（化学工程专业论文）钯催化合成联芳类化合物的实验研究.pdf

北京化工大学硕士论文 钯催化合成联芳类化合物的实验研究 摘要 以苯硼酸和1 2 种取代溴苯为原料，以高效的、空气中稳定的钯磷酸 络合物 ( t - b u ) 2 p ( o h ) 】2 p d c l 2 ( 缩写为p o p d ) 为催化剂，以t h f 、二氧六环 或甲苯为溶剂，在碱( k 2 c 0 3 ) 存在的条件下，氮气保护，反应3 6 5 小时， 得到1 2 种联苯类化合物。对目标产物进行了n m r 、m s 、i r 的结构表 征。 以苯硼酸与4 溴苯甲腈的合成反应为模型反应，分别考查了钯催化 剂、碱、溶剂等因素对交叉偶联反应的影响。考查了溴苯上连有两种不 同类型的原子或取代基( 吸电基如氟、乙酰基、甲氧羰基、氰基等；供 电基如甲氧基、甲基等) 对s u z u k i 偶联反应的时间和产率的影响。我们 发现，溴苯上连有吸电基会在一定程度上加速s u z u k i 偶联反应，使反应 时间缩短，产率提高；溴苯上连有供电基在一定程度上可阻碍s u z u k i 偶 联反应，使反应时间增长，产率降低。 采用较为廉价的氯代芳烃如氯苯和3 氯三氟甲苯与苯硼酸进行偶联 反应，并对反应产物进行了表征。 杂环化合物在分子生物学、有机合成化学、医药化学、染料化学、 农药化学中有着广泛的应用。我们以p o p d 为催化剂，分别以苯硼酸与 2 溴吡啶、2 溴4 甲基吡啶和2 氟- 4 甲基一5 溴吡啶三种卤代杂环化合物 为原料进行偶联反应，合成了相应的偶联产物一2 苯基毗啶、4 甲基2 苯基吡啶和2 氟4 甲基5 苯基吡啶，并对这些化合物进行了i r ， 1 h - n m r ，m s 的谱图表征。 i i i 北京化工大学硕士论文 在苯硼酸与2 溴毗啶的偶联反应中，考查了反应中所用的碱、溶剂、 催化剂种类、催化剂用量、原料配比等因素，并用单因素法探索其优化 反应条件。 合物 关键词：钯催化，p o p d ，s u z u k i 偶联反应，联苯类化合物，杂环化 i v 北京化工大学硕士论文 e x p e r i m e n t a ls t u d y f o rt h ec a t a l y t i cs y n t h e s i so fb i a r y l s c o m p o u n d so nt h ep a l l a d i u mc o n t a i n e dc a t a l y s t s a b s t r a c t i nt h ep r e s e n c eo f b a s e ( k 2 c 0 3 ) a n ds o l v e n t ( t h f , d i o x a n eo rt o l u e n e ) ， 1 2k i n d so fb i p h e n y lc o m p o u n d sw e r es y n t h e s i z e db yu s i n gp h e n y l b o r o n i c a c i da n d12t y p e so fs u b s t i t u t e db r o m o b e n z e n e sa sm a t e r i a l s ，h i g h l ye f f e c t i v e a i r - s t a b l ep a l l a d i u m p h o s p h i n o u sa c i dc o m p l e x 【( t - b u ) 2 p ( o h ) zp d c l 2 ( a b b r e v i a t e da sp o p d ) a sac a t a l y s t ，r e a c t i n gf o r3 - 6 5h o u r su n d e rn 2 t h e s t r u c t u r e so f t a r g e tp r o d u c t s - b i p h e n y lc o m p o u n d sw e r ec h a r a c t e r i z e dt h r o u g h n m r , m sa n d i r t h ee f f e c t so fp dc a t a l y s t s ，b a s e sa n ds o l v e n t su p o nt h ec r o s s c o u p l i n g r e a c t i o nw e r ei n v e s t i g a t e db yu s i n gt h er e a c t i o no f p h e n y lb o r o n i ca c i dw i t h 4 b r o m o b e n z o n i t r i l ea sa t h er o o d e lr e a c t i o n t h ei n f l u e n c e so ft h ed i f f e r e n t s u b s t m t e so fb r o m o b e n z e n e ( t h ee l e c t r o n w i t h d r a w i n gg r o u p ss u c ha s - f , - c o o c h 3 ，- c o c h 3 ，一c n ，c t c ，e l e c t r o n - r e l e a s i n gg r o u p ss u c ha s o c h 3 ，一c h 3 ， e t c ) u p o nt h et i m ea n dy i e l d so fs u z u k ic o u p l i n gr e a c t i o n sh a v eb e e ns t u d i e d w ef o u n dt h a tb r o m o b e n z e n ew i t he l e c t r o n - w i t h d r a w i n gg r o u p sc a l la c c e l e r a t e s u z u k ic o u p l i n gr e a c t i o n st h r o u g hs h o r t e n i n gt h er e a c t i o nt i m ea n d r a i s i n gt h e y i e l d s ，b r o m o b e n z e n ew i t he l e c t r o n r e l e a s i n gg r o u p sc a nh i n d e rs u z u k i v c o u p l i n gr e a c t i o n sv i ap r o l o n g i n gt h er e a c t i o nt i m ea n dl o w e r i n gt h ey i e l d s t h ec o r r e s p o n d i n gc r o s s - c o u p l i n g p r o d u c t sw e r ep r e p a r e dt h r o u g ht h e e h e a p e r a r y lc h l o r i d e s ( c h l o r o b e n z e n e ，3 c h l o r o b e n z o t r i f l u o r i d e ) a n dp h e n y l b o r o n i ca c i da n dt h ec o r r e s p o n d i n gs t r u c t u r e sw e r ec h a r a c t e r i z e d h e t e r o c y c l i cc o m p o u n d sa l ew i d e l yu s e di nm a n yf i e l d s ，s u c ha sm o l e c u l a r b i o c h e m i s t r y , o r g a n i cs y n t h e s i sc h e m i s t y , m e d i c a lc h e m i s t r y , d y e s t u f fc h e m i s t r y a n dg r o c h e m i s t r y t h ec o u p l i n g p r o d u c t so f 2 一p h e n y l p y r i d i n e 4 一m e t h y - 2 p h e n y l p y r i d i n ew e r es y n t h e s i z e dv i as u z u k i c r o s s c o u p l i n gr e a c t i o no fp h y n y l b o r o n i ca c i d ，2 - b r o m o p y r i d i n e , 4 一m e t h y l 一2 - b r o m o p y r i d i n ea n d2 - f l u o r o - 4 m e h y i _ 2 - b r o m o p y f i d i n ea n d2 - f l u o r o - 4 - m e t h y l 一5 - b r o m o p y r i d i n ea sm a t e r i a lb y u s i n gt h ea i r - s t a b l ep a l l a d i u m ( i i ) c o m p l e xp o p da sac a t a l y s t t h e t a r g e t p r o d u c t sw e r ei d e n t i f i e db yi r , 1 h n m ra n dm s i nt h ec o u p l i n gr e a c t i o no fp h e n y l b o r o n i ca c i da n d2 - b r o m o p y r i d i n e ， s e v e r a lf a c t o r si n c l u d i n gt h es p e c i e so f b a s e ，s o l v e n ta n dc a t a l y s t ，t h ea m o u n t o fc a t a l y s ta n dm a t e r i a lr a t i ow e r ed i s c u s s e dt h r o u g hs i n g l e - f a c t o ra p p r o a c h a n dt h eo p t i m u mr e a c t i o nc o n d i t i o nw a so b t a i n e d k e yw o r d s ：p dc a t a l y s i s ，p o p d ，s u z u k ic o u p l i n g r e a c t i o n s ，b i p h e n y l c o m p o u n d s ，h e t e r o c y c l i cc o m p o u n d s v i 北京化工大学硕士论文 北京化工大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己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，均己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。 作者签名： 蘧趔 日期： 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京化工大学有关保留和使用学位论文的 规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京 化工大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件 和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部 或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学 位论文。 本学位论文不属于保密范围， 作者签名： 幺煎 导师签名： 适用本授权书。 日期：姻：! ：星 日期：兰理2 ：么星 北京化工大学硕士论文 第一章绪论 在以往的研究中，偶联反应( c o u p l i n gr e a c t i o n ) 主要是指重氮盐与酚或芳胺 作用，生成带有颜色的偶氮化合物，又称之为偶合反应【“。随着金属有机化学在有 机合成领域中不断显示出其优势，发挥越来越重要的作用，金属有机化学在偶联 反应中的应用越来越广泛。在金属有机化学中，有机过渡金属由于具有高度的化 学选择性、立体专一性和区域选择性，因此些条件极为苛刻的难于实现的有机 化学反应，因有过渡金属络合物的参与而变得容易迸行，所以有机过渡金属在有 机合成中的应用越来越受到人们的重视。 钯同其他过渡金属如镍、铜、铑、锰等样，其原子有空轨道，可接受电子 对或玎电子，因此，可利用钯的这一特性制备催化剂。钯催化剂具有催化剂用量 少，催化活性高，反应条件温和等优点。钯催化剂用途广泛，可用于加氢脱氢、 氧化、异构化、高分子聚合等反应。近二十年，钯络合物催化剂的应用更加受到 人们的重视，因为它在偶联反应中应用广泛，可用于c - c 键，c - n 键，c s 键， c p 键和c - 0 键等的形成，可使一些用常规合成手段难以实现的反应得以实现并 得到高收率的目标产物。 联芳类化合物在有机功能材料( 如液晶化合物、荧光化合物等) 、医药、农药 和有机合成中间体等领域中有广泛的应用。有机杂环化合物种类很多，约占全部 已知有机化合物的三分之一以上，对其的研究工作是近年来有机化学领域中发展 较快的一部分杂环化合物可以应用于许多领域，如医药、农药、香料、有机功 能材料、染料等领域。 钯催化偶联反应用于c c 键的形成，是合成联芳类化合物、杂环化合物的重 要方法，也是金属有机化学领域的一个革新。钯催化形成c - c 键的方法很多，有 s t i l l e 反应( 卤代芳烃与有机锡试剂的偶联反应) 、k u m a d a 反应( 卤代芳烃与格氏 试剂的偶联反应) 、n e g i s h i 反应( 卤代芳烃与有机锌试剂的偶联反应) 和s u z u k i 偶联反应( 卤代芳烃与芳基硼酸的偶联反应) 等。由于s t i u e 反应的有机锡化物毒 北京化工大学硕士论文 性较大，k u m a d a 反应的格氏试剂难于制备，n e g i s h i 反应中催化剂用量较大不利 于大规模工业化生产，所以这三种反应都存在一定的局限性。而s u z u k i 偶联反应 具有原料有机硼酸无毒且稳定易得，对潮汽不敏感，反应过程对环境友好，反应 可在水相中进行，羧基、氰基、氟等官能团对反应无影响，产率高，产品纯等优 点而广受青睐【2 】。 虽然许多科研工作者都已经或正在致力于关于s u z u k i 偶联反应方面的科研工 作，也有很多文献对这方面工作做了报道，但文献中所用的催化剂大部分是钯催 化剂和各种各样的附加配体混合，而且这些钯催化剂往往不稳定，在进行s u z u k i 偶联反应时需在手套箱中操作，这就使其应用受到限制。 本论文所用的钯磷酸催化剂的独特之处是只需单独一种催化剂，而未添加任 何的附加配体，并且这种钯磷酸催化剂在空气中非常稳定，在进行s u z u k i 偶联反 应时操作简便。本课题的研究意义在于通过使用这种空气中稳定的钯磷酸催化剂 p o p d 对苯硼酸与一系列卤代芳烃和卤代杂环化合物进行s u z u k i 偶联反应，以探索 在s u z u k i 偶联反应中，应用此种钯催化剂对卤代芳烃和卤代杂环上的多种官能团 的容忍性及体系的反应条件，为今后此种催化剂对这类反应的规模应用与深入研 究提供基础。 2 北京化工大学硕士论文 第二章文献综述 2 1 金属有机化学与催化概述 金属有机化学与催化是当代化学的前沿领域之一，它的发展最为活跃、最为迅速 和最富有生命力。早在1 8 2 7 年，丹麦化学家z e i s e 就合成了世界上第一个金属络合物 z e i s e 盐( k c 2 h 4 p t c h 】) ，此后，人们对主族元素的化学，特别是有机锌、有机镁、 有机锂和有机铝化合物的合成与应用进行了初步的研究。5 0 年代初，二茂铁的发现与 弘键型的夹心结构的阐明，以及z i e 出c r 催化剂的开发成功，使乙烯在温和条件下聚合 获得成功，使金属有机化学的发展出现了一个飞跃。从此，金属有机化学逐渐发展成 为一门独立的分支学科。近4 0 年来，超过一半以上的有机合成方法是应用金属有机 化合物作催化剂来完成的，在天然产物的全合成中几乎没有一个不是通过金属有机化 合物作催化剂来完成的。许多有机合成的专著都一致认为，没有金属的参与，就没有 可能完成有效选择性的多步反应。现代有机合成正向高选择性( 包括化学选择性 ( c h e m o s e l e c t i v i t y ) 、区域选择性( r e g i o s e l e e t i v i t y ) 、立体选择性( s t e r e o s c l e c t i v i t y ) 和对 映选择性( e n a n t i o s e l e c t i v i t y ) 1 ) 催化、高产率、温和简便、原料易得、不产生或少产生 废料的方向发展。要实现上述要求，金属有机化学是最有希望的途径【3 】。 2 2 过渡金属有机化学概述 过渡金属有机化学是金属有机化学的重要组成部分。过渡金属原子簇化合物由于 在结构上的多样性和新颖性，以及其催化反应特性与工业催化剂和生物催化剂的密切 相关而引起了化学家们持久而浓厚兴趣，随着原子簇化学研究的不断深入，人们逐渐 开始进行具有期望结构和含有过渡金属原子的新型簇合物的分子设计和合成方法的 研究，并探寻其催化规律；过渡金属杂环化合物往往被认为是催化反应的中间体，近 年来，发现它们本身有时就是优良的催化剂，因而，这类化合物的合成、结构与反应 3 北京化工大学硬士论文 规律十分重要；过渡金属卡宾和卡拜化合物，具有多种奇特的结构和反应性能，它们 已在合成天然产物和催化聚合方面得到广泛应用；过渡金属氢化物的化学在金属有机 化学中占有日益重要的地位，过渡金属双氢络合物的发现是8 0 年代金属有机化学领 域中的一项重大突破；然而，过渡金属络合物的研究更是越来越引起人们的兴趣。 2 3 过渡金属络合催化概述 络合催化的含义是指在反应过程中，催化剂与反应基团直接构成配键、形成中间 络合物，使反应基团活化( 又称为配位催化) 。金属特别是过渡金属有很强的络合能 力，过渡金属元素的价电子层有5 个( n - i ) d 1 个i l s 和3 个n p 共有九个能量相近的 原子轨道，容易组合成d 、s 、p 的杂化轨道。这些杂化轨道可以与配体以配键的方式 结合而形成络合物。凡是含有两个或两个以上孤对电子或兀键的分子或离子都可以作 为配体。 过渡金属络合物催化有机合成反应在高选择性精细有机合成反应中大有作为。比 如，胥烯丙基过渡金属络合物用于烯丙基烷基化，环化和环加成；过渡金属络合物催 化的交叉偶联反应( c r o s sc o u p l i n gr e a c t i o n ) ；过渡金属卡宾络合物的环加成反应及其 它有关反应；低价钛用于醛酮的还原偶联，醇和桥氧化合物的还原消去；卤化物的还 原偶联和烃化；氮化物的还原偶联和还原环合反应；有机钴络合物催化的不饱和酮和 醛的分子内环化和羰基钴催化的环氧开环反应等多种多样的有机合成反应。过渡金属 络合催化是近年来均相催化进展的主流，自五十年代初期齐格勒一纳塔型催化剂的出 现以来，以过渡金属络合物为基础的催化剂研究有很大的发展。现在一些过渡金属络 合物已成为加氢脱氢、氧化、异构化、水合、羰基合成、高分子聚合等类型反应过程 的催化活化中间物。一些条件极为苛刻的难于实现的有机化学反应，由于有过渡金属 络合物的参与而变得容易进行了。同时，有机过渡金属化学所表现出来的高度的化学 选择性、立体专一性和区域选择性大大提高了有机化学反应的活性和选择性。因此， 过渡金属有机化合物在有机合成中的应用越来越受人们的重视。 过渡金属络合催化是近二十年发展起来的，特别是近十年中有很大的进展，它是 4 北京化工大学硕士论文 从化学键理论作为考虑问题的出发点，并在多相催化中同时考虑一些物理因素的影 响。因此，目前认为过渡金属络合催化是极有前途的一个催化理论。通过对这些催化 过程的研究，过渡金属络合物催化剂的活性，选择性、稳定性等特点，已经逐渐在工 业应用上显示出来【4 】。 2 4 以过渡金属钯为催化剂的催化概述 在过去三十年，均相催化在有机合成领域取得了巨大的进步【5 1 。在所有用于催化 剂的过渡金属中，金属钯占据了主导地位 6 1 。铯同其它的过渡金属如镍、铜、钌、铑， 锰等一样，因为原子含有未被填满的d 轨道，除了能形成m ，c 的6 键，还能与许多藕 键配体络合，既能供给配体电子，又能从配体中接受电子，因而可逆地改变氧化态和 配位数，这种性质在催化反应中起着重要的作用。钯金属催化剂用途广泛，可用于催 化加氢反应。有人用镍钯复合催化剂或硅胶g 钯催化剂分别在脂肪衍生物( 动植物油 脂、丙烯腈和角鲨烯) 和芳烃的硝基衍生物( p ，p , _ - - 硝基苯甲酰呱嗪，3 ，4 r 二硝基二 苯醚) 系列催化氢化试验，获得了成功i 刀。钯金属络合物由于其性质稳定，无毒，被 人们认为是可有效用于工业化的催化剂嗍。近二十年，钯络合物催化剂的应用更加受 到人们的青睐，原因之一是由于钯金属络合物进行催化反应的优势在于，首先，反应 条件温和，无震高温高压就能顺利进行的反应；其次，它作为催化剂具有高选择性， 高收率，用量少的特点；再次，反应结束后可回收，循环再利用，减少了环境污染。 原因之二在于钯金属络合物在偶联反应中应用广泛，可用于c c 键，c n 键，c s 键， c p 键和c - o 键等的形成，可使一些用常规合成手段难以实现的反应得以实现并得到 高收率的目标产物。这些偶联反应的结果是得到可应用于各种领域的多种化合物，这 些领域包括医药、农药、染料、颜料、生物活性化合物、聚合物、有机功能材料等等。 所以，在有机合成中，以钯金属络合物催化进行高选择性合成的研究一直是一个 活跃的领埘9 1 。 北京化工大学硕士论文 2 5 卤代芳烃对亲核反应的不活泼性 卤代芳烃( a r f , a r c l ，a r b r , a r l ) 中，除了a r - i 键最活泼外，其它三者的活性次序 依次是a r b r a r c i a r f ，其中a r - f 键最牢固。那么。这是为什么呢? 卤代芳烃之所 以不如卤代烷烃活泼是由于卤原子上的孤对电子可以通过共振效应与芳基发生离域， 与苯环上的兀电子共轭，形成一个共轭体系。从共振结构式中可以看出，a r - x 键有双 键的性质，所以显示一定的惰性，在激烈的条件下仍只显示很低的活性。芳卤的共振 式如下图所示： 6 6 一茜一舀一 o x t 因此，卤代芳烃与卤代烷烃相比c - x 键键长更短，键能更大。如下表所示： 表2 一l 烷基卤化物与芳基卤化物的碳卤键性质比较埘 t a b l e2 - 1 c o m p a r i s o n o f c h a r a c t e r i s t i e o f h a l o e a r b o n b o n do f a l k y l h a n d e a n d a r y l h a h d e 卤化物 键能( k j l m 0 1 ) 键长( a ) r c h 2 - c i 3 2 8 1 7 7 p h a 4 0 2 1 1 6 9 r c h z - b r 2 7 2 2 1 9 1 1 9 2 p h - b r 3 3 9 4 1 8 6 从表2 一l 中我们可以看出。卤代芳烃的c x 键比相应的烷烃的c - x 键具有更短 的键长和更高的键能，这也说明了卤代芳烃碳卤键的不活泼性。相比之下，卤代芳烃 中氯代芳烃的键长比溴代芳烃的键长短，而键能则比之高，又说明氯代芳烃较之溴代 芳烃在涉及化学键的断裂过程中碳卤键更加稳定，化学性质更加不活泼。 然而，芳氯和芳溴是较廉价的化工原料，如果能研制出一种催化剂，它能使a x - x 键得到激化，使卤代芳烃由不活泼变为活泼，能够将其应用于有机化学反应，彻底改 变某些医药、农药、染料、有机功能材料等中间体的合成路线，那么，这无疑是化学 工业的一场深刻革命。因而，提高卤代芳烃的化学活性是现代合成化学最具挑战的课 6 北京化工大学硕士论文 题之一。几十年来，随着金属有机化学的迅速发展，随着人们对金属有机化学这一领 域尤其是钯金属络合物催化化学的深入研究，我们可喜地看到，以钯金属络合物活化 卤代芳烃与不饱和烃以及各种亲核试剂的反应，作为形成碳碳键、碳杂原子键的有 效手段，已被广大科研工作者进行了广泛而深入的研究。那么，为什么钯金属络合物 能活化卤代芳烃的碳卤键? 它们是如何被活化的? 要解决这些问题，就要从钯金属络 合物催化偶联反应( 以s u z u k i 偶联反应为例) 的机理中来进行阐述( 请见4 。1 ) 。 2 6 钯金属络合物与卤代芳烃催化偶联反应的类型 用于催化卤代芳烃偶联反应的过渡金属络合物有许多种，但由于钯金属络合物具 有催化效率高的特点而被广泛研究。本文主要研究的是钯金属络合物催化的c c 偶联 反应。 2 6 1 钯催化的c c 偶联反应 由于应用钯金属络合物催化剂催化的c - c 偶联反应具有反应条件温和、选择性 好、收率高等优点，所以，近年来，许多科研工作者都致力于这方面的工作。他们利 用钯金属络合物为催化剂，进行反应底物( 芳基硼酸、格氏试剂、有机锌试剂、有机 锡试剂等) 与卤代芳烃的偶联反应，并且已得到较为丰硕的成果。关于钯金属络合物 催化的c - c 偶联反应，我们将在2 7 做详细的介绍。 2 6 2 钯催化的c - n 偶联反应 1 、c - n ( 胺类化合物) 键的偶联反应 在天然产物、药物及其它化工产品中芳香胺的结构普遍存在，尽管现有的合成方 法很多，但目前常用的方法都各有其局限性：芳香环的硝化还原法和其他官能团的相 容性差；u l l m a n n 合成法经常需要较高的温度，而且副反应多，通用性差；s n a r 反应 则只适用于缺电子芳环1 1 1 ) 。由于使用钯催化c - n 键的偶联反应具有选择性好，副反应 北京化工大学硕士论文 少，对环境友好等优点而广受科研工作者青睐。早在1 9 8 3 年，k o s u g i 等人发现三丁 基胺基锡在二价钯络合物催化下可以和溴代芳烃反应，生成相应的芳香胺【1 2 1 。 卧+ 吣撇 l 2 p d c l 2 l = p ( o - t o l y l ) 3分n 际 此反应的缺点是胺基锡化物的毒性大而且不稳定，底物的适用面窄。 由于c - n 键偶联反应的实用性广，重要性日益突出，许多科研工作者对此课题进 行了深入的研究。g e o r g el i 和g a n gz h e n g 等人在这一课题方面做了大量的研究，用 他们研制的催化剂p o p d ( 空气中稳定的带有三价磷酸配体的钯络合物催化剂) 成功 地将芳基氯与芳胺偶联在一起，高收率地得到了n 芳基胺类化合物。反应方程式如下 【1 3 】： p h 2 n 兮一5 0 m 0 1 p o p d , n ，a m o ( t - b u 生加口 r = i - i , - c h 3 y i d d = 9 7 2 、c - n ( 杂环化合物中) 键的偶联反应 由于含氮杂环化合物在药物、有机功能材料等领域中有广泛的应用，所以，钯络 合物催化剂在c - n ( 杂环化合物中) 键的偶联反应中有重要的应用价值。1 9 9 6 年， b u e h w a l d 等人利用1 0 m 0 1 四( 三苯基膦) 钯为催化剂，碳酸钾和三乙胺为碱，以甲 苯为溶剂，在1 2 0 c 下进行了如下反应( 1 4 l ： c 0 2 e t n ( h ) m e 至垦z 坠0 b a s e s 0 1 1 c 0 2 e t y i c l d ：8 1 该化合物的结构与蟾蜍毒素以及一些海洋生物碱的结构类似，这类物质经实验证咀具 有抗肿瘤的药理作用。j o h n f h a r t w i g 等入用c s 2 c 0 3 作为碱，p d ( d b a ) 2 赦催化剂，通 过调变配体及其用量成功地将取代溴苯和取代吲哚偶联起来，并得到较高收率。反应 方程式如下【。5 l ： 8 北京化工大学硕士论文 r 9 胁+ r 稍 h r = p - f , o - b t , w o m e o c h 3 r 耳慨3 c 码 ：! 塑! ：1 2 q 3 r t o l u c n e , l 一3 p d ( d b a ) i 0 , 8 2 4 p ( t - b u ) 3 y i e l 扛7 2 8 8 c n ( 杂环化合物中) 键的生成要比c - c 键的生成困难，在这个方面的文献较少， 但由于它很有应用价值，研究前景广阔，所以许多研究者已开始从事这个方向的研究 了。 2 6 3 钯催化的c o 偶联反应 芳醚是一类重要的化台物，许多药物中含有芳醚结构【”i ，经典合成芳醚的方法是 u l l m a n n 合成法或w i l l i a m s o n 合成法，使用铜或铜盐做催化剂，反应条件苛刻，不易 控制，且要求严格无水t ”。而以钯络合物催化剂进行的g o 偶联反应大大克服了 u l l m m m 合成法的不利条件，使反应变得相对容易，并能得到较高收率。a t t i l aa r a n y o s 等人应用钯金属络合物催化剂成功地将c 一0 键偶联在一起。反应方程式如下所示1 1 目： l i g a r t d2 - 0 7 5 m 0 1 聃( d b a b ， 2 2 5 m o 1 l i g a n d 2 n a i l t o l u n e n e1 0 0 t - b u ) z y i d d = 7 8 由于这类反应较难发生，配体对c - o 偶联反应影响较大，所以钯催化剂种类及配 体的选择将是这类反应的关键。但因为其具有较高的应用价值，所以许多科研工作者 对这类反应产生了浓厚的兴趣。 2 6 a 钯催化的c - s 偶联反应 有机硫化物可以与过渡金属中心形成较强的m s 键，因此可以使催化剂中毒而导 致催化活性丧失。然而，g e o r g ey l i 等人用催化剂p o p d 催化卤代芳烃与硫醇的偶 9 耋妻 譬 q x ，广 叫铋唱 + 北京化工大学硕士论文 联反应用于c s 键的形成，获得了成功。反应方程式如下： 厂= 弋 r 丧沪c i + r s h r = i l p - c h 3 ，t p o m e ，一 牙5 弋 2 6 5 钯催化的c - p 偶联反应 ! 坚翌! 鲨旦望 n a o ( t b u ) d m s o 一s r - 0 山 y i e | d = 3 0 - 7 许多烃基膦酸酯具有明显的生理活性，广泛用作农药、药物和有机合成中间体。 黄志真等人在相转移条件下，进行了钯催化芳卤与亚磷酸二烷酯的反应，成功地实现 了形成c - p 键的偶联反应。反应方程式如下【1 9 1 ： 即q 断 宵 十l 珏( o c h 也 2 7 形成c c 键的偶联反应 2 7 1n e g i s h i 反应 p d ( p p h 3 ) 4 c h 3 ( c s h l 7 ) n c f k 2 c 0 3 n e # s h i 等人【2 0 1 在1 9 7 7 年报道了带有供电基和吸电基的芳基溴化物和碘化物与芳 基或苄基锌试剂的交叉偶联反应，在n i ( p p h 3 ) 或p d ( p p h 3 ) 催化下得到较高的偶联产率， 自偶联产物少于5 。反应方程式如下： 妙g 卜c t + 一t 裂篙器 玛c 乜囝 n e # s m 反应中催化剂用量较大( 5 m 0 1 ) ，大大高于s u z u k i 偶联反应所需催化剂的 用量，这就增加了合成的成本，并且需从反应混合物中除去痕量的残存钯络合物，所 以，以n e g i s l l i 反应作为形成c - c 键的合成方法不适于大规模的工业化应用。 。1 | | 睇 北京化工大学硕士论文 2 7 2s t i f l e 反应 s t i l l e 2 1 1 开发的钯催化的有机锡( 包含烷基、烯基、炔基、芳基等) 的交叉偶联反 应，不仅可以方便的制备芳环上含有- n 0 2 、- c n 、c ( o ) r 、- c l 、c f 3 等吸电子基团的 芳酮【矧，而且用以制备不对称取代的多核芳烃也有较高的产率闭。如下反应式： x 弋卜s n b u 3 + y 户b r1 老孙 x = p - c h 3 0 , 俨c h 3 p c l 柙c 1 朋c f 3 ， i 等 1 r - p c h 3 0 c o o , o e - c 3 c o , p - c n , p - n 0 2 4 - c h o , o - b r y i e l d = 5 7 - 9 8 s t i l l e 偶联反应中有机锡易制备，但活性低，会发生许多副反应，且s t i l l e 反应在进 行到最后阶段时，钯催化剂极易沉淀，影响反应的转化率，再者，有机锡化物毒性 大，对人身体危害大。综合以上因素，s t i l l e 反应使其工业化的应用受到限制。 2 7 3h e e k 反应 h e 矗反应是指卤代烃与烯烃的钯催化偶联反应。j e a np i e r r eg e n e t 和m o n i q u e s a v i g n a c 两人以p d ( o a c ) 2 做催化剂，以k 2 c o ，c h 3 c o o k 作为碱，在水溶液中合成 了目标产物，反应方程式如下 2 4 1 ： m + s 嚣、 h 2 0 ，5 0 - 6 0 c r = c o o h c n y i e l d s 8 9 - 9 8 2 7 4 s o n o g a s h i r a 反应 s o n o g 髂h i m 反应是指卤代芳烃与含三键的炔类化合物物的钯催化偶联反应【2 5 1 。这 一方法因定位准确、产率高而成为合成芳香炔化合物的常用方法之一。李耀华和陈兵 等人用此反应一步合成了具有各向异性特性的单体液晶。反应通式如下： 北京化工大学硕士论文 c h r 士c h 3 r r h + b r 弋 一p d ( p p h 3 ) 2 c 1 2 p p h 3 c u l c h 一c c n + q n ( x = f 。- o c h 3 , - c 4 h 7 。i y i e l d = 6 5 8 4 h c c k 反应和s o n o g a s h i r a 反应虽然也能较高产率地得到目标产物，但是它们的适 用面窄，不适于多领域应用。 2 7 5k u m a d a 反应 k u m a d a 反应是指卤代芳烃与格氏试剂的偶联反应。过渡金属催化的格氏试剂与 有机卤化物的偶联反应，在7 0 年代初随着银、铁、铜等“可溶性”催化剂的发现而引 起广泛重视t , - 6 1 使其成为形成c c 键的重要方法。除铁、铜外，使用较多的催化剂是 镍、钯与各种膦的络合物。反应方程式如下： m o，m e m e 备m g b r + p h b r 卫k 如 h e “e 由于格氏试剂比较活泼，容易与酯基( - c o o r ) ，氰基( - c n ) ，羰基( - c h o ，c o r ) 及活泼氢反应，因此k u m a d a 反应的适用面窄，很多底物不能应用于此反应中。另外， k u m a d a 反应多用于制备一些液晶中间体，而不能有效的缩短合成反应的步骤，这都 使其应用受到限制。 2 7 6s u z u k i 偶联反应 关于s u z u k i 偶联反应将在2 8 中详细介绍。 2 8s u z u k i 偶联反应 1 9 3 8 年，h c b r o w n 和j k j o h n s o n 分别最早报导了有机硼烷作为中间体 用于有机合成的可能性踟，但由于当时有机硼烷的制备条件苛刻，长期不能得到广泛 应用。1 9 5 6 年，h c b r o w n 等人发现硼氢化反应【2 8 】，使有机硼烷的制备和应用变 为现实。由于有机硼化物可通过硼烷和烯烃加成制得矧，也可通过简单的硼酸酯与 g r i g n a r d 试剂交换得到【3 0 】，因而被广泛应用于有机化学中。现在有机硼试剂就像有机 1 2 心 三 k 嘶 北京化工大学硕士论文 锂试剂、g r i g n a r d 试剂一样，成为有机合成中常用的中间体之一。在实现碳一硼键向 碳一碳( 杂) 键转换过程中，就衍生出许多新反应，如过渡金属催化的有机硼化物与 酚类【3 ”、芳胺类化合物的反应f 捌，与不饱和羰基化合物【翊、亚胺类化合物【3 4 l 的加成 反应。 过渡金属有机化合物参与的反应中，交叉偶联反应是最引人注目和最具实用价值 的。在这一领域，一系列新反应被相继发现，如过渡金属( n i 、p d 、r h 等) 催化的 有机硅 3 5 1 、有机镁翊、有机锌【3 7 1 、有机铜1 3 8 1 、有机锆【跏等试剂同卤代烯( 芳) 烃等 亲电试剂发生的交叉偶联反应。然而，由于有机硼试剂亲核性不强，偶联反应所必须 经历的转金属化步骤很慢f 帅】，所以不能直接用于同亲电试剂发生交叉偶联反应。 1 9 8 1 年，日本化学家a s u z u k i 和n m i y a u r a 等人以p d ( p p h 3 ) 4 为催化剂，想把 b u 、，入b y 2 同b 。多夕p h 偶联起来，但没有德到任何可觉察的产物。然而当他 们把碱加入这个体系后，戏剧性的变化发生了，反应物成功地进行了交叉偶联反应 4 1 , 4 2 ： b u 沙b y 2 + b r 沙p n 孚b u 、办纷p 。 这类反应即被称为s u z u k i 偶联反应。s u z u k i 等人发现，在碱存在下，转金属化过 程被大大加速，从而使有机硼试剂可以与各种亲电试剂进行交叉偶联。如下反应所示： 矸9 r ：矿2 一 p d 】 b a s e , s o l v e n t , n 2 , r e f l u x ( x = i ，b r ，c 1 ) 反应物卤代芳烃和取代芳硼酸以钯金属络合物作催化剂，在碱存在的条件下，溶 于有机溶剂( 无水t h f 、d m f 、丙酮、甲苯等) 中，回流若干小时后，反应完毕。将 生成物依次用水和盐水洗涤、分液、干燥、柱色谱分离后，可得到较高纯度和较高收 率的目标产物。 s u z u k i 偶联反应具有钯催化剂用量少，反应条件温和，可容忍多种活性官能团， 受空间位阻影响不大，高产率，高选择性，反应可在水相中进行，反应中无机产物容 1 3 北京化工大学硕士论文 易除掉，芳基硼酸无毒，经济易得，且对潮气不敏感等优越性而成为普遍适用的 c s p 2 一c s p 2 键偶联方法。 从几种形成c c 键的偶联反应中不难比较出，s u z u k i 偶联反应的优点最明显，非 常适于工业化的大规模生产。但任何事物均具有两面性，我们在看到它的优点的同时 也要看到它的缺点，即s u z u k i 偶联反应的核心是反应原料需纯化，反应体系需在n 2 保护下进行。 2 9 钯催化s u z u k i 偶联反应的应用 2 9 1 在光电子材料领域的应用 液晶是一类光电子材料，它具有特殊物理性能的有机化合物，其分子结构要求长 径比大于4 ，官能团包括芳( 杂) 环，脂环、烷基、双键、三键及各种极性官能团， 如- - o h 、c o o h 、- c n 、- h i 0 2 、n h 、c o o r 等，以获得几何形状各向异性、定向 取向和线状刚性结构等性质要求【4 3 1 。液晶化合物的合成步骤一般较长，最终产物纯度 要求极高，因而产率低，成本高。而钯催化的交叉偶联反应可以使小的、更容易获得 的结构单元连接在一起而得到复杂的化合物，且常常具有较高的选择性和良好的收 率，有时能缩短合成步骤，因此在液晶合成中显得尤为重要。s u z u k i 偶联反应的优点 是产率高、产品纯，没有对称偶联产物，多数情况下不需无水条件，羧基、氰基、氟 等官能团不受影响，因而是合成液晶化合物的主要方法。 安忠维、陈新兵用p d c h 做催化剂，催化s u z u k i 偶联反应合成了4 - 戊基( 4 丙基 环己基) 三联苯液晶删。其反应方程式为： c 5 h l - 册b ( 。觋+ c ，h # 心r p d c h _ , c t m a 面b , t h 广f h 2 0 一, k 2 c 0 3 c s h u 叩7 研究结果表明，产物的偶联反应转化率达到了9 3 。 尽管钯催化剂的价格较为昂贵，但催化剂的用量很少，研究结果表明，s u z u k i 偶 1 4 北京化工大学硕士论文 联反应的优点是其它金属有机试剂的反应所难以比拟的，这一反应仍然是制备复杂的 多核芳烃液晶化合物的好方法【4 习。 2 9 2 在医药领域的应用 利用s u z u k i 偶联反应可以大大缩短反应路线，这为药物的合成提供了方便。在天 然药物中，万古霉素就是通过s u z