水相Heck反应在有机化学实验中的应用*

2012-09-25查正根张振雷郑小琦汪志勇

大学化学 2012年6期

查正根张振雷郑小琦, 汪志勇,

(1中国科学技术大学化学实验教学中心安徽合肥 230026；2中国科学技术大学化学系安徽合肥 230026)

Heck反应是在20世纪70年代由Richard F.Heck等发现的一类重要的形成与不饱和双键相连的新C—C键的反应[1-2]。在过去40年中，Heck反应逐渐发展成为一种应用广泛的有机合成方法，成为现代有机合成的重要手段之一，在天然产物合成、医药以及新型高分子材料制备等领域有着重要的应用价值[3-6]。2010年，Richard F.Heck因对该反应的开创性研究而获得诺贝尔化学奖[7]。虽然该反应在工业及科研中应用很广泛，但在大学的基础有机化学实验中却鲜见。其原因一方面是该反应条件比较苛刻，对于学生的实验技能要求较高[8-9]；另一方面是该反应的反应时间较长，有时可达到10多个小时[10-11]，这对于学生实验而言时间偏长。为了解决这两方面的问题，我们通过文献调研和研究，改进了反应条件，在水相中采用常规、超声波(US)、微波(MW)方法，在较短时间、相对温和的条件下得到较好的结果。我们开设的Heck反应实验有以下特点：

(1) 温和的反应条件。一般的偶联反应都需要在无水无氧的条件下进行，而近年来随着绿色化学的兴起，研究工作者对于该类反应进行了更深入的研究，发现在纯水中也可以完成[12]，因此，我们尝试在纯水中，以PdCl2为催化剂，碳酸钠为碱，回流12小时可以得到中等的收率。

(2) 较短的反应时间。在有机化学实验中，要想在较短的时间得到比较好的结果，可尝试使用微波[13]、超声波方法[14]。我们发现在微波条件下，15分钟即可使反应完全，而且收率较高。

(3) Heck反应是在水相中进行，以PdCl2为催化剂，不需用配体，符合绿色化学理念。

1 实验目的

(1) 学习PdCl2催化的水相Heck反应实验设计。

(2) 练习微型实验操作和纯化方法。

(3) 学习微波、超声波技术在有机化学实验中的应用。

2 反应式

该实验的反应式如下图所示：

3 主要仪器和试剂

仪器：Discover SP微波反应器(CEM)，超声波清洗器(40kHz)，400MHz Bruker FT-NMR 核磁共振仪。

试剂：碘苯、丙烯酸均为国药分析纯试剂，无机碱均为市售分析纯，柱层析使用200～300目硅胶，氘代氯仿为溶剂，三甲基硅(TMS)为内标。

4 实验步骤

在实验教学中，选用不同的底物与不同的实验条件组合，进行优化实验。现以碘苯与丙烯酸在微波条件下PdCl2催化的Heck反应为例。

反应在Discover微波反应器中进行，在微波反应管中先后加入PdCl2(1mg)，碳酸钠、丙烯酸、碘苯(1mmol，125μL)和水(2mL)，搅拌均匀后，放入微波反应器中，在125℃反应15分钟。反应结束后，向反应液中加入稀盐酸，酸化至蓝色石蕊试纸褪色，用乙酸乙酯萃取3次，无水硫酸钠干燥1小时，然后通过减压蒸馏除去溶剂，得到固体粗产品；通过硅胶柱层析分离进一步纯化所得产品。产率可达87%。

5 结果与讨论

5.1 反应物比例的影响

表1 不同条件下PdCl2催化的水相Heck反应

n(碘苯)=1mmol，n(丙烯酸)=1.5mmol，V(H2O)=2～3mL

5.2 碱的影响

5.3 反应时间的影响

超声波(US)和微波(MW)虽然在较短的时间内能够完成反应，但如果进一步缩短反应时间，发现会有少部分的碘苯没有反应，而延长反应时间对于产率的提高没有显著的效果。

在常规条件下，PdCl2催化的水相Heck反应可能的机理如图1所示。通过氧化加成、配位、插入和消除,实现Pd的循环催化，完成Heck反应。在超声波条件下，原位生成Pd纳米粒子，增加了Pd的催化活性，由于是异相反应体系，Pd分离后能循环使用[8]。

图1 PdCl2催化的水相Heck反应可能的机理

谱图数据如下：

3-苯基丙烯酸1H NMR(400MHz,CDCl3):δ6.47(d，J=16.0Hz,1H,2-H),7.42(t,J=3.2Hz,3H,Ph-H),7.56～7.58(m,2H,Ph-H),7.80(d，J=16.0Hz,1H,3-H)；13C NMR(100MHz,CDCl3):δ171.2(1-C),146.1(3-C),133.0(Ph-C),129.7(Ph-C),127.9(Ph-C),127.4(Ph-C),116.2(2-C)；IR(neat)ν:3071,3036,1684,1627,1584,1498,1452cm-1。