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

中英文摘要 聚苯乙烯负载n - 杂环卡宾- - p d 络合物催化以芳基磺酰氯为底物 的s u z u k i 反应研究 研究生：张素娟专业：有机化学 导师：罗荚明教授 摘要 联苯类化合物在医药、聚合物、液晶等先进材料中都具有广泛的用途，因 此它的合成在有机合成中占有很重要的地位。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、易得的芳基硼酸。在s u z u k i 反应的芳基卤底物中，芳基碘和芳基溴 的s u z u k i 反应容易进行，而芳基氯不活泼，有时不易与硼酸发生s u z u k i 偶联 反应。 芳基磺酰氯具有价格便宜、容易得到、比相应的芳基氯活性高的特点，因 此在有些芳基氯不易发生的反应中，芳基磺酰氯可以用来代替相应的芳基氯。 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 ( + l ，+ 2 ) 结合力更强，更适合于作为负载催化剂，因为金属不易从载 体上鼹离下来。然而，关于有机高分子负载n 杂环卡宾p d 络合物催化s u z u k i 反应的报道还不多，还没有高分子负载n 杂环卡臭- p d 络合物催化以芳基磺酰 氯为底物的s u z u k i 反应的报道。开展有机高分子负载n - 杂环卡安- p d 络合物催 化s u z u k i 反应的研究具有一定的理论意义和实际意义。 本文中，作者比较系统的研究了芳基磺酰氯与芳基硼酸的s u z u k i 偶联反应 在交联聚苯乙烯负载的n 一杂环卡宾p d 络合物的催化下的催化效果。( 1 ) 研 究了不同的催化剂配体对反应的影响；( 2 ) 研究了催化剂的用量对反应产率的 中英文摘耍 影响：( 3 ) 溶剂的影响；( 4 ) 碱的影响；( 5 ) 温度对反应的影响；( 6 ) 催化剂 的循环使用清况；( 7 ) 通过对底物的扩展来研究催化剂对底物的适应性。 通过反应条件的优化选择，作者发现了反应的最佳条件。在此反应条件下， 对于不同取代基的芳基磺酰氯和芳基硼酸的s u z u k i 偶联反应，都得到了较好的 产率。催化剂循环使用5 次，仍然保持较好的催化活性。 关键词；s u z u k i 反应；多相催化；n 一杂环卡臭_ p d 络合物：负载催化剂；芳 基磺酰氯 中英文j 倩要 t h es u z u k ir e a c t i o no f a r y l s u l f o n y lc h l o r i d e sa n da r y l b o r o n i c a c i d sc a t a l y z e db ya r e c y e l a b l ep o l y s t y r e n e - s u p p o a e dn h c - p d c o m p l e x s u j u a az h 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 g l u o a b s t r a c t t h es y n t h e f i so f u n s y m m e t r i c a lb i a l y l sp l a y sac r u c i a lr o l ei no r g a n i cs y n t h e s i s m a i n l yb e c a u s eo ft h e i rn u m e r o u sa p p l i c a t i o n si np h a r m a c e u t i c a l s ，p o l y m e r s , a d v a n c e dm a t e r i a l sa n dl i q u i dc r y s t a l s t 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 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 em o s tv e r s a t i l em e t h o d s ，a l t h o u g h s e v e r a lo t h e rm e t h o d sa l ea v a i l a b l ef o rt h i sp u r p o s e t h ek e ya d v a n t a g e so ft h e s u z u l dc o u p l i n ga l et h em i l dd 删o nc 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 f t h ed i v e r s eb o r o n i ca c i d st h a ta l ee 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 n a e t a l l i c r e a g e n t s t h es c o p eo f s u z u k ir e a c t i o nh a sb e e ne x t e n s i v e l ys t u d i e df o ra r y lb r o m i d e a n di o d i d es u b s t r a t c s ，a n dt h ec r o s s - c o u p l i n g so fa r y lc h l o r i d es u b s t m t e sr e c e i v e d c o n s i d e r a b l ea t t e n t i o ni nv i e wo ft h e i ra t t r a c t i v ec o s ta n dr e a d i l ya v a i l a b l ed i v e r s i t y h o w e v e r , t h eu s eo fa r y lc h l o r i d e sa ss u b s t r a t eh a sp r o v e n & f f i c d tb e c a u s eo ft h e i r i n a c t i v i t y a r y l s u l f o n y lc h l o r i d e sa r ei n e x p e n s i v ea n dr e a d i l ya v a i l a b l ec o m p o u n d s ，a n d a r e m o r er e a c t i v et h a nt h ec o r r e s p o n d i n ga r y lc h l o r i d e s t h e r e f o r e , t h e yc a nb eu s e da s l 段t c t a n t si np l a c eo f t h ec o r r e s p o n d i n ga l y lc h l o r i d e si ns o m ec a s e 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 r 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 0a n dp d nc 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 l - 中英丈摘要 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 df i l 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 eb e e nr e p o r t e d ，a n dt h es u z u k ir e a c t i o no fa r y l s u l f o n y lc h l o r i d e st h a t c a t a l y z e db yar e c y c l a b l ep o l y m e r - s u p p o r t e dn h c - p dc a t a l y s th a sn o tb e e ne x p l o r e d y e t t h e r e f o r e i ti s m e a n i n g f u lt od or e s e a r c ho np o l y m e r - s u p p o r t e dn h c - p d c 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 d0 1 1t h ed e s u l f i t a t i v es u z u k i - m i y a u r ar e a c t i o no f a r y l s u l f o n y l c h l o r i d e sa n d a r y l b o r o n i c a c i d si nt h e p r e s e n c e o fa r e e y c l a b l e p o l y s t y r e n e - s u p p o r t e dn h c p dc o m p l e x h e r e i n , s e v e nf a c t o r sw e r ec o n s i d e r e d ：( 1 ) s t u d yo nt h ee f f e c to f n h cl i g a n d s ；( 2 ) s t u d yo l it h ee f f e c to f t h ea m o u n to f c a t a l y s t o bt h ey i e l d ；( 3 ) t h ei n f l u e n c eo fs o l v e n t ；( 4 ) t h ee f f e c to fb a s e ；( 5 ) t h ee f f e c to f r e a c t i o n t e m p e r a t u r eo nt h er e a c t i o n ；( 6 ) t h er e c y c l i n go ft h ec a t a l y s t ；( 7 ) t h e g 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 eo p t i m a lr e a c t i o nc o n d i t i o n sw e l ea c h i e v e da f t e rm a n ys t u d i e s o nt h ec r o s s - c o u p l i n gr e a c t i o n av a r i e t yo fa r y l s u l f o n y lc h l o r i d e sc o n t a i n i n gb o t h e l e c t r o n - d o n a t i n ga n de l e c t r o n - w i t h d r a w i n gs u b s t i t u t e sw e r ew e l lt o l e r a t e db yt h e c a t a l y t i cs y s t e ma n dp r o v i d e dt 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 gp r o d u c t si ng o o d i s o l a t e dy i e l d si nm o s tc a s e s t h ec a t a l y s tc o u l db er e u s e ds e v e r a lt i m e ss t i l l m a i n t a i n i n gi t sc a t a l y t i ca c t i v i t y k e y w o r d s ：s u z u k i r e a c t i o n ；h e t e r o g e n e o u sc a t a l y s i s ；n ，h e t e r o e y c l i c c 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 ；a r y l s u l f o n y lc l g o r i d e s i v - 四大学硕 学位论文 1 1 前言 第一章文献综述 联苯类化合物在天然产物( 如生物碱) 、医药、农药和除草剂、以及液晶等 先进材料中都具有广泛的用途，因此它们的制备方法在有机合成中占有很重要 的位置【l l ，越来越多的化学工作者都致力于联苯类化合物合成的研究，开发新 的合成联苯类化合物的方法。目前，联苯类化合物的合成方法主要有s t i l l e t 2 1 ， k u m a d a e 3 ，和s u z u k i t 4 1 法。( s c h e m e1 1 s f i l l e 法： k u m a d a 法： s u z u k i 法： r 伽+ 诊s n e u s lr x = i b r ，- o s 0 2 c f 3 r 9 x + 岔m x 旦r r 兮+ 岔即三r s c h e m e l 在这些方法当中，k u m a d a 偶联反应起始物用到格氏试剂，它易于和苯环 上的其它官能团反应；s t i l l e 偶联反应起始物用到苯基锡化物，苯基锡化物毒 性较强，对环境危害大；这两种方法副产物都含有金属有机化合物，难于从产 物中分离出去。相对而言，s u z u k i 反应是近年来最为有效，最常用，最方便合 成联苯类化合物的方法之一，因此它在有机合成领域中得到了广泛的应用。 s u z u k i 反应具备以下优点： 四川大学硕士学位论文 ( 1 ) 反应条件比较温和，可以允许反应物带有不同的官能团。 ( 2 ) 芳基硼酸相对于其他有机金属试剂( 例如苯基锡试剂) 经济易得，对 空气不敏感，无毒性，使用安全，对环境友好即】。 ( 3 ) k u m a d ac o u p l i n g ，s t i l l ec o u p l i n g 的副产物都是有机金属化合物，而 s u z u k i 偶联反应的副产物是含硼的化合物，无毒且后处理操作简单，有利于工 业生产的需要。 由于s u z u k i 偶联反应所具有的上述众多优点，使得s u z u k i 反应近年来倍 受化学合成工作者的青睐，成为合成联苯类化合物的方法当中最为有效、最常 用、最方便的方法之一。 以芳基碘和芳基溴为底物的s u z u k i 反应已经得到了长足的发展，近些年来 对于它们的反应已有多篇文献报道。而芳基氯由于其价格便宜、容易得到等优 点，也引起了很多研究小组的注意1 9 。但是由于芳基氯不活泼，它与硼酸的 s u z u k i 偶联反应有时不容易发生【1 0 l 。要使这类反应能够发生，往往需要活性更 高的催化剂或者改变反应的条件，如增大催化剂的量、升高反应温度、延长反 应时间、加入辅助剂等等。以芳基氯为底物的s u z u k i 偶联反应一般仅限于金属 n i 催化或含有吸电基团的芳基氯【l l 】。下面介绍s u z u k i 反应的进展： 1 2s u z u k i 反应研究进展 一般来说，催化s u z u k i 反应的过渡金属主要是金属镍和钯。n i ( 0 ) 可以催化 卤代芳烃与硼酸的s u z u k i 偶联反应。它有许多优点：有较高的活性，价格便宜， 后处理时易于与主产物分离。金属钯催化的s u z u k i 反应取得了长足的发展，并 且大多数的金属钯催化剂能有效的催化芳基碘和芳基溴与硼酸的s u z u k i 偶联 反应。芳基氯与硼酸的偶联反应一般来说比芳基碘和芳基溴的反应要难进行。 用来催化s u z u k i 反应的催化剂一般分为均相催化剂和多相催化剂两种，下面 分别进行讨论： 1 2 1 均相催化削催化s u z u k i 反应进展 四人学硕士学位论文 按照催化剂中心金属的不同，可以分为均相p d 催化和均相n i 催化两种。其 中均相p d 催化的s u z u k i 反应的研究比较多。 1 2 1 1 均相p d 催化 在目前所报道的文献中，化学工作者们对p d 催化s u z u k i 偶联反应的催化 机理作出了推测，他们一致认为p d 催化s u z u k i 偶联反应的循环过程如s c h e m e 2 所示： 丫刚丫 a 卜p d - o h s c h e m e2c a t a l y t i cc y c l ef o rc r o s s - c o u p l i n g so f o r g a n i ch a l i d e sa n do r g a n o b o r a n e s 从s c h e m e2 可以看出，p d 催化的s u z u k i 交叉偶联反应主要经历了以下三 个过程：即氧化插入、芳基阴离子向金属中心迁移和还原消除。卤代芳烃与p d ( o ) 氧化加成后，与1m o l 的碱生成有机钯氢氧化物中间体，取代了键极性相 对弱的p d - x 键，这种含强极性键p d 0 的中间体具有较强的亲电性。另外lt o o l 碱与芳基硼酸生成四价硼酸盐的中间体，具有较强的富电性，有利于阴离子向 a r - p d - o h 的金属中心转移。由这两方面协同作用形成的有机钯络合物a r - p d - a r 经还原消除生成芳基偶联产物。 均相p d 催化剂的配体一般来说主要有膦配体、n - - 杂环卡宾配体等。但是 使用膦配体时需要加入过量的配体来维持催化剂的稳定性，并且膦配体对热、 空气和水等都比较敏感。下面对膦配体的p d 络合物催化的s u z u k i 反应作一简单 网川大学硕士学位论文 的介绍： 膦配体是最常用的配体，p p h 3 ，p c y 3 和p ( t - b u ) 3 都能够有效的催化溴代芳烃 和碘代芳烃与芳基硼酸的s u z u k i 偶联反应。 氯代芳烃相对于溴代芳烃和碘代芳烃而言，其原料易得，价格便宜，是一 种适合大规模生产的理想原料。但是由于其活性低，难以被活化。因此，合成 和筛选高效能的配体足当前s u z u k i 偶联反应研究的一个重大课题。开发新型， 高效的配体来促进氯代芳烃与芳基硼酸偶联反应引起许多科学工作者的兴趣。 在目前所报道的文献中，膦配体与钯形成的络和物催化的芳基氯与硼酸的偶联 反应已经取得了较好的进展，但是有许多配体对于连有吸电基团的芳基氯具有 不错的催化效果，而对于苯环上连有中性或供电基团的芳基氯的效果却不好。 p i e k e a 等【1 2 1 报道了配体1 与p d 2 d b a 3 生成的络合物催化的芳基氯与硼酸的 偶联反应，发现该催化剂只对于连有吸电基团的芳基氯具有较好的催化效果， 而对于连有中性及供电基团的芳基氯，反应的产率仅有3 6 - 5 7 。( s c h e m e3 ) 岔m 。 e l php2心p7嗍-ppph2 z 吣 p - 、q 即忆 2 0 0 3 6 e q 1 圳b 旬盖 r 12 e c l c s 2 c o a 6 0 0 c 5 h s c h e m e3c r o s s - c o u p l i n g so f a r y lc h l o r i d e sa n da r y l b o r o n i ca c i d s s a n t e l l i 等【1 3 - 1 7 】报道了一个四齿膦配体2 ，能高效地催化空间位阻较大的溴 代芳烃，溴代杂环芳烃。但是在催化氯代芳烃的s u z u k i 偶联反应时，它仅对含 有吸电子基的氯代芳烃的s u z u k i 偶联反应具有较好的效果。由于四个二苯基瞵 四川大学硕十学位论文 基处于环戊烷的同一面，因此增大了与钯的配位能力，同时也增强了配合物的 稳定性。 也有一些膦配体催化氯代芳烃的s u z u k i 偶联反应取得很好效果的报道。 b u c h w a l d 等【ls 】发现3 对氯代芳烃的s u z u k i 反应是一个高效的的催化剂，仅用 1 0 - 2 0m 0 1 p d 就能在室温下反应。联苯基瞵配体4 和6 也是个温和的催化 剂，仅用相当低的催化剂量( o 5 1 5m 0 1 p d ) 在室温下就能够催化多种氯代 芳烃偶联。配体4 对于位阻较大的氯代苯衍生物的催化活性优于5 。g u r a m 小 组【1 9 l 合成出了以苯基为骨架的p ，o 双齿配体7 ，对带有吸电子基或供电子基， 以及空间位阻大的氯苯衍生物都具有很好的催化活性，产率可以达到8 3 9 7 。 7 以上所列举的只是几种有代表性的例子，还有很多关于膦配体催化s u z u k i 反应的报道。虽然膦配体催化的s u z u k i 反应已经取得了很好的进展，但是大多 数膦配体对空气和湿气敏感，需要在惰性气体环境中才能有效的催化反应，而 且很多情况下还需要加入过量的膦配体来稳定金属络合物才能够取得较好的效 果。这对于大规模的工业生产带来了诸多不便。因此，人们不断探索代替膦配 体的新配体来克服这一不足。n 一杂环卡宾配体是近十年来探索出来的最为成 功的仿膦新配体之一。 n - 杂环卡宾配体是一类很重要的卡宾配体，它们类似b o t t l e 结构( s c h e m e 4 ) ，具有相当的5 供电配体特性，在化学反应中能够取代其他经典的2 e 供电 配体，诸如胺，醚甚至膦配体【2 们。理论计算证明n - 一杂环卡宾配体能够与多种 印6 q r p 唇妇。 芩4 电9 苓譬 四川太学硕士学位论文 金属之间形成具有较高离解能的碳一金属键，因而具有相当的稳定性【2 1 i 。因此， 在n 一杂环卡宾配体催化的化学反应中，不需要加入过量的配体来抑制配体从 金属中心上的解离。 1 9 6 8 年，o f e r e 第一次报道了n 一杂环卡宾【2 2 1 ，但是却一直没有引起人们应 有的重视。自从1 9 9 1 年，a r d u e n g o 既a l 第一次分离得到稳定存在的n 一杂环卡 宾单晶【2 3 2 5 1 以后，人们逐渐对n 一杂环卡宾加以重视，n 一杂环卡宾化学才进入 了一个崭新的发展时期。有很长一段时间，n 一杂环卡宾配体都是以膦配体模拟 物的形式出现的，直到最近几年，人们对它进行了深入的研究，特别是发现了 n 一杂环配体能够催化许多反应，在许多方面卡宾配体已经超越甚至取代了膦配 体，n 一杂环卡宾配体的研究才完全进入了自己的时代。 wn 四 f j = ( r_ ) = ( 1 hwf j = ( r 7 n y n 、rr 7 n y n 、r r ，一y 、n 、r r - n y n r i m l d a z o l y l i d e n e i m i d a z o l i n y l i d e n e b e n e z i m i d a z o l y l i d e n et r i a z o l i n y l i d e n e s c h e m e 4 n 一杂环卡宾与叔膦配体一样，都是优良的电子供体，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 e m i m i c s ) ，从而拓展了配体的 研究领域。与膦配体相比，n 一杂环卡宾配体具有成本低廉，制备简单，毒性 小，稳定性高等特点。因而，在最近的十年里，n 一杂环卡宾配体吸引了许多 研究小组的注意，将其应用到多种催化反应，取得了令人满意的结果。 1 9 9 8 年，w o l f g a n ga h e r r m a n n 等【2 6 1 报道了用1 0m o t 黝1 3 能够有 效的催化芳基溴与硼酸的s u z u k i 偶联反应，在1 2 0 c 时反应1 2 小时产率可达 9 9 ，而在相同的温度下用于催化芳基氯的s u z u k i 偶联反应时，4 8 小时后有 6 0 的产率。 后来h e r r m a n n 等人 2 7 1 应用1 0t 0 0 1 p d ( i i ) n h c 络合物1 3 在1 3 0 ( 3 催化对 氯苯乙酮与苯硼酸偶联，反应的溶剂也为甲苯。( s c h e m e 5 ) 四川大学硕士学位论文 r ” 邯 r = o c h 3y t e l d6 9 r = h y t e l d8 7 r = c o c h 3y i e l d9 0 黑0 m 堕0 1 p 黔d 附呲 1 r c 一屯j x y l e n e ，1 3 0 c s c h e m e5c r o s s c o u p l i n go f a r y lc h l o r i d e sa n db o r o n i ca c i d s 2 0 0 3 年，v i c t o rc v a r g a s 等口8 1 报道了配体8 - - 1 2 与钯源p d ：( d b a ) 3 生成的络 合物对s u z u k i 偶联反应的催化效果。发现只有空间位阻较大的配体8 对氯代芳 烃与硼酸的s u z u k i 偶联反应具有催化效果，产率4 6 ，而其它配体均没有催 痧净一 c p b 旷q 、，p 哪 宁 1 1 l i g a n d ( 3 0o r6 0t 0 0 1 、 p d z ( d b a ) 3 ( 1 ，5t 0 0 1 ) - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - c s 2 c 0 3 ( 2e q ) d i o x a n e 1 0 x = c i ，b r , i s c h e m e6c r o s s - c o u p l i n g so f a t y l h a l i d e sa n db o r o n i ca c i d s 化效果。但是这些配体对于碘代芳烃的s u z u k i 反应均具有很好的催化效果，产 q扒e p k p ，q 住 争r 忆 即臼 9 x 四川大学硕士学位论文 率较高，对于溴代芳烃也都具有催化效果。( s c h e m e6 ) c a d d i c k 。c 1 0 k e 等 2 9 a 在2 0 0 4 年报道了具有较大空间位阻的配体1 4 与钯生成 的络合物催化的氯代芳烃的s u z u k i 反应，反应温度为4 0 。c 。但是该体系中还要 加入四丁基溴化铵作为辅助催化剂。作者指出，在不加入四丁基溴化铵的情况 下，没有相应的产物生成。加入四丁基溴化铵后，对位连有吸电基的芳基氯产 率可达9 5 ，而邻位取代的芳基氯和芳基硼酸产率只有7 0 左右。( s c h e m e7 ) 9 a + g8洲k罟pd2(dba)3(3 t 0 0 1 ) s c h e m e7s u z u k i - m i y a u r ar e a c t i o no fa r y lc h l o r i d e su s i n gi p r h c l n o l a n 等【2 9 b 1 也报道了对空气稳定的配体1 4 的钯络合物催化芳基氯的s u z u k i 反应，但是要在较高的温度下才能得到满意的收率。l a b e l 等【3 川发现配体1 5 也能 有效的催化芳基氯的s u z u k i 反应，但是也需要较高的温度。 h e n m a n n 等m 1 报道了具有较大空间位阻的配体1 6 与钯形成的二配位的络合 物能在室温下催化芳基氯的s u z u k i 反应，但是对于邻位上有取代基的芳基氯或 硼酸效果不好。 g l o r i u s t j 、组【3 2 】报道了配体1 7 与钯生成的二配位的络合物能够在室温下有效 的催化各类芳基氯( 包括有位阻，无位阻，活泼与不活泼的芳基氯) 与硼酸的 反应，作者推测配体1 7 比1 6 效果好的原因主要是其具有良好的柔韧性。虽然说 1 5 四川大学硕士学位论文 ，= = 、 9 n 咛 1 8 7 从配体的空间位阻角度来看1 6 的空间位阻比1 7 的大，有利于还原消除过程，但 是却不利于氧化加成和金属转移过程，所以1 6 的效果不如1 7 。 2 0 0 5 年，n i l o u f a rh a d e i 等【3 3 l 研究了催化剂的n e i c 配体结构对氯代芳烃与硼 酸的s u z u k i 偶联反应的影响。发现卡宾n 上连有较大空间位阻的基团对还原消除 过程有利，而具有电富性的卡宾配体对氧化加成和金属转移过程有利。作者同 时指出，催化剂对氯代芳烃的s u z u k i 反应的催化效果是以上两种因素共同作用 的结果，所以配体的空间位阻和电子因素之间必须存在一个适当的平衡才能有 效的催化氯代芳烃的s u z u k i 偶联反应。( s c h e m e8 ) b ( o h ) 2 c i 中r + 中篙 r 。 u k 。剐。e b ”。u s c h e m e8s u z u k ir e a c t i o no f a r y lc h l o r i d e sa n da r y l b o r o n i ca c i d s 四川大学硕十学位沦文 弋 x 。r = o f , m h e x x 溺 只 9 n r 、 1 2 1 2 均相n i 催化 均相n i 催化剂一般可以催化芳基氯与硼酸的s u z u k i 偶联反应，它可以由 n i c l 2 ( d p p f h ，n i c l 2 ( p p h 3 ) 2 2 p p h 3 和还原剂n - b u l i ，z n 原位生成【蚓，如果要取 得更高的产率，可以在体系中添加膦配体。( s c h e m e9 - 1 0 ) r g - x + 9 删z x = c ib r , r = e w g e d g n i c l 2 ( d p p o ，n - b u u k 3 p 0 4 。d i o x a n e 。8 0 ( 2r r = m e o ，4 - f ，3 - n h 2 ；r - = 4 - c o c h 3 ，4 一c h o ，4 一c o p h ，4 一c h 3 s c h e m e l 0 m i y a u r a 等【3 5 1 报道了用n i c l 2 ( p p h 3 ) 2 2 p p h 3 作催化剂，以k 3 p 0 4 b h z o 作为 碱来催化s u z u k i 反应，这个催化体系的特点就是不需要另外再加入还原剂就能 圈 一 跳 孵塑h 却oi扩懈 一一一一 9 洲吨 忿 四川大学硕士学位论文 有效的催化氯苯与苯硼酸的偶联反应。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 e1 1 ) 。 n i c l 2 ( p p h 3 ) 2 型亟盟1 2 l ，n i ( p p h 3 ) n + a r - a r k 3 p 0 4n h 2 0 t o l u e n e 。 r 岔x +yeco联toluene8 0 - 1 0 0r 9 旬、= d“、= _ u s c h e m e1 1 另外也有n i 的非膦配体络合物催化s u z u k i 偶联反应的报道。l e a d b e a t e r 小 组【3 田报道了能够在空气中稳定存在的催化剂1 8 ，它的催化效果与1 9 相当。通 过选择的最佳反应条件，络合物1 8 可以有效地催化芳基碘、芳基溴以及芳基氯 的s u z u k i 交叉偶联反应。( s c h e m e1 2 ) e t 2 n n e l 2 n i c i c l 1 81 9 p x + d 即盼n j c 1 2 ( n e t 3 ) 2 。, k 。3 p 0 4 , r x = c i ，b r s c h e m e1 2 从以上的叙述可以看出，氯代芳烃的s u z u k i 偶联反应要想取得较好的收率， 就需要合成新的高效的催化剂，或者提高反应温度，延长反应时间，还有的需 要加入相转移催化剂才能完成反应，因此，探索一种可以代替氯代芳烃来进行 s u z u k i 偶联反应的方法是值得化学工作者研究的课题，并且具有理论意义和现 9 、母- 四川大学硕士学位论文 实意义。 1 2 2 多相催化剂催化s u z u k i 反应进展 虽然均相催化的s u z u k i 偶联反应已经取得了不错的进展，但是均相催化反 应存在着一些固有的不足：例如价格比较昂贵的p d 不能重复使用，流入环境， 对环境造成污染，另外产物中总残留有金属钯。特别是在精细有机合成中，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 2 2 1 多相催化的优点 在均相催化反应中，催化剂难以回收和重复使用，对环境造成污染。而s u z u k i 反应在工业化的过程中需要解决的难题之一是要降低催化剂的成本、提高催化 剂的效率、使用寿命和避免产物中含有金属离子。为了解决这个难题，就需要 把催化剂固载到高分子化合物或者无机氧化物上。固载化的催化剂，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， 降低了工业生产的成本。具有相当的工业应用前景和一定的现实意义。 1 2 - 2 2 多相p d 催化 多相催化剂的载体可以是有机高分子，也可以是无机物。下面分别给予介绍： 有机高分子聚合物作为载体的多相催化的s u z u k i 反应报道较多。作为固载 用的有机高分子聚合物大致可以分为线型和交联两大类，其中线形的聚合物是 可溶的，而交联的聚合物是不溶的。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1 3 7 1 。聚乙烯固载的催化剂在2 5 。c 不溶，在9 0 一1 1 0 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剂和沸点较低的溶剂不适合【3 羽。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 四川大学硕士学位论文 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( 尤其是对于较贵的催化剂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荆的微环境，可以提高催化剂的选择性【4 0 1 。 有机高分子聚合物固载的膦配体的钯催化剂催化的s u z u k i 反应已经有文 献报道。如i s a b e l l e 等1 4 1 j 用交联聚苯乙烯固载钯催化剂，固载催化剂具有良好 的稳定性，可以在2 0 c 的空气中保存一年，并且对于苯基硼酸与4 一溴吡啶的 偶联反应有较好的催化活性，催化剂可以循环使用五次以上。p a r r i s h 等人 4 2 1 以交联聚苯乙烯固载膦钯催化剂，对非活泼卤代芳基烃有较好的催化活性。作 者发现用c s 2 c 0 3 代替k f 、k 3 p 0 4 作为碱时，催化循环的效果较好，循环使用 四次仍有8 3 的产率。y a m a d a 等人t 4 3 1 , 0 各了可溶性含膦配体的两亲共聚物与 钯源自组装得到不溶性催化剂，在1 0 0 催化碘苯和溴苯的s u z u k i 反应，反 应2 4 小时，可得到较高的收率。u o z u m i 等1 4 4 1 把两亲钯膦络合物固载到p e g p s 树脂上，催化s u z u k i 反应。反应只用水作溶剂，对碘苯和溴苯可以得到8 0 左 右的收率a k i y a m a 等 4 5 1 人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。能够有效的催化溴苯的s u z u k i 反应， 产率可以达到8 9 左右。 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。 ， z h a n g 等附l 报道了将催化剂负载于d e l o x a nn 口树脂上，对具有吸电子碘代 和溴代芳烃的效果较好。p h a n 等人m 西佛碱的钯络合物负载到m e r r i f i e l d 树 脂催化溴苯与苯硼酸反应有较高的催化活性。 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 网i 【i 丈学硕十学位论文 被称为“仿瞵配体”( p h o s p h i n e m i m i c s ) 。n - 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t 4 叭、h e c k t 4 9 1 反应、芳基硼 酸与醛的加成反应【5 0 1 以及烯烃的氢甲酰化反应1 5 1 1 中的应用研究已经有文献报 道，但是用高分子负载的n 一杂环卡宾金属络合物催化s u z u k i 反应的报道还比 较少。 张洪彬等【5 2 1 报道了硅胶负载的四齿n - 杂环卡宾前体2 0 的钯的络合物催化 的s u z u k i 反应，对于溴代的芳烃具有较好的催化效果，产率最高可达9 8 。该体 系的优点是用水做溶剂，不需要惰性气体的保护，只在空气中就可进行，催化剂 用量一般为0 1 0 5t 0 0 1 p d 。但是这种硅胶负载的催化剂的循环使用效果不是 很理想，只能重复使用2 3 次。 a ：r = 2 6 - d i i s o p r o p y l p h e n y l ； b ：r = m e s d y l ； c ：r = t e r t - b u t y l 4 b p 2 0 p a t r i c kgs t e e l 等1 5 那入报道了一种可以循环使用1 4 次以上而催化活性不降 低的聚合物负载的n 一杂环卡宾p d 催化剂2 2 。作者发现含有酰胺基的络合物 2 l 与不含酰胺基的母体化合物相比其催化活性基本没有降低，因此作者设计了 由末端含有氨基的t e n t ag e l 树脂衍生来的聚合物负载的己酸脂作为催化剂来 催化溴代芳烃和碘代芳烃的s u z u k i 反应，反应的产率较高( 9 5 ) 以上。对于 碘代芳烃的反应，催化剂循环使用1 4 次时反应的产率仍能达到9 5 。但是反 应所需要在1 6 5 下才能进行。 四川大学硕士学位沦文 业：业- r 7r - r n h c o ( c h 2 ) 5 n h 2 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - _ p y - b o p ，n e 【3 ，d m s o 2 c r c o n h r 2 1 q h ，n h ( c h z ) s c o n h c h 2 - t g v y 的n s i l