（有机化学专业论文）二茂铁基咪唑啉环钯化合物催化的suzuki偶联反应的研究.pdf

辽宁师范人学硕十学位论文 摘要 本论文合成了二茂铁基咪唑啉及其环钯化合物并对其在催化s u z u k i 偶联反应中的 应用进行了研究。论文的主要内容包括以下几个方面： 第一章：对近年来钯催化的s u z u k i 偶联反应的研究进展进行了的综述，主要从催化 剂及其在s u z u k i 反应中的应用进行了的介绍和讨论。 第二章：利用手性氨基酸作为手性源方面的优势，结合二茂铁独特的电子效应和空 间立体效应，合成了以l 苯丙氨酸和缬氨酸为手性源的新型二茂铁基咪唑啉环钯化合物 5 ( a - h ) 。同时，获得化合物6 a 的单晶，对其进行了x r a y 单晶衍射测定。 第三章：以二茂铁咪唑啉环钯化合物5 ( a - h ) 为催化剂研究了4 一溴苯甲醚与苯硼酸的 s u z u k i 偶联反应，并探讨了影响s u z u k i 偶联反应的各个因素，得到了最优化的反应条 件：甲苯为溶剂，k 3 p 0 4 3 h 2 0 为碱，反应温度为l1 0 。在最佳条件下，研究了卤代 芳烃和苯硼酸的偶联反应，结果表明，该类环钯化合物均能够很好的催化s u z u k i 偶联反 应，并且在空气中稳定，对环境无污染。 第四章：以二茂铁咪唑啉环钯化合物5 a 为催化剂，在室温条件下研究了影响s u z u k i 偶联反应的各个因素，得到了最优化的反应条件：甲醇和水的混合溶液为溶剂，k o h 为碱，玎b 州b r 为表面活性剂。在最优化的条件下，研究了卤代芳烃与苯硼酸的偶联 反应。从环保和经济的角度出发，室温下催化的s u z u k i 偶联反应更具有实用价值。 关键词：s u z u k i 偶联反应；二茂铁基咪唑啉；环钯化合物 辽宁师范大学硕七学位论文 t h ec a t a l y t i ca p p l i c a t i o no f f e r r o c e n y l i m i d a z o l i n ec y c l o p a l l a d a t e d c o m p l e x e si ns u z u k ic r o s s c o u p l i n g a b s t r a c t i nt h i st h e s i s ，n o v e lf e r o c e n y l i m i d a z o l i n e sa n dt h e i rc y c l o p a l l a d a t e dc o m p l e x e sw e r e e a s i l ys y n t h e s i z e da n ds u c c e s s f u l l yu s e di np a l l a d i u m - c a t a l y z e ds u z u k ic r o s s - c o u p l i n g c h a p t e rl ：p r o g r e s si n t h ep a l l a d i u m - c a t a l y z e ds u z u k ic r o s s - c o u p l i n gr e a c t i o nw e r e s u m m a r i z e d t h ed e v e l o p m e n to fc a t a l y s t si nt h es u z u k ic r o s s c o u p l i n gr e a c t i o na n dt h e a p p l i c a t i o n so ft h es u z u k ic r o s s - c o u p l i n gr e a c t i o ni nt h eo r g a n i cs y n t h e s i sw e r ed i s c u s s e d c h a p t e r2 ：n en e wf e r r o c e n y l i m i d a z o l i n ec y c l o p a l l a d a t e dc o m p l e x e s5 ( a h ) d e r i v e d f r o ml p h e n y l a l a n i n ea n d v a l i n e w e r es y n t h e s i z e d a tt h es a m et i m e ，w ea l s o g a i n e d d e p o l y m e r i z a t i o no fs i n g l ec r y s t a lm o n o m e rc o m p o u n d6 a ，w h i c hw a sc h a r a c t e r i z e db yx r a y s i n g l ec r y s t a ld i f f r a c t i o n c h a p t e r3 ：n l eu s eo ft h e s ef e r r o c e n y l i m i d a z o l i n ec y c l o p a l l a d a t e dc o m p l e x e ss ( a h ) a s c a t a l y s t si ns u z u k ir e a c t i o n sw a se x a m i n e du n d e rt h eh e a t i n gc o n d i t i o n t h e yw e r ef o u n dt o b ev e r ye 伍c i e n ti nt h es u z u k ir e a c t i o no f1 - b r o m o - 4 m e t h o x y b e n z e n ew i t hp h e n y l b o r o n i c a c i d t h ee r i e c t i o no fd i f f e r e n tc o n d i t i o i l so nt h es u z u k ic r o s s c o u p l i n gr e a c t i o nw e r es t u d i e d t o l u e n ew a su s e da ss o l v e n t ，k 3 p 0 4 3 h 2 0w a sa d d e da sb a s e ，t h et e m p e r a t u r ew a s1 1o a n dt h eo p t i m a lr e a c t i o nc o n d i t i o n sw e r eg a i n e d u n d e rt h eo p t i m a lr e a c t i o nc o n d i t i o n s ，t h e s u z u k ir e a c t i o no fa r y lh a l i d e sw i t ha r y l b o r o m ca c i d sw a sp e r f o r m e dw h i c hw a sf o u n dt h a t t h ec y c l o p a l l a d a t e dc o m p l e x e sc o u l dc a t a l y z et h es u z u k ir e a c t i o ne f f i c i e n t l y t h ec a t a l y s t s w a sf o u n ds t a b l ea n dd i dn o td e c o m p o s ei nt h ea i ra n dw i t h o u te n v i r o n m e n t p o l l u t i o n c h a p t e r4 ：1 f 1 伧d i f f e r e n tr e a c t i o nc o n d i t i o n so ft h es u z u k ic r o s s c o u p l i n gr e a c t i o n c a t a l y z e d w i t hf e r r o e e n y l i m i d a z o l i n e c y c l o p a l l a d a t e dc o m p l e x e s5 ( a - h ) a tt h er o o m 二茂铁基咪唑啉环钯化合物催化的s u z u k i 偶联反应的研究 t e m p e r a t u r ew a se x p l o r e d t h ee f f e c t i o no fd i f f e r e n tc o n d i t i o n so nt h es u z u k ic r o s s - c o u p l i n g r e a c t i o nw e r es t u d i e d ，m e t h a n o la n dw a t e rw e r eu s e da ss o l v e n t , k o hw a sa d d e da sb a s e ， 刀b u 4 n b rw a su s e da st h ea d d i t i v e a n dt h es u z u k ir e a c t i o nb e t w e e na r y lh a l i d e sa n d a r y l b o r o n i ca c i d su n d e rt h eo p t i m a lc o n d i t i o n f o rab e t t e r r e s u l tf r o me c o n o m ya n d c i r c u n s t a n c ep r o t e c t i o n , t l l es u z u k ir e a c t i o nc a t a l y s t e di nt h er o o mt e m p e r a t u r ei sm o r eu s e f u l i np r a c t i c e k e yw o r d s ：s u z u k ic o u p l i n gr e a c t i o n ；f e r o c e n y l i m i d a z o l i n e s ；c y c l o p a l l a d a t e dc o m p l e x e s i v 辽宁师范大学硕士学位论文 目录 摘要一i a b s t r a c t i i i 1 绪论1 1 1 芳基硼酸及其衍生物的合成方法1 1 2 应用于s u z u k i 偶联反应的催化剂的发展4 1 2 1 膦配体及其钯配合物催化的s u z u k i 偶联反应4 1 2 2 水溶性钯催化剂催化的混合相的s u z u k i 偶联反应7 1 2 3 无配体催化剂催化的s u z u k i 偶联反应9 1 2 4 含氮配体及其钯配合物催化s u z u k i 偶联反应j 1 2 1 2 5 环钯催化剂催化s u z u k i 偶联反应1 4 1 2 6 固载钯催化剂催化的s u z u k i 偶联反应- 1 6 1 3 钯催化s u z u k i 偶联反应的应用17 1 3 1 联苯化合物的合成1 7 1 3 2 含杂原子的联芳环化合物的合成18 1 3 3 联萘类化合物的合成1 9 1 3 4 含杂原子的多芳环化合物。2 0 1 4 课题研究意义及背景2 0 2 二茂铁咪唑啉环钯化合物的合成。2 2 2 1 二茂铁咪唑啉环钯化合物5 ( a - h ) 的合成2 2 2 2 二茂铁基咪唑啉环钯化合物5 a 的单体的合成2 3 2 3 环钯单体6 a 的单晶结构。2 3 2 2 1 晶体结构测定2 3 3 3 2 晶体结构描2 8 3 二茂铁基咪唑啉环钯化合物在催化s u z u k i 反应中的应用3l 3 1 反应条件的优化3 1 3 1 1 催化剂的筛选3 1 3 1 2 碱的优化3 2 3 1 3 溶剂及温度的选择3 3 3 2 底物对反应的影响3 4 3 2 1 不同电子效应及结构的溴代芳烃对反应的影响3 4 3 2 2 碘代芳烃和氯代芳烃的偶联反应3 6 一v 一 二茂铁基咪唑啉环钯化合物催化的s u z u k i 偶联反应的研究 3 3 结论3 6 3 4 实验部分及催化产物的表征3 7 3 4 1 主要仪器3 7 3 4 2 原料与试剂3 7 3 4 3 催化反应的操作步骤3 8 3 4 4s u z i k i 偶联反应产物的鉴定3 8 4 二茂铁基咪唑啉环钯化合物室温下催化s u z u k i 偶联反应4 2 4 1 反应条件的优化4 2 4 1 1 碱的筛选4 2 4 1 2 溶剂的筛选4 3 4 1 3 相转移催化剂对反应的影响4 4 4 2 底物对反应的影响。4 4 4 2 1 溴代芳烃对反应的影响4 4 4 2 2 碘代芳烃和氯代芳烃的偶联反应4 6 4 2 3 结果与讨论4 6 4 3 结论4 7 4 4 实验部分4 7 4 4 1 主要仪器4 7 4 4 2 原料与试剂4 8 4 4 3 催化反应的操作步骤4 8 4 4 4s u z i l d 偶联反应产物的鉴定4 8 结论4 9 参考文献5 0 附录a 部分催化产物的谱图5 9 至| 【谢6 3 辽宁师范大学硕士学位论文 1 绪论 s u z 凼偶联反应( s u z u l 【ic o u p l i n gr e a c t i o n ) 1 1 是日本北海道大学的s u z u l ( i 教授发现 的，他首次在钯催化剂的作用下通过有机硼酸衍生物合成了联芳基化合物，这一类反应 引起了人们的广泛兴趣，被命名为s u z u k i 反应。一般形式见图1 1 ： 嗍一日( 盟腓 图1 1s u z u k i 反应的一般形式 过渡金属催化的s u z u k i 偶联反应是c c 键构筑的最为有效的方法之一，与k h a r a s h 偶 联、n e g i s h i 偶联、s t i l l e 偶联、h i m a y a 偶联、l i e b e s k i n d s r o g l 偶联和k u m u d a 偶联相比， 钯催化的s u z u k i 偶联反应是合成不对称芳烃最有效的方法。特别是近2 0 年来，用s u z u k i 偶联反应生成a 卜时键通常可以在很温和的条件下进行，而且产生无毒的副产物，这种 一 反应被大量用在实验室制备药物以及精细化工中用于合成具有重要用途的有机分子。通 过与其他钯催化的偶联反应比较，s u z u k i 偶联反应具有以下特点1 2 - 9 1 ： ( 1 ) 反应条件比较温和，与其它偶联反应中所用的有机金属试剂相比较，该反应 所用的各种硼酸及其衍生物对环境很稳定，容易保存，也容易处理。 ( 2 ) 由于格氏试剂能够进攻反应原料中的活性基团，所以基于格氏试剂的许多交 叉偶联反应都存在着缺陷，而参与s u z u k i 交叉偶联反应的硼酸化合物不影响反应原料中 一 的活性官能团。 ( 3 ) 虽然有机锡化合物也可以代替格氏试剂发生交叉偶联反应，但是有机锡试剂 副产物有毒性并难于处理，而s u z u k i 偶联反应的含硼副产物的后处理很容易，这对于大 量生产来说是很有优势的。 s u z u k i 偶联反应的优良特点及其广泛的应用引起了化学家们的极大兴趣，人们正积 极探索更适合的反应条件，使其广泛的应用于合成具有生物活性的天然产物及药物之 中，并涉及到农业、医药、食品和染料等各个方面。 1 1 芳基硼酸及其衍生物的合成方法 合成芳基硼酸或其衍生物的最常用的方法是利用三烷基硼与格氏试剂或有机锂试 剂反应【l o j ，也可以利用烯烃或炔烃和炔基环硼烷为原料，通过硼氢化反应来制备；除此 之外，还可以利用多种方法合成芳基硼酸及其衍生物。 二茂铁基咪唑啉环钯化合物催化的s u z u k i 偶联反应的研究 f a r a o m 等利用溶于四氢呋哺的硼烷与芳基金属试剂衍生物反应，合成了芳基硼酸， 但是由于同时生成了其他有机金属硼的衍生物，产率很低，只有9 6 0 【1 1 1 。利用芳基锡 化合物与硼烷反应，首先得到三烃基锡的氢化物和芳基硼，继而水解得到芳基硼酸，该 方法能够高产率的合成芳基硼酸( 如图1 2 ) 。 r 3 s n a r + b h 3j 卫r 3 s n h + a r b h 2 垃a r b ( o h ) 2 图1 2 芳基锡与硼烷的反应制取芳基硼酸 s u z u k i 等【1 2 】报道了在p d ( o ) 存在条件下，烯烃与四烷氧基二硼烷反应生成顺式的二硼 烷基烯，该试剂对热和空气都比较稳定，所以在偶联反应中常常被用作卤代芳烃的亲核 试剂。 i s l l i v 锄a ， 1 3 】报道了以化合物l 和芳基溴为原料，在钯催化剂作用下通过交叉偶联 反应合成了芳基硼酸酯( 如图1 3 ) 。 ( i ) p d c l 2 ( d p p t ) ，k o a c ，d m f 图1 3 利用芳基溴和1 合成硼酸酯 2 0 0 1 ，i s h i y a m a 等 1 4 】又发现在p d ( d b a ) 2 和p c y 3 的催化下，即使是反应活性较低的 芳基氯，也能够与l 合成芳基硼酸酯( 如图1 4 ) 。 r 臼c i 一萏r * 一2 一 * v 由 f * v 凡甘 卧由 辽宁师范大学硕士学位论文 s t r o n g i n 和w i l l i s 1 5 1 报道了在钯催化剂的作用下，四氟化硼芳基偶氮盐也可以与l 合成芳基硼酸酯( 如图1 5 ) ，该四氟化硼芳基偶氮盐可由简单易得的芳基胺来制备。 子+ 1 卫岔王 囟一卫岔车 h a r t w i g j 黝 1 1 卅报道了在一种铑的催化剂作用下，资源丰富、不活泼的直链烷烃 可以与价廉易得的1 在高温条件下反应，得到含有直链烷烃取代基的环硼烷( 如图1 6 ) 。 ( c h 2 ) 7 c h 3 ， c h 3 ( c h 2 ) 6 c h 3 + ，等霖 图1 6 烷烃与l 合成烷基硼 m a s u d a 课题组【1 刀报道了在钯催化剂作用下，利用芳基卤代物与二烷氧基硼烷的偶联 反应来制备芳基硼酸酯( 如图1 7 ) 。二烷氧基硼烷比四烷氧基二硼烷更加的价廉易得，这 种方法使得硼酸酯的合成更加容易。 xh i a i f + 由+ 朴o - b , o 卫朴o - b - o 以上方法大多是以卤代芳烃为前体原料来合成芳基硼酸或其衍生物，但是对于含有 较多官能团的化合物的合成，这些方法就受到极大的限制，因此，对于芳香环上具有多 取代基团的芳基硼酸或其衍生物的合成，我们也可以采取其他的合成策略。 d a v i e s 等【j 卅以腈的氧化物和炔基硼化物为原料，利用 3 + 2 】环加成反应合成了多取代 的异唑硼酸酯( 如图1 8 ) 。利用含有不同取代基的炔烃进行环加成反应，不仅具有较高的 区域选择性，而且解决了在异唑环上的双芳基取代或双烷基取代的问题。 二茂铁基咪唑啉环钯化合物催化的s u z u k i 偶联反应的研究 一o + 李装? p 落 总之，随着对s u z u k i 偶联反应研究的不断深入，芳基硼酸及其衍生物的合成方法也 得到丰富【1 9 2 3 1 。 1 2 应用于s u z u ki 偶联反应的催化剂的发展 1 2 1 膦配体及其钯配合物催化的s u z u ki 偶联反应 在钯催化的s u z u k i 偶联反应中，膦配体的配位能力适中，与钯形成的配合物具有合 适的稳定常数，这样既容易离解生成活性钯而参加反应，也容易与钯配位从而可以避免 钯在反应中聚集，生成钯黑而失去活性。 2 3 图1 9 一些简单的膦配体 1 9 9 8 年f u 【2 卅等发现了一些简单的膦配体( 如图1 9 ) ，他们使用p d ( d b a ) 3 p ( t - b u ) 3 作催 化剂，在8 0 条件下，较广范围的催化了芳基氯( 包括富电子) 与缺电子、电中性和富 电子的芳基硼酸发生s u z u k i 反应( 如图1 1 0 ) ，均可得到良好的产率( 见表1 1 ) 。 x 9 邡电y 卫x c y - c 受y ( i ) 0 5 p d 2 ( d b a ) 3 ，3 6 p ( t - b u ) 3 ，c s 2 c 0 3 ，d i o x a n e ，8 0 9 0o c 图1 1 0 芳基氯与苯硼酸的偶联反应 一4 一 欠j、 ri刈外 o )白 辽j 。师范大学硕士学位论文 表1 1 在 p d 2 ( d b a ) 3 】p t b u 3 c s 2 c 0 3 体系中氯代苯的s u z u k i 偶联反应 以后，他们【2 5 - 2 6 对此进行了详细的研究发现以0 5 p d 2 ( d b a ) 3 、1 2 p ( t b u ) 3 的用 量，可在室温下催化芳基碘、芳基溴和缺电子的芳基氯的s u z u k i 偶联反应( 如图1 1 1 ) ，但 对芳基三氟甲基磺酸酯的效果不好，改用p d ( o a c ) 2 p c y 3 催化体系，芳基三氟甲基磺酸 酯的室温偶联也能顺利进行( 见表1 2 ) ，这充分的说明了钯源和膦配体的类型对所得催化 剂的活性影响很大。 r 9 c - 且r w 。 ( i ) p h b ( o h ) 2 ，p d ( d b a ) 3 ( 0 5m 0 1 ) ，p ( t - b u ) 3 ，k f ，t h f ，r t 图1 11卤代芳烃的s u z u l ( i 偶联反应 表1 2s u z u k i 偶联反应的化学选择性 二茂铁基咪唑啉环钯化合物催化的s u z u k i 偶联反应的研究 在催化循环体系中，膦配体较强供电子能力有利于氧化加成，但却抑制了还原消除。 如何在膦配体电子效应和空间效应之间寻求一个平衡点是催化s u z u k i 偶联反应顺利进行 的一个重要因素【2 7 1 。 b u c h w a l d 等人合成了一系列联苯取代基的膦配体( 如图1 1 2 ) ，很好的弥补了三苯基 膦供电子强度不足以促进芳基氯代物的氧化加成步骤的进行的缺点。 m e 2 n p c y 2 占p c e 2 n p ( t - b u ) 2 m e p c y 2 m e 6 p ( t o b u ) 2 p c y 2 789 图1 1 2 一系列联苯取代基的膦配体 1 9 9 8 年，b u c h w a j d 组【2 8 1 研究发现p d ( o a c ) 2 和化合物4 组成的催化体系能够有效的 催化芳基氯的s u z u k i 偶联反应。在室温条件下，适用1 o 2 0t 0 0 1 的含钯催化剂即可催 化含有供电子基团或具有邻位取代基的芳基氯与苯硼酸发生s u z u k i 偶联反应；如果温度 升高至u 1 0 0o c ，0 5t o o l 的含钯催化剂催化反应。另外，该催化剂体系也能够催化甩己 基9 b b n 和4 氯苯甲醚的偶联反应( 如图1 1 3 ) 。 且申 ( i ) p d ( o a c ) 2 ( 2m 0 1 ) ，8 ，c s f ，d i o x a n e ，5 0 0 c 图1 13 含膦配体催化的偶联反应 p d ( o a c ) 2 和化合物7 组成的催化系统，能够较好的催化芳基氯和芳基溴的s u z u k i 偶联反应。在室温条件下，使用较少量的催化剂( 0 5 1 5t o o l p d ) ，就可以完成各种芳 4 s 辽宁师范大学硕士学位论文 基氯与苯硼酸的偶联反应( 如图1 1 4 ) p g ，选择适当的溶剂和碱性条件，即使是含有邻位 取代基的芳基氯或芳基硼酸也能发生s u z u k i 偶联反应。 且中 r = e w gr ( j ) p h b ( o h ) 2 ，p d ( o a c ) 2 ，9 k f ，t h f ，r t 图1 1 4 芳基氯与苯硼酸的偶联反应 2 0 0 1 年- ，f u 等【3 川人合成了一系列含有苯基膦和硅烷的二茂铁型配体( 如图1 1 5 ) ，其 中催化体系( p d 2 ( d b a ) 3 1 0 ) 活性较高，即使在室温条件下，对于各种芳基氯代物的s u z u k i 偶联反应也可以达到9 0 的收率。 1 0 图1 15 含有苯基膦和硅烷的二茂铁型配体 尽管含膦配体的催化体系有如此广泛的应用，但是它本身也存在着一定的不足之 处：一般都具有毒性，而且在水和空气中通常都不稳定【3 。 1 2 2 水溶性钯催化剂催化的混合相的s u z u ki 偶联反应 随着对s u z u k i 偶联反应研究的深入，人们发现了大量的应用于均相催化的催化剂， 但是过渡金属催化剂与产物的分离及循环使用成为了核心问题，为了解决该问题，得到 性质更加优良的催化体系，常常在磷配体上引入磺酸基、碳酸根、磷酸根等基团来增加 配体的水溶性，使它们的钯化合物在水相中能很好的催化s u z u k i 偶联反应，使得该反应 更加广泛的应用于工业化生产之中。 目前，使用最为广泛的水溶性膦配体主要是间三苯基膦三磺酸钠( t p p t s ) 、间三苯 基膦单磺酸钠等( 如图1 1 6 ) ，其中t p p t s 与p d ( o a c ) 2 按照1 ：4 的比例混合使用时，能够高 产率的催化s u z u k i 偶联反应1 3 2 。 墨 a 由 r 二茂铁基咪唑啉环钯化合物催化的s u z u k i 偶联反应的研究 a s 0 3 n p a 众s 洲aa s 0 3 n p a 囝 。s 朐 。t p p t s1 1 1 2 a p 飞洲q p 讹涔 bb 1 31 4 图1 1 6 被广泛使用的水溶性膦配体 p a e t z o l d 矛- f l o e h r n e 3 3 1 研究发现，在甲苯乙醇水的混合溶剂为溶剂，n a 2 c 0 3 为碱，加 入表面活性剂作为相转移催化剂的条件下，使用含钯化合物p d c l 2 p h 2 p ( c h 2 ) 4 s 0 3 k 2 作 为催化剂，可以完成4 一碘茴香醚与苯硼酸的偶联反应( 如图1 1 7 ) 。随着表面活性剂的增加， 副产物减少，产物增加。 邺。卜土邺。卜 ( i ) p h b ( o h ) 2 p d c l 2 p h 2 p ( c h 2 j 4 s 0 3 k 1 2 ，d e t e r g e n t ， n a 2 c 0 3 ，t o l u e n e e t h a n o l h 2 0 ，7 8 0 c 图1 174 碘茼香醚与苯硼酸的偶联反应 。g e n & 课题纠3 4 1 报道了芳基硼酸及芳基硼酸酯与芳基碘或乙烯基碘在二异丙胺作为 碱的条件下发生偶联反应，但是作为亲电试剂的芳基碘价格比较昂贵，后来，他们又报 道了使用n i c l 2 ( d p p e ) t p p t s1 1 作为催化剂，芳基氯为原料，与芳基硼酸反应合成联苯 类化合物( 如图1 1 8 ) t ”】。 岔c 卫r ( i ) p h b ( o h ) 2 ，n i c l 2 ( d p p e ) ，t p p t s 。z n ，k 3 p 0 4 ，d i o x a n e h 2 0 ( 3 ：1 ) ，5 0 0 c 图l - 1 8n i c l 2 ( d p p e ) 厂r p 隅催化的芳基氯的偶联反应 2 0 0 1 年，g e n e t 等【3 q 以水溶性p d ( o ) 肿p t s 作为催化剂催化了芳基溴和芳基硼酸的偶 联反应( 如图1 1 9 ) 。在反应体系加入乙腈，以增加芳基溴代物在水中的溶解性。该方法 可以广泛的应用于富电子、缺电子的芳基溴和芳基硼酸的反应之中，同时，也可以应用 于合成具有较大空间位阻的联苯类化合物的合成之中【3 7 】，并且具有较高的转化数，催化 剂能够循环使用3 次，催化活性略有下降。 一8 一 辽宁师范大学硕士学位论文 r 诊b r 旦r ( i ) p h b ( o h ) 2 ，p d ( o a c ) 2 ，t p p t s ，i - p r 2 n h c h 3 c n h 2 0 ( 3 ：1 ) ，8 0 0 c 图1 1 9 水溶性p d ( o ) 胛p t s 催化的芳基溴的偶联反应 f - b u 2 p m e 3 甜r 2 p l m e c i 。 +几+ 1 6r = f - b u 1 5 1 7 r = c y d o h e x y l 图1 2 0 空间位阻较大的水溶性膦配体 2 0 0 1 年，b o o t h 等1 3 8 1 报道了三个空间位阻较大的水溶性膦配体( 如图1 2 0 ) ，此类配体 与p d ( o a c ) 2 组成催化体系，在室温条件下的水溶液中能够催化芳基溴与苯硼酸的偶联反 应( 如图1 2 1 ) ，并能在8 0o c 条件下，催化活性较高的芳基氯与苯硼酸反应，并能获得较 满意的收率。 r 诊卧旦r ( i ) a r b ( o h ) 2 ，p d ( o a c ) 2 p h o s p h i n e ，n a 2 c 0 3 ，c h 3 c n h 2 0 ( 1 ：1 ) ，r t 图1 2 1空间位阻较大的水溶性膦配体参与催化的偶联反应 尽管众多的水溶性含钯催化剂被应用于s u z u k i 偶联反应之中，但是其催化活性太低 而不能应用于工业化生产【3 9 4 1 1 。 1 2 3 无配体催化剂催化的s u z u ki 偶联反应 在s u z u k i 偶联反应中，经常使用的是价格比较昂贵的钯化合物作为催化剂，该类化 合物不易制备并且难以回收，为了解决这个问题，研究工作者采用了无配体催化剂来催 化s u z u k i 偶联反应，避免了使用含膦配体的催化体系有时会发生雠m 自身偶联的副反应 产生的同时，减少了对环境的污染。 2 0 0 1 年，k a b a l k a 课题组【4 2 】在k f 的甲醇溶液中，以p d 粉为催化剂催化了芳基碘化物 与芳基硼酸的s u z u k i 偶联反应( 如图1 2 2 ) 。该催化体系对苄基溴化物与芳基硼酸的偶联反 应能起到很好的催化作用，但是不能够催化苄基溴化物与脂肪族硼酸的偶联反应。在反 应中的催化剂p d 粉能够回收利用8 次，催化活性没有明显的改变。 二茂铁基咪唑啉环钯化合物催化的s u z u k i 偶联反应的研究 + c 岬口m e 旦r m e ( i ) p d ，k f 2 0 a q u e o u sm e o h ，r e f l u x 图1 2 2 无配体条件下p d 催化的偶联反应 p d ( o a c ) 2 和p d c l 2 ( s e t 9 2 是两个廉价易得的含钯催化剂，它们在室温条件下，就能够 实现各种芳基卤化物的s u z u k i 偶联反应( 如图1 2 3 ) 1 4 3 。在催化体系中加入n ( n b u ) 4 b r ，能 够增强p d ( o a c ) 2 催化性能，却不能改变p d c l 2 ( s e t 2 ) 2 的催化性能，其反应机理并不明确， 推测其原因可能是与形成的阴离子钯的稳定性有关。该催化体系能够有效的促进芳基溴 化物及缺电子的芳基氯化物的偶联反应，高产率的合成联苯类化合物，但是不能够催化 富电子或电中性的芳基氯与苯硼酸的偶联反应。值得注意的是在室温条件下的该催化体 系能够在水相中催化芳基碘化物、活泼的芳基溴化物与芳基硼酸的偶联反剧4 4 , 4 5 j 。 r 岔( h o ) 2 b 旬旦r r 缸扩卜+ 飞- r 氮热夕 x = b r 或e l e c t r o n r i c hc i ( i ) p d ( o a c ) 2 或p d c l 2 ( s e t 2 ) 2 ，k 3 p 0 4 ，( n - b u ) 4 n t b r 2 ，d m f r t 图1 2 3 无配体条件下芳基卤化物的s u z u k i 偶联反应 由于无配体含钯催化剂在s u z u k i 偶联反应时不仅能够活化c c 1 键m 】，更重要的是在 适当的溶剂( 乙二胺：水为2 0 - 1 ) 中，能够有效的减少芳基氯发生自身偶联，从而得 到收率较高的s u z u k i 偶联产物( 如图1 2 4 ) 。含有吸电子基团的芳基氯与苯硼酸反应，分离 产率为7 9 9 5 ，增加催化剂的用量，含有富电子基团或电中性的芳基氯与苯硼酸反应， 也能够达到中等的分离率。在钯催化的芳基氯化物的s u z u k i 偶联反应中，配体的选择起 到了至关重要的作用，例如不加入任何配体的p d c 能够在较温和的条件下催化芳基氯化 物发生s u z u k i 偶联反应，而加入p ( t b u ) 3 或p p h 3 却使反应无法进行。 r 兮c 山。汕旬旦r r = e w g ( 产率7 9 - 9 5 )r = e d g ( 产率3 2 - 5 0 ) ( i ) p d c ，k 2 c 0 3 ，d m n h 2 0 ，8 0 0 c 图1 2 4 无配体条件下芳基氯的偶联反应 辽宁师范大学硕士学位论文 n o l a n i , 揪 4 7 】报道了以p d ( o a c ) 2 二氮丁二烯为催化剂，催化了芳基卤化物与芳基 硼酸的s u z u k i 偶联反应( 如图1 2 5 ) ，该催化体系对芳基溴化物和活性较高的芳基氯化物有 较好的催化作用。 r 诊x b 囝旦舳 x = b r 或e l e c t o n r i c hc i ( i ) p d ( o a c ) 2 ，d i a z a b u t a d i e n e ，c s 2 c 0 3 ，d i o x a n e ，8 0 0 c 图1 2 5 p d ( o a c ) 2 二氮丁二烯催化的偶联反应 z h a n g 等人【4 剐发现在5 0o c 的温和反应条件下，p e g 水n a c 0 3 的反应体系中， p d ( o a c ) 2 能够催化芳基溴代物发生s u z u k i 偶联反应，收率大于9 4 。水相中，p e g 的加 入主要是起相转移催化剂的作用，可以把芳基卤代物增溶到水相中。此外，催化剂循环 使用4 次后，催化活性才降到8 9 。这说明p e g 的反应体系对金属钯具有很好的稳定作 用。 2 0 0 5 年，n a c e i 4 9 发现在b u 4 n o h 溶液中，纳米p d 可以高效地催化溴代及氯代芳烃的 s u z u k i 交叉偶联反应( 如图1 2 6 ) ，这不但为纳米技术的应用拓宽了领域，而且为交叉偶联 反应提供了便利的合成方法。由于生成物可以利用有机物进行提取，所以催化剂及溶剂 可以继续利用，使反应更加廉价，同时对环境的污染也降到最低。 r 岔x 圳b 怠。舳r r 2b ，c i ( i ) p d 咖枷b u 4 n o h 图1 2 6 纳米p d 催化的偶联反应 2 0 0 6 年，z h a n g l 5 0 1 发现了更为高效的催化体系，他们发现以0 5m 0 1 的p d ( o a c ) 2 为 催化剂，n a 2 c 0 3 为碱，丙酮与水混合溶液为溶剂时，催化体系的催化效果最好。而在纯 水的条件下只有7 的产率，在丙酮的条件下也仅仅为9 。该反应的反应时间比较短， 反应在2 0 - 4 5m i n t 勾完毕。当加大催化量时，多卤代芳烃也可以发生交叉偶联反应形成复 杂的联苯类物质。该催化体系对于碘代芳烃和溴代芳烃有很好的效果，而对于氯芳烃则 效果不好。2 0 0 7 年，l i u 5 1 发表了在p e g - 4 0 0 溶剂中，2m 0 1 的p d ( o a c ) 2 、2m m o l 的k z c 0 3 能够成功的催化含有吸电子基团的氯代芳烃发生偶联反应，大大的拓展了底物的应用范 围( 如图1 2 7 ) 。 二茂铁基咪唑啉环钯化合物催化的s u z u k i 偶联反应的研究 岔c - 。油q 旦舳r r = c f 3 ，n 0 2 ，c o m e ( i ) 2m 0 1 p d ( o a c ) 2 ，k 2 c o a p e g4 0 0 ，r t 图1 2 7p e g - 4 0 0 为溶剂催化的偶联反应 以钯为催化剂在无配体条件下的发生的s u z u k i 交叉偶联反应，使用比较多的含钯催 化剂有p a l ( o a t h ，p d c l 2 以及p d c 。它们具有催化活性高，催化条件温和，对水及空气稳 定以及可再次利用等共同特点。因此，钯为催化剂在无配体条件下的催化体系发展很快。 1 2 4 含氮配体及其钯配合物催化s u z u ki 偶联反应 由于膦配体通常具有毒性，并且价格相对昂贵且对空气不稳定，近年来，为了克服 膦配体的缺陷，科研工作者寻找到了一种含氮配体( 例如：n h c 配体) 来代替膦配体。n h c 配体在金属有机化学中应用非常广泛，它既可以和过渡金属配位，也可以与主族金属进 行配位，而且n h c 配体的供电子性能比膦配体更强，这样在反应中就可以大大提高立体 选择性，因为n h c 配体的优点，它的应用越来越广泛。 n 杂环卡宾( n h c ) 是一类多用途，具有独特性质的新型金属配体。它之所以引起人 们如此广泛的注意，是因为它们可以作为有机金属配体。事实上，n h c 的性质很像典型 的。电子给予配体，可以代替经典的2 e 。供电子配体如：r 2 n ：、r 2 0 ：、r 2 p ：等，因此 又被人称为“仿膦配体 。与广泛使用的膦配体相比，n 杂环卡宾配体具有制备简单、 使用方便、毒性小、稳定性高等特点。 y 彳 扣 卜厶 1 81 9 图1 2 8h e m n a n n 设计合成的双n h c p d 配合物 最早将氮杂环卡宾钯催化剂应用于s u z u k i 偶联反应的是h e m n a n n 研究小组。 h 朗锄等【5 2 ，5 3 1 人较早的合成一系列双n h c p d 配合物1 8 和1 9 ( 如图1 2 8 ) ，并成功催 化活化的芳基氯代物的s u z u k i 偶联反应。该研究结果极大地推动了n 一杂环卡宾配合物催 化反应的研究。 辽宁师范大学硕士学位论文 通过咪唑盐和钯试剂原位生成的卡宾钯催化剂，也可以有效地催化s u z u k i 偶联反 应，而且在很多情况下由