（有机化学专业论文）聚苯乙烯负载n杂环卡宾pd络合物催化suzuki反应研究.pdf

中英文摘要 聚苯乙烯负载n 一杂环卡宾p d 络合物催化s u z u k i 反应研究 研究生：康泰然专业：有机化学 导师：罗美明教授 摘要 联苯类化合物应用非常广泛，许多天然产物( 如生物碱) ，医药、农药、 除草剂、以及高分子传导材料、液晶材料中都含有联苯结构单元。s u z u k i 偶 联反应是近年最常用于合成联苯类化合物的方法之一。它的最大优点在于温 和的反应条件和使用对环境友好的、易得的苯基硼酸，而不是有机金属试剂。 在工业上，多相催化剂有许多优点。n 杂环卡宾与广泛使用的膦配体比较， 它与p d ( + 1 ，十2 ) 结合得更紧密一些，更适合于作为负载催化剂，因为金属 不易从载体上解离下来。然而，很少有报道有机高分子负载n 一杂环卡宾p d 络合物催化s u z u k i 反应。因此，开展有机高分子负载n 一杂环卡宾p d 络合物 催化s u z u k i 反应的方法学研究是一件有意义的工作。 作者通过醚键将带羟基手臂的咪唑鲶盐连接到m e r r i f i e l d 树脂上，然后 与p d ( o a c ) 2 作用，制得高分子负载n 一杂环卡宾p d 络合物。从五个方面系统 研究了催化剂催化s u z u k i 反应。( 1 ) 研究了高分子负载的眯唑盐和n 一杂环 卡宾p d 络合物在不同溶剂中的溶胀性；( 2 ) 溶剂的影响：( 3 ) 碱和反应时 间的影响：( 4 ) 催化剂循环使用的研究；( 5 ) 通过底物的扩展来考察催化体 系的广谱性。 i v 中英文摘要 所合成的负载催化剂能够在非常温和的条件下，高效催化芳基溴与芳基 硼酸的s u z u k i 交叉偶联反应。即：室温，d m f 的水溶液为溶剂，不需要惰 性气体保护，催化剂的用量非常低( 0 4 m 0 1 ) ，产物收率高；重复使用6 次 后，仍能保持很高的活性。 关键词：s u z u k i 反应；n 一杂环卡宾一钯络合物；高分子负载催化剂；可循环 催化剂 v 中英文摘要 p o l y s t y r e n e s u p p o s e dn h c - p dc o m p l e x a sc a t a l y s tf o r t h e s u z u k ir e a c t i o n t a i r a nk a n g ( o r g a n i cc h e m i s t r y ) d i r e c t e db y p r o f e s s o r m e i m i n gl u o a b s t r a c t b i a r y lm o t i fi sf o u n di nar a n g eo fp h a r m a c e u t i c a l s ，h e r b i c i d e s ，a n dn a t u r a l p r o d u c t sa sw e l la si nc o n d u c t i n gp o l y m e r sa n dl i q u i dc r y s t a l l i n em a t e r i a l s t h e s u z u k ic r o s s - c o u p l i n gr e a c t i o nw h i c h p r o d u c e sb i a r y l sh a sp r o v e nt ob eo n eo ft h e m o s tv e r s a t i l em e t h o d s ，a l t h o u g hs e v e r a lo t h e rm e t h o d sa r ea v a i l a b l ef o rt h i s p u r p o s e t h ek e ya d v a n t a g e so ft h es u z u k ic o u p l i n ga r et h em i l dr e a c t i o n c o n d i t i o n sa n dt h ec o m m e r c i a la v a i l a b i l i t yo ft h ed i v e r s eb o r o n i ca c i d st h a ta r e e n v i r o n m e n t a l l ys a f e rt h a no t h e ro r g a n o m e t a l l i cr e a g e n t s h e t e r o g e n e o u sc a t a l y s t sh a v em a n ya d v a n t a g e sf o ri n d u s t i a la p p l i c a t i o n s t h e n h cl i g a n d sb i n dt ob o t hp d ”a n dp d “c e n t e r ss u b s t a n t i a l l ys t r o n g e rt h a nt h o s e w i d e l yu s e dp h o s p h i n el i g a n d s ，a n da r eh i g h l ys u i t a b l ef o ra t t a c h m e n tt os o l i d s u p p o r t so w i n gt oi t sa n t i c i p a t e dl o wl e v e lo fm e t a ll e a c h i n g h o w e v e r o n l yf e w e x a m p l e so fh e t e r o g e n e o u sc a t a l y s t sb ya n c h o r i n gn h c p dc o m p l e x e sf o rs u z u k i r e a c t i o nh a v e b e e n r e p o r t e d s o i ti s m e a n i n g f u l t od or e s e a r c ho n p o l y m e r s u p p o r t e dn h c - p dc o m p l e xa sc a t a l y s tf o rs u z u k ic o u p l i n gr e a c t i o n o u rw o r kf o c u s e do nt h eu s eo fa ne t h e rl i n k a g et oa t t a c hs o m en o v e li m i d a z o l i u m s a l t st ot h em e r r i f i e l dr e s i n t h e p o l y m e r - s u p p o r t e dn h c p dc o m p l e xw e r e p r e p a r e df r o mp d ( o a c ) 2a n dt h ep o l y m e r - s u p p o r t e di m i d a z o l i u ms a l t s h e r e i n ，曲ea s p e c t sw e r ec o n s i d e r e d ：( 1 ) s t u d yo nt h es w e l l i n gp r o p e r t i e so ft h e t h ep o l y m e r - s u p p o r t e di m i d a z o l i u ms a l t sa n dt h ep o l y m e r - s u p p o r t e dn h c p di n d i f f e r e n ts o l v e n t s ；( 2 ) e f f e c t so fs o l v e n t ；( 3 ) e f f e c t so fb a s ea n dr e a c t i o nt i m e ；( 4 ) s t u d yo nt h er e c y c l a b i l i t yo f t h ec a t a l y s t ；( 5 ) t h eg e n e r a l i t yo f t h i ss t r a t e g y i nc o n c l u s i o n ，t h es u z u k ir e a c t i o no fa r y lb r o m i d e sw i t ha r y l b o r o n i ca c i du s i n g v i 中英文摘要 t h ec a t a l y s ta f f o r d e dt h ed e s i r e dp r o d u c t si nh i g hy i e l d si na q u e o u sd m fs o l u t i o n u n d e rr o o mt e m p e r a t u r e ，a n dw i t h o u tt h en e e do fi n e r tg a sp r o t e c t i o n u s i n go n l y v e r yl o wc a t a l y s tl o a d i n g ，t h ec a t a l y s tc o u l db er e u s e du pt o6t i m e ss t i l lr e t a i n i n g i t sa c t i v i t y k e yw o r d s ：s u z u k ir e a c t i o n ；n - h e t e r o c y c l i cc a r b e n e - - p a l l a d i u mc o m p l e x p o l y m e r s u p p o r t e dc a t a l y s t ；r e c y c l a b ec a t a l y s t v i i 第一章s u z u k i 反应研究进展f 文献综述1 1 1 前言 第一章s u z u k i 反应研究进展( 文献综述) 以联苯为母体的化合物应用十分普遍。许多天然产物( 如生物碱) ，医药、 农药和除草剂、以及高分子传导材料、液晶材料和催化剂配体等部含有联苯 结构单元1 。因此，许许多多的科研工作者致力于新联苯类化合物的合成研 究，探索它们的特殊性质，发掘它们奇妙的用途。 合成联苯类化合物比较经典的方法有：u l l m m a n 2 ，s t i l l e 3 ，n e g i s h i 4 ， s u z u k i 5 法( s c h e m e 。 u l l m m a n 法： r 岔x 旦- r 缪 rr 也，广x r j 一、r s t i l l e 法： r 娃少嘣 + g 州 r 雪恻一r 筵 c l 震耋竽r 洲r d i o x a n e h 2 0 ，5 0 0 c r 1 = m e o ，4 一f ，3 - n i t 2 ：r 2 = 4 - c o c h 3 ，4 一c h o ，4 一c o p h ，4 一c h 3 m i y a u a r a 工作组1 3 发现在甲苯中，存在k 3 p 0 4 n h 2 0 的情况下 n i c l 2 ( p p h 3 ) 2 2 p p h 3 不需要另外加入还原剂，催化氯苯与苯硼酸反应具有较高 的活性。这是因为n i ( i i ) 络合物被还原为n i ( o ) 络合物先于氯苯和苯硼酸的 交叉偶联( s c h e m e4 ) 。 n i c l 2 ( p p h 3 ) 2 一n i ( p p h 3 ) n + a r - a r r 岔x + 醐z - r 篱 s c h e m e4 ( i ) 2 a r b ( o h ) 2 ，k 3 p 0 4n i - 1 2 0 ，t o l u e n e ( i i ) n i c l 2 ( p p h 3 ) 2 。2 p p h 3 ， k 3 p 0 4 m h 2 0 ，t o l u e n e ，8 0 1 0 0 0 c 第一章s u z u k i 反应研究进展( 文献综述、 l e a d b e a t e r 小组“发现n i 的非磷配体络合物1 能够在空气中稳定存在， 它的催化效果与2 相当。在最优条件下，可以有效地催化较宽范围卤代苯与 苯硼酸反应( s c h e m e5 ) 。 e t n j n e t 一二“二、 、y n 、过0 一沁少 c l b新。 cp 、c i 1 2 r x + 圳z lr 乏卜 x = c l ，b r ，i s c h e m e5 ( i ) n i c l 2 ( n e t 3 ) 2 ，k 3 p 0 4 ，d i o x a n e ，9 5 0 c l i p s h u t z 小组1 5 报道n i c 能有效地多相催化氯苯与苯硼酸反应，此反应 还需加入p p h 3 和l i b r ( s c h e m e6 1 。 _ h g _ 一 2 c i e n _ _ 7 孙埘 1 6 c l 1 7 r n ? _ 1 n r 字l c l e 1 5 s c h e m e1 2 p a r t i a ll i s to f p dc a t a l y s t sm a d o rl i g a n d su s e df o rs m c r o s s c o u p l i n g o f a r y lc h l o r i d e s h e r r m a n n 等人2 5 应用1 , 0t 0 0 1 p d ( i i ) 一n h c 络合物1 2 在13 0 。c 能够催 化对氯苯乙酮与苯硼酸偶联。后来，络台物1 3 能够催化多种氯苯衍生物的偶 联反应，他们发现c s 2 c 0 4 比k 2 c 0 3 的效果好( s c h e m e l 3 ) 2 6 。 r 一j r 泸龇 r = o c h 3y i e l d6 9 r = h y i e l d8 7 r = c o c h 3y i e l d9 0 s c h e m e1 3 ( i ) 1 3 ( i 0t 0 0 1 p d ) ，k 2 c 0 3o rc s 2 c 0 3 ，x y l e n e ，1 3 0 。c 9 p 4 1 r l 心 n i r _【 3y cp“ 。卜n、|nl， 计r = 卧 旷忆 q 繇住 第一章s u z u k i 反应研究进展( 文献综述) 他们通过咪唑翁盐与p d ( 0 ) 原位络合生成n h c 络合物1 4 ( 1 4 a ： r = m e s i t y l ，1 4 b ：r = t b u t y l ，1 4 c ：r = g p r ，1 4 d ：r = c y ) 2 7 但其中，只有 1 4 b 能够有效地催化对氯甲苯与苯基硼酸的s u z u k i 偶联，1 4 a 基本没有催化 能力( 8 0o c ，2 h ，y i e l d ，o ) 。他们认为出现这种现象的可能原因：( 1 ) 与 络合物的稳定性有关，( 2 ) 1 ，3 ，5 一三甲苯造成对金属中心空间拥塞，从而失去 了活性。 t r u d e l l 等人2 9 发现位阻较大咪唑翁盐1 5 和催化量的p d ( d b a ) 3 ，c s - z c 0 3 ， 二氧六环，在8 0 。c 可以得到较高的收率。后来，他们又发现双眯唑籀盐1 6 和p d ( 。a c h 得到一个空气稳定的催化体系，能够应用于氯苯和苯硼酸偶联 大量合成联苯。产率较高。 m 对e o 彦- b b , , ( 。c h 2 ) 1 3 c h a 一一i 二，众( c h z h 。a m 。庐b一一二，l 夕_ 。m 。 s c h e m e1 4 ( i ) p d ( o a c ) 2 ( 2t 0 0 1 ) ，1 7 t h f ，r e f l u x f t l r s t n e r 2 9 应用位阻较大的咪唑盐1 7 与p d ( o a c ) 2 能有效地催化芳基氯苯 与9 r 9 一b b n 偶联( s e h e m e l 4 ) 。 + em0 0 oem 第一章s u z u k i 反应研究进展( 文献综述) m e o ?2i=?一1 阼。飞一，| - c h z庐z 5 飞扩掣2 国2 潋：； ；c h 3 阽( 泸”毋删z c a 丽t c s 2 c 0 3 卜r s c h e m e1 5 l e e 等人3 0 合成了系列新的双咪唑盐和p d ( o a c ) 2 反应，生成七员环的双 齿n 一杂环卡宾i d 络合物，得到了七员环卡宾p d 单晶，并用这些络合物催化 溴代苯与苯硼酸的反应( s c h e m e1 5 ) 。 1 3 3 均相氮配体体系 除了以上的n 杂环卡宾非膦配体外，还有其它非膦配体，如m i n o 等人3 1 合成空气中稳定存在的氮配体1 8 和1 9 ，能够有效地催化s u z u k i 反应，底物的范 围较宽( s c h e m e1 6 ) 。 r r 蛰即忆号p d ( o 号a c ) 2 篱。 n 鬯一n n 卧r 了芦s m e 一? i v i t 一：j 、广一 。i： m d l 一 氐 1 8 1 9 叶净 叫 喊 5 国 r 第一章s u 日a k i 反应研究进展( 文献综述) 1 3 4p d 均相催化体系小结 还有一些其他p d 的非瞵配体促进s u z u k i 反应，在此不再一一列举。近 些年来，p d 均相催化s u z u k i 反应取得长足的发展。不断地探索出了新的配 伟来促进不活泼的芳基溴和芳基氯为底物的s u z u k i 反应，改善反应条件，使 反应能在更温和的环境中进行。但是均相反应存在一些不足：价格比较昂贵 的p d 不能重复使用，流入环境，对环境造成污染。再则，产物中总残留有金 属钯。特别是在精细合成中，除去产品中残留的金属要耗费大量的人力和物 力。因此，能够有效地重复使用催化剂，催化荆能够方便地与产物分离是值 得研究的课题。 1 4 多相p d 催化体系 1 4 1 多相催化剂催化s u z u k i 具备的优点 s u z u k i 反应工业化中需要鳃决的难题之一是要降低催化帮的成本、提高 催化剂的效率、使用寿命和避免产物中含有金属离子。在均相反应中，催化 剂难以回收和重复使用。于是，把催化剂固载到高分子化合物或无机氧化物 上的思想就应运而生。固载催化剂，在反应结束时，通过过滤与产物分离并 回收，使分离操作变得简单，而且可以使有害的金属不易留在产物里和流入 环境，使催化剂不易流失，还可以多次重复使用。 1 4 2 催化剂载体研究情况 固载催化剂通常分为蕊类：( 1 ) 高分子聚合物固载催化剂；( 2 ) 无机物负 载催化剂，也就是把均相催化剂负载到粘土、石英、硅藻土等无机物上。高 1 2 第一章s u z u k i 反应研究进展( 文献综述) 分子聚合物作为载体在有机合成中应用非常普遍，比如p a u lb l m a e y 等”在 2 0 0 2 年综述了聚合物固载试剂在固相有机合成中的应用；m a u r i z i ob e n a g l i a 等3 3 在2 0 0 3 年总结了聚合物固载有机催化剂。c a t h e r i n e a 等”在2 0 0 2 年综 述了聚苯乙烯固载试剂和催化剂。他们列举了大量实例，参考了4 0 0 多篇近 2 0 年来的文献，比较详尽地总结了聚合物在有机合成中的主要应用。作为固 载用的高分子聚合物大致可以分为线型( 可溶) 和交联( 不溶) 两大类。线 型固载高聚物以溶解性和柔顺性优良的聚乙二醇( p o l y e t h y l e n eg l y c o l ，p e g ) 为代表，固载后的手性催化剂能较好地保持原有的催化活性、选择性和重现 性。但在反应结束后需要加入相关的溶剂以沉淀和回收固载催化剂3 5 0 聚乙 烯固载的催化剂在2 5 0 c 不溶，在9 0 1 1 0 0 c 溶于有机溶剂，因此，在高温时 是均相催化，冷却后过滤就可以与反应混合物方便地分离，但对于高温敏感 的催化荆和沸点较低的溶剂不适合3 6 。为了方便催化剂完全回收，固载用的 高聚物一般选用不溶高分子聚合物。不溶高分子聚合物固载催化剂和试剂从 1 9 6 0 s 后期开始报道”，它的优点在于从反应物中分离操作简便和可以重复使 用( 尤其是对于较责的催化齐u 和配体以及有害的试剂) 。还有一个优点是由于 载体改变了催化剂的微环境，可以提高催化剂的选择性3 8 。 聚苯乙烯由于它价廉、易得、机械性能稳定、化学惰性和易功能化，现 在仍然是用作高分子载体最普遍的高分子材料之一。聚合物制备通常是由活 性单体( 如对氯甲基苯乙烯) 聚合，或不同类型和不同比例的交联试剂与苯 乙烯共聚。最常用的交联试剂是对二乙烯基苯( d i v i n y b e n z e n e ，d v b ) 。其它 的例子如乙二醇二甲基丙烯酸脂( e t h y l e n eg l y c o ld i m e t h y l a c r y l a t e ，e g d m a ) 和三缩四乙二醇二丙烯酸) 旨( t e t r a e t h y l e n e g l y c o ld i a c r y l a t e ，t e g d a ) 。交联度 以低交联度l 或2 d v b 交联聚苯乙烯较为普遍，但它需要溶剂溶胀，其它 试剂才能与它的功能化部位反应。高交联度1 0 以上的d v b 交联聚苯乙烯 1 3 第一章s u z u k i 反应研究进展( 文献综述) 具有永久性的孔结构，试剂填充在孔中而不需试剂溶胀，不需考虑反应介质。 但多孔的树脂固载能力不高和易碎。为了克服这些不足，对1 或2 d v b 交联聚苯乙烯进行修饰，把聚乙二醇嫁接到聚苯乙烯骨架上从而大大提高了 树脂在极性溶剂中的相溶性3 9 。交联聚苯乙烯固载的催化剂与相应的均相催 化剂比较，反应速率要低一些，因此有人研究线性( 可溶) 聚苯乙烯“固载”， 尽管反应速率能够提高，但是回收比较困难，回收物中含有产物或其它污染 物而难以重复使用。这项技术在1 9 8 0 s 早期就被放弃。固载催化剂成功与否 的关键要看其是否保持催化活性、是否易于回收和可以多次重复使用。交联 聚苯乙烯尽管存在一些不足，但它作为载体易于分离和可以多次重复使用， 所以在有机合成中应用是最为普遍的。 1 4 3 无机物作为载体 b u c h e c k e r 等4 0 报道了p d c 催化氯代芳烃的s u z u k i 偶联反应，用 h 2 0 e t o h 作为溶剂，结果只有6 的收率。s o w a 等人以4 一氯苯基三氟甲烷 和苯基硼酸为底物，底物已完全消耗后，交叉偶联产物的产率仅为1 1 ，其 余的为苯基硼酸自身偶联产物。这个结果使他们意识到p d c 催化剂足以活化 氯代芳烃，通过选择溶剂d m a h 2 0 ( 2 0 ：1 体积比) ，交叉偶联的产率达到 了9 5 ( s c h e m e1 7 ) 。对有吸电子基的氯代芳烃得到了好的收率，对给电子 的氯苯衍生物效果不是很理想。 叩一卜c i + - b m o hp j 堕坚! 堕一_ 泸f 一。 e t o h h 2 0 ( 5 ：i ) 1 1 d m a h 2 0 ( 2 0 ：i ) 9 5 s c h e m e 】7 第一章s u z u k i 反应研究进展( 文献综述) s h i m i z 等4 1 通过离子交换法，将金属p d 2 + 离子负载于海泡石( s e p i o l i t e ) 催化溴代芳烃的s u z u k i 反应，也取得了较为理想的效果。 1 4 4 有机商分于作为载体负载膦配体 i s a b e l l ef e n g e r 等4 2 周交联聚苯乙烯固载钯催化剂，固载催化剂可以在 2 0o c 的空气中保存一年。对于苯基硼酸与4 一溴吡啶的偶联反应有较好的催 化活性，并且催化剂可以循环使用五次以上( s c h e m e1 8 ) 。 卜、c i 半略、晰，一p d ( p p h 3 ) i 弋户、嗍，、。圳 一e 3 、 c a t n a 2 c 0 3f 、jf i 珈( o h ) z + 卧弋u m di 忑；一纩飞 h 2 0 r e f l u x s c h e m e1 8 p a r r i s h ，c a 等人4 3 以交联聚苯乙烯固载磷，钯催化剂，对菲活泼卤代芳 基烃有较好的催化活性( s c h e m e1 9 ) 。他们开始用k f ，k 3 p 0 4 ，作为碱，发 现第一次使用后，流失在t h f 溶液中的膦占总膦量的2 0 。后来用c s 2 c 0 3 作为碱，p d 2 ( d b a ) 3 为钯源，在溶剂中没发现麟。第二次和第三次，不添加钯， 反应2 4 个小时，收率分别能达到9 2 币f i8 6 ，第四次，反应8 7 个小时，收 率达到8 3 。 第一章s u z u k i 反应研究进艉( 文献综述1 以a r 莓啬c 燮巍 _ 1 ar = c y 。 1 br = t b u 旦旦堕! 曼坚2 鱼1 2 - 7 8 2 5 0 c 8 4 2 a r = c v 2 br - - t b u 1n a i l ，d m f 2 5 0 c 2d m f2 5 0 c 一c l m e r r i f i e l dr e s i n - r o p r 2 3 ar = c y c e f f = 8 0 3 br = t b u t i ? 了一。 【p d c l ( n c 3 h 5 2 p p h 2 型堕。 c h 2 c 1 2 ，r t1 5 r a i n t h e nw a s h i n g 91 j _ | 一、 ， d 一 一s 。， p d c | - s c h e m e2 1 用聚乙二醇和交联聚苯乙烯共聚制备两亲高分子微球( p o l y e t h y l e n e g l y c o l p o l y s t y r e n e ，p e g - p s ) ，同时具有亲水和疏水链段，可在不同的反应 1 7 第一章s u z u k i 反应研究进震文献综述) 介质溶胀。一方面保证催化剂活性和选择性不受很大影响，另一方面又易于 分离和回收催化剂。所以，p e g p s 树脂固载催化剂同时具有均楣催化剂和 多相催化剂的优点。 r y o a k i y a m a 等4 6 入应用可溶性聚苯乙烯将p d ( p p h 3 ) 4 包裹，使对空气 敏感的p d ( p p h 3 ) 4 微囊化，形成催化剂胶囊。对溴苯的s u z u k i 反应可以得到 8 9 左右的收率( s c h e m e2 2 ) 。 一- e m 。e r - m c 篆p d ( p 生p h 3 ) l 咿m e 有机高分子负载膦配体p d 催化s u z u k i 反应的例子还很多，以上列举的 是几种典型代表，它们都是有效的催化剂。然而在工业应用还需要克服很多 不足。在反应中，有的需要添加额外的膦配体来稳定p d 络合物，反应需要较 高的温度，这样容易导致p d 从高分子载体上解离下来，催化剂的重复使用效 果往往不是很理想。大多有效的膦配体难以制备，价格较贵，在工业中应用 会使生产成本提高。再则，有的膦配体对热，空气和湿气敏感，反应还需要 惰性气体保护，给工业应用带来不方便。因此，人们在努力探索新的非膦配 体的固载催化剂。 1 ，4 5 负载菲膦配体 z h a n g 等4 7 报道了将催化剂负载于d e l o x a nt h p 树脂上，对具有吸电子 碘代和溴代芳烃的效果较好( s c h e m e 2 3 ) 。 第一章s u z u k i 反应研究进展( 文献综述) p d l nj 露一 h n 、n h s p d l m 囝e r + r = n 、：n = 、 0 0 飞n a i l , d m f t h f , ￥o 刚、驴飞 一 r t 2 4 h h ，c 。 = = 、o h 。 、0 一、 在上面的例子中，反应有的需要较高的温度，有的需要强碱，这些条件 使得底物上的官能团受到限制；还有的需要添加额外的配体来稳定络合物， 这样会造成金属从载体上流失到溶剂中，催化剂重复使用的活性就会降低， 重复使用次数较少。有的还需要惰性气体保护。这些条件给工业上的大量生 产带来困难。 1 9 0，o。i， ， 一 一、引 。 o 吱，f、 ，i o h【n ) = s 1 nh 一 刚 ，n、 o 最_i过，扣 h h 第一章s u z u k i 反应研究进展( 文献综述1 近十年来，n 杂环卡宾得到迅速发展，在一定程度上取代了叔膦配体， 常被称为“仿膦配体”( p h o s p h i n em i m i c s ) 。n 一杂环卡宾配体不仅有成本低廉， 制备简单，毒性小，稳定性高的特点：而且，与广泛使用的膦配体比较，n h c ，p d 键能比p p d 高，与金属结合得更紧密一些，更适合于作为多相催化剂。高分 子负载n 一杂环卡宾金属络合物在烯烃的复分解反应和h o c k 反应的应用研究 己多有报道，而在s u z u k i 反应鲜有报道”。张红斌等人4 锄将四齿n h c p d 络合物物理吸附在s i 0 2 上，重复使用仅为2 3 次。韩国的y o o n s i kl e e 小组 4 9 b “9 c 用对氯甲基聚苯乙烯树脂与1 甲基咪唑反应得到聚合物负载的1 一甲基 眯唑鲶盐，再用碳酸钠去质子化得到卡宾配体，与金属钯络合得至q 聚合物负 载的卡宾p d 络合物。但是，他们使用的底物多为碘代物，反应还需加热， 循环使用情况也不是太理想。可能是催化剂的活性中心离聚合物骨架太近， 束缚了活性中心的活动范围，从而降低了催化活性。 1 5 小结 s u z u k i 反应已经历了二十几年的发展，许多有效的催化体系相继被发现。 由于本文篇幅有限，作者仅对一部分有代表性的体系进行了描述。 均相催化s u z u k i 反应已达到比较高的水平。最不活泼的、位阻较大的氯 代苯为底物，在比较温和的条件下也能达到很高的收率。有的催化体系已在 工业化生产中应用。 然而，工业上很需要的多相催化体系还需努力探索，尽管文献上报道了 许多多相催化体系，如p d c ，有机高分子负载膦、氮配体等等。但要实现工 业应用，这些体系总存在或这或那的缺点。比如，有的体系是高温，强碱， 这对底物的范围有较大限制。有的需要在惰性气体保护，这在大规模生产比 2 n 第一章s u z u k i 反应研究进展( 文献综述) 较麻烦。还有的循环使用的效果不好。 因此，探索反应条件更温和，容易制各，价格便宜，并能实现多次循环 的多相催化剂是必要的，有意义的工作。 2 1 第二章课题的提出、意义与设计 第二章课题的提出、意义与设计 2 1 课题的提出及意义 均相催化反应的最大缺点是产物与催化剂难于分离，尤其是在高沸点产 物合成中，回收催化剂通常采用蒸馏、分馏、甚至柱层析等方法，加之许多 配体及其金属有机络合物的稳定性较低，遇水、空气易于分解，因而给大规 模的工业应用带来困难。 近年来，绿色化学、环境温和化学反应、洁净技术、环境友好工程等已 成为使用率很高的词汇，人们对环境和资源问题越来越关注。许多化学工作 者和化工界已把注意力集中到从本源上减少污染和节约资源，致力于合成手 段的战略革新。聚合物固载试剂和催化剂等技术在有机合成中的应用就是一 种很好的从源头治理污染和节约资源的方法。在这方面，化学工作者进行了 很多研究。归纳起，聚合物在有机合成中的应用主要集中在三个方面来：1 、 聚合物固载有机试剂；2 、聚合物固载催化剂；3 、聚合物固载清除试剂。 l 聚合物固载试剂 a 璺：兰：呈a b + 一x 骂a b 2 聚合物固载催化剂 a + b 红a b + 0 - x 盟蛤a b 3 聚合物固载清除试剂 a + b a _ b + 。耋怒。旦a - b + y 韭r + a b 第二章课题的提出、意义与设计 从上面的过程示意图可看出，聚合物固载试剂、催化剂和清除剂，在反 应结束时，都通过过滤与产物分离并回收，不仅使分离操作变得简单，而且 可以使有害化学试剂不易流入环境，使催化剂不易流失，还可以多次重复使 用，从而在本源上减少了对环境的污染、节约了资源。 n 杂环卡宾是近十年发展起来的一种新型配体，它与叔膦配体一样，是 优良电子供体，在一定程度上可以取代叔膦配体，常被称为“仿膦配体” ( p h o s p h i n em i m i c s ) ，拓展了配体的研究领域。n 一杂环卡宾配体有成本低廉， 制备简单，毒性小，稳定性高的特点。n 一杂环卡宾0 轨道上有孤对电子，在 与金属成键时能够形成很强的金属一碳键。与金属一膦键相比，金属一碳键不易 断裂，因而在催化反应中，不需加入过量的配体来防止配体的解离。因此， 比膦配体更适合于作为多相催化剂的配体。这样，多相催化剂可更多次的重 复使用。 虽然固载催化剂得到了长足的发展，但报道固载n 一杂环卡宾为配体的多 相催化体系还不多，应用于催化s u z u k i 反应的报道则更少。本课题旨在探索 n 一杂环卡宾为配体的多相催化剂在s u z u k i 反应中的应用。汇报我们在这一研 究领域内所发现的问题和取得的成果，期望推动该方法在联苯类化合物工业 合成的应用研究。本课题的研究对于环境友好和节约资源有重要的理论意义 和实践意义。 2 2 合成路线设计 交联聚苯乙烯固载n 一杂环卡宾p d 金属络合物合成路线 第二章课题的提出、意义与设计 一一b r - o h 一。霞一o h b ，缴：暑， 。o 囝n x 一p d ( o a c 一) 2 b 一西r p i 嘶o a c ) x 2 设计目的：作者的设计思想是通过醚键把带有羟基手臂的单咪唑镥盐负载到 m e r r i f i e l d 树脂上，然后再和p d ( o a c ) 2 反应，制得高分子负载的n 一杂环卡宾 p d 金属络合物。由于增大了金属络合物与聚合物骨架的距离，其活性中心 部分就可以更“自由”地与反应物作用，可以提高催化活性。 nc ic i h 3 c n 、尹 + ，j ， 。叫 、乡n 卜j 、，n c h 3 - 多 m e r f i e l dr e s i n 争毋? r e r 置一氍n 。z x p d ( o a c ) 2 s u p p o r t e dn h c - p d x = - c 1 o r i 。 设计目的：作者的设计思想是通过醚键把带有羟基手臂的双咪唑黠盐负载到 m e r r i f i e l d 树脂上，然后再和p d ( o a c ) 2 反应，制得高分子负载的n 杂环卡宾 p d 金属络合物，此高分子金属络合物的结构可能有咀下三种情况： 譬宁r弋兰一， 冈一。l溢- r = ：、t罔 一、 丫r 二、 一 也 v _ 、2 r 文、，i 、，l 、，i 、h rr n 、，、，“芝j i h r一甲一气n c h 。 ；d ( o a c ) x 2p d ( 。a c ) x 2；d ( o a c ) x 2 。乇7 x = 1 c ix = lc 1 x 2 i 。c i ab c 根据已有的文献4 9 报道，高分子负载的咪唑铺盐中只有少部分能与 2 4 第二章课题的提f i = | 、意义与设计 p a ( o a c ) 2 反应生成n 杂环卡宾p d 络合物，还有大量的咪唑翁盐未参与反应， 生成结构a 的几率比较小。生成结构c 需要更高的反应温度，得到几率最大 的是结构b 。由于咪唑鼢盐在极性溶剂有较好的溶解性，所以结构b 可以预 期在极性溶剂中有更好的溶胀性。作者期望未与p d 络合的咪唑鼢盐拉动另一 侧的n 一杂环卡宾p d 络合物，使其在反应介质中伸展得更开，提高其活性。 再则，咪唑镣盐提供一种特殊的微环境，也可能促进反应。 2 3 催化s u z u k i 反应研究思路 许多s u z u k i 反应一般需要惰性气体保护，回流温度，并且需要强碱，在 这样的条件下，苯环上的许多官能团要受到限制，而且也容易导致多相催化 剂的金属从载体上解离下来。因此，我们努力探索在温和条件下完成反应。 拟从下述几个方面来开展系统的研究工作：( 1 ) 催化剂在不同的溶剂中的溶 胀性研究；( 2 ) 在不加热和没有惰性气体保护的条件下，选择合适的溶剂、 碱和催化剂的用量；( 3 ) 选择最佳反应时间；( 4 ) 研究催化剂的循环使用； 催化剂的金属流失研究；( 5 ) 通过底物的扩展来考查催化体系的广谱性。 第三章聚苯乙烯负载n - 杂环卡宾p d 金属络合物的合成 第三章聚苯乙烯负载n 一杂环卡宾p a l 金属络合物的合成 前言 作者的设计思想是通过醚键把带有羟基手臂的咪唑蹿盐负载到 m e r r i f i e l d 树脂上，然后再和p d ( o a 0 2 反应，制得高分子负载的n 一杂环卡宾 p d 金属络合物。 3 1 合成路线 3 1 1 带有羟基手臂的咪唑鲦盐的合成路线 h 3 c 一、h + b “o h c + 囝h t h f 回流 k o h ，h 2 0 讪c 囤一盯 2 0 b u 4 n i 。10 0 0 c 9 囝h o h i 耻囤e r - h 3 c c h 3 c h 3 n h 2 + g 毡+ c h 3 c o o n h 4 + h c h o c h 3 c o o h 而可一 c h ， 邺= ， 第三章聚苯乙烯负载n 杂环卡宾f p d 金属络合物的合成 b r k 7 + m g 圣型 、予o 。 c h 3c h 3 1 ) 3 4 乙醚 一二缨里， 2 ) 1 0 h 2 s 0 4 2 9 3 ) k o h 4 ) h 2 s 0 4 b , ( o h ) 2 c h 3 3 6 第四章聚苯乙烯负载n - 杂环卡宾p d 催化s u z u k i 反应研究 第四章聚苯乙烯负载n 一杂环卡宾p d 催化s u z u k i 反应研究 4 1 前言 在文献综述中，多相催化s u z u k i 反应，一般需要回流温度，需要惰性气 体保护，并且催化剂的结构比较复杂，这些复杂结构的催化剂当然有特殊的 活性，但是制各不容易。为了能够在工业生产中应用，就需要易于合成、成 本低廉，可以在温和的条件下实现反应的催化剂。 作者比较了催化剂3 1 、3 2 和3 3 的催化活性，以对溴苯甲醚和苯硼酸为 底物在相同金属含量和相同反应条件的情况下比较。 t a b l e4 1d i f f e