基于Pickering乳液的芳香胺“一鍋”Suzuki-Miyaura偶聯(lián)反應研究

張明，馮振東，鄒后兵

（山西大學 化學化工學院，山西 太原 030006）

0 引言

芳香重氮鹽作為親電試劑與多種富電子化合物的偶聯(lián)反應是有機合成中增長碳鏈的重要方法，也是近年來的研究熱點[1-3]。與傳統(tǒng)的鹵代芳烴相比，芳基重氮鹽具有更高的活性、選擇性，并且反應條件更為溫和，不僅如此，芳香重氮鹽還易于由相應芳香胺類化合物制備得到，價格更為低廉。然而，芳基重氮鹽不穩(wěn)定，易分解生成酚和氮氣，通常在使用過程中需要引入穩(wěn)定劑，但是，這不僅為產(chǎn)品的純化帶來困難，而且增加反應成本[1]。因此，研究反應過程更加高效、綠色的偶聯(lián)反應依然是一項具有挑戰(zhàn)性的課題。

近年來，眾多科學家將目光投向以重氮鹽為反應中間體的“一鍋”偶聯(lián)反應中，并取得了一定的研究進展[4-6]。例如，北京大學王劍波教授課題組以鈀為催化劑，芳香胺為初始反應底物，通過“一鍋”反應將所生成的中間產(chǎn)物重氮鹽與芳基硼酸進行偶聯(lián)，成功合成聯(lián)芳基化合物，產(chǎn)率約在30%～80%之間[7]。Matthieu Teci等報道了一種用乙腈作溶劑，四丁基碘化銨作添加劑的芳香胺“一鍋”多步偶聯(lián)反應，其反應機理同樣是芳香胺首先在酸性條件下轉化為芳基重氮鹽，再進一步順利地進行偶聯(lián)反應[8]。顯然，這種芳香胺“一鍋”串聯(lián)反應不僅操作步驟簡單，而且無須對反應中間體進行分離與提純，合成效率較高。然而目前所報道的以重氮鹽為反應中間體的“一鍋”偶聯(lián)反應大都發(fā)生在均相反應體系，貴金屬Pd催化劑回收困難，難以實際應用。

Pickering乳液是一種由固體顆粒穩(wěn)定的乳液，相比于傳統(tǒng)的表面活性劑乳液，具有更高的熱穩(wěn)定性和限域能力[9-15]。我們課題組利用Pickering乳滴的這種界面限域效應，首次報道了將不兼容的酸堿催化劑分別限域在兩個乳滴中，避免了直接接觸，而連續(xù)相中的反應物分子在無攪拌的條件下自發(fā)擴散到各個乳滴的界面，進而實現(xiàn)脫縮-還原、脫縮-諾文葛爾反應、脫縮-亨利反應等酸堿“一鍋”串聯(lián)反應[16-17]。因此，本文利用這種策略，進一步將HCl和K2CO3兩種不兼容的試劑各自限域在不同的乳滴中，實現(xiàn)了芳香胺的“一鍋”Suzuki-Miyaura偶聯(lián)反應。如圖1所示，將分別限域酸堿的乳液通過層疊的方式加入同一反應器內，苯胺首先在包覆鹽酸和亞硝酸鈉的乳滴界面發(fā)生反應，生成芳基重氮鹽，再擴散至包覆了碳酸鉀溶液的乳滴界面與芳基硼酸由鈀催化發(fā)生偶聯(lián)反應，生成聯(lián)芳基化合物。此外，該反應過程將均相的酸堿催化劑以液滴的形式分別進行“固載”，能夠同時兼具均、多相反應的特點，在確保高反應活性的同時，能夠實現(xiàn)催化劑的多次循環(huán)反應。

圖1 基于Pickering乳液的芳香胺“一鍋”Suzuki-Miyaura偶聯(lián)反應示意圖Fig.1 Schematic illustration of“one-pot”Suzuki-Miyaura cross-coupling of aromatic amines based on Pickering emulsion

1 實驗部分

1.1 主要試劑和儀器

試劑：正硅酸四乙酯（TEOS，AR），TX-10，正辛基三甲氧基硅烷（質量百分數(shù)99%），三氨丙基三乙氧基硅烷（AR），甲基三甲氧基硅烷（AR），十二烷（質量百分數(shù)98%），苯胺（AR）購于阿拉丁試劑公司（中國上海）。苯硼酸（AR），4-甲基苯硼酸，4-叔丁基苯硼酸，對?；脚鹚幔?-甲氧基苯硼酸，4-氯苯硼酸，無水乙醇購于國藥控股化學試劑有限公司（中國）。

儀器：透射電子顯微鏡（TEM，JEOL-JEM-2000EX）；接觸角測量儀（KRUSS DSA100）；氣相色譜儀（Agilent，HP-5）；氮氣物理吸附儀（MicromeriticsASAP 2020）。

1.2 實驗方法

1.2.1 界面活性納米SiO2實球制備

首先，采用文獻中改進的St?ber法合成粒徑約為60 ～ 80納米尺寸的SiO2實球[18]。然后，在50 mL Schlenk反應管中稱取所制備的SiO2實球1.5 g并置于120oC烘箱中干燥至少2 h，接著加入10 mL甲苯，在超聲分散儀和磁力攪拌器上超聲、攪拌數(shù)分鐘，使其均勻的分散在甲苯中，隨后加入4.5 mmol甲基三甲氧基硅烷（0.6130 g）和4.5 mmol三乙胺（0.4554 g），于120℃油浴回流4 h，離心分離得到白色固體，分別用甲苯和乙醇洗滌2～3次，烘干得到白色的界面活性納米SiO2實球。

1.2.2 界面活性納米SiO2實球負載Pd納米顆粒

稱取0.5 g上述界面活性納米SiO2實球，置于100 mL圓底燒瓶，加入25 mL水和25 mL無水乙醇，在超聲分散儀和磁力攪拌器上超聲、攪拌數(shù)分鐘，使其分散均勻，于50℃水浴中攪拌15 min，加入前驅體四氯鈀酸鈉13.8 mg，攪拌4 h后，滴加預先配置的硼氫化鈉溶液2 mL（0.1 mol/L），攪拌6 h后，離心分離，用乙醇反復洗滌3～4次，于80℃真空干燥箱中干燥6 h，得到灰黑色固體催化劑。

1.2.3 芳香胺與苯硼酸的“一鍋”Suzuki-Miyaura偶聯(lián)反應

限域酸催化劑的Pickering乳液制備：預先配制0.25 mol/L芳香胺溶液（甲苯為溶劑）、0.75 mol/L的NaNO2水溶液和0.9 mol/L的HCl水溶液備用。在4 mL的離心管中稱取30 mg負載Pd的甲基化SiO2實球催化劑，加入1 mL芳香胺溶液，并向其中加入20 μL十二烷（其作用是作為氣相色譜分析的內標），超聲分散均勻形成懸浮液。再各取1 mL制備好的HCl溶液和NaNO2溶液均勻混合后，加上述懸浮液中，用力搖晃，得到淺黃色乳液。

限域堿催化劑的Pickering乳液制備：預先配置0.3 mol/L苯硼酸溶液（V甲苯∶V乙醇=2∶1為溶劑）和0.25 mol/L的K2CO3水溶液備用。在4 mL離心管中稱取30 mg負載Pd的甲基化SiO2實球催化劑，加入1 mL苯硼酸溶液，超聲分散均勻，再加入2 mL K2CO3溶液，用力搖晃成乳，得到灰色乳液。

“一鍋”Suzuki-Miyaura偶聯(lián)反應：在10 mL的玻璃瓶中，吸取一定量的限域酸催化劑的芳香胺乳液，緩慢地滴到玻璃瓶底，再吸取一定量的限域堿催化劑的苯硼酸乳液，緩慢地滴加到芳香胺乳液上層，隨后循環(huán)交替地滴加芳香胺乳液和苯硼酸乳液，構建4+3層乳液反應體系。將上述反應體系在不同溫度下靜置4～12 h，轉移至高速離心機中離心分離，以破壞乳液體系，吸取上層有機層。下層水相用甲苯萃取2～3次，合并所有的有機相，加入適量的干燥劑除去其中殘留的水，在氣相色譜中分析結果，并計算目標產(chǎn)物的產(chǎn)率（GC的柱溫條件為80℃保持10 min，25℃/min升溫至180℃后保持6 min）。將洗滌干燥后的負載Pd的催化劑重新成乳，重復構建上述串聯(lián)反應體系，分析目標產(chǎn)物的產(chǎn)率和催化劑的循環(huán)性能。

2 分析和討論

2.1 界面活性納米SiO2材料表征

通過透射電鏡照片觀察界面活性納米SiO2的結構（圖2a），可以清晰看到所制備的界面活性SiO2納米球的平均直徑在60 nm左右，尺寸均勻，形貌清晰，無明顯粘連現(xiàn)象，基本滿足Pickering乳液的成乳條件，而圖2b可以清晰地看出Pd納米顆粒成功地負載在SiO2納米球表面。圖2c是界面活性SiO2的氮氣吸附-脫附曲線，從圖中可以明顯地看出材料的N2吸附曲線為典型的Ⅱ型，在整個壓力范圍內的N2吸附量都很小，通過BET計算獲得其比表面積為46 m2·g-1，說明其不具備孔道結構，為所需制備的SiO2實球。之所以所制備的SiO2具有界面活性，是因為經(jīng)過表面修飾使其表面同時存在-OH和-CH3兩種基團，使其具有兩親性，為了證明其表面確實存在上述兩種基團，進一步對修飾前和修飾后的兩種SiO2分別做紅外光譜測試（圖2d），結果顯示SiO2實球在修飾前和修飾后均存在-OH的特征吸收峰（＞3 000 cm-1），而甲基修飾后的SiO2實球表面存在2 850 cm-1～2 950 cm-1的C-H伸縮振動特征吸收峰，證明其表面存在-CH3基團。對修飾后的SiO2實球進行熱重分析，得到的TG曲線如圖2e所示，其中300oC～600oC的失重約為6.4%，主要是材料表面的有機硅烷分解導致，并由此可以計算出修飾后SiO2實球表面甲基含量約為0.43 mmol·g-1。

圖2 （a）界面活性SiO2TEM圖，（b）負載Pd的SiO2TEM圖，（c）N2吸脫附曲線，（d）紅外光譜圖，（e）TG曲線Fig.2 （a）TEM images of SiO2，（b）TEM images of SiO2loaded with Pd catalyst，（c）N2adsorption-desorption isotherms，（f）FT-IR spectra of materials，（e）TG curves

材料表面的潤濕性極大地影響著乳液的穩(wěn)定性，因此對未修飾和甲基修飾的納米SiO2材料分別進行氣-液-固三相接觸角測試（圖3），從圖中可以看出，未修飾的SiO2實球的接觸角為35°，容易被水浸潤，表現(xiàn)為具有較強的親水性；而在SiO2實球表面共價鏈接了一定量的疏水基團-CH3后，接觸角增加至125°，表面疏水性增加，容易形成油包水型Pickering乳液[9]。

圖3 未修飾的SiO2（a）和疏水化修飾后的SiO2（b）氣-液-固三相接觸角Fig.3 Water contact angles of the unmodified SiO2（a）and hydrophobically modified SiO2（b）

2.2 界面活性SiO2材料的乳化性能

為了驗證以界面活性SiO2為乳化劑的Pickering乳液穩(wěn)定性，我們在乳化劑濃度為3%（質量分數(shù)，相比于分散相），油水體積比為1∶1的條件下制備Pickering乳液，然后將其置于50oC下12 h，觀察乳滴形貌，發(fā)現(xiàn)乳滴在該溫度下能夠保持良好的形貌，其乳滴平均尺寸約30 μm～ 40 μm（圖4a）。進一步采用負載Pd的SiO2乳化劑，分別制備限域HCl、NaNO2和限域K2CO3的Pickering乳液，如圖4b和4c所示，其乳滴形貌及尺寸幾乎沒有變化，證明上述催化劑能夠穩(wěn)定地限域在乳滴內部，將這兩種乳液交替層疊，形成黃黑相間的層狀乳液（圖4d），其層界面清晰，說明兩種乳滴能夠穩(wěn)定的存在，為進一步酸堿串聯(lián)反應奠定基礎。

圖4 （a）在50oC下乳液顯微鏡照片，（b）乳滴內部限域HCl和NaNO2的顯微鏡照片，（c）乳滴內部限域K2CO3的顯微鏡照片，（d）層疊乳液照片F(xiàn)ig.4 （a）Optical microscopy images of the Pickering emulsions under 50oC，（b）optical microscopy images of the Pickering emulsions confining HCl and Na2NO3，（c）optical microscopy images of the Pickering emulsions confining K2CO3，（d）appearance of the layered Pickering emulsions

2.3 “一鍋”串聯(lián)體系催化性能考察

以苯胺和苯硼酸的“一鍋”Suzuki-Miyaura偶聯(lián)反應為模型反應（圖5a），對Pickering乳液串聯(lián)反應體系展開研究。我們進行了一系列對照實驗，具體操作是在構建Pickering乳液反應體系時，選擇性的不加入一種反應底物或催化劑，檢測反應產(chǎn)物的生成情況，從結果可以看出（圖5b），該反應體系在缺少酸、堿或者Pd催化劑的任意一種時，反應均不能夠發(fā)生。證明苯胺經(jīng)重氮化后再與苯硼酸發(fā)生偶聯(lián)，鹽酸、亞硝酸銨、碳酸鉀以及催化劑Pd缺一不可，只有當所有的原料及催化劑同時存在于反應體系，才有可能得到目標產(chǎn)物（產(chǎn)率約為80%），同時這也驗證了我們實驗思路的可行性。

圖5 （a）苯胺“一鍋”Suzuki-Miyaura交叉偶聯(lián)反應，（b）不同體系的催化反應結果Fig.5 （a）“One-pot”Suzuki-Miyaura cross-coupling reaction of aniline，（b）catalysis results in the different reaction systems

2.4 苯胺“一鍋”Suzuki-Miyaura偶聯(lián)反應擴展及其反應循環(huán)

從表1中可以看到，苯胺與苯硼酸在Pickering乳滴分別限域酸堿體系下的“一鍋”串聯(lián)反應在4 h就能達到50%以上的產(chǎn)率，具有較高的催化效率，繼續(xù)延長反應時間至8 h，其產(chǎn)率可達到80%，證明Pickering乳液能夠穩(wěn)定限域酸和堿兩種不兼容的催化劑，并在Pd催化下苯胺“一鍋”Suzuki-Miyaura偶聯(lián)反應具有優(yōu)異的催化反應性能。為了進一步證明苯胺“一鍋”Suzuki-Miyaura偶聯(lián)反應的可行性，我們采用各種具有取代基的苯硼酸與苯胺進行偶聯(lián)反應。具有多種取代基的苯硼酸均能夠與苯胺進行“一鍋”偶聯(lián)反應，在40oC下反應12 h，產(chǎn)率在30%以上，產(chǎn)率較低的原因可能是苯硼酸衍生物發(fā)生了自身偶聯(lián)，導致與重氮鹽偶聯(lián)效率較低。進一步驗證Pd催化劑的循環(huán)使用性，我們在室溫下進行了5次循環(huán)實驗，結果如圖6所示，產(chǎn)率基本保持不變，證實了負載Pd的SiO2在苯胺“一鍋”Suzuki-Miyaura偶聯(lián)反應具有較強的穩(wěn)定性。

表1 “一鍋”Suzuki-Miyaura偶聯(lián)反應擴展底物實驗結果Table 1 Results of“One-pot”Suzuki-Miyaura cross-coupling reactions with different substrates

圖6 Pd催化劑的循環(huán)穩(wěn)定性Fig.6 Recyclability of Pd catalyst

3 結論

綜上所述，我們發(fā)展了以Pickering乳液層疊的方式實現(xiàn)串聯(lián)反應的策略，利用Pickering乳液的限域作用，構建了以Pd負載SiO2為乳化劑的不兼容酸堿共存體系，從而實現(xiàn)了芳香胺和苯硼酸的“一鍋”Suzuki-Miyaura偶聯(lián)反應。該催化體系不僅具有操作簡單，分離快速等優(yōu)點，而且反應條件溫和，能夠實現(xiàn)催化劑的循環(huán)回收再利用。本文為實現(xiàn)芳香胺的一步Suzuki-Miyaura偶聯(lián)反應提供了新的研究思路。