钯 | 再认识“醋酸钯”

简介

钯(Pd)在过渡金属催化中处于非常重要的地位,甚至有“催化之王“的美称,这是因为钯在催化C-H键活化(大家可以通过C-H键活化领域大神余金权了解更多)、催化交叉偶联、前催化剂等方面有着重要作用。
钯催化剂最常用的前体是醋酸钯,但是,市售的醋酸钯通常含有一些结构类似的杂质,下面,让我们一起进行了解。
Colacot和同事们在研究时,发现市售醋酸钯通常含有少量杂质。市售的醋酸钯实际应为三聚体Pd3(OAc)6而不是我们通常认为的单体Pd­(OAc)2,主要含有的杂质为Pd3(OAc)5(NO2)和多聚体[Pd(OAc)2]n。这三种醋酸钯配合物具有不同的颜色、性状,通过这些理化性质的差别,可以很容易地分辨这三个化合物:

醋酸钯杂质分析

醋酸钯中除了两个常见的杂质外,还会生成两个杂质:通常认为醋酸钯1是对空气与水不敏感,但是其与痕量水反应会生成羟基化合物4,如果与醇反应则会生成烷氧化合物5。Bedford等人研究表明:醋酸钯1与暴露在空气中八天,将会缓慢转化为4(34%)。

醋酸钯杂质来源分析

Wilkinson等人最早报道了醋酸钯合成方法(如上方程式1),钯粉在存在少量硝酸的冰乙酸内加热回流。如今,该方法仍然大量用于醋酸钯1的制备。因此,也就不难理解为何醋酸钯中会存在上述杂质了
后人对该方法进行了很多改进,例如:Hausman等人为了避免生成23,使用氢氧化钯代替钯粉,或者在反应过程中使用氧气保持正压;Cotton等人则是在Wilkinson方法中通入氮气,以除去生成等氮氧化物;Wilkinson团队在近期报道了硝酸钯与乙酸钠或乙酸钾在乙酸中室温反应24小时制备醋酸钯,但是使用水处理后,收率很低(32%)。

醋酸钯以及杂质纯品的制备

Colacot等人开发了高纯度的醋酸钯1及杂质23的制备方法:
从核磁可以很明显地看出三个化合物的差别,并且单晶也确证了醋酸钯为三聚体形式:

醋酸钯化合物活性测试

三种醋酸钯化合123,先用于Buchwald−Hartwig胺化反应,结果无论是与芳基溴化物还是芳基(杂芳基)氯化物反应,三种醋酸钯化合物均表现出优秀的反应活性。

随后,尝试Suzuki-Miyaura偶联反应,反应效果更是令人满意:

接着,尝试无配体羰基α-位芳基化偶联反应,醋酸钯12核磁产率定量,醋酸钯多聚物3在加入配体JohnPhos后,产率从39%提升至93%,这表现出3性质的差异,但是也表明通过配体作用,可以增强催化剂活性        :

Mizoroki−Heck反应,使用2-溴噻吩时,2给出较低的收率;而使用底物3-溴吡啶时,三种催化剂均可以获得接近定量的收率。

使用这三种醋酸钯化合物制备第三代BrettPhos环钯催化剂时,只有三聚体形式的12可以制备得到相应的催化剂。可能原因在于多聚物3不能生成二聚体中间体。

醋酸钯三聚体与单体

醋酸钯1固体主要以三聚体形式存在,在非极性有机溶剂中也倾向于保持三聚体型态,如果在溶剂中加入乙酸也有助于维持醋酸钯的三聚体。随着溶剂极性增大,醋酸钯也越多地解离为单体形式。如果是在水或者醇中,则有可能发生交换反应生成45

评述

由上述可知,市售醋酸钯通常为三聚体形式,而且主要含有硝基醋酸钯和醋酸钯多聚物。这三种物质,在大部分催化反应中,效应差别不大,有些情况下通过加入合适配体、或者调控底物,也可以获得很好的结果。
但是,在用于制备某些类型催化剂时,三种醋酸钯化合物则有较大差别。这时候就需要注意。当然,如果需要高纯度的醋酸钯,也可以参考上述方法进行制备。

参考

1)Chem. Eur. J. 2016, 22, 7686 – 7695

2)Org. Lett. 2015, 17, 21, 5472–5475

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