羟乙基纤维素负载三苯基膦－钯催化剂的合成及其在Suzuki偶联反应中的应用

王晓霞，胡培博，魏玉萍

（天津大学理学院化学系，天津300072）

三苯基膦是一种重要的叔膦化合物，广泛应用于有机合成中[1－2］。由于三苯基膦与大多数过渡金属有较强的亲和能力，常常被用于碳碳键的形成反应中[3］。但是均相反应中合成的三苯基膦往往难以纯化，甚至会污染产品，使得三苯基膦的应用受到了限制。

鉴于此，有研究者将三苯基膦接枝到大分子上（如聚苯乙烯[4－5］、聚异丁烯[6］），进而与金属络合作为催化剂。相比于均相催化剂，这类催化剂有着原料价廉、催化效率较高、绿色环保、可以回收利用等优点[7］，但因其生产成本高、不易降解，仍然难以推广应用。

纤维素是自然界存在最为丰富的天然高分子之一[8］，纤维素及其衍生物直接负载金属可以催化多种有机反应[9－10］。其中羟乙基纤维素（HEC）能生物降解、来源丰富、可再生[11］，因分子结构中含有大量羟基而亲水性较强，广泛应用于石油、涂料、医药等领域[12－13］。蔡永红等[14］以羟乙基纤维素为载体直接与钯络合得到催化剂，研究了该催化剂对Heck反应的催化性能，发现其稳定性较差，钯在反应中很容易脱落[15］。

作者尝试以羟乙基纤维素为原料，从分子设计角度出发，通过对其主链结构中存在的大量羟基进行化学改性，进而与醋酸钯络合，合成一种新型的羟乙基纤维素负载三苯基膦－钯催化剂，并探讨了其对于Suzuki偶联反应的催化性能。

图1 羟乙基纤维素负载三苯基膦－钯催化剂的合成路线Fig.1 The synthetic route of HEC－OPPh3－Pd

1 实验

1.1 试剂

羟乙基纤维素、无水氯化锂、碳酸钾、对溴苯甲醚、二苯基氯化膦、三氯化铝、N，N－二甲基甲酰胺（DMF）、N，N－二甲基乙酰胺（DMAC）、三乙胺、甲苯、无水乙醇、石油醚、二氯甲烷、乙酸乙酯等均为分析纯。

4－茴香基二苯基膦（Ph2PPhOCH3）以及4－羟基苯基二苯基膦（Ph2PPhOH）的合成参照文献[16］。

1.2 催化剂的合成方法

1.2.1 羟乙基纤维素对甲苯磺酸酯（HEC－OTs）的合成

向干燥的三颈瓶中加入羟乙基纤维素及DMF，在氮气保护下于80℃油浴搅拌反应24h；冷却至室温，滴加三乙胺和DMF的混合液，再加入对甲苯磺酰氯的DMF溶液反应30min，再加入一定量DMF室温反应3d；反应完毕将反应体系滴加到丙酮中，搅拌5h，抽滤，用乙醇洗3次，室温真空干燥24h，得 HECOTs。

1.2.2 羟乙基纤维素负载三苯基膦（HEC－OPPh3）的合成

在氮气保护下，向加有DMF的圆底烧瓶中加入HEC－OTs，于80℃油浴搅拌3h，然后室温搅拌过夜至HEC－OTs完全溶解；再在氮气保护下加入Ph2PPhOH和K2CO3，于80℃油浴搅拌反应2d；冷却至室温，过滤，滤液缓慢滴入乙醚中，搅拌使产物充分析出，离心；沉淀依次在乙醇、水、乙醇中搅拌，离心，最后在乙醇中搅拌，抽滤，真空干燥，得HEC－OPPh3。

1.2.3 羟乙基纤维素负载三苯基膦－钯催化剂（HECOPPh3－Pd）的合成

在氮气保护下，向加有甲苯的圆底烧瓶中加入HEC－OPPh3及醋酸钯，混合，于56℃油浴搅拌反应24h，再冷却至室温继续搅拌反应10h；过滤，沉淀依次用甲苯、丙酮和乙醚洗涤，所得黑色固体真空干燥，即得催化剂 HEC－OPPh3－Pd。

1.3 Suzuki偶联反应

典型Suzuki偶联反应：将对溴苯甲醚0.5mmol、苯硼酸0.6mmol、碳酸钾1.0mmol以及 HEC－OPPh3－Pd催化剂加入到5.0mL的C2H5OH∶H2O（1∶1）溶液中，在空气条件下于50℃油浴反应一定时间；待反应结束后，滤去催化剂，用乙酸乙酯洗涤反应瓶，滤液经乙酸乙酯萃取、水洗、饱和食盐水洗、无水硫酸镁干燥得到粗产物，再经旋蒸TLC分离[（展开剂为石油醚∶乙酸乙酯（50∶1）］，得到产物。

2 结果与讨论

2.1 HEC－OPPh3－Pd的TGA分析（图2）

图2 HEC－OPPh3－Pd在空气条件下的TGA曲线Fig.2 The TGA curve of HEC－OPPh3－Pd under air condition

由图2可以看出，催化剂HEC－OPPh3－Pd在温度达到180℃以上时才分解，表明在空气条件下，该催化剂在Suzuki偶联反应体系中是稳定存在的。

2.2 Suzuki偶联反应结果与分析

2.2.1 反应条件的优化

以0.5mmol对溴苯甲醚和0.6mmol苯硼酸的典型Suzuki偶联反应为模板，考察溶剂、反应温度、催化剂用量、碱对反应收率的影响，结果如表1 所示。

表1 不同条件下HEC－OPPh3－Pd催化的Suzuki偶联反应Tab.1 Suzuki coupling reaction catalyzed by HEC－OPPh3－Pd under various reaction conditions

由表1 可见，不同的溶剂中，乙醇的效果较好，反应收率为62%，且乙醇与水等比例混合时效果最好，收率高达91%，这可能与羟乙基纤维素的溶解性以及底物的溶解性有关；催化剂的用量对反应收率并无明显影响；反应的最佳温度为50℃、最佳用碱为碳酸钾。

2.2.2 Suzuki偶联反应底物扩展

在上述优化条件下，以HEC－OPPh3－Pd催化不同芳基卤化物和芳基硼酸的Suzuki偶联反应，结果如表2 所示。

表2 不同芳基卤化物和芳基硼酸的Suzuki偶联反应结果Tab.2 Results of Suzuki coupling reactions for different aryl halides and arylboronic acids

由表2 可见，供电子基取代的芳基硼酸的反应收率高于吸电子基取代的，这说明芳基硼酸对电子效应很敏感；此外，空间位阻效应对于芳基硼酸的影响也很明显，邻位取代基影响明显大于间、对位；当不同的芳基溴化物与芳基硼酸进行Suzuki反应时富电子和缺电子的底物都能很好地发生反应，生成高收率的偶联产物，且正如已有文献报道的，芳基氯化物的反应活性低于相应的芳基溴化物。

2.2.3 产物1HNMR表征

所得产物均为预期化合物，且1HNMR数据与文献值相符，具体谱图数据如下：

4－甲氧 基－4′－三 氟 甲 基 联 苯 （Ⅰ ）：1HNMR（400 MHz，CDCl3），δ：7.79～7.61（m，4H），7.55（d，J＝8.6Hz，2H），7.01（d，J＝8.6Hz，2H），3.87（s，3H）。

4－甲氧基－4′－乙基联苯（Ⅱ）：1HNMR（400MHz，CDCl3），δ：7.52（dd，J＝15.4Hz，8.1Hz，4H），7.27（d，J＝9.9Hz，2H），6.99（d，J＝8.4Hz，2H），3.86（s，3H），2.71（q，J＝7.6Hz，2H），1.30（t，J＝7.6 Hz，3H）。

4－甲 氧 基－2′－氟 联 苯 （Ⅲ ）：1HNMR（400MHz，CDCl3），δ ：7.58（d，J＝7.6Hz，2H），7.54～7.43（m，1H），7.34（dd，J＝9.2Hz，3.3Hz，1H），7.29～7.15（m，2H），7.06（d，J＝8.7Hz，2H），3.91（s，3H）。

4－甲 氧 基－3′－氟 联 苯 （Ⅳ ）：1HNMR（400MHz，CDCl3），δ：7.57（d，J＝8.6Hz，2H），7.39（s，2H），7.30（t，J＝7.9Hz，1H），7.03（d，J＝8.7Hz，3H），3.90（s，3H）。

4－甲 氧 基－4′－氟 联 苯 （Ⅴ ）：1HNMR（400MHz，CDCl3），δ：7.60～7.40（m，4H），7.12（t，J＝8.6Hz，2H），6.99（d，J＝8.6Hz，2H），3.86（s，3H）。

4－氰基联苯（Ⅵ）：1HNMR（400MHz，CDCl3），δ：7.68（q，J＝8.4Hz，4H），7.59（d，J＝7.3Hz，2H），7.54～7.39（m，3H）。

3－硝基联苯（Ⅶ）：1HNMR（400MHz，CDCl3），δ：8.45（s，1H），8.21（dd，J＝8.2Hz，0.8Hz，1H），7.93（d，J＝7.7Hz，1H），7.74～7.58（m，3H），7.57～7.38（m，3H）。

联苯（Ⅷ）：1HNMR（400MHz，CDCl3），δ：7.77（d，J＝7.2Hz，4H），7.73～7.57（m，4H），7.57～7.47（m，2H）。

2－甲基联苯（Ⅸ）：1HNMR（400MHz，CDCl3），δ：7.58（d，J＝6.4Hz，3H），7.52（d，J＝5.4Hz，3H），7.43（d，J＝2.1Hz，3H），2.46（d，J＝5.7Hz，3H）。

3 结论

以羟乙基纤维素（HEC）为原料，首先合成三苯基膦功能化的羟乙基纤维素（HEC－OPPh3），进而与醋酸钯络合，合成了一种新型的羟乙基纤维素负载三苯基膦－钯催化剂（HEC－OPPh3－Pd）。该催化剂能在空气中稳定存在，于乙醇和水等比例混合溶剂中能有效催化卤代芳烃与芳基硼酸的Suzuki偶联反应，具有价廉易得、反应条件温和、容易分离、后处理简单等优点。

[1]GROCHOWSKI E，HILTON B D，KUPPER R J，et al.Mechanism of the triphenylphosphine and diethyl azodicarboxylate induced dehydration reactions （Mitsunobu reaction）.The central role of pentavalent phosphorus intermediates[J］.Journal of A－merican Chemical Society，1982，104（24）：6876－6877.

[2]NISHIDA Y，SHINGU Y，DOHI H，et al.One－potα－glycosylation method using appel agents in N，N－dimethylformamide[J］.Organic Letters，2003，5（14）：2377－2380.

[3]HERRMANN W A，BOHM V P W，REISINGER C P.Application of palladacycles in Heck type reactions[J］.Journal of Organometallic Chemistry，1999，576（1－2）：23－41.

[4]CHARETTE A B，BOEZIO A A，JANES M K.Synthesis of a triphenylphosphine reagent on non－cross－linked polystyrene support：Application to the Staudinger／Aza－Wittig reaction[J］.Organic Letters，2000，2（24）：3777－3779.

[5]LEADBEATER N E，MACRO M.Preparation of polymer－supported ligands and metal complexes for use in catalysis[J］.Chemical Reviews，2002，102（10）：3217－3274.

[6]BERGBREITER D E，YANG Y C，HOBBS C E.Polyisobutylenesupported phosphines as recyclable and regenerable catalysts and reagents[J］.Journal of Organic Chemistry，2011，76（16）：6912－6917.

[7]CIRTIU C M，DUNLOP－BRIERE A F，MOORES A.Cellulose nanocrystallites as an efficient support for nanoparticles of palladium：Application for catalytic hydrogenation and Heck coupling under mild conditions[J］.Green Chemistry，2011，13（2）：288－291.

[8]XU Y，XUE M，LI J，et al.Synthesis of a cellulose xanthate supported palladium（0）complex and its catalytic behavior in the Heck reaction[J］.Reaction Kinetics，Mechanisms and Catalysis，2010，100（2）：347－353.

[9]REDDY K R，KUMAR N S，REDDY P S，et al.Cellulose supported palladium（0）catalyst for Heck and Sonogashira coupling reactions[J］.Journal of Molecular Catalysis A：Chemical，2006，252（1－2）：12－16.

[10]MOLNAR A，PAPP A.The use of polysaccharides and derivatives in palladium－catalyzed coupling reactions[J］.Catalysis Science ＆ Technology，2014，4（2）：295－310.

[11]袁士义，刘尚奇，张义堂，等.热水添加氮气泡沫驱提高稠油采收率研究[J］.石油学报，2004，25（1）：57－61.

[12]YOKOI H，MAKI R，HIROSE J.Microbial production of hydrogen from starch－manufacturing wastes[J］.Biomass ＆ Bioenergy，2002，22（5）：389－395.

[13]PATRUYO L G，MULLER A J，SAEZ A E.Shear and extensional rheology of solutions of modified hydroxyethyl celluloses and sodium dodecyl sulfate[J］.Polymer，2002，43（24）：6481－6493.

[14]蔡永红，许英，张磊，等.羟乙基纤维素负载钯催化剂的制备及对Heck反应的催化性能[J］.河南大学学报（自然科学版），2008，38（5）：474－478.

[15]黄少铭，何炳林.高聚物担载胶态钯催化剂的一步法合成[J］.中国科学（B辑），1993，23（1）：20－25.

[16]徐艳军，王晓霞，魏玉萍.纤维素负载三苯膦－钯复合物催化剂的合成及其对Heck偶联反应的催化性能研究[J］.化学与生物工程，2014，31（1）：43－46.