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1、2011届本科毕业生论文 2011年5月水溶液中的Suzuki反应(生态环境相关高分子材料教育部重点实验室，甘肃省高分子重点实验室，西北师范大学化学化工学院，甘肃兰州，730070)摘要: 水由于具有无毒、便宜易得等特点, 是理想的绿色溶剂. 近年来在水相中进行Suzuki 反应受到广泛关注并取得了一定进展. 本论文就水相中的Suzuki 反应进行了综述.关键词: Suzuki偶联反应；钯催化；水相体系 Suzuki Cross-Coupling Reaction in Aqueous MediaLi Yanli, Cao Wei, Hengchang Ma*(Key Laboratory o
2、f Eco-Environment-Related Polymer Materials Ministry of Education, Gansu Key Laboratory of Polymer Materials, College of Chemistry and Chemical Engineering, Northwest Normal University, Lanzhou 730070, China)Abstract: Water is a promising green solvent for use in chemistry because it is cheap, readi
3、ly available, and nontoxic. Suzuki cross-coupling r- eactions in aqueous media have received much recent attetion.This paper reports the Suzuki cross-coupling reactions in aqueous media.Key words : Suzuki cross-coupling reaction; palladium nanoparticles ;aqu-eous media第一部分 文献综述1 Suzuki偶联反应简介过渡金属催化的碳
4、-碳偶联反应是当前有机化学中最重要的反应之一,是合成复杂分子的主要手段。其中,钯催化的苯硼酸与卤代芳烃的Suzuki偶联反应由于具有反应条件温和、有机硼试剂低毒以及稳定性好,底物适用范围广、产物易于处理、具有立体和区域选择性等特点,在碳-碳偶联反应中占有重要地位,一直是合成联苯类化合物的有效方法,广泛应用于天然产物、药物中间体以及功能材料的合成中。1.1 Suzuki偶联反应Suzuki偶联反应 (Suzuki Coupling Reaetion),是指钯(0)催化下的卤代烃、卤代芳烃或者烯基卤与有机硼试剂之间的反应(Scheme1.1)。它是由日本北海道大学 AkiraSuzuki教授首次发
5、现的，并因此而得名。 Scheme1.1研究发现，三氟甲磺酸酯(ArOTf)和重氮盐(ArN2BF4)等也可以作为Suzuki偶联反应的底物，与有机硼试剂发生反应。Suzuki偶联反应的主要特点是使用金属钯作为催化剂，采用的有机金属试剂为有机硼试剂。与其他的有机金属试剂相比，有机硼试剂主要有以下几个优点:第一，有机硼试剂易于合成，它可以由烯烃或炔烃的硼氢化反应而制备得到;第二，有机硼试剂稳定性好，对水、空气都不敏感，易于操作;第三，有机硼试剂可以允许底物中多种官能团的存在，因此使用范围较广。通过研究，suzuki偶联反应可能是按照以下机理进行的(Figure1.l)。首先Pd(0)与Rx发生氧
6、化加成生成中间体(A)，此时把为2价。随后(A)与有机硼试剂发生金属交换反应生成中间体(B)，中间体(B)发生还原消除反应后就生成了偶联产物，同时再生Pd(0)，从而完成了催化循环。碱在Suzuki偶联反应中的地位非常重要。Suzuki教授在研究Suzuki反应的初始阶段，在体系中没有加入碱，虽然进行了大量的实验，但都是以失败而告终。后来，Suzuki教授意识到，可能是硼试剂上有机基团的活性不够，不容易发生该基团向过渡金属迁移的金属交换反应。后来的实验证明，碱的加入确实促进了反应的发生。Suzuki偶联反应中经常使用的碱主要包括各种无机碱如Na2CO3、K2CO3、K2PO4、KOH等以及多种
7、有机碱。研究表明，不同的反应体系需要不同的碱。Suzuki偶联反应是生成碳一碳单键的有效方法。目前，Suzuki偶联反应的发展方向是:第一，使用价廉易得的氯代底物;第二，使用绿色反应介质来代替传统的有机溶剂;第三，使用安全、稳定、高效、价廉并且无毒的金属催化剂。1.2 Suzuki偶联反应底物 在Suzuki偶联反应中，最重要和最常用的是各种芳香族卤代烃，主要包括碘代芳烃、澳代芳烃和氯代芳烃，并且反应活性依次降低。在某些特殊的反应体系中，嗅苯的反应活性明显高于碘苯，这要由具体的反应体系来决定。氯苯相比碘苯和溟苯而言，价廉易得，是Suzuki偶联反应的理想原料。但是由于氯苯较低的反应活性，在实际
8、生产和应用中受到很大的限制。因此，发展高效的催化氯苯Suzuki偶联反应的催化体系一直是我们努力的方向。节卤也可以发生suzuki偶联反应。另外，芳基三氟甲磺酸酯 (ArOTf)和芳基重氮盐(ArNZBF4)也可以作为Suzuki偶联反应的底物。 除此之外，其他不饱和的卤代烃也可以发生Suzuki偶联反应，比如乙烯型卤代烃和烯丙基卤代烃。饱和的卤代烷烃也可以作为Suzuki偶联反应的底物，但是由于CsP3一X很难与金属发生氧化加成反应，因此，对此的研究较少。有机硼试剂种类较多，主要包括有机硼酸和有机硼酸酷。另外，氟硼酸盐参与的Suzuki反应也有很多报道。1.3 Suzuki偶联反应催化剂随着
9、研究的深入，人们发现，不仅把能够催化Suzuki偶联反应，其他的金属比如Pt、Cu、Ni和Ru都能很好的催化该反应进行，但是还是以钯催化为主。传统的金属催化体系主要集中于各种配体的使用，主要为嶙配体，后来主要集中于一些水溶性膦配体的使用。膦配体的使用的确能够促进反应的发生，然而由于某些膦配体的不稳定性，给操作和使用带来了很大的不便，同时也给环境带来了很大的压力。一些非膦配体的使用在一定程度上克服了膦配体的不足，其中含氮配体是比较重要的一种。研究表明，该类配体能够很好的催化溴苯在和碘苯的Suzuki偶联反应。在某些条件下，还可以促进氯苯的反应，然而，反应往往需要较高的温度。另外，含氮配体复杂的合
10、成工作也限制了该类配体的使用。纳米把也可以有效的促进Suzuki偶联反应。也有很多将钯催化剂支载到高聚物或者无机载体上来催化suzuki偶联反应的报道。随着研究的深入，人们发展了一些无配体参与的简单把盐比如Pd(OAc)2、Pdcl2等催化下简单体系。例如，在HZo、HZo一TBAB、HZo一有机溶剂或者一些特殊的反应介质如离子液体、聚乙二醇等体系中，这类简单的把盐对Suzuki偶联反应呈现出很好的催化效果。例如:HZO一TBAB一Pd(OAc)2能够促进氯苯的suzuki偶联反应;HZo一ILs一Pd(oAc)2和HZo一有机溶剂一Pd(oAc)2能够促进溴苯和碘苯的suzuki偶联反应等等
11、。另外，在简单体系中，微波技术的使用也有报道。由于该类催化体系简单而且高效，反应条件温和，易于操作，加之这些把盐对水、空气等都稳定存在并且价廉易得，某些情况下，还可以实现把催化剂的循环使用。因此，这些简单体系具有非常大的工业前景。2 水相中的Suzuki反应实验表明很多把催化的反应可以在水中进行。目前DMF一水、丙酮一水、乙醇一水体系等都被先后被用做反应溶剂。下面仅就在水相中进行的Suzuki反应进行综述。2.1 纯水中的Suzuki反应suzuki反应可以在纯水中进行。Beletskaya等以钯(11)盐Pd(oAc)2或者PdC12为催化剂，以NaOH、Na2CO3、KZCO3等做为碱，在
12、室温下顺利实现了suzuki反应(Scheme1.2)。Scheme1.2在水中进行的Suzuki偶联反应，有机硼试剂不仅可以是苯硼酸化合物，还可以是NaBPh4和PhBF3K等硼酸盐 (Scheme1.3)，其中NaBPh4场中的四个苯基都可以参与反应。当用PhBF3K与卤苯发生偶联反应时，所用催化剂的量可在0.2一0.5mol%范围内。 Scheme1.3然而，纯水做为反应溶剂，底物一般局限为水溶性的溟苯和碘苯，如带-OH、-COOH等取代基的卤苯，对于溶解性较差的底物反应情况不理想。2.2 水-有机溶剂体系中的Suzuki反应为了扩大应用范围，增加底物的溶解度，常常在水中加入有机溶剂做助
13、溶剂，形成水一有机溶剂体系，如H2O-DMF、水-乙醇、水-乙睛及水-丙酮体系等。如在水-丙酮溶液中用Pd(OAc)2为催化剂可以顺利实现碘苯和苯硼酸的反应。若将催化剂改为PdCl2,在水-丙酮(3:l)体系中还可以实现卞基卤与苯硼酸的偶联反应(Schemml.4) Schemml.4除了改变水溶液的组成以扩大应用范围和改善反应条件外，更有效的方法是探索新的催化剂和配体。目前常用的催化剂有三种:含有配体的Pd(II)络合物、纳米钯以及Pd/C。pd(oAc)2、pdCl2等钯()盐是suzuki反应常用的催化剂，但是一般需要配体来稳定、活化，最常用的是膦配体。为了使配体在极性介质(特别是水)中
14、具有足够的溶解性能，通常在膦配体上引入水溶性无机基团。已知在溶液相中最好的水溶性膦配体是三苯磺酸钠基膦(TPPTS)(Fig.1.2)，该配体已经被用来与Pd(OAc)2配位催化suzuki反应，在这种催化体系中有机碱比经常使用的无机碱效果要好，其中效果最显著的是二异丙基胺。该催化剂甚至可以促进氯苯的Suzuki反应，一种治疗高血压的药物中间体2-氰基-4-甲基联苯已经在PdC12-TPPTS的催化作用下，在DMSO-H2O中成功实现了工业化生产(seheme1.5) Fig.1.2 seheme1.52004年，Shaughnessy等以P(t-Bu)3为母体制备了两种大位阻的水溶性烷基膦配
15、体(Fig.1.3a)，并将这两种配体用于室温下水相中溴苯的Suzuki反应。另外，他们还制备了一种水溶性配体TXPTS(Fig.1.3b)，并且发现该配体与Pd(OAc)2配位时，在水-乙睛体系中可以形成活性很高的催化剂。 Fig.1.3此外，由糖衍生出的水溶性糖营类和糖胺类磷配体也引起了有机界的广泛关注(Fig.1.4)。这种膦配体与Pd(OAc)2配位后可用来催化Suzuki反应，比TPPMS和TPPTS表现出更高的活性。 Fig.1.4然而由于膦配体的的毒性及难于操作，一些非膦配体先后被合成。2003年，Nejera研究的二-(2-吡啶)甲基胺衍生的钯络合物(Fig.1.5)，可以催化多种在水溶液中进行的偶联反应。在这种催化剂的催化作用下，溴苯的Suzuki反应可以在水中回流进行;也可以在CH3OH-H2O-KOH体系中完成。但是底物仍然局限在碘苯和溴苯，对于氯苯与苯硼酸的偶联反应要加
