離子液體在Suzuki偶聯(lián)反應(yīng)中的應(yīng)用*

李鵬宇，李猛，白雪峰,**

（1.黑龍江省科學(xué)院 石油化學(xué)研究院，黑龍江 哈爾濱 150040;2. 黑龍江大學(xué) 化學(xué)化工與材料學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150080

離子液體在Suzuki偶聯(lián)反應(yīng)中的應(yīng)用*

李鵬宇2，李猛1，白雪峰1,2**

（1.黑龍江省科學(xué)院 石油化學(xué)研究院，黑龍江 哈爾濱 150040;2. 黑龍江大學(xué) 化學(xué)化工與材料學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150080

過渡金屬Pd催化的Suzuki偶聯(lián)反應(yīng)是構(gòu)建C-C鍵的重要反應(yīng)之一，在許多領(lǐng)域都有著廣泛應(yīng)用。在離子液體中進(jìn)行的Suzuki偶聯(lián)反應(yīng)具有反應(yīng)活性高、選擇性好等特點。含有Pd配體的功能化離子液體直接催化Suzuki偶聯(lián)反應(yīng)可提高催化活性，容易實現(xiàn)產(chǎn)物與催化劑分離。固載化離子液體可有效地解決催化劑難以重復(fù)使用的問題。

Suzuki反應(yīng)；Pd配體；離子液體；功能化

前言

Suzuki-Miyaura交叉偶聯(lián)反應(yīng)（簡稱Suzuki反應(yīng)）是構(gòu)建C-C鍵的重要反應(yīng)。在Pd等過渡金屬催化下，有機(jī)硼酸酯與鹵代物可以發(fā)生交叉偶聯(lián)反應(yīng)[1～2]。該反應(yīng)可以在空氣氣氛下進(jìn)行，條件溫和，具有較強(qiáng)的底物適應(yīng)性和官能團(tuán)容忍性等優(yōu)點。自1979年報道以來，已廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥、天然產(chǎn)物合成、液晶及OLED中間體等有機(jī)合成領(lǐng)域[3～4]。

均相鈀配體催化劑是Suzuki反應(yīng)最常用的催化劑，反應(yīng)效率很高，但也存在與產(chǎn)物分離難，不能循環(huán)使用等問題，研究人員一直在尋找可以回收的鈀催化劑，以降低成本，提高循環(huán)使用效率[5～6]。非均相催化劑可以有效地解決以上問題，這使得非均相催化逐漸成為了Suzuki反應(yīng)的研究熱點[7]。非均相催化的Suzuki反應(yīng)可分為固-液非均相和液-液非均相催化。固-液非均相催化劑是將鈀負(fù)載到載體表面制得的催化劑，在催化Suzuki反應(yīng)時可多次重復(fù)使用，但由于分散性較均相催化劑差，催化效率遠(yuǎn)低于均相催化反應(yīng)。離子液體具有良好的溶解性，可以提高催化劑活性，降低催化劑的用量，可作為C-C偶聯(lián)反應(yīng)的介質(zhì)[8]。隨著離子液體的發(fā)展，離子液體的陽離子或陰離子上連接具有功能性基團(tuán)的功能性離子液體逐漸應(yīng)用于一些重要的催化反應(yīng)中。本文重點對離子液體在Suzuki偶聯(lián)反應(yīng)中的應(yīng)用進(jìn)行了綜述。

1 離子液體作為溶劑

離子液體具有低蒸氣壓、低毒、溶解能力強(qiáng)、不易燃等常規(guī)溶劑不具備的優(yōu)勢，可以促進(jìn)Suzuki偶聯(lián)反應(yīng)的進(jìn)行。

Mathews等[9]在[bmim]BF4中，進(jìn)行了Pd(PPh3)4（1.2mol%）催化對溴苯甲醚與苯硼酸的Suzuki反應(yīng)，反應(yīng)產(chǎn)物收率在80%以上，產(chǎn)物通過乙醚萃取即可與反應(yīng)體系分離。催化劑重復(fù)使用4次，催化活性沒有明顯降低。Srinivasan等[10]采用超聲誘導(dǎo)的方法，在30℃下，以[bbim]BF4和甲醇作為共溶劑、Pd(OAc)2作為催化劑，進(jìn)行鹵代芳烴與苯硼酸的Suzuki偶聯(lián)反應(yīng)。在一系列的反應(yīng)中，碘代芳烴與溴代芳烴45min內(nèi)產(chǎn)物收率均達(dá)到80%以上。氯代芳烴的反應(yīng)時間較長，產(chǎn)物收率較低。McNulty等[11]將鹵代苯和苯硼酸溶解在十四烷基三己基氯化膦中，在Pd2(dba)3的催化下，碘苯和溴苯與苯硼酸的Suzuki偶聯(lián)收率可達(dá)92%～100%，在此體系中，催化劑可重復(fù)使用多次。加入PPh3后，帶有吸電子基團(tuán)的氯苯可以較好地反應(yīng)，收率可達(dá)76%～84%。Silarska等[12]用離子液體1-9合成氮雜環(huán)卡賓在微波下催化Suzuki反應(yīng)，證明在微波加熱過程中產(chǎn)生了大量的4～6nm的Pd(0)，這些納米粒子的Pd(0)對反應(yīng)有很好的促進(jìn)作用。

Song等[13]使用[Emim][TF2N]離子液體作為溶劑，以3mol%芳基咪唑10為前催化劑，加入氯化鈀，水為溶劑，100℃下進(jìn)行Suzuki反應(yīng)，溴苯與苯硼酸收率達(dá)88%。反應(yīng)中也觀察到了納米粒子鈀的存在。

在離子液體中進(jìn)行的Suzuki偶聯(lián)反應(yīng)活性較高，離子液體與一些有機(jī)溶劑不互溶，產(chǎn)物與反應(yīng)體系可通過萃取等簡易方法分離。離子液體還可作為超聲、微波促進(jìn)的反應(yīng)介質(zhì)，從而加快Suzuki偶聯(lián)反應(yīng)的速率。

2 離子液體作為催化劑

離子液體是由有機(jī)陽離子和無機(jī)陰離子構(gòu)成，這就為設(shè)計功能化的離子液體提供了可能。一些帶有配位基的有機(jī)陽離子可與過渡金屬形成配合物作為催化劑，直接催化Suzuki偶聯(lián)反應(yīng)。利用離子液體與一些有機(jī)溶劑不互溶的特性，可通過萃取等手段，容易地將反應(yīng)產(chǎn)物與催化劑分離開來。

Corma等[14]對咪唑類陽離子進(jìn)行設(shè)計，在1-正丁基咪唑的3位N原子上連接肟類環(huán)鈀配合物11。使用該功能化的離子液體催化了苯硼酸與溴苯及碘苯的Suzuki偶聯(lián)反應(yīng)。催化劑用量在4.8mol%時，反應(yīng)收率為27%。

Shreeve等[15]采用雙咪唑環(huán)作為陽離子，制備了一種具有配位功能的離子液體12。在催化具有H、F、CF3、NO2、CH3等取代基的溴代芳烴進(jìn)行Suzuki偶聯(lián)反應(yīng)時，反應(yīng)收率均達(dá)到82%以上。此催化體系在重復(fù)使用多次后仍具有較高的催化活性，說明Pd與雙咪唑環(huán)離子液體形成了較為穩(wěn)定的配位結(jié)構(gòu)。反應(yīng)結(jié)束后，僅通過乙酸乙酯萃取，即可實現(xiàn)產(chǎn)物與反應(yīng)體系的分離。

Zhao等[16]制備出一系列的氰基配位功能化的吡啶型離子液體鈀催化劑13，這些催化劑可催化碘代芳基與芳基硼酸的Suzuki偶聯(lián)反應(yīng)，反應(yīng)收率在80%以上。實驗結(jié)果表明，催化劑c在[C3CNpy][Tf2N]作為溶劑時，重復(fù)使用9次，反應(yīng)活性依然沒有降低。

曹正芳等[17]制備了功能化的N-雜環(huán)離子液體14（a-e），并考察了含有14b鈀催化劑催化多種取代基的溴代芳烴與芳基硼酸的Suzuki偶聯(lián)反應(yīng)的催化活性。實驗結(jié)果表明，此催化體系對具有吸電子效應(yīng)的溴代芳烴有較好的活性，在短時間內(nèi)收率可達(dá)98%以上，而對于給電子基催化活性有所降低。

Zhao等[18]合成了一種含有四齒卡賓配體的功能化離子液體15，發(fā)現(xiàn)含有此結(jié)構(gòu)的鈀催化劑能夠在室溫下催化Suzuki偶聯(lián)反應(yīng)，反應(yīng)收率高，并且在催化一些大位阻底物時同樣有效。此催化劑在物質(zhì)的量用量為0.1%時，2h即可完成對4-氯苯乙酮與苯硼酸的催化，且反應(yīng)收產(chǎn)率高達(dá)98%。

Li等人[19]設(shè)計并合成了一系列陽離子為胍結(jié)構(gòu)的離子液體，而微波誘導(dǎo)下離子液體16與鈀配位后催化對氯硝基苯與苯硼酸的Suzuki偶聯(lián)反應(yīng)有著良好的催化活性，在催化劑1%的物質(zhì)的量用量、120℃、氬氣保護(hù)的條件下，反應(yīng)20min可得到98%的反應(yīng)收率?？梢娢⒉ㄕT導(dǎo)對反應(yīng)速率起到了促進(jìn)作用，從而大大地節(jié)省了反應(yīng)時間。

Nacci等[20]發(fā)現(xiàn)，將乙酸鈀投入熔融的TBAB（四丁基溴化銨）中，會產(chǎn)生能夠催化氯代芳烴與芳基硼酸的偶聯(lián)反應(yīng)的納米鈀催化劑，此種納米鈀催化劑是由穩(wěn)定的四丁銨陽離子與溴離子和溴鈀酸根離子共同包裹中心的納米鈀顆粒而形成的。此種催化劑具有很強(qiáng)的催化活性，2.5%的物質(zhì)的量用量、60℃時反應(yīng)3h，催化對氯硝基苯與苯硼酸的Suzuki偶聯(lián)反應(yīng)的收率即可達(dá)到99%。而在90℃下催化對溴甲苯與苯硼酸的反應(yīng)時，催化劑循環(huán)使用3次后催化活性才有明顯下降，這可能是由于納米鈀顆粒團(tuán)聚的緣故。

含有配位基團(tuán)的離子液體與鈀配合而成的離子液體催化劑結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，催化活性較高，并且繼承了離子液體與多種常用溶劑不互溶的特點，易與反應(yīng)產(chǎn)物分離，便于回收再利用。

3 固載化離子液體作為催化劑

離子液體的固載化進(jìn)一步地解決了離子液體鈀催化劑回收困難的問題，提高了催化劑活性組分的利用率，降低了催化反應(yīng)的成本。

Taher等[21]將N-雜環(huán)卡賓離子液體鈀配體固載到表面經(jīng)離子液體修飾的磁性Fe3O4上，得到了可以通過外加磁場分離的Fe3O4-Pd-NHC催化劑17。由于Pd-NHC結(jié)構(gòu)在離子液體相中分散均勻，可與底物重復(fù)接觸，從而提高了催化效率。Pd含量為0.5mol%的催化劑在催化帶有不同種類取代基的溴代芳烴與芳基硼酸的Suzuki反應(yīng)收率均為90%以上。通過催化對溴苯甲醚與苯硼酸的反應(yīng)考察了催化劑重復(fù)使用的性能，結(jié)果表明，經(jīng)過5次循環(huán)使用，催化劑的催化活性無明顯降低。

Karimi等[22]報道了一種可負(fù)載鈀催化劑的有序介孔有機(jī)硅-離子液體體系PMO-IL 18，由于此體系中存在配位基團(tuán)，故可使Pd牢固且均勻地分散在介孔孔道內(nèi)。催化劑Pd@PMO-IL在催化含有不同取代基的鹵代芳基與芳基硼酸的Suzuki偶聯(lián)反應(yīng)時，有著良好的催化活性。即使是不活潑的氯代芳烴的催化產(chǎn)率也高達(dá)70%以上。此催化劑循環(huán)使用5次，催化活性沒有明顯下降。

Lee等[23]利用咪唑型離子液體合成了聚合物負(fù)載的雙齒卡賓配位催化劑19，50℃時，1%物質(zhì)的量用量的催化劑催化4-溴苯乙酮和苯硼酸進(jìn)行Suzuki偶聯(lián)反應(yīng)，反應(yīng)收率可達(dá)96%。并且此催化劑重復(fù)催化碘苯與苯硼酸反應(yīng)10次后，反應(yīng)收率依然沒有下降，仍然在90%以上。

王佳毅[24]設(shè)計并合成了聚合物負(fù)載的離子液體鈀催化劑20～22，并考察了其催化鹵代芳烴與4-甲基苯硼酸的Suzuki偶聯(lián)反應(yīng)。催化劑物質(zhì)的量用量為0.05%、70℃下催化不同取代基的碘苯和溴苯的過程中有著良好的催化活性，催化劑重復(fù)使用5次，催化效果未降低。

固載化的離子液體催化劑在反應(yīng)體系中分散性好，使其催化效率大大提高，并且能夠更加便捷地與反應(yīng)產(chǎn)物分離，而實現(xiàn)催化劑的重復(fù)使用。

4 結(jié)語

Suzuki偶聯(lián)反應(yīng)一直以來都是有機(jī)化學(xué)中有效構(gòu)建芳-芳鍵的重要反應(yīng)之一。功能化的離子液體能夠有效地固定鈀活性組分，使之不易流失；而離子液體的固載化可以實現(xiàn)催化劑的重復(fù)利用，大大地降低了反應(yīng)成本。離子液體結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定，毒性低，可減少對環(huán)境的污染。在當(dāng)前環(huán)境污染日益嚴(yán)重的情況下，綠色化學(xué)越來越受到人們的重視。離子液體除了具有許多優(yōu)勢外，作為綠色化學(xué)的一個重要組成部分，勢必會在Suzuki偶聯(lián)反應(yīng)中得到廣泛應(yīng)用。

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雜化氣凝膠制備首用真空干燥

在科技部、國家自然科學(xué)基金委的大力支持下，中科院化學(xué)研究所高分子物理與化學(xué)國家重點實驗室的科研人員日前首次通過簡便的真空干燥技術(shù)，制備了彈性低密度有機(jī)-無機(jī)雜化氣凝膠。這種制備方法簡便、性能優(yōu)異、易于表面功能化的氣凝膠材料對于拓展氣凝膠的實際應(yīng)用具有重要的意義。

Application of Ionic Liquids in Suzuki Coupling Reaction

LI Peng-yu2,LI Meng1and BAI Xue-feng1,2
(1.Institute of Petrochemistry,Heilongjiang Academy of Sciences,Harbin 150040,China;2.College of Chemistry and Material Science,Heilongjiang University,Harbin 150080,China)

The Suzuki coupling reaction catalyzed by transition metal Pd is one of the most important C-C coupling reactions,which has been widely used in many fields.Suzuki coupling reactions in ionic liquids represent the characteristics of high reactivity and good selectivity.The functionalized ionic liquids with Pd ligand group can improve catalytic activity and easily realize the separation between product and catalyst.The supported ionic liquids can effectively solve the problem of catalyst reuse.

Suzuki coupling reactions;palladium ligands;ionic liquids;functionalized

TQ426.7

A

1001-0017（2013）06-0053-05

2013-08-11*基金項目：黑龍江省科學(xué)院科研基金項目

李鵬宇(1988-)，男，黑龍江大慶人，在讀碩士，研究方向：工業(yè)催化。

**通訊聯(lián)系人：白雪峰（1964-），男，博士，研究員，主要從事工業(yè)催化方面研究，E-mail:bxuefeng@163.net。