空氣下Fe3O4@PDA-Pd NPs催化Heck反應(yīng)制備3-苯基丙烯酸酯

郭海昌, 鄭人華, 蔣華江, 趙丹味, 徐振元, 夏愛寶

(1. 浙江工業(yè)大學(xué) 浙江省綠色農(nóng)藥清潔生產(chǎn)技術(shù)研究重點實驗室，浙江 杭州 310014; 2. 臺州學(xué)院 醫(yī)藥化工與材料工程學(xué)院, 浙江 臺州 318000)

1 前 言

Heck偶聯(lián)反應(yīng)是有效構(gòu)建新C─C鍵的重要方法[1]，可用于制備烯烴[2]、環(huán)烴[3]等不飽和化合物，在醫(yī)藥[4]、天然化合物[5]和新型材料[6]等合成中應(yīng)用廣泛，是一種綠色化學(xué)合成方法[7]。Heck反應(yīng)常用的催化劑是均相鈀，如醋酸鈀、氯化鈀等鈀鹽及其配合物，此類催化劑活性較高，缺點是反應(yīng)時對氧氣敏感、催化劑難以分離回收，因此人們發(fā)展了負載型的金屬催化劑[8-9]。其中以磁性粒子為載體的催化劑具有催化活性高、易分離回收和重復(fù)使用等優(yōu)點[10-14]，成為負載型金屬催化劑的一個主要研究方向。磁性四氧化三鐵粒子負載的納米鈀復(fù)合物在催化芳香鹵代烴和丙烯酸衍生物或苯乙烯衍生物發(fā)生Heck反應(yīng)時性能優(yōu)良[11-13]，而且對其他反應(yīng)如Suzuki偶聯(lián)反應(yīng)[14]、Sonogashira偶聯(lián)反應(yīng)[15]和脫氫反應(yīng)[16]等也有優(yōu)異的催化效果，成為磁性催化劑一個研究熱點。缺點是其制備方法相對復(fù)雜，多數(shù)情況下在Heck反應(yīng)中仍需氮氣保護。

3-苯基丙烯酸衍生物是一種重要的化工中間體，在醫(yī)藥、農(nóng)藥、香料和材料等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用[17-18]。3-苯基丙烯酸衍生物的化學(xué)合成主要通過兩種方法：一種是以芳香甲醛為原料和酸酐或丙二酸酯通過縮合反應(yīng)得到；另一種是芳香鹵代烴和丙烯酸酯在過渡金屬催化下發(fā)生Heck反應(yīng)得到。前者方法雖然簡單，但局限于原料芳香甲醛的種類限制，很多時候并不能有效構(gòu)建目標分子，此時通過Heck反應(yīng)合成方法就顯得尤為重要[19]。本文通過多巴胺自聚在Fe3O4粒子表面包裹一層聚多巴胺(polymer-dopamine， PDA)，制備出具有核殼結(jié)構(gòu)的Fe3O4@PDA亞微球，再經(jīng)酸處理使PDA中的氨基帶上正電，在正負電荷作用下使PdCl42-吸附在PDA表面，經(jīng)抗敗壞血酸(維生素C)還原形成納米鈀粒子(palladium nanoparticles，Pd NPs)，制備出Fe3O4@PDA-Pd NPs復(fù)合物，制備方法相對簡便；進一步將所得的復(fù)合物應(yīng)用于催化碘代芳香化合物和丙烯酸酯的Heck反應(yīng)，發(fā)現(xiàn)該反應(yīng)條件溫和、底物適應(yīng)性較好，催化劑在外加磁場下即可分離，在空氣環(huán)境下大多數(shù)底物以較高的產(chǎn)率制備出3-苯基丙烯酸酯化合物，可解決生產(chǎn)中隔絕空氣的難題，因此該方法具有潛在的工業(yè)應(yīng)用價值。

2 實 驗

2.1 實驗材料與儀器

DF-101S集熱式恒溫磁力攪拌器；JEM-2100F透射電子顯微鏡；DynaCool-9振動樣品磁強計；FULI 9790氣相色譜儀；AVANCE III D 400核磁共振波譜儀。試劑均為市售分析純。

2.2 Fe3O4@PDA亞微球負載納米鈀催化劑的制備步驟

2.2.1 Fe3O4亞微球的制備步驟

按文獻[20]方法制備：乙二醇45 mL，醋酸鈉3.64 g(44 mmol)，攪拌全部溶清后加入六水三氯化鐵4.0 g (14.8 mmol)，攪拌溶解，再加入聚乙二醇(分子量4 000) 1.11 g，攪拌溶清后轉(zhuǎn)入水合釜(100 mL)，置于200 ℃ 的烘箱，反應(yīng)8 h，冷卻后，外加磁鐵(銣鐵硼磁鐵，表面高斯約2 000 Gauss，磁能積約35 MGOe，下同)分離固液，依次用去離子水25 mL×3、乙醇25 mL×3超聲洗滌，固體保存于25 mL乙醇中(干燥后固體約1 g)。

2.2.2 Fe3O4@PDA亞微球的制備步驟

取0.15 g濃氨水溶于50 mL去離子水中，加入0.1 g Fe3O4(約2.5 mL乙醇Fe3O4混合液)、0.16 g鹽酸多巴胺，超聲分散均勻，40 ℃下機械攪拌24 h。反應(yīng)結(jié)束，磁鐵分離固液，依次用去離子水25 mL×3、乙醇25 mL×3超聲洗滌，固體保存于25 mL乙醇中并氮氣封存(干燥后固體約0.11 g)。

2.2.3 Fe3O4@PDA-Pd NPs催化劑的制備步驟

氯鈀酸鈉溶液配制：取氯化鈀0.115 g (約0.65 mmol)，氯化鈉0.076 g (約1.3 mmol)，緩慢滴加去離子水至8 g，加熱至50 ℃ 溶清，制得氯鈀酸鈉溶液置于棕色瓶中備用。

Fe3O4@PDA負載納米鈀的方法：取上述Fe3O4@PDA磁鐵分離固液，固體依次用去離子水25 mL、0.1 mol?L-1鹽酸25 mL、去離子水25 mL、乙醇25 mL超聲洗滌，加入乙醇40 mL、去離子水4 mL，10 ℃下機械攪拌，緩慢滴入氯鈀酸鈉溶液0.29 g，滴畢繼續(xù)攪拌3 h，緩慢用針筒滴加60 mg抗壞血酸和6 mL去離子水組成的溶液，約20 min滴畢，滴畢繼續(xù)反應(yīng)2 h，磁鐵分離固液，依次用乙醇25 mL、離子水25 mL×3、乙醇25 mL×3超聲洗滌，固體保存于25 mL乙醇中并氮氣封存(干燥后固體約0.1 g)。

2.3 Fe3O4@PDA-Pd NPs催化HECK反應(yīng)步驟

Fe3O4@PDA-Pd NPs催化劑0.01 g (鈀用量約為反應(yīng)物的0.2% mol)，磁鐵分離固液，N,N-二甲基甲酰胺5 mL×3超聲洗滌，再加入N,N-二甲基甲酰胺3 mL，碘代芳香化合物1 mmol，丙烯酸酯2 mmol，三乙胺3 mmol，80 ℃下攪拌反應(yīng)，氣相色譜(gas chromatography，GC)跟蹤反應(yīng)，反應(yīng)約3 h結(jié)束，磁鐵分離固液，減壓濃縮后柱層析(正己烷/乙酸乙酯 = 5/1)純化即可得到產(chǎn)物。

3 實驗結(jié)果與討論

3.1 透射電鏡分析

圖1為Fe3O4@PDA-Pd NPs復(fù)合物透射電鏡(transmission electron microscope， TEM)分析結(jié)果，由圖可見制備得到的Fe3O4@PDA-Pd NPs復(fù)合物是以Fe3O4亞微球為核心的核殼結(jié)構(gòu)，聚多巴胺層包裹在Fe3O4亞微球表面形成殼層，聚多巴胺厚度分布在80～90 nm，厚薄均勻，納米鈀顆粒均勻地分散在聚多巴胺層上。高倍透射電鏡的圖像顯示，納米顆粒晶格間距0.193 nm、0.225 nm分別對應(yīng)鈀的(200)、(111)晶面，可確定為鈀(0)顆粒，其粒徑主要分布在7～12 nm，平均粒徑為9.2 nm。根據(jù)反應(yīng)的投料量，F(xiàn)e3O4@PDA-Pd NPs中鈀的理論含量約為w = 2.5%，經(jīng)電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜儀測得實際鈀含量為w = 2.3%，鈀的吸附率 ＞ 90%，表明Fe3O4@PDA亞微球?qū)︹Z的負載能力較高。

圖1 Fe3O4@PDA-Pd NPs的透射電鏡及Pd粒徑統(tǒng)計 Fig.1 TEM images of Fe3O4@PDA-Pd NPs and Pd particle size distribution

3.2 磁性性能分析

圖2中的曲線為室溫(300 K)下Fe3O4、Fe3O4@PDA和Fe3O4@PDA-Pd NPs亞微球的磁滯回線，右下小圖為Fe3O4@PDA-Pd NPs乙醇分散液在外加磁場作用下的分離效果圖。由圖可知，3種亞微球的最大磁飽和強度分別為75、 48和45 emu?g-1，矯頑力均為0。聚多巴胺層的存在使Fe3O4@PDA亞微球的最大磁飽和強度下降，負載上納米鈀后最大磁飽和強度又略為下降，但Fe3O4@PDA-Pd NPs仍具有超順磁(矯頑力為0)特點，而且在外加磁鐵下5 s內(nèi)其乙醇分散液即可分離變清，說明該復(fù)合物在外加磁場下極容易分離，具有較好的磁響應(yīng)性，因此在反應(yīng)中具有易分散、易回收的優(yōu)點。

圖2 Fe3O4、Fe3O4@PDA 和Fe3O4@PDA-Pd NPs的磁性能Fig.2 Magnetic properties of Fe3O4, Fe3O4@PDA and Fe3O4@PDA-Pd NPs

3.3 Fe3O4@PDA-Pd NPs催化HECK反應(yīng)的條件優(yōu)化

參考負載型鈀催化劑應(yīng)用于Heck反應(yīng)的文獻報道[11-15]，將制備所得的Fe3O4@PDA-Pd NPs用于催化鹵代芳香烴和丙烯酸酯發(fā)生Heck反應(yīng)制備3-芳基丙烯酸酯化合物，在空氣環(huán)境下，以碘苯和丙烯酸甲酯1：2摩爾比為模板，反應(yīng)3 h (*表示反應(yīng)2 h)，通過GC跟蹤檢測，對堿、反應(yīng)溫度、反應(yīng)溶劑和催化劑用量作了優(yōu)化。

首先，在100 ℃ 反應(yīng)溫度下，以甲苯為溶劑，在鈀0.4%摩爾當量的催化劑用量下，考察了堿(3摩爾當量)對反應(yīng)的影響，反應(yīng)結(jié)果見表1。結(jié)果表明，碳酸鈉、磷酸鉀為堿時反應(yīng)收率 ＜ 5%，反應(yīng)幾乎不進行，這可能是因無機類的堿在有機溶劑中不溶難以參與反應(yīng)導(dǎo)致；而三乙胺為堿時，碘苯幾乎完全反應(yīng)。因此本實驗所用的堿選用三乙胺。

然后，80 ℃ 的反應(yīng)溫度下，以三乙胺為堿，在鈀0.4%摩爾當量的催化劑用量下，考察了溶劑對反應(yīng)的影響，反應(yīng)結(jié)果見表2。結(jié)果表明，溶劑對Heck反應(yīng)影響較大，當以4-甲基吡啶為溶劑時不發(fā)生反應(yīng)，當以N-甲基吡咯烷酮(NMP)和N,N-二甲基甲酰胺(DMF)為溶劑時反應(yīng)比較完全，其他溶劑如二甲苯、1,4-二氧六環(huán)、二甲基亞砜(DMSO)時反應(yīng)收率在70%～90%，反應(yīng)的收率和溶劑的極性并無明顯的關(guān)系。由于NMP沸點較高，溶劑濃縮不方便，因此本實驗所用的溶劑選擇DMF為宜。

接著，以三乙胺為堿，在鈀0.4% 摩爾當量的催化劑用量下，考察了甲苯和DMF兩種溶劑中反應(yīng)溫度對反應(yīng)的影響，反應(yīng)結(jié)果見表3。結(jié)果表明，隨著反應(yīng)溫度下降，Heck反應(yīng)收率迅速下降，說明Fe3O4@PDA-Pd NPs復(fù)合物的催化活性和反應(yīng)溫度有密切的關(guān)系。本實驗選擇相對溫和的80 ℃作反應(yīng)溫度為宜，此溫度下以DMF為溶劑2 h內(nèi)反應(yīng)即可完成。

最后，在上述優(yōu)選條件的基礎(chǔ)上，即反應(yīng)溫度80 ℃、三乙胺為堿、DMF為溶劑，考察催化劑Fe3O4@PDA-Pd NPs復(fù)合物的用量，反應(yīng)結(jié)果見表4。結(jié)果表明，當催化劑減少到鈀0.2% 摩爾當量(0.01 g)時，反應(yīng)速度略為下降，反應(yīng)時間需延長1 h反應(yīng)才能完全；當催化劑繼續(xù)減少到鈀0.1% 摩爾當量(0.005 g)時，反應(yīng)速度明顯下降，反應(yīng)3 h收率僅70% 左右。因此本實驗催化劑Fe3O4@PDA-Pd NPs復(fù)合物的用量用鈀0.2% 摩爾當量(0.01 g)。

表1 堿對反應(yīng)的影響 Table 1 Effects of different alkali on yields

表2 溶劑對反應(yīng)的影響 Table 2 Effects of different solvents on yields

表3 溫度對反應(yīng)的影響 Table 3 Effects of temperature on yields

表4 催化劑用量對反應(yīng)的影響 Table 4 Effects of catalyst dosage on yields

3.4 Fe3O4@PDA-Pd NPs催化HECK反應(yīng)的底物拓展

在Fe3O4@PDA-Pd NPs催化碘苯和丙烯酸甲酯制備3-苯基丙烯酸甲酯的優(yōu)化條件基礎(chǔ)上，即在空氣環(huán)境下，反應(yīng)溫度80 ℃、三乙胺為堿、DMF為溶劑、催化劑用量0.01 g，考察Fe3O4@PDA-Pd NPs復(fù)合物催化不同丙烯酸酯、不同鹵代芳香烴對Heck反應(yīng)的影響，以最終的分離收率作比較，結(jié)果分別見表5、表6，所得產(chǎn)物均經(jīng)核磁共振確認。

在Fe3O4@PDA-Pd NPs催化不同丙烯酸酯和碘苯發(fā)生Heck反應(yīng)時，結(jié)果表明：丙烯酸酯的烷氧基大小對反應(yīng)略有影響，產(chǎn)物以E式為主，收率均在80% 以上；取代基為芐基時(表5，Entry 5)，有約10% 的順式產(chǎn)物，和通常情況下取代基越大E式產(chǎn)物越多不相符合；當丙烯酸酯的2位有取代基時(表5，Entry 6)反應(yīng)收率仍能高達88%，似乎也不影響Heck反應(yīng)的活性，這可能與催化劑表面的吸附性能有關(guān)，說明Fe3O4@PDA-Pd NPs對不同丙烯酸酯底物的耐受性良好。 在Fe3O4@PDA-Pd NPs催化不同鹵代芳香烴和丙烯酸甲(乙)酯發(fā)生Heck反應(yīng)時，結(jié)果表明：當鹵代芳烴為溴苯或氯苯時，反應(yīng)活性大幅下降，其中氯苯與丙烯酸甲酯不發(fā)生Heck反應(yīng)(表6，Entry 2)，溴苯為原料時僅有25% 的反應(yīng)收率，溫度升高到120 ℃ 后，溴苯也能順利發(fā)生反應(yīng)(表6，Entry 1)；碘苯的對位無論是含推電子取代基還是吸電子取代基對反應(yīng)的影響不是很明顯，收率均在80% 以上，沒有呈現(xiàn)出吸電子效應(yīng)越大反應(yīng)活性越高的規(guī)律[13]，說明Fe3O4@PDA-Pd NPs對官能團的耐受性很好；對比對位取代碘苯，當?shù)獗降泥徫挥腥〈鶗r其收率明顯下降，下降幅度超過20% (表6，Entry 5, 10)，當?shù)獗降拈g位有取代基時其收率也有約10% 的下降(表6，Entry 6, 8)，說明鹵代芳香化合物上的位阻效應(yīng)對反應(yīng)影響較大。

表5 Fe3O4@PDA-Pd NPs催化不同丙烯酸酯的Heck反應(yīng) Table 5 Heck reaction of different acrylates catalyzed by Fe3O4@PDA-Pd

表6 Fe3O4@PDA-Pd NPs催化不同鹵代芳烴的Heck反應(yīng) Table 6 Heck reaction of different aromatic halides catalyzed by Fe3O4@PDA-Pd NPs

4 結(jié) 論

(1) 本文制備了一種超順磁、核殼結(jié)構(gòu)的Fe3O4@PDA負載納米鈀復(fù)合物，其殼層PDA厚度在80～90 nm，納米鈀粒子平均粒徑為9.2 nm，鈀負載量為w = 2.3%。

(2) 本文對Fe3O4@PDA-Pd NPs催化碘代芳香化合物和丙烯酸酯的Heck反應(yīng)作了研究，得到了優(yōu)化的反應(yīng)條件：在空氣環(huán)境下，反應(yīng)溫度80 ℃，三乙胺為堿，DMF為溶劑，催化劑用量為鈀0.2% mol當量；在此條件下，多數(shù)產(chǎn)物收率在80% 以上。

(3) 研究表明：在空氣環(huán)境下，F(xiàn)e3O4@PDA-Pd NPs實現(xiàn)了催化碘代芳香化合物和丙烯酸酯發(fā)生Heck反應(yīng)制備3-苯基丙烯酸酯化合物，反應(yīng)條件比較溫，收率較高，對反應(yīng)物取代基的耐受性良好，對空氣不敏感，催化劑分離簡單。