空气下Fe3O4@PDA-Pd NPs催化Heck反应制备3-苯基丙烯酸酯

2020-06-10郭海昌郑人华蒋华江赵丹味徐振元夏爱宝

高校化学工程学报 2020年2期

郭海昌, 郑人华, 蒋华江, 赵丹味, 徐振元, 夏爱宝

(1. 浙江工业大学浙江省绿色农药清洁生产技术研究重点实验室，浙江杭州 310014; 2. 台州学院医药化工与材料工程学院, 浙江台州 318000)

1 前言

Heck偶联反应是有效构建新C─C键的重要方法[1]，可用于制备烯烃[2]、环烃[3]等不饱和化合物，在医药[4]、天然化合物[5]和新型材料[6]等合成中应用广泛，是一种绿色化学合成方法[7]。Heck反应常用的催化剂是均相钯，如醋酸钯、氯化钯等钯盐及其配合物，此类催化剂活性较高，缺点是反应时对氧气敏感、催化剂难以分离回收，因此人们发展了负载型的金属催化剂[8-9]。其中以磁性粒子为载体的催化剂具有催化活性高、易分离回收和重复使用等优点[10-14]，成为负载型金属催化剂的一个主要研究方向。磁性四氧化三铁粒子负载的纳米钯复合物在催化芳香卤代烃和丙烯酸衍生物或苯乙烯衍生物发生Heck反应时性能优良[11-13]，而且对其他反应如Suzuki偶联反应[14]、Sonogashira偶联反应[15]和脱氢反应[16]等也有优异的催化效果，成为磁性催化剂一个研究热点。缺点是其制备方法相对复杂，多数情况下在Heck反应中仍需氮气保护。

3-苯基丙烯酸衍生物是一种重要的化工中间体，在医药、农药、香料和材料等领域有着广泛的应用[17-18]。3-苯基丙烯酸衍生物的化学合成主要通过两种方法：一种是以芳香甲醛为原料和酸酐或丙二酸酯通过缩合反应得到；另一种是芳香卤代烃和丙烯酸酯在过渡金属催化下发生Heck反应得到。前者方法虽然简单，但局限于原料芳香甲醛的种类限制，很多时候并不能有效构建目标分子，此时通过Heck反应合成方法就显得尤为重要[19]。本文通过多巴胺自聚在Fe3O4粒子表面包裹一层聚多巴胺(polymer-dopamine， PDA)，制备出具有核壳结构的Fe3O4@PDA亚微球，再经酸处理使PDA中的氨基带上正电，在正负电荷作用下使PdCl42-吸附在PDA表面，经抗败坏血酸(维生素C)还原形成纳米钯粒子(palladium nanoparticles，Pd NPs)，制备出Fe3O4@PDA-Pd NPs复合物，制备方法相对简便；进一步将所得的复合物应用于催化碘代芳香化合物和丙烯酸酯的Heck反应，发现该反应条件温和、底物适应性较好，催化剂在外加磁场下即可分离，在空气环境下大多数底物以较高的产率制备出3-苯基丙烯酸酯化合物，可解决生产中隔绝空气的难题，因此该方法具有潜在的工业应用价值。

2 实验

2.1 实验材料与仪器

DF-101S集热式恒温磁力搅拌器；JEM-2100F透射电子显微镜；DynaCool-9振动样品磁强计；FULI 9790气相色谱仪；AVANCE III D 400核磁共振波谱仪。试剂均为市售分析纯。

2.2 Fe3O4@PDA亚微球负载纳米钯催化剂的制备步骤

2.2.1 Fe3O4亚微球的制备步骤

按文献[20]方法制备：乙二醇45 mL，醋酸钠3.64 g(44 mmol)，搅拌全部溶清后加入六水三氯化铁4.0 g (14.8 mmol)，搅拌溶解，再加入聚乙二醇(分子量4 000) 1.11 g，搅拌溶清后转入水合釜(100 mL)，置于200 ℃ 的烘箱，反应8 h，冷却后，外加磁铁(铷铁硼磁铁，表面高斯约2 000 Gauss，磁能积约35 MGOe，下同)分离固液，依次用去离子水25 mL×3、乙醇25 mL×3超声洗涤，固体保存于25 mL乙醇中(干燥后固体约1 g)。

2.2.2 Fe3O4@PDA亚微球的制备步骤

取0.15 g浓氨水溶于50 mL去离子水中，加入0.1 g Fe3O4(约2.5 mL乙醇Fe3O4混合液)、0.16 g盐酸多巴胺，超声分散均匀，40 ℃下机械搅拌24 h。反应结束，磁铁分离固液，依次用去离子水25 mL×3、乙醇25 mL×3超声洗涤，固体保存于25 mL乙醇中并氮气封存(干燥后固体约0.11 g)。

2.2.3 Fe3O4@PDA-Pd NPs催化剂的制备步骤

氯钯酸钠溶液配制：取氯化钯0.115 g (约0.65 mmol)，氯化钠0.076 g (约1.3 mmol)，缓慢滴加去离子水至8 g，加热至50 ℃ 溶清，制得氯钯酸钠溶液置于棕色瓶中备用。

Fe3O4@PDA负载纳米钯的方法：取上述Fe3O4@PDA磁铁分离固液，固体依次用去离子水25 mL、0.1 mol⋅L-1盐酸25 mL、去离子水25 mL、乙醇25 mL超声洗涤，加入乙醇40 mL、去离子水4 mL，10 ℃下机械搅拌，缓慢滴入氯钯酸钠溶液0.29 g，滴毕继续搅拌3 h，缓慢用针筒滴加60 mg抗坏血酸和6 mL去离子水组成的溶液，约20 min滴毕，滴毕继续反应2 h，磁铁分离固液，依次用乙醇25 mL、离子水25 mL×3、乙醇25 mL×3超声洗涤，固体保存于25 mL乙醇中并氮气封存(干燥后固体约0.1 g)。

2.3 Fe3O4@PDA-Pd NPs催化HECK反应步骤

Fe3O4@PDA-Pd NPs催化剂0.01 g (钯用量约为反应物的0.2% mol)，磁铁分离固液，N,N-二甲基甲酰胺5 mL×3超声洗涤，再加入N,N-二甲基甲酰胺3 mL，碘代芳香化合物1 mmol，丙烯酸酯2 mmol，三乙胺3 mmol，80 ℃下搅拌反应，气相色谱(gas chromatography，GC)跟踪反应，反应约3 h结束，磁铁分离固液，减压浓缩后柱层析(正己烷/乙酸乙酯 = 5/1)纯化即可得到产物。

3 实验结果与讨论

3.1 透射电镜分析

图1为Fe3O4@PDA-Pd NPs复合物透射电镜(transmission electron microscope， TEM)分析结果，由图可见制备得到的Fe3O4@PDA-Pd NPs复合物是以Fe3O4亚微球为核心的核壳结构，聚多巴胺层包裹在Fe3O4亚微球表面形成壳层，聚多巴胺厚度分布在80～90 nm，厚薄均匀，纳米钯颗粒均匀地分散在聚多巴胺层上。高倍透射电镜的图像显示，纳米颗粒晶格间距0.193 nm、0.225 nm分别对应钯的(200)、(111)晶面，可确定为钯(0)颗粒，其粒径主要分布在7～12 nm，平均粒径为9.2 nm。根据反应的投料量，Fe3O4@PDA-Pd NPs中钯的理论含量约为w = 2.5%，经电感耦合等离子体原子发射光谱仪测得实际钯含量为w = 2.3%，钯的吸附率＞ 90%，表明Fe3O4@PDA亚微球对钯的负载能力较高。

图1 Fe3O4@PDA-Pd NPs的透射电镜及Pd粒径统计 Fig.1 TEM images of Fe3O4@PDA-Pd NPs and Pd particle size distribution

3.2 磁性性能分析

图2中的曲线为室温(300 K)下Fe3O4、Fe3O4@PDA和Fe3O4@PDA-Pd NPs亚微球的磁滞回线，右下小图为Fe3O4@PDA-Pd NPs乙醇分散液在外加磁场作用下的分离效果图。由图可知，3种亚微球的最大磁饱和强度分别为75、 48和45 emu⋅g-1，矫顽力均为0。聚多巴胺层的存在使Fe3O4@PDA亚微球的最大磁饱和强度下降，负载上纳米钯后最大磁饱和强度又略为下降，但Fe3O4@PDA-Pd NPs仍具有超顺磁(矫顽力为0)特点，而且在外加磁铁下5 s内其乙醇分散液即可分离变清，说明该复合物在外加磁场下极容易分离，具有较好的磁响应性，因此在反应中具有易分散、易回收的优点。

图2 Fe3O4、Fe3O4@PDA 和Fe3O4@PDA-Pd NPs的磁性能Fig.2 Magnetic properties of Fe3O4, Fe3O4@PDA and Fe3O4@PDA-Pd NPs

3.3 Fe3O4@PDA-Pd NPs催化HECK反应的条件优化

参考负载型钯催化剂应用于Heck反应的文献报道[11-15]，将制备所得的Fe3O4@PDA-Pd NPs用于催化卤代芳香烃和丙烯酸酯发生Heck反应制备3-芳基丙烯酸酯化合物，在空气环境下，以碘苯和丙烯酸甲酯1：2摩尔比为模板，反应3 h (*表示反应2 h)，通过GC跟踪检测，对碱、反应温度、反应溶剂和催化剂用量作了优化。

首先，在100 ℃ 反应温度下，以甲苯为溶剂，在钯0.4%摩尔当量的催化剂用量下，考察了碱(3摩尔当量)对反应的影响，反应结果见表1。结果表明，碳酸钠、磷酸钾为碱时反应收率＜ 5%，反应几乎不进行，这可能是因无机类的碱在有机溶剂中不溶难以参与反应导致；而三乙胺为碱时，碘苯几乎完全反应。因此本实验所用的碱选用三乙胺。

然后，80 ℃ 的反应温度下，以三乙胺为碱，在钯0.4%摩尔当量的催化剂用量下，考察了溶剂对反应的影响，反应结果见表2。结果表明，溶剂对Heck反应影响较大，当以4-甲基吡啶为溶剂时不发生反应，当以N-甲基吡咯烷酮(NMP)和N,N-二甲基甲酰胺(DMF)为溶剂时反应比较完全，其他溶剂如二甲苯、1,4-二氧六环、二甲基亚砜(DMSO)时反应收率在70%～90%，反应的收率和溶剂的极性并无明显的关系。由于NMP沸点较高，溶剂浓缩不方便，因此本实验所用的溶剂选择DMF为宜。

接着，以三乙胺为碱，在钯0.4% 摩尔当量的催化剂用量下，考察了甲苯和DMF两种溶剂中反应温度对反应的影响，反应结果见表3。结果表明，随着反应温度下降，Heck反应收率迅速下降，说明Fe3O4@PDA-Pd NPs复合物的催化活性和反应温度有密切的关系。本实验选择相对温和的80 ℃作反应温度为宜，此温度下以DMF为溶剂2 h内反应即可完成。

最后，在上述优选条件的基础上，即反应温度80 ℃、三乙胺为碱、DMF为溶剂，考察催化剂Fe3O4@PDA-Pd NPs复合物的用量，反应结果见表4。结果表明，当催化剂减少到钯0.2% 摩尔当量(0.01 g)时，反应速度略为下降，反应时间需延长1 h反应才能完全；当催化剂继续减少到钯0.1% 摩尔当量(0.005 g)时，反应速度明显下降，反应3 h收率仅70% 左右。因此本实验催化剂Fe3O4@PDA-Pd NPs复合物的用量用钯0.2% 摩尔当量(0.01 g)。

表1 碱对反应的影响 Table 1 Effects of different alkali on yields

表2 溶剂对反应的影响 Table 2 Effects of different solvents on yields

表3 温度对反应的影响 Table 3 Effects of temperature on yields

表4 催化剂用量对反应的影响 Table 4 Effects of catalyst dosage on yields

3.4 Fe3O4@PDA-Pd NPs催化HECK反应的底物拓展

在Fe3O4@PDA-Pd NPs催化碘苯和丙烯酸甲酯制备3-苯基丙烯酸甲酯的优化条件基础上，即在空气环境下，反应温度80 ℃、三乙胺为碱、DMF为溶剂、催化剂用量0.01 g，考察Fe3O4@PDA-Pd NPs复合物催化不同丙烯酸酯、不同卤代芳香烃对Heck反应的影响，以最终的分离收率作比较，结果分别见表5、表6，所得产物均经核磁共振确认。

在Fe3O4@PDA-Pd NPs催化不同丙烯酸酯和碘苯发生Heck反应时，结果表明：丙烯酸酯的烷氧基大小对反应略有影响，产物以E式为主，收率均在80% 以上；取代基为苄基时(表5，Entry 5)，有约10% 的顺式产物，和通常情况下取代基越大E式产物越多不相符合；当丙烯酸酯的2位有取代基时(表5，Entry 6)反应收率仍能高达88%，似乎也不影响Heck反应的活性，这可能与催化剂表面的吸附性能有关，说明Fe3O4@PDA-Pd NPs对不同丙烯酸酯底物的耐受性良好。在Fe3O4@PDA-Pd NPs催化不同卤代芳香烃和丙烯酸甲(乙)酯发生Heck反应时，结果表明：当卤代芳烃为溴苯或氯苯时，反应活性大幅下降，其中氯苯与丙烯酸甲酯不发生Heck反应(表6，Entry 2)，溴苯为原料时仅有25% 的反应收率，温度升高到120 ℃ 后，溴苯也能顺利发生反应(表6，Entry 1)；碘苯的对位无论是含推电子取代基还是吸电子取代基对反应的影响不是很明显，收率均在80% 以上，没有呈现出吸电子效应越大反应活性越高的规律[13]，说明Fe3O4@PDA-Pd NPs对官能团的耐受性很好；对比对位取代碘苯，当碘苯的邻位有取代基时其收率明显下降，下降幅度超过20% (表6，Entry 5, 10)，当碘苯的间位有取代基时其收率也有约10% 的下降(表6，Entry 6, 8)，说明卤代芳香化合物上的位阻效应对反应影响较大。