水溶性膦配體兩相催化反應(yīng)的研究進(jìn)展*

陳 維

(浙江醫(yī)藥高等?？茖W(xué)校，浙江 寧波 315100)

近三十年來(lái)水溶性膦配體的出現(xiàn)和發(fā)展極大推動(dòng)了對(duì)以水溶性過(guò)渡金屬有機(jī)配合物為催化劑的水/有機(jī)兩相催化反應(yīng)的研究和應(yīng)用。根據(jù)膦配體結(jié)構(gòu)中親水基的不同, 可將水溶性膦配體按表面活性劑的分類，分為陰離子型、陽(yáng)離子型、兩性、非離子型四類，其中陰離子型的水溶性膦配體最為常見(jiàn)[1]，特別是含磺酸基的TPPTS(間-三苯基膦三磺酸鈉鹽)已在丙烯的氫甲酰化反應(yīng)、α,β-不飽和醛的選擇性氫化、交叉偶聯(lián)反應(yīng)等催化反應(yīng)中獲得應(yīng)用, 較好地解決了均相絡(luò)合催化反應(yīng)中催化劑分離難的問(wèn)題[2-3]。本文對(duì)近年來(lái)幾種重要的水溶性膦配體及其過(guò)渡金屬配合物在兩相催化反應(yīng)中的最新研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。

1 催化交叉偶聯(lián)反應(yīng)

近年來(lái)一些新的水溶性膦配體的應(yīng)用，如親水性單膦配體，雙膦配體等，水溶性膦-鈀配合物催化的偶聯(lián)反應(yīng)取得了很大的進(jìn)展[4]。1990年，Calabrese等[5]首次通過(guò)磺化修飾傳統(tǒng)的膦配體獲得水溶性膦配體用以催化水相偶聯(lián)反應(yīng)(如圖1所示)。

圖1 磺化膦配體Fig.1 Sulfonated phosphorus ligands

1997年，Beller等報(bào)道了糖類取代的三芳基膦配體催化的兩相Heck和Suzuki反應(yīng)，并且在相同反應(yīng)條件下，收率和催化活性均優(yōu)于TPPTS(間-三苯基膦三磺酸鈉鹽)[6],如圖2所示。

圖2 糖類取代的三芳基膦配體催化的兩相Heck和Suzuki反應(yīng)Fig.2 Efficient two-phase Heck and Suzuki couplings,using carbohydrate-substituted triarylphosphanes ligands

2003年，Shaughnessy等[7]報(bào)道了水溶性磺化膦配體(TXPTS)-鈀配合物在水相和室溫條件下，高效的催化一步直接Suzuki芳基化反應(yīng)(如圖3所示)。相對(duì)于TPPTS(間-三苯基膦三磺酸鈉鹽)，TXPTS由于位阻更大，催化活性更高，反應(yīng)能在室溫下30 min內(nèi)獲得95%以上的轉(zhuǎn)化率。

圖3 水溶性膦配體-鈀配合物高效催化一步直接Suzuki芳基化反應(yīng)Fig.3 Efficient one-step Suzuki arylation, using water-soluble palladium catalysts

2004年，Shaughnessy等[8]又報(bào)道了大位阻的水溶性磺化膦配體(TXPTS)-鈀配合物在水相中，高效催化芳基溴的Heck和Suzuki反應(yīng)(如圖4所示)。

圖4 水溶性膦配體(TXPTS)-鈀配合物高效催化芳基溴的Heck 和Suzuki反應(yīng)Fig.4 Efficient aqueous-phase Heck and Suzuki couplings of aryl bromides using TXPTS

2005年，Buchwald等[9]報(bào)道了比TXPTS位阻更大的鄰位二異丙基取代的芳基膦配體，通過(guò)該大位阻水溶性磺化聯(lián)苯膦配體-鈀配合物在水中成功的實(shí)現(xiàn)了催化低活性芳基氯和挑戰(zhàn)性高位阻底物的高難度Suzuki和Sonogashira反應(yīng)(如圖5所示)。

圖5 水中催化芳基氯的 Suzuki和Sonogashira反應(yīng)Fig.5 Suzuki and Sonogashira coupling reactions of aryl chlorides in water

2002年，Savignac等[10]報(bào)道了新型水溶性羧基官能團(tuán)化的膦配體(m-TPPTC)-鈀配合物在水相中，高效催化分子內(nèi)和分子間Heck反應(yīng)(如圖6所示)。

圖6 水溶性膦配體催化分子間Heck反應(yīng)Fig.6 Water-soluble phosphanes and applications in intramolecular Heck reactions

2004年，Shaughnessy等[11]報(bào)道了新型水溶性季銨鹽取代的大位阻烴基膦配體，該配體具有雙叔丁基大位阻基團(tuán)和季銨鹽水溶性官能團(tuán)，水相中催化偶聯(lián)反應(yīng)的效率顯著高于傳統(tǒng)的TPPTS(間-三苯基膦三磺酸鈉鹽)。該水溶性季銨鹽大位阻烴基膦配體和鈀配位，在水相中較溫和的條件下(室溫到50 ℃范圍內(nèi))成功催化芳基溴的Heck，Suzuki和Sonogashira等交叉偶聯(lián)反應(yīng)(如圖7所示)，而且該催化劑可循環(huán)催化四次以上。

圖7 水溶性大位阻烴基膦配體高效催化芳基溴的Heck,Suzuki和Sonogashira反應(yīng)Fig.7 Efficient aqueous-phase Heck, Suzuki and couplings of aryl bromides, using water-soluble, sterically demanding alkylphosphines

2005年，De Jesús等[12]報(bào)道了新型冠醚功能化的膦配體，通過(guò)冠醚取代，該膦配體具有一定的水溶性，可在水相中催化芳基碘的Stille偶聯(lián)反應(yīng)(如圖8所示)。

圖8 冠醚膦配體在水中催化芳基碘的Stille反應(yīng)Fig.8 Stille coupling of aryl iodides in water, using crown ether phosphane ligands

2006年，De Jesús等[13]又報(bào)道了冠醚膦配體在氫氧化鈉水溶液中催化芳基溴和芳基硅酸酯的偶聯(lián)反應(yīng)(如圖9所示)。

圖9 冠醚膦配體-鈀配合物在氫氧化鈉水溶液中催化芳基溴和芳基硅酸酯的偶聯(lián)反應(yīng)Fig.9 Coupling reactions of aryl bromides and arylsiloxanes in water catalyzed by palladium complexes of crown ether phosphane ligands

2000年，Stelzer等[14]報(bào)道了含胍基和磷酸鹽官能團(tuán)的水溶性芳基膦配體，及其催化的 P-C偶聯(lián)和Suzuki反應(yīng)(如圖10所示)。

圖10 兩相Suzuki和P-C偶聯(lián)反應(yīng)Fig.10 Two-phase Suzuki and P-C coupling reactions

2003年和2004年，Plenio等連續(xù)報(bào)道了聚合物MeOPEG負(fù)載和雙金剛烷取代的膦配體，及其鈀配合物催化兩相Sonogashira[15]和Suzuki偶聯(lián)反應(yīng)[16](如圖11所示)，聚乙二醇衍生物官能團(tuán)化使得該膦配體具有一定的水溶性，雙金剛烷取代所帶來(lái)的巨大空間位阻讓該膦配體具有很高的催化活性，對(duì)于鈍化的芳基氯底物Suzuki偶聯(lián)反應(yīng)仍具有較高的轉(zhuǎn)化率，且可循環(huán)催化六次。

圖11 MeOPEG取代的膦配體催化兩相Sonogashira偶聯(lián)反應(yīng)Fig.11 Biphasic Sonogashira Coupling, Using MeOPEG-Bound Phosphine-Palladium Catalysts

2017年，Jiang等[17]報(bào)道了TPPTS作為水溶性配體，K2PdCl4為鈀源，HCOONa作為還原劑生成的的鈀納米粒(PdNPs)催化劑，在室溫下水相中高效催化Suzuki反應(yīng)。通過(guò)對(duì)催化機(jī)制的深入研究，揭示了TPPTS作為配體對(duì)該水相可分散的鈀納米粒(PdNPs)催化劑起到了關(guān)鍵的穩(wěn)定和活化作用。研究還發(fā)現(xiàn)，偶聯(lián)反應(yīng)的活性主要由鈀納米粒(PdNPs)的大小決定。該反應(yīng)體系中，由HCOONa還原所得的最小(約1.5納米直徑)鈀納米粒(PdNPs)具有最高的催化活性(如圖12所示)。

圖12 TPPTS穩(wěn)定的鈀納米粒室溫下催化水相suzuki偶聯(lián)反應(yīng)Fig.12 PdNPs stabilized by TPPTS for aqueous phase room temperature suzuki coupling

2 催化氫甲?；磻?yīng)

2019年，Yuan等[18]報(bào)道了水溶性膦配體(BISBIS或TPPTS)-銠配合物在聚乙二醇(PEG)中非水兩相催化長(zhǎng)鏈烯烴的氫甲?；磻?yīng)。其中，反應(yīng)在PEG-200條件下效率最高，以15 min獲得95%以上轉(zhuǎn)化率，催化劑和PEG-200均能方便的分離。銠的金屬流失在產(chǎn)品中低于0.06wt%(如圖13所示)。

圖13 BISBIS(或TPPTS)-銠配合物催化的非水兩相氫甲?；磻?yīng)Fig.13 Nonaqueous Biphasic hydroformylation catalyzed by BISBIS(or TPPTS)-rhodium complex

2019年，Zheng等[19]報(bào)道了水溶性膦配體(TPPTS)-銠配合物在甲醇中催化均相長(zhǎng)鏈烯烴的氫甲酰化反應(yīng)及催化劑循環(huán)研究。反應(yīng)結(jié)束后，通過(guò)離心就能方便的將催化劑分離出來(lái)。該催化反應(yīng)體系可循環(huán)催化五次，催化活性無(wú)明顯降低，且產(chǎn)物中的銠金屬流失低于0.03%(如圖14所示)。

圖14 TPPTS-銠配合物催化的均相氫甲?；磻?yīng)Fig.14 Homogeneous hydroformylation catalyzed by TPPTS-rhodium complex

3 催化氫化反應(yīng)

圖15 水溶性釕(II)-膦配合物催化氫化肉桂醛Fig.15 Hydrogenation of cinnamaldehyde catalyzed by a water-soluble Ru(II)-phosphine complex

4 結(jié) 語(yǔ)

近年來(lái)，新型水溶性膦配體的研究，催化反應(yīng)機(jī)理及應(yīng)用研究都取得了令人矚目的成績(jī)，開(kāi)發(fā)出了大位阻磺化膦配體、天然碳水化合物取代的膦配體、聚醚基取代的膦配體、羧基官能團(tuán)取代的膦配體、水溶性季銨鹽大位阻烴基膦配體、冠醚取代膦配體、磷酸鹽官能團(tuán)化膦配體等類型的優(yōu)良水溶性膦配體。這些新型水溶性膦配體的研究一方面是對(duì)于原有膦配體通過(guò)增大位阻和調(diào)節(jié)電子效應(yīng)的改造獲得活性更高的新配體，另一方面通過(guò)將新型水溶性官能團(tuán)引入膦配體獲得不同催化性能的水溶性膦配體。與此同時(shí)，催化機(jī)理研究方面例如水溶性膦配體和過(guò)渡金屬形成的水相可分散的鈀納米粒(PdNPs)對(duì)催化劑活性起到了關(guān)鍵的穩(wěn)定和活化作用等研究，水相催化劑回收和循環(huán)催化研究都取得了很大的進(jìn)展。

水溶性膦配體的研究又大力推動(dòng)了水相有機(jī)金屬催化和綠色化學(xué)的發(fā)展。水溶性膦配體與過(guò)渡金屬配合物為催化劑的水/有機(jī)兩相催化反應(yīng)的研究已經(jīng)涵蓋加氫反應(yīng)、Heck反應(yīng)、Suzuki反應(yīng)、Sonogashira反應(yīng)、Stille反應(yīng)、烯烴的氫甲?；磻?yīng)等。隨著綠色化學(xué)的發(fā)展潮流和對(duì)水/有機(jī)兩相催化研究的不斷深入，將開(kāi)發(fā)出更多功能化的水溶性膦配體，從而進(jìn)一步擴(kuò)展水溶性膦配體的研究和應(yīng)用[1]。