铜催化芳基硼酸自身偶联反应的研究

王 良，李新民，李红玉，王 熳，杨舒绪，初文毅，孙志忠

（1.黑龙江大学 化学化工与材料学院，哈尔滨 150080；2.黑龙江省普通高等学校高效转化的化工过程与技术重点实验室，哈尔滨 150080）

联苯结构是天然产物、药物、农药和功能性材料等的重要结构单元，芳烃C-C键的偶联反应是制备这类化合物的重要手段[1－2]。偶联反应可以发生Suzuki-Type的交叉偶联反应和Ullmann-Type的自身偶联反应，可以分别制备不对称联苯类化合物和对称联苯类化合物。近年来，由于芳基硼酸具有比有机金属试剂稳定、低毒等特点，被广泛用作芳烃偶联试剂制备联苯类化合物，目前大多数芳基硼酸自身偶联反应都是以Pd[3－6]催化的，最近也有使用Au、Rh、Ni等金属作为催化剂的研究[7－9]，但是这些金属作为催化剂价格昂贵，有的甚至还需要一些难于合成的配体和氧化剂。相对而言Cu催化的芳基硼酸自身偶联反应由于催化剂廉价、反应条件温和等优点越来越受到关注[10－11]。本文以环境友好的甲醇为溶剂，三乙胺作碱，在室温条件下，使用铜粉催化芳基硼酸快速高效地合成了一系列对称联芳烃类化合物。

1 实验方法

采用芳基硼酸作为反应底物，加入4mL甲醇作为溶剂和一定量的碱，在25℃条件下，以铜粉作为催化剂催化芳基硼酸自身偶联合成联芳基化合物，反应通过薄层色谱监测反应终点，反应结束，过滤除去固体催化剂，母液浓缩，使用乙酸乙酯与石油醚混合液洗脱柱层析分离最终产物，其反应式如下：

2 结果与讨论

2.1 芳基硼酸自身偶联反应的最佳合成工艺研究

采用苯硼酸作为反应底物，在25℃的条件下，以铜粉为催化剂作为催化反应模板，分别考察了铜粉用量、反应溶剂和碱等反应条件对催化反应的影响，从而确定了最佳的铜粉催化合成对称联芳基化合物的工艺并使用该工艺合成了一系列对称联芳基类化合物。

2.1.1 催化剂量对芳基硼酸自身偶联反应的影响

以苯硼酸为反应底物，室温条件下考察了催化剂铜粉的用量对芳基硼酸自身偶联反应的影响，分别加入2.0、1.0、0.5、0.3当量（与苯硼酸比较）的铜粉进行反应，以确定最佳的催化剂用量，实验结果见表1。

表1 催化剂量对自身偶联反应的影响aTable1 Influence of the amount of catalyst to the homocoupling reaction

由表1可见，在25℃下，使用2.0和1.0当量铜粉作为催化剂，反应3h原料消失，实现分离收率95.7%（编号1、2）；当催化剂量减少到0.5当量时，反应3h原料也能消失，实现分离收率95.3%（编号3），与前两个反应时间和收率差别不大；而催化剂量继续减少到0.3当量，反应7h才完成，收率87.4%（编号4），下降较多。因此催化剂用量0.5当量比较适合催化该反应。

2.1.2 溶剂对芳基硼酸自身偶联反应的影响

以苯硼酸为反应底物，室温条件下考察了反应溶剂对芳基硼酸自身偶联反应的影响，分别使用甲醇、乙醇、水、N，N-二甲基甲酰胺（DMF）和N，N-二甲基乙酰胺（DMA）作为溶剂，实验结果见表2。

表2 反应溶剂对自身偶联反应的影响aTable2 Influence of sovlent to the homocoupling reaction

由表2可见，使用甲醇作溶剂25℃反应3h可以得到95.7%的收率（编号1），而乙醇作溶剂时反应6h也能达到85.1%的收率（编号2）；当水作溶剂时反应8h，速率明显减慢且收率明显下降至60.5%（编号3），DMF作溶剂时反应10h仅能得到23.1%收率（编号4）；当DMA作溶剂时反应11h仅获得15.9%收率（编号5），因此选择甲醇作为反应溶剂。

2.1.3 碱对芳基硼酸自身偶联反应的影响

以苯硼酸为反应底物，室温条件下考察了碱对芳基硼酸自身偶联反应的影响，分别使用Et3N、Na2CO3、NaOH、KOH进行反应，同时又考察了三乙胺用量对反应的影响，实验结果见表3。

表3 碱对芳基硼酸自身偶联反应的影响aTable3 Influence of base to the homocoupling reaction of Aryl boronic acid

由表3可见，如果体系中使用无机碱Na2CO3、NaOH、KOH反应时间都比较长而且收率也不高（编号1～3），使用有机碱三乙胺时1.0当量反应时间短收率高（编号4），用量为2.0当量和0.5当量时收率会有所下降（编号5、6），当不加入碱，反应15h只得到60.3%的收率（编号7），因此选择使用三乙胺为碱，其用量为1.0当量（与苯硼酸比较）。

通过以上的实验影响因素的考察得出了芳基硼酸自身偶联反应的最佳合成工艺为在25℃条件下，以甲醇（4.0mL）为溶剂，三乙胺（1.0eq）为碱，使用催化剂Cu粉（0.5eq）催化芳基硼酸（1.0mmol）自身偶联反应制备对称联苯类化合物。

2.2 芳基硼酸的自身偶联制备对称联苯类化合物

2.2.1 不同芳基硼酸自身偶联反应结果

采用芳基硼酸自身偶联反应的最佳合成工艺，即25℃条件下，以甲醇（4.0mL）为溶剂，三乙胺（1.0eq）为碱，使用催化剂 Cu粉（0.5eq）催化芳基硼酸（1.0mmol）自身偶联反应制备对称联苯类化合物，实验结果见表4。

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由表4可见，芳基硼酸具有不同取代基对反应会有一定的影响，带有给电子官能团时有利于自身偶联反应（编号3，4），带吸电子官能团时对反应不利，收率下降，反应时间较长（编号4，6）；官能团的位置对反应影响也很大。2-位带有取代基不利于反应，收率下降较多（编号6）；杂芳基硼酸偶联反应收率也会有所降低（编号5）。

2.2.2 产物的核磁表征数据

2.2.2.1 联苯核磁表征

1H NMR（400MHz，CDCl3）δ7.62 ～7.54（m，4H），7.43（dd，J＝10.3，4.8Hz，4H），7.33（ddd，J＝7.3，3.9，1.1Hz，2H）.

2.2.2.2 2，2'-联萘核磁表征

1H NMR（400MHz，CDCl3）δ8.17（s，2H），7.95（dd，J＝10.5，8.2Hz，4H），7.91～7.84（m，4H），7.58～7.45（m，4H）.

2.2.2.3 3，3′，4，4′-四甲氧基联苯核磁表征

1H NMR（400MHz，CDCl3）δ7.10（dd，J＝8.2，2.1Hz，2H），7.06（d，J＝2.0Hz，2H），6.93（d，J＝8.3Hz，2H），3.94（d，J＝12.2Hz，12H）.

2.2.2.4 4，4′-二三氟甲基联苯核磁表征

1H NMR（400MHz，CDCl3）δ7.74～7.67（m，8H）.

2.2.2.5 3，3′-联噻吩核磁表征

1H NMR（400MHz，CDCl3）δ7.37（dd，J＝2.7，1.4Hz，2H），7.35～7.32（m，4H）.2.2.2.62，2′-二氯联苯核磁表征

1HNMR（400MHz，CDCl3）δ7.27～7.20（m，6H），7.11～7.09（m，2H）

3 结 论

1）通过考察芳基硼酸自身偶联反应的各影响因素得出了芳基硼酸自身偶联反应的最佳合成工艺：在25℃条件下，以甲醇（4.0mL）为溶剂，三乙胺（1.0eq）为碱，使用催化剂Cu粉（0.5 eq）催化芳基硼酸（1.0mmol）自身偶联反应制备对称联苯类化合物。

2）采用最佳工艺合成了6个对称联苯类化合物，并采用核磁共振氢谱进行了结构确认。

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