水溶性膦配体两相催化反应的研究进展*

陈 维

(浙江医药高等专科学校，浙江 宁波 315100)

近三十年来水溶性膦配体的出现和发展极大推动了对以水溶性过渡金属有机配合物为催化剂的水/有机两相催化反应的研究和应用。根据膦配体结构中亲水基的不同, 可将水溶性膦配体按表面活性剂的分类，分为阴离子型、阳离子型、两性、非离子型四类，其中阴离子型的水溶性膦配体最为常见[1]，特别是含磺酸基的TPPTS(间-三苯基膦三磺酸钠盐)已在丙烯的氢甲酰化反应、α,β-不饱和醛的选择性氢化、交叉偶联反应等催化反应中获得应用, 较好地解决了均相络合催化反应中催化剂分离难的问题[2-3]。本文对近年来几种重要的水溶性膦配体及其过渡金属配合物在两相催化反应中的最新研究进展进行综述。

1 催化交叉偶联反应

近年来一些新的水溶性膦配体的应用，如亲水性单膦配体，双膦配体等，水溶性膦-钯配合物催化的偶联反应取得了很大的进展[4]。1990年，Calabrese等[5]首次通过磺化修饰传统的膦配体获得水溶性膦配体用以催化水相偶联反应(如图1所示)。

图1 磺化膦配体Fig.1 Sulfonated phosphorus ligands

1997年，Beller等报道了糖类取代的三芳基膦配体催化的两相Heck和Suzuki反应，并且在相同反应条件下，收率和催化活性均优于TPPTS(间-三苯基膦三磺酸钠盐)[6],如图2所示。

图2 糖类取代的三芳基膦配体催化的两相Heck和Suzuki反应Fig.2 Efficient two-phase Heck and Suzuki couplings,using carbohydrate-substituted triarylphosphanes ligands

2003年，Shaughnessy等[7]报道了水溶性磺化膦配体(TXPTS)-钯配合物在水相和室温条件下，高效的催化一步直接Suzuki芳基化反应(如图3所示)。相对于TPPTS(间-三苯基膦三磺酸钠盐)，TXPTS由于位阻更大，催化活性更高，反应能在室温下30 min内获得95%以上的转化率。

图3 水溶性膦配体-钯配合物高效催化一步直接Suzuki芳基化反应Fig.3 Efficient one-step Suzuki arylation, using water-soluble palladium catalysts

2004年，Shaughnessy等[8]又报道了大位阻的水溶性磺化膦配体(TXPTS)-钯配合物在水相中，高效催化芳基溴的Heck和Suzuki反应(如图4所示)。

图4 水溶性膦配体(TXPTS)-钯配合物高效催化芳基溴的Heck 和Suzuki反应Fig.4 Efficient aqueous-phase Heck and Suzuki couplings of aryl bromides using TXPTS

2005年，Buchwald等[9]报道了比TXPTS位阻更大的邻位二异丙基取代的芳基膦配体，通过该大位阻水溶性磺化联苯膦配体-钯配合物在水中成功的实现了催化低活性芳基氯和挑战性高位阻底物的高难度Suzuki和Sonogashira反应(如图5所示)。

图5 水中催化芳基氯的 Suzuki和Sonogashira反应Fig.5 Suzuki and Sonogashira coupling reactions of aryl chlorides in water

2002年，Savignac等[10]报道了新型水溶性羧基官能团化的膦配体(m-TPPTC)-钯配合物在水相中，高效催化分子内和分子间Heck反应(如图6所示)。

图6 水溶性膦配体催化分子间Heck反应Fig.6 Water-soluble phosphanes and applications in intramolecular Heck reactions

2004年，Shaughnessy等[11]报道了新型水溶性季铵盐取代的大位阻烃基膦配体，该配体具有双叔丁基大位阻基团和季铵盐水溶性官能团，水相中催化偶联反应的效率显著高于传统的TPPTS(间-三苯基膦三磺酸钠盐)。该水溶性季铵盐大位阻烃基膦配体和钯配位，在水相中较温和的条件下(室温到50 ℃范围内)成功催化芳基溴的Heck，Suzuki和Sonogashira等交叉偶联反应(如图7所示)，而且该催化剂可循环催化四次以上。

图7 水溶性大位阻烃基膦配体高效催化芳基溴的Heck,Suzuki和Sonogashira反应Fig.7 Efficient aqueous-phase Heck, Suzuki and couplings of aryl bromides, using water-soluble, sterically demanding alkylphosphines

2005年，De Jesús等[12]报道了新型冠醚功能化的膦配体，通过冠醚取代，该膦配体具有一定的水溶性，可在水相中催化芳基碘的Stille偶联反应(如图8所示)。

图8 冠醚膦配体在水中催化芳基碘的Stille反应Fig.8 Stille coupling of aryl iodides in water, using crown ether phosphane ligands

2006年，De Jesús等[13]又报道了冠醚膦配体在氢氧化钠水溶液中催化芳基溴和芳基硅酸酯的偶联反应(如图9所示)。

图9 冠醚膦配体-钯配合物在氢氧化钠水溶液中催化芳基溴和芳基硅酸酯的偶联反应Fig.9 Coupling reactions of aryl bromides and arylsiloxanes in water catalyzed by palladium complexes of crown ether phosphane ligands

2000年，Stelzer等[14]报道了含胍基和磷酸盐官能团的水溶性芳基膦配体，及其催化的 P-C偶联和Suzuki反应(如图10所示)。

图10 两相Suzuki和P-C偶联反应Fig.10 Two-phase Suzuki and P-C coupling reactions

2003年和2004年，Plenio等连续报道了聚合物MeOPEG负载和双金刚烷取代的膦配体，及其钯配合物催化两相Sonogashira[15]和Suzuki偶联反应[16](如图11所示)，聚乙二醇衍生物官能团化使得该膦配体具有一定的水溶性，双金刚烷取代所带来的巨大空间位阻让该膦配体具有很高的催化活性，对于钝化的芳基氯底物Suzuki偶联反应仍具有较高的转化率，且可循环催化六次。

图11 MeOPEG取代的膦配体催化两相Sonogashira偶联反应Fig.11 Biphasic Sonogashira Coupling, Using MeOPEG-Bound Phosphine-Palladium Catalysts

2017年，Jiang等[17]报道了TPPTS作为水溶性配体，K2PdCl4为钯源，HCOONa作为还原剂生成的的钯纳米粒(PdNPs)催化剂，在室温下水相中高效催化Suzuki反应。通过对催化机制的深入研究，揭示了TPPTS作为配体对该水相可分散的钯纳米粒(PdNPs)催化剂起到了关键的稳定和活化作用。研究还发现，偶联反应的活性主要由钯纳米粒(PdNPs)的大小决定。该反应体系中，由HCOONa还原所得的最小(约1.5纳米直径)钯纳米粒(PdNPs)具有最高的催化活性(如图12所示)。

图12 TPPTS稳定的钯纳米粒室温下催化水相suzuki偶联反应Fig.12 PdNPs stabilized by TPPTS for aqueous phase room temperature suzuki coupling

2 催化氢甲酰化反应

2019年，Yuan等[18]报道了水溶性膦配体(BISBIS或TPPTS)-铑配合物在聚乙二醇(PEG)中非水两相催化长链烯烃的氢甲酰化反应。其中，反应在PEG-200条件下效率最高，以15 min获得95%以上转化率，催化剂和PEG-200均能方便的分离。铑的金属流失在产品中低于0.06wt%(如图13所示)。

图13 BISBIS(或TPPTS)-铑配合物催化的非水两相氢甲酰化反应Fig.13 Nonaqueous Biphasic hydroformylation catalyzed by BISBIS(or TPPTS)-rhodium complex

2019年，Zheng等[19]报道了水溶性膦配体(TPPTS)-铑配合物在甲醇中催化均相长链烯烃的氢甲酰化反应及催化剂循环研究。反应结束后，通过离心就能方便的将催化剂分离出来。该催化反应体系可循环催化五次，催化活性无明显降低，且产物中的铑金属流失低于0.03%(如图14所示)。

图14 TPPTS-铑配合物催化的均相氢甲酰化反应Fig.14 Homogeneous hydroformylation catalyzed by TPPTS-rhodium complex

3 催化氢化反应

图15 水溶性钌(II)-膦配合物催化氢化肉桂醛Fig.15 Hydrogenation of cinnamaldehyde catalyzed by a water-soluble Ru(II)-phosphine complex

4 结 语

近年来，新型水溶性膦配体的研究，催化反应机理及应用研究都取得了令人瞩目的成绩，开发出了大位阻磺化膦配体、天然碳水化合物取代的膦配体、聚醚基取代的膦配体、羧基官能团取代的膦配体、水溶性季铵盐大位阻烃基膦配体、冠醚取代膦配体、磷酸盐官能团化膦配体等类型的优良水溶性膦配体。这些新型水溶性膦配体的研究一方面是对于原有膦配体通过增大位阻和调节电子效应的改造获得活性更高的新配体，另一方面通过将新型水溶性官能团引入膦配体获得不同催化性能的水溶性膦配体。与此同时，催化机理研究方面例如水溶性膦配体和过渡金属形成的水相可分散的钯纳米粒(PdNPs)对催化剂活性起到了关键的稳定和活化作用等研究，水相催化剂回收和循环催化研究都取得了很大的进展。

水溶性膦配体的研究又大力推动了水相有机金属催化和绿色化学的发展。水溶性膦配体与过渡金属配合物为催化剂的水/有机两相催化反应的研究已经涵盖加氢反应、Heck反应、Suzuki反应、Sonogashira反应、Stille反应、烯烃的氢甲酰化反应等。随着绿色化学的发展潮流和对水/有机两相催化研究的不断深入，将开发出更多功能化的水溶性膦配体，从而进一步扩展水溶性膦配体的研究和应用[1]。