金屬pd催化suuleki偶聯(lián)反應(yīng)

金屬pd催化suuleki偶聯(lián)反應(yīng)

金屬基合成反應(yīng)有機(jī)硼與氯仿的偶聯(lián)反應(yīng)，也稱為suki反應(yīng)，是形成碳約束的最成功反應(yīng)之一。這也是合成聯(lián)合物有效反應(yīng)的方法之一。該反應(yīng)具有反應(yīng)條件溫和、官能團(tuán)容忍性好、底物適應(yīng)性強(qiáng)、受空間位阻影響小、對水不敏感、毒性小、收率高、原料來源豐富且產(chǎn)物易處理等優(yōu)點(diǎn),廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥中間體、有機(jī)功能材料、天然與合成產(chǎn)物、工程材料等領(lǐng)域。由于金屬Pd具有未充滿的4d軌道,可與多種組分生成配合物,通過改變反應(yīng)物和配體的組成,可使許多不易發(fā)生的反應(yīng)順利進(jìn)行,且具有較高的反應(yīng)活性和選擇性。自從1981年Suzuki等發(fā)現(xiàn)這類反應(yīng)以來,Pd日益受到人們的關(guān)注,已成為Suzuki反應(yīng)最常用的催化劑[2~5]。本文將按照是否有配體,配體和載體種類進(jìn)行分類,介紹幾種鈀催化的Suzuki反應(yīng)的研究進(jìn)展。1芳基化硼催化合成ar-ar’和催化劑首先,鹵代芳烴Ar-X與Pd(0)進(jìn)行氧化加成反應(yīng),生成鹵代中間體Ar-Pd-X,再與堿反應(yīng)生成有機(jī)鈀氫氧化物中間體Ar-Pd-OH,含強(qiáng)極性鍵Pd-O具有較強(qiáng)的親電性。同時,芳基硼酸與堿作用生成中間體Ar’-B(OH)3,具有較強(qiáng)的富電性,有利于陰離子向Ar-Pd-OH中心轉(zhuǎn)移,它與Ar-Pd-OH作用生成B(OH)4。最后,B(OH)4經(jīng)還原消除,得到目標(biāo)產(chǎn)物Ar-Ar’和催化劑Pd(0)。其中氧化加成反應(yīng)是速控步驟,鹵代芳烴的反應(yīng)速度以碘代芳烴、溴代芳烴、氯代芳烴、氟代芳烴的順序遞減。芳環(huán)取代基對鹵代烴的反應(yīng)活性的影響也很大,吸電子基團(tuán)對氧化加成反應(yīng)有促進(jìn)作用。一般情況下,結(jié)構(gòu)相同的鹵代烴,芳環(huán)上的負(fù)電性越強(qiáng),空間位阻越大,反應(yīng)速度就越慢。2反應(yīng)與制備催化劑的反應(yīng)2.1單因素作助催化劑在Suzuki偶聯(lián)反應(yīng)中,如果用零價的Pd作催化劑,在反應(yīng)中容易發(fā)生團(tuán)聚而生成鈀黑,從而失去反應(yīng)活性。因此,一般都需要加入配體來穩(wěn)定和活化催化劑。P(t-Bu)3,PPh3,PCy3等對催化鹵代芳烴與芳基硼酸的Suzuki反應(yīng)非常有效,是最常用的膦配體。Korenaga等用(PPh3)3作配體,用Ag2O和氟鹽作助催化劑,對于鈀催化五氟苯基溴的Suzuki反應(yīng)效果很好,收率可達(dá)99%。于宏偉等以二茂鐵為原料,先制得乙酸[2-(二苯膦基)二茂鐵基]乙酯,然后與雙(2-羥乙基)醚反應(yīng),合成了2-(二苯膦基二茂鐵基)乙基-5-羥基-3-氧雜戊醚(醚基化膦)。將其用于Suzuki反應(yīng)中,發(fā)現(xiàn)該體系對帶酮官能團(tuán)的底物有較好的容忍度。在以溴為底物的反應(yīng)中,4-甲基溴苯與苯硼酸的反應(yīng)收率可達(dá)93%,如下所示。2.2催化劑及其催化合成碘代苯反應(yīng)由于膦配體對水和空氣敏感,且毒性較大,需要在惰性氣體中才能有效反應(yīng),還需不斷補(bǔ)充膦配體或金屬絡(luò)合物以保持催化劑穩(wěn)定。含氮配體是近年來探索出來的最為成功的一類仿膦新配體。崔元臣等用二乙烯三胺與聚氯乙烯反應(yīng),然后再與PdCl2反應(yīng)生成PVC-DETA-Pd配合物。該配合物在沒有惰性氣體保護(hù)的環(huán)境中,以DMF水溶液為溶劑,以NaHCO3作堿,在90℃時,不僅能定量催化活性較高的碘代苯,而且對未活化的溴代苯也能定量催化。催化劑回收利用8次后,收率仍可達(dá)94%。1991年Arduengo小組發(fā)現(xiàn)了N-雜環(huán)卡賓(NHC)類配體,它與叔膦配體有許多相似之處,如富含電子、給電子能力強(qiáng)、對金屬配位能力強(qiáng),人們嘗試用它來代替叔膦配體。Mino等制備了可在空氣中穩(wěn)定存在的氮配體L1和L2,能夠有效催化Suzuki偶聯(lián)反應(yīng),且底物范圍較寬。如下所示。Lee等制備了一系列新的雙咪唑鹽,再與Pd(OAC)2反應(yīng),生成七元環(huán)雙齒N-雜環(huán)卡賓配合物,并用這些配合物催化了溴代苯與苯硼酸的反應(yīng),如下所示。Arentsen等發(fā)現(xiàn)配體如具有較大空間位阻,就能與鈀反應(yīng)生成絡(luò)合物。用四丁基溴化銨作為助催化劑,可以催化Suzuki反應(yīng),如芳基氯的對位連有吸電子基時,收率可以達(dá)到95%;如鄰位連有吸電子基時,收率只有70%;如沒有添加四丁基溴化銨,則得不到目標(biāo)產(chǎn)物。2.3環(huán)硅及環(huán)鎳系絡(luò)合物催化劑含膦配體和N-雜環(huán)卡賓配體催化Suzuki反應(yīng)效率較高,近幾年,各種各樣的同時含氮、磷的Pd催化劑不斷被合成出來,廣泛地應(yīng)用于Suzuki偶聯(lián)反應(yīng)中。龔軍芳等將三苯基膦與環(huán)鈀化二茂鐵亞胺反應(yīng),合成了三種新的環(huán)鈀化二茂鐵亞胺-三苯基膦絡(luò)合物,能有效催化芳基溴與苯基硼酸的Suzuki反應(yīng),如下所示。彭宗海等以3-溴苯甲醚為原料,合成了雙膦配體6,6’-二甲氧基-2,2’-二(二-N-咔唑基膦)-1,1’聯(lián)苯,并將其與鈀組成的配合物用于催化在1,4-二氧六環(huán)中的對溴苯和苯硼酸的Suzuki反應(yīng),得到99%的分離收率。該催化體系用于其它芳基溴和苯硼酸的Suzuki反應(yīng)也表現(xiàn)出良好的催化性能。3回收工藝和成本傳統(tǒng)的均相催化劑有很多優(yōu)點(diǎn),如選擇性好、催化劑活性高、分散性好等,但也存在許多缺點(diǎn),如制備過程比較復(fù)雜、成本比較高、分離和回收比較難等。而非均相有配體催化劑容易與產(chǎn)品分離,解決了催化劑循環(huán)使用的問題,但是卻存在配體不易制備、負(fù)載難等缺點(diǎn)。非均相無配體催化劑具有制備方法簡單、穩(wěn)定性好、比表面積大、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn),是一種比較理想的催化劑。以下按照載體種類,對無配體負(fù)載鈀催化劑催化Suzuki偶聯(lián)反應(yīng)的研究進(jìn)展進(jìn)行分類。3.1小型材料、負(fù)荷鈀催化劑3.1.1pd/swnts催化劑王發(fā)興等以乙二醇或甲醛作還原劑制備了多壁碳納米管負(fù)載的Pd催化劑,并研究了其在Suzuki反應(yīng)中的催化性能。結(jié)果表明,還原劑、反應(yīng)底物、溶劑、反應(yīng)溫度等均對催化劑的催化性能有較明顯的影響。在投料比(物質(zhì)的量比)為Pd2+∶PhI∶PhB(OH)2∶K2CO3=1∶100∶150∶200時,用乙醇作溶劑,回流反應(yīng)10h,聯(lián)苯收率可達(dá)78.4%。曹優(yōu)明等利用單壁碳納米管(SWNTs)自身的還原性,直接將PdCl2溶液中的Pd2+還原成金屬Pd,負(fù)載在SWNTs表面上,合成了催化性能良好的Pd/SWNTs負(fù)載型催化劑。實(shí)驗(yàn)表明,用SWNTs與PdCl2(12mmol·L-1)的水溶液直接作用,得到Pd/SWNTs催化劑的Pd負(fù)載量達(dá)到14.13%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)),且顆粒分散均勻,粒徑小(2nm左右),與SWNTs結(jié)合緊密。用H2還原過的Pd/SWNTs催化劑,在90℃下催化Suzuki反應(yīng),30min后就基本完成了反應(yīng),聯(lián)苯收率可達(dá)98.10%。3.1.2烷基氮雜pd卡賓及其他烷基碳納米管催化劑磁性納米粒子(MNPs)因其有多種制備方法,結(jié)構(gòu)和功能可調(diào)節(jié),工藝較易控制,并且在磁性、催化等多方面具有良好特性,日益引起研究人員的重視。將磁性納米粒子作為鈀催化劑的載體,催化劑會比較容易從產(chǎn)物中分離和回收。LVGuang-hua等利用炔基與疊氮的反應(yīng),將炔基功能化的二吡啶基甲醇與疊氮功能化的MNPs連接起來;然后,使吡啶與鈀配位,制備出MNPs負(fù)載的Pd催化劑。MNPs負(fù)載的Pd催化劑對芳基硼酸與芳基溴之間的Suzuki偶聯(lián)反應(yīng)催化效果很好,合成了含有取代基的聯(lián)苯型化合物,收率最高達(dá)99%。實(shí)驗(yàn)表明,該類催化劑在有外加磁場環(huán)境中更易于回收,并且重復(fù)使用性較好。Taher等將氮雜Pd卡賓及含有咪唑基團(tuán)的三甲氧基硅烷鍵合到羥基化的碳納米管上,制備出磁性氮雜Pd卡賓納米催化劑。同時,在水溶液中,將該納米催化劑用于合成聯(lián)苯型的化合物,收率92%~98%。實(shí)驗(yàn)表明,該類催化劑催化性能優(yōu)良,且穩(wěn)定性較高,連續(xù)使用5次后,反應(yīng)收率仍能維持在93%。3.1.3表面活性劑催化劑活性炭材料具有良好的孔結(jié)構(gòu)、較大的比表面積及豐富的表面基團(tuán),并且負(fù)載性能和還原性良好,非常適于作金屬催化劑的載體。Arcadi等研究了向Pd/C催化劑催化的Suzuki反應(yīng)中加入表面活性劑十六烷基三甲基溴化銨(CTAB)對反應(yīng)的影響。結(jié)果表明,加入表面活性劑后,只需通過液-液萃取,就可實(shí)現(xiàn)反應(yīng)產(chǎn)物與反應(yīng)體系的分離,收率也由84%增加到96%。Pd/C催化劑與含有表面活性劑的水相還可以重復(fù)使用,在重復(fù)使用4次后,收率仍可達(dá)到80%。Cravotto等在微波/二甲醚和超聲波/水溶液體系中,分別研究了無配體的Pd/C催化的Suzuki反應(yīng)。對交叉偶聯(lián)和自偶聯(lián)反應(yīng),收率都令人滿意。在微波/甲醚體系中,溴代芳烴的轉(zhuǎn)化率最高為96%;而在超聲波/水溶液體系中,溴代芳烴的轉(zhuǎn)化率最高為93%,可見微波/二甲醚體系催化Suzuki偶聯(lián)反應(yīng)效果更好。3.1.4dmf/水的溶劑催化劑Han等制備了二氧化硅介孔材料SBA-15負(fù)載鈀催化劑,在室溫條件下催化Suzuki反應(yīng)。用EtOH/H2O作溶劑,0.1mol%的Pd,考察不同的堿對溴代芳烴與苯硼酸偶聯(lián)反應(yīng)的影響,其中效果較好的有K2CO3,Na2CO3,Cs2CO3,K3PO4和NaOEt,收率可達(dá)81%~98%。該催化劑在有機(jī)溶劑/水體系中也具有較好的循環(huán)使用效果,使用4次后收率仍可達(dá)84%,具有較好的催化穩(wěn)定性。Durap等將納米鈀顆粒負(fù)載在沸石分子篩上,在室溫條件下,在DMF/水的溶劑中催化溴代芳烴與苯硼酸的Suzuki反應(yīng),在溫和狀態(tài)下(室溫,通空氣)具有較高的反應(yīng)活性。當(dāng)用對溴苯乙醚作為底物時,收率最高可達(dá)99.7%。以分子篩為載體所制備的催化劑活性較高,制備過程簡單,且所需原料便宜,但是對堿的要求很嚴(yán)格。3.1.5合成反應(yīng)物催化劑LDHs具有獨(dú)特的雙層結(jié)構(gòu),可作為催化劑的載體;層板上含堿性位,可作為堿性催化劑?？梢园岩恍┚哂刑厥饨Y(jié)構(gòu)或性能的陰離子引入到LDHs層間,由于被引入的陰離子往往具有比簡單的無機(jī)陰離子大得多的體積,這樣不僅可以利用這些陰離子的催化活性,同時還擴(kuò)大了LDHs的層間距,使反應(yīng)物分子能夠進(jìn)入由層與柱構(gòu)成的特定化學(xué)環(huán)境中,既提高了材料的催化性能,同時又提高了選擇性。周浩等以F-插層的水滑石LDH-F為載體,合成了新型Pd/LDH-F催化劑,并用其催化溴代芳烴的Suzuki反應(yīng)。在DMF/水物質(zhì)的量比為0.5的混合溶劑中,在室溫下反應(yīng)3h,Pd/LDH-F(Pd/溴代芳烴物質(zhì)的量比為0.005)催化溴苯與苯基硼酸鹽的Suzuki反應(yīng),目標(biāo)產(chǎn)物的收率可達(dá)99%。范艷霞等通過共沉淀、水熱合成制備了DS-LDH,然后通過浸漬合成DS-LDH-Pd0,催化劑鈀含量為1.748×10-4mol/g,鈀分散度為13.37%。該催化劑對對溴苯乙酮和苯硼酸的Suzuki偶聯(lián)反應(yīng)催化活性很高。催化劑重復(fù)使用三次后反應(yīng)目的產(chǎn)物收率均達(dá)到95%以上。3.1.6納米mgo催化劑的制備在精細(xì)化工、石油化工等行業(yè)中,金屬氧化物具有催化載容量高、比表面積大、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn),是一類重要的催化劑材料。Gniewek等制備了一系列Al2O3,Al2O3-ZrO2和Al2O3-ZrO2-Eu2O3負(fù)載Pd催化劑,上述催化劑采用溶膠-凝膠的方法把鈀納米顆粒負(fù)載到以Al2O3為基質(zhì)的氧化物上,再用水合肼或甲醇還原PdCl2。XRD和TEM的表征結(jié)果表明,納米鈀粒子很好地分散到Al2O3基質(zhì)的表面。以2-溴甲苯和苯硼酸的Suzuki反應(yīng)為探針反應(yīng),當(dāng)PdCl2在氧化物表面沒有被還原時,其催化Suzuki反應(yīng)1h最高收率可達(dá)95%。當(dāng)Pd(Ⅱ)被還原成Pd(0)時,以Al2O3-ZrO2為載體制備的催化劑對Suzuki反應(yīng)的活性最高。在40℃,催化劑2mol%,反應(yīng)4h,轉(zhuǎn)化率可達(dá)到91%;以Al2O3為載體制備的催化劑轉(zhuǎn)化率最低達(dá)79%。Kantam等人用納米MgO作載體,制備了Pd/NAP-MgO催化劑。該催化劑在以DMA為溶劑時,可催化氯代芳烴與苯硼酸的Suzuki反應(yīng)。而碘代芳烴和溴代芳烴與苯硼酸的反應(yīng)在水中就可以完成。此催化劑具有較高的催化活性,當(dāng)負(fù)載Pd量低于0.5mol%時,在室溫條件下,反應(yīng)5h可完成,而且在催化劑循環(huán)使用5次后,仍然具有很高的活性。催化活性高的原因可能是由于納米MgO具有較大的比表面積(600m2/g)以及MgO自身堿性的作用。以金屬氧化物為載體制備催化劑,原料來源廣泛,制備過程簡單,但是Pd負(fù)載量少而且負(fù)載極不穩(wěn)定。以磁性Fe3O4為載體,催化劑的提純回收步驟很簡單,但是催化劑的催化活性就差很多。3.2高聚合物產(chǎn)生的鈀3.2.1以酰氯化為催化劑合成其他高效化合物天然高分子材料,例如殼聚糖、淀粉、田菁膠等,由于原料易得價廉,且分子中含有大量羥基或氨基表面官能團(tuán)豐富,所以是負(fù)載鈀的理想載體材料。Hdary等制備出了以天然高分子殼聚糖為載體負(fù)載鈀催化劑,并成功將其用于Sukuzi偶聯(lián)反中。實(shí)驗(yàn)表明,該催化劑催化取代型鹵代芳烴與苯硼酸之間的Suzuki偶聯(lián)反應(yīng)效率很高,尤其是對于有供電子基團(tuán)(如-OMe)的底物,收率會更高;而對于含吸電子基團(tuán)(如-N0z或-CN)底物的收率很低,并且催化劑會分解成黑色固體。鄭長青等使氯化纖維素與乙二胺發(fā)生胺化反應(yīng)制得乙二胺功能化纖維素(Cell-EDA),再將胺化纖維素與氯化鈀乙醇溶液反應(yīng),制得乙二胺功能化纖維素負(fù)載的納米鈀催化劑(Cell-EDA-Pd0)。實(shí)驗(yàn)表明,Cell-EDA-Pd0催化劑在空氣下反應(yīng)穩(wěn)定,不需在惰性氣體環(huán)境下就能有效地催化芳基硼酸與鹵代芳烴的Suzuki反應(yīng),且催化劑容易回收,循環(huán)使用6次催化活性依然很高。3.2.2負(fù)載型聚酰亞胺pd催化劑合成高分子載體一般分為不溶性高分子載體與可溶性高分子載體。不溶性高分子載體催化活性中心與底物接觸幾率小、傳質(zhì)困難、負(fù)載量低;而可溶性的高分子載體可以克服以上缺點(diǎn)。在可溶性載體上負(fù)載催化劑可以既發(fā)生均相反應(yīng),又達(dá)到兩相分離的目的。目前,常用的合成高分子載體主要有聚苯乙烯、聚酰亞胺、聚醚型樹狀分子、聚苯乙烯—聚乙二醇接枝共聚物等聚合物材料。Seokin等利用含鈀的二胺單體與二酐單體發(fā)生縮聚反應(yīng),制備了一種聚酰亞胺負(fù)載的鈀催化劑。在80℃條件下,在極性溶劑中,反應(yīng)2h,該催化劑能高效催化鹵代苯與苯硼酸之間的Suzuki偶聯(lián)反應(yīng),收率可達(dá)93%。研究表明,該類催化劑能有效克服有機(jī)膦,特別是富電子的苯基膦導(dǎo)致的在大規(guī)模制備中的價格高、反應(yīng)速率低及空氣敏感等缺陷。Wang等用聚乙烯砒咯烷酮(PVP)作載體,制備出負(fù)載納米Pd催化劑,此催化劑可在水相中催化Suzuki反應(yīng)。在以Na3PO4為堿和40%乙醇水溶液為溶劑,加熱回流條件下,催化碘代芳烴與苯硼酸的Suzuki偶聯(lián)反應(yīng),收率高達(dá)95%。反應(yīng)的最初速度與Pd的濃度成正比,說明催化反應(yīng)發(fā)生在納米Pd顆粒的表面,反應(yīng)結(jié)束后有金屬Pd沉淀析出,說明該催化劑的穩(wěn)定性不是很好。Buchmeister等通過開環(huán)轉(zhuǎn)位聚合獲得的嘧啶衍生物作載體負(fù)載PdCl2,可有效催化鹵代芳烴(碘,溴,氯)的Heck、Suzuki等偶聯(lián)反應(yīng)。高分子聚合物負(fù)載金屬Pd催化劑具有較高的催化活性和立體選擇性、較好的穩(wěn)定性和重復(fù)性,是當(dāng)今化學(xué)領(lǐng)域的研究熱