金属pd催化suuleki偶联反应

金属pd催化suuleki偶联反应

金属基合成反应有机硼与氯仿的偶联反应，也称为suki反应，是形成碳约束的最成功反应之一。这也是合成联合物有效反应的方法之一。该反应具有反应条件温和、官能团容忍性好、底物适应性强、受空间位阻影响小、对水不敏感、毒性小、收率高、原料来源丰富且产物易处理等优点,广泛应用于医药中间体、有机功能材料、天然与合成产物、工程材料等领域。由于金属Pd具有未充满的4d轨道,可与多种组分生成配合物,通过改变反应物和配体的组成,可使许多不易发生的反应顺利进行,且具有较高的反应活性和选择性。自从1981年Suzuki等发现这类反应以来,Pd日益受到人们的关注,已成为Suzuki反应最常用的催化剂[2~5]。本文将按照是否有配体,配体和载体种类进行分类,介绍几种钯催化的Suzuki反应的研究进展。1芳基化硼催化合成ar-ar’和催化剂首先,卤代芳烃Ar-X与Pd(0)进行氧化加成反应,生成卤代中间体Ar-Pd-X,再与碱反应生成有机钯氢氧化物中间体Ar-Pd-OH,含强极性键Pd-O具有较强的亲电性。同时,芳基硼酸与碱作用生成中间体Ar’-B(OH)3,具有较强的富电性,有利于阴离子向Ar-Pd-OH中心转移,它与Ar-Pd-OH作用生成B(OH)4。最后,B(OH)4经还原消除,得到目标产物Ar-Ar’和催化剂Pd(0)。其中氧化加成反应是速控步骤,卤代芳烃的反应速度以碘代芳烃、溴代芳烃、氯代芳烃、氟代芳烃的顺序递减。芳环取代基对卤代烃的反应活性的影响也很大,吸电子基团对氧化加成反应有促进作用。一般情况下,结构相同的卤代烃,芳环上的负电性越强,空间位阻越大,反应速度就越慢。2反应与制备催化剂的反应2.1单因素作助催化剂在Suzuki偶联反应中,如果用零价的Pd作催化剂,在反应中容易发生团聚而生成钯黑,从而失去反应活性。因此,一般都需要加入配体来稳定和活化催化剂。P(t-Bu)3,PPh3,PCy3等对催化卤代芳烃与芳基硼酸的Suzuki反应非常有效,是最常用的膦配体。Korenaga等用(PPh3)3作配体,用Ag2O和氟盐作助催化剂,对于钯催化五氟苯基溴的Suzuki反应效果很好,收率可达99%。于宏伟等以二茂铁为原料,先制得乙酸[2-(二苯膦基)二茂铁基]乙酯,然后与双(2-羟乙基)醚反应,合成了2-(二苯膦基二茂铁基)乙基-5-羟基-3-氧杂戊醚(醚基化膦)。将其用于Suzuki反应中,发现该体系对带酮官能团的底物有较好的容忍度。在以溴为底物的反应中,4-甲基溴苯与苯硼酸的反应收率可达93%,如下所示。2.2催化剂及其催化合成碘代苯反应由于膦配体对水和空气敏感,且毒性较大,需要在惰性气体中才能有效反应,还需不断补充膦配体或金属络合物以保持催化剂稳定。含氮配体是近年来探索出来的最为成功的一类仿膦新配体。崔元臣等用二乙烯三胺与聚氯乙烯反应,然后再与PdCl2反应生成PVC-DETA-Pd配合物。该配合物在没有惰性气体保护的环境中,以DMF水溶液为溶剂,以NaHCO3作碱,在90℃时,不仅能定量催化活性较高的碘代苯,而且对未活化的溴代苯也能定量催化。催化剂回收利用8次后,收率仍可达94%。1991年Arduengo小组发现了N-杂环卡宾(NHC)类配体,它与叔膦配体有许多相似之处,如富含电子、给电子能力强、对金属配位能力强,人们尝试用它来代替叔膦配体。Mino等制备了可在空气中稳定存在的氮配体L1和L2,能够有效催化Suzuki偶联反应,且底物范围较宽。如下所示。Lee等制备了一系列新的双咪唑盐,再与Pd(OAC)2反应,生成七元环双齿N-杂环卡宾配合物,并用这些配合物催化了溴代苯与苯硼酸的反应,如下所示。Arentsen等发现配体如具有较大空间位阻,就能与钯反应生成络合物。用四丁基溴化铵作为助催化剂,可以催化Suzuki反应,如芳基氯的对位连有吸电子基时,收率可以达到95%;如邻位连有吸电子基时,收率只有70%;如没有添加四丁基溴化铵,则得不到目标产物。2.3环硅及环镍系络合物催化剂含膦配体和N-杂环卡宾配体催化Suzuki反应效率较高,近几年,各种各样的同时含氮、磷的Pd催化剂不断被合成出来,广泛地应用于Suzuki偶联反应中。龚军芳等将三苯基膦与环钯化二茂铁亚胺反应,合成了三种新的环钯化二茂铁亚胺-三苯基膦络合物,能有效催化芳基溴与苯基硼酸的Suzuki反应,如下所示。彭宗海等以3-溴苯甲醚为原料,合成了双膦配体6,6’-二甲氧基-2,2’-二(二-N-咔唑基膦)-1,1’联苯,并将其与钯组成的配合物用于催化在1,4-二氧六环中的对溴苯和苯硼酸的Suzuki反应,得到99%的分离收率。该催化体系用于其它芳基溴和苯硼酸的Suzuki反应也表现出良好的催化性能。3回收工艺和成本传统的均相催化剂有很多优点,如选择性好、催化剂活性高、分散性好等,但也存在许多缺点,如制备过程比较复杂、成本比较高、分离和回收比较难等。而非均相有配体催化剂容易与产品分离,解决了催化剂循环使用的问题,但是却存在配体不易制备、负载难等缺点。非均相无配体催化剂具有制备方法简单、稳定性好、比表面积大、环保等优点,是一种比较理想的催化剂。以下按照载体种类,对无配体负载钯催化剂催化Suzuki偶联反应的研究进展进行分类。3.1小型材料、负荷钯催化剂3.1.1pd/swnts催化剂王发兴等以乙二醇或甲醛作还原剂制备了多壁碳纳米管负载的Pd催化剂,并研究了其在Suzuki反应中的催化性能。结果表明,还原剂、反应底物、溶剂、反应温度等均对催化剂的催化性能有较明显的影响。在投料比(物质的量比)为Pd2+∶PhI∶PhB(OH)2∶K2CO3=1∶100∶150∶200时,用乙醇作溶剂,回流反应10h,联苯收率可达78.4%。曹优明等利用单壁碳纳米管(SWNTs)自身的还原性,直接将PdCl2溶液中的Pd2+还原成金属Pd,负载在SWNTs表面上,合成了催化性能良好的Pd/SWNTs负载型催化剂。实验表明,用SWNTs与PdCl2(12mmol·L-1)的水溶液直接作用,得到Pd/SWNTs催化剂的Pd负载量达到14.13%(质量分数),且颗粒分散均匀,粒径小(2nm左右),与SWNTs结合紧密。用H2还原过的Pd/SWNTs催化剂,在90℃下催化Suzuki反应,30min后就基本完成了反应,联苯收率可达98.10%。3.1.2烷基氮杂pd卡宾及其他烷基碳纳米管催化剂磁性纳米粒子(MNPs)因其有多种制备方法,结构和功能可调节,工艺较易控制,并且在磁性、催化等多方面具有良好特性,日益引起研究人员的重视。将磁性纳米粒子作为钯催化剂的载体,催化剂会比较容易从产物中分离和回收。LVGuang-hua等利用炔基与叠氮的反应,将炔基功能化的二吡啶基甲醇与叠氮功能化的MNPs连接起来;然后,使吡啶与钯配位,制备出MNPs负载的Pd催化剂。MNPs负载的Pd催化剂对芳基硼酸与芳基溴之间的Suzuki偶联反应催化效果很好,合成了含有取代基的联苯型化合物,收率最高达99%。实验表明,该类催化剂在有外加磁场环境中更易于回收,并且重复使用性较好。Taher等将氮杂Pd卡宾及含有咪唑基团的三甲氧基硅烷键合到羟基化的碳纳米管上,制备出磁性氮杂Pd卡宾纳米催化剂。同时,在水溶液中,将该纳米催化剂用于合成联苯型的化合物,收率92%~98%。实验表明,该类催化剂催化性能优良,且稳定性较高,连续使用5次后,反应收率仍能维持在93%。3.1.3表面活性剂催化剂活性炭材料具有良好的孔结构、较大的比表面积及丰富的表面基团,并且负载性能和还原性良好,非常适于作金属催化剂的载体。Arcadi等研究了向Pd/C催化剂催化的Suzuki反应中加入表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)对反应的影响。结果表明,加入表面活性剂后,只需通过液-液萃取,就可实现反应产物与反应体系的分离,收率也由84%增加到96%。Pd/C催化剂与含有表面活性剂的水相还可以重复使用,在重复使用4次后,收率仍可达到80%。Cravotto等在微波/二甲醚和超声波/水溶液体系中,分别研究了无配体的Pd/C催化的Suzuki反应。对交叉偶联和自偶联反应,收率都令人满意。在微波/甲醚体系中,溴代芳烃的转化率最高为96%;而在超声波/水溶液体系中,溴代芳烃的转化率最高为93%,可见微波/二甲醚体系催化Suzuki偶联反应效果更好。3.1.4dmf/水的溶剂催化剂Han等制备了二氧化硅介孔材料SBA-15负载钯催化剂,在室温条件下催化Suzuki反应。用EtOH/H2O作溶剂,0.1mol%的Pd,考察不同的碱对溴代芳烃与苯硼酸偶联反应的影响,其中效果较好的有K2CO3,Na2CO3,Cs2CO3,K3PO4和NaOEt,收率可达81%~98%。该催化剂在有机溶剂/水体系中也具有较好的循环使用效果,使用4次后收率仍可达84%,具有较好的催化稳定性。Durap等将纳米钯颗粒负载在沸石分子筛上,在室温条件下,在DMF/水的溶剂中催化溴代芳烃与苯硼酸的Suzuki反应,在温和状态下(室温,通空气)具有较高的反应活性。当用对溴苯乙醚作为底物时,收率最高可达99.7%。以分子筛为载体所制备的催化剂活性较高,制备过程简单,且所需原料便宜,但是对碱的要求很严格。3.1.5合成反应物催化剂LDHs具有独特的双层结构,可作为催化剂的载体;层板上含碱性位,可作为碱性催化剂。可以把一些具有特殊结构或性能的阴离子引入到LDHs层间,由于被引入的阴离子往往具有比简单的无机阴离子大得多的体积,这样不仅可以利用这些阴离子的催化活性,同时还扩大了LDHs的层间距,使反应物分子能够进入由层与柱构成的特定化学环境中,既提高了材料的催化性能,同时又提高了选择性。周浩等以F-插层的水滑石LDH-F为载体,合成了新型Pd/LDH-F催化剂,并用其催化溴代芳烃的Suzuki反应。在DMF/水物质的量比为0.5的混合溶剂中,在室温下反应3h,Pd/LDH-F(Pd/溴代芳烃物质的量比为0.005)催化溴苯与苯基硼酸盐的Suzuki反应,目标产物的收率可达99%。范艳霞等通过共沉淀、水热合成制备了DS-LDH,然后通过浸渍合成DS-LDH-Pd0,催化剂钯含量为1.748×10-4mol/g,钯分散度为13.37%。该催化剂对对溴苯乙酮和苯硼酸的Suzuki偶联反应催化活性很高。催化剂重复使用三次后反应目的产物收率均达到95%以上。3.1.6纳米mgo催化剂的制备在精细化工、石油化工等行业中,金属氧化物具有催化载容量高、比表面积大、稳定性好等优点,是一类重要的催化剂材料。Gniewek等制备了一系列Al2O3,Al2O3-ZrO2和Al2O3-ZrO2-Eu2O3负载Pd催化剂,上述催化剂采用溶胶-凝胶的方法把钯纳米颗粒负载到以Al2O3为基质的氧化物上,再用水合肼或甲醇还原PdCl2。XRD和TEM的表征结果表明,纳米钯粒子很好地分散到Al2O3基质的表面。以2-溴甲苯和苯硼酸的Suzuki反应为探针反应,当PdCl2在氧化物表面没有被还原时,其催化Suzuki反应1h最高收率可达95%。当Pd(Ⅱ)被还原成Pd(0)时,以Al2O3-ZrO2为载体制备的催化剂对Suzuki反应的活性最高。在40℃,催化剂2mol%,反应4h,转化率可达到91%;以Al2O3为载体制备的催化剂转化率最低达79%。Kantam等人用纳米MgO作载体,制备了Pd/NAP-MgO催化剂。该催化剂在以DMA为溶剂时,可催化氯代芳烃与苯硼酸的Suzuki反应。而碘代芳烃和溴代芳烃与苯硼酸的反应在水中就可以完成。此催化剂具有较高的催化活性,当负载Pd量低于0.5mol%时,在室温条件下,反应5h可完成,而且在催化剂循环使用5次后,仍然具有很高的活性。催化活性高的原因可能是由于纳米MgO具有较大的比表面积(600m2/g)以及MgO自身碱性的作用。以金属氧化物为载体制备催化剂,原料来源广泛,制备过程简单,但是Pd负载量少而且负载极不稳定。以磁性Fe3O4为载体,催化剂的提纯回收步骤很简单,但是催化剂的催化活性就差很多。3.2高聚合物产生的钯3.2.1以酰氯化为催化剂合成其他高效化合物天然高分子材料,例如壳聚糖、淀粉、田菁胶等,由于原料易得价廉,且分子中含有大量羟基或氨基表面官能团丰富,所以是负载钯的理想载体材料。Hdary等制备出了以天然高分子壳聚糖为载体负载钯催化剂,并成功将其用于Sukuzi偶联反中。实验表明,该催化剂催化取代型卤代芳烃与苯硼酸之间的Suzuki偶联反应效率很高,尤其是对于有供电子基团(如-OMe)的底物,收率会更高;而对于含吸电子基团(如-N0z或-CN)底物的收率很低,并且催化剂会分解成黑色固体。郑长青等使氯化纤维素与乙二胺发生胺化反应制得乙二胺功能化纤维素(Cell-EDA),再将胺化纤维素与氯化钯乙醇溶液反应,制得乙二胺功能化纤维素负载的纳米钯催化剂(Cell-EDA-Pd0)。实验表明,Cell-EDA-Pd0催化剂在空气下反应稳定,不需在惰性气体环境下就能有效地催化芳基硼酸与卤代芳烃的Suzuki反应,且催化剂容易回收,循环使用6次催化活性依然很高。3.2.2负载型聚酰亚胺pd催化剂合成高分子载体一般分为不溶性高分子载体与可溶性高分子载体。不溶性高分子载体催化活性中心与底物接触几率小、传质困难、负载量低;而可溶性的高分子载体可以克服以上缺点。在可溶性载体上负载催化剂可以既发生均相反应,又达到两相分离的目的。目前,常用的合成高分子载体主要有聚苯乙烯、聚酰亚胺、聚醚型树状分子、聚苯乙烯—聚乙二醇接枝共聚物等聚合物材料。Seokin等利用含钯的二胺单体与二酐单体发生缩聚反应,制备了一种聚酰亚胺负载的钯催化剂。在80℃条件下,在极性溶剂中,反应2h,该催化剂能高效催化卤代苯与苯硼酸之间的Suzuki偶联反应,收率可达93%。研究表明,该类催化剂能有效克服有机膦,特别是富电子的苯基膦导致的在大规模制备中的价格高、反应速率低及空气敏感等缺陷。Wang等用聚乙烯砒咯烷酮(PVP)作载体,制备出负载纳米Pd催化剂,此催化剂可在水相中催化Suzuki反应。在以Na3PO4为碱和40%乙醇水溶液为溶剂,加热回流条件下,催化碘代芳烃与苯硼酸的Suzuki偶联反应,收率高达95%。反应的最初速度与Pd的浓度成正比,说明催化反应发生在纳米Pd颗粒的表面,反应结束后有金属Pd沉淀析出,说明该催化剂的稳定性不是很好。Buchmeister等通过开环转位聚合获得的嘧啶衍生物作载体负载PdCl2,可有效催化卤代芳烃(碘,溴,氯)的Heck、Suzuki等偶联反应。高分子聚合物负载金属Pd催化剂具有较高的催化活性和立体选择性、较好的稳定性和重复性,是当今化学领域的研究热