连续流动状态下纤维负载Pd（Ⅱ）催化Suzuki 偶联反应的研究

2022-03-29陆思雨谢嘉欣阚秀妹陶庭先吴之传

石油化工 2022年3期

陆思雨，谢嘉欣，阚秀妹，陶庭先，吴之传

（安徽工程大学化学与环境工程学院功能配合物材料化学与应用安徽省重点实验室，安徽芜湖 241000）

Suzuki 偶联反应是构建C—C 键最直接有效的方法，直接使用活泼性很低的烯烃或卤代烯烃、芳基卤化物等基本原料进行反应，合成步骤简单，是最具应用价值的方法之一［1-2］。目前为止，对Suzuki 偶联反应催化剂活性中心金属的筛选、活化配体的设计合成、反应条件的优化等研究取得了卓有成效的成果［3-5］。

近年来，连续流动化学成为合成领域的新兴热点，它具有更优的传热和传质性能、更高的效率、更好的反应控制性和安全性、更佳的反应可重现性且可评估更多的反应变化因素，因此将Suzuki 偶联反应与连续流动化学相结合成为研究的热点［6-8］。Reynolds 等［9］用改性二氧化硅多聚物负载Pd 金属纳米颗粒催化剂，在连续流动状态下催化Suzuki偶联反应，碘苯乙酮的转化率高于95.93%，最佳停留时间为9.1 min，催化剂连续使用50 h 活性无明显降低。李银昊［10］使用Pd 含量为1.8 mmol/g 的自负载氮杂环卡宾催化剂，利用自制微通道数增反应器考察了催化剂用量、停留时间、底物浓度等工艺条件。实验结果表明，催化剂对溴代芳烃具有很强的活性，转化率接近100%，催化效率比传统釜式反应提高了5 倍多。Ricciardi 等［11］将Pd 纳米粒子固定在树枝状大分子聚合物上，用毛细管作为微反应通道，在80 ℃下催化碘苯与对羟基苯硼酸反应，考察了催化剂的稳定性，在连续运行7 d 后Pd的浸出量为1.2 mg/L。然而目前的连续流动Suzuki偶联反应催化剂大多存在制备方法复杂、原料成本高、对空气或水敏感的缺点，不利于工业化大规模生产。

本工作以偕胺肟化聚丙烯腈纤维（AOFs）为载体负载Pd（Ⅱ），制备了AOFs-Pd（Ⅱ）催化剂。该制备方法简单，纤维既作为配体又作为载体，具有对底物适用性广、反应条件温和、对空气和水分稳定、便于分离处理的优点。研究了连续流动条件下AOFs-Pd（Ⅱ）对Suzuki 偶联反应的催化性能，考察了反应温度、反应物流量、反应物浓度以及卤代芳烃适应性对偶联产物的收率与产量的影响。

1 实验部分

1.1 主要试剂与仪器

聚丙烯腈纤维：中国石化安庆分公司；无水K2CO3和PdCl2：分析纯，国药集团化学试剂有限公司；盐酸羟胺（NH2OH·HCl）、Na2CO3、苯硼酸、碘苯、4-甲基碘苯、4-甲氧基碘苯、4-碘苯胺、4-碘苯乙酮、4-硝基碘苯、溴苯、4-甲基溴苯、4-溴苯胺、4-溴苯乙酮、4-溴苯甲酸、乙酸乙酯、石油醚、乙醇：分析纯，上海阿拉丁生化科技股份有限公司；溴化钾、CS2：光谱纯，上海阿拉丁生化科技股份有限公司。

Agilent 730 型电感耦合等离子体发射光谱仪、Agilent 8890 型气相色谱仪：美国安捷伦科技有限公司；S-4800 型扫描电子显微镜、S-4800 型X 射线能谱仪：日本日立公司；K-alpha 型X 射线光电子能谱仪：德国赛默飞世尔公司；FTIR-650 型傅里叶变换红外光谱仪：天津港东科技发展股份有限公司；Bruker AV 500M 型核磁共振谱仪：德国Bruker 公司。

1.2 催化剂的制备

用Na2CO3和NH2OH·HCl配制0.8 mol/L 的NH2OH 溶液，加入1 g 聚丙烯腈纤维，在63 ℃下振荡反应1.5 h，取出后用蒸馏水清洗直到pH=7，自然晾干，得到白色或浅黄色的AOFs［12］。

称取1 g 的AOFs，在室温条件下与0.33 mmol/L 的PdCl2溶液反应30 min，取出后用蒸馏水洗净，晾干，得到金黄色AOFs-Pd（Ⅱ）催化剂［13］，反应过程见式（1）。经 ICP-OES 测试得到AOFs-Pd（Ⅱ）中金属Pd 的含量为0.006 8 g/g。

1.3 催化剂的表征

将AOFs 和AOFs-Pd（Ⅱ）用剪刀剪成粉末，分别取适量粉末与溴化钾研磨均匀，用压片机压成透明薄片，进行FTIR 表征。将AOFs-Pd（Ⅱ）于150 ℃下加热硝化去碳至完全溶解后，加入超纯水，冷却，转移，定容，使用电感耦合等离子体发射光谱仪测定Pd（Ⅱ）的浓度，从而得到Pd 的负载量。将AOFs-Pd（Ⅱ）剪碎，使用高分辨场发射扫描电子显微镜观察催化剂的微观形貌和颗粒分布等情况。将反应前和反应后的AOFs-Pd（Ⅱ）剪碎，使用X射线能谱仪对纤维表面微区成分进行定性分析。将剪碎的AOFs-Pd（Ⅱ）压成薄片，使用X 射线光电子能谱仪确定纤维与Pd（Ⅱ）的结合方式。

1.4 卤代芳烃与苯硼酸的偶联反应

卤代芳烃与苯硼酸的偶联反应为模板反应，见式（2）。

称取定量卤代芳烃、苯硼酸、K2CO3于烧瓶中，加入乙醇-水（乙醇与水体积比为2∶1）溶剂，配制一定浓度的反应液待用。称取定量AOFs-Pd（Ⅱ）催化剂装入催化柱中，封装好后装入连续流动反应装置中，加热催化柱，通过蠕动泵将配制好的反应液按一定流量顺流泵入催化柱内进行反应。收集反应后的溶液，取少量溶液用无水MgSO4脱水，经CS2稀释后用气相色谱仪进行分析。分析条件：色谱柱HP-5（30 m×0.25 mm×0.25 μm），以CS2为溶剂，压力120 kPa，进样口温度270 ℃，FID检测温度210 ℃，尾吹流量30 mL/min，氢气流量40 mL/min，空气流量400 mL/min，吹扫流量3 mL/min，分流比20∶1；柱温采用程序升温，升温速率10 ℃/min，从150 ℃升到210 ℃。粗产物蒸去乙醇后用乙酸乙酯萃取浓缩，采用柱层析分离技术纯化试样，取少量纯化试样进行1H NMR 分析。

2 结果与讨论

2.1 催化剂的表征结果

2.1.1 FTIR 表征结果

AOFs 与AOFs-Pd（Ⅱ）催化剂的FTIR 谱图见图1。

图1 AOFs 与AOFs-Pd（Ⅱ）催化剂的FTIR 谱图Fig.1 FTIR spectra of AOFs and AOFs-Pd(Ⅱ).

由图1 可知，AOFs 在2 243，1 649，1 081，920 cm-1处有明显的吸收峰，分别对应C≡N，C=N，C—N，N—O 的伸缩振动［14］。AOFs-Pd（Ⅱ）在1 661，1 095，930 cm-1处的吸收峰分别为C=N，C—N，N—O 的特征峰，相对于AOFs，分别向高波数方向移动了12，14，10 cm-1，说明AOFs 中的—NH2和—OH 与Pd（Ⅱ）发生了配位反应，引起上述特征峰发生偏移［15］。综上可知，Pd（Ⅱ）与AOFs 的—NH2和—OH 官能团发生了配位生成了配合物AOFs-Pd（Ⅱ）。

2.1.2 XPS 表征结果

图2 为AOFs-Pd（Ⅱ）催化剂的XPS 谱图。由图2a 可知，AOFs-Pd（Ⅱ）催化剂中存在C，N，O，Pd 元素。由图2b 可知，AOFs-Pd（Ⅱ）中Pd（Ⅱ）3d5/2的结合能为337.76 eV，较PdCl2中Pd（Ⅱ）3d5/2的结合能（337.92 eV）［16］低0.16 eV，说明Pd（Ⅱ）的电子云密度增大。由图2c可知，AOFs-Pd（Ⅱ）的N 1s有两组结合能，为399.92，400.87 eV，均比AOFs 的N 1s结合能（399.26，400.51 eV）［17］高，说明N 电子云密度降低。由图2d 可知，AOFs-Pd（Ⅱ）的O 1s结合能为533.28 eV，比AOFs 的O 1s结合能（532.37 eV）［17］高0.91 eV，说明O 电子云密度降低。综合分析Pd（Ⅱ），N，O 电子云密度的变化可知，Pd（Ⅱ）与AOFs 发生了配位，—OH 和—NH2中O 和N 分别向Pd（Ⅱ）提供电子导致它们的电子云密度降低，结合能增大；Pd（Ⅱ）接受孤对电子，导致电子云密度增大，结合能变小。

图2 AOFs-Pd（Ⅱ）催化剂的XPS 谱图Fig.2 XPS spectra of AOFs-Pd (Ⅱ).

2.1.3 SEM 和EDS 表征结果

将AOFs-Pd（Ⅱ）催化剂用于碘苯与苯硼酸的Suzuki 偶联反应，反应前后AOFs-Pd（Ⅱ）催化剂的SEM 照片和EDS 谱图见图3。由图3a 可见，反应前AOFs-Pd（Ⅱ）催化剂表面光滑，无颗粒物质存在，展现出纤维特有的纹理，并通过EDS 证明了纤维表面含有Pd（见图3c）；由图3b可见，反应后AOFs-Pd（Ⅱ）催化剂的表面变得粗糙，有大量颗粒物质生成，结合EDS 表征结果（图3d），颗粒物被证实为Pd。反应机理研究结果表明［18］，AOFs-Pd（Ⅱ）催化的卤代芳烃与苯硼酸的偶联反应，经过插入加成和还原消除步骤，是Pd（Ⅱ）与Pd（0）交替转化的催化循环过程，反应后纤维表面出现的颗粒物质应为Pd（0）。

图3 反应前后AOFs-Pd（Ⅱ）催化剂的SEM 照片和EDS 谱图Fig.3 SEM images and EDS spectra of the AOFs-Pd (Ⅱ) before and after reaction.

2.2 反应条件对连续流动Suzuki 偶联反应的影响

2.2.1 温度的影响

采用碘苯与苯硼酸的Suzuki 偶联反应考察温度对反应的影响。取AOFs-Pd（Ⅱ）催化剂2 g装入催化剂柱内，以乙醇-水为溶剂配制碘苯（20 mmol/L）、苯硼酸（22 mmol/L）和K2CO3（22 mmol/L）的混合溶液，反应温度分别设置为40，50，60，70，80 ℃，通过蠕动泵以2 mL/min（即停留时间为10.0 min）的流量泵入催化剂通道进行连续流动反应，表1 为反应温度对连续流动Suzuki偶联反应的影响。由表1 可知，在催化剂用量、反应物流量、碘苯与苯硼酸摩尔比一定的情况下，偶联产物收率随温度的升高而增加，70 ℃时收率达到97%（w），故选择70 ℃为连续流动反应最佳温度。达到相同的收率，间歇式反应温度需要达到90 ℃［18］，说明连续流动反应具有更加优异的传热性能。

表1 反应温度对连续流动Suzuki 偶联反应的影响Table 1 Effect of reaction temperature on continuous flow Suzuki coupling reaction

2.2.2 反应物流量的影响

采用碘苯与苯硼酸的Suzuki 偶联反应考察反应物流量对反应的影响。固定AOFs-Pd（Ⅱ）催化剂用量2 g，设定反应温度为70 ℃，将配制好的碘苯（20 mmol/L）、苯硼酸（22 mmol/L）和K2CO3（22 mmol/L）的混合溶液通过蠕动泵泵入催化剂通道中进行连续流动反应，流量分别设定为2，3，4，5，10，20 mL/min，表2 为反应物流量对连续流动Suzuki 偶联反应的影响。

表2 反应物流量对连续流动Suzuki 偶联反应的影响Table 2 Effect of flow rate on continuous flow Suzuki coupling reaction

由表2 可知，反应物流量对反应的影响比较明显。随着流量的增大，停留时间缩短，偶联产物产量逐渐增大，收率逐渐降低。当流量为3 mL/min 时，偶联产物产量为0.058 mmol/min，收率达97%（w）。虽然流量为4 mL/min 时，偶联产物产量为0.068 mmol/min，较流量为3 mL/min 时稍高，但收率为85%（w），即反应物转化率低。综合考虑产量和反应物转化率，选择3 mL/min 为反应的最佳流量，即停留时间为6.67 min。

2.2.3 卤代芳烃浓度的影响

采用碘苯与苯硼酸的Suzuki 偶联反应考察卤代芳烃浓度对反应的影响。取AOFs-Pd（Ⅱ）催化剂2 g，设定反应温度为70 ℃，反应物流量为3 mL/min，配制5，10，20，40，60，70，80 mmol/L的碘苯溶液，相应的苯硼酸及碳酸钾的浓度均为5.5，11.0，22.0，44.0，66.0，77.0，88.0 mmol/L，通过蠕动泵泵入催化剂通道进行连续流动反应，表3 为反应物浓度对连续流动Suzuki 偶联反应的影响。由表3 可知，碘苯浓度低于60 mmol/L 时，收率均保持在95%（w）以上；碘苯浓度为60 mmol/L 时，偶联产物产量达0.173 mmol/min；当碘苯浓度高于60 mmol/L 时，偶联产物产量虽有所增加，但收率逐渐降低，即碘苯的转化率降低。综合考虑产量和卤代芳烃转化率，选择60 mmol/L 为卤代芳烃的最适合浓度，相应的苯硼酸浓度为66.0 mmol/L。

表3 卤代芳烃浓度对连续流动Suzuki 偶联反应的影响Table 3 Effect of reactant concentration on continuous flow Suzuki coupling reaction

2.2.4 卤代芳烃种类的影响

反应底物的普适性是考察催化剂活性的重要指标之一，选用不同的卤代芳烃进行连续流动Suzuki 偶联反应。固定AOFs-Pd（Ⅱ）催化剂2 g，设定反应温度为70 ℃，卤代芳烃流量为3 mL/min，配制浓度为60.0 mmol/L 的卤代芳烃溶液，苯硼酸与K2CO3的浓度均为66.0 mmol/L，通过蠕动泵泵入催化剂通道中进行连续流动反应，得到的粗产物蒸去乙醇后用乙酸乙酯萃取浓缩，采用柱层析分离技术纯化试样，取少量产物纯样进行1H NMR 分析，表4 为不同取代基团对Suzuki偶联反应的影响。

表4 卤代芳烃的不同取代基团对连续流动Suzuki 偶联反应的影响Table 4 Effects of different substituted groups of halogenated aromatic hydrocarbons on the continuous flow Suzuki coupling reactions

由表4 可知，AOFs-Pd（Ⅱ）对碘代芳烃和溴代芳烃与苯硼酸的Suzuki 偶联反应均表现出了很高的催化活性，无论是吸电子基（—COOH，—COCH3，—NO2）衍生物，还是给电子基（—CH3，—NH2，—OCH3）衍生物，偶联产物收率均超过90%（w）。其中，碘苯的转化率为97%，偶联产物收率为96%，偶联产物选择性达99%。

2.3 催化剂的稳定性

在催化剂稳定性实验中，设定碘苯流量为3 mL/min，催化剂在流动相中连续使用20 h，偶联产物收率仍达到93%（w），装填的催化剂活性无明显下降。为检测流动状态下金属Pd 的流失，采用ICP-OES 测定催化剂连续使用20 h 后产物溶液中的Pd 含量，Pd 质量浓度为0.07 mg/L，可以忽略Pd 的流失（损失率小于2%），证实了催化剂在连续流动反应中优异的稳定性。

2.4 与间歇式反应的对比

AOFs-Pd（Ⅱ）催化碘苯与苯硼酸进行Suzuki偶联反应，与间歇式反应相比，连续流动反应有更佳的传热性能，只需70 ℃就能达到相同收率，较间歇式反应温度（90 ℃）低，减少了能源消耗。间歇式反应催化剂可循环使用4 次［18］，耗时20 h，偶联产物总产量为38.0 mmol，单位时间产量为1.90 mmol/h，使用催化剂Pd 总含量为0.007 g，Pd 催化活性为271.43 mmol/（g·h）；而连续流动反应的催化剂连续使用20 h，偶联产物总产量为194.47 mmol，单位时间产量为9.72 mmol/h，使用催化剂Pd 总含量为0.014 g，Pd 催化活性为694.29 mmol/（g·h），是间歇式反应的2.6 倍，产量也有大幅提升，充分体现了连续流动反应具有更好的传质性能，极大提高了反应效率，具有工业化应用前景。