聚乙二醇功能化的N-杂环卡宾-膦Pd催化剂在水相中的Suzuki反应研究*

贾莉(福建师范大学福建省高分子材料重点实验室，福建福州　350007)



聚乙二醇功能化的N-杂环卡宾-膦Pd催化剂在水相中的Suzuki反应研究*

贾莉
(福建师范大学福建省高分子材料重点实验室，福建福州350007)

摘要:以聚乙二醇(PEG)功能化的N-杂环卡宾-膦Pd为催化剂［Cat(n=15)］，研究了Cat在水相中催化4-甲基溴苯(1)与苯硼酸(2)的Suzuki偶联反应。考察了PEG的种类及其用量，Cat的用量对Suzuki偶联反应的影响。结果表明:加入50%PEG-400作为共溶剂后，Cat在水相中催化Suzuki反应的催化活性与在二氧六环中相当。当Cat用量为0.1 mol%，于110℃反应3 h时，1的转化率接近100%; Cat用量为0.01 mol%，于110℃反应21 h，转化率为57%(即TON为5 700)。Cat重复使用一次后催化活性不变。

关键词:N-杂环卡宾;膦;聚乙二醇;水相催化; Pd催化剂; Suzuki反应

在现代有机合成化学中，Pd催化的有机反应占有极其重要的地位［1］。有机硼试剂和芳烃卤代物之间的Suzuki偶联反应是构筑联芳烃最成功的策略之一［2］。然而，Pd催化的有机反应在工业上的应用并不普遍，主要的原因是催化剂的价格高昂及Pd在产品中残留问题的严格限制。为拓展Pd催化的偶联反应在工业上的应用，在研制新型高效催化剂的同时［3－4］，应用负载的策略以通过循环使用来提高催化剂的效率以及便于催化剂从产物中分离，亦引起人们的关注［5－6］。

氮杂环卡宾配体具有富电子特性，而且卡宾配位中心的立体位阻可由氮原子上的取代基调节，因而许多氮杂环卡宾配位的Pd化合物是高效的偶联反应催化剂［7－10］。更高的解离能会减少因解离而造成催化剂流失的问题，使人们更有兴趣将其负载形成多相催化剂。Merrifield及Wang树脂已成功地作为载体制得NHC-过渡金属多相催化剂［11］;聚(2-oxazoline)s［12］和聚降冰片-2-烯［13］负载的NHC催化剂在Suzuki偶联反应中的应用也有研究;尤其是水溶性的NHC的合成及其在水相催化反应中的应用引起了人们重视［14］。此外，聚乙二醇(PEG)功能化的NHC配体已成功应用于Ru催化的烯烃复分解反应中［15］。

最近我们发现带二茂铁骨架的氮杂环卡宾和膦杂双齿配位的钯化合物亦为高性能的Suzuki 和Buchwald－Hartwig偶联反应催化剂［16－17］。为此，我们以PEG为原料，经4步反应合成了带约15个左右的乙二醇单元(PEG)功能化的的二茂铁氮杂环卡宾配位的Pd催化剂［Cat(n=15)，Chart 1］［18］。研究发现:Cat在有机溶剂中有较高的催化活性，而在水相催化Suzuki反应时，具有离子型表面活性剂对反应性能有显著影响［19］。

为此，本文以Cat为催化剂，研究了其在水相中催化4-甲基溴苯(1)与苯硼酸(2)的Suzuki偶联反应(Scheme 1)。考察了PEG的种类及其用量，Cat的用量对Suzuki偶联反应的影响。

Chart 1

Scheme 1

1　实验部分

1.1仪器与试剂

Varian-400型核磁共振仪(CDCl3为溶剂，TMS为内标); BF-2002型气相色谱仪(SE-30毛细管柱，长30 m，内径0.32 mm，膜厚0.5μm)。

所用试剂均为分析纯，其中1，4-二氧六环在N2下，与钠和二苯甲酮共蒸馏纯化。

1.2 Suzuki偶联反应

在N2置换过的干燥Schlenk瓶中加入Pd(OAc)21.1 mg(0.005 mmol)，碘化咪唑盐(4，Chart 1)6.6 g(0.005 5 mmol)，碳酸钾138.2 mg(1.0 mmol)及二氧六环5 mL，搅拌下于60℃反应0.5 h。冷至室温，减压除去溶剂，原位制得催化剂Cat［18］。加入1 85.5 mg(0.5 mmol)，2 91.4 mg(0.75 mmol)，正癸烷72 mg(0.5 mmol)，水5 mL和PEG-400 5 g，搅拌下于110℃(浴温)反应至终点(GC跟踪)。用乙醚萃取(水液简称A溶液)，有机层经硅胶柱层析(洗脱剂:石油醚)纯化得白色固体4-甲基联苯(3)，产率99%，m.p.46℃～47℃(42℃～45℃［21］);1H NMR δ:7.58(d，J=7.6 Hz，2H)，7.49(d，J=8.0 Hz，2H)，7.45～7.40(m，2H)，7.35～7.30(m，1H)，7.25(d，J=7.6 Hz，2H)，2.40(s，3H)。

1.3偶联反应的循环实验

在A溶液中加入K2CO3138.2 mg(1.0 mmol)，1 85.5 mg(0.5 mmol)，2 91.4 mg(0.75 mmol)和正癸烷72 mg(0.5 mmol)，搅拌下回流反应至终点(GC跟踪)。后处理同1.2。

2　结果与讨论

2.1 PEG种类及其用量对Suzuki反应的影响

考察PEG的种类及其用量对Suzuki反应的影响，结果见表1。从表1可见，当用水替代二氧六环为反应介质时(No.1)时，1的转化率为67%，明显低于在二氧六环中的转化率(No.10)，表明Cat在水相中的催化性能低于有机溶剂。以水为介质往往会遇到因底物在水中的溶解性不好而导致催化性能下降［20］。由此可见，带15个乙二醇单元氮杂环卡宾-膦配位Pd催化剂Cat的催化性能仍不够好，可能的原因是所带的PEG链不够长，导致其表面活性不能有效地促进底物在水中的溶解性。

本课题组尝试引入更长的PEG链，但由于合成困难目前还未实现，所以只能采取添加PEG为共同溶剂的方法来增加1在水中的溶解性。从表1还可见，不加Cat，1的转化率也较低(No.4);在相同的反应条件(No.2，No.3和No.5)，PEG-400的加入量达50%时，Cat的活性就恢复到在二氧六环介质中的水平，1的转化率达100%(No.3)。添加PEG-1000和PEG-2000对Cat催化Su-zuki反应也有同样的效果(No.7和No.8)，但添加PEG-6000时，Cat的催化活性有所下降(No.9)，这可能与PEG-6000的大分子量妨碍底物和催化剂发生有效碰撞所致。最佳的条件为增加50%的PEG-400。

表1　PEG种类及其用量对Suzuki反应的影响*Table 1　Effects of PEG kind and amount on Suzuki reaction

2.2 Cat用量对Suzuki反应的影响

鉴于Cat在50%的PEG-400水溶液中，Cat用量为1 mol%时反应1 h，1的转化率就达100%，故进一步研究了Cat的用量对Suzuki反应的影响，结果见表2。从表2可见，Cat用量降低至0.1 mol%时，在50%的PEG-400水溶液中反应3 h，1的转化率接近100%;进一步降低至0.01 mol%时，反应21 h，转化率57%，此时TON 达5 700。表明对于1这类惰性溴代芳烃底物，Cat在水相中具有较高的催化效率。

表2　Cat用量对Suzuki反应的影响*Table 2　Effect of Cat amount on Suzuki reaction

2.3 Cat的循环使用

为了进一步研究Cat的优点，研究了Cat用量为0.1 mol%时在水相中循环使用性能研究，结果见表3。从表3可见，Cat在第二次循环使用时，延长反应时间至21 h，1的转化率也高达99%，3的产率96%。但在第三次循环使用时催化效率显著下降，反应21 h，转化率仅32%，表明催化剂明显失活。

表3　Cat的循环使用*Table 3　Recycling of Cat

3　结论

研究了带有15个乙二醇单元PEG链的膦卡宾配位的钯催化剂在水和聚乙二醇介质的催化性能。结果发现:加入分子量为400～2000聚乙二醇对催化剂在水相中催化4-溴甲苯和苯硼酸偶联的性能有较大的促进作用，使其催化性能恢复到在二氧六环中水平;催化剂用量低至0.1 mol%时，反应3 h可促进反应基本完全转化，偶联产物的分离产率高达99%;循环实验表明:催化剂用量为0.1 mol%时，该催化体系可重复使用一次。合成带有更长PEG链的水溶性氮杂环卡宾配位的Pd催化剂的研究正在进行中。

参考文献

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Study on PEG-functionlized N-heterocyclic Carbene-phosphine Palladium Catalyst for Suzuki Coupling-Reaction in Aqueous Phase

JIA Li
(Key Laboratory of Polymer Materials of Fujian Province，Fujian Normal University，Fuzhou 350007，China)

Abstract:Studies of PEG-functionlized N-heterocyclic carbene-phosphine palladium catalyst［Cat(n=15)］for coupling 4-bromotoluene(1)with phenylboronic acid(2)in aqueous-phase have been carried out.Effects of PEG kinds and amount，Cat dosage on Suzuki coupling were investigateed.The results showed that 50%PEG-400 as co-solvent，the catalytic activities of Cat was similar with in 1，4-dioxane，and the conversion of 1 was nearly 100% at 110℃for 3 h at loading of 0.1 mol%，and was 57% at 0.01 mol% at 110℃for 21 h(TON 5 700).It was found that the Cat can be recycled and reused once at loading of 0.1 mol%.

Keywords:N-heterocyclic carbene; phosphine; PEG; squeous catalysis; Pd catalyst; Suzuki reaction

作者简介:贾莉(1962－)，女，汉族，陕西子长人，讲师，主要从事色谱分析与催化反应的研究。Tel.0591-83465343，E-mail:jiali_elite@126.com

基金项目:国家自然科学基金资助项目(20971023)

收稿日期:2015-04-07;

修订日期:2015-11-05

DOI:10.15952/j.cnki.cjsc.1005－1511.2015.12.1158 *

文献标识码:A

中图分类号:O623.615