研究论文介绍

钯催化烯丙基醇的二羰基化反应合成二羧酸化合物

本文作者:杉杉

导读

近日,德国莱布尼茨研究所Matthias Beller教授课题组在Angew. Chem. Int. Ed.上发表论文,报道了钯催化烯丙基醇的二羰基化反应,可直接合成二羧酸化合物(如己二酸)。该反应通过PdCl2和双膦配体(HeMaRaphos)的结合,以高活性和优异的选择性实现了两个不同的羰基化反应。

Direct and Selective Synthesis of Adipic and Other Dicarboxylic Acids by Palladium-Catalyzed Carbonylation of Allylic Alcohols

Ji Yang, Jiawang Liu, Yao Ge, Weiheng Huang, Helfried Neumann, Ralf Jackstell, and Matthias Beller*

Angew. Chem. Int. Ed. ASAP DOI:10.1002/anie.202008916

正文

脂肪族二羧酸化合物作为化学工业重要的中间体,已被大规模用于制备共聚物,如聚酰胺和聚酯。通过己二酸(AA)合成尼龙(Nylon-6,6)便是一个典型的例子。2018年,己二酸的全球产量超过30亿公斤,市场价值估计约为60亿美元。同时,对于其它的二羧酸(如天然存在的天冬氨酸和谷氨酸),可用于生产聚酯和聚氨酯树脂、增塑剂和添加剂。除了这些工业应用之外,二羧酸还被广泛用作有机化学中常用活性基团。据文献查阅,合成二元羧酸的主要途径涉及环醇或酮的氧化(Scheme 1A)、环烯烃的氧化(Scheme 1B)以及二烯的多次羰基化(Scheme 1C)等。具体来说,工业上生产AA主要通过在铜(II)和偏钒酸铵催化下,将环己醇和环己酮与过量的HNO3进行催化氧化,然而这种氧化过程存在一个严重缺点,即形成了温室气体一氧化二氮(N2O),约占全球人为N2O排放量的5-8%。或者,在Na2WO4和[CH3(n-C8H17)3N]HSO4存在下,使用30%H2O2氧化环烯烃化合物也会生成所需的二羧酸。但是,这些方法的工业适用性均受到限制。此外,二烯的(二)羰基化也是制备二羧酸的有效方法,因为该方法具有环境友好性、原子经济性、可再生性等优点。基于上述讨论,作者认为烯丙基醇的二羰基化是一种理想的方法,且此类底物较为广泛(如巴豆醇、早搏酚、肉桂醇、维生素中间体、萜烯等)。在此,德国莱布尼茨研究所Matthias Beller教授课题组通过PdCl2和双膦配体(HeMaRaphos)的结合,以高活性、高收率、高选择性实现了两个不同的羰基化反应,合成了一系列二元羧酸化合物。

作者以巴豆醇1a与水为模型底物,进行了相关二羰基化反应的研究(Figure 1.)。若1a选择性二羰基化,则可直接合成己二酸3a。然而,在该反应中,也易形成多种其他羰基化产物,如单羰基化产物以及异构体5a和二羰基化产物以及异构体3aa3ab。此外,据报道在有机金属催化剂存在下1a可异构化为丁醛。显然,为了获得所需的目标产物3a,活性钯配合物必须高效地催化羰基化-异构化-羰基化这个连续的过程。

除了化学选择性之外,各个羰基化步骤的区域选择性和快速异构化过程也极具挑战性。显然,配体的选择对选择性的控制和催化剂的活性至关重要。通过对配体的筛选后发现,使用配体HeMaRaphos(L11)时,二酸产物的收率为56%,区域选择性为92%,均得到进一步提高。

为了进一步提高反应的转化率,作者分别对催化剂、酸性助催化剂、温度、压力等条件进行了筛选,最终以69%的收率和93%的选择性(n/iso)得到己二酸。为了验证该方法的实用性,作者使用较低的催化剂负载量(0.1 mol%Pd),使用1 mol的3-戊烯-2-醇,反应按预期进行,在重结晶后,获得了116 g己二酸(n/iso > 97%;分离产率为80%)(Scheme 2)。

在获得上述最佳反应条件后,作者开始对烯丙基醇底物1a-2b进行了拓展(Table 1)。反应结果表明,各种脂肪族烯丙基醇均以优异区域选择性(n/iso高达98/2)和高收率(高达91%)获得相应二羧酸产物3a4b。值得注意的是,该条件下双键的异构化相当快,甚至以83%的区域选择性获得1,1-十四烷二酸3h,涉及9个C-C键的选择性异构化-官能化过程。同时,卤素(F、Cl、Br)、-OMe、-SMe和OPh均与体系兼容。

为了进一步了解反应的过程,作者在标准条件下对2d的二羰基化进行了监测(Scheme 3A)。通过GC分析,至少可以检测到五个二烯产物。反应0.5 h后,已实现了约60%的转化率,并且形成了单羧酸,在3 h后达到了最大产率。值得注意的是,在最初的1.5 h内,未观察到所需的二羧酸。

基于上述的讨论以及前期对Pd催化的烷氧羰基化反应的研究,作者提出了一种可能的反应机理(Scheme 3B)。首先。在过量配体下,将稳定的Pd(II)盐原位还原成Pd(0)膦配合物A1,质子化后,得到活性配合物A2(这种氢化钯可能与N-质子化的吡啶离子配合物处于平衡状态)。紧接着,配合物A22d反应,形成π-烯丙基-钯中间体B2,该中间体可以被羰基化,但也易发生β-H消除而形成二烯6d(在无钯催化剂的酸性条件下,GC仅观察到少量的6d)。因此,不能完全排除该二烯形成B2的初始反应。随后,二烯6d与钯配合物A2进一步反应形成烯丙基-钯中间体B4(其中,双键发生异构化可生成各种二烯异构体)。而烯丙基钯配合物B4在CO配位和插入后,获得酰基Pd配合物C,再与水经过渡态DN-辅助水解,获得单羰基中间体5d。最后,以相似的过程实现不饱和烯基酸的二次羰基化,从而获得产物4d

总结

德国莱布尼茨研究所Matthias Beller教授课题组报道了通过使用Pd/HeMaRaphos催化剂体系,经羰基化-异构化-羰基化串联过程,首次实现从烯丙基醇底物直接且选择性地合成(线性)二羧酸化合物。同时,已实现对己二酸进行>100 g规模的合成,进一步证明了该方法的实用性。

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