基于Pickering乳液的芳香胺“一锅”Suzuki-Miyaura偶联反应研究

张明，冯振东，邹后兵

（山西大学 化学化工学院，山西 太原 030006）

0 引言

芳香重氮盐作为亲电试剂与多种富电子化合物的偶联反应是有机合成中增长碳链的重要方法，也是近年来的研究热点[1-3]。与传统的卤代芳烃相比，芳基重氮盐具有更高的活性、选择性，并且反应条件更为温和，不仅如此，芳香重氮盐还易于由相应芳香胺类化合物制备得到，价格更为低廉。然而，芳基重氮盐不稳定，易分解生成酚和氮气，通常在使用过程中需要引入稳定剂，但是，这不仅为产品的纯化带来困难，而且增加反应成本[1]。因此，研究反应过程更加高效、绿色的偶联反应依然是一项具有挑战性的课题。

近年来，众多科学家将目光投向以重氮盐为反应中间体的“一锅”偶联反应中，并取得了一定的研究进展[4-6]。例如，北京大学王剑波教授课题组以钯为催化剂，芳香胺为初始反应底物，通过“一锅”反应将所生成的中间产物重氮盐与芳基硼酸进行偶联，成功合成联芳基化合物，产率约在30%～80%之间[7]。Matthieu Teci等报道了一种用乙腈作溶剂，四丁基碘化铵作添加剂的芳香胺“一锅”多步偶联反应，其反应机理同样是芳香胺首先在酸性条件下转化为芳基重氮盐，再进一步顺利地进行偶联反应[8]。显然，这种芳香胺“一锅”串联反应不仅操作步骤简单，而且无须对反应中间体进行分离与提纯，合成效率较高。然而目前所报道的以重氮盐为反应中间体的“一锅”偶联反应大都发生在均相反应体系，贵金属Pd催化剂回收困难，难以实际应用。

Pickering乳液是一种由固体颗粒稳定的乳液，相比于传统的表面活性剂乳液，具有更高的热稳定性和限域能力[9-15]。我们课题组利用Pickering乳滴的这种界面限域效应，首次报道了将不兼容的酸碱催化剂分别限域在两个乳滴中，避免了直接接触，而连续相中的反应物分子在无搅拌的条件下自发扩散到各个乳滴的界面，进而实现脱缩-还原、脱缩-诺文葛尔反应、脱缩-亨利反应等酸碱“一锅”串联反应[16-17]。因此，本文利用这种策略，进一步将HCl和K2CO3两种不兼容的试剂各自限域在不同的乳滴中，实现了芳香胺的“一锅”Suzuki-Miyaura偶联反应。如图1所示，将分别限域酸碱的乳液通过层叠的方式加入同一反应器内，苯胺首先在包覆盐酸和亚硝酸钠的乳滴界面发生反应，生成芳基重氮盐，再扩散至包覆了碳酸钾溶液的乳滴界面与芳基硼酸由钯催化发生偶联反应，生成联芳基化合物。此外，该反应过程将均相的酸碱催化剂以液滴的形式分别进行“固载”，能够同时兼具均、多相反应的特点，在确保高反应活性的同时，能够实现催化剂的多次循环反应。

图1 基于Pickering乳液的芳香胺“一锅”Suzuki-Miyaura偶联反应示意图Fig.1 Schematic illustration of“one-pot”Suzuki-Miyaura cross-coupling of aromatic amines based on Pickering emulsion

1 实验部分

1.1 主要试剂和仪器

试剂：正硅酸四乙酯（TEOS，AR），TX-10，正辛基三甲氧基硅烷（质量百分数99%），三氨丙基三乙氧基硅烷（AR），甲基三甲氧基硅烷（AR），十二烷（质量百分数98%），苯胺（AR）购于阿拉丁试剂公司（中国上海）。苯硼酸（AR），4-甲基苯硼酸，4-叔丁基苯硼酸，对酰基苯硼酸，2-甲氧基苯硼酸，4-氯苯硼酸，无水乙醇购于国药控股化学试剂有限公司（中国）。

仪器：透射电子显微镜（TEM，JEOL-JEM-2000EX）；接触角测量仪（KRUSS DSA100）；气相色谱仪（Agilent，HP-5）；氮气物理吸附仪（MicromeriticsASAP 2020）。

1.2 实验方法

1.2.1 界面活性纳米SiO2实球制备

首先，采用文献中改进的Stöber法合成粒径约为60 ～ 80纳米尺寸的SiO2实球[18]。然后，在50 mL Schlenk反应管中称取所制备的SiO2实球1.5 g并置于120oC烘箱中干燥至少2 h，接着加入10 mL甲苯，在超声分散仪和磁力搅拌器上超声、搅拌数分钟，使其均匀的分散在甲苯中，随后加入4.5 mmol甲基三甲氧基硅烷（0.6130 g）和4.5 mmol三乙胺（0.4554 g），于120℃油浴回流4 h，离心分离得到白色固体，分别用甲苯和乙醇洗涤2～3次，烘干得到白色的界面活性纳米SiO2实球。

1.2.2 界面活性纳米SiO2实球负载Pd纳米颗粒

称取0.5 g上述界面活性纳米SiO2实球，置于100 mL圆底烧瓶，加入25 mL水和25 mL无水乙醇，在超声分散仪和磁力搅拌器上超声、搅拌数分钟，使其分散均匀，于50℃水浴中搅拌15 min，加入前驱体四氯钯酸钠13.8 mg，搅拌4 h后，滴加预先配置的硼氢化钠溶液2 mL（0.1 mol/L），搅拌6 h后，离心分离，用乙醇反复洗涤3～4次，于80℃真空干燥箱中干燥6 h，得到灰黑色固体催化剂。

1.2.3 芳香胺与苯硼酸的“一锅”Suzuki-Miyaura偶联反应

限域酸催化剂的Pickering乳液制备：预先配制0.25 mol/L芳香胺溶液（甲苯为溶剂）、0.75 mol/L的NaNO2水溶液和0.9 mol/L的HCl水溶液备用。在4 mL的离心管中称取30 mg负载Pd的甲基化SiO2实球催化剂，加入1 mL芳香胺溶液，并向其中加入20 μL十二烷（其作用是作为气相色谱分析的内标），超声分散均匀形成悬浮液。再各取1 mL制备好的HCl溶液和NaNO2溶液均匀混合后，加上述悬浮液中，用力摇晃，得到浅黄色乳液。

限域碱催化剂的Pickering乳液制备：预先配置0.3 mol/L苯硼酸溶液（V甲苯∶V乙醇=2∶1为溶剂）和0.25 mol/L的K2CO3水溶液备用。在4 mL离心管中称取30 mg负载Pd的甲基化SiO2实球催化剂，加入1 mL苯硼酸溶液，超声分散均匀，再加入2 mL K2CO3溶液，用力摇晃成乳，得到灰色乳液。

“一锅”Suzuki-Miyaura偶联反应：在10 mL的玻璃瓶中，吸取一定量的限域酸催化剂的芳香胺乳液，缓慢地滴到玻璃瓶底，再吸取一定量的限域碱催化剂的苯硼酸乳液，缓慢地滴加到芳香胺乳液上层，随后循环交替地滴加芳香胺乳液和苯硼酸乳液，构建4+3层乳液反应体系。将上述反应体系在不同温度下静置4～12 h，转移至高速离心机中离心分离，以破坏乳液体系，吸取上层有机层。下层水相用甲苯萃取2～3次，合并所有的有机相，加入适量的干燥剂除去其中残留的水，在气相色谱中分析结果，并计算目标产物的产率（GC的柱温条件为80℃保持10 min，25℃/min升温至180℃后保持6 min）。将洗涤干燥后的负载Pd的催化剂重新成乳，重复构建上述串联反应体系，分析目标产物的产率和催化剂的循环性能。

2 分析和讨论

2.1 界面活性纳米SiO2材料表征

通过透射电镜照片观察界面活性纳米SiO2的结构（图2a），可以清晰看到所制备的界面活性SiO2纳米球的平均直径在60 nm左右，尺寸均匀，形貌清晰，无明显粘连现象，基本满足Pickering乳液的成乳条件，而图2b可以清晰地看出Pd纳米颗粒成功地负载在SiO2纳米球表面。图2c是界面活性SiO2的氮气吸附-脱附曲线，从图中可以明显地看出材料的N2吸附曲线为典型的Ⅱ型，在整个压力范围内的N2吸附量都很小，通过BET计算获得其比表面积为46 m2·g-1，说明其不具备孔道结构，为所需制备的SiO2实球。之所以所制备的SiO2具有界面活性，是因为经过表面修饰使其表面同时存在-OH和-CH3两种基团，使其具有两亲性，为了证明其表面确实存在上述两种基团，进一步对修饰前和修饰后的两种SiO2分别做红外光谱测试（图2d），结果显示SiO2实球在修饰前和修饰后均存在-OH的特征吸收峰（＞3 000 cm-1），而甲基修饰后的SiO2实球表面存在2 850 cm-1～2 950 cm-1的C-H伸缩振动特征吸收峰，证明其表面存在-CH3基团。对修饰后的SiO2实球进行热重分析，得到的TG曲线如图2e所示，其中300oC～600oC的失重约为6.4%，主要是材料表面的有机硅烷分解导致，并由此可以计算出修饰后SiO2实球表面甲基含量约为0.43 mmol·g-1。

图2 （a）界面活性SiO2TEM图，（b）负载Pd的SiO2TEM图，（c）N2吸脱附曲线，（d）红外光谱图，（e）TG曲线Fig.2 （a）TEM images of SiO2，（b）TEM images of SiO2loaded with Pd catalyst，（c）N2adsorption-desorption isotherms，（f）FT-IR spectra of materials，（e）TG curves

材料表面的润湿性极大地影响着乳液的稳定性，因此对未修饰和甲基修饰的纳米SiO2材料分别进行气-液-固三相接触角测试（图3），从图中可以看出，未修饰的SiO2实球的接触角为35°，容易被水浸润，表现为具有较强的亲水性；而在SiO2实球表面共价链接了一定量的疏水基团-CH3后，接触角增加至125°，表面疏水性增加，容易形成油包水型Pickering乳液[9]。

图3 未修饰的SiO2（a）和疏水化修饰后的SiO2（b）气-液-固三相接触角Fig.3 Water contact angles of the unmodified SiO2（a）and hydrophobically modified SiO2（b）

2.2 界面活性SiO2材料的乳化性能

为了验证以界面活性SiO2为乳化剂的Pickering乳液稳定性，我们在乳化剂浓度为3%（质量分数，相比于分散相），油水体积比为1∶1的条件下制备Pickering乳液，然后将其置于50oC下12 h，观察乳滴形貌，发现乳滴在该温度下能够保持良好的形貌，其乳滴平均尺寸约30 μm～ 40 μm（图4a）。进一步采用负载Pd的SiO2乳化剂，分别制备限域HCl、NaNO2和限域K2CO3的Pickering乳液，如图4b和4c所示，其乳滴形貌及尺寸几乎没有变化，证明上述催化剂能够稳定地限域在乳滴内部，将这两种乳液交替层叠，形成黄黑相间的层状乳液（图4d），其层界面清晰，说明两种乳滴能够稳定的存在，为进一步酸碱串联反应奠定基础。

图4 （a）在50oC下乳液显微镜照片，（b）乳滴内部限域HCl和NaNO2的显微镜照片，（c）乳滴内部限域K2CO3的显微镜照片，（d）层叠乳液照片Fig.4 （a）Optical microscopy images of the Pickering emulsions under 50oC，（b）optical microscopy images of the Pickering emulsions confining HCl and Na2NO3，（c）optical microscopy images of the Pickering emulsions confining K2CO3，（d）appearance of the layered Pickering emulsions

2.3 “一锅”串联体系催化性能考察

以苯胺和苯硼酸的“一锅”Suzuki-Miyaura偶联反应为模型反应（图5a），对Pickering乳液串联反应体系展开研究。我们进行了一系列对照实验，具体操作是在构建Pickering乳液反应体系时，选择性的不加入一种反应底物或催化剂，检测反应产物的生成情况，从结果可以看出（图5b），该反应体系在缺少酸、碱或者Pd催化剂的任意一种时，反应均不能够发生。证明苯胺经重氮化后再与苯硼酸发生偶联，盐酸、亚硝酸铵、碳酸钾以及催化剂Pd缺一不可，只有当所有的原料及催化剂同时存在于反应体系，才有可能得到目标产物（产率约为80%），同时这也验证了我们实验思路的可行性。

图5 （a）苯胺“一锅”Suzuki-Miyaura交叉偶联反应，（b）不同体系的催化反应结果Fig.5 （a）“One-pot”Suzuki-Miyaura cross-coupling reaction of aniline，（b）catalysis results in the different reaction systems

2.4 苯胺“一锅”Suzuki-Miyaura偶联反应扩展及其反应循环

从表1中可以看到，苯胺与苯硼酸在Pickering乳滴分别限域酸碱体系下的“一锅”串联反应在4 h就能达到50%以上的产率，具有较高的催化效率，继续延长反应时间至8 h，其产率可达到80%，证明Pickering乳液能够稳定限域酸和碱两种不兼容的催化剂，并在Pd催化下苯胺“一锅”Suzuki-Miyaura偶联反应具有优异的催化反应性能。为了进一步证明苯胺“一锅”Suzuki-Miyaura偶联反应的可行性，我们采用各种具有取代基的苯硼酸与苯胺进行偶联反应。具有多种取代基的苯硼酸均能够与苯胺进行“一锅”偶联反应，在40oC下反应12 h，产率在30%以上，产率较低的原因可能是苯硼酸衍生物发生了自身偶联，导致与重氮盐偶联效率较低。进一步验证Pd催化剂的循环使用性，我们在室温下进行了5次循环实验，结果如图6所示，产率基本保持不变，证实了负载Pd的SiO2在苯胺“一锅”Suzuki-Miyaura偶联反应具有较强的稳定性。

表1 “一锅”Suzuki-Miyaura偶联反应扩展底物实验结果Table 1 Results of“One-pot”Suzuki-Miyaura cross-coupling reactions with different substrates

图6 Pd催化剂的循环稳定性Fig.6 Recyclability of Pd catalyst

3 结论

综上所述，我们发展了以Pickering乳液层叠的方式实现串联反应的策略，利用Pickering乳液的限域作用，构建了以Pd负载SiO2为乳化剂的不兼容酸碱共存体系，从而实现了芳香胺和苯硼酸的“一锅”Suzuki-Miyaura偶联反应。该催化体系不仅具有操作简单，分离快速等优点，而且反应条件温和，能够实现催化剂的循环回收再利用。本文为实现芳香胺的一步Suzuki-Miyaura偶联反应提供了新的研究思路。