納米鈀催化芳基鹵化物與四苯基硼酸鈉的水相高效偶聯(lián)反應(yīng)研究

胡 貝 張源民 王天昀 杜正銀

(西北師范大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

作為有機合成的中間體，聯(lián)苯類化合物在許多天然產(chǎn)物、醫(yī)藥合成和有機聚合物的制備等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用[1-3].合成聯(lián)芳化合物離不開芳基化試劑.盡管近些年二芳基碘鹽作為芳基化試劑在形成碳碳鍵、碳氮鍵方面有較多研究[4-6]，但是過渡金屬催化的芳基硼酸參與形成聯(lián)芳化合物已被證實是最有效的芳基化試劑之一[7-9].與芳基硼酸相比，四苯基硼酸鈉可以與4當(dāng)量的親電試劑反應(yīng).從經(jīng)濟和環(huán)境的角度來看，這是有機合成中的原子經(jīng)濟反應(yīng).盡管有這個明顯優(yōu)勢，但使用四苯基硼酸鈉構(gòu)建C-C鍵的反應(yīng)并不多[10,11].

通常Suzuki-Miyaura偶聯(lián)法使用鈀配合物作為催化劑，并且反應(yīng)在高溫下進行.然而，這些催化劑大多數(shù)是有毒的，價格昂貴并且所得產(chǎn)物經(jīng)常被鈀金屬和配體污染.近些年來無配體鈀鹽及負載零價鈀催化體系由于其在綠色催化方面的應(yīng)用引起了化學(xué)家的廣泛關(guān)注[7,12,14].

水作為溶劑具有低成本，易得和無毒等顯著的優(yōu)點.由于其高介電常數(shù)，水是傳統(tǒng)熱條件和微波輻射Suzuki-Miyaura交叉偶聯(lián)反應(yīng)非常有用的溶劑[15-17].低分子量的聚乙二醇(PEG)也是一種高效溶劑，可替代傳統(tǒng)的揮發(fā)性有機溶劑用于化工分離、催化和有機合成中[18].聚乙二醇因其具有高極性、高沸點、低毒性和良好的環(huán)境相容性也已被用于Suzuki-Miyaura反應(yīng)研究中[19-21].我們以工業(yè)來源豐富、價格低廉的氯化鈀為鈀源，在PEG400中制備了納米鈀，將其作為催化Heck反應(yīng)[22]、Suzuki反應(yīng)[23]和Stiller偶聯(lián)反應(yīng)[13]的高效催化體系，取得了很好的結(jié)果.研究表明，PEG能夠?qū)d(II)還原為Pd(0)，并且其羥基被氧化成醛基.這使得在不使用還原劑的情況下可以很容易地在PEG中制備鈀納米顆粒.由于其特殊的分子結(jié)構(gòu)，PEG還可充當(dāng)穩(wěn)定劑來穩(wěn)定鈀納米顆粒.這里，我們以PdCl2-PEG400原位生成的納米鈀顆粒作為催化劑，研究了鹵代芳烴與四苯基硼酸鈉在水相中發(fā)生高原子利用率的交叉偶聯(lián)生成聯(lián)芳化合物的反應(yīng).

1 實驗部分

1.1 試劑與表征

實驗中所用的石油醚和乙酸乙酯為工業(yè)品，使用前需進行蒸餾純化.其他所有試劑均為市售分析純.

1H NMR光譜和13C NMR光譜在Mercury 400 plus Nuclear Magnetic Resonance光譜儀上測定，使用TMS作為內(nèi)標(biāo)，以氘代氯仿(CDCl3)作為溶劑，化學(xué)位移(δ)以ppm給出，偶合常數(shù)(J)以赫茲(Hz)給出.

1.2 Suzuki-Miyaura偶聯(lián)反應(yīng)

將芳基鹵化物(1.0 mmol)，Ph4BNa(0.25 mmol)，K2CO3(3.0 mmol)，PdCl2(0.01 mmol)，PEG400(1.0 mL)和H2O(2.0 mL)的混合物加入到50 mL圓底燒瓶中.在50℃下攪拌反應(yīng)，通過TLC判斷直至原料完全消耗.停止攪拌，將反應(yīng)混合物用鹽酸酸化后倒入分液漏斗中，用乙醚(10 mL×4)萃取，將合并的有機層用無水MgSO4干燥.通過減壓蒸發(fā)除去溶劑，得到粗產(chǎn)物，使用石油醚和乙酸乙酯作為洗脫劑，將粗產(chǎn)物通過硅膠柱色譜進一步純化得到產(chǎn)物.產(chǎn)物均為已知化合物，經(jīng)測定熔點、1H NMR和13C NMR表征，與文獻保持一致.代表性化合物的表征數(shù)據(jù)如下：4-Carboxaldehydebipheny:white solid，mp:57-58oC;1H NMR (400 MHz，CDCl3):δ=10.06 (s，1H)，7.95 (d，J=8.0 Hz，2H)，7.75 (d，J=8.4 Hz，2H)，7.64 (d，J=6.8 Hz，2H)，7.50-7.42 (m，3H);13C NMR (100 MHz，CDCl3):δ=191.9，147.2，139.7，135.2，130.2，129.0，128.4，127.7，127.3.1,4-Diphenylbenzene:white solid，mp 213-214oC;1H NMR (400 MHz，CDCl3):δ=7.69-7.63 (m，9H)，7.45 (t，J=7.6Hz，4H)，7.38-7.34 (m，2H);13C NMR (100 MHz，CDCl3):δ=140.7，140.1，128.8，127.5，127.3，127.0.

2 結(jié)果和討論

2.1 實驗條件的探索與優(yōu)化

為了探索一個良好的反應(yīng)條件，我們使用溴苯和四苯基硼酸鈉的反應(yīng)作為模板反應(yīng)進行反應(yīng)條件的篩選.我們測試了不同的溶劑、堿、反應(yīng)溫度及催化劑的用量等對該偶聯(lián)反應(yīng)的影響.如下表1所示.從表1可以看出，首先，在室溫下，PEG400：H2O=1:1(vol/vol)，1.0mol%PdCl2存在下，使用K2CO3作為堿，1 mmol的溴苯與0.25 mmol的四苯基硼酸鈉反應(yīng)180 min后聯(lián)苯的產(chǎn)率達到76%；當(dāng)溶劑PEG400/H2O=1/2(vol/vol)時產(chǎn)率達到83%(表1，條目1和2).當(dāng)水的量僅為微量時，反應(yīng)幾乎不能發(fā)生(表1，條目3).反應(yīng)溫度升至50 ℃，反應(yīng)時間則縮短為45min，而目標(biāo)產(chǎn)物的收率高達99%(表1，條目4).當(dāng)反應(yīng)在單獨的PEG400中和純水中進行時產(chǎn)物的收率都不高(表1，條目5和6).可見，水在該體系中是必須的，太多不利于鹵代芳烴的形成均相反應(yīng)，太少則四苯基硼酸鈉的溶解受限，不利于反應(yīng).接下來我們對堿的種類進行了篩選，使用同樣量的Na2CO3、NaOH、DMAP和K3PO4時發(fā)現(xiàn)產(chǎn)物收率都低于碳酸鉀(表1，條目7-10).繼續(xù)對K2CO3的用量進行優(yōu)化，發(fā)現(xiàn)當(dāng)其用量為2.5 mmol時產(chǎn)率降為98%(表1，條目11).最后對催化劑PdCl2的用量進行了考察，當(dāng)PdCl2用量減為0.5 mol%時，產(chǎn)率降為94%(表1，條目12).通過上述實驗，我們決定采用PEG400/H2O (1 mL/2 mL)、K2CO3(3.0 mmol)、PdCl2(1.0 mol%)，50 ℃為該反應(yīng)的最佳反應(yīng)條件.

表1 反應(yīng)條件的優(yōu)化a

EntrySolvent/mLBase/mmolT/℃PdCl2 /mol%Time/minYield /%b1PEG400/H2O (1.5/1.5)K2CO3(3.0)rt1.0180762PEG400/H2O (1/2)K2CO3(3.0)rt1.0180833PEG400/H2O(3 mL/0.05 g)K2CO3(3.0)rt1.0180Trace4PEG400/H2O (1/2)K2CO3(3.0)501.045995PEG400 (3)K2CO3(3.0)501.045636H2O (3)K2CO3(3.0)501.045317PEG400/H2O (1/2)Na2CO3(3.0)501.045968PEG400/H2O (1/2)NaOH (3.0)501.045729PEG400/H2O (1/2)DMAP (3.0)501.0455410PEG400/H2O (1/2)K3PO4(3.0)501.0459011PEG400/H2O (1/2)K2CO3(2.5)501.0459812cPEG400/H2O (1/2)K2CO3(3.0)500.54594

注：a:反應(yīng)條件：溴苯(1.0 mmol)，四苯基硼酸鈉(0.25 mmol)，堿，PdCl2(0.01 mmol);b分離產(chǎn)率;c:氯化鈀的用量為0.005 mmol.

表2 芳基溴化物與四苯基硼酸鈉的交叉偶聯(lián)反應(yīng)a

EntryRTime /minProductbYield/%1H459924-CHO609734-COCH3459844-Cl459653-Cl559464-CN459974-COOH459984-OCH3609194-OH6092102-OCH36076114-NH26087124-CH36090134-Ph4593144596156094

注：a:反應(yīng)條件：1(1.0 mmol)，2(0.25 mmol)，PdCl2(1 mol%)，K2CO3(3.0 mmol)和PEG400 / H2O (1 mL / 2 mL)，50 ℃; b:所有產(chǎn)物均已測試熔點，并經(jīng)過1H NMR和13C NMR表征.

在優(yōu)化反應(yīng)條件后，我們開始對芳基溴化物的適用范圍進行了研究.實驗結(jié)果如表2所示.根據(jù)條件優(yōu)化結(jié)果我們知道，溴苯與四苯基硼酸鈉反應(yīng)生成聯(lián)苯的收率為99%(表2，條目1).當(dāng)使用含有吸電子基團如，醛基、乙?；⒙仍印⑶杌?、羧基的芳基溴化物與四苯基硼酸鈉反應(yīng)時產(chǎn)物的分離收率均能達到94%以上(表2，條目2-7).芳基溴化物的對位有給電子官能團如甲氧基、甲基、氨基的交叉偶聯(lián)反應(yīng)也能順利進行，產(chǎn)物收率不低于87%，而2-位有取代基時因位阻原因收率稍低(表2，條目8-12).與吸電子取代基相比，含有供電子取代基的溴苯反應(yīng)產(chǎn)物的收率略低.當(dāng)以4-溴聯(lián)苯和1-溴代萘作為反應(yīng)底物時，1,4-三聯(lián)苯和1-苯基萘的收率分別為93%和96%(表2，條目13和14).進一步的研究表明，1,3-二溴苯也能以94%的收率得到同時發(fā)生雙苯基化的1,3-三聯(lián)苯產(chǎn)物(表2，條目15).可見該反應(yīng)對溴代芳烴具有很好的適用性，對各種官能團也具有良好的兼容性.

與相應(yīng)的芳基溴化物的反應(yīng)性相比，芳基碘化物與四苯基硼酸鈉的交叉偶聯(lián)反應(yīng)也是非常高效的，如表3所示，產(chǎn)物收率比溴化物的反應(yīng)略高(表3，條目1-4).然而當(dāng)以氯苯作為反應(yīng)底物時聯(lián)苯的收率僅有31%(表3，條目5).這說明鹵代芳烴的反應(yīng)活性順序是碘代苯>溴代苯>氯代苯.

表3 芳基碘化物與四苯基硼酸鈉的交叉偶聯(lián)反應(yīng)[a]

EntryRTime/minProductYield/%1H459924-OCH3459834-COOH459944-NH2459459031

注：a:反應(yīng)條件：1(1.0 mmol)，2(0.25 mmol)，PdCl2(1 mol%)，K2CO3(3.0 mmol)和PEG400/H2O (1 mL / 2 mL)，50℃.

為了考察反應(yīng)介質(zhì)以及催化劑的可重復(fù)使用性，選擇芳基溴與四苯基硼酸鈉的偶聯(lián)作為模型反應(yīng).初次實驗結(jié)束后，將反應(yīng)混合物用乙醚萃取，減壓蒸餾除去PEG中的殘余乙醚.反應(yīng)介質(zhì)和Pd催化劑體系可直接用于下一輪反應(yīng).表4總結(jié)了該催化劑體系循環(huán)利用的結(jié)果.可以看出，催化劑的活性在循環(huán)使用3次后有較明顯的降低，反應(yīng)時間從45 min延長至70 min，也能獲得88%的產(chǎn)率.這可能是原位生成的納米鈀顆粒在循環(huán)使用過程中團聚導(dǎo)致催化活性降低[23].

表4 催化劑體系的循環(huán)使用a

注：a:反應(yīng)條件：溴苯(1.0 mmol)，Ph4BNa(0.25 mmol)，PdCl2(1 mol%)，K2CO3(3.0 mmol)和PEG400/H2O(1 mL/2 mL)，50 ℃.

3 結(jié)論

我們以廉價易得的氯化鈀為鈀源，以聚乙二醇400和水作為反應(yīng)介質(zhì)，發(fā)展了一種原位生成的鈀納米顆粒作為催化劑，催化芳基鹵化物與四苯基硼酸鈉發(fā)生Suzuki-Miyaura交叉偶聯(lián)反應(yīng)生成聯(lián)芳化合物的高效且經(jīng)濟的方法.該方法反應(yīng)條件溫和，反應(yīng)時間短，有機基團原子利用率高，產(chǎn)物收率高，底物適用范圍廣，反應(yīng)過程經(jīng)濟環(huán)保.