PEG-400/H2O中无配体条件下卤代芳烃与芳基硼酸交叉偶联反应的研究

2020-04-15匡仁云张振兴沈玉君谢宝星唐伯孝

井冈山大学学报(自然科学版) 2020年1期

匡仁云，张振兴，黄翔，沈玉君，邹红，谢宝星，唐伯孝

匡仁云1,2，张振兴1，黄翔1，沈玉君1，邹红1，谢宝星1，*唐伯孝1,2

（1. 井冈山大学化学化工学院，江西，吉安 343009；2. 江西省配位化学重点实验室应用化学研究所，江西，吉安 343009）

在无配体条件下，以聚乙二醇（PEG-400）和水为反应介质，醋酸钯为催化剂，卤代代芳烃和芳基硼酸通过交叉偶联反应合成一系列联苯类化合物（3a~3h）, 其结构经1H NMR和13C NMR表征，交叉偶联产率为30%~99%。PEG和水作为反应溶剂减少了对环境污染，实现了偶联反应的绿色化。

PEG/H2O；无配体；Suzuki-Miyaura偶联；绿色化学

0 引言

过渡金属催化构建C-C键已成为有机合成的有效手段之一，在现代有机反应中扮演着重要角色[1-2]。在这些研究方法中，Suzuki-Miyaura反应因为良好的选择性和偶联收率，已经发展成为一种具有实际应用价值的合成方法[3-4]。大多数Suzuki-Miyaura偶联反应研究方向主要集中在配体、有机溶剂等方面[5-8]。例如，Karami 等研究人员，以膦配体和氯化钯为催化体系，在温和条件下实现了Suzuki-Miyaura偶联反应[9]。随着学者对原子经济性和环保的认知不断提高，绿色介质使用、催化剂循环已经成为该领域的研究热点[10-15]。Korolev 研究小组发现，以纯水为反应介质，PdCl2-EDTA 催化体系，K2CO3为碱，碘代芳烃的Suzuki-Miyaura偶联收率还不错，但溴代芳烃的偶联反应活性要差一些[16]。总之，Suzuki-Miyaura偶联反应在配体、催化剂循环和绿色化学方面已取得较好的研究成果，但在某些方面仍然存在一些瑕疵，比如，催化体系复杂且昂贵、反应底物局限性等，这些问题都会影响Suzuki-Miyaura偶联的实际应用价值。因此，发现一些简单、经济、绿色的催化体系，仍然是这一研究领域的良好策略。

聚乙二醇（PEG）高温下稳定而不易挥发，并且可生物降解和无毒副作用，它是一类对环境友好的反应介质[17]。我们研究小组一直致力于绿色介质中偶联反应的研究，也取得了一些研究成果[18-19]。最近的研究发现，在无配体的条件下，以PEG /H2O为反应介质，Pd(OAc)2能够有效催化溴代和氯代芳烃的Suzuki-Miyaura反应, 并能够得到30%~99%的偶联收率。

1 实验部分

1.1 试剂和仪器

芳基苯硼酸、卤代烃、Pd2(OAc)2等试剂从百灵威化学公司购买（分析纯），K2CO3、EtN3、KOAC、NaOH、PEG、石油醚等从国药集团公司购买（化学纯），以上试剂未经纯化直接使用。核磁共振仪：AVANCE Ⅲ HD 400（厂家：Bruker）。

1.2 Suzuki-Miyaura偶联反应及产物表征

在反应管中依次加入卤代芳烃（0.5 mmol），芳基硼酸（0.6 mmol），醋酸钯（0.015 mmol），NaHCO3（1.0 mmol），PEG-400（0.5 g）和H2O（0.5 g），在100 ℃油浴下反应，TLC跟踪反应，反应完成后，冷却降至室温，加入饱和食盐水15 mL，用乙酸乙酯萃取（10 mL×3），分液，有机相用无水MgSO4干燥，过滤后减压蒸去乙酸乙酯得到粗产物，经柱色谱分离得到偶联产物3。

4-甲基-4'-甲氧基联苯(3a)：1H NMR (400 MHz, CDCl3) δ 7.50 (d,= 8.6 Hz, 2H), 7.44 (d,= 8.0 Hz, 2H), 7.21 (d,= 8.0 Hz, 2H), 6.95 (d,= 8.6 Hz, 2H), 3.82 (s, 3H), 2.37 (s, 3H);13C NMR (100 MHz, CDCl3) δ 158.89, 137.92, 136.31, 133.70, 129.41, 127.91, 126.54, 114.12, 55.29, 21.02.

4-硝基联苯(3b)：1H NMR (400 MHz, CDCl3) δ 8.27 (d,= 8.8 Hz, 2H), 7.71 (d,= 8.8 Hz, 2H), 7.61 (d,= 6.8 Hz, 2H), 7.51 – 7.41 (m, 3H);13C NMR (100 MHz, CDCl3) δ 147.51, 146.98, 138.64, 129.07, 128.85, 127.69, 127.29, 124.00.

4-乙酰基联苯(3c)：1H NMR (400 MHz, CDCl3) δ 8.01 (d,= 8.4 Hz, 2H), 7.66 (d,= 8.4 Hz, 2H), 7.61 (d,= 7.0 Hz, 2H), 7.47 – 7.24 (m, 3H), 2.62 (s, 1H);13C NMR (100 MHz, CDCl3) δ 197.67, 145.67, 139.76, 135.75, 128.88, 128.83, 128.16, 127.18, 127.12, 26.56.

4-甲氧基联苯(3d)：1H NMR (400 MHz, CDCl3) δ 7.55 – 7.50 (m, 4H), 7.39 (t,= 7.6 Hz, 2H), 7.28 (t,= 7.4 Hz, 1H), 6.96 (d,= 8.8 Hz, 2H), 3.82 (s, 3H);13C NMR (100 MHz, CDCl3) δ 159.11, 140.78, 133.72,128.68, 128.10, 126.69, 126.61, 114.17, 55.27.

2-甲基-4'-甲氧基联苯(3e)：1H NMR (400 MHz, CDCl3) δ 7.25– 7.17 (m, 6H), 6.93 (d,= 8.6 Hz, 2H), 3.82 (s, 3H), 2.26 (s, 3H);13C NMR (100 MHz, CDCl3) δ 158.47, 141.50, 135.41, 134.33, 130.25, 130.20, 129.85, 126.92, 125.71, 113.44, 55.19, 20.49.

3-甲基-4'-甲氧基联苯(3f)：1H NMR (400 MHz, CDCl3) δ 7.50 (d,= 8.8 Hz, 2H), 7.35 – 7.27 (m, 3H), 7.11 (d,= 7.2 Hz, 1H), 6.95 (d,= 8.8 Hz, 2H), 3.82 (s, 3H), 2.39 (s, 3H);13C NMR (100 MHz, CDCl3) δ 159.04, 140.77, 138.22, 133.85, 128.59, 128.11, 127.51, 127.38, 123.81, 114.10, 55.26, 21.51.

1-(4-甲氧基苯基)萘(3g)：1H NMR (400 MHz, CDCl3) δ 7.92 (d,= 8.2 Hz, 1H), 7.87 (d,= 7.8 Hz, 1H), 7.81 (d,= 8.2 Hz, 1H), 7.50 – 7.37 (m, 6H), 7.00 (d,= 8.8 Hz, 2H), 3.85 (s, 3H);13C NMR (100 MHz, CDCl3) δ 158.91, 139.87, 133.81, 133.08, 131.80, 131.07, 128.22, 127.29, 126.87, 126.03, 125.88, 125.66, 125.37, 113.68, 55.28.

4-甲氧基-4'-氯联苯(3h)：1H NMR (400 MHz, CDCl3) δ 7.47 – 7.43 (m, 4H), 7.35 (d,= 8.6 Hz, 2H), 6.95 (d,= 8.8 Hz, 2H), 3.82 (s, 3H);13C NMR (100 MHz, CDCl3) δ 159.32, 139.21, 132.61, 132.41, 128.79, 127.96, 127.87, 114.27, 55.29.

2 实验结果与讨论

2.1 Suzuki-Miyaura偶联反应条件优化

以4-甲基溴苯（1a）与4-甲氧基苯硼酸（2a）交叉偶联反应为模板, 在无配体条件下，以Pd(OAc)2作为催化剂，研究了聚乙二醇的种类、不同碱和反应温度对交叉偶联反应的影响（如表1所示）。首先，考察了PEG类型对交叉偶联反应的影响，其中PEG-400/H2O反应体系表现出最好的反应活性, 其他PEG/H2O反应体系的反应活性较差, 交叉偶联产率较低（entries 1-4）。我们考察了不同碱对交叉偶联反应的影响，实验结果表明NaHCO3的交叉偶联产率最高，NaOH的交叉偶联产率最低（entries 5-8）。最后考察了不同温度对交叉偶联反应的影响，当反应温度是90℃和110℃时，交叉偶联产率都有所下降，分别为82％和70％（entries 9, 10）。

表1 4-甲基溴苯和4-甲氧基苯硼酸交叉偶联反应条件的筛选a

Reaction condition: 1a (0.5 mmol), 2a (0.6 mmol), Pd(OAc)2(0.015 mmol), base (1.0 mmol), water (0.5 g), PEG (0.5 g), 100 °C, air and 10 h;Isolated yield

2.2 Suzuki-Miyaura偶联反应底物拓展

在最佳的反应体系PEG-400/H2O中，选择了一系列溴、氯代芳烃与芳基硼酸进行交叉偶联反应，实验结果见表2。在无配体的条件下，含有吸电子基团卤代芳烃的反应活性比含有给电子基团芳烃要好（entries 1-6）。例如，当溴代芳烃上含有硝基时，交叉偶联产率可达99%。但是，当溴代芳烃上含有甲氧基时，其产率下降到84%（entries 1，4）。由于C-Cl键比C-Br键牢固，不容易断裂，在交叉偶联反应中，氯代芳烃的反应活性比溴代芳烃要差，而且交叉偶联反应条件也要苛刻（entries 5，6）。然后选取4-甲氧基溴苯与不同芳基硼酸反应，实验结果表明不同芳基硼酸的反应活性相差不大，都能够得到85%以上交叉偶联收率（entries 7-12）。实验发现，当用邻、间、对位有甲基的芳基硼酸分别进行交叉偶联反应时，它们的交叉偶联产率相差无几，这一实验结果说明位阻效应对交叉偶联反应影响不大（entries 8-10）。

表2 不同反应底物的Suzuki-Miyaura偶联a

Reaction condition: 1 (0.5 mmol), 2 (0.6 mmol), Pd(OAc)2(0.015 mmol), NaHCO3(1.0 mmol), water (0.5 g), PEG-400 (0.5 g), 100 °C and air;Isolated yield;1 (0.5 mmol), 2 (0.75 mmol), Pd(OAc)2(0.02 mmol), NaHCO3(1.0 mmol), water (0.4 g), PEG-400 (0.6 g), 100 °C and air

3 小结

在Pd(OAc)2(0.015 mmol)为催化剂，NaHCO3(1.0 mmol)为碱，PEG-400 (0.5 g)/H2O (0.5 g)为反应介质，无需任何配体的条件下，发展了一种溴、氯代芳烃与芳基硼酸交叉偶联的新方法，交叉偶联产率30%~99%。同时，PEG的难挥发性、可降解、无毒等优点与传统有机溶剂相比，减少了对环境的污染，实现了Suzuki-Miyaura偶联反应的绿色化。

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LIGAND-FREE CROSS-COUPLING REACTIONS OF ARYL HALIDES WITH ARYLBORONIC ACIDS IN PEG-400/H2O

KUANG Ren-yun1,2, ZHANG Zhen-xing1, HUANG Xiang1, SHEN Yu-jun1, ZOU Hong1, XIE Bao-xin1,*TANG Bo-xiao1,2

(1. School of Chemistry and Chemical Engineering, Ji’an,Jiangxi 343009, China; 2. The key Laboratory of Coordination Chemistry of Jiangxi Province, and Institute of Applied Chemistry, Jinggangshan University, Ji’an, Jiangxi 343009, China)

Using PEG-400/H2O as the reaction medium and Pd(OAc)2as the catalyst, a series of biphenyl compounds (3a~3h) were synthesized by the cross-coupling reactions of aryl halides with arylboronic acids under ligand-free conditions. The structures were characterized by1H NMR and13C NMR, and the yield of the cross-coupling were 30%~99%. PEG/H2O as reaction solvent can reduce environmental pollution and realize green coupling reaction.

PEG/H2O; ligand-free; Suzuki-Miyaura coupling; green chemistry

1674-8085(2020)01-00025-05

O645.11

10.3969/j.issn.1674-8085.2020.01.006

2019-09-12；

2019-11-27

国家自然科学基金项目(21563015)；江西省教育厅科技计划项目(GJJ170656)；国家级大学生创新创业训练计划项目(201910419008)

匡仁云(1974-)，男，江西吉安人，高级实验师，硕士，主要从事有机合成方法学的研究 (E-mail: kuagrenyun@163.com);

张振兴(1998-)，男，江西鹰潭人，井冈山大学化学化工学院化学工程与工艺专业2016级本科生(E-mail:1258405442@qq.com);

黄翔(1998-），男，江西萍乡人，井冈山大学化学化工学院材料化学专业2016级本科生(E-mail:1203574208@qq.com);

沈玉君(1998-)，女，福建诏安人，井冈山大学化学化工学院应用化学专业2016级本科生(E-mail:1305691795@qq.com);

邹红(1998-)，女，江西吉安人，井冈山大学化学化工学院化学（师范）2017级本科生(E-mail:1409055828@qq.com);