氯仿和碱介质中卤代噻吩的催化羧基化制噻吩羧酸

谢阳
(大连理工大学化工学院 116011)

Key words carbonylation,palladium,catalysis,halothiophene,thiophenecarboxylicacids
关键词 羧基化 噻吩羧酸 钯 催化 卤代噻吩

    噻吩羧酸作为重要的噻吩衍生物可以用来合成各种药物和制备感光材料、导电材料、染料、农药等精细化工产品[1,2]。本研究采用氯仿为羧基化试剂，在碱性介质中利用贵金属催化卤代噻吩羧基化制备出噻吩—2—羧酸(反应式1)，同时对催化反应中间体进行了研究。

   [图象] X=I, Br   （1）

1 实验部分
1.1 催化羧基化反应
    催化羧基化反应的步骤：氮气保护下，于5．0mmol催化底物的CHCl3溶液中搅拌下依次加入催化剂，KOH水溶液，室温下反应预定的时间。向产物中加入1∶1的乙醚水溶液，经分离水层、酸化、乙醚提取，获粗噻吩羧酸，水中重结晶获纯品。由质谱确定产品组成。
1.2 催化反应中间体的分离
    将Pd(PPh3)4分别与等摩尔的2—碘代噻吩、2—硝基—5—碘代噻吩和5,5'—二碘—2,2'—双噻吩反应，产物①trans-PdI(C4H3S-C)(PPh3)2，②trans-PdI(3-C4H2NO2S-C)(PPh3)2和③trans,trans-Pd2I2(μ-C8H4S2-C,C')(PPh3)4被分别分离出来。
1.3 分析仪器
    布克ACF300核磁共振仪，惠普(HP)5890 II plus GC，惠普(HP)5890 I GC—HP 5988A质谱，西门子SMART CCD衍射仪。
    催化底物、KOH、Pd(PPh3)4等催化剂为分析纯试剂，直接使用。CHCl3经脱水脱氧处理后使用。
2 结果与讨论
2.1 催化羧基化反应
    从表1所列的实验结果可以看出钯络合物具有良好的催化活性，其中以PdCl2(dppf)催化2—碘代噻吩的效果最好。铜及镍络合物完全没有催化活性。
    分别以2—碘代噻吩、5—硝基—2—碘代噻吩和5,5'—二碘—2,2'—双噻吩为催化反应底物，制备出噻吩—2—羧酸、5—硝基—噻吩—2—羧酸和5,5'—双噻吩—2,2'—二羧酸。

表1 氯仿和KOH水溶液中过渡金属催化2—卤代噻吩羧基化
序号 催化剂a 转化率(%) 分离产率(%)b
1 PdCl2(dppf) 100 72
2 Pd(PPh3)4 85 55
3 Cu(BH4)(Ph3P)2 0 0
4 NiCl2(dppf) 0 0
5c PdCl2(dppf) 70 52
6 None 0 0
a反应条件：底物∶催化剂∶氯仿=1.0∶0.05∶10(摩尔比)；底物：5.0mmol，氯仿：4ml；60% KOH:10 ml;25°C；电磁搅拌24h。b噻吩—2—羧酸的分离产率由重结晶后的纯品重量计算。c以2—溴代噻吩为底物。dppf=1,1'—双(二苯基膦基)二茂铁[1,1'—bis(diphenylphosphino)ferrocene]。

2.2 催化反应中间体
分离出催化反应中间体并确定其分子结构是比较理想和直观的推断反应机理的方法，由于此催化反应体系中反应组分较复杂，直接从中分离或检测出催化反应中间体未成功。故将Pd(PPh3)4分别与等摩尔的上述三种反应底物反应，化合物1—3被分别分离出来。核磁共振分析初步确定了它们的分子结构(表2和表3)。

表2 化合物1—3的1H NMR数据
峰的归属
化合物1—3a		 1H NMR d
PPh3 H3 H4 H5 J(Hz)
c0006702.gif (600 bytes)
1		 7.53 6.82 6.33 5.89 3JH3-H4
(m,12H) (d,1H) (dd,1H) (d,1H) 4.82
7.28 3JH4-H5
(t,18H) 3.25
c0006703.gif (700 bytes)
2		 7.58 6.99 5.95 3JH4-H5
(m,12H) (d,1H) (d,1H) 4.10
7.33
(t,18H)
c0006704.gif (670 bytes)
3		 7.53 5.82 5.54 3JH4-H5
(m,24H) (d,2H) (d,2H) 3.48
7.23
(t,36H)  
a金属取代的噻吩基团上与金属相连的碳被定义为1-位。
 
表3 化合物1～3的13C和31P NMR数据
峰的归属
化合物		 13C NMR d(ppm) 31P NMR d
PPh3 C1 C3 C4 C5 PPh3
1 134．7，130．4 146．1 126．9 128．3 132．0 21．9
130．0，127．7
2 134．7，131．1 172．0 126．1 129．0 154．4 21．5
130．6，128．1
3 134．8，132．0 144．7 135．2 124．7 132．2 21．5
129．9，127．7

        化合物1[3]和2的X-射线晶体衍射分析证实了它们为平面四边形的分子结构，碘与噻吩基团处于反应式构型。孤立的化合物1和2的固体分子结构同时显示噻吩上的硫原子与钯原子无明显的相互作用。反应溶液中硫原子与钯原子的相互作用有待于进一步的分析和检测。
    分别将化合物1—3的氯仿溶液和KOH水溶液反应数小时后，从反应混合物中分别分离和检测出噻吩—2—羧酸、5—硝基—噻吩—2—羧酸及5,5'—双噻吩—2,2'—二羧酸，因此可推断化合物1—3为催化反应中间体。
2.3 催化反应机理
    参照alper[4]对卤代苯所做的类似研究，2—碘代噻吩被认为是通过以下催化反应机理进行反应的：
    Th=噻吩基团
    本研究提供了一个简便、安全、有效的制备噻吩羧酸的方法。更深入的优化试验及催化反应机理的研究正在进行中。
3 参考文献
[1] Gronowitz S.Thiophene and its Derivatives,Vol.44,Parts 3.New York:Wiley-Interscience,1986:556-937.
[2] Russell K.Comprehensive Heterocyclic Chemistry II,Vol.2,Ed.Bird C W.Oxford:Pergamon Press,1996:559-675.
[3] Xie Y,Ng S C,Hor T S A et al.Reductive coupling of halothiophenes and halothiazoles catalyzed by Pd(II) in a basic alcohol medium.J.Chem.Soc.,Dalton Trans.,1999,773-779.
[4] Grushin V V,Alper H.Novel palladium-catalyzed carbonylation of organic halides with chloroform and alkali.Organometallics,1993,12:3846-3855.

谢阳 女，34岁，博士，讲师，从事催化、电催化、电化学合成等研究。