林夢依 王 聰 李維婷

(紹興文理學(xué)院 化學(xué)化工學(xué)院，浙江 紹興312000)

0 引言

Suzuki反應(yīng)是現(xiàn)代有機合成化學(xué)中構(gòu)筑碳碳單鍵的有效方法之一[1].經(jīng)典的Suzuki反應(yīng)以鈀為催化劑，在配體和堿的存在下，鹵代芳烴和芳基硼酸于均相體系中進行偶聯(lián)得到聯(lián)芳基化合物[2].均相Suzuki反應(yīng)雖然具有催化活性高和反應(yīng)選擇性好等優(yōu)點，但是也存在催化劑與產(chǎn)物不易分離，催化劑不易回收利用以及對產(chǎn)品造成金屬污染等缺點，這在很大程度上限制了均相Suzuki反應(yīng)在醫(yī)藥工業(yè)上的應(yīng)用.

非均相Suzuki反應(yīng)具有催化劑與產(chǎn)物容易分離，催化劑可回收以及重復(fù)利用等優(yōu)點，在工業(yè)上具有更好的應(yīng)用前景.非均相Suzuki反應(yīng)受到了廣泛的關(guān)注[3].近年來，人們發(fā)展了一系列高效的非均相催化劑進行Suzuki反應(yīng)[4,5].

Al2O3是一類非常重要的材料，具有很好的穩(wěn)定性，并被廣泛地應(yīng)用于多種非均相催化劑的制備[6].Al2O3也可以作為KF的載體而制成KF-Al2O3固體堿，并可被應(yīng)用于多種有機化學(xué)反應(yīng).本文以市售納米Al2O3為Pd(OAc)2的載體制成非均相催化劑Pd-Al2O3，并將其運用于Suzuki反應(yīng)中.實驗表明，該催化劑對Suzuki反應(yīng)不僅具有很好的催化活性而且能被多次重復(fù)利用而不降低其催化性能.

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

試劑：納米Al2O3(阿拉丁試劑公司)，芳基硼酸和鹵代芳烴(阿拉丁、TCI或Across等公司)、乙醇(江蘇永華，AR)、四氫呋喃(上海潤捷)、水(去離子水)、碳酸鉀(西隴化工).

儀器：電子天平(sartorius BSA 124S))、離心機(上海手術(shù)器械廠80-2和sigma 1-14)、氣相色譜(Agilent 7890)、核磁共振儀(Bruker AV 400 MHz)、旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀(büchi R-210).

1.2 Pd-Al2O3催化劑的制備

稱量納米Al2O3(1g)用馬弗爐在1000 ℃下焙燒3h后冷卻到室溫.稱量Pd(OAc)2(10 mg)于50 mL圓底燒瓶中，加入四氫呋喃(30 mL)進行溶解，在攪拌下加入上述冷卻的Al2O3.攪拌4h后四氫呋喃變澄清，用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀進行減壓去掉四氫呋喃，再用真空油泵進行進一步干燥，所得固體即為Suzuki反應(yīng)的催化劑Pd-Al2O3.催化劑在使用過程中Pd(OAc)2的含量以其理論值(1 wt%)計算.

1.3 Pd-Al2O3催化Suzuki反應(yīng)的實驗步驟

在10 mL耐壓反應(yīng)管中，依次磁子、鹵代芳烴(0.25 mmol)、芳基硼酸(0.375 mmol)、Pd-Al2O3催化劑(14 mg，含0.14 mg 醋酸鈀，0.25 mol%)、K2CO3(0.5 mmol)、去離子水(1 mL)和乙醇(3 mL).反應(yīng)管用硅橡膠墊密封后在100℃的油浴中加熱(碘代芳烴的反應(yīng)時間為0.5h，溴代芳烴的反應(yīng)時間為2.5～3h).反應(yīng)結(jié)束后取少量反應(yīng)液用sigma 1-14型離心機進行高速離心(15000轉(zhuǎn)/分鐘)所得液體進行氣相分析.

1.4 Pd-Al2O3循環(huán)使用實驗步驟

在10mL耐壓反應(yīng)管中，依次加入磁子、對碘甲苯(1.5 mmol)、苯硼酸(2.15 mmol)、Pd-Al2O3催化劑(84 mg，含醋酸鈀3.7×10-4 mmol,0.25 mol%)、碳酸鉀(3 mmol)、無水乙醇(3 mL)和去離子水(1 mL).反應(yīng)管用硅橡膠片密封，在100℃下反應(yīng)0.5小時后用離心的方法(1500轉(zhuǎn)/分鐘)進行固液分離.所得的液體進行氣相分析，而催化劑在原反應(yīng)管中依次用乙醇(2 mL)、水(2 mL×2)、乙醇(2 mL×2)洗滌，每次洗滌后都用離心的方法進行固液分離，最后在反應(yīng)管中得到催化劑后再加入上述等量的反應(yīng)試劑進行下一次實驗.重復(fù)第五次反應(yīng)后，將反應(yīng)液用離心的方法進行固液分離.取少量液體進行GC分析，而催化劑用乙酸乙酯(3 mL×2)洗滌后，將乙酸乙酯與上述液體合并，加水(5 mL)，用乙酸乙酯(15 mL×2)萃取，合并有機相，并用飽和食鹽水洗滌后用無水硫酸鈉干燥，減壓濃縮，柱層析進行產(chǎn)物分離.

2 結(jié)果與討論

2.1 Pd-Al2O3催化劑的重復(fù)催化效果

與均相反應(yīng)相比較，非均相催化的最大優(yōu)勢是催化劑能夠得以回收和再利用.在回收方面，非均相催化劑一般只需簡單的過濾或離心操作；而在利用方面，回收所得催化劑的催化效果是衡量非均相催化劑的一個重要指標.因此，我們首先需要對Pd-Al2O3催化劑的重復(fù)催化效果進行考察.我們以對碘甲苯和苯硼酸為原料，K2CO3為堿，乙醇和水為溶劑進行了重復(fù)實驗(如表1).我們發(fā)現(xiàn)：用微量的Pd(OAc)2(0.25 mol%)，將反應(yīng)混合物在100 ℃下加熱0.5 h就能以96%的收率得到所需的偶聯(lián)產(chǎn)物，說明該Pd-Al2O3具有非常好的催化活性.反應(yīng)后，我們通過離心、水洗滌、乙醇洗滌等操作在原反應(yīng)試管中得到Pd-Al2O3催化劑進行下次重復(fù)實驗.從表1可知,Pd-Al2O3催化劑在重復(fù)5次后還能以96%的氣相收率和90%的分離收率得到產(chǎn)物，這說明Pd-Al2O3催化劑在多次重復(fù)使用后沒有降低催化活性.

表1以4-碘甲苯和苯硼酸為原料對Pd-Al2O3催化劑進行重復(fù)催化的實驗結(jié)果.

實驗12345收率(%)9694949996(90b)

2.2 Pd-Al2O3催化劑在Suzuki反應(yīng)中的底物普適性

我們用不同的鹵代芳烴和芳基硼酸對Pd-Al2O3催化劑在Suzuki反應(yīng)中的底物普適性進行了探索.從表2的結(jié)果可知：反應(yīng)對有吸電子基團和給電子基團的鹵代芳烴都具有很好的兼容性，如：反應(yīng)性較好的碘代芳烴，當(dāng)苯環(huán)上有p-me、p-CN、o-OMe取代基時，在100 ℃下反應(yīng)0.5h，都能以99%的收率得到偶聯(lián)產(chǎn)物(實驗1-3)；而對反應(yīng)活性相對較低的溴代芳烴，當(dāng)苯環(huán)上有p-Me、m-OMe、m-OMe、m-COMe，只需要延長反應(yīng)時間至2.5～3h，也能以91%以上的收率得到偶聯(lián)產(chǎn)物(實驗4-7).研究還發(fā)現(xiàn)：在Pd-Al2O3的催化下，不同取代的苯硼酸(R1= p-F、p-CHO、p-Et)與對碘甲苯反應(yīng)也能以非常好的產(chǎn)率得到產(chǎn)物(實驗8-10).

3 結(jié)論

本文以納米氧化鋁為載體，制備了一種新穎的非均相催化劑Pd-Al2O3.以Pd-Al2O3為催化劑，在乙醇和水中，在K2CO3的存在下，只需0.25 mol% Pd就能非常有效地催化Suzuki偶聯(lián)反應(yīng).Pd-Al2O3催化劑不僅具有很好的底物普適性，而且能被多次重復(fù)使用而不降低催化活性.該催化劑具有很好的應(yīng)用前景.

表2 不同鹵代芳烴和芳基硼酸在Pd-Al2O3催化下的實驗結(jié)果

實驗R1XR2反應(yīng)時間(h)氣相產(chǎn)率1HIp-OMe0.5992HIp-CN0.5993HIo-OMe0.5994HBrp-Me2.5985HBrm-Me2.5936HBrm-OMe2.5917HBrm-COMe3998p-FIp-Me0.5999p-CHOIp-Me0.59310p-EtIp-Me0.599

參考文獻：

[1]Miyaura N,Suzuki A.Palladium-Catalyzed Cross-Coupling Reactions of Organoboron Compounds [J].Chem Rev,1995,95(7): 2457-2483.

[2]Martin R,Buchwald S L.Palladium-catalyzed Suzuki-Miyaura Cross-Coupling Reactions Employing Dialkylbiaryl Phosphine Ligands [J].Acc Chem Res,2008,41(11): 1461-1473.

[4]Schmōger C,Szuppa T.et al.Pd on Porous Glass: A Versatile and Easily Recyclable Catalyst for Suzuki and Heck Reactions [J].ChemSusChem,2008,1(4): 339-347.

[5]Zhang P,Weng Z,Guo J,et al.Conjugated Porous Polymer Networks with Entrapped Palladium Nanocrystals for Heterogeneous Catalysis of the Suzuki-Miyaura Coupling Reaction [J].Chem Mater,2011,23(23): 5243-5249.

[6]Feng,G,Chen L,et al.Crystalline mesoporous γ-Al2O3supported palladium: novel and efficient catalyst for Suzuki-Miyaura reaction under controlled microwave heating [J].Catal Commun.2013,37(5): 27-31.