水相Heck反應(yīng)在有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用*

查正根 張振雷 鄭小琦, 汪志勇,

(1中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心 安徽合肥 230026；2中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)化學(xué)系 安徽合肥 230026)

Heck反應(yīng)是在20世紀(jì)70年代由Richard F.Heck等發(fā)現(xiàn)的一類重要的形成與不飽和雙鍵相連的新C—C鍵的反應(yīng)[1-2]。在過去40年中，Heck反應(yīng)逐漸發(fā)展成為一種應(yīng)用廣泛的有機(jī)合成方法，成為現(xiàn)代有機(jī)合成的重要手段之一，在天然產(chǎn)物合成、醫(yī)藥以及新型高分子材料制備等領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用價(jià)值[3-6]。2010年，Richard F.Heck因?qū)υ摲磻?yīng)的開創(chuàng)性研究而獲得諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)[7]。雖然該反應(yīng)在工業(yè)及科研中應(yīng)用很廣泛，但在大學(xué)的基礎(chǔ)有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)中卻鮮見。其原因一方面是該反應(yīng)條件比較苛刻，對于學(xué)生的實(shí)驗(yàn)技能要求較高[8-9]；另一方面是該反應(yīng)的反應(yīng)時(shí)間較長，有時(shí)可達(dá)到10多個(gè)小時(shí)[10-11]，這對于學(xué)生實(shí)驗(yàn)而言時(shí)間偏長。為了解決這兩方面的問題，我們通過文獻(xiàn)調(diào)研和研究，改進(jìn)了反應(yīng)條件，在水相中采用常規(guī)、超聲波(US)、微波(MW)方法，在較短時(shí)間、相對溫和的條件下得到較好的結(jié)果。我們開設(shè)的Heck反應(yīng)實(shí)驗(yàn)有以下特點(diǎn)：

(1) 溫和的反應(yīng)條件。一般的偶聯(lián)反應(yīng)都需要在無水無氧的條件下進(jìn)行，而近年來隨著綠色化學(xué)的興起，研究工作者對于該類反應(yīng)進(jìn)行了更深入的研究，發(fā)現(xiàn)在純水中也可以完成[12]，因此，我們嘗試在純水中，以PdCl2為催化劑，碳酸鈉為堿，回流12小時(shí)可以得到中等的收率。

(2) 較短的反應(yīng)時(shí)間。在有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)中，要想在較短的時(shí)間得到比較好的結(jié)果，可嘗試使用微波[13]、超聲波方法[14]。我們發(fā)現(xiàn)在微波條件下，15分鐘即可使反應(yīng)完全，而且收率較高。

(3) Heck反應(yīng)是在水相中進(jìn)行，以PdCl2為催化劑，不需用配體，符合綠色化學(xué)理念。

1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/h2>

(1) 學(xué)習(xí)PdCl2催化的水相Heck反應(yīng)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。

(2) 練習(xí)微型實(shí)驗(yàn)操作和純化方法。

(3) 學(xué)習(xí)微波、超聲波技術(shù)在有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用。

2 反應(yīng)式

該實(shí)驗(yàn)的反應(yīng)式如下圖所示：

3 主要儀器和試劑

儀器：Discover SP微波反應(yīng)器(CEM)，超聲波清洗器(40kHz)，400MHz Bruker FT-NMR 核磁共振儀。

試劑：碘苯、丙烯酸均為國藥分析純試劑，無機(jī)堿均為市售分析純，柱層析使用200～300目硅膠，氘代氯仿為溶劑，三甲基硅(TMS)為內(nèi)標(biāo)。

4 實(shí)驗(yàn)步驟

在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，選用不同的底物與不同的實(shí)驗(yàn)條件組合，進(jìn)行優(yōu)化實(shí)驗(yàn)?，F(xiàn)以碘苯與丙烯酸在微波條件下PdCl2催化的Heck反應(yīng)為例。

反應(yīng)在Discover微波反應(yīng)器中進(jìn)行，在微波反應(yīng)管中先后加入PdCl2(1mg)，碳酸鈉、丙烯酸、碘苯(1mmol，125μL)和水(2mL)，攪拌均勻后，放入微波反應(yīng)器中，在125℃反應(yīng)15分鐘。反應(yīng)結(jié)束后，向反應(yīng)液中加入稀鹽酸，酸化至藍(lán)色石蕊試紙褪色，用乙酸乙酯萃取3次，無水硫酸鈉干燥1小時(shí)，然后通過減壓蒸餾除去溶劑，得到固體粗產(chǎn)品；通過硅膠柱層析分離進(jìn)一步純化所得產(chǎn)品。產(chǎn)率可達(dá)87%。

5 結(jié)果與討論

5.1 反應(yīng)物比例的影響

表1 不同條件下PdCl2催化的水相Heck反應(yīng)

n(碘苯)=1mmol，n(丙烯酸)=1.5mmol，V(H2O)=2～3mL

5.2 堿的影響

5.3 反應(yīng)時(shí)間的影響

超聲波(US)和微波(MW)雖然在較短的時(shí)間內(nèi)能夠完成反應(yīng)，但如果進(jìn)一步縮短反應(yīng)時(shí)間，發(fā)現(xiàn)會(huì)有少部分的碘苯?jīng)]有反應(yīng)，而延長反應(yīng)時(shí)間對于產(chǎn)率的提高沒有顯著的效果。

在常規(guī)條件下，PdCl2催化的水相Heck反應(yīng)可能的機(jī)理如圖1所示。通過氧化加成、配位、插入和消除,實(shí)現(xiàn)Pd的循環(huán)催化，完成Heck反應(yīng)。在超聲波條件下，原位生成Pd納米粒子，增加了Pd的催化活性，由于是異相反應(yīng)體系，Pd分離后能循環(huán)使用[8]。

圖1 PdCl2催化的水相Heck反應(yīng)可能的機(jī)理

譜圖數(shù)據(jù)如下：

3-苯基丙烯酸1H NMR(400MHz,CDCl3):δ6.47(d，J=16.0Hz,1H,2-H),7.42(t,J=3.2Hz,3H,Ph-H),7.56～7.58(m,2H,Ph-H),7.80(d，J=16.0Hz,1H,3-H)；13C NMR(100MHz,CDCl3):δ171.2(1-C),146.1(3-C),133.0(Ph-C),129.7(Ph-C),127.9(Ph-C),127.4(Ph-C),116.2(2-C)；IR(neat)ν:3071,3036,1684,1627,1584,1498,1452cm-1。

6 總結(jié)

通過對水相Heck反應(yīng)的進(jìn)一步研究，在常規(guī)、超聲波、微波條件下設(shè)計(jì)探索性實(shí)驗(yàn)，在比較溫和的條件下及很短的時(shí)間內(nèi)就可以完成該反應(yīng)，從而可為Heck反應(yīng)在大學(xué)有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程中的應(yīng)用提供借鑒。

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