以醋酸钯为原料制备两种钯催化剂前体

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流程

1. [Pd(DQ)(COD)]的制备

反应机理

在甲醇中，醋酸钯通过与COD发生插入反应，并还原消除为Pd(0)（实质上作为氧化剂氧化COD），并与过量的环辛二烯（COD）和四甲基苯醌（DQ）作用，得到产物。

在100mL的单口烧瓶中，加入四甲基苯醌（杜醌）1.059 g (6.45mmol, 1.28eq) [1] [2]，醋酸钯1.130g (5.03mmol, 1eq) [1]，无水醋酸钠1.25g (15.2mmol, 3.02eq) [1] [2]。加入搅拌子后，在空气中加入25ml甲醇[1]搅拌溶解[3]。反应体系为棕红色悬浊液[4]。用注射器取3ml环辛二烯COD (2.43g, 22.5mmol, 4.47eq) [1]，直接加入反应体系。此时可观察到反应液颜色进一步的变深，悬浮的固体逐渐减少。用橡皮塞简单的塞住瓶口，搅拌过夜[3]。

从左至右，从上至下依次为：

a) b) c)称取三种固体反应物，d)三种固体反应物的样子，

e)加入甲醇溶解的样子，有部分固体溶解不完，f)量取COD，g)加入COD后的样子

反应结束后，旋干甲醇，残余物用二氯甲烷[1]溶解，过短硅胶柱[5] [6]，用二氯甲烷洗脱棕红色色带并收集。合并收集的洗脱液在旋蒸上旋干，得到粗产物固体并混有过量的COD，呈现油状。向烧瓶中投入搅拌子，在搅拌下向粗产物中加入大量乙醚[1]沉淀产物。沉淀后的烧瓶用超声将瓶壁上附着的产物充分粉碎打散并集中。抽滤悬浊液，产物用大量乙醚洗涤至没有COD的特殊味道，真空干燥，得到纯净的产物[Pd(DQ)(COD)]，为棕色微细晶体。计1.0g (2.36mmol, 收率46.9%)。核磁表征[7][8]。

从左至右，从上至下依次为：

a)反应过夜后的样子，b)旋蒸甲醇的样子，c)粗产物重新溶解于二氯甲烷的样子，有部分固体溶解不完

d)开始过硅胶短柱，e)产物开始洗脱，前面的淡黄色溶液为过量的COD,可以弃去[5]，f)收集的产物溶液

从左至右，从上至下依次为：

a)洗脱快结束的样子[5]，b)旋蒸二氯甲烷的样子，c)得到的粗产物，因为混有过量COD而无法结晶

d)加入大量乙醚打浆并沉淀产物，e)抽滤后充分干燥的产物，f)收集的产物固体

注释

[1] 四甲基苯醌来自和光WAKO化学公司，未经提纯即可使用；醋酸钯来自和光WAKO化学公司，未经提纯即可使用；醋酸钠来自和光WAKO化学公司，未经提纯即可使用；1,5环辛二烯(COD)来自TCI化学公司，未经提纯即可使用；甲醇，二氯甲烷，乙醚等溶剂均来自和光WAKO化学公司，未经提纯即可使用。

[2]四甲基苯醌应当为金黄色晶体，若不是，则应当重结晶，重结晶采用95%乙醇；反应使用的无水醋酸钠除非吸水特别严重，否则并不需要特别的干燥。吸水过于严重时，可以在持续抽真空下用热风枪加热至熔融，并冷却得到无水醋酸钠，捣碎使用。不能使用三水醋酸钠代替。

[3]整个反应不需要惰性气体保护，但是为了防止COD挥发，在加入COD后建议简单塞个塞子。

[4]反应液中有不溶于甲醇的物质，这主要是醋酸钠，随着反应的进行，其量会逐渐减少，反应液会逐渐澄清，但是后续重新溶解时仍然会出现。

[5]短硅胶柱用纯DCM装柱，产物的DCM溶液直接上柱并洗脱，在产物的色带（棕红色）洗脱出来之前会有黄色的色带，这是过量的COD，可以弃去；产物的色带洗脱的几乎完全后会残余有少许黄色，此时可以停止洗脱。不需要洗脱至完全无色。

[6]在硅胶柱的顶端会残余有少许固体，这些主要是过量的醋酸钠（白色晶体）以及产生的钯黑（黑色，吸附于硅胶柱顶端）。

[7]产物是棕色微细晶体，在常温空气中稳定，常温保存于密闭容器中约3个月后，可以闻到释放出少量COD的味道，但是溶解性和核磁检测显示纯度没有下降。产物易溶于醇类溶剂，丙酮，THF，卤代烃；不溶于乙醚，己烷。产物的氯仿溶液在48h内稳定，但是长时间放置缓慢分解，约1个月后完全分解，并在容器上镀上“钯镜”。

[8]产物的核磁共振谱图为：

1HNMR(400MHz,CDCl3):

δ=4.53(s,4H,COD-CH) ,2.42-2.20(m,8H,COD-CH2) ,2.11(s,12H,DQ-CH3).

13CNMR(100MHz, CDCl3):

δ=160.60 ,118.64 ,103.48 ,30.26 ,12.70.

[Pd(DQ)(COD)]的核磁共振氢谱

[Pd(DQ)(COD)]的核磁共振碳谱

2.Pd-G3-Precat

反应机理

邻氨基联苯的甲磺酸盐与醋酸钯发生配体交换后，NH2配位的Pd原子活化苯环的碳氢键形成碳-钯杂环化合物。产物是由甲磺酸根的氧原子交联成的二聚物。

2-1邻氨基联苯甲磺酸盐的制备。

在500ml烧瓶中加入13.57g (80.2mmol, 1eq)邻氨基联苯[1] [2]，加入250ml乙醚[1]，搅拌溶解。取8.41g甲磺酸(87.5mmol, 1.1eq) [1] [3]，缓慢的滴加入前述乙醚溶液中，立刻产生白色沉淀[4]。加完后继续搅拌30min，抽滤，依次用乙醚50mlx3，己烷[1]50ml洗涤，真空干燥过夜。得到邻氨基联苯甲磺酸盐白色至微淡紫色固体20.83g (78.5mmol, 产率97.9%)。核磁表征[5]。

从左至右，从上至下依次为：

a)称取原料，b)组装反应装置，c)邻氨基联苯用乙醚溶解的样子，d)称取甲磺酸

e)加入甲磺酸，产物沉淀，f)抽滤产物，g)真空干燥后收集的产物固体，h)称量产物

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2-2 Pd-G3-Precat的制备

本流程的产率和可重复度高度取决于醋酸钯的品质，请见注释6

取醋酸钯[1] [6]3.36g (14.96mmol, 1eq)，邻氨基联苯甲磺酸盐3.99g (15.03mmol, 1.005eq)，于100ml烧瓶中，加入足够大的磁子[7]，置换反应体系为氮气氛围后，加入干燥甲苯[1]60ml。充分搅拌后超声[7]，得到红棕色悬浊液。将悬浊液加热至50℃，保温1h并保持激烈搅拌[7]。1h后得到咖啡色的悬浊液，冷却后上清液为棕色，沉淀为灰棕色微细结晶。

从左至右，从上至下依次为：

a)称取醋酸钯，b)称取前一步的甲磺酸盐，c)反应物投入反应瓶的样子，d)加入甲苯

e)超声之后的悬浊液，大部分醋酸钯已经溶于甲苯，f)开始加热时的反应液，g)反应结束时的反应液，h)冷却后的产物结晶

通过超声充分的将附着在瓶壁上的产物震下[7]，抽滤，依次用甲苯[1]50mlx2，乙醚50mlx3洗涤[8]，真空干燥[9]。得到产物 [10]5.42g (7.33mmol, 产率98.0%)。

从左至右依次为：

a)滤出的产物，b)充分洗涤后的产物，c)真空干燥后的产物，d)称量产物

注释

[1] 邻氨基联苯来自和光WAKO化学公司，未经提纯即可使用；醋酸钯来自和光WAKO化学公司，未经提纯即可使用；甲磺酸来自TCI化学公司，未经提纯即可使用；甲苯（超脱水）来自和光WAKO化学公司，未经提纯即可使用；乙醚，甲苯，己烷等溶剂均来自和光WAKO化学公司，未经提纯即可使用。

[2]市售的邻氨基联苯因为氧化可能带有紫色，这不影响反应。这个紫色可能会带入产物盐中，这也不影响下一步的产物。

[3]甲磺酸具有强腐蚀性，取用时最好采用玻璃容器称量和玻璃滴管滴加。使用塑料注射器也是可以的，但是长久地接触塑料会使甲磺酸变色并腐蚀相应的塑料器具，应当避免。另外，加完甲磺酸后应当用少量乙醚润洗称量瓶等。

[4]加入甲磺酸的过程是微微放热的，由于乙醚沸点较低，可能会导致乙醚的挥发和沸腾。这没有关系，只要反应在可控范围内即不会影响生成物纯度。加完甲磺酸后应当继续搅拌并冷却至室温。

[5]产物的核磁共振数据为：

1HNMR(600MHz,CD3OD):

δ=7.56~7.40 (m, 9H, ArH), 4.88 (brs, 3H, NH3), 2.66 (s, 3H, Ms:CH3).

13CNMR(150MHz, CD3OD):

δ= 137.24, 136.32, 131.67, 129.36, 129.03, 129.00, 128.87, 128.57, 127.68, 123.76, 38.19.

邻氨基联苯甲磺酸盐的核磁共振氢谱

邻氨基联苯甲磺酸盐的核磁共振碳谱

[6] Colacot^[1][2]等人详细的讨论了市面上多种醋酸钯的形貌以及其具体组成，发现其具有三种组成：①纯净的醋酸钯，为三聚体，Pd3(OAc)6，外观为红棕色晶体；②Pd3(OAc)5(NO2)，外观为橙色晶体，其NO2-来源于制备时硝酸的添加；③多聚体[Pd (OAc)2]n，外观为灰棕色粉末。另外，①和②混杂有水解产物Pd3(OAc)6-n(OH)n

在大部分均相钯催化偶联反应（尤其是有配体介导的反应中），三种醋酸钯的反应活性相差无几。但是在异相反应中，例如本例Pd-G3-Precat的制备，三者的产率有着显著的区别，①能以近乎定量得到产物，②的产率略低，③则得不到产物。

由于不同厂家的醋酸钯生产工艺不尽相同，就算是同一厂家，不同批次的醋酸钯的组成也可能有细微区别。而光凭借外观难以鉴别醋酸钯的品质以及判断其组成。因此笔者建议在进行本催化剂制备时，无论采用什么厂家的醋酸钯，首先应当小量的进行实验，确保催化剂制备能得到可接受的收率后再放大。

[7]本反应为异相反应，在反应过程中一定要保证搅拌的充分，因此磁子不宜过小。加入溶剂后的超声也是为了这一点。在反应的过程中，要时刻注意不要使反应物“糊底”，尤其是磁子压住的地方，必要时应当时时移动磁子刮擦瓶壁。但是无论如何，反应结束后瓶壁上总会有少量“结块”的物质，就算是超声也无法将其震下，这些残渣这可以不管他。

[8]在洗涤过程中，产物会由棕黑色逐渐变淡变为棕灰色。在使用甲苯和乙醚洗涤时，每一次洗涤都要充分翻动产物，并用刮勺等碾碎产物的大块，以去除包覆的溶剂和反应生成的醋酸。这个过程非常重要，洗涤的越充分，后续干燥则越顺利。

[9]产物的真空干燥需要干燥至恒重，大概需要过夜。

[10]产物为灰棕色松散粉末，在空气中稳定。在潮湿空气中表面微微吸湿而变暗，但是真空干燥1h后恢复。产物易溶于卤代烃系溶剂（DCM,氯仿等），偶极溶剂（丙酮,乙腈,DMF,DMSO等），THF，二氧六环，各类醇类溶剂（甲醇，乙醇等）；微溶于甲苯等芳香性溶剂，但是易溶于吡啶；不溶于乙酸乙酯，乙醚，己烷等。

产物的溶液稳定性随溶剂有较大变化：在卤代烃溶剂和乙腈中较为稳定；在醇类溶剂(MeOH)中，浓溶液放置一天后，笔者观察到开始析出钯黑；在吡啶中因为配位而解聚产生新化合物而稳定（Pd-G3-py）；在碱性溶液中迅速分解产生钯黑。

讨论

钯催化相关的反应作为现代有机化学研究和精细化学品生产中应用十分广泛的反应，其钯源的挑选至关重要。钯作为贵金属，价格高昂，选择合适的钯源不仅能够节约成本，也能达到提高反应活性，获得高的转化率亦或者获得高的选择性的作用。

长久以来，钯催化的相关反应中，钯源常常以二价钯或者零价钯的形态添加到反应体系中。由于大部分钯催化的相关反应，尤其是钯催化偶联反应，其钯都以零价Pd0参与催化循环，因此，添加二价钯作为钯源的场合，首先需要有一个还原为零价钯的过程。

常见的PdII和Pd0配合物钯源

一般而言，加入二价钯源的钯催化反应有两种加料方法：

①:加入无机钯盐（醋酸钯等）以及相应的配体

②:直接加入制备好的二价钯配合物

但这两种方法都存在缺点：方法①需要仔细考量钯盐和配体的比例，配体过少，就没有足够的配体稳定Pd0，其容易变为没有活性的钯黑；配体过多，可能造成Pd0物种过于稳定，反应活性降低。尤其是在小量反应时分别称量尤其困难。方法②虽然能够精准控制配体与钯的比例，但是这种方法加入的钯源也需要外加还原剂还原为零价钯，如果没有外部还原剂，其往往选择氧化部分反应底物（这会造成底物的损失），使其自身还原为零价钯，亦或氧化自身的膦配体等使自身还原为零价钯（同上，这会造成没有足够的配体稳定Pd0）。总而言之存在缺点。

直接加入零价钯源的方法也有，但是大部分零价钯源对空气都不稳定，在空气中会很快变质，因此在保存方面存在问题。

为了解决上述问题，人们开发出了许多“裸Pd0”，也即由弱配体稳定的零价钯化合物，这类化合物通过外加配体，即可发生配体交换，产生活性的，被配体稳定的Pd0物种。大名鼎鼎的dba钯：Pd2dba3即是这样的化合物。这个化合物是通过醋酸钯和二亚苄基丙酮dba和醋酸钠在甲醇中反应过夜生成的。他易溶于各种溶剂形成不稳定的紫黑色溶液，如果有强配体存在，其即刻发生配体交换，产生活性的被配体稳定的Pd0物种。Pd2dba3固体本身具有中度稳定性，市售的Pd2dba3有两种形式：Pd2dba3.CHCl3和Pd2dba3.dba（即Pddba2）。按照实验数据^[3]，Pd2dba3.CHCl3的固体在空气中存放一个月，分解10%，存放半年，分解1/3。其溶液的稳定性大大降低，在空气中其溶液存放一天即分解1/3，存放一周分解90%。

本文的第一部分，制备了一种另类的裸Pd0配合物： [Pd(DQ)(COD)]，其固体和溶液对空气的稳定性均比Pd2dba3优秀，且制备简单，有望作为新的“裸Pd0”源使用。

另外，如何从二价钯钯源，在不外加还原剂或者消耗反应体系中物质的情况下，方便的产生零价钯也是研究的重点。第一个发现这种现象的是钯配合物环戊二烯烯丙基钯[PdCpAll]，人们发现其在加热时生成富烯结构的化合物和Pd0。但这个成果在当时没有被重视。

首先注意到这一点的是德国化学家Herrmann，他注意到，使用三邻甲苯基膦与醋酸钯组合，在Heck反应中的表现远远高于三苯基膦与醋酸钯的组合。更进一步的，他发现将醋酸钯Pd(OAc)2和三邻甲苯基膦P(o-Tol)3按照1/1混合能够得到一种黄色，对空气稳定的结晶，即后世所称的Herrmann催化剂^[4][5]。根据单晶XRD显示，其分子中存在C-Pd键，形成了钯杂环。其产生的原因是三邻甲苯基膦P(o-Tol)3是一个配位锥角极大的配体（＞180°，为194°），这意味着当其与Pd中心配位时，其部分电子云（主要是甲基上的）会极端拥挤，甚至绕在钯后面。这使得钯原子很容易通过碳氢活化产生稳定的碳钯杂环。

这之后，在加热下，Herrmann催化剂迅速发生还原消除，产生活性极高的Pd0-P单配位体，这种结构是其高反应活性的关键。

在这种思路的启发下，Buchwald等人开发了一系列碳钯杂环配合物G1~G4如图^[6][7]：

G1催化剂的制备需要有机金属无水无氧条件，G2催化剂虽然不需要复杂的无水无氧，但是其在有机溶剂中较弱的溶解度制约了其使用，G3催化剂通过将Cl替换为MsO甲磺酸根，使得Pd中心更加缺电子，制备更加容易，与此同时反应活性也更高，进一步改进的G4催化剂将氨基上一个H替换为甲基，这是专为全合成而设计：G3催化剂会产生与催化剂等量的咔唑，在有机全合成研究中，尤其是在后期，其底物只有几mg，这个时候根本无法准确称量钯催化剂，在实际中常常加入50%甚至超过100%的钯催化剂。在这种情况下，G3催化剂产生的咔唑可能会干扰反应（发生C-N偶联反应），而G4催化剂产生的N-甲基咔唑则不会。

本文制备了G3催化剂的前体Pd-G3-Precat。将这个前体与相应的膦配体在DCM中搅拌1h后，用乙醚沉淀即可得到相应的G3催化剂。G3催化剂与其前体一样，对空气，水等稳定，在溶剂中有高的稳定性，在弱碱的作用下常温或者稍微加热即可还原消除放出高活性的Pd0-P单配位体。