熊興泉

(華僑大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,福建泉州 362021)

Pd催化交叉偶聯(lián)反應(yīng)研究進(jìn)展

熊興泉

(華僑大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,福建泉州 362021)

綜述以 Heck反應(yīng)、Negishi反應(yīng)和Suzuki反應(yīng)為主導(dǎo)的Pd催化交叉偶聯(lián)技術(shù),著重闡述以磁性納米粒子(MNPs)、高分子為載體的負(fù)載型Pd催化劑的研究進(jìn)展及其在有機(jī)化學(xué)中的應(yīng)用.

Pd催化劑;交叉偶聯(lián)反應(yīng);Heck反應(yīng);Negishi反應(yīng);Suzuki反應(yīng)

目前,Pd催化交叉偶聯(lián)反應(yīng)主要包括鹵代芳香烴與烯烴之間的 Heck反應(yīng)[1-4]、與有機(jī)鋅試劑之間的Negishi反應(yīng)[5-6],以及與有機(jī)硼酸之間的Suzuki反應(yīng)[7-9].由于有著反應(yīng)選擇性好、催化效率高、反應(yīng)條件溫和及反應(yīng)原料來源豐富等優(yōu)點,該類型的反應(yīng)已經(jīng)成為有機(jī)合成化學(xué)和催化化學(xué)領(lǐng)域研究的熱點,在天然產(chǎn)物、高分子材料、功能材料和液晶材料的合成及醫(yī)藥生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用[10-11].就催化機(jī)理而言,Pd催化交叉偶聯(lián)反應(yīng)有3個相似的歷程:(1)氧化加成,即Pd催化劑氧化插入鹵代物形成中間體R2-Pd(Ⅱ)-X;(2)金屬轉(zhuǎn)移.即過渡金屬化產(chǎn)生R1-Pd(Ⅱ)-R2中間體;(3)還原消除,即生成偶聯(lián)產(chǎn)物R1-R2,同時Pd催化劑重新進(jìn)入催化循環(huán).Pd催化交叉偶聯(lián)反應(yīng)是以貴金屬Pd作催化劑的,但由于Pd有毒且在使用過程中易析出極細(xì)的Pd粉,不僅使催化劑的使用壽命短、實用性差,也使產(chǎn)物的純化困難.因此,如何提高催化劑的使用壽命成為降低反應(yīng)成本一個非常關(guān)鍵的因素.

1 磁性納米粒子負(fù)載Pd催化劑

磁性納米粒子(MNPs)由于制備方法多樣,工藝相對容易控制,具有結(jié)構(gòu)和功能的可調(diào)控性,以及其在磁性、催化等多方面的良好特性,日漸成為研究熱點.將MNPs作為Pd催化劑的載體,可以使催化劑易從反應(yīng)體系中分離和回收.

文獻(xiàn)[12]利用疊氮與炔基之間的“點擊”反應(yīng),將外圍為疊氮功能化的MNPs與炔基功能化的二吡啶基甲醇連接起來;然后,利用吡啶與Pd之間的配位作用,制備出負(fù)載Pd催化劑的MNPs,并利用紅外光譜(IR)和透射電子顯微鏡(TEM)等手段對其進(jìn)行表征.磁性納米粒子負(fù)載Pd催化劑能很好地催化芳基硼酸與芳基溴之間的Suzuki反應(yīng),合成含有取代基的聯(lián)苯型芳香化合物的產(chǎn)率為85%～99%.實驗表明,該類催化劑在外加磁場作用下容易回收,并具有較好的重復(fù)使用性能.

2009年,韓國仁荷大學(xué)的 Taher等[13]分別將含有咪唑基團(tuán)的三甲氧基硅烷及氮雜Pd卡賓鍵合到外圍為羥基功能化的MNPs上,制備出具有磁性的氮雜Pd卡賓納米粒子.同時,在以水作溶劑的反應(yīng)體系中,將該催化劑用于催化芳基硼酸與芳基溴之間的Suzuki反應(yīng),以92%～98%的高產(chǎn)率合成聯(lián)苯型芳香化合物.實驗表明,該類催化劑表現(xiàn)出優(yōu)良的催化性能及較高的穩(wěn)定性能,且連續(xù)使用5次后,仍顯示出好的催化特性(Suzuki反應(yīng)產(chǎn)率仍能維持在93%).

2 高分子負(fù)載Pd催化劑

高分子載體材料可以分為天然高分子載體和合成高分子載體.一般而言,作為高分子載體應(yīng)該具有以下3個特點:(1)容易進(jìn)行化學(xué)修飾,即一般可以利用功能性單體進(jìn)行聚合或在聚合完成后再進(jìn)行功能化,使-OH,-NH2或 -COOH功能化的高分子載體能與Pd催化劑的配體(如三芳基膦)結(jié)合;(2)較大的比表面積,即可提高Pd催化劑的分散度,從而可提高催化劑的催化效率;(3)具有一定的強(qiáng)度及較好的化學(xué)穩(wěn)定性,可達(dá)到延長催化劑使用壽命并使其易于分離和回收的目的.

2.1 天然高分子載體

天然高分子材料,例如淀粉、田菁膠、殼聚糖等,由于原料價廉易得,表面官能團(tuán)豐富(分子中含有大量羥基或氨基),是負(fù)載Pd的理想載體材料.2004年,Hdary等[14]以天然高分子殼聚糖為載體,制備出殼聚糖Pd配合物催化劑,并成功將該催化劑用于Sukuzi和 Heck偶聯(lián)反應(yīng)中.實驗表明,該催化劑催化取代型鹵代芳烴與苯硼酸之間的Suzuki反應(yīng)效果很好,短時間就可以獲得較高的產(chǎn)率.特別對于有供電子基團(tuán)(如-OMe)的底物,其產(chǎn)率會更高一些;含吸電子基團(tuán)(如-NO2或-CN)的產(chǎn)率很低,并且催化劑會分解成黑色固體.

溴代和碘代芳烴均有明顯活性,但氯代苯在反應(yīng)18 h后產(chǎn)率僅為3%,基本無活性.催化劑用極性溶劑,如甲醇洗滌后可以重復(fù)使用.將此催化劑用于碘代苯和丙烯酸正丁酯、苯乙烯等的 Heck反應(yīng)中,催化活性也很高,分別以87%和88%的產(chǎn)率合成出肉桂酸丁酯和反式的1,2-二苯乙烯.

Calo等[15]也以殼聚糖為原料制備出殼聚糖負(fù)載的納米Pd催化劑,并在離子液體中系統(tǒng)研究該催化劑對鹵代苯與丙烯酸正丁酯之間 Heck反應(yīng)的催化性能.結(jié)果表明,當(dāng)以四丁基溴化銨為溶劑、四丁基乙酸銨為堿時,該催化劑的活性較高.在130℃條件下反應(yīng)15 min,溴代苯生成酯的產(chǎn)率高達(dá)98%;而在100℃下,僅反應(yīng)5 m in,碘代苯的產(chǎn)率也達(dá)95%,并且在該條件下重復(fù)使用10次以上,催化劑仍能保持明顯的催化活性.

2.2 合成高分子載體

合成高分子載體一般分為可溶性高分子載體與不溶性高分子載體.研究表明,不溶性高分子載體存在負(fù)載量低、傳質(zhì)困難、催化活性中心與底物接觸幾率小等缺陷;而可溶性高分子載體可克服以上不溶性高分子載體的缺點.通過將催化劑負(fù)載在可溶性載體上可以實現(xiàn)“均相反應(yīng),兩相分離”的目的.目前,常見的合成高分子載體材料主要有聚酰亞胺、聚苯乙烯、聚苯乙烯-聚乙二醇接枝共聚物、聚醚型樹狀分子等聚合物材料.

Seokin等[16]通過二酐單體與含Pd的二胺單體之間的縮聚反應(yīng),合成了一種新型的含 Pd的聚酰亞胺催化劑.在極性溶劑中,以Cs2CO3做縛酸劑,可以高效催化苯乙烯與鹵代芳烴的Heck反應(yīng).實驗表明,在80℃條件下反應(yīng)2 h,碘代苯與苯乙烯反應(yīng)產(chǎn)率可達(dá)93%.在相似條件下,該催化劑也能高效催化鹵代苯與苯硼酸之間的Suzuki反應(yīng),反應(yīng)2 h后的Suzuki反應(yīng)產(chǎn)率也可達(dá)93%.研究表明,該類催化劑能有效克服有機(jī)膦,特別是富電子的苯基膦導(dǎo)致的在大規(guī)模制備中存在的高價格、低反應(yīng)速率及空氣敏感等缺陷.

Dahan等[17]以羥基功能化的聚苯乙烯樹脂為原料,將其與羧酸功能化的苯基膦進(jìn)行縮合反應(yīng),合成了不同代數(shù)且固定于聚苯乙烯樹脂上的樹枝狀載體負(fù)載Pd催化劑.將其用于溴代苯和丙烯酸正丁酯、苯乙烯等的Heck反應(yīng)中,表現(xiàn)出良好的催化活性.研究表明,樹狀分子代數(shù)越高,對Heck反應(yīng)的催化活性和選擇性越高,代數(shù)增加一代,可以使其中一些反應(yīng)產(chǎn)率增加5倍.

3 Pd催化交叉偶聯(lián)反應(yīng)在有機(jī)合成中的應(yīng)用

Pd催化交叉偶聯(lián)反應(yīng)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于許多物質(zhì),特別是一些抗癌藥物及抗炎癥藥物的合成研究和工業(yè)化生產(chǎn)[18-20].在天然產(chǎn)物合成方面,分子間或分子內(nèi)的Pd催化交叉偶聯(lián)反應(yīng)被用作合成中的關(guān)鍵步驟.值得一提的是,1996年,Danishefsky等[21]成功地將 Heck反應(yīng)應(yīng)用在紫杉醇全合成的關(guān)鍵步驟中,并取得良好的效果.另外,Heck反應(yīng)也被成功應(yīng)用于另一新的綠色抗腫瘤藥物——白藜蘆醇的全合成中.Guiso等[22]以Pd(OAc)2作催化劑,以3,5-二乙酰酯基取代的苯乙烯與對乙?；獗竭M(jìn)行Heck反應(yīng),以70%的收率制備出全乙?；邹继J醇,最后幾乎以定量的產(chǎn)率去掉乙?；蟮玫桨邹继J醇.Andrus等[23]用3,5-二羥基苯甲酸為起始原料進(jìn)行4步反應(yīng),以52%的總產(chǎn)率合成出白藜蘆醇,其中Heck反應(yīng)一步收率可達(dá)73%.

M enche等[24]在H2O與M eCN的混合體系中,以三乙胺做縛酸劑,二(三苯基膦)二氯化Pd作為催化劑,催化烯基碘化物與乙烯衍生物之間的Heck反應(yīng),合成具有抑制癌細(xì)胞生長活性的藥物活性分子A rchazolid A.結(jié)果表明,該反應(yīng)以55%的收率合成出關(guān)鍵中間體,并有較好的選擇性(E/Z=6∶1).

Negishi反應(yīng)也被成功應(yīng)用于藥物及天然產(chǎn)物的合成中.Chacko等[25]以二(三叔丁基膦)Pd作催化劑,以碘代核苷衍生物及多種有機(jī)鋅試劑進(jìn)行Negishi反應(yīng),以34%～65%的收率制備出一系列具有生物活性和藥物活性的5-氟烷基嘧啶核苷衍生物.另外,Negishi等[26]利用兩步Negishi反應(yīng)成功合成出β-胡蘿卜素和其相關(guān)衍生物.Negishi反應(yīng)也可以方便地合成一些具有藥物活性的海洋天然產(chǎn)物,如Discodermolide,Nakienone A的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)片段[27-28].

與金屬有機(jī)化合物相比,芳基硼酸對熱、空氣、水不敏感,具有廉價、低毒等優(yōu)點.因此,苯硼酸與芳基溴代物之間的Suzuki反應(yīng)也成為合成具有生物活性天然產(chǎn)物的常用方法.例如,具有調(diào)節(jié)鈣和磷代謝作用的維生素D3的合成就采用了Suzuki反應(yīng)[29].

4 研究展望

Pd催化交叉偶聯(lián)反應(yīng)是現(xiàn)代有機(jī)合成中構(gòu)成C-C鍵的重要方法之一.由于該類型的反應(yīng)具有選擇性好、產(chǎn)率高、官能團(tuán)耐受性好,以及對底物的兼容性較好等優(yōu)點,因而受到人們越來越多的關(guān)注,并已經(jīng)在在醫(yī)藥以及天然產(chǎn)物合成中得到了廣泛的應(yīng)用.然而,到目前為止,Pd催化交叉偶聯(lián)反應(yīng)還存在以下3個關(guān)鍵問題:(1)Pd催化劑價格昂貴且有毒,使其在醫(yī)藥合成工業(yè)上的應(yīng)用受到限制;(2)如何研究出高活性負(fù)載型Pd催化劑,使其既保持活性又易于分離和回收;(3)如何進(jìn)一步拓寬Pd催化交叉偶聯(lián)反應(yīng)的應(yīng)用范圍.

2010年的諾貝爾化學(xué)獎頒發(fā)給了長期從事于Pd催化交叉偶聯(lián)反應(yīng)的 Heck,Negishi和Suzuki等3位化學(xué)家,這將進(jìn)一步激發(fā)越來越多研究者關(guān)注這一領(lǐng)域,并解決以上問題.實踐證明,將Pd催化劑以化學(xué)或物理的方式負(fù)載于無機(jī)或有機(jī)高分子載體,如MNPs或聚合物等上,不僅可以延長其使用壽命,而且催化劑也易于分離和回收.

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(責(zé)任編輯:陳志賢英文審校:熊興泉)

Recent Advances in Pd-Catalyzed Cross-Coupling Reaction

XIONG Xing-quan
(College of Material Science and Engineering,Huaqiao University,Quanzhou 362021,China)

Recent advances in the palladium-catalyzed cross-coup ling reactions,which mainly exemplified by Heck reaction,Negishi reaction and Suzuki reaction,are discussed herein.A t the same time,it emphasizes the progress of magnetic nanoparticles(MNPs)or polymer-supported Pd catalysts and its applications in organic chemistry.

palladium-catalyzed;cross-coup ling reaction;Heck reaction;Negishi reaction;Suzuki reaction

O 643.32;TQ 426.81

A

1000-5013(2011)02-0121-04

2010-11-22

熊興泉(1980-),男,博士,主要從事“點擊”化學(xué)及結(jié)構(gòu)可控聚合物的研究.E-mail:xxqluli@hqu.edu.cn.

國家自然科學(xué)基金資助項目(21004024);福建省青年科技人才創(chuàng)新項目(2008F3067)