（有机化学专业论文）水介质中钯催化的交叉偶联反应.pdf

摘要 钯催化的交叉偶联反应是有机合成中构建碳碳键的重要方法， 对其绿色化和实用化研究是当今化学工作者面临的重要课题。本论文 围绕溶剂和催化剂两方面对钯催化的交叉偶联反应的绿色化进行了 较为深入的研究。 1 p e g - 4 0 0 ( 聚乙二醇) 能够促进水介质中p d ( o a c ) 2 d a b c o 催 化的s u z u k i m i y a u r a 和s t i l l e 交叉偶联反应。在p d ( o a e ) 2 、d a b c o 和p e g - 4 0 0 同时存在的条件下，水溶液中带各种不同取代基的卤代 芳烃可以与芳基硼酸及有机锡化合物高效地发生偶联反应。s u z u k i 和s t i l l e 交叉偶联反应的t o n s 最高分别达到9 0 0 ，0 0 0 和9 , 8 0 0 。这种 催化体系同样可以有效的应用到水介质中的h e e k 和s o n o g a s h i r a 偶 联反应上。 2 m e r r i f i e l d 树脂固载的p d ( o a e h - d a b c o 络合物催化剂能够在 水有机两相溶剂中高效循环催化s u z u k i - m i y a u r a 、s t i l l e 和h i y a m a 偶联反应。加入o 2 5m 0 1 的负载钯，室温下一系列的溴代芳香烃可 与芳基硼酸在乙醇的水溶液中高效偶联，且催化剂可回收重复使用至 少五次。通过升高温度和改变反应介质，负载的p d ( o a e ) 2 - d a b c o 络合物催化剂同样可以催化d m f 中氯代芳香烃和烯基卤代烃与芳基 硼酸偶联以及水相中循环催化溴代芳香烃的s t i l l e 和h i y a m a 交叉偶 联反应，反应高效快捷。 关键词：交叉偶联反应；钯，三亚乙基二胺；水 a b s t r a c t p a l l a d i u m - c a t a l y z e dc r o s s - c o u p l i n g r e a c t i o n sa r et h e i m p o r t a n t m e t h o d sf o rt h es e l e c t i v ec o n s t r u c t i o no ft h ec a r b o n - c a r b o nb o n d s h o w e v e r , m a n yo ft h e s et r a n s f o r m a t i o n sw e r ec o n d u c e di nh a r m f u l o r g a n i cs o l v e n t s a sar e s u l t ，t h ed e v e l o p m e n to fs o m ee n v i r o n m e n t a l b e n i g np a l l a d i u m c a t a l y z e dc r o s s - c o u p l i n gp r o c e s s e si sb e c o m i n gav e r y u r g e n tp r o j e c tf o rc h e m i s t i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，w eh a v ed e v e l o p e dt w o g r e e nm o d i f i e dp r o t o c o l sf o rt h ep a l l a d i u m c a t a l y z e dc r o s s - c o u p l i n g r e a c t i o n sb a s e do ns o l v e n ta n dc a t a l y s t 1 p e g - 4 0 0 p o l y ( e t h y l e n e # y c o l - 4 0 0 ) 】w a sf o u n dt oi m p r o v e t h e p d ( o a c ) 2 d a b c o c a t a l y z e da q u e o u ss u z u l d - m i y a u r a a n ds t i l l e c r o s s c o u p l i n gr e a c t i o n s i nt h ep r e s e n c eo fp d ( o a c ) 2 ，d a b c oa n d p e g - 4 0 0 ，av a r i e t yo fa r y lh a l i d e sw e r ec o u p l e dw i t ha r y l b o r o n i ca c i d so r o r g a n o t i nc o m p o u n d se f f i c i e n t l y t oa f f o r dt h e c o r r e s p o n d i n g c r o s s - c o u p l e dp r o d u c t si nm o d e r a t et oe x c e l l e n ty i e l d s t h et u r n o v e r n u m b e r sw a su pt o9 0 0 ，0 0 0f o rt h es u z u l d - m i y a u r ar e a c t i o na n du pt o 9 8 0 0f o rt h es t i l l er e a c t i o n t h ec a t a l y s ts y s t e mw a sa l s oe f f e c t i v ef o r h e c ka n ds o n o g a s h i r ac r o s s - c o u p l i n gr e a c t i o n st os o m ee x t e n t 2 p o l y m e r - s u p p o r t e dd a b c o - p a l l a d i u mc o m p l e xw a so b s e r v e da s a l le f f i c i e n ta n dr e u s a b l ec a t a l y t i cs y s t e mf o rt h es u z u k i - m i y a u r a 、s t i l l e a n dh i y a m ac r o s s - c o u p l i n gr e a c t i o n i nt h ep r e s e n c eo f0 2 5m 0 1 o ft h e p o l y m e r - s u p p o r t e dd a b c o - p a l l a d i u mc o m p l e x ，av a r i e t y o fa r y l b r o m i d e sw e r ec o u p l e dw i t ha r y l b o r o n i ca c i d se f f i c i e n t l yi na l la q u e o u s e t h a n o la tr o o mt e m p e r a t u r eu n d e ra i r m o r e o v e r , t h er e a c t i o nw a sv e r y r a p i d ，a n dt h ec a t a l y s tc o u l db er e c o v e r e da n dr e u s e da tl e a s tf i v et i m e s f r o mt h er e a c t i o nb ys i m p l ef i l t r a t i o n i tw a sa l s of o u n dt h a tt h es t i l l e ， h i y a m ar e a c t i o n si na q u e o u ss o l v e n ta n dv i n y lh a l i d e s ，a r y lc h l o r i d e s c o u p l e dw i t ha r y l b o r o n i ca c i d si nd m f c o u l db ec a r r i e do u te f f i c i e n t l yt o a f f o r dt h ec r o s s - c o u p l e dp r o d u c t si nm o d e r a t et oe x c e l l e n ty i e l d s k e yw o r d s ：c r o s s c o u p l i n gr e a c t i o n ，p a l l a d i u m ，d a b c o ，w a t e r m 湖南师范大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外， 本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标 明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：别惰鼻风 2 0 0 7 年5 月2 8 日 湖南师范大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权湖南师范大学可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密 臼。 ( 请在以上相应方框内打“ ”) 作者签名：醐喘葬身 日期：2 0 0 7 年5 月2 8 曰 导师签名：刁缈 日期：20 0 7 年5 月2 8 目 水介质中钯催化的交叉偶联反应 引言 交叉偶联反应( c r o s s - c o u p l i n gr e a c t i o n ) 是指在过渡金属催化下， 有机亲电试剂与金属有机试剂反应生成各种碳碳键的一类有机反 应。自从格氏试剂反应发现以来，这类反应一直是有机合成的研究热 点之一。其中钯催化的交叉偶联反应因其催化效率高、选择性好、底 物来源广泛以及反应条件温和等优点为这类反应的研究和应用注入 了新的活力，已经广泛应用于生物活性物质和其它各种科学和工业领 域中有价值材料的合成，为社会带来了显著的经济效益。 近年来，随着绿色化学的兴起和发展，反应环境友好性及经济 性已成为技术创新的主要推动力，不仅为环境友好的偶联反应研究 提供了理论指导，而且也带来新的发展机遇和更广阔的研究空间。 绿色化与实用化已成为进一步拓展交叉偶联反的应用深度与广度的 重要课题。绿色有机合成主要包括原子经济性反应，绿色原料、绿 色溶剂和绿色催化剂的应用等。钯催化的交叉偶联反应的绿色化主 要集中在研究新的多相钯催化剂和可重复使用的催化体系以及使用 绿色化溶剂等方面。常用的绿色化溶剂主要有水、超临界二氧化碳、 离子液体、全氟卤代烃和聚合物液体例如聚乙二醇等。此类反应介 质除了可取代有机溶剂、减少污染外，还为反应分子提供了新的反 应环境，使反应的选择性、转化率得到改善和提高，也使分离提纯 等操作过程简便易行。同时，无磷配体催化剂的开发和可回收负载 催化剂的使用有效的提高了昂贵钯的利用效率，并且使后处理简便， 防止了金属钯的流失及对产品和环境的污染。由此可以预料，随着 绿色反应介质和催化剂的开发与应用以及反应条件的优化，钯催化 硕士学位论文 的交叉偶联反应将在有机及高分子化学特别是有价值材料及药物合 成中得到更广泛的应用。 本着绿色化学的理念，本文在前人工作的基础上主要围绕溶剂 和催化剂两方面对交叉偶联反应的绿色化进行研究，并力图将这两 方面相结合，优化反应条件，为偶联合成提供一条简便、快捷、切 实可行的绿色反应途径。以下是本文的主要研究内容： d a b c o ( 三乙二胺) 可作为常规溶剂中钯催化交叉偶联反应的 高效氮配体，通过反应条件的细致优化和筛选，将p d ( o a c ) d a b c o 催化体系应用于绿色介质水溶剂中，考察其对s u z u k i m i y a u r a 、s t i l l e 和h e e k 等偶联反应的催化性能。 合成以m e r r i f i e l d 树脂固载的p d ( o a c ) 2 d a b c o 聚合物载体催 化剂，将其应用于交叉偶联反应中，考察p d ( o a c ) 2 - d a b c o 固载催 化剂对s u z u k i - m i y a u r a 、s t i u e 和h i y a m a 等交叉偶联反应的催化性 能及催化剂的回收再利用效率，并对其在水介质中的稳定性和催化 活性进行了初步的探索。 水介质中钯催化的交叉偶联反应 鲅嵩t z - b ( o l 峨式：庸豁r + 、r 器封宅堰器二 鼢r h i y u u t c m t p l i a l i ( 图1 1 ) 在交叉偶联反应的催化循环中一般包括了氧化加成，金属转移和 还原消除等基元反应( 图1 - 2 ) 。反应的第一步是零价的钯与卤代烃 r 2 x 发生氧化加成生成r 2 - p d x 的中间体，钯的价态从零价变为二 硕士学位论文 价，然后与r 1 m 发生金属转移化而生成p d - r 1 ，最后发生还原消 除反应生成交叉偶联的产物r 1 r 2 ，而催化剂钯恢复零价态开始下一 轮循环。金属转移反应中一般需要用碱来活化催化剂和r l m ，有时 还需要用其它物质来断裂c m 键。在反应机理中，每一步反应还包 括了配体的配位与解离等过程，中间体i 和h 已经分离得到或通过 光谱学方法观察到，从而证实了此机理的正确性1 3 j 。 r 2 - p d ( i i ) - r l i i 一一蹦) - x i 凇 r i m ( 图1 2 ) 此类反应一般是用昂贵的钯做催化剂在有机溶剂中进行，随着 人类对生存环境日益重视，有毒有机溶剂的排放和钯金属的流失造 成的环境污染是限制其大规模应用的瓶颈之一。面对环境保护的重 大压力，为实现可持续发展，对交叉偶联反应的绿色化和实用化已 经成为化学工作者面临的重大挑战。于是，越来越多的科学家将交 叉偶联反应的研究重点放在对环境无污染的绿色合成上，致力于反 应物、溶剂、催化剂和产品等的绿色化，探索新的反应条件，尽量 减少和消除使用有毒物质，尽可能实现零排放。近年来，环境友好 介质中的交叉偶联反应研究取得了较大的进展【2 】，本章以绿色溶剂的 应用研究为主线，以催化剂及配体的开发发展为辅线，综述了近年 来在水、离子液体、聚乙二醇、超临界流体等绿色介质中以及无溶 水介质中钯催化的交叉偶联反应 剂钯催化交叉偶联反应研究的最新进展。 1 2 水介质中的交叉偶联反应 水资源丰富，使用安全，不污染环境等独特的优点使之成为潜 在的环境友好反应介质。水介质中的偶联反应不但操作简便，且可 使均相催化剂较易从产品中分离出来，为消除残留催化剂对产品的 污染和催化剂的回收再利用提供了一条有意义的途径【3 1 。近年来水介 质中交叉偶联反应催化剂的开发有了很大的进展，其中水溶性钯配 体的研究更是有了较大的突破。 1 2 1 亲水性膦配体 自从c 豁a l n v o 【4 】首次报道亲水性催化剂( 删s ) d 可以在水 相中催化交叉偶联反应以来，大量基于p p h 3 的水溶性膦配体被设计 合成出来，并且成功应用于水相钯催化的交叉偶联反应，克服了干巍 统催化剂难溶于水而不能在水相中催化交叉偶联反应的弊端。 簿旗穰： 一七国) 。橱) ，“两，、n m 赴 n = l ：t p p m s t p n 。 舞t t p p p r p d s s g u 附 i 1 静。 卜 ( 邺3 p 游 f i ：t p p m p n = 2 ：t p p d p f = 3 ：t p p t p 彳哗将c ，h 2 0 h ho h hh 醛h ： ，k 9g 。带眺。 硕士学位论文 近年来随着工业化和绿色化的要求，为达到更高的催化活性和 更宽的底物适用范围，人们开发出了一系列大位阻亲水性膦配体。 2 0 0 2 年b u k o s 5 对i p p t s 的苯基进行邻位修饰得到了位阻更大 的亲水性配体t x p t s ，s h a u g h n e s s ) ，【瓯6 b 】把这种配体应用于钯催化的 交叉偶联反应，发现t x p t s p d ( o a c ) 2 催化体系在水溶液中对s u z u k i 和h e c k 反应的催化活性要明显高于t p p t s 为配体的催化体系，而 且对一些敏感官能团有着极好的相容性。 p h ( o h ) 2_ h 2 嚣7 5 m 0 1 n a 2 c 0 3 ho蛰l-h20ch3cn p h ( t x p t s ( 6 )_ 7v 。u 。f ，l ，一” l- - ( 1 ：1 ) 、弋三岁 s h a u g l m e s s y 等睁1 人把水溶性胺盐修饰的t - b u 3 p 配体 t - b u - a m p h o s 、t - b u p i p - p h o s 和c y - p i p p h o s 应用于水相钯催化的 s u z u k i 反应，发现f - b u - a m p h o s 和t - b u - p i p - p h o s 配合的钯在5 0 的 乙腈水溶液中，以k c 0 3 为碱室温下即可使s u z u k i 反应顺利进行， 其中溴代芳烃t o n s ( t u r n o v e rn u m b e r s ) - j 高达7 3 4 0 0 0 。 c 毙p o 蚴矾p o 蚴毗p 八翩胡 2 0 0 4 年s i l a u g l l i l e s s y 等删又发现溴代芳烃的h e c k 乘ls o n o g a s h i r a 偶联反应在水溶剂中温和条件下同样可以被它们高效的催化，其催 化活性显著高于t p p t s ，而且这类催化体系全部溶解于水相中，在 水介质中钯催化的交叉偶联反应 产品中无残留，催化剂循环使用三次平均产率大于8 4 。 。伊r + 庐一 r = m e , m e o , m e c o r f p h , c 0 2 h p d ( o a c ) 2 ( 2 5m d ) t - b u - a m p h o s ( 2 5m 0 1 ) i - p r 2 n h ( 1 0 5e q ) 一 l ：1h 2 0 ：c h 2 c n 5 h 厂2 一蕊纩飞r ( 1 - 刁 w o l f i n 及其合作者在水介质中用次亚膦酸钯络合物催化交叉偶 联反应，发现这类水溶性催化剂在较高温度- f ( 1 3 5 1 4 0 ) 可以同时 催化活性溴代和氯代芳烃的s t i l l e 、s o n o g a s h i r a 和h i y a m a 偶联反应， p o p d 对s t i u e 和s o n o g a s h i r a 反应活性最强，而p o p d l 则对h i y a m a 反应有更高的催化活性，催化剂回收四次，产品收率由9 6 降到 8 4 。 占x + f 罟g 匐 崇。 坩 每舢 葛 - - m 1 人 鼬 盯b试对哦 胁叭、o 硕士学位论文 二烃基联苯基膦。随后，带亲水取代基的类似配体也被合成出来， 并发现其对水介质中氯代芳烃的偶联同样具有非常高的催化活性【9 l 。 1 0 是m i y a u r a 等【1 0 】合成的第一个亲水性的类似配体，该配体在水介 质中与p d ( o a c ) 2 配合，o 1t 0 0 1 的p d 即可高效催化活性氯代芳烃 的s u z u k i 反应，惰性的对甲氧基氯苯在2m 0 1 的p d 催化下可得到 7 9 的产率。而同类型的水溶性配体1 3 只能催化活化的氯代芳烃。 ( 图1 - 6 ) 最近，b u c h w a l d 掣如8 。1 用磺酸基修饰其之前报道的高活性配体 s - p h o s ，第一次合成出了在纯水相中温和条件下对氯代芳烃偶联反 应普遍适用的高活性水溶性配体1 2 。在室温到1 0 0 的温和条件下， 富电子大位阻氯代芳烃也能得到极高的偶联产率，并对一系列的非 活化的溴代和氯代芳烃的s o n o g a s h i r a 偶联反应同样高效，而未被水 溶性官能团修饰的s - p h o s 在纯水相中活性非常低，催化间氯苯甲酸 与苯硼酸的偶联1 0 0 的条件下仅得到2 0 的产率。 ( c h 2 c n x ) x p d c l 2 ( 25 m 0 1 ) 1 2 ( 75 m 0 1 lc s ：c q ) o m e 拈c 。：”卅 嘞 一长 水介质中钯催化的交叉偶联反应 1 2 2 钯配合物催化剂 钯配合物催化剂因其高催化活性近年来受到广泛的关注。2 0 0 2 年n 矗j c r a 1 1 司首次报道了亲水性钯环配合物催化剂l b ，其在纯水相中 回流条件下可高效催化活性氯代芳烃与芳基硼酸偶联，t o n 达7 7 0 0 m o l m o lp d ，富电子氯代芳烃能得到中等产率，值得一提的是这种催 化剂在水溶液中甚至能高效催化c s p 3 c s p 3 的形成【1 1 b 】。 添n - n 。+ o 删kt j k 意罄。c h 3 m 句 m e y i e l 麟= 1 0 0 2 0 0 2 年o g o 1 2 垮首次设计合成了一类以分子水为配体的具有水 溶性的钯环配合物催化剂，并在2 0 0 6 年发现【( p c ) p d “( h 2 0 ) 2 】+ ( f 4 】+ ， p c = 4 - m e c d - 1 3 2 - ( o p p r 2 ) ) 可以在n a h c 0 3 ，r n a o h 为缓冲剂的水溶液 中高效催化各类卤代芳香烃的s u z u k i 、h e c k 和s t i l l e 反应，其中带 两分子水是达到最高催化活性的必要条件，并且在这种反应体系中 溶液p h 值对催化剂催化活性有着显著的影响，p h = 1 1 5 时反应活 性最高【1 2 b l 。 哗麟 。一9 1 p h 了 u n 2 l a l + 1 4 r ( 图1 - 7 ) p x h o z c x 吨甜b r 0 - 6 ) 硕士学位论文 1 2 3 卡宾配体 氮杂环卡宾作为钯的高效配体被广泛应用于交叉偶联反应【1 3 j 。 近年来水溶性卡宾配体越来越多的被合成出来，但还没有被用于在 水相中催化交叉偶联反应的例子，仅有疏水性卡宾配体被应用的报 道【1 捌。0 z d e m i r t l 4 1 报道了n - 杂卡宾配体2 0 、2 l 和2 2 络合的钯催化 剂，在d m f 的水溶液中8 0 可以有效的催化氯代芳烃的s u z u k i 偶 联，但因其疏水性，催化剂无法回收。 f - - - 。广8 2 1 。g _ n 厂m e s m c s = 2 , 4 ，6 - m e 3 c 6 h 2 ( 图1 8 ) 2 0 0 2 年，z h a n g 等【1 5 】合成了一类四齿卡宾配体，发现其中l 和 2 能够在室温下催化s u z u k i 反应高产率得到联芳烃化合物，并且对 一些大位阻底物同样有效。用硅胶负载的p d ( o a c ) 2 和配体i 在回流 条件下纯水相中催化溴代芳香烃与芳基硼酸偶联t o n 可高达1 0 6 。 1 2 4 大分子负载催化剂 i ：r = 2 , 6 - d i i s o p r o p y l p h e n y l ； 2 ：r - - - m e s i t y l ； 3 ：r = t e r t - b u t y l ( 图1 - 9 ) 负载催化剂是利用非均相催化实现大规模工业化生产和催化剂 回收再利用的一条重要途径。使用负载催化剂在水介质中催化交叉 水介质中钯催化的交叉偶联反应 偶联反应既能实现催化剂的循环使用又能防止环境污染实现绿色化 合成，是工业生产上理想的反应条件。 2 0 0 2 年i k e g a m a 【1 6 】与其合作者合成了一种嵌有p p h 3 的共聚物与 钯配合形成网状固体催化剂p d a s 。这种新型固载催化剂在沸水中可 以有效催化溴代和碘代芳烃的s u z u k i 偶联，催化剂循环十次活性未 见降低。碘苯和苯硼酸反应t o n s 高达1 , 2 5 0 ，0 0 0 ，水介质中碘代芳 烃的h e c k 反应也可被高效催化。 “ ( 图1 1 0 ) 2 0 0 4 年l e y v a 等【1 7 】把一种肟钯环衍生物通过自由基聚合分别键合 到高分子树脂和无机担体上，合成了四种不同类型的负载钯催化剂 p d p s 、p d p e a 、p d m c m - 4 1 和p d s i 0 2 。经实验表明沸水中 p d s i 0 2 和p d i v i c m - 4 1 是对乙酰基氯苯与芳基硼酸偶联的有效催化 剂，硅胶负载的催化剂p d s i 0 2 活性最高，循环八次活性没有降低。 q ( = c r o s s - l i n k e d p o l y s t y r e n e ：p d p s b i s ( m c t l n c f y ) ： ( 图l - 1 1 ) - - - c r o s s - l i n k e d p o l y ( e t h y l e n e g l y c o lp d p e a q b i s ( m c t l n c f y l 删) ： 、 同年，w e b e r k i r c h l l 8 i 合成了一类两亲性聚合物卡宾配体，经实验 测试，p 2 具有最高的催化活性，在纯水相中，k 2 c 0 3 为碱，p h i 和 硕士学位论文 苯乙烯的h e c k 反应t o n 达到5 7 0 ，且产物分离简单，催化剂稳定 可以回收循环使用。 n = 4 n - - 6 n - - 8 ( 图1 - 1 2 ) 2 0 0 5 年，l e e 掣1 9 1 第一次把卡宾配体共聚锚合到交联聚苯乙烯 树脂上，卡宾配体键连在聚合物的表面上很容易与钯配位形成稳定 的负载钯配合物。这种活性位点暴露在外的催化剂在水溶液中对 s u z u k i 反应显示出很高的催化活性，且很容易通过简单过滤，回收 重复使用，在碘苯和苯硼酸偶联反应中循环使用十次活性基本不变。 9 。o z 黼护小乃 表1 1 r e c y c l e 1 s t2 n d3 r d4 t h 5 t h6 t h7 t h8 t h 9 t h1 0 t h y i e l d ( ) 9 5 9 59 49 39 59 49 5 9 49 49 2 不久之后，l u i s l 2 0 】合成了一种类似的卡宾负载钯催化剂用于溴代 和碘代芳烃的h e c k 反应，同样达到了高活性和高稳定性，回收五次 活性不降。 树枝状大分子作为金属催化剂的有效载体是近几年的研究热点。 1 2 水介质中钯催化的交叉偶联反应 2 0 0 4 年c r o o k s 等【2 1 报道t p a m a i v l ( p o l y ( a m i d o a m i n e ) ) 固载的钯催化 剂应用于水相s t i l l e 反应。这种催化剂中的钯以纳米形态存在于树枝状 分子p a m a m 上，能够在水介质中室温下以0 1m 0 1 的钯催化碘代和 溴代芳烃的s t i u e 偶联反应。 爵x + o s r c - 篇警o q 。t ，棚啪即2 x = l b t 1 3 离子液体中的偶联反应 离子液体用作反应介质的研究是绿色化学的一个重要组成部 分，是近年来绿色化学重要的发展方向之一。离子液体通常是指在 较低温度下呈液体的离子型化合物，与常规溶剂相比具有蒸汽压低， 毒性小，热稳定性好，不燃烧和爆炸，溶解性能独特，催化剂易回 收，反应产物分离简单等优点阱l 。 从2 0 世纪9 0 年代起，离子液体开始被广泛应用到过渡金属催 化的反应中去。在离子液体中，交叉偶联反应时常有非常奇特的反 应性，如高反应活性，高区域和立体选择性，或可促进一些本不可 能发生的反应，如氧化亚铜催化的s t i l l e 反应【2 3 1 。 2 0 0 4 年c a l 6 等口4 a j 在离子液体中用壳聚糖负载的钯催化h e e k 反 应，通过对一系列不同类型离子液体和碱的比较发现，以t b a b 为介 质t b a a 为碱，在1 3 0 下0 3 5t 0 0 1 的钯，1 5 分钟即可以9 5 的产率 得到溴苯和丙烯酸叔丁脂的偶联产物。以咪唑类离子液体为介质则不 反应。 硕士学位论文 4 n - b u t y l p y r i d m i u mt e t r a t h o r o b o r a t e 6t e u a b u t y l p h o s p h o m u mb r o m i d e 在1 0 5 条件下碘代芳烃的h e e k 偶联反应，离子液体t b a b 和催化剂可以同回收l o 次活性仅略有下降。作者认为是t b a b 和 t b a a 的电子和立体特性促成了p d ( 0 ) 以纳米形态存在于反应体 系中，纳米p d ( o ) 使偶联反应高效发生。 2 0 0 5 年c a l 6 拓展了季胺盐类离子液体在交叉偶联反应中的应用 范围，以更高立体位阻的t e t r a h e p t y l a m m o n i u mb r o m i d e ( t h e p t a b ) 替代 t b a b ，以碱性更强的t e t r a b u t y l a m m o n i u mh y d r o x i d e ( n b l l 4 0 h ) 代替 t b a a 从而使氯代芳烃的s u z u k i 和s t f l l e 偶联反应同样可在温和条件下 高效发生1 2 4 b 。 同年c a c c h i t 2 5 1 以熔化的门一b u 4 n o a e n b t u n b r 为反应介质中在 p d ( o a c ) 2 的催化下由h e c k 反应一步法合成了环化的串联内脂化产物， 水介质中钯催化的交叉偶联反应 使此类产物的合成简便易行，而且产率较高。 x 心o 一 x 喇一x 酞小， 虽说研究表明大位阻季胺盐类离子液体更适合作交叉偶联反应 的介质，但有时咪唑类离子液体也能显示出意想不到的效果。咪唑盐 离子液体是目前离子液体存在的一种主要形式，作为交叉偶联反应的 介质已经开展了深入的研究。 2 0 0 4 年，p a n p 6 1 等报道了温和条件下合成芳炔环三聚化合物的简 便方法，这种方法利用了离子液体b m i m b f 4 连续的s o n o g a s h i r a 反 应，反应体系中b m i m b f 4 起到了稳定钯催化剂降低碘化亚铜用量的作 用，从而减少了炔二聚副反应的发生，达到主要生成炔环三聚产物的 效果。m i m b f 4 = l - b u t y l - 3 - m c t h y l i m i d a z o l i u mt e t r a f l u o r o b o r a t e ) 1 0 步。黜 ( 1 - 1 1 ) 2 0 0 6 年x i a o 等1 2 7 在离子液体b m i m b f 4 和d m s o 为l ：l 的混合介质 中，使溴代芳烃的h e c k 反应区域专一性的发生在烯基醇的盯位上。 刎“+ 舳r 詈 b m i m l b f 坼+ k 铂( 1 - 1 勾4 、7 n 、“ s h r e e v e 等口8 1 合成了一系列双咪唑型低温离子液体，此类型离子 液体在交叉偶联反应中能同时起到反应介质和催化剂配体的作用， 作者以r 和r 2 同时为叔丁基时的离子液体作为实验模型，发现在该 离子液体中2m 0 1 的p d c l 2 ，1 0 0 的条件下即可高产率的催化溴 硕士学位论文 代芳烃的s u z u k i 偶联反应，反应介质连同催化剂循环使用高达1 5 次活性没有改变。 r 2 r o h n o h ) 2 罴罟r q 卧( 冲y - ( 1 - 1 3 ) n a 2 c 0 3 屯屯 l a , e1 0 0 c , 2 a h2 h 3 。 a - r - h 。b ：r = f c ：r = c f 3 ，d ：r = n o z ，e ：r = c i 。r i = r 2 = ( c h 2 ) a c h a ，y - p f 6 表1 3 1 4 以聚乙二醇为溶剂的偶联反应 聚7 , - - 醇( p e g ) 具有水溶、低毒、稳定、难挥发、易互溶等性能， 加上其分子量的可调节性，使聚7 , - 醇具有十分广泛的用途。聚7 , - - 醇价廉易得，在有机合成中既可以作相转移催化剂又可作溶剂口9 1 。 2 0 0 2 年c h a n d r a s e k l “3 0 1 等第一次利用p e g - 2 0 0 0 作为h e c k 偶联反 应的介质，在无配体的钯催化条件下立体选择性的生成高产率的反式 烯烃。溶剂和催化剂回收实验表明循环五次产物收率基本一致，溶剂 p e g 中仅流失了不到1 0 的钯。 n 9 叶+ 矿x 管一扩乙一m r = c i o m c ， x 吼c 啦舯 ： m e t h y l c n e a i o x ye t , b u o 水介质中钯催化的交叉偶联反应 g a r e i a 等【3 1 】比较了s u z u k i 和s o n o g a s h 曲偶联反应在p e g 和离子液 体中的反应活性，实验表明钯环配合物在离子液体中较长时间加热条 件下很容易被分解和老化，p e g 中钯环配合物的催化活性要比在离子 液体中高，而且催化剂很容易以平均2 3 纳米的p d ( o ) 形式稳定存在其 中，不需要任何配体和助剂就可以高效催化卤代芳烃的s u z u k i 和 s o n o g a s h i r a 偶联反应，并且经过多次重复使用纳米钯没有团聚失活的 迹象。并于2 0 0 6 年合成了p e g 锚合的钯环催化剂，用其催化交叉偶联 反应循环使用1 0 次，底物完全转化而活性没有下降p m 。 睡冲a l c o m p l e xi n c o r p o r a t e d ：9 9 ( 图1 1 3 ) 2 0 0 5 年我们课题组【3 2 1 利j 黾p d ( o a c ) 2 d a b c o ( t r i e t h y l e n e d i a m i n e ) 催化体系拓展了p e g 作为s u z u k i 反应介质的应用，以碳酸钾为碱在 p e g - 4 0 0 中可以高效的得到不同取代基的联芳烃化合物，对硝基碘苯 和苯硼酸反应t o n 高达9 6 0 , 0 0 0 ，通过简单的萃取分离，溶剂和催化 剂都能够回收重复使用，循环使用五次，每次活性没有明显降低。 。9 x + 科9 器舳r ( 1 - 1 5 ) x = l , c l p e 0 ，1 1 0 c 孙q b 螂咖 2 0 0 6 生g w a n g 等【3 3 l 通过调节p e g 的分子量，使氯代芳烃和芳基硼 酸的偶联在p e g 中以更高的活性发生。室温下，以p d c l 2 为催化剂， k 2 c 0 3 为碱，在p e g - 3 0 0 中带各种取代基的氯代芳烃和芳基硼酸都可 以以极高的产率生成偶联产物。其中氯苯和苯硼酸反应6 4 , 时产率可 硕士学位论文 达9 8 。 由c l + 臼b ( o “嘉小， 1 5 超临界二氧化碳中的偶联反应 除了水、离子液体和p e g 外，还有超临界c 0 2 、近( 超) 临界水、 氟两相溶液以及各类绿色介质的混合溶液等绿色溶剂越来越广泛的 应用于钯催化的交叉偶联反应中。 其中c 0 2 是一种性质稳定，无毒，费用低，可回收和再生利用 的温室气体，在其相对温和的临界条件下( t c = 3 1 1 p c = 7 3 8 m p a ) 有许多优良的特性，如表现出液体的密度和气体的粘度，良好 的传质性能等，此外通过调节超临界二氧化碳( s c c 0 2 ) 的压力或温度 可以调节反应的选择性、反应活性及提高催化效率掣3 4 1 。 1 9 9 8 年t u m a s l 3 5 】等把s c c 0 2 应用于s t i l l e 和h e c k 反应，并比较 了不同催化剂在超临界二氧化碳中的催化活性，发现氟代芳基膦络 合的钯因其在超临界二氧化碳中有比较大的溶解度而表现出较高的 催化活性。t r i s 3 ，5 b i s ( t r i f l u o r o m e t h y l ) p h e n y i p h o s p h i n e p d ( o a c ) 2 催化 体系在s c c 0 2 中对碘代芳烃的s t i l l e 和h e c k 反应的催化活性与在常 规溶剂中相当。但后处理简单的多且对环境更加友好。 兮i + 夕s n e u 絮篙铲旷塌n b 啦小，刀 s c c 0 2 作为一种特殊的反应介质，交叉偶联反应在其中常表现 出不同于常规溶剂的反应活性和选择性。m r a y n e r 等【3 6 l 在2 0 0 0 年 水介质中钯催化的交叉偶联反应 报道在p d ( o c o c f 3 ) 2 p ( 2 f u r y l ) 3 催化下以e t n p r 2 茭3 碱s c c 0 2 为反应 介质，分子内h e c k 反应选择性的生成环外双键。这与常规溶剂中的 选择性刚好相反。而且可以通过对c 0 2 压力的调节实现不同比例的 环外和环内双键产物。 i 阿 办，o - 弋纂5 t 0 0 1 ( 1 ：2 ) + 小，蹦h 嘞舯，孤纱、o 、o 、 b h o l m e s 3 q 等拓展了s c c 0 2 中交叉偶联反应的应用范围，成功 实现了s c c 0 2 中固相的s u z u k i 反应和h e c k 反应。并于2 0 0 2 年在 s c c o z 中实现了s u z u k i 和h e c k 反应的催化剂和有机碱的同时固载 化，且反应能够顺利进行，使催化剂可以回收，分离纯化更加简单， 对环境更加友好1 3 t o 。 内盖r e s i n 景- p p h 2 ：, - p r d ( o a c ) 2 。3 a 。阽r = n h 也 卿 占2 a x = b r ，r = h一v 2 l2 c x = b r r = n 0 2 s c c o ：中的交叉偶联反应，催化剂起着非常重要的作用，在常 规溶剂中具有较高催化活性的催化剂在s c c 0 2 中也许根本没有催化 活性。设计合成新型的在s c c 0 2 中对交叉偶联反应具有高催化活性 的催化剂受到了化学工作者的关注。2 0 0 6 年g a l i n d o 等i 3 s l 合成了一 类树枝状大分子钯催化剂，作者比较了它们和p d c l 2 ( p p h 3 ) 2 在s c c 0 2 中对h e c k 反应的催化活性，发现它们具有较高的催化活性，而 p d c l 2 ( p p h 3 ) 2 没有催化活性，但这类催化剂在常规溶剂中催化活性却 远低于p d c l 2 ( p p h 3 ) 2 。 吼 。卜 硕士学位论文 1 6 无溶剂钯催化的偶联反应 ( 图1 - 1 4 ) 以试剂或原料本身作为溶剂( 或在熔融状态下反应) 的方法即无 溶剂体系对人类健康和环境具有最显著的优点。由于反应过程完全 不用溶剂，彻底克服了反应过程中溶剂对环境造成的污染，降低了 生产成本，产物的分离提纯过程也变得容易进行【3 9 1 。 b a r b a r e l l a 4 0 1 研究小组将p d c l 2 ( d p p f ) 担载到k f a 1 2 0 3 载体上， 在微波辐射条件下以较理想的产率合成了一系列低聚噻吩化合物。 为噻吩多功能材料的合成提供了一条简便，快捷和环境友好的途径。 b，尽卧+9一：面basea1203,pdcl2(dpp0：弘乏 y i e l d = 7 3 2 0 0 3 年b a s u 等p 1 1 用同样的方法在不同功率微波促进下合成了 带各种取代基的聚芳烃。这种在k f ，a 1 2 0 3 表面上的固态反应具有高 效，快捷，对空气不敏感和对环境友好等优点，且可以相容各种敏 感基团，多取代的碘代和溴代芳香烃都可以得到很高的产率。 2 0 水介质中钯催化的交叉偶联反应 咕甜删： k f a 1 2 0 3 1 0m 0 1 p 娥 m v v = 2 4 0 v v , l o m i n v i e i d - - 7 5 ( 1 - 2 1 ) 黟x + 酽争p d ( o a o ) 2 邸旗0 m ：芍 讲b 麓璧8 。 鼢x + r 一