《Tetrahedron》：Backbone Ester-Functionalized Imidazol-2-ylidene Metal Complexes: Synthesis, Structure, and Potential Catalytic Applications for Fine Chemicals
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該研究合成了酯基修飾的咪唑啉酮配體Palladium complexes（1-6）及硒化合物（7），通過(guò)實(shí)驗(yàn)和DFT研究確認(rèn)了配體電子性質(zhì)，并評(píng)估了其在DMF/H2O混合溶劑中催化Suzuki-Miyaura偶聯(lián)反應(yīng)的活性，發(fā)現(xiàn)化合物5催化效率高，可回收Pd黑，減少雜質(zhì)
沙拉德·庫(kù)馬爾·薩昌（Sharad Kumar Sachan）| 布里吉什科爾·毛里亞（Brijkishor Maurya）| 伊魯塔亞拉杰·阿維納什（Iruthayaraj Avinash）| 加納帕蒂·阿南塔拉曼（Ganapathi Anantharaman）
印度坎普爾理工學(xué)院（IITK）化學(xué)系，印度北方邦坎普爾，郵編208016
摘要
本文報(bào)道了通過(guò)兩種不同方法從咪唑鎓碘化物（[IMeH(COOEt)2·I]）合成了具有酯官能團(tuán)的[IMe(COOEt)2-鈀配合物（2、5和6）。利用[Ir(IMe(COOEt)2)(CO)2(Cl)]（4）和IMe(COOEt)-Se配合物（7），以及密度泛函理論（DFT）研究，實(shí)驗(yàn)確定了[IMe(COOEt)2]的供體與受體性質(zhì)。評(píng)估了NHC-Pd配合物的催化活性，發(fā)現(xiàn)配合物5在DMF/H2O體系中對(duì)于（未活化的）芳基溴化物的鈴木-宮浦偶聯(lián)反應(yīng)具有優(yōu)異的催化效果，且所需催化劑用量和時(shí)間極少。文章詳細(xì)闡述了偶聯(lián)反應(yīng)的機(jī)理、殘留鈀含量以及與交叉偶聯(lián)產(chǎn)物的配體污染情況，并探討了其在精細(xì)化學(xué)合成中的潛在應(yīng)用。
引言
由于生物芳基化合物在（a）天然產(chǎn)物和藥物合成、（b）過(guò)渡金屬催化劑中膦配體的制備以及（c）構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)（見圖S1）方面的作用，其合成在學(xué)術(shù)和工業(yè)有機(jī)化學(xué)中具有重要意義。在過(guò)去四十年中，基于鈀的C-C交叉偶聯(lián)反應(yīng)一直占據(jù)主導(dǎo)地位。其中，鈴木-宮浦交叉偶聯(lián)反應(yīng)在實(shí)驗(yàn)室和工業(yè)應(yīng)用中具有優(yōu)勢(shì)，因?yàn)樗子谔幚砼鹎绑w、芳基鹵化物易于獲得，并且反應(yīng)條件溫和。然而，在空氣/水分存在下，Pd(0)的穩(wěn)定性較差，這一問(wèn)題通過(guò)使用含/不含配體的各種Pd(II)前體實(shí)現(xiàn)原位生成Pd(0)得到了解決。此外，使用前體在催化劑用量方面更為經(jīng)濟(jì)，有助于穩(wěn)定中間體，并且反應(yīng)條件更為溫和。交叉偶聯(lián)反應(yīng)的活性受到配體性質(zhì)的顯著影響，配體的空間和電子性質(zhì)會(huì)加速氧化加成和還原消除步驟。圖1展示了廣泛用于均相催化的Pd(II)前體。這些催化劑在處理復(fù)雜鹵化物底物時(shí)更具優(yōu)勢(shì)，但存在催化劑與產(chǎn)物分離困難、貴金屬回收率低、鈀的重復(fù)使用性有限以及工業(yè)規(guī)模偶聯(lián)反應(yīng)需求大的缺點(diǎn)。
在過(guò)去二十年里，關(guān)于非均相鈴木-宮浦交叉偶聯(lián)反應(yīng)的研究日益增多。由于鈀前體供應(yīng)緊張和成本上升，研究團(tuán)隊(duì)開始探索低成本、低毒性和高反應(yīng)性的3d金屬前體作為替代方案。然而，如果能夠解決催化劑用量、回收率、重復(fù)使用性以及精細(xì)化學(xué)品生產(chǎn)中貴金屬污染（注射劑中<0.5 ppm，口服劑中<5 ppm）的問(wèn)題，現(xiàn)有的鈀基偶聯(lián)反應(yīng)仍可繼續(xù)使用。此外，如果能夠有效分離反應(yīng)介質(zhì)中的配體，將有利于精細(xì)化學(xué)合成。在水性介質(zhì)（水或有機(jī)溶劑/水混合物）中進(jìn)行的催化反應(yīng)還有助于穩(wěn)定納米顆粒并提高硼酸和堿的溶解度。我們團(tuán)隊(duì)正在開發(fā)基于非膦的鈴木-宮浦交叉偶聯(lián)反應(yīng)，其中使用NHC（N-雜環(huán)卡賓）或含鈀的N-供體配體作為前體。當(dāng)NHC配體中的N取代基較小時(shí)，反應(yīng)可能通過(guò)形成黑色鈀進(jìn)行，這種反應(yīng)可以是均相的，也可以是非均相的。因此，NHC骨架的官能化不僅會(huì)調(diào)節(jié)其電子性質(zhì)，還可能影響其催化活性。文獻(xiàn)中關(guān)于骨架改性的M-NHC配體的研究較少。早期研究發(fā)現(xiàn)，未功能化或溴功能化的咪唑-2-亞基鈀配合物能夠在DMF中非均相催化芳基溴化物的鈴木-宮浦偶聯(lián)反應(yīng)。類似地，作為親電官能團(tuán)的酯基可能有利于形成具有催化活性的黑色鈀，從而影響偶聯(lián)反應(yīng)。此外，酯類化合物具有良好的水溶性，可能有助于在水溶液中穩(wěn)定鈀納米顆粒。基于這些考慮，本文報(bào)道了（a）通過(guò)不同合成路線制備酯功能化的咪唑-2-亞基（IMe(COOEt)2-鈀配合物，（b）評(píng)估（IMe(COOEt)2的電子性質(zhì)，（c）鈀配合物在芳基溴化物鈴木-宮浦偶聯(lián)反應(yīng)中的催化活性，（d）反應(yīng)機(jī)理的詳細(xì)研究（包括汞中毒測(cè)試、掃描電子顯微鏡和透射電子顯微鏡分析），（e）使用ICP-MS（檢測(cè)鈀）和NMR（檢測(cè)配體污染）分析偶聯(lián)產(chǎn)物中的催化劑/配體殘留物，以及（f）催化劑的效率。
以[IMeH(COOEt)2·I]為前體，合成了相應(yīng)的酯功能化NHC-金屬配合物（1-6）和硒化合物（7）（見方案1）。金屬-NHC配合物通過(guò)轉(zhuǎn)金屬化反應(yīng)（2和3）使用[{Ag(IMe(COOEt)2)2}·AgI2]（1）與Ag2O和[IMeH(COOEt)2·I》在25分鐘內(nèi)定量制備，或通過(guò)自由卡賓途徑制備（5-7）。羰基化合物[Ir-(IMe(COOEt)2)(CO)2Cl]（4）是通過(guò)氣泡法合成的。
本文報(bào)道了金屬-NHC配合物的定量合成及其結(jié)構(gòu)解析，并通過(guò)理論和實(shí)驗(yàn)確定了酯功能化NHC的電子性質(zhì)。催化劑5在水性介質(zhì)中表現(xiàn)出優(yōu)異的轉(zhuǎn)化率（103-104）。此外，可以從反應(yīng)介質(zhì)中定量回收黑色鈀，并且生物芳基產(chǎn)物中的殘留鈀含量較低。
所有對(duì)空氣和水分敏感的操作均采用標(biāo)準(zhǔn)Schlenk技術(shù)進(jìn)行。在稱量反應(yīng)物和試劑時(shí)使用手套箱維持惰性氣氛。溶劑通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)文獻(xiàn)方法純化（干燥），金屬前體bis(acetonitrile)dichloropalladium(II)、bis(1,5-cyclooctadiene)-diiridium(I) dichloride以及起始物質(zhì)4,5-bis(ethoxycarbonyl)-1,3-dimethylimidazolium iodide [IMeH(COOEt)2·I>也按照標(biāo)準(zhǔn)方法制備。
沙拉德·庫(kù)馬爾·薩昌（Sharad Kumar Sachan）：數(shù)據(jù)管理、實(shí)驗(yàn)研究、方法設(shè)計(jì)、項(xiàng)目管理、驗(yàn)證、初稿撰寫、審稿與編輯、概念構(gòu)思、軟件開發(fā)、可視化。
布里吉什科爾·毛里亞（Brijkishor Maurya）：實(shí)驗(yàn)研究、初稿撰寫。
伊魯塔亞拉杰·阿維納什（Iruthayaraj Avinash）：實(shí)驗(yàn)研究、驗(yàn)證、初稿撰寫、審稿與編輯。
加納帕蒂·阿南塔拉曼（Ganapathi Anantharaman）：概念構(gòu)思、資金爭(zhēng)取、實(shí)驗(yàn)研究、方法設(shè)計(jì)、項(xiàng)目管理、監(jiān)督。
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作者聲明不存在需要披露的利益沖突。
耦合反應(yīng)產(chǎn)物的晶體學(xué)數(shù)據(jù)、ESI-MS譜以及1H和13C NMR譜數(shù)據(jù)見支持信息文件。CCDC編號(hào)2211463（1）、2211464（2）、2211465（3）、2211466（4）、2211467（5）和2211468（6）包含了本文的補(bǔ)充晶體學(xué)數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)由劍橋晶體學(xué)數(shù)據(jù)中心和Fachinformationszentrum Karlsruhe Access Structures免費(fèi)提供。
作者聲明不存在可能影響本文研究的已知財(cái)務(wù)利益或個(gè)人關(guān)系。
作者感謝印度坎普爾理工學(xué)院的化學(xué)系提供的基礎(chǔ)設(shè)施支持，以及科學(xué)和工程研究委員會(huì)（SERB，SB/S1/IC-49/2012和CRG/2023/008403）提供的財(cái)政支持。SKS感謝CSIR和IITK提供的博士獎(jiǎng)學(xué)金，IA感謝SERB India和IIT Kanpur提供的博士獎(jiǎng)學(xué)金。作者還感謝Usmaan Azam博士在NBO電荷計(jì)算方面的協(xié)助。
