.

表1 薄荷基β-二酮鐵配合物對偶聯(lián)反應(yīng)的催化影響

3 結(jié)論

本文研究了薄荷基β-二酮鐵配合物的合成，對產(chǎn)物及部分中間體的結(jié)構(gòu)用NMR和IR進行了表征，相關(guān)圖譜數(shù)據(jù)也證明合成了這些物質(zhì).同時，研究還發(fā)現(xiàn)，使用薄荷基β-二酮鐵配合物作為苯基溴化鎂和2-溴丁烷的偶聯(lián)反應(yīng)催化劑，其催化效果并不明顯.后期研究應(yīng)致力于尋找匹配該類催化劑的體系，發(fā)揮其催化效果.