PEG-400/H2O中無配體條件下鹵代芳烴與芳基硼酸交叉偶聯(lián)反應的研究

匡仁云，張振興，黃 翔，沈玉君，鄒 紅，謝寶星，唐伯孝

PEG-400/H2O中無配體條件下鹵代芳烴與芳基硼酸交叉偶聯(lián)反應的研究

匡仁云1,2，張振興1，黃 翔1，沈玉君1，鄒 紅1，謝寶星1，*唐伯孝1,2

（1. 井岡山大學化學化工學院，江西，吉安 343009；2. 江西省配位化學重點實驗室應用化學研究所，江西，吉安 343009）

在無配體條件下，以聚乙二醇（PEG-400）和水為反應介質，醋酸鈀為催化劑，鹵代代芳烴和芳基硼酸通過交叉偶聯(lián)反應合成一系列聯(lián)苯類化合物（3a~3h）, 其結構經1H NMR和13C NMR表征，交叉偶聯(lián)產率為30%~99%。PEG和水作為反應溶劑減少了對環(huán)境污染，實現(xiàn)了偶聯(lián)反應的綠色化。

PEG/H2O；無配體；Suzuki-Miyaura偶聯(lián)；綠色化學

0 引言

過渡金屬催化構建C-C鍵已成為有機合成的有效手段之一，在現(xiàn)代有機反應中扮演著重要角色[1-2]。在這些研究方法中，Suzuki-Miyaura反應因為良好的選擇性和偶聯(lián)收率，已經發(fā)展成為一種具有實際應用價值的合成方法[3-4]。大多數(shù)Suzuki-Miyaura偶聯(lián)反應研究方向主要集中在配體、有機溶劑等方面[5-8]。例如，Karami 等研究人員，以膦配體和氯化鈀為催化體系，在溫和條件下實現(xiàn)了Suzuki-Miyaura偶聯(lián)反應[9]。隨著學者對原子經濟性和環(huán)保的認知不斷提高，綠色介質使用、催化劑循環(huán)已經成為該領域的研究熱點[10-15]。Korolev 研究小組發(fā)現(xiàn)，以純水為反應介質，PdCl2-EDTA 催化體系，K2CO3為堿，碘代芳烴的Suzuki-Miyaura偶聯(lián)收率還不錯，但溴代芳烴的偶聯(lián)反應活性要差一些[16]。總之，Suzuki-Miyaura偶聯(lián)反應在配體、催化劑循環(huán)和綠色化學方面已取得較好的研究成果，但在某些方面仍然存在一些瑕疵，比如，催化體系復雜且昂貴、反應底物局限性等，這些問題都會影響Suzuki-Miyaura偶聯(lián)的實際應用價值。因此，發(fā)現(xiàn)一些簡單、經濟、綠色的催化體系，仍然是這一研究領域的良好策略。

聚乙二醇（PEG）高溫下穩(wěn)定而不易揮發(fā)，并且可生物降解和無毒副作用，它是一類對環(huán)境友好的反應介質[17]。我們研究小組一直致力于綠色介質中偶聯(lián)反應的研究，也取得了一些研究成果[18-19]。最近的研究發(fā)現(xiàn)，在無配體的條件下，以PEG /H2O為反應介質，Pd(OAc)2能夠有效催化溴代和氯代芳烴的Suzuki-Miyaura反應, 并能夠得到30%~99%的偶聯(lián)收率。

1 實驗部分

1.1 試劑和儀器

芳基苯硼酸、鹵代烴、Pd2(OAc)2等試劑從百靈威化學公司購買（分析純），K2CO3、EtN3、KOAC、NaOH、PEG、石油醚等從國藥集團公司購買（化學純），以上試劑未經純化直接使用。核磁共振儀：AVANCE Ⅲ HD 400（廠家：Bruker）。

1.2 Suzuki-Miyaura偶聯(lián)反應及產物表征

在反應管中依次加入鹵代芳烴（0.5 mmol），芳基硼酸（0.6 mmol），醋酸鈀（0.015 mmol），NaHCO3（1.0 mmol），PEG-400（0.5 g）和H2O（0.5 g），在100 ℃油浴下反應，TLC跟蹤反應，反應完成后，冷卻降至室溫，加入飽和食鹽水15 mL，用乙酸乙酯萃取（10 mL×3），分液，有機相用無水MgSO4干燥，過濾后減壓蒸去乙酸乙酯得到粗產物，經柱色譜分離得到偶聯(lián)產物3。

4-甲基-4'-甲氧基聯(lián)苯(3a)：1H NMR (400 MHz, CDCl3) δ 7.50 (d,= 8.6 Hz, 2H), 7.44 (d,= 8.0 Hz, 2H), 7.21 (d,= 8.0 Hz, 2H), 6.95 (d,= 8.6 Hz, 2H), 3.82 (s, 3H), 2.37 (s, 3H);13C NMR (100 MHz, CDCl3) δ 158.89, 137.92, 136.31, 133.70, 129.41, 127.91, 126.54, 114.12, 55.29, 21.02.

4-硝基聯(lián)苯(3b)：1H NMR (400 MHz, CDCl3) δ 8.27 (d,= 8.8 Hz, 2H), 7.71 (d,= 8.8 Hz, 2H), 7.61 (d,= 6.8 Hz, 2H), 7.51 – 7.41 (m, 3H);13C NMR (100 MHz, CDCl3) δ 147.51, 146.98, 138.64, 129.07, 128.85, 127.69, 127.29, 124.00.

4-乙?；?lián)苯(3c)：1H NMR (400 MHz, CDCl3) δ 8.01 (d,= 8.4 Hz, 2H), 7.66 (d,= 8.4 Hz, 2H), 7.61 (d,= 7.0 Hz, 2H), 7.47 – 7.24 (m, 3H), 2.62 (s, 1H);13C NMR (100 MHz, CDCl3) δ 197.67, 145.67, 139.76, 135.75, 128.88, 128.83, 128.16, 127.18, 127.12, 26.56.

4-甲氧基聯(lián)苯(3d)：1H NMR (400 MHz, CDCl3) δ 7.55 – 7.50 (m, 4H), 7.39 (t,= 7.6 Hz, 2H), 7.28 (t,= 7.4 Hz, 1H), 6.96 (d,= 8.8 Hz, 2H), 3.82 (s, 3H);13C NMR (100 MHz, CDCl3) δ 159.11, 140.78, 133.72,128.68, 128.10, 126.69, 126.61, 114.17, 55.27.

2-甲基-4'-甲氧基聯(lián)苯(3e)：1H NMR (400 MHz, CDCl3) δ 7.25– 7.17 (m, 6H), 6.93 (d,= 8.6 Hz, 2H), 3.82 (s, 3H), 2.26 (s, 3H);13C NMR (100 MHz, CDCl3) δ 158.47, 141.50, 135.41, 134.33, 130.25, 130.20, 129.85, 126.92, 125.71, 113.44, 55.19, 20.49.

3-甲基-4'-甲氧基聯(lián)苯(3f)：1H NMR (400 MHz, CDCl3) δ 7.50 (d,= 8.8 Hz, 2H), 7.35 – 7.27 (m, 3H), 7.11 (d,= 7.2 Hz, 1H), 6.95 (d,= 8.8 Hz, 2H), 3.82 (s, 3H), 2.39 (s, 3H);13C NMR (100 MHz, CDCl3) δ 159.04, 140.77, 138.22, 133.85, 128.59, 128.11, 127.51, 127.38, 123.81, 114.10, 55.26, 21.51.

1-(4-甲氧基苯基)萘(3g)：1H NMR (400 MHz, CDCl3) δ 7.92 (d,= 8.2 Hz, 1H), 7.87 (d,= 7.8 Hz, 1H), 7.81 (d,= 8.2 Hz, 1H), 7.50 – 7.37 (m, 6H), 7.00 (d,= 8.8 Hz, 2H), 3.85 (s, 3H);13C NMR (100 MHz, CDCl3) δ 158.91, 139.87, 133.81, 133.08, 131.80, 131.07, 128.22, 127.29, 126.87, 126.03, 125.88, 125.66, 125.37, 113.68, 55.28.

4-甲氧基-4'-氯聯(lián)苯(3h)：1H NMR (400 MHz, CDCl3) δ 7.47 – 7.43 (m, 4H), 7.35 (d,= 8.6 Hz, 2H), 6.95 (d,= 8.8 Hz, 2H), 3.82 (s, 3H);13C NMR (100 MHz, CDCl3) δ 159.32, 139.21, 132.61, 132.41, 128.79, 127.96, 127.87, 114.27, 55.29.

2 實驗結果與討論

2.1 Suzuki-Miyaura偶聯(lián)反應條件優(yōu)化

以4-甲基溴苯（1a）與4-甲氧基苯硼酸（2a）交叉偶聯(lián)反應為模板, 在無配體條件下，以Pd(OAc)2作為催化劑，研究了聚乙二醇的種類、不同堿和反應溫度對交叉偶聯(lián)反應的影響（如表1所示）。首先，考察了PEG類型對交叉偶聯(lián)反應的影響，其中PEG-400/H2O反應體系表現(xiàn)出最好的反應活性, 其他PEG/H2O反應體系的反應活性較差, 交叉偶聯(lián)產率較低（entries 1-4）。我們考察了不同堿對交叉偶聯(lián)反應的影響，實驗結果表明NaHCO3的交叉偶聯(lián)產率最高，NaOH的交叉偶聯(lián)產率最低（entries 5-8）。最后考察了不同溫度對交叉偶聯(lián)反應的影響，當反應溫度是90℃和110℃時，交叉偶聯(lián)產率都有所下降，分別為82％和70％（entries 9, 10）。

表1 4-甲基溴苯和4-甲氧基苯硼酸交叉偶聯(lián)反應條件的篩選a

Reaction condition: 1a (0.5 mmol), 2a (0.6 mmol), Pd(OAc)2(0.015 mmol), base (1.0 mmol), water (0.5 g), PEG (0.5 g), 100 °C, air and 10 h;Isolated yield

2.2 Suzuki-Miyaura偶聯(lián)反應底物拓展

在最佳的反應體系PEG-400/H2O中，選擇了一系列溴、氯代芳烴與芳基硼酸進行交叉偶聯(lián)反應，實驗結果見表2。在無配體的條件下，含有吸電子基團鹵代芳烴的反應活性比含有給電子基團芳烴要好（entries 1-6）。例如，當溴代芳烴上含有硝基時，交叉偶聯(lián)產率可達99%。但是，當溴代芳烴上含有甲氧基時，其產率下降到84%（entries 1，4）。由于C-Cl鍵比C-Br鍵牢固，不容易斷裂，在交叉偶聯(lián)反應中，氯代芳烴的反應活性比溴代芳烴要差，而且交叉偶聯(lián)反應條件也要苛刻（entries 5，6）。然后選取4-甲氧基溴苯與不同芳基硼酸反應，實驗結果表明不同芳基硼酸的反應活性相差不大，都能夠得到85%以上交叉偶聯(lián)收率（entries 7-12）。實驗發(fā)現(xiàn)，當用鄰、間、對位有甲基的芳基硼酸分別進行交叉偶聯(lián)反應時，它們的交叉偶聯(lián)產率相差無幾，這一實驗結果說明位阻效應對交叉偶聯(lián)反應影響不大（entries 8-10）。

表2 不同反應底物的Suzuki-Miyaura偶聯(lián)a

Reaction condition: 1 (0.5 mmol), 2 (0.6 mmol), Pd(OAc)2(0.015 mmol), NaHCO3(1.0 mmol), water (0.5 g), PEG-400 (0.5 g), 100 °C and air;Isolated yield;1 (0.5 mmol), 2 (0.75 mmol), Pd(OAc)2(0.02 mmol), NaHCO3(1.0 mmol), water (0.4 g), PEG-400 (0.6 g), 100 °C and air

3 小結

在Pd(OAc)2(0.015 mmol)為催化劑，NaHCO3(1.0 mmol)為堿，PEG-400 (0.5 g)/H2O (0.5 g)為反應介質，無需任何配體的條件下，發(fā)展了一種溴、氯代芳烴與芳基硼酸交叉偶聯(lián)的新方法，交叉偶聯(lián)產率30%~99%。同時，PEG的難揮發(fā)性、可降解、無毒等優(yōu)點與傳統(tǒng)有機溶劑相比，減少了對環(huán)境的污染，實現(xiàn)了Suzuki-Miyaura偶聯(lián)反應的綠色化。

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LIGAND-FREE CROSS-COUPLING REACTIONS OF ARYL HALIDES WITH ARYLBORONIC ACIDS IN PEG-400/H2O

KUANG Ren-yun1,2, ZHANG Zhen-xing1, HUANG Xiang1, SHEN Yu-jun1, ZOU Hong1, XIE Bao-xin1,*TANG Bo-xiao1,2

(1. School of Chemistry and Chemical Engineering, Ji’an,Jiangxi 343009, China; 2. The key Laboratory of Coordination Chemistry of Jiangxi Province, and Institute of Applied Chemistry, Jinggangshan University, Ji’an, Jiangxi 343009, China)

Using PEG-400/H2O as the reaction medium and Pd(OAc)2as the catalyst, a series of biphenyl compounds (3a~3h) were synthesized by the cross-coupling reactions of aryl halides with arylboronic acids under ligand-free conditions. The structures were characterized by1H NMR and13C NMR, and the yield of the cross-coupling were 30%~99%. PEG/H2O as reaction solvent can reduce environmental pollution and realize green coupling reaction.

PEG/H2O; ligand-free; Suzuki-Miyaura coupling; green chemistry

1674-8085(2020)01-00025-05

O645.11

A

10.3969/j.issn.1674-8085.2020.01.006

2019-09-12；

2019-11-27

國家自然科學基金項目(21563015)；江西省教育廳科技計劃項目(GJJ170656)；國家級大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目(201910419008)

匡仁云(1974-)，男，江西吉安人，高級實驗師，碩士，主要從事有機合成方法學的研究 (E-mail: kuagrenyun@163.com);

張振興(1998-)，男，江西鷹潭人，井岡山大學化學化工學院化學工程與工藝專業(yè)2016級本科生(E-mail:1258405442@qq.com);

黃 翔(1998-），男，江西萍鄉(xiāng)人，井岡山大學化學化工學院材料化學專業(yè)2016級本科生(E-mail:1203574208@qq.com);

沈玉君(1998-)，女，福建詔安人，井岡山大學化學化工學院應用化學專業(yè)2016級本科生(E-mail:1305691795@qq.com);

鄒 紅(1998-)，女，江西吉安人，井岡山大學化學化工學院化學（師范）2017級本科生(E-mail:1409055828@qq.com);

謝寶星(1998-)，男，江西贛州人，井岡山大學化學化工學院化學（師范）專業(yè)2017級本科生（E-mail:892374607@qq.com);

*唐伯孝(1975-)，男，湖南邵陽人，副教授，博士，主要從事綠色偶聯(lián)反應的研究(E-mail:520tangboxiao@163.com).