摘 要

羰基化反应提供了一种合成酰胺的重要方法。该方法原子利用率高，也有较高的产率。这篇论文主要探究1,3-二烯和苯胺的羰基化反应的反应条件对其选择性和产率的影响，并从理论上给予解释。

关键词：钯催化 插羰基酰胺化 1,3-二烯 选择性

The study of carbonylation of 1,3-diene

Abstract

Carbonylation reactions constitute important methodologies for the synthesis of all kinds of carboxylic acid derivatives. This proceed is atom-efficient,and it often has high yield. This paper mainly disturbs the Influence on the selectivity and yield of reaction condition ,and explains in theory.

Keywords:palladium-catalyzed aminocarbonylation 1,3-diene selectivity

目录

摘要 I

Abstract II

目录 III

第一章 文献综述 1

1.1引言 1

1.2当今学术界有关钯催化插羰基的研究成果 1

1.3选题依据 6

1.4研究思路 7

第二章 实验部分 8

2.1实验试剂 8

2.2实验仪器 8

2.3反应条件 9

2.4实验过程 9

2.4.1初步探索 9

2.4.2深入探索 10

2.5钯催化机理 13

2.6结论 14

2.7展望 14

2.8谱图 14

致谢 29

第一章 文献综述

1.1引言

酰胺的原子经济合成一直以来都是有机合成上的一大挑战。酰胺键是很多杀虫剂的活性所在，并且是构建很多有机物和工业化学品的重要官能团。传统上，酰胺都是用羧酸和他们的衍生物与胺类反应得到的，但这些方法条件严苛。更进一步讲，还会有许许多多的副产物。就这点而言，发展更有效的催化方法合成酰胺迫在眉睫。例如，近些年来钯催化的插羰基成酰胺反应已经成为合成芳香酰胺、α—β不饱和酰胺和脂肪族酰胺的有效方法。

1.2当今学术界有关钯催化插羰基的研究成果

一氧化碳是一种常见的气体，在过渡金属例如钯化合物催化下可以作为羰基来源。利用该性质，可以用于制备酰胺。Xiao-Feng Wu,*,†,‡ Xianjie Fang,‡ Lipeng Wu,‡ Ralf Jackstell,‡ Helfried Neumann,‡ and Matthias Beller^[1]等人报道了各种过渡金属的配合物均可作为反应的催化剂，各有各的特色。本文将介绍其中的钯配合物作为催化剂的方法。该方法环境友好，原子利用率可达100%，且成本低廉，故此法具有广阔的应用前景。

过渡金属催化的有机合成反应是化学研究的前沿领域,其中羰基化反应是构建羰基化合物的最有效方法之一。早在上世纪三十年代,过渡金属催化的一氧化碳参与的有机反应如氢甲酰化反应就被发现并成为重要的工业应用。自Heck等人在1974年的首次报道后,过渡金属催化的羰基化反应取得了巨大进展。

大部分酰胺羰基化采用胺和卤代芳烃或烯烃制备，与卤原子相连的碳原子均为Sp²杂化。而对于α碳原子为Sp³杂化的卤代烃来说用于该法制备酰胺则很罕见。Yahui Li,† Fengxiang Zhu,† Zechao Wang,† and Xiao-Feng Wu^[2]等人认为该法存在四个难点：1.卤代烃向金属中心加成有困难2.中间产物易发生β-H消除3.卤代烃与胺类发生亲核取代反应更快更容易4.氧化剂存在下胺类易发生氧化反应。他们以铜盐为催化剂，用环烷烃与胺类插羰基合成了酰胺，且产率良好，然而钯盐却逊色许多。

Kazuhiko Orito,* Mamoru Miyazawa, Takatoshi Nakamura, Akiyoshi Horibata, Harumi Ushito, Hideo Nagasaki, Motoki Yuguchi, Satoshi Yamashita, Tetsuro Yamazaki, and Masao Tokuda^[3]等人以醋酸钯和醋酸铜为混合催化剂，成功的将氮上一取代的ω芳环胺插羰基转换成环酰胺，将氮上无取代的ω芳环胺插羰基转化成对称的碳酰二胺。如下图所示：

图1-1 合成碳酰二胺

Longfei Ran, Zhi-Hui Ren, Yao-Yu Wang, and Zheng-Hui Guan^[4]等人以钯配合物（例如Pd(PPh₃)₄ ）为催化剂，成功地以芳基碘和简单酰胺为原料插羰基合成出了更为复杂的酰亚胺，且产率较高。该反应条件还适用于文献中比较少见的仲芳胺的插羰基酰胺化反应。

图1-2 合成复杂碳酰二胺

Pan Xie, Chungu Xia, and Hanmin Huang^[5]等人成功地将C(sp³)-H键活化插羰基制备酰胺。他们采用苄基卤和低级脂肪胺为原料，以PdCl2为催化剂，在10atmCO和120℃下得到了较高产率的酰胺。他们进一步指出，降低催化剂浓度会降低产率，当不用催化剂时，则得不到产物。

Haoquan Li, Kaiwu Dong,Helfried Neumann, and Matthias Beller^[6]等人在研究中取得了突破性进展。他们首次以烯烃和酰胺为原料，将烯氢活化，插羰基制备出了酰亚胺。产率最高可达91%，可谓十分成功。

图1-3

Bartolo Gabriele,*,† Giuseppe Salerno,‡ Raffaella Mancuso,‡ and Mirco Costa^[7]等人以碘化钯为催化剂，胺，一氧化碳为原料制备出了尿素的衍生物。采用芳二胺为原料并向反应体系引入氧气还可以成环状酰二胺,产率均很高：

图1-4

Tongyu Xu, Feng Sha, and Howard Alper^[8]等人发现钯催化剂配体的改变会对插羰反应的区域选择性产生影响。他们采用的原料是氨基酚和芳基乙烯。当钯催化剂的配体为三（4-甲氧基苯基）膦时，反应发生在芳基乙烯的2号碳原子上，而配体改变为1、3、5、7—四—6—苯基—4—三恶—6—磷杂金刚烷这样大体积复杂配体时，反应则发生在芳基乙烯一号碳上。更进一步的研究表明，配体是反应区域选择性的关键。并且采用不同的质子酸均可以提升反应的选择性和反应性。为何配体可以影响区域选择性以及如何预示区域选择性？这是一个值得深思的问题。

图1-5 1、3、5、7—四—6—苯基—4—三恶—6—磷杂金刚烷

图1-6

在JACS上发表的另一篇文章更是令人称奇。Tongyu Xu and Howard Alper^[9]等人发现以氨基酚和碘代芳烃为原料时，反应会在成酯和成酰胺之间做出选择。配体和使用的碱改变会对选择性和产率产生影响。例如以三苯基膦为配体，碳酸钾为碱，乙腈为溶剂可以得到80%的酯和2%的酰胺酯。当碱变为氟化钾时，酯的产率提升至82%，酰胺为2%，酰胺酯为4%。碱变为三乙基胺时，酯，酰胺，酰胺酯产率分别为75%，3%，3%。似乎溶剂不变时，弱碱可以提升产率。同样使用碳酸钾为碱，溶剂变为三者时，产率分别为82%，2%，4%。似乎溶剂的影响不大。当溶剂和碱不变，配体变为大体积的苯基磷酸二异丁酯时，产率分别为33% 50% 5%，反应对酰胺最有利。似乎空阻效应对生成酰胺有帮助。

图1-7

发表在《化学通信》上的一篇文章系统而全面地探究了各种因素对无酸条件下，烯插羰基酰胺化反应的产率和区域选择性的影响。Huizhen Liu*, Ning Yan and Paul J. Dyson^[10]等人以苯乙烯和苯胺为原料，发现反应温度越高，一氧化碳压力越高，配体与氯化钯用量比越高，苯乙烯和苯胺用量比越高，N-H键解离能越低，反应的产率就越高。他们又以三（2-甲氧基苯基）膦和二氯化钯为催化体系，发现苯乙烯2号碳上发生插羰基酰胺化得到的支链型产物的产率与一号碳上反应得到的线型产物的含量比经常能超过99%，呈现出极高的区域选择性。Huizhen Liu, Ning Yan and Paul J. Dyson三人和GaborLaurenczy合作[11]还进行过关于C(sp3)–H的功能化插羰基制备酰胺的反应，也取得了不小的研究成果。

Rajendra S. Mane and Bhalchandra M. Bhanage^[12]等人另辟蹊径，采用钯催化剂催化氧气氧化三级胺并使之脱去一个烷基，然后在末端炔烃存在下插羰基制备2-炔基酰胺。该方法的产率随着添加剂和配体的改变而改变，但大多能在80%以上，颇具有可行性。

图1-8

Xianjie Fang, Ralf Jackstell, and Matthias Beller^[13]等人报道了烯烃与芳香硝基化合物在氢气存在的情况下钯催化插羰基制备酰胺的反应。该方法可看成以芳香胺为底物的方法的扩展。其实质很显然是氢气将芳香硝基化合物还原成芳香胺再插羰基酰胺化，可惜产率不甚理想。

金属羰基化合物也可以作为羰基源，近来在《有机化学前沿》上发表了一篇有关用八羰基合二钴为羰基源的钯催化插羰基成酰胺的文章。Yaxi Dong,a Suyan Sun,a Fan Yang,*a Yu Zhu,a Weiguo Zhu,a Huijie Qiao,a Yusheng Wu*b,c and Yangjie Wu*a^[14]等人采用炔基卤和胺为底物，Co₂(CO)₈作为羰基源，各种钯化合物为催化剂，合成了2-炔基酰胺。反应条件温和，产率可观。由于避免了直接使用一氧化碳，故该法安全，且无需高压环境。

随着研究的深入，在离子液体中的钯催化插羰基成酰胺反应的研究开始引起人们的关注。Yu Li,†,‡ Howard Alper,*,† and Zhengkun Yu*^[15]等人采用离子液体[bmim][Tf₂N] （1-丁基-3-甲基咪唑双三氟甲磺酰亚胺盐）为溶剂，实现了区域专一性的合成2号位取代的丙烯酰胺的反应。离子液体会参与反应的中间过程，并也对反应起了促进作用。Mayur V. Khedkar,† Takehiko Sasaki,‡ and Bhalchandra M. Bhanage^[16]等人研究了离子液体中钯催化插羰基制备酰胺和酯的反应，反应产率总体较高。

Xianjie Fang,† Haoquan Li,† Ralf Jackstell, and Matthias Beller^[17]等人报道了采用1,3-二烯烃合成3号位带双键的酰胺的反应。反应原子利用率100%，产率高，选择性好。该反应又提供了一种合成新类型酰胺的方法。

图1-9

最后再介绍几种合成内酰胺的方法。Huizhen Liu,* Genevieve P. S. Lau, and Paul J. Dyson*^[18]等人以炔烃，胺为原料。Pd(xantphos)Cl₂为催化剂，在对甲基苯磺酸为溶剂的条件下，合成了琥珀酰亚胺的衍生物。反应一步完成，产率高。Andrew C. Tadd, Ai Matsuno, Mark R. Fielding, and Michael C. Willis*^[19]等人采用2-（2-溴乙烯基）溴代苯的衍生物为原料，合成了2-喹诺酮的衍生物，产率在33-80%之间。Hiroshi Taneda,† Kiyofumi Inamoto,*,‡ and Yoshinori Kondo*^[20]报道了钯催化高度化学选择性分子内C-H插羰基酰化成苯并内酰胺的反应。当苯环上有溴原子时，溴原子可能被替换成氢原子。

1.3选题依据

钯配合物拥有良好的催化性能，在其催化下，胺与烯或炔可以插羰基偶联得到酰胺。该法原子利用率高，产率一般也高，而且提供了一种新颖的合成酰胺方法，因此该法有广阔的应用前景。对于钯催化插羰基反应而言，反应的区域选择性和化学选择性是非常有探索价值的问题，本论文将主要探讨钯催化插羰基成酰胺反应的区域选择性。

1.4研究思路

下图所示即钯催化插羰基成酰胺反应的机理。从图中可以看出，质子会参与催化过程，所以酸是必不可少的。反应步骤大致可分为这几个阶段：催化剂的生成；氧化加成；结合一氧化碳；通过配体迁移的方式插入羰基；亲核试剂进攻；释放产物。很显然，配体迁移这一步会决定产物是线型还是支链型；亲核试剂进攻这一步会决定产物是酰胺还是酯。对于亲核试剂进攻这一步，无外乎影响因素有二：空间位阻和亲核性能。同时从图中亲核试剂进攻这一步可以看出，若亲核试剂采用胺，N上必须有氢。

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