杂环化合物的羰基化反应
第16卷第6期2004年11月
化 学 进 展
PROGRESSINCHEMISTRY
Vol.16No.6 Nov.,2004
杂环化合物的羰基化反应
刘建华 陈 静
*
(中国科学院兰州化学物理研究所 羰基合成与选择氧化国家重点实验室 兰州730000)
摘 要 综述了近40年来杂环化合物和一氧化碳在金属络合物催化下的羰基化反应,详细讨论了不同类型反应的有关机理,并展望了该领域的研究前景。
关键词 杂环 过渡金属络合物催化剂 羰基化 反应机理
中图分类号:O626;文献标识码:A 文章编号:1005-281X(2004)06-0989-12
CarbonylationReactionsofHeterocycles
LiuJianhua ChenJing
*
(StateKeyLaboratoryforOxoSynthesisandSelectiveOxidation,LanzhouInstituteofChemical
andPhysics,ChineseAcademyofSciences,Lanzhou730000,China)
Abstract Theresearchprogressoncarbonylationreactionsofheterocycles(suchasepoxidesandaziridines)duringthelast40yearsisreviewedinthepresenceoftransitionmetalcomplexcatalysts.Thereactionmechanismsofbothcarbonylativeringexpansionandcarbonylativepolymerizationarediscussedindetail.Theperspectiveonthisresearchfieldisalsosuggested.
Keywords heterocycles;transitionmetalcomplexcatalysts;carbonylation;reactionmechanism
20世纪六七十年代,国际学术界对于杂环化合物和
一、引 言
羰基化反应是指在有机化合物分子内引入羰基或是其它基团而成为含氧化合物的一类反应。自20世纪30年代后期德国鲁尔化学公司的Roelen
[1]
一氧化碳的羰基化反应进行了卓有成效的研究,发现许多过渡金属络合物能够催化这类反应,这些过渡金属络合催化剂主要包括钴、铑、钯、铁、镍等的络合物,所得到的羰基化产物主要是相应的内酯和内酰胺。
上世纪末期,随着人们环境意识的增强,提高原料的利用率,探索合成对环境无害的化学品成为一种趋势。最近几年,利用杂环化合物和一氧化碳以交替或非交替方式一步共聚得到高分子化合物,特别是环氧丙烷和一氧化碳的交替共聚,合成了聚-B-羟基丁酸酯(PHB),使它在医学、农药、化肥以及生物降解薄膜、容器等领域有着良好的应用前景
[4,5]
首次发现羰基化反应以来,该反应就获得了广泛的关注,如今已成为催化合成中最为活跃的研究领域之一。寻求环境友好的化工生产过程和新型的高分子材料是研究杂环化合物和一氧化碳直接羰基化反
应的动力,因为这一反应过程能合成用其他方法难以合成的化合物特别是环状化合物,或是可以简化其合成步骤而实现/原子经济反应0;同时该反应还提供了一条化学利用一氧化碳资源实现可持续发展的新途径。一氧化碳直接用于杂环化合物的羰基化反应可以合成的产物有内酯、内酰胺、硫内酯等化合物
[2,3]
。
氮杂环丙烷和一氧化碳的共聚合成带有B-肽键的高分子化合物,可以用于蛋白质的模拟以及生物医学材料引起了各国科学家的重新重视,使得研究者的目光由原来的一氧化碳和杂环化合物反应得到
[6]
,这些化合物可以用于合成抗生素的前提物、
可生物降解塑料的单体以及天然产物的替代品等。
收稿:2003年10月,收修改稿:2004年2月 * ns.lzb.ac.cn
#990#
化 学 进 展
加拿大Ottawa大学的Alper等
[9]
第16卷
相应的环扩展产物或开环产物,转移到杂环化合物和一氧化碳在过渡金属络合物催化下的一步羰基化聚合反应上来。本文对杂环化合物和一氧化碳在过渡金属络合物催化下的羰基化反应的主要研究成果进行了较为详细的总结,以期为积极有效地开展这方面的研究工作提供有益的借鉴。
考察了以八羰
基二钴为主催化剂,不同路易斯酸如:BF3#H2O、BF3#Et2O、B(C6H5)3为助催化剂组成的催化体系催化环氧丙烷的羰基化反应,发现加入路易斯酸能大大提高环氧丙烷羰基化反应产物B-丁内酯的收率。同时,所得到的产物的区域选择性主要是CO的插入,发生在位阻较小的C)O键之间即环碳原子上取代基较少的C)O键之间。同时该研究小组还发现[(C6H5)3P=]2NCo(CO)4PBF3#H2O体系,是带有烷基、羟基取代的烷基、烷氧基取代基的环氧乙烷衍生物的羰基化反应的有效催化剂。但该催化剂有一个明显的缺点就是所需的反应时间较长,超过24h,反应温度要求在100e以上。
美国Cornell大学的Coates领导的小组
+
$
[10,11]
二、钴络合物催化剂
钴络合物催化剂由于具有价格低廉、反应活性高、区域选择性及立体专一性好和容易制备等特点,使得其在杂环化合物的羰基化反应催化剂体系中研究得最多。这类催化剂中最常用的是八羰基二钴以及由其所衍生出来的一系列羰基钴络合物。
11钴络合物催化下三元杂环化合物的羰基化扩环反应
(1)环氧乙烷及其衍生物的反应
钴络合物催化下的环氧乙烷及其衍生物的羰基化反应可以追溯到1963年,Heck在HCo(CO)4和Co(CO)
-4
[7]
研究
发现[LewisAcid][Co(CO)4]络合物如:[(C5H5)2Ti(THF)2][Co(CO)4]、[(salph)Al(THF)2][Co(CO)4]对于环氧丙烷的羰基化反应同样具有较好的催化活性。在催化剂的作用下,612MPa、60e下反应4h就能实现产物B-丁内酯的合成,收率达到95%。同时这类催化剂对于1,2-环氧丁烷的羰基化反应特别有
n+++
效。而其它的阳离子如:Bu4N、Ph4N、Cp2Co等与[Co(CO)4]所组成的催化剂对环氧化合物的羰基化反应却没有活性。与Drent和Alper所研究的催化体系相比,这类催化剂的明显优点是无需额外加入路易斯酸或吡啶类化合物作催化助剂,同时该类催化剂对于氮杂环丙烷的羰化反应同样有效。
[12]z+
Coates申请的最新专利报道了[Lewisacid]{[QM(CO)x]
w-$
的存在下,实现了环氧乙烷和环氧丁烷的
羰基化反应(式1)。
Drent等在申请的专利中,报道了八羰基二钴在羟基吡啶助催化下对环氧乙烷和一氧化碳合成B-丙醇酸内酯的高催化活性。在该研究中,不同的羟基吡啶被用作助催化剂,其中3-羟基吡啶的助催化作用最为明显,在610MPa、80e的条件下反应015h,环氧乙烷的转化率就达到100%,对B-丙醇酸内酯的选择性在98%以上。
带取代基的环氧乙烷的羰基化扩环反应研究,主要集中在通过加入适当的助剂以提高羰基钴催化剂的催化活性方面,使反应能在比较温和的条件下得到较高的目标产物内酯的收率。同时,筛选具有高度立体专一性及区域选择性的催化剂体系以获得纯的对映体产物。
Drent等的专利报道了Co2(CO)8P3-OH-Py(Py=吡啶)催化下的环氧丙烷的羰基化反应。在610MPa、75e下反应6h,实现环氧丙烷93%的转化率[8]
[8]
}y(其中Q是配体可有可无,M是周
期表中第Ô、Õ、Ö、×、Ø、Ù、Ú族的元素,z为Lewisacid所带的电荷数,其范围为1)6,w为金属
所带的电荷数范围1)4,x羰基配体的数目,其值应保证金属羰基阴离子的稳定)催化剂体系催化环氧丙烷的羰基化反应。这类[Lewisacid](CO)x]
w-z+
{[QM
}y络合物增加了人们对环氧化合物羰基
化反应催化剂的选择范围,很大程度上拓展了对此类反应催化体系的研究范畴。
[13]
最近,德国Rieger研究小组发现,Co2(CO)8PAlR3(R=Me、Et、Pr、Bu)体系是环氧丙烷羰基化得到B-丁内酯的更好的催化剂。在该体系中,610MPa的一氧化碳条件下,低于110e反应几个小时,环氧丙烷的转化率就达到了100%,相应的B-丁内酯(B-BL)的选择性大于90%,并且该催化剂体系对反应,
应物和催化剂的摩尔比具有很好的适应性,可以在160)1200的范围内变化。这是迄今为止所发现的环氧丙烷羰基化合成环扩展产物B-丁内酯最为有效的催化剂体系。
由于带不同取代基的环氧乙烷衍生物存在不同的立体构型,所以羰基化反应的环扩展产物也有一个立体及区域选择性问题,相关研究结果列入表1。
表1 环氧乙烷衍生物在不同羰化反应条件下的结果比较
Table1 Comparisonresultsofcarbonylationofepoxidesindifferentcatalyst
systems
ConditionAsolvent:diglyme;temperature:105e;pressure:610MPa
ConditionB1192mmolepoxide;cat:[Cp2Ti(THF)2][Co(CO)4] (Cp=(C5H5));solvent:DME;temperature:60e;pressure:612MPaConditionC5mmolepoxide;cat:PPNCo(CO)4,011mmol;BF3#H2O011mmol;solvent:DME(10ml);temperature:110e;pressure:612MPaConditionDcat:[salph]Al(THF)2[Co(CO)4]1molCo%;temperature:50e;pressure:515MPa
ConditionE215mmolepoxide;cat:PPNCo(CO)4,011mmol;B(C6H5)3,011mmol;solvent:DME(10ml);temperature:110e;pressure:612MPa
Afromreference[13];Bfromreference[10];CandEfromreference[9];Dfromreference[11];DME=1,2-dimethoxyethane;PPN=bis(triphenylphosphine)-iminium;Salph=N,Nc-bis(3,5-d-itert-bulylsalicylidene)-1,2-phenylenediamino
从这些反应结果看,在不同的催化反应条件下,所得到的产物的区域选择性主要发生在CO插入取代基较少的C)O键之间。对于所得产物是构型转化的还是构型保持的目前还存在着争议。但是,大部分的研究结果支持产物构型转化这一观点。
[14]
Rieger等对烷基取代的环氧乙烷的羰基化反应机理进行了研究,证实得到的环扩展产物经历了一个多点催化的过程,而不是单点催化(simplecatalysis)过程。反应有以下几个步骤:
¹环氧化合物的活化。环氧化合物的活化(极
化)是反应的必须步骤,其原因是降低开环的能垒和形成稳定的开环中间结构。
º活性催化剂进攻环氧化合物空间位阻最小的碳原子,发生亲核反应开环。开环的过程实际上是羰基钴阴离子在背面进攻取代基较少(位阻小)的环碳原子,形成钴离子配位的开环中间产物过渡态,相当于一个SN2反应历程。
»一氧化碳插入到Co__Calkyl键间的加成反应。¼烷基氧基团进攻酰基碳原子,得到闭环产物内酯。
对于环氧化合物的活化、开环、CO插入的机理,Mahadevan
[10]
基取代的环氧乙烷在八羰基二钴和MeI、3molPL氢氧化钠催化剂体系中,室温和10Pa一氧化碳压力下,以tris-dioxa-3,6-heptylamine(TDA-1)为相转移试
剂,得到产率适中的不饱和羟基酸(式2),而且具有
很好的区域选择性。
5
、Rexin
[15]
、Yashiro
[16]
、Antelmamm
[17]
提出
了不同见解。一致的看法是,催化剂八羰基二钴以
及所衍生出的羰基钴盐催化剂真正的催化物种是羰基钴阴离子,它被认为是CO转化的中间体。
很多路易斯酸由于具有缺电子结构和/可调节的0酸强度的独特性质,使其在环活化以及开环的中间结构稳定、闭环等步骤中起着重要的作用。路易斯酸的酸性越强,开环所需的活化能就越小,开环就越容易;相对而言,闭环形成内酯就比较困难。环氧化合物羰基化反应机理的具体过程如图1所示
:
Alper等还研究了八羰基二钴催化下氧化苯乙烯的羰基化扩环反应,发现在相转移试剂十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)的存在下,氧化苯乙烯发生双羰基化反应得到相应的2-羟基-3-苯基-C-丁内酯产物(式3)。当3-位取代基为氢原子时,产物的收率为65%;当3-位上的取代基为甲基时,产物的收
图1 环氧化合物可能的羰化反应机理
Scheme1 Proposedreactionmechanismofepoxidescarbonylation
[20]
率为34%
。这是唯一的发生双羰基化反应的例子。
乙烯基取代的环氧乙烷,由于带有富电子的烯基侧链,其性质与烷基取代的环氧乙烷有比较大的差别。乙烯基取代的环氧乙烷在八羰基二钴催化
下,由于存在烯基和环氧的竞争反应使所得到的产物不是唯一的扩环产物
[18]
。Alper等
[19]
发现:乙烯
其双羰基化反应机理如图2所示
:
图2 氧化苯乙烯的双羰基化反应机理
Scheme2 Reactionmechanismofdoublecarbonylationofstyreneoxide
其中双羰基化反应的关键步骤是烯醇型活化物的一氧化碳插入
[3,19]
生成化合物(3)的推动力来自化合物(3)结构中的苯环和双键的0-0共轭。正是由此,在相同的反应
。化合物(2)发生羟酮互变而
第6期刘建华等 杂环化合物的羰基化反应#993#
条件 下,用2,2)双取代的环氧乙烷为反应底物时,羰基化扩环反应不能发生。
(2)氮杂环丙烷及其衍生物的反应
和三元含氧化合物一样,氮杂环丙烷及其衍生物在羰基钴的催化下同样能发生羰基化扩环反应生成相应的内酰胺。人们对三元含氮杂环化合物的羰基化扩环反应的研究主要集中在考察不同性质取代基对羰基化反应的立体专一性及区域选择性的影响。研究表明:所得到的产物是立体构型转化的内酰胺,一氧化碳的插入发 生在取代基较少的C)N
no5a5a5b5b5c5c5d5d5e5f5g5h5i5i5j5jaziridine
stereochemistrycisciscistranscistranscistranstranscisciscistransciscistrans
表2 不同取代基的氮杂环丙烷的羰基化反应结果
Table2 Comparisonresultsofcarbonylationofsubstitutedaziridines
B-lactams
R1
R2
R3
R4
no6a6a6b7b6b7b6c7c6c7c
6d6d)))))6i6j6j
stereochemistrytranstranstranscistranscistransciscistranstranstrans)transtranscis
relativeratio(6P7)
))98B288B1283B1773B27100100))))))))
yield(%)[***********])))))799640
-ButtPr-PhCH2PhCH2PhCH2PhCH2PhCH2PhCH2PhCH2PhCH2PhCH2PhCH2PhCH2PhCH2PhCH2PhCH2
PhMeCH3CH3C2H5C2H5PhPhCF3PhPhPhPhPhPhPh
PhPhHHHHHHHHHHHHHH
HHOTBDMSOTBDMSOTBDMSOTBDMSOTBDMSOTBDMSOTBDMSCOOCH3COCH3CHOCH2OHCH2OHCH2OTBMSCH2OTBMS
afrom reference[21] bfromreference[22]-jfromreference[23]c
TBDMS=tert-butyldimethysilyl
键之间还是取代基较多的C)N键之间主要取决于
取代基的性质。带不同取代基的氮杂环丙烷在八羰基二钴催化下的反应(式4)结果如表2
。
近年来,其它的羰基钴络合物催化下的氮杂环丙烷的羰基化扩环反应的报道并不多,Coates等
从上述结果可以看出:当氮杂环丙烷的环碳原子带苯基及乙烯基取代基时,一氧化碳的插入主要发生在取代的碳原子和氮原子之间,其可能的原因是:催化剂活性体羰基钴阴离子中的中心原子钴具有空的d轨道,苯基及乙烯基是富电子体,二者形成了P共轭的体系。当环氮化合物上的环碳原子被-COOCH3、-COCH3、-CHO等基团所取代时,得到的是消去产物(式5)而不是环扩展的产物。由于该消去的产物具有共轭的稳定结构使得消去反应的发生成为可能。与环氧化合物所不同的是:苯基及乙烯基所取代的氮杂环丙烷在八羰基二钴催化下可以发生羰基化反应得到对应的内酰胺,而苯基及乙烯
基所取代环氧乙烷却得不到相应的内酯。
[23]
[10,12]
报道的对环氧化合物羰基化反应有效的催化
+
剂[LewisAcid][Co(CO)4]
-
络合物:[(C5H5)2Ti
(thf)2][Co(CO)4]、[(salph)Al(THF)2][Co(CO)4]对带有不同取代基的氮杂环丙烷的羰基化反应依然具有很高的催化活性。
氮杂环丙烷类衍生物得到相应内酰胺的羰基化反应机理,认为和环氧化合物的羰基化扩环反应的机理相类似
[10,22]
。
21钴催化下的三元杂环化合物和一氧化碳的羰基化聚合反应
(1)环氧化合物的反应
对环氧化合物和一氧化碳的羰基化聚合反应,国际上研究的并不多。尽管钴络合物:Co(acac)3PAlEt3、Co(acac)3PAl(i-Bu)3和Fe(acac)3PAlEt3(acac)
#994#
化 学 进 展
第16卷
基化聚合反应的实事在1965年就被日本学者Fujii等
[24]
果:在相同的条件下(八羰基二钴为主催化剂,3-羟基吡啶(3-OH-Py)为助剂,温度80e、压力60atm、反应时间6h)专利报道环氧丙烷生成B-丁内酯的转化率为93%,选择性为90%。而Alper得到的是75%的聚合物(聚合物的平均分子量MW=3350,分子量分布宽度MWPMn=1121)和25%的B-丁内酯(式6)。不同的结果可能是由于底物的纯度不同而引起的。
发现,但对该方面的研究一直没有受到足够的1966年的英国专利
[25]
重视。
报道了以不同碱金属卤
化物或季铵盐为助剂,Co2(CO)8催化环氧化合物和一氧化碳发生羰基化聚合反应,得到了分子量在500-3000之间的聚合产物。
1967年加拿大的Bata等
[26]
则采用Ø族金属
(钴、镍)的卤化物和碳酸盐为催化剂,在乙醇胺的助催化作用下,成功地实现了环氧乙烷、环氧丙烷、1,2-环氧丁烷、2,2-环氧丁烷、1,2-环氧己烷分别和一氧化碳的羰基化聚合反应。但是这类催化剂对反应
压力的要求比较高,所得到的聚合物的分子量较低。
1968年Fujii等
[27]
申请的专利报道了在Co
最近,美国Cornell大学的Coates、日本东京技术研究所的Osakda和德国ULM大学的Rieger带领各自的研究小组在环氧丙烷和一氧化碳羰基化聚合研究方面取得了突破性进展。Coates以钴和铝为中心的络合物[(salph)Al(THF)2][Co(CO)4]催化剂上,将羰基(-CO)加成在环氧丙烷上,得到了和环氧丙烷具有相同立体结构的B-丁内酯,B-丁内酯在二亚胺基催化作用下成功聚合,合成了聚-B-羟基丁酸酯(PHB)
[29]
[11]
(acac)3PAlEt3的催化下,得到了环氧乙烷和一氧化碳共聚物,但是含量仅有10%。原因是反应过程中水的存在,致使环氧乙烷在AlEt3-H2O的催化下发生了均聚。
环氧化合物和一氧化碳的羰基化共聚反应要求反应条件比较苛刻,在此后的20多年间一直未能取
得进展。直到90年代后期,科学家们才对环氧化合物和一氧化碳羰基化共聚研究给予极大的关注。
1993年Drent等
[8]
发现环氧丙烷在八羰基二
钴、3-羟基吡啶催化作用下,温度80e、一氧化碳压力60atm的条件下,反应时间6h得到了少量的聚合产物。随后,Penney
[28]
。该研究成果一经发表就引起了极大的关
考察了不同类型的过渡金属
注,成为互联网上的重要新闻。
Osakda研究小组详细考察了八羰基二钴与不同助剂催化下的环氧丙烷和一氧化碳的交替共聚反应
[30]
络合物对环氧丙烷和一氧化碳在高压下发生聚合反应的可能性,发现阳离子类络合物(如钛的酰基络合阳离子)和阴离子类络合物(如铁的羰基络合阴离子)只具有开环的能力,不具有催化羰基化聚合反应的能力。而中性钴络合物如Co(acac)3在AlEt3助催化剂的作用下显示出了良好的催化羰化聚合性能,得到环氧丙烷的羰基化聚合产物PHB。其它中性钴络合物如[(1,2,5,6-G)-1,5-cyclooctadiene][(1,2,3-G)-2-cycloocte-1-yl]Co(Ñ),CH3C(O)CHC(NPh)CH3Co(Ò)C8H12等对环氧丙烷和一氧化碳的共聚反应也有催化活性,得到相应的聚合物PHB。尽管Penney合成出了许多钴的有机金属化合物,以及对环氧丙烷羰化聚合反应催化活性作了研究,但是对于环氧丙烷和一氧化碳在上述催化剂催化下的羰基化聚合反应机理并未给出合理的解释。
Alper等在重复Drent等人关于环氧丙烷羰基
[8][9]
。发现四氢呋喃(THF)为反应溶剂时,所得到
的聚合物中含有四氢呋喃和一氧化碳共聚物的结构单元,双配位基的胺如:联吡啶、N,N,Nc,Nc-四甲基乙二胺能够缩短反应时间,提高聚合物的数均分子量(Mn)。同时他们还发现,Co2(CO)8PRu3(CO)12体系同样能够催化环氧丙烷和一氧化碳的交替共聚反应,并且在Co:Ru(mol)在012)014之间时所得到的聚合物的产率和数均分子量较好。
Rieger领导的小组则在Co2(CO)8P3-OH-Py和Co(acac)3PAlR3催化体系催化环氧丙烷和一氧化碳交替共聚过程和机理的研究方面取得了突破。他们采用ATR-IR在线检测发现,Co2(CO)8P3-OH-Py体系在催化环氧丙烷和一氧化碳羰化聚合反应开始阶段所生成的内酯的量随时间呈线性增长,而且聚合产物PHB在整个反应过程中一直呈线性增长;1-[31,32]
第6期刘建华等 杂环化合物的羰基化反应#995#
含量始终不超过15%。证明B-丁内酯是聚合反应的副产物而不是中间产物,这个结论与Alper小组得到的结果相吻合。其聚合反应详细的反应机理
[31]
如图3所示。
采用同样的研究方法他们发现Co(acac)3PAlR3
体系与Co2(CO)8P3-OH-Py体系不同,在环氧丙烷和一氧化碳的羰基化聚合反应中,B-丁内酯是反应过程的中间产物而不是反应的副产物
[13]
[9]
环氧丙烷反应消耗尽时,能观察到Co2(CO)8和[Co(CO)4]
-
的特征吸收峰。显然,Co2(CO)8P3-OH-Py
体系催化下的环氧丙烷羰基化聚合反应所得到的聚合物,是通过环氧丙烷和一氧化碳的直接交替共聚
而得到的,而在Co(acac)3PAlR3体系催化下得到聚合物是经过中间产物B-丁内酯的开环聚合(ROP)得
到的。
;并且发现当
图3 环氧丙烷和一氧化碳的交替羰基化反应机理
Scheme3 ReactionmechanismofalternatingcopolymerizationofpropyleneoxideandCO
至于带有其它取代基的环氧乙烷和一氧化碳的羰基化聚合反应还未见诸报道。
(2)环氮化合物的反应
C射线、偶氮异丁腈引发的氮杂环丙烷和一氧化碳的共聚反应
[33,34]
研究发现,环氮化合物和一氧化碳聚合反应中所需的催化剂,无需Lewisacid或是吡啶类化合物作为助剂。不像环氧丙烷和一氧化碳的羰基化聚合仅有交替共聚一种方式,氮杂环丙烷和一氧化碳的聚合有交替和非交替两种聚合方式
[39]
在20世纪60年代被发现,与
。未取代氮杂
环氧化合物的羰基化共聚反应一样没有引起重视。由于含肽键的聚合物如聚-A-肽、聚-B-肽是一种生物矿化物,在生物模拟、药物、催化剂、材料等方面有着良好的应用前景。所以探索合成含有肽键的化合物的新方法成为生物化学家追求的目标。通过过渡金属络合物催化亚胺和一氧化碳发生共聚,合成聚-A-肽已有成功的例子
[35,36]
环丙烷在低催化剂量时发生非交替共聚,得到含有B-丙氨酸和胺单元结构的聚合物;在较高的催化剂量时,反应以交替共聚的方式进行,得到聚B-丙氨酸聚合物。氮原子上连有烷基(甲基、乙基)取代基时,共聚反应主要以交替的方式进行
[38]
。而N-甲
基氮杂环丙烷发生反应时,随着反应的进行,聚合物生成的速度逐渐减慢。特别是当催化剂BnCOCo(CO)S4循环20次时,反应出现终止现象。而N-乙基氮杂环丙烷为反应物时则没有反应终止现象发生,这可能与所得到的聚合物在反应介质中的溶解度有关。
31四元及四元以上的杂环化合物的羰基化反应
相对三元杂环化合物的羰基化反应研究,已报道的四元及四元以上杂环化合物的羰基化反应研究。
Lehigh大学的贾力(Jiali)教授最近对聚-B-肽能否通过羰基化反应的方法进行合成进行了研究,并且取得了成功。这类反应目前所用的反应底物仅限于氮原子上连有氢、甲基、乙基的氮杂环丙烷,研究的催化体系包括CH3COCo(CO)3PPh(CO)4
[38]
[37][39]
、BnCOCo。值得注
、CH3COCo(CO)3PPh、HCo(CO)4
意的是,上述催化体系对氮杂环丙烷和一氧化碳共聚反应有效,却对环氧丙烷和一氧化碳的交替共聚
[30]
#996#
化 学 进 展
第16卷
(1)含氧杂环化合物的反应Reppe等
[40]
代较少C)N键间还是取代较多的C)N键间,这取决于取代基的性质、反应温度等因素,与氮杂环丙烷反应类似,当2位上的取代基为苯基、乙烯基时,CO插入发生在该C)N原子的键之间,得到相应的构型转化的内酰胺产物。
其它含氮杂环环状衍生物7-氮-双环[4.1.0]庚烷、7-氮-双环[4.2.0]辛烷,在Co2(CO)8催化下的羰基化反应同样可以得到一氧化碳插入到取代较少的C)N键之间的内酰胺,但是,7-氮-双环[4.1.0]庚烷得到的产物是构型转化的,而7-氮-双环[4.2.0]
[48]
辛烷得到的产物是构型保持的。
41硫环化合物羰基化反应
含硫环化合物羰基化反应研究较少。Alper等
[42]
[49]
报道了Co(OAc)2为催化剂,四氢呋
喃在200e、一氧化碳200atm压力下,反应得到D-戊内酯的结果。
1959年有报道:在200e、215MPa的CO并在有水存在的条件下,Co(OAc)2为催化剂、氧杂环丁烷发生羰基化反应得到了C-丁内酯后,Alper
[42]
[41]
。大约30年
在Co2(CO)8和Rh3(CO)12双金属催化剂
的作用下,在较低的压力和温度条件下,实现了氧杂环丁烷及其衍生物的羰基化反应,得到了产率适中(45%)89%)的内酯产物。并且CO插入到环氧化合物取代基较少的C)O键之间,得到构型保持的产物。
最近,Jia等
[43]
研究了2-芳基-2-咪唑的羰基化
发现了硫杂环丁烷在Co2(CO)8PRu3(CO)12催化
反应(式7),由于产物2-pheny-l4,5-dihydro-1,3-oxazin-6-one既能在亲核试剂的进攻下开环,也能在
亲电试剂的进攻下开环生成B-丙氨酸衍生物或B-肽键
[44,45]
剂体系的催化下发生羰基化反应生成相应的硫内酯,CO插入在取代较少的C)S键之间。苯基取代的硫环乙烷即使在相转移试剂的存在下,也不能发
[50]
生羰基化反应得到相应的扩环产物。
,所以该反应具有广阔的应用前景。不同
催化剂体系对该反应表现出不同的催化性能。在相同条件下BnCo(CO)4+BnCOCo(CO)4(由于在CO的存在下二者达到平衡,所以不能把二者分离开
[46]
三、铑络合物催化剂
铑络合物在杂环化合物的羰基化反应中的应用仅次于钴络合物。已报道的铑系催化剂主要有:[Rh(CO)2Cl]2、[Rh(COD)Cl]2RhCl(CO)(PPh3)2
[54]
[51,52]
)
比Co2(CO)8的催化反应转化率要高,前者为95%,后者仅为4%。当选用MeCOCo(CO)3(PPh3)、NaCo(CO)4、AIBN、BnCo(CO)4+BnCOCo(CO)4+TEMPO为催化体系时,反应不能进行。C(2)上的取代基为
供电子的4-甲苯基比C(2)上的取代基为斥电子的3-氟苯基时,所得的产物的产率要高;C(4)和C(5)上的取代基对反应的活性有较大的影响。
此外,Coates等申请的最新世界专利,报道发现四节环内酯同样能发生羰基化反应,并得到相应
的扩环产物酸酐。
[12]
-+
,[Rh(CO)I]2
[53]
、
等。
11环氧化合物的羰基化反应
铑催化剂对反应底物的要求较为严格,当环氧乙烷衍生物的环C2碳原子上带有苯基或乙烯基取代基时才能发生反应。Kamiya等
[54]
发现氧化苯乙
烯在RhCl(CO)(PPh3)2的催化下发生羰基化反应,得到收率高达67%的A-苯基-B-丙醇酸内酯产物。乙烯基取代的环氧乙烷可在[Rh(COD)(Cl)]2络合物的催化下生成B,C-不饱和内酯
[55]
。这可能是铑
[3]
的空轨道与苯基、乙烯基形成了共轭中间结构。当环碳原子上取代基为烷基时,则生成的内酯很少甚至不发生反应。四氢呋喃在Rh(Ñ)催化剂的催
(2)含氮杂环化合物的反应
[47]
1956年Horiie在N2环境下,八羰基二钴催化羰化2,4-双羰基氮杂环丁烷,得到A-内酰胺产物。CO的插入发生在C(sp)-N键之间而不是在C232
(sp)-N键之间,这是因为C(sp)-N弱于C(sp)-N键缘故。
[48]
Alper等研究了不同取代基的氮杂环丁烷在Co,3
化下能发生羰基化反应,达到四氢吡喃-2-酮或是A-亚甲基-C-丁内酯
[56]
。
21环氮化合物的羰基化反应
已有文献报道,含氮杂环化合物主要是碳原子
[51,52]
上带有苯基的氮杂环丙烷,如果环C2位上有烷基取代时,即使在90e、75atmCO下也不能发生反应
[52]
。与钴催化不同的是,铑络合物催化下的氮杂
,
第6期刘建华等 杂环化合物的羰基化反应
[51,52]
#997#
型的内酰胺产物。苯基取代的氮杂环丙烷的反
[52]
在羰基化反应领域,还出现了以M-Rh、Mo-Rh所组成的催化剂催化烯烃的氢甲酰化反应
[64]
应一个很重要的性质,是通过加入合适的手性配体可以得到ee值很高的对映体。这不但可合成外
消旋的B-内酰胺,也为制备光学活性的氮杂环丙烷提供了一个十分重要的方法。在所研究的手性配体中d-薄荷醇和l-薄荷醇最为有效,该过程并没有产生一个新的手性中心,而是一个动力学的溶解过程。手性配体(d-薄荷醇和l-薄荷醇)作用时,产生的不对称合成结果如图4
所示。
和以
含有不饱和键的糖类化合物为底物的羰基化反
[65]
应。
尽管,国外研究人员对杂环化合物的羰基化反应进行了卓有成效的研究,但是国内的研究并不多,而且主要集中于中科院兰州化物所和大连化物所。
[66,67]
中科院兰州化物所的陈静等发现在环氧丙烷与一氧化碳和甲醇发生氢酯基化反应的体系中,盐助剂的加入能提高产物3-羟基丁酸甲酯的选择性。
吕士杰等采用天然D-甘露糖为原料,合成了具有刚性骨架的手性双膦DDPPI(1,4:3,6-dianhydro-2,5-dideoxy-2,5-bis(diphenyphosphino)-L-iditol)配体,在
[68]
不对称氢甲酰化反应方面;A-烯烃或含有某些官能团的烯烃与一氧化碳的选择性交替共聚方面取得
图4 d型的薄荷醇和l型的薄荷醇加入时的
不对称合成结果
Scheme4 Resultsofasymmetricsynthesiswithd-menthol
andl-menthol
了成功(式8),所得聚合物的区域、立体及手性规整
[69)71]
度在90%以上。
此外,铑络合物对含有两个杂原子的环状化合物的羰基化反应理相似。
[53]
也有催化作用。铑络合物催化
杂环化合物的羰基化反应机理与钴络合物的催化机
四、钯、镍、铁等金属络合物催化剂
这些金属络合物催化杂环化合物和一氧化碳的羰基化反应研究不多,仅有少量的文献报道。Alper
[57]
等报道了Pd(PPh3)4催化作用下,Azirine发生羰化反应得到一个双环化合物。当改变反应物和反应条件,可以得到2-苯乙烯吲哚
[58]
邓友全等
[72]
在离子液介质中以钯盐的菲咯琳
络合物为催化剂实现了苯胺的氧化羰基化反应制得苯胺基甲酸甲酯,发现离子液的加入对反应的进行和选择性的提高有极大的推动作用,在离子液中转
-1-1
化频率超过8000mol#mol#h。他们还用硫酸修饰二氧化锆担载的钯为催化剂,在相对温和的反应条件下,催化脂肪族有机胺制相应对称脲衍生物,该催化剂体系具有易与反应体系分离、回收等特点
[73]
。N-(n-丁基)-2-亚
甲基氮杂环丙烷在Pd(PPh3)4或Pd(OAc)2PPPh3的催化下,发生反应得到N-(n-丁基)-3-亚甲基氮杂环丁烷-2-酮
[59]
。Pinhas等
[60]
发现在Ni(CO)4/I2/KI组
成的催化剂体系中,取代的氮杂环丙烷发生羰基化反应,并得到立体构型保持的B-内酰胺产物。此外,Ley
[61,62]
。他们还将有机金配合物首次用于催化苯胺
[74]
和Ring
[63]
分别报道了环碳原子上带有
氧化羰化制苯氨基甲酸酯。此外,采用钯、钴、金
烯链取代基的三元杂环化合物,在超声波的作用下,与Fe2(CO)9(或Fe(CO)5)作用得到了0-烯丙基三羰基铁的酰胺(或内酯)络合物,这种物质在室温条件下溶于THF,并加入过量的Me3NO,可以得到带有许多侧链的B-内酰胺产物,产率50%)70%,并且
配合物与醋酸铜构成的催化剂体系在温和条件下,通过电化学催化羰基化胺类直接制备相应的异氰酸酯
[75]
。
中科院大连化物所陆世维研究小组则采用廉价
的硒和硒的氧化物为催化剂,以硝基化合物和胺同
[76)80]
时作为反应物或是以邻硝基苯胺、取代邻硝基[81]
,
#998#
化 学 进 展
第16卷
羰基化有机地结合起来,不需另加氧化剂,直接通过进行选择氧化还原羰基化反应,用一步法合成了一系列非对称取代脲类化合物。
值得注意的是:在硒催化反应体系中,硒在反应前以固态存在不溶于反应体系,在反应过程中与CO结合生成能溶于反应体系的羰基硒等中间体,进行均相催化反应,反应结束后硒又以固态析出,产物易于分离,兼具有多相催化与均相催化的优点,据此他们提出了反应过程相转移催化体系。这样的硒催化羰基化催化体系有望成为合成各种非对称取代脲、环脲和杂环脲等有用的含肽键精细化学品的更具一般性的新方法。
综上,国内羰基化反应研究的重点主要是以烯烃为底物的氢甲酰化,烯烃与一氧化碳的共聚和氧化还原羰基化,并且已经取得了一定的成果。而对于杂环化合物的羰基化反应研究才刚刚开始。所以,加强这方面的研究显得非常必要。
[76)82]
可生物降解的塑料产品,将提供更为经济的来源
[83]
。实际上在包装和生物医学材料上所用的
PHB必须是等规的聚合物,所以在环氧化合物和一氧化碳的羰基化聚合反应研究中,还有待于进一步的深入探索,以开发出更具有立体专一性及区域选择性的高效催化剂体系。
开发新型催化剂体系,研究两种以上多种金属络合物组成多功能催化剂,有效实现杂环化合物的羰基化聚合一步反应,以及通过改变底物的组成来控制聚合物的立体规整度,进而可以达到对聚合物某些性质的控制将是今后的研究的重点之一。同时,进一步拓宽杂环化合物特别是带有其它取代基的三元杂环化合物与一氧化碳的羰基化聚合反应研究,以及准确检测和控制羰基化聚合反应过程的方法也是今后研究的一个热点。
参考文献
[1]
RoelenO.GP849548,1938
ColquhounHM,ThompsonDJ,TwiggMV.NewYork:Carbonylation.PlenumPress,1991
KhumtaveepornK,AlperH.Acc.Chem.Res.,1995,28(10):414)422
[4][5][6][7][8][9][10][11][12][13][14][15][16][17][18][19][20]
BrandlH,BachofenR.Can.J.Microbiol.,1995,41(1):143)153
WillianJP.FEMS.Microbiol.Rev.,1992,103:149)158ChengJ,DemingTT.J.Am.Chem.Soc.,2001123(38):9457)9458
HeckRF.J.Am.Chem.Soc.,1963,85(10):1460)1463DrentE,KragtwijkE.EP577206,1994
LeeTL,ThomasPJ,AlperH.J.Org.Chem.,2001,66(16):5424)5426
MahadevanV,GetzlerYDYL,CoatesGW.Angew.Chem.Int.Ed.Engl.,2002,41(15):2781)2784
GetzlerYDYL,MahadevanV,LobkovskyEB,etal.J.Am.Chem.Soc.,2002,124(7):1174)1175
CoatesGW,GetzlerYDYL,MahadevanV.WO3050154,2003
AllmendingerM,EberhardtR,LuinstraGA,etal.Z.Anorg.Allg.Chem.,2003,629:1347)1352
MolnarF,LuinstraGA,AllmendingerM,etal.Chem.Eur.J.,2003,9(6):1273)1280
RexinO,M lhauptR.J.Polym.Sci.PartA:PolymChem.,2002,40:864)873
YashiroT,MatsushimaK,KameyamaA,etal.Macromolecules,2001,34(10):3205)3210
AntelmannB,ChisholmMH,IyerSS,etal.Macromolecules,2001,34(10):3159)3175
AumannR,RingH,KrugerC,etal.Chem.Ber.,1979,112(11):3644)3671
AlperH,CaletS.Tetrahedron.Lett.,1988,29(15):1763)1765
AlperH,ArzoumanianH,PetrignaniJF,etal.J.Chem.,)[2][3]
五、结束语
对杂环化合物羰基化反应研究的各种催化剂体系,羰基钴催化剂具有其它催化剂无可比拟的优越性,不论是反应得到扩环产物还是与一氧化碳发生羰基化聚合以产出多种聚合物都显示出高的催化反应性能。虽然铑络合物催化剂可获得高ee值的产物,为不对称合成提供了一个很好的反应模式,但其价格昂贵,使其应用受到限制。
总的来说,科学家们对杂环化合物羰基化反应的研究已经取得了很大的进展,所得到的研究结果已大大拓宽了有机化合物特别是内酯、内酰胺的合成路径。这一领域的研究工作还存在许多不足如:可用的反应物的范围比较窄,目前仅限于三元杂环化合物;有效的催化剂仅为钴络合物,研究仅限于钴、铑、钯等过渡金属络合物;对于反应机理的研究还不成熟。对于杂环化合物与一氧化碳的羰基化聚合反应研究只是在实验室里进行的,尚处于起步阶段,至今还没有一例工业化模拟的例子,存在很大的研究发展空间。
利用杂环化合物和一氧化碳进行羰化聚合可以合成某些特殊的高分子化合物,特别是环氧丙烷和一氧化碳交替共聚一步合成聚-B-羟基丁酸酯(PHB)的反应,极大地简化了利用化学合成法的步骤。而生物合成PHB必须依赖酵素作为催化剂,其制作过程耗时耗能,成本很高。利用羰基化聚合方法,有效
第6期
[21][22][23][24][25][26][27][28][29][30][31][32][33][34][35][36][37][38][39][40][41][42][43][44][45][46][47][48][49][50][51][52][53]
刘建华等 杂环化合物的羰基化反应
[54][55][56][57][58][59][60][61][62][63][64][65][66][67][68][69][70][71][72][73]
#999#
PiottiME,AlperH.J.Am.Chem.Soc.,1996,118(1):111)116
DavoliP,MorettiI,PratiF,etal.J.Org.Chem.,1999,64(2):518)521
DavoliP,ForniA,PratiF,etal.Tetrahedron,2001,57(9):1801)1812
FurukawaJ,IsedaH,SaegusaT,etal.Makromol.Chem.,1965,89:263)268
PollockJM,ShipmanAJ.GB1020575,1966BataGL,SinghKP.Can.Pat.795813,1968
IsedaH,FurukawaJ,FujiiH.JP6818912,1968
PenneyJM.DoctoralDissertation,UniversityofFlorida.1999RiethLR,MooreDR,LobkovskyEB,etal.J.Am.Chem.Soc.,2002,124:15239)15248
TakeuchiD,SakaguchiY,OsakadaK.J.Polym.Sci.PartA:Polym.Chem.,2002,40(24):4530)4537
AllmendingerM,EberhardtR,LuinstraGA,etal.J.Am.Chem.Soc.,2002,124(20):5646)5647
AllmendingerM,EberhardtR,LuinstraG,etal.Macromol.Chem.Phys.,2003,204(4):564)569
KagiyaT,NarisawaS,IchidaT,etal.J.Polym.Sci.PartA:Polym.Chem.,1966,4(2):293)299
KagiyaT,MarutaT,IchidaT,etal.J.Polym.Sci.PartA:Polym.Chem.,1967,5(7):1645)1658
KacherS,KimSJ,SenA.Angew.Chem.Int.Ed.Engl.,1998,37:1251
DghaymRD,YaccatoKJ,ArndtsenBA.Organometallics,1998,17:4)6
JiaL,DingE,AndersonWR.Chem.Commun.,2001,1436)1437
JiaL,SunH,ShayT,etal.J.Am.Chem.Soc.,2002,124(25):7282)7283
ZhaoJ,DingE,AlligeierAM,etal.J.Polym.Sci.PartA:Polym.Chem.,2003,41(3):376)385
ReppeW,KroperH,PistorHJ,etal.JustusLiebigs.Ann.Chem.,1953,582:87
NienburgH,ElschniggJ.GP1066572,1959
WangMD,CaletS,AlperH.J.Org.Chem.,1989,54(1):20)21
XuY,JiaL.Org.Lett.,2003,5(9):1575)1577BakerW,OllisWD.J.Chem.Soc.,1949,345)349KobayashiS,TsukamotoY,SaegusaT.Macromolecules,1990,23(10):2609)2612
GalambV,PalyiG,UngvaryF,etal.J.Am.Chem.Soc.,1986,108(12):3344)3351
MurahashiS,HoriieS.J.Am.Chem.Soc.,1956,78(18):4816
RobertoD,AlperH.J.Am.Chem.Soc.,1989,111(19):7539)7543
PiottiME,AlperH.J.Am.Chem.Soc.,1996,118(1):111)116
CaletS,AlperH.Organometallics,1987,6(8):1625)1628AlperH,UrsoF.J.Am.Chem.Soc.,1983,105(22):6737)6738
CaletS,UrsoF,AlperH.J.Am.Chem.Soc.,1989,111(3):931)934
KhumtaveepornK,AlperH.J.Am.Chem.Soc.,1994,116:)KamiyaY,KawatoK,OhtaH.Chem.Lett.,1980,108(12):1549)1552
AumannR,RingH.Angew.Chem.Int.Ed.,1977,16(1):50
JennerG,KheradmandH,KiennemannA.J.Organomet.Chem.,1984,277:427)438
AlperH,PereraCP,AhmedFR.J.Am.Chem.Soc.,1981,103(5):1289)1291
AlperH,MahatantilaCP.Heterocycles,1983,20(10):2025)2028
AlperH,HamelN.TetrahedronLett.,1987,28(28):3237)3240
ChamchaangW,PinhasAR.J.Org.Chem.,1990,55(9):2943)2950
HortonAM,HollinsheadDM,LeySV.Tetrahedron,1984,40(10):1737)1742
LeySV,MiddletonB.Chem.Commun.,1998,1995)1996AumannR,FrÊhlichK,RingH.Angew.Chem.Int.Ed.Engl.,1974,13(4):275)276
DicksonRS,BowenJ,CampiEM,etal.J.Mol.Catal.A:Chem.,1999,150(1P3):133)146
CampiEM,ErikssonLK,GuyST,etal.J.Mol.Catal.A:Chem.,1999,143(1P3):243)252
陈静(ChenJ),付宏祥(FuHX),童进(TongJ).化学通报网络版(ChemistryOnline).,2001,01118
陈静(ChenJ),付宏祥(FuHX),童进(TongJ).CN01125121.2,2001
LuSJ,LiXD,WangAL.Catal.Today,2000,63:531)536YuanJC,LuSJ.TetrahedronLetters,2001,42(24):4069)4073
YuanJC,ChenMD,ZhangYH,LuSJ.JournalofPolymerSciencePartA:PolymerChemistry,2001,39(12):2027)2036YuanJC,ZhangYH,ChenMD,LuSJ.J.Mol.Catal.A:Chem.,2001,174(1P2):63)68
石峰(ShiF),周瀚成(ZhouHC),马宇春(MaYC)等.化学学报(ActaChimicaSinica),2002,60(8):1517)1519石峰(ShiF),司马天龙(SimaTL),邓友全(DengYQ).高等学校化学学报(ChemicalJournalofChineseUniversities),2001,22(10):1566)1568
[74][75]
ShiF,DengYQ.Chem.Commun.,2001,443)444杨宏洲(YangHZ),石峰(ShiF),邓友全(DengYQ)等.高等学校化学学报(ChemicalJournalofChineseUniversities).,2001,22(11):1913)1915
[76][77][78][79][80][81][82][83]
YangY,LuSW.TetrahedronLett.,1999,40(26):4845)4546
MeiJT,YangY,XueY,etal.J.Mol.Catal.A:Chem.,2003,191(1P3):135)139
ChenJZ,LingG,LuSW.EurJ.Org.Chem.,2003,2003(17):3446)3452
薛燕(XueY),陆世维(LuSW).CN01103688.5,2001薛燕(XueY),陆世维(LuSW).催化学报(ChineseJournalofCatalysis),2001,22(4):387)389
薛燕(XueY),陆世维(LuSW).化学通报(Chemistry),2002,65(3):187)190
梅建庭(MeiJT),陆世维(LuSW).催化学报(ChineseJournalofCatalysis),2002,23(1):1Chem.Eng.News.,2002,80(20):37