

Citation: Chen Ying, Jing Xiaobi, Yu Lei. Polyaniline-Supported Copper-Catalyzed Buchwald-Hartwig Couplings of Pyrimidin-2-amines[J]. Chinese Journal of Organic Chemistry, 2020, 40(8): 2570-2574. doi: 10.6023/cjoc202003044

聚苯胺负载铜催化嘧啶-2-胺的Buchwald-Hartwig偶联反应
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关键词:
- 聚苯胺
- / 铜
- / 催化
- / Buchwald-Hartwig偶联
- / 无配体
English
Polyaniline-Supported Copper-Catalyzed Buchwald-Hartwig Couplings of Pyrimidin-2-amines
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Key words:
- polyaniline
- / copper
- / catalysis
- / Buchwald-Hartwig coupling
- / ligand-free
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Buchwald-Hartwig偶联反应可直接形成C—N键, 生成相关含氮化合物, 被广泛应用于天然产物和药物合成中[1].其中, 由于嘧啶-2-胺是许多抗肿瘤药物(例如伊马替尼碱)中的常见结构(图 1), 其衍生物的Buchwald-Hartwig偶联反应尤其重要[2].该反应可实现嘧啶-2-胺结构的引入, 并可应用于嘧啶-2-胺的修饰, 为药物合成提供了强有力的工具.然而, 目前催化技术存在一些问题, 如使用贵金属、高用量配体、催化剂不可回收以及低催化剂转化数等[3].因此, 从实际应用出发, 开发催化剂可回收、无配体的高效催化方法是一个很有意义的研究课题.
另一方面, 纳米催化剂是催化领域的发展前沿之一[4].其中, 以聚苯胺为载体的纳米金属催化剂, 有很强的实用价值[5].苯胺价格低廉, 适合大规模应用.虽然苯胺有毒, 但聚苯胺毒性较小[6].此外, 与无机配体相比, 聚苯胺取代基可调控催化剂性能, 从而使得催化剂能够适用于各种反应场合[7].随着催化氧化技术的飞速发展[8], 合成聚苯胺的绿色方法已成熟[9], 为相关催化剂的工业化应用奠定了基础.最近, 我们课题组设计制备了聚苯胺负载铜催化剂, 并将之应用到嘧啶-2-胺衍生物的Buchwald-Hartwig偶联反应中, 开发出一种无需额外配体的高效方法.
图 1
图 1. 含有嘧啶-2-胺的抗肿瘤药伊马替尼碱的结构式Figure 1. Chemical structure of the anti-tumor drug of imatinib base containing pyrimidin-2-amine1. 结果与讨论
由于药物中间体合成项目需要, 我们课题组开始研究通过Buchwald-Hartwig偶联修饰嘧啶-2-胺的实用催化方法.铜是一种廉价金属, 被广泛用于催化偶联反应[10].因此, 选择铜为催化金属合成聚苯胺负载铜催化剂(Cu@PANI), 用于催化反应.该催化剂可以由苯胺与醋酸铜的混合溶液在过氧化氢氧化下制备, 是一种黑色粉末.随后研究该催化剂在碘苯(1a)与N-甲基嘧啶-2-胺(2a)的偶联反应中的应用.首先对反应中所使用的碱进行筛选, 分别用氢氧化钾、碳酸钠、氢氧化钠和叔丁醇钾在初始条件下进行反应.研究结果表明, 使用氢氧化钾和碳酸钠能促进反应, 但不能产生预计的偶联产物(表 1, Entries 1, 2);使用氢氧化钠能促进反应, 产物产率仅为48% (表 1, Entry 3);幸运的是, 强碱叔丁醇钾可促进反应发生, 以令人满意的产率获得偶联产物(表 1, Entry 4).反应中, 使用两倍于碘苯的物质的量的碱是最佳条件, 增加或减少碱的用量都会导致反应产率下降(表 1, Entries 5, 6 vs. 4).随后对反应溶剂进行了考察, 发现1, 4-二氧六环是最佳溶剂, 其它溶剂如二甲基甲酰胺(DMF)、二甲亚矾(DMSO)以及甲苯都不适用于该反应(表 1, Entries 4 vs. 7~9).
表 1
Entry Base(equiv.)b Solvent 3ac/% 1 KOH (2) 1, 4-Dioxane Trace 2 Na2CO3 (2) 1, 4-Dioxane Trace 3 NaOH (2) 1, 4-Dioxane 48 4 t-BuOK (2) 1, 4-Dioxane 72 5 t-BuOK (1) 1, 4-Dioxane 43 6 t-BuOK (3) 1, 4-Dioxane 61 7 t-BuOK (2) DMF Trace 8 t-BuOK (2) DMSO 0 9 t-BuOK (2) Toluene Trace a A mixture of 1a (1 mmol), 2a (1.5 mmol), Cu@PANI (20 mg) and base in 2 mL of solvent was stirred at 110 ℃ for 24 h under N2 protection. b On the basis of the molar amount of 1a. 随后, 在确定了反应所使用的碱和溶剂的基础上, 对反应条件进一步进行优化.首先, 减少催化剂会导致产物产率明显下降(表 2, Entries 3 vs. 1, 2), 而增加催化剂的用量对最终的产率没有太大的影响(表 2, Entries 3 vs. 4).其次, 降低反应温度, 原料转化不完全, 从而降低产物产率(表 2, Entries 5, 6).升高温度会产生一系列的副产物(可通过薄层层析检测到), 同样导致产物产率下降(表 2, Entry 7).最后, 反应时间为24 h最佳, 缩短反应时间不利于原料充分转化(表 2, Entries 8, 9), 延长反应时间会导致产物产率有所降低(表 2, Entry 10).
表 2
Entry Catalyst (mg) Temp./℃ Time/h 3ab/% 1 Cu@PANI (10) 110 24 29 2 Cu@PANI (15) 110 24 54 3 Cu@PANI (20) 110 24 72 4 Cu@PANI (25) 110 24 71 5 Cu@PANI (20) 25 24 0 6 Cu@PANI (20) 80 24 46 7 Cu@PANI (20) 140 24 69 8 Cu@PANI (20) 110 2 Trace 9 Cu@PANI (20) 110 12 54 10 Cu@PANI (20) 110 48 67 a 1a (1 mmol), 2a (1.5 mmol), t-BuOK (2 mmol) and Cu@PANI were stirred in 2 mL of 1, 4-dioxane under N2 protection. b On the basis of the molar amount of 1a. 在最优的条件下对底物进行了一系列的拓展, 以研究反应的底物适应性.实验结果表明, 当苯环上引入吸电子基团时, 其碳卤键较活泼, 可以很好地发生反应(表 3, Entries 2~4).苯环上连有给电子基团时, 其电子云密度有所提高, 降低了碳卤键的反应活性(表 3, Entries 5~8 vs. 1~4).这种现象在苯环被甲氧基取代时最为明显(表 3, Entry 6).当苯环上引入两个给电子基团时, 其产物产率比仅连有一个给电子基团时有明显的下降(表 3, Entries 7 vs. 5), 而这与前述电子效应对产物产率的影响趋势相吻合.此外, 芳环邻位引入甲氧基, 对反应的产物产率影响不大(表 3, Entry 8).受空间位阻影响, 碘萘的反应产物产率较低(表 3, Entry 9).此外, 该催化剂对硫有一定的容忍性, 在催化碘代噻吩反应时, 可以以中等产率获得产物(表 3, Entry 10).需要注意的是, 该催化剂体系目前只适用于N-甲基嘧啶-2-胺(2a).如使用一级胺2b, 即使与活性较弱的4-甲氧基碘苯反应, 也会生成N-(4-甲氧苯基)嘧啶-2-胺(氮上发生一次偶联)与N, N'-二(4-甲氧苯基)嘧啶-2-胺(氮上发生两次偶联)的混合物, 并且由于两种产物极性相似难以分离, 导致该反应在合成上没有意义(表 3, Entry 11).此外, 由于非均相催化剂载体位阻较大, 若嘧啶-2-胺氮上带有较大位阻基团, 例如N-异丙基基嘧啶-2-胺, 则难以与碘苯发生偶联(表 3, Entry 12).
表 3
Entry Ar R (2) Product Yieldb/% 1 Ph Me (2a) 3a 72 2 4-ClC6H4 Me (2a) 3b 72 3 4-BrC6H4 Me (2a) 3c 68 4 4-FC6H4 Me (2a) 3d 73 5 4-MeC6H4 Me (2a) 3e 71 6 4-MeOC6H4 Me (2a) 3f 63 7 3, 5-(Me)2C6H3 Me (2a) 3g 64 8 2-MeOC6H4 Me (2a) 3h 70 9 Me (2a) 3i 65 10 Me (2a) 3j 54 11 4-MeOC6H4 H (2b) Mixture 12 Ph i-Pr (2c) No reaction a 1 (1 mmol), 2 (1.5 mmol), t-BuOK (2 mmol) and Cu@PANI (20 mg) were stirred in 1, 4-dioxane (2 mL) at 110 ℃ for 24 h under N2 protection. b On the basis of the molar amount of 1a. 作为非均相催化剂, Cu@PANI可通过离心分离的方法从反应体系中分离, 并重复使用.在10倍放大的反应中(1a与2a偶联), 该催化剂表现出色, 在对分离过程中损失的催化剂质量进行补充后, 催化剂可重复使用5次而不失活(图 2).此外, 电感耦合等离子体发射光谱(ICP-MS)分析表明, 该催化剂中含铜量为0.68%, 而据此计算, 催化剂转化数在254(对应54%产率)到366(对应78%产率)之间.
2. 结论
聚苯胺负载铜是一种易制备的廉价金属催化剂.将该催化剂用于催化嘧啶-2-胺的Buchwald-Hartwig偶联反应, 可以以较高催化剂转化数实现嘧啶-2-胺的修饰, 反应效率较高.值得一提的是, 由于聚苯胺载体氮对铜有一定的配位效应, 该催化剂在使用时无需添加配体, 并且, 作为非均相催化剂, 它可以重复使用, 从而大大降低了催化剂成本.该催化剂有望广泛应用于制药工业, 而我们课题组正在对其稳定性、耐久性以及大量合成工艺, 作进一步研究.
图 2
3. 实验部分
3.1 仪器与试剂
熔点由WRS-2A电子熔点仪测定; 红外谱图通过Antaris Ⅱ傅里叶变换红外分析仪获得; 核磁共振测试使用Bruker Avance 400型核磁共振仪(氢核磁共振频率400 MHz, 碳-13核磁共振频率100 MHz, 使用氘代氯仿作溶剂, 四甲基硅作内标物); 质谱用Thermo Trace DSQ Ⅱ质谱仪测定; 元素分析用Elementar Vario EL cube元素分析仪测定.催化剂铜含量由PerkinElmer Optima 7300DV电感耦合等离子体发射光谱仪测定.化学试剂与溶剂直接从药品供应商处购买.其中, 化学试剂纯度不低于98%, 溶剂皆为分析纯, 并且直接使用.
3.2 催化剂Cu@PANI的合成
将4.7 mL苯胺溶解在50 mL 1 mol/L的HCl水溶液中.与此同时, 将22.7 mg一水合醋酸铜溶于另外50 mL HCl水溶液中(1 mol/L).然后, 将上述溶液混合在一起, 加入1 mL质量分数为30%的过氧化氢水溶液.该混合物在室温下放置24 h.用氢氧化钠水溶液(1 mol/L)中和后, 所得沉淀离心分离, 并用去离子水清洗三次, 然后在65 ℃真空烘箱中干燥1 h, 即可制成Cu@PANI催化剂.
3.3 Cu@PANI催化嘧啶-2-胺衍生物的Buchwald- Hartwig偶联反应
将1.5 mmol嘧啶-2-胺衍生物、20 mg Cu@PANI、2 mmol叔丁醇钾以及一个磁力搅拌子放入10 mL反应管中.充氮气保护后, 往反应管中注入含有1 mmol卤代烃的2 mL 1, 4-二氧六环溶液.反应体系在磁力搅拌下110 ℃加热24 h.产物用制备薄层层析色谱分离提纯(展开剂:石油醚/乙酸乙酯, V/V==5/1).
N-甲基-N-苯基嘧啶-2-胺(3a):白色固体, m.p. 51.4~52.8 ℃ (lit.[11a] 49~51 ℃); 1H NMR (400 MHz, CDCl3) δ: 8.34 (d, J=4.7 Hz, 2H), 7.41 (t, J=7.1 Hz, 2H), 7.33 (d, J=7.8 Hz, 2H), 7.23 (t, J=7.3 Hz, 1H), 6.56 (t, J=4.3 Hz, 1H), 3.52 (s, 3H); 13C NMR (100 MHz, CDCl3) δ: 161.8, 157.6, 145.5, 129.2, 126.5, 125.9, 110.7, 38.7; IR (KBr) v: 3023, 2927, 1948, 1577, 1536, 1494, 1398, 1315, 1219, 1178, 1108, 980, 787, 764, 686, 567 cm-1; MS (EI, 70 eV) m/z (%): 185 (15, [M]+), 108 (100).
N-(4-氯苯基)-N-甲基嘧啶-2-胺(3b):白色固体, m.p. 78.3~79.8 ℃; 1H NMR (400 MHz, CDCl3) δ: 8.32 (d, J=4.7 Hz, 2H), 7.33 (d, J=7.3 Hz, 2H), 7.26 (d, J=7.3 Hz, 2H), 6.58 (t, J=4.7 Hz, 1H), 3.49 (s, 3H); 13C NMR (100 MHz, CDCl3) δ: 161.7, 157.7, 143.9, 131.0, 129.2, 127.8, 111.1, 38.6; MS (EI, 70 eV) m/z (%): 219 (15, [M]+), 108 (100); IR (KBr) v: 3027, 2927, 2857, 1903, 1577, 1545, 1490, 1393, 1311, 1214, 1182, 1090, 971, 833, 792, 571, 479 cm-1. Anal. calcd for C11H10ClN3: C 60.14, H 4.59; found C 60.20, H 4.58.
N-(4-溴苯基)-N-甲基嘧啶-2-胺(3c):白色固体, m.p. 93.2~94.1 ℃; 1H NMR (400 MHz, CDCl3): δ 8.32 (d, J=4.7 Hz, 2H), 7.48 (d, J=7.5 Hz, 2H), 7.20 (d, J=7.5 Hz, 2H), 6.58 (t, J=4.7 Hz, 1H), 3.50 (s, 3H); 13C NMR (100 MHz, CDCl3) δ: 161.6, 157.7, 144.5, 132.2, 128.1, 118.9, 111.1, 38.5; IR (KBr) v: 3032, 2927, 2853, 1893, 1586, 1485, 1388, 1306, 1063, 970, 829, 783, 714, 631, 571, 479 cm-1; MS (EI, 70 eV) m/z (%): 263 (15, [M]+), 108 (100). Anal. calcd for C11H10BrN3: C 50.02, H 3.82; found C 50.09, H 3.84.
N-(4-氟苯基)-N-甲基嘧啶-2-胺(3d):白色固体, m.p. 69.5~70.6 ℃; 1H NMR (400 MHz, CDCl3) δ: 8.32 (d, J=4.1 Hz, 2H), 7.28~7.25 (m, 2H), 7.08 (t, J=8.0 Hz, 2H), 6.57 (t, J=4.3 Hz, 1H), 3.50 (s, 3H); 13C NMR (100 MHz, CDCl3) δ: 161.8, 157.7, 128.4, 128.3, 116.2, 116.0, 110.8, 38.8; 19F NMR (242 MHz, CDCl3) δ: -116.1; MS (EI, 70 eV) m/z (%): 203 (15, [M]+), 108 (100); IR (KBr) v: 3027, 2927, 1948, 1586, 1549, 1508, 1393, 1315, 1209, 1154, 1090, 980, 838, 792, 553 cm-1. Anal. calcd for C11H10FN3: C 65.01, H 4.96; found C 65.10, H 4.99.
N-甲基-N-对甲苯基嘧啶-2-胺(3e):白色固体, m.p. 81.5~82.6 ℃; 1H NMR (400 MHz, CDCl3) δ: 8.33 (d, J=4.7 Hz, 2H), 7.22 (s, 4H), 6.54 (t, J=4.7 Hz, 1H), 3.51 (s, 3H), 2.34 (s, 3H); 13C NMR (100 MHz, CDCl3) δ: 161.1, 157.7, 143.5, 135.7, 130.0, 126.5, 111.3, 38.8, 21.9; MS (EI, 70 eV) m/z (%): 199 (26, [M]+), 108 (100); IR (KBr) v: 2927, 2849, 1586, 1503, 1458, 1393, 1282, 1228, 1095, 1027, 787, 746, 526 cm-1. Anal. calcd for C12H13N3: C 72.33, H 6.58; found C 72.25, H 6.61.
N-(4-甲氧苯基)-N-甲基嘧啶-2-胺(3f):[11b]白色固体, m.p. 133.1~134.2 ℃; 1H NMR (400 MHz, CDCl3) δ: 8.31 (d, J=2.8 Hz, 2H), 7.25~7.20 (m, 2H), 6.93 (d, J=6.8 Hz, 2H), 6.53~6.51 (m, 1H), 3.81 (s, 3H), 3.48 (s, 3H); 13C NMR (100 MHz, CDCl3) δ: 162.2, 157.6, 157.5, 138.5, 127.9, 114.6, 110.3, 55.4, 38.9; IR (KBr) v: 2927, 1885, 1581, 1490, 1380, 1223, 1008, 801, 558 cm-1; MS (EI, 70 eV) m/z (%): 215 (22, [M]+), 106 (100).
N-(3, 4-二甲苯基)-N-甲基嘧啶-2-胺(3g):淡黄色油状物; 1H NMR (400 MHz, CDCl3) δ: 8.31 (d, J=4.8 Hz, 2H), 7.16 (d, J=7.8 Hz, 1H), 7.07~7.01 (m, 2H), 6.52 (t, J=4.8 Hz, 1H), 3.48 (s, 3H), 2.26 (s, 6H); 13C NMR (100 MHz, CDCl3) δ: 162.1, 157.7, 143.2, 137.6, 134.5, 130.5, 127.8, 124.0, 110.4, 38.9, 20.0, 19.4; IR (film) v: 2927, 1728, 1591, 1485, 1393, 1136, 984, 798, 622 cm-1; MS (EI, 70 eV) m/z (%): 213 (20, [M]+), 106 (100). Anal. calcd for C13H15N3: C 73.21, H 7.09; found C 73.28, H 7.06.
N-(2-甲氧苯基)-N-甲基嘧啶-2-胺(3h):[11c]淡黄色油状物; 1H NMR (400 MHz, CDCl3) δ: 8.31 (d, J=2 Hz, 2H), 7.20 (s, 4H), 6.53 (s, 1H), 3.50 (s, 3H), 2.35 (s, 3H); 13C NMR (100 MHz, CDCl3) δ: 162.0, 157.7, 142.9, 135.7, 129.9, 129.8, 126.5, 115.2, 110.5, 38.8, 21.1; IR (film) v: 3450, 3027, 2927, 2293, 1898, 1581, 1485, 1393, 1113, 984, 793, 553 cm-1; MS (EI, 70 eV) m/z (%): 215 (20, [M]+), 106 (100).
N-甲基-N-(2-萘基)嘧啶-2-胺(3i):白色固体, m.p. 81.2~82.1 ℃; 1H NMR (400 MHz, CDCl3) δ: 8.31 (s, 2H), 7.92 (d, J=10 Hz, 1H), 7.85 (d, J=8 Hz, 1H), 7.72 (d, J=8.4 Hz, 1H), 7.57~7.53 (m, 1H), 7.50~7.47 (m, 1H), 7.45~7.44 (m, 1H), 7.42 (d, J=1.2 Hz, 1H), 6.55 (t, J=4.8 Hz, 1H), 3.60 (s, 3H); 13C NMR (100 MHz, CDCl3) δ: 162.0, 157.7, 143.1, 134.1, 131.7, 128.7, 127.7, 127.7, 126.2, 126.0, 125.7, 123.6, 111.0, 38.9; IR (KBr) v: 3042, 2940, 1577, 1485, 1398, 961, 801, 751, 764, 479 cm-1; MS (EI, 70 eV) m/z (%): 235 (17, [M]+), 106 (100). Anal. calcd for C15H13N3: C 76.57, H 5.57; found C 76.60, H 5.55.
N-甲基-N-(3-噻吩基)嘧啶-2-胺(3j):淡黄色固体, m.p. 73.5~74.4 ℃; 1H NMR (400 MHz, CDCl3) δ: 8.37 (d, J=5.2 Hz, 2H), 7.26 (s, 2H), 7.12 (s, 1H), 6.59 (s, 1H), 3.55 (s, 3H); 13C NMR (100 MHz, CDCl3) δ: 161.3, 157.7, 143.6, 125.4, 124.0, 114.5, 111.2, 38.4; MS (EI, 70 eV) m/z (%): 191 (13, [M]+), 106 (100); IR (KBr) v: 3082, 2945, 1554, 1471, 1398, 1205, 1067, 948, 783, 640, 539 cm-1. Anal. calcd for C9H9N3S: C 56.52, H 4.74; found C 56.61, H 4.77.
辅助材料(Supporting Information) 化合物3a~3j的1H NMR和13C NMR谱图.这些材料可以免费从本刊网站(http://sioc-journal.cn/)上下载.
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表 1 碱与溶剂的筛选a
Table 1. Alkali and solvent screening
Entry Base(equiv.)b Solvent 3ac/% 1 KOH (2) 1, 4-Dioxane Trace 2 Na2CO3 (2) 1, 4-Dioxane Trace 3 NaOH (2) 1, 4-Dioxane 48 4 t-BuOK (2) 1, 4-Dioxane 72 5 t-BuOK (1) 1, 4-Dioxane 43 6 t-BuOK (3) 1, 4-Dioxane 61 7 t-BuOK (2) DMF Trace 8 t-BuOK (2) DMSO 0 9 t-BuOK (2) Toluene Trace a A mixture of 1a (1 mmol), 2a (1.5 mmol), Cu@PANI (20 mg) and base in 2 mL of solvent was stirred at 110 ℃ for 24 h under N2 protection. b On the basis of the molar amount of 1a. 表 2 反应条件的优化a
Table 2. Optimization of the reaction conditions
Entry Catalyst (mg) Temp./℃ Time/h 3ab/% 1 Cu@PANI (10) 110 24 29 2 Cu@PANI (15) 110 24 54 3 Cu@PANI (20) 110 24 72 4 Cu@PANI (25) 110 24 71 5 Cu@PANI (20) 25 24 0 6 Cu@PANI (20) 80 24 46 7 Cu@PANI (20) 140 24 69 8 Cu@PANI (20) 110 2 Trace 9 Cu@PANI (20) 110 12 54 10 Cu@PANI (20) 110 48 67 a 1a (1 mmol), 2a (1.5 mmol), t-BuOK (2 mmol) and Cu@PANI were stirred in 2 mL of 1, 4-dioxane under N2 protection. b On the basis of the molar amount of 1a. 表 3 底物扩展a
Table 3. Substrate extension
Entry Ar R (2) Product Yieldb/% 1 Ph Me (2a) 3a 72 2 4-ClC6H4 Me (2a) 3b 72 3 4-BrC6H4 Me (2a) 3c 68 4 4-FC6H4 Me (2a) 3d 73 5 4-MeC6H4 Me (2a) 3e 71 6 4-MeOC6H4 Me (2a) 3f 63 7 3, 5-(Me)2C6H3 Me (2a) 3g 64 8 2-MeOC6H4 Me (2a) 3h 70 9 Me (2a) 3i 65 10 Me (2a) 3j 54 11 4-MeOC6H4 H (2b) Mixture 12 Ph i-Pr (2c) No reaction a 1 (1 mmol), 2 (1.5 mmol), t-BuOK (2 mmol) and Cu@PANI (20 mg) were stirred in 1, 4-dioxane (2 mL) at 110 ℃ for 24 h under N2 protection. b On the basis of the molar amount of 1a. -

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