銅催化芳基硼酸自身偶聯(lián)反應的研究

王 良，李新民，李紅玉，王 熳，楊舒緒，初文毅，孫志忠

（1.黑龍江大學 化學化工與材料學院，哈爾濱 150080；2.黑龍江省普通高等學校高效轉(zhuǎn)化的化工過程與技術(shù)重點實驗室，哈爾濱 150080）

聯(lián)苯結(jié)構(gòu)是天然產(chǎn)物、藥物、農(nóng)藥和功能性材料等的重要結(jié)構(gòu)單元，芳烴C-C鍵的偶聯(lián)反應是制備這類化合物的重要手段[1－2]。偶聯(lián)反應可以發(fā)生Suzuki-Type的交叉偶聯(lián)反應和Ullmann-Type的自身偶聯(lián)反應，可以分別制備不對稱聯(lián)苯類化合物和對稱聯(lián)苯類化合物。近年來，由于芳基硼酸具有比有機金屬試劑穩(wěn)定、低毒等特點，被廣泛用作芳烴偶聯(lián)試劑制備聯(lián)苯類化合物，目前大多數(shù)芳基硼酸自身偶聯(lián)反應都是以Pd[3－6]催化的，最近也有使用Au、Rh、Ni等金屬作為催化劑的研究[7－9]，但是這些金屬作為催化劑價格昂貴，有的甚至還需要一些難于合成的配體和氧化劑。相對而言Cu催化的芳基硼酸自身偶聯(lián)反應由于催化劑廉價、反應條件溫和等優(yōu)點越來越受到關(guān)注[10－11]。本文以環(huán)境友好的甲醇為溶劑，三乙胺作堿，在室溫條件下，使用銅粉催化芳基硼酸快速高效地合成了一系列對稱聯(lián)芳烴類化合物。

1 實驗方法

采用芳基硼酸作為反應底物，加入4mL甲醇作為溶劑和一定量的堿，在25℃條件下，以銅粉作為催化劑催化芳基硼酸自身偶聯(lián)合成聯(lián)芳基化合物，反應通過薄層色譜監(jiān)測反應終點，反應結(jié)束，過濾除去固體催化劑，母液濃縮，使用乙酸乙酯與石油醚混合液洗脫柱層析分離最終產(chǎn)物，其反應式如下：

2 結(jié)果與討論

2.1 芳基硼酸自身偶聯(lián)反應的最佳合成工藝研究

采用苯硼酸作為反應底物，在25℃的條件下，以銅粉為催化劑作為催化反應模板，分別考察了銅粉用量、反應溶劑和堿等反應條件對催化反應的影響，從而確定了最佳的銅粉催化合成對稱聯(lián)芳基化合物的工藝并使用該工藝合成了一系列對稱聯(lián)芳基類化合物。

2.1.1 催化劑量對芳基硼酸自身偶聯(lián)反應的影響

以苯硼酸為反應底物，室溫條件下考察了催化劑銅粉的用量對芳基硼酸自身偶聯(lián)反應的影響，分別加入2.0、1.0、0.5、0.3當量（與苯硼酸比較）的銅粉進行反應，以確定最佳的催化劑用量，實驗結(jié)果見表1。

表1 催化劑量對自身偶聯(lián)反應的影響aTable1 Influence of the amount of catalyst to the homocoupling reaction

由表1可見，在25℃下，使用2.0和1.0當量銅粉作為催化劑，反應3h原料消失，實現(xiàn)分離收率95.7%（編號1、2）；當催化劑量減少到0.5當量時，反應3h原料也能消失，實現(xiàn)分離收率95.3%（編號3），與前兩個反應時間和收率差別不大；而催化劑量繼續(xù)減少到0.3當量，反應7h才完成，收率87.4%（編號4），下降較多。因此催化劑用量0.5當量比較適合催化該反應。

2.1.2 溶劑對芳基硼酸自身偶聯(lián)反應的影響

以苯硼酸為反應底物，室溫條件下考察了反應溶劑對芳基硼酸自身偶聯(lián)反應的影響，分別使用甲醇、乙醇、水、N，N-二甲基甲酰胺（DMF）和N，N-二甲基乙酰胺（DMA）作為溶劑，實驗結(jié)果見表2。

表2 反應溶劑對自身偶聯(lián)反應的影響aTable2 Influence of sovlent to the homocoupling reaction

由表2可見，使用甲醇作溶劑25℃反應3h可以得到95.7%的收率（編號1），而乙醇作溶劑時反應6h也能達到85.1%的收率（編號2）；當水作溶劑時反應8h，速率明顯減慢且收率明顯下降至60.5%（編號3），DMF作溶劑時反應10h僅能得到23.1%收率（編號4）；當DMA作溶劑時反應11h僅獲得15.9%收率（編號5），因此選擇甲醇作為反應溶劑。

2.1.3 堿對芳基硼酸自身偶聯(lián)反應的影響

以苯硼酸為反應底物，室溫條件下考察了堿對芳基硼酸自身偶聯(lián)反應的影響，分別使用Et3N、Na2CO3、NaOH、KOH進行反應，同時又考察了三乙胺用量對反應的影響，實驗結(jié)果見表3。

表3 堿對芳基硼酸自身偶聯(lián)反應的影響aTable3 Influence of base to the homocoupling reaction of Aryl boronic acid

由表3可見，如果體系中使用無機堿Na2CO3、NaOH、KOH反應時間都比較長而且收率也不高（編號1～3），使用有機堿三乙胺時1.0當量反應時間短收率高（編號4），用量為2.0當量和0.5當量時收率會有所下降（編號5、6），當不加入堿，反應15h只得到60.3%的收率（編號7），因此選擇使用三乙胺為堿，其用量為1.0當量（與苯硼酸比較）。

通過以上的實驗影響因素的考察得出了芳基硼酸自身偶聯(lián)反應的最佳合成工藝為在25℃條件下，以甲醇（4.0mL）為溶劑，三乙胺（1.0eq）為堿，使用催化劑Cu粉（0.5eq）催化芳基硼酸（1.0mmol）自身偶聯(lián)反應制備對稱聯(lián)苯類化合物。

2.2 芳基硼酸的自身偶聯(lián)制備對稱聯(lián)苯類化合物

2.2.1 不同芳基硼酸自身偶聯(lián)反應結(jié)果

采用芳基硼酸自身偶聯(lián)反應的最佳合成工藝，即25℃條件下，以甲醇（4.0mL）為溶劑，三乙胺（1.0eq）為堿，使用催化劑 Cu粉（0.5eq）催化芳基硼酸（1.0mmol）自身偶聯(lián)反應制備對稱聯(lián)苯類化合物，實驗結(jié)果見表4。

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由表4可見，芳基硼酸具有不同取代基對反應會有一定的影響，帶有給電子官能團時有利于自身偶聯(lián)反應（編號3，4），帶吸電子官能團時對反應不利，收率下降，反應時間較長（編號4，6）；官能團的位置對反應影響也很大。2-位帶有取代基不利于反應，收率下降較多（編號6）；雜芳基硼酸偶聯(lián)反應收率也會有所降低（編號5）。

2.2.2 產(chǎn)物的核磁表征數(shù)據(jù)

2.2.2.1 聯(lián)苯核磁表征

1H NMR（400MHz，CDCl3）δ7.62 ～7.54（m，4H），7.43（dd，J＝10.3，4.8Hz，4H），7.33（ddd，J＝7.3，3.9，1.1Hz，2H）.

2.2.2.2 2，2'-聯(lián)萘核磁表征

1H NMR（400MHz，CDCl3）δ8.17（s，2H），7.95（dd，J＝10.5，8.2Hz，4H），7.91～7.84（m，4H），7.58～7.45（m，4H）.

2.2.2.3 3，3′，4，4′-四甲氧基聯(lián)苯核磁表征

1H NMR（400MHz，CDCl3）δ7.10（dd，J＝8.2，2.1Hz，2H），7.06（d，J＝2.0Hz，2H），6.93（d，J＝8.3Hz，2H），3.94（d，J＝12.2Hz，12H）.

2.2.2.4 4，4′-二三氟甲基聯(lián)苯核磁表征

1H NMR（400MHz，CDCl3）δ7.74～7.67（m，8H）.

2.2.2.5 3，3′-聯(lián)噻吩核磁表征

1H NMR（400MHz，CDCl3）δ7.37（dd，J＝2.7，1.4Hz，2H），7.35～7.32（m，4H）.2.2.2.62，2′-二氯聯(lián)苯核磁表征

1HNMR（400MHz，CDCl3）δ7.27～7.20（m，6H），7.11～7.09（m，2H）

3 結(jié) 論

1）通過考察芳基硼酸自身偶聯(lián)反應的各影響因素得出了芳基硼酸自身偶聯(lián)反應的最佳合成工藝：在25℃條件下，以甲醇（4.0mL）為溶劑，三乙胺（1.0eq）為堿，使用催化劑Cu粉（0.5 eq）催化芳基硼酸（1.0mmol）自身偶聯(lián)反應制備對稱聯(lián)苯類化合物。

2）采用最佳工藝合成了6個對稱聯(lián)苯類化合物，并采用核磁共振氫譜進行了結(jié)構(gòu)確認。

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