（工业催化专业论文）电纺Sonogashira异相Pd催化剂的制备和反应机理的理论研究.pdf

摘要 摘要 过渡金属p d 催化的s o n o g a s h i r a 偶合反应提供了一种直接而有效的形成 c ( s p 2 ) c ( s p ) 键的方法，被广泛地应用于天然产物、药物和聚合材料的合成中。 均相的p d 催化剂具有较高的反应速率和高转换数( t o n ) ，但它在使用的过程 中有许多的缺陷，如成本昂贵，反应条件苛刻，贵金属难回收，产物难提纯， 后处理困难等。要解决上述问题，利用异相的钯催化剂是个不错的选择。本文 通过电纺丝技术和碳化技术制备了一种新型的异相p d 金属催化剂碳化电纺聚 丙烯腈( p a n ) 纳米纤维负载p d 新型催化剂( p d n p s c e n f s ) 。p d n p s j f c e n f s 是催化s o n o g a s h i r a 偶合反应的优良催化剂，表现出较高的催化活性，其载体纳 米纤维的高长径比使之易于从反应混合物中过滤分离，提高了反应的效率，且 金属纳米粒子与碳纤维间的强相互作用使其具有良好的多次重复使用性。 作为载体粗糙的表面更有利于提高催化剂的催化效率。本文试图通过改变 制备纳米纤维载体的条件，以求增大异相催化剂的比表面积：利用h ：0 2 氧化碳 纳米纤维；利用p a n 和乳胶粒子p s 混纺制各混纺碳纳米纤维。结果表明，混 纺得到的载体具有更高的比表面积，该异相催化剂对s o n o g a s h i r a 偶合反应有更 高的催化活性。用混纺两种或多种聚合物得到的碳纳米纤维制备异相催化剂将 更具应用前景。 机理研究有助于认识反应的本质，能从根本上改善反应的条件和催化剂的 结构，从而提高反应的效率。本文从三个层次对s o n o g a s h i r a 偶合反应机理进行 了研究和探讨： ( 1 ) 用d m o l 3 程序中的密度泛函方法研究了单个p d ( 0 ) 原子催化的碘苯和苯 乙炔的s o n o g a s h i r a 偶合反应的反应机理。研究表明，整个催化循环反应按三个 步骤进行：碘苯的氧化加成，苯乙炔取代碘基团配位于p d 中心上的炔基取代反 应，催化剂p d 的还原消除产生产物二苯乙炔。最高的活化能出现在炔基取代反 应步骤中，即炔基的取代反应是该催化循环的速度控制步。 ( 2 ) 利用g a u s s i a n 0 3 程序研究了均相p d 催化的乙炔和溴苯的s o n o g a s h i r a 偶 合反应。模型反应中以均相催化剂复合物p d ( p h 3 ) 2 为催化剂，考虑到反应的复 l l 摘要 杂性，在模拟过程中不涉及助催化剂亚铜盐和有机胺碱的参与。结果显示整个 催化循环反应分为三个步骤：溴苯的氧化加合，炔基取代和催化剂p d 的还原消 除。 ( 3 ) 在单个p d ( 0 ) 原子催化的碘苯和苯乙炔的s o n o g a s h i r a 偶合反应的反应机 理研究的基础上，结合p d b 原子团簇( n = 2 8 ，1 3 ) 的几何构型和电子结构以及简 单团簇和反应底物形成的中间体复合物的结构，试图探讨p d n 原子团簇催化的异 相s o n o g a s h i r a 偶合反应的机理。结果表明，p d n 原子团簇比单个p d 原子能更容 易地从反应基质中吸引电子，从而更好地活化反应基质。金属团簇有多个活性 位点可以同时活化多个反应底物，在催化反应中表现出比单个p d 原子或均相 p d 催化剂更优异的催化性能。 关键词：异相p d 催化剂；电纺碳纳米纤维；s o n o g a s h i r a 偶合反应：反应机理； 密度泛函。 i i l a b s t r a c t a bs t r a c t p a l l a d i t u n - c a t a l y z e ds o n o g a s h i r ac o u p l i n gr 盆c i i 锄a st h em o s ts t r a i g h t f o r w a r da n d p o w e r f u lm e t h o do ft h ec o n s t r u c t i o no fc ( s p z ) - c ( s p ) b o n d , h a sb e e nw i d e l yu s e df o rt h e s y n t h e s i so fn a t u r a l 弘o ( 1 u 呶d r u g sa n dp o l y m e r i cm a t e r i a l s d e s p i t eo fb j g hr e a c t i o nr a t ea n d h i g ht u r n o v e rn u m b e r s 1 1 0 m ) g c 螂p d t a l y s i sh a san u m b e ro f 血呲，f o r i i l s t a n h i g hc o s t , c o m p l i c a t ea f t e r t r e a t m e n to f1 1 e 霜妇p r o d u c t , l a c k o fr e c y c l i n ga n dr e u s e o ft h ec a t a l ) 7 s ta n ds oo i lt h i sl e a d st oal o s so fe x p e n s i v em e t a la n d l i g m u sa n dt oi m p u r i t i e s i i lt h ep r o d u 幽i no r d e rt oa d d r e s st h e s ep r o b l e m s , h e t e r o g e n e o u si dc a u a y s i si sa p r o m i s i n g o p t i o r ln o v e lp d - c a r r y i n gc o m p o s i t ec a r b o nn a n o f i b e r sb a s e d0 1 1p o l y a c r y l o n i t r 丑ew e l e p r e p a r e db yd e c t r o s p i n n i n ga n dc a r b o n i z a t i o np r o c e 鹦t h ec a ：i a l y t i ca c t i v i t i e s o ft h e c o m p o s i t en a n o f i b e r sw e r et e s t e dw i t has o n o g a s h i r ac o u p l i n gr e a c t i o no fi o d o b e n z e n ea n d p h e n y l a c e t y l e n e t h er e s u l t sf i r s ts h o w e dt h a tt h ec a t a l y s tn o to n l yh a dah i g hc a t a l y t i ca c t i v i t y , b u ta l s o1 dn a n o f i b e r sm a d et h ec a t a l y s te a s ys e p a r a t i o nf r o mar e a c t i o nm i x t u r ea n dt h ef i n n b i n d i n g sb e t w e e nt h em e t a ln a n o p a r t i c l e sa n d t h es u p p o r t i n gn a n o f i b e r sm a d et h ec a t a l y s tb e o fl e a c h i n g - r e s i s t a n tf o ra g o o ar e t r i e v a la n dr e u s a b i l i t yf o rs o n o g a s h i mc o u p l i n g r e a c t i o n s i n c ear o u g hs u r f a c ei ss u i t a b l et ot h ec a t z i l y t i ea c t i v i t y , s o m em e t h o d sw e r eu s e dt o i n c r e a s et h es u r f a c ea r e ao fn a n o f i b e r s ：璐i n gh e o zt oo x i d i z et h en a n o f i b e r s ；e l e c t r o s p i n n i n g t h em i xs o l u t i o no fp a na n dp sf o rt h ep r e p a r 蚯o no ft h es u l f 凇- i d u g hn a n o f i b e l s t h e r e s u l t ss h o wt h a tt h eg l r l o o nn a n o f i b e l sb a s e d0 1 1t h et w o 删y m e r s 删a n dv s ) h a v ea h i g h e rs p e c i f i cs u r f a c ea r e a , a n dt h ep dc a l a l y s tc o m p o s i t eh a sah i g h e rc a t a l y t i ca c t i v i t y s i n c ei ti so fg r e a ti m p o r t a n c et ou n d e r s t a n dt h er e a c t i o n , t h em e c h a n i s m so ft h e s o n o g a s h i r ac o u p l i n gr e a c t i o n h a v eb e e ni n v e s t i g a t e du s i n gt h eq u a n t u mc h e m i c a l c a l c u l a t i o n s t h er e s u l t ss h o w ： ( 1 ) t h es o n o g a s h i r ac o u p l i n gr e a c t i o no fi o d o b e n z e n ea n dp h e n y l a c e t y l e n ec a t a l y z e db y p d ( 0 ) a t o mw a ss t u d i e dt h e o r e t i c a l l yb ym e a n so fd f t c a l c u l a t i o n su s i n gt h ea , x e l r y s d m o l 3p r o g r a m t h i sc a t a l y t i cc y c l et y p i c a n yo c c u r si nt h r e es t a g e s ：o x i d a t i v ea d d i t i o no f i o d o b e n z e n et op d ( o ) a t o m ；a l k y n y l a t i o no fp a u a d i u m 0 0i n t e r m e d i a t e ；r e d u c t i v ee l i m i n a t i o n t od i p h e n y l a c e t y l e n ea n dt or e g e n e r a t et h ep d ( 0 ) a t o m t h es t a g eo fa l k y n y l a t i o nr e m a n d st h e h i g h e s ta c t i v a t i o ne n e r g yi nt h ew h o l ec a t a l y s i sc y c l ea n di sc o n s i d e r e da st h er a t e - d e t e r m i n i n g i v a b s t r a c t s t e p ( 2 ) t h em e c h a n i s mo ft h eh o m o g e n e o u sp a l l a d i u mc a u a y s 远f o r s o n o g a s h i r ac o u p l i n g r e a c t i o nh a sb e e ns t u d i e dt h e o r e t i c a l l yb yd f r ( d e n s i t yf u n c t i o n a lt h e o r y ) c a l c u l a t i o n su s i n g t h eg a u s s i a n 0 3p r o g r a m t h em o d e ls y s t e ms t u d i e dc o n s i s t so fp d ( p h 3 ) 2a st h es t a r t i n g c a t a l y s tc o m p l e x , p h e n y lb r o m i d ea st h es u b s t r a t ea n da c e t y l e n ea st h et e r m i n a la l k y n e , w i t h o u ti n v o l v i n ge o - c a t a l y s ta n db a s e t h ed f t a n a l y s i ss h o w st h a tt h ec a t a l y t i cc y c l eo c o l 璐 i nt h r e es t a g e s ：o x i d a t i v ea d d i t i o no fp h e n y lb r o m i d et op a l l a d i u mc e n t e r ；, a l k y n y l a t i o no f p a l l a d i u m ( 毋i n t e r m e d i a t e ；r e d u c t i v e e l i m i n a t i o nt op h e n y l a c e t y l e n e ( 3 ) mt h eb a s i so ft h em e c h a n i s mo fp d ( 0 ) a t o mc a t a l y s i sf o rs o n o g a s h i r ac o u p l i n g r e a c t i o n , t h eg e o m e t r ya n de l e o r o ns t r u c t u r e so fp d n c l u s t e r s ( n = 2 - 8 , 1 3 ) a n dt h es m l c t u r e so f i n t e r m e d i a t e so fp d d u s t e r sa n ds u b s t r a t e s ，t h em e c h a n i s mo fh e t e r o g e n e o u sp a n a d i u m c a t a l y s i sf o rs o n o g a s h i r ac o u p l i n gr e a c t i o nm e c h a n i s mh a sb e e nd s c u s s e a lp dm e t a ld u s t e r s , c o n s i d e r e da sa c t i v ec e n t e r si nh e t e r o g e n e o u sc a t a l y t i cc o u p l i n gr e a s o n s , a r er e a d yt oa t t l a c t t h ee l e c t r o nf r o mt h er e a c t a n ta n dw e a k e nt h eb o n do ft h er e a c t a n tm o l e c u l a r m e t a lc l u s t e r s h a v ec o u p l ea c t i v a t es i t e sa n da no u t s t a n d i n gc a t a l r d ca c t i v i t yc o m p a r e dt ot h ep d ( 0 ) a t o m a n dh o n l o g e n e o u sc a t a l y s t k e y w o r d s ：h e t e r o g e n e o u si dc a t a l y s t ；e l e c t r o s p u n c a r b o nn a n o e ) e r s ；s o n o g a s h i r a c o u p l i n gr e a c t i o n ；r e a c t i o nm e c h a n i s m ；d f ft h e o r y v 学位论文独创性声明 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得直昌太堂或其他教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名( 手写) ：签字日期：霹年，卜月e 1 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解直昌太堂有关保留、使用学位论文的规定，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，允许论文被查阅和借 阅。本人授权壶昌大堂可以将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、汇编本学位论文。同时授 权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 澍气瓣：沈王阻气啪 签字日期：矽g 年p 月日 ： “ ) ， 一赢苜 汗矾协 鹳僦铲 者 作 i 文 期 沦 r 位 字 学 签 第1 章引言 1 1概述 第1 章引言 自从1 8 4 5 年k o l b e 第一次利用c - c 偶合反应合成了醋酸以来，c c 偶合反 应就在合成化学中占有一席重要的地位，它和羟醛缩合反应、d i e l s a l d e r 环化反 应、w i t t i n g 反应共同构建了四大有机合成反应，是有机合成化学中构建复杂和 特定功能结构的有机分子的强有力工具。以过渡金属为催化剂的c c 偶合反应 可以实现功能化和敏感分子的结构构建，被广泛应用于生物科学、材料科学和 药物化学领域中。在c c 偶合反应中使用最多的过渡金属催化剂是钯金属，应 用最广泛的偶合反应有：h e e k 偶合反应、s t i l l e 偶合反应、s u z u k i 偶合反应、 s o n o g a s h i r a 偶合反应、t s u j i t r o s t 偶合反应和n e g i s h i 偶合反应。 s o n o g a s h i r a 反应 i - s 是一类 由p d c u 混合催 化剂催化的末端 炔烃与c s p 2 的卤 x p k 氆蠢僻 + 蛙 r 面矛 s e h e l m l r 化物( 如卤代芳烃、卤代烯烃等) 的偶合反应( s c h e m e1 ) 。1 9 7 5 年s o n o g a s l l i m 在h e e k 等人报道的利用钯催化端炔和卤代烯烃或芳烃偶合的基础上通过添加亚 铜盐为助催化剂，大幅度地加速了这种c c 偶合反应。经过三十多年的发展， 该反应已为人们所广泛熟知，并成为了一个重要的人名反应。曾有报道，利用 金属乙炔化物( 如：z n l 6 1 ，m 分针，b f 8 j ，a l 【9 1 和s n 等) 和有机亲电试剂也能制 备出取代的炔烃。然而，利用亚铜盐为助催化剂的s o n o g a s h i r a 反应可以在较温 和的条件和简单的反应过程中进行，向分子中引入不饱和叁键，并通过对这一 不饱和键的进一步氧化、还原等作用从而得到诸多衍生物，因此该反应为炔烃 化合物的合成开拓了更为广阔的途径。例如：炔烃化合物与邻位含有活泼氢( 即 邻位为羟基、胺基取代基团) 的卤代烃反应，完成偶联之后叁键会与活泼氢进一 步加成，从而形成含氧、含氮的杂环化合物。该反应提供了一种有效的合成芳 基炔烃衍生物的反应路线，被广泛应用于天然产物 t l , 1 2 j 、生物活性分子【1 3 1 、非 第1 章引言 线性光学材料和分子电极1 籼1 6 】以及聚合物材料1 8 1 的合成中。 1 2p d 催化的s o n o g a s hir a 偶合反应的研究现状 1 2 1 均相p d 催化的s o n o g a s h ir a 偶合反应现状 传统的s o n o g a s h i r a 反应都是利用均相的钯盐作催化剂，如( p p h 3 ) 2 p d c l 2 、 ( p p h 3 ) 2 p d ( o a c ) 2 、p d ( p p h 3 h 等，在催化量的c u i 和当量胺碱的存在下于极性溶 剂介质中进行均相催化反应【3 5 1 。均相钯催化剂在s o n o g a s h i r a 偶合反应中占有重 要地位，它能催化偶合反应，使反应在高反应速率和高转换数( t o n ) 下进行， 并能高选择和高产率地合成许多新型炔烃偶合产物。均相钯催化剂通常需要依 靠配体分子如三苯基膦、胺、卡宾来保持稳定，合适的配体甚至可以使均相催 化剂催化不活泼的氯代烃，在较高的反应速率和转换数下得到s o n o g a s h i m 反应 产物。 然而，使用均相催化剂仍存在许多的缺点，如：成本昂贵；在通常条件下 均相s o n o g a s h i r a 反应对于活泼卤代烃( 如碘代烃和溴代烃) 具有较好的反应活 性，但对于氯代烃其活性通常较低，反应条件更为苛刻；反应对空气很敏感， 需要在严格除氧并在惰性气体保护下进行，以防止炔烃化合物自身氧化偶联反 应( g l a s e r 反应) 的发生，使反应向所期待的方向进行【l 明；反应后催化剂不能或 难回收，导致了贵金属和配体的流失，且反应液中的催化剂还会对产物产生污 染，加大了产物提纯的困难1 2 0 , 2 1 1 。此外，反应中使用的溶剂大多是有毒的，溶剂 的高沸点也使反应的后处理困难，它们对于大剂量的反应是不适合的。均相钯 催化剂的这些问题限制了s o n o g a s h i r a 偶合反应的工业化生产【2 2 乏8 1 。 为了解决以上各种问题，最近几年人们对均相p d 催化的s o n o g a s h i r a 反应 做了多方面的探索和研究，发展了一系列优化的、联串化的、绿色化的均相 s o n o g s h i r a 反应，中国科学技术大学化学系的郭庆祥等人对其发展现状进行了较 详尽的介绍和评论【2 9 1 。 s o n o g a s h i r a 反应在早期研究中通常都是在胺类溶剂中进行的，这需要较高 的反应温度，并需对反应体系严格除氧，反应物也要纯化。尽管如此，很多 s o n o g a s h i r a 反应仍然会得到大量的炔烃氧化偶联产物( g l a s e r 偶联产物) 。为此 人们常采取加入过量的炔烃的办法来提高s o n o g a s h i r a 反应的转化率，但这种做 法并不经济而且还会导致分离上的困难。在长期的研究中，人们通过改变溶剂、 2 第1 章引言 配体和碱的类型，使均相s o n o g a s h i r a 反应得到了多方面改进，提高了反应的转 化率和产率，减少甚至消除了g l a s e r 氧化偶联产物的产型2 9 】。此外，通过添加 卤化锌、氧化银、碳酸银，以及各类季铵盐化合物等实现了无铜的均相 s o n o g a s h i r a 反应【2 9 1 。s o n o g a s h i r a 反应的绿色化研究也是该领域多年研究的课题， 该方向直接关系到s o n o g a s h i r a 反应工业化应用和可持续发展。郭庆祥等人在报 道中列举了一些成功的水相条件下( 或水有机溶剂的混合体系) 完成均相p d 盐 催化的s o n o g a s h i r a 反应实例。水相反应通常在室温下就能进行，反应条件温和， 产品易于分离，能表现出较高的反应活性，所以一般都具有更高的经济价值和 安全性，适合于大规模的工业化生产。当然，均相p d 催化剂在水相中仍然存在 着回收难，无法循环利用的问题，这也正是均相p d 催化剂在应用中共同存在的 问题。 1 2 2 异相p d 催化的s o n o g a s h ir a 偶合反应现状 和均相钯催化剂相比，异相催化剂具有低成本、稳定、使用方便，易分离 以及便于催化剂再生和循环使用等优点。将金属钯负载在固体材料上形成异相 催化剂应用于s o n o g a s h i r a 反应的研究近年来已有大量的报道f 3 叼，目前常见的 是将钯负载在固体载体上【3 0 1 ，如活性炭、沸石和分子筛、金属氧化物( 主要是 硅土和矾土，也有m g o ，z n o ，t i 0 2 ，z r c h 等) 、粘土、碱金属盐和碱土金属盐 ( c a c 0 3 ，b a s 0 4 ，b a c 0 3 ，s r c 0 3 ) 、多孔玻璃、有机高分子或聚合物嵌入多孔 玻璃中。此外，钯还能以配位化合物形式固定于载体上，即配体分子和载体形 成配位键，通过该键可稳定金属钯。异相钯催化剂通常都能较方便地从反应液 中分离出并循环使用。从催化剂的结构推测，异相催化剂需要固定在载体上， 受载体的影响异相催化剂的催化活性可能会比均匀分布在溶剂中的均相催化剂 的活性低，需要在更苛刻的反应条件下进行反应。然而事实并非如此。曾有报 道，负载在沸石上的异相钯催化剂表现出比均相p d ( o a c h 或 p d ( c 3 h 5 ) c l 】2 更高 的催化活性，这可能是因为沸石结构稳定了活性中心的钯源，对其催化活性有 积极作用1 3 2 1 。稳定的异相钯催化剂甚至能在空气氛围中催化s o n o g a s h i m 偶合反 应【3 3 1 ，表现出比均相催化剂更高的催化活性【3 4 1 。 1 2 2 1 p d 负载在活性炭上( p d c ) 活性炭因其超高比表面积( 8 0 0 1 2 0 0 m 2 儋) 、低廉的成本，且能通过燃烧的 第1 章引言 办法方便地回收金属等优点常被用作催化剂载体。p d c ( 钯负载在活性炭上) 是异相p d 催化偶合反应中使用最多的催化剂。实验证明，p d c 不但可以催化偶 合反应，还能在许多偶合反应中表现出了超常的催化活性【3 1 , 3 5 】。低廉p d c 催化 剂的使用改善了s o n o g a s h i r a 偶合反应的反应条件，减少了反应的步骤和后处理 的难度，降低了反应的成本，使s o n o g a s h i r a 反应应用于工业生产中成为可能。 近年来，p d c 作为催化剂应用于s o n o g a s h i r a 偶合反应中的研究发展迅速【3 叩1 1 ， 并取得了较理想的结果。 ( 1 ) 常规p d c 催化体系的s o n o g a s h i r a 反应 最早将p d c 催化剂应用于s o n o g a s h i r a 偶联反应的是g u z m a n 等人【3 5 1 。1 9 9 0 年，他们利用p d c 代替均相催化剂p d ( p p h 3 ) 4 ，在配体p p h 3 和助催化剂c u i 的 存在下，以三乙胺和乙腈为反应介质催化了芳基溴与苯乙炔的s o n o g a s h i r a 偶合 反应( s c h e m e2 ) 。 在其他条件都不改 变的情况下，用 p 扰为催化剂的产 叭旬案 率明显高于使用均相催化剂，达到8 2 ，而p d ( p p h 3 ) 4 催化的产率只有1 1 。首 次将p d c 应用于s o n o g a s h i r a 反应中就表现出了超常的催化活性，从此， p d c p p h 3 一c u l 作为一种高效的s o n o g a s h i r a 偶合反应催化剂体系被确定下来，并 为p d c 催化s o n o g a s h i r a 反应的研究拉开了序幕。 p d c 的高催化活性同样也表现在杂环化合物的s o n o g a s h i r a 偶合反应中【3 6 1 。 在这类反应中如使用均相的钯催化剂，如p d ( p p h 3 ) 2 c 1 2 、p d ( p p h 3 ) 4 和p d ( o a c ) 2 等，得到目标产物的产率通常不高，或根本得不到目标产物。但使用异相的p d c 催化剂却能很好地得到目标产物。如4 炔基一6 一甲基2 一吡哺酮的合成中( s c h e m e 3 ) ，p d c 作为一种 r 炔烃与4 一溴6 甲基 2 吡喃酮的反应，合成得到目标产物的产率较高，达到8 0 9 0 3 7 , 3 8 。 然而，p d c p p h 3 一c u l 催化体系虽然比常规的均相s o n o g a s h i r a 反应易于产物 4 第1 章引言 提纯、催化剂能回收利用外，仍和常规反应一样有着许多弊端，比如：需要使 用助催化剂亚铜盐，加大副反应的程度；使用配体，反应成本较高；反应条件 苛刻，需在无水无氧环境中进行，反应不好控制等。为了改善反应条件，优化 反应环境，使异相p d c 催化的s o n o g a s h i r a 偶合反应能更好地应用于工业生产中， 研究者进行了许多研究工作，通过改变反应的条件，使该反应能在环境友好条 件下实现。 ( 2 ) 环境友好条件下p d c 催化体系的s o n o g a s h i m 反应 s o n o g a s h i r a 偶合反应通常要添加配体与钯金属催化剂配位，形成的过渡金 属配位化合物成为反应的催化活性中心，对反应起催化作用。反应中大多都是 用有机膦化合物作为配体添加到反应体系中，由于有机膦化物比较昂贵、在空 气下不稳定，反应结束后又不易于回收对环境会产生污染，若进行大剂量反应 或工业化生产时，成本较高且反应不易控制，所以发展无配体的p d c 催化的 s o n o g a s h i r a 反应具有降低成本的经济意义。 g a r g 等人【3 9 1 在 不添加任何有机膦 的情况下，用p d c 为催化剂催化合成岫 了极性的核苷产物 和脱氧核苷产物 ( s c h e m e4 ) 。反应 。 醛r 中使用了易从反应液中脱除的束缚于树脂的叔胺( 安珀莱特i r a 6 7 型树脂) 为 碱，d m f 为溶剂，在较温和反应条件下实现了核苷的合成，产物也能较方便地 从反应液中分离出来。 传统的s o n o g a s h i r a 反应还要使用c u i 作助催化剂，而铜盐的存在易催化末 端炔烃发生二聚反应( g l a s e r 反应) 4 0 - 4 2 ，致使s o n o g a s h i r a 反应产生大量的副 产物，面重金属铜盐的使用也会带来环境问题。所以发展无铜催化的s o n o g a s h i r a 反应也是s o n o g a s h i r a 反应研究的一大亮点。 竺蔓黧墨芝苎竺兮+ 羔斋书 下，使用较强极性溶 一 一s c h e ：e 5 一一 剂和有机胺碱为反 第1 章引言 应介质，用p d c 催化了碘苯和苯乙炔的s o n o g a s h i r a 反应( s c h e m e5 ) 。在很短的 反应时间内，产物的产率可高达8 0 ，催化剂的使用有效提高了偶合反应的反 应速率( 使用o 1 2 5 m 0 1 的p d 在3 0 分钟后转化率达7 4 ) 。研究测试了c u i 对 反应的影响：加入c u i 不会增加反应的活性和选择性，而大量的c u i 甚至会降 低反应活性和选择性。 s o n o g a s h i r a 反应常需使用强极性仲胺或叔胺和高沸点有机溶剂，如乙腈、 d m f 和d m a e 等为反应介质，即使是异相催化的s o n o g a s h i m 反应也不例外。 这些有机胺和溶剂大多有毒，对环境和反应操作的人员也不利，且它们的高沸 点使得反应的后处理也变得困难，这对大剂量反应都是不适合的，从而限制了 s o n o g a s h i m 反应在工业上的应用。水作为一种廉价而且干净的反应介质用于反 应对人和环境都是安全的，产物还容易通过萃取等简便方法被分离出来，简化 了反应过程。出于经济目的和环境友好的角度，在水介质中进行的s o n o g a s h i r a 反应成为研究的一个热剧4 4 4 6 1 。 早在1 9 9 5 年b l e i e h e r 和c o s f o r d 就利用p d c c u i - p p h 3 催化体系在水存在的 条件下催化带官能团的芳基和芳杂环碘代物或溴代物与炔烃的s o n o g a s h i r a 反应 【4 7 j 。实验发现使用l ，2 二甲氧基乙烷( d m e ) 和水溶性的k 2 c 0 3 混合物为碱对 反应是有利的。即使芳环上带有如硝基、氰基、氨基或是醛基等这样的敏感官 能团或在炔分子上接有官能团都不需进行官能团的保护，它们在反应的过程中 基本不会受到影响。在这样的一个反应体系中，既不需要使用相转移催化剂也 不需使用水溶性的有机膦配体。这是最早的在水相中进行使用p d c 催化的 s o n o g a s h i r a 偶合反应的报道，其后两年中，他们又将这样的反应条件应用于 s i b 1 5 0 8 y 的合成中1 4 8 4 9 1 。后来许多在有机溶剂水混合介质中实现的，用p d c 为催化剂的s o n o g a s h i r a 偶合反应都借鉴了他们的实验结果。 1 9 9 9 年和2 0 0 2 年一 m e o m 峨 m e n i c a g l i 等人陬5 u 也 3 = - mp d c ，p p h 3 ，c u l 一。m 希望在水介质中实现复、一矿a + 兰 rbase,solvent广r 杂1 ，3 ，5 一三嗪衍生物的 s c h e m6 m e 0 合成( s c h e m e6 ) 。实验 曾试图在反应中使用无机碱k 2 c 0 3 i - 1 2 0 体系，但反应的结果并不令人满意，有 大量的副产物产生。后来他们放弃使用水为反应的介质，但保留无机碱k 2 c 0 3 ， 使用k 2 c 0 3 1 8 一c r o w n 6 体系时得到了满意的产率。 6 第1 章引言 p d c 催化的m e 嚣n 裟黧陬电鼍卧d 是丙炔基氨基酸 1 0 p p 嚣h 盘c u1 3 删l b o g , , 知 l k 2 c o = , d m e h 2 0 8 0 。1 2 - 9 6 s c h e m e 7 法( s c h e m e7 ) 1 5 2 】。在该实验过程中，如果用均相催化剂p d ( p p h 3 ) z c l 2 、p d ( p p h 3 k 等，不论选用何种溶剂都无法得到目标产物，从而推断均相催化剂对芳杂环底 物的催化活性低或没有活性。但利用p d c 为催化剂，尤其是在使用d m e h 2 0 作为反应介质时，可以在温和反应条件下得到较高的反应产率( 达7 5 ) 。使用 乙醇、乙烯甘二醇或d m f 代替d m e ，同样也能得到目标产物，只是产率相对 低一点。该反应可以很好地在有机相水系中实现。研究还对配体的类型进行了 研究，找到该反应的最优配体是三苯基膦和4 - d p p b a 。此外，实验还发现将 c s 2 c 0 3 替代k 2 c 0 3 可以提高目标产物的产率。 具有生物活性的吡唑啉酮 1 ，5 - a 嘧啶的s o n o g a s h i r a 反应也能通过p d c 催化 在d m e h 2 0 体系下较高效率地得到炔基化的吡唑啉酮【1 ，5 a 】嘧啶( s c h e m e8 ) 。 d e n im e4 a l 4 c 口hm ep h s c h e m e8 r y i nl u n x i a n g 等人对此进行了多次的实验【5 3 】。 2 0 0 5 盆rv r b a t c h u 等人5 4 1 1o p d ，c ，p p h 3 ，c u i 也以p d c 为催化剂，利用水为a r x + r 云而磊夏蠢鬲广a 7 亭r 溶剂，用廉价低毒的2 氨基乙 h 2 0 ，8 0 s c h e m e 9 7 第1 章引言 筑1 跫p x + 删黔。囝旬 和蔡春在不k r - 甲基，硝基，甲氧基，萘等；x ：b r ，1 r 使用任何的 s c h e 啪1 0 s o n o g a s h i m 反应的活性更高。此外，该研究还在前人的基础上【4 3 ，5 6 5 7 1 对反应的机 实现了溴代芳烃和氯代芳烃的s o n o g a s h i r a 反应( s c h e m e11 ) s s l 。利用k i 作为 鬻蠹篙篓p x + 娟焉皇r 一 四丁基氟化铵 x - 瓯c 。；r 5 h ，c f 3 ，c ( h ) 司，c o c h 3 c n ， 二兰竺苎塑r 弋- + 一r ，= 罴r 旬一一 江大学的章 一 。i - p r o h , 屹o ：8 0 电。一 国林研究出 r = n 0 2 ，c o c h 3 。o c h 3 ，h r 1 = c h 2 c h 2 0 h ，函p ，岔o c h 3 了一种非常 s c h e m e1 2 c f 3 第1 章引言 铜、无配体、无胺的条件下，在空气和水中p d c 催化的s o n o g a s h i r a 反应条件 ( s c h e m e1 2 ) 1 5 9 。反应使用无机磷酸钠水合晶体为碱，以i - p r o h h 2 0 ( 1 ：1 ) 为溶剂。芳基碘与烷基或芳基炔在8 0 左右，经过一个较短的反应时间内( 6 小时以内) 可以高产率地得到取代芳基炔。该研究对催化剂的用量和空气的影 响进行了测试，在不影响产率的情况下，p d 的含量可降到0 2 m 0 1 ，空气不会 对反应产生影响。研究对取代基进行比较，发现带有吸电子基团的芳基碘比带 供电子基团的芳基碘与炔烃反应时产率更高，芳基碘与芳基炔烃反应的产率比 与脂肪族炔烃反应得到的目标产物的产率相对要高。这一研究虽然只能实现芳 基碘的偶合反应，但这样简便的反应条件确是非常具有吸引力的。 ( 3 ) p d c 催化的不活泼氯代和溴代芳烃的s o n o g a s h i r a 反应 在大多数有关s o n o g a s h i m 反应的研究中，都是使用活泼的芳基碘和炔烃进 行偶联反应。但从实用目的 来说，使用活性较低的芳基 溴或芳基氯作为反应物将是 反应研究的一个趋势，因为 芳基溴或芳基氯的成本较 低，而且较芳基碘更易得到。 2 0 0 3 年，k o t s c h y 及其 合作者l 删报道过利用 5 m 0 1 p d c+ lo m 0 1 c u i + 1 0 m 0 1 p p h 3 的催化体系可 以实现芳基溴和两种活泼的 芳基氯与末端炔烃的 s o n o g a s h i r a 偶联反应 ( s c h e m e1 3 ) 。 m e h u l 等利用为碘 源，实现了溴代芳烃和氯代 p d l c ( 5m o p o ) p p h 3 ，c u l i p r n h ，d m a - h 2 0 a r x 三；喟l 二灯若妄r 1 r e f l u x 2 4 h 芳烃的s o n o g a s h i r a 反应( s c h e m e1 1 ) 【5 8 】。除了苯环上带给电子基团( 甲基，h 等) 的氯代芳烃没有得到预期的产物外，其余的都合成了目标产物。 9 第1 章引言 p d c 催化剂在催化合成4 、5 炔基嘧啶时表现出对卤素宫能团的化学选择 性。p a l 等人在对具有生物活性的嘧啶衍生物进行s o n o g a s h i r a 偶合反应实验时发 现，当5 - 溴一4 一氯嘧啶在p d c c u 催化剂体系下和炔烃进行s o n o g a s h i r a 偶合反应 时( s c h e m e1 4 ) 【6 1 1 ， 炔烃可以在不影响 溴官能团的基础上 取代嘧啶环上的氯z 官能团，在迸一步 的炔基化反应中， 最高z 占： 溴也将被炔基所